Антенное устройство с переключаемой диаграммой направленности
ANTENNA DEVICE WITH SWITCHED BEAM PATTERN

Предлагаемое устройство относится к области антенной техники и может быть использовано, например, в системах корпоративной, мобильной связи, а также в системах связи специального назначения.
Использование направленного излучения в системах связи позволяет повысить энергетику радиолинии в заданном направлении с одновременным подавлением мешающих излучений с других направлений, увеличить дальность радиосвязи, повысить помехозащищенность канала связи, улучшить параметры электромагнитной совместимости, повысить скрытность передачи информации.
При этом при работе с абонентами, расположенными случайным образом в азимутальной плоскости, а также в мобильных системах связи требуется применение направленных антенн с возможностью поворота направления излучения.
Для этих целей могут применяться различные методы: механическое сканирование, частотное управление лучом, фазированные решетки, SMART-антенны, или решения, основанные на использовании решеток излучателей с коммутацией их питания, что позволяет сформировать определенную ДН либо осуществить ее поворот.
Известен ряд антенных устройств подобного рода.
Антенное устройство с управляемой диаграммой направленности и планарная направленная антенна [1] включает планарные направленные антенны, каждая из которых выполнена в виде диэлектрической пластины, на которой установлен активный элемент антенны. Обращенная к активному элементу поверхность пластины металлизирована и служит рефлектором антенны. Пластины соединены по ребрам так, что образуют боковые грани полого корпуса устройства. Торцовая грань выполнена в виде диэлектрической пластины с металлизированной внешней поверхностью и может также иметь активный элемент антенны. На внутренней поверхности торцовой грани корпуса размещен антенный коммутатор, подключенный к блоку управления коммутатором и соединенный с активными элементами антенн. Активный элемент крепится с помощью штырей, выполненных из тела активного элемента путем его просечки с последующим отгибом.
В [2] реализована шестиэлементная кольцевая антенная решетка (КАР) для системы передачи данных Wi-Fi диапазона с управляемой диаграммой направленности на основе планарных излучателей с плоским экраном, излучение каждого элемента которой перекрывает определенный сектор углов. За счет переключения элементов антенна обеспечивает работу во всех азимутальных направлениях с требуемым коэффициентом усиления (КУ).
«Super Scanner М-119 Electronic Sector-Phased Omni-beam antenna» [3] компании «The antenna specialist со.» представляет собой три диполя, установленных вертикально на одной мачте в разных секторах пространства и переключаемых удаленно коммутирующим устройством на ВЧ-реле. При работе диполи включаются таким образом, что получаются один источник возбуждения и два рефлектора, Таким образом, можно получить переключаемую диаграмму направленности на три направления.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является «Вибраторная антенна с переключаемыми диаграммами направленности» [4], принятая за прототип.
a
На фиг. 1 представлена схема антенны-прототипа, на фиг. 1) - вид сверху, фиг. 1б) - вид сбоку), где обозначено:
1.1, 1.2, 1.3 - «тонкие» плечи вибраторов;
7 - цилиндрический экран;
8 - микрополосковая линия (МПЛ).
а
Антенна-прототип (фиг. 1 ) - вид сверху, и фиг. 1б) - вид сбоку) содержит цилиндрический экран 7, являющийся одним плечом вибратора.
Вторым плечом являются подключаемые при помощи коммутирующих элементов - управляемых замыкателей «тонкие» плечи вибраторов 1.1, 1.2, 1.3. Схема питания построена на основе микрополосковой линии (МПЛ) 8 и управляемых замыкателей (перемычек) на pin-диодах (на фиг. 1 не показаны).
Цилиндрический экран 7 имеет длину образующей около четверти длины волны λ и такой диаметр, что расстояния между плечами вибраторов 1.1, 1.2, 1.3 составляют около 0.3 λ. Электрическое расстояние вдоль МПЛ 8 от центра схемы питания до точек питания плеч вибраторов 1.1, 1.2, 1.3 в которых включены управляемые замыкатели, составляет 0.25 λ.
Если в данный момент времени два замыкателя находятся в состоянии «замкнуто», то на входах соответствующих отрезков МПЛ 8 реализуется режим холостого хода: весь сигнал передается к точке подключения одного активного плеча вибратора. Активное плечо вибратора излучает электромагнитную волну, которая распространяется во всех направлениях. Поскольку расстояния до пассивных в данный момент плеч вибраторов и их длины выбраны определенным образом, переизлученные этими плечами вибраторов волны, складываясь в пространстве с первичной волной, реализуют диаграмму направленности шириной ~120° с одним главным лучом в направлении активного плеча. Делая активным попеременно остальные плечи, можно направлять главный луч в два других положения. Диаграмма направленности в Н-плоскости представлена на фиг. 1в). Обладая возможностью управления ДН, антенна-прототип, а также приведенные выше антенны-аналоги, тем не менее, имеют недостатки.
Поворот ДН в антенне-прототипе производится коммутацией питающих токов в излучающих элементах. Для передающих антенн при больших мощностях передающих устройств питающие токи имеют заметную величину, что приводит к повышенным требованиям к коммутирующим элементам. Кроме того, поскольку при повороте ДН попеременно активными становятся все элементы антенной решетки, то они все требуют согласования с питающей линией.
Задача - снижение токовой нагрузки на коммутирующие элементы, уменьшение количества элементов, подлежащих согласованию с питающей линией.
Предлагаемое устройство поясняется графическими материалами.
а
На фиг. 1 ) - антенна-прототип, фиг. 1 б) - вид сбоку, фиг. 1 в) - диаграмма направленности антенны-прототипа. На фиг. 2 - предлагаемое антенное устройство, на фиг. 3-7 - зависимости диаграмм направленности для антенных структур из одного активного вибратора и N управляемых пассивных вибраторов.
Для решения поставленной задачи в антенном устройстве с переключаемой диаграммой направленности, содержащем пассивные и активный электрические вибраторы и коммутирующие элементы, согласно изобретению, источником возбуждения является постоянно подключенный к линии питания активный вибратор, окруженный равномерно расположенными на расстоянии 0.25 λ от него N (N=2, 3, …) коммутируемыми пассивными вибраторами длиной 0.5 λ, состоящими из М (М=4, 5, …) коллинеарно расположенных проводников, соединяемых коммутирующими элементами, управляющими диаграммой направленности антенного устройства посредством придания пассивным вибраторам либо свойства рефлектора, либо свойства незаметности для активного вибратора, при этом пассивные вибраторы выполнены с возможностью переключения диаграммы направленности при работающем передающем устройстве, функционирующем со значительными мощностями, причем число разбиений пассивных вибраторов выбирается в зависимости от требуемой степени незаметности их для активного вибратора.
На фиг. 2 изображено предлагаемое антенное устройство, где обозначено:
1 - активный вибратор;
2 - коммутирующие элементы (перемычки);
3 - управляемые пассивные вибраторы.
Коммутирующие элементы (перемычки) 2 в пассивном вибраторе работают синхронно и могут быть реализованы, например, на ВЧ-реле, герконах, pin-диодах.
Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом.
Если перемычки 2 в пассивном вибраторе 3 замкнуты, то пассивный вибратор представляет собой проводник длиной 0,5 λ, и, в силу того, что он расположен на расстоянии порядка 0,25 λ от активного вибратора, он по отношению к активному вибратору 1 играет роль рефлектора.
При разомкнутых перемычках 2 пассивный элемент 3 распадается на ряд коротких проводников с длиной значительно меньшей рабочей длины волны. Собственная частота резонанса полученных коротких проводников выходит за пределы рабочей частоты антенны, и пассивный вибратор становится, «незаметным» для активного вибратора.
Поскольку токи, наведенные в пассивных вибраторах, имеют значительно меньшую величину токов питания в активном вибраторе 1 -источнике возбуждения - то переключение диаграммы направленности можно производить при работающем передающем устройстве, в том числе при значительных мощностях. Согласованию с питающей линией при такой структуре антенного устройства подлежит только лишь один активный вибратор 1.
Некоторые виды диаграмм направленности в Н-плоскости приведены на фиг. 3-7.
На фиг. 3 приведена диаграмма направленности для разомкнутых перемычек при любом количестве N пассивных вибраторов. Форма диаграммы направленности для данного случая - круговая с КУ = 2.53 дБ.
На фиг. 4 приведена диаграмма направленности для одного активного вибратора и двух пассивных, расположенных друг напротив друга через 180° на расстоянии, причем в одном пассивном вибраторе перемычки замкнуты, в другом - разомкнуты. Диаграмма направленная с КУ = 4.56 дБ.
На фиг. 5 приведена диаграмма направленности для одного активного вибратора и трех пассивных, расположенных равномерно по кругу на расстоянии 0,25 λ от активного вибратора при двух замкнутых пассивных вибраторах и одном разомкнутом. Диаграмма направленная с КУ = 6.56 дБ.
На фиг. 6 приведена диаграмма направленности для одного активного вибратора и четырех пассивных, расположенных равномерно по кругу на расстоянии 0,25 λ от активного вибратора при трех замкнутых пассивных вибраторах и одном разомкнутом. Диаграмма направленная с КУ = 5.98 дБ.
На фиг. 7 приведена диаграмма направленности для одного активного вибратора и четырех пассивных, расположенных равномерно по кругу на расстоянии 0,25 λ от активного вибратора при двух замкнутых пассивных вибраторах и двух разомкнутых. Диаграмма направленная с КУ = 6.55 дБ.
Таким образом, использование структуры антенного устройства, в котором источником возбуждения является постоянно подключенный к линии питания электрический вибратор 1, окруженный равномерно расположенными коммутируемыми пассивными вибраторами 3, позволяет управлять диаграммой направленности включением-выключением наведенных в них токов, в результате чего пассивный вибратор 1 может либо играть роль рефлектора для источника возбуждения, либо быть незаметным для него.
Расстояние между источником возбуждения и пассивными вибраторами порядка 0.25 λ. Число пассивных вибраторов N выбирается в зависимости от требований к ДН и углу ее поворота (N=2, 3, …). Число разбиений пассивных вибраторов М на более короткие части выбирается от четырех и более в зависимости от требуемой степени проявления «незаметности» их для активного вибратора, то есть от степени выраженности эффекта направленности антенного устройства.
По сравнению с прототипом предлагаемое антенное устройство позволяет снизить токовую нагрузку на коммутирующие элементы и уменьшить количество вибраторов, подлежащих согласованию с питающей линией.
Источники информации.
1. Абрамов О.Ю., Кашкаров А.Г., Нагаев Ф.И., Антенное устройство с управляемой диаграммой направленности и планарная направленная антенна, патент 223017, H01Q 1/00 дата подачи заявки 02.12.2002, дата публикации 20.07.2004.
2. Костиков Г.А., Терентьева П.В. Антенная решетка с переключаемой диаграммой направленности для мобильных коммуникационных систем // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. №1. С. 29-35.
3. http://radiochief.ru/antenny/antenna- pereklyuchaemoj-diagrammoj-napravlennosti/.
4. Слезкин В.Г., Евенко В.В. Вибраторная антенна с переключаемыми диаграммами направленности. В кн.: 13-я Междунар. конф. КрыМиКо, 2003. Материалы конф. - Севастополь: «Вебер», 2003 - С. 404-405.