КОЛЬЦЕВАЯ КОНЦЕНТРИЧЕСКАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Кольцевая концентрическая антенная решетка. Полезная модель относится к антенной технике, в частности - к кольцевым концентрическим антенным решеткам и может использоваться в системах спутниковой связи и для систем связи, размещаемых на мобильных объектах.
Известно, что антенные решетки применяются в различных радиоэлектронных системах для повышения усиления всей системы в сравнении с отдельным антенным элементом, а также получения возможности управления формой диаграммы направленности.
Применение антенных решеток обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия (КНД) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах.
С помощью решетки удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии.
В системах радиосвязи, кроме линейных и состоящих из них прямоугольных плоских антенных решеток, нашли широкое применение кольцевые антенные решетки, представляющие собой систему излучателей, расположенных по окружности. Благодаря круговой симметрии, такие решетки могут использоваться для получения ненаправленных (в плоскости решетки) амплитудных диаграмм направленности, а также для создания направленных амплитудных диаграмм.
Кольцевые антенные решетки по сравнению с линейными решетками обладают целым рядом полезных свойств. Среди них можно выделить расширение рабочей полосы частот, снижение уровня бокового излучения, совмещение излучающего полотна антенны с поверхностью различных объектов.
Так, известна фазированная антенная решетка, позволяющая увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства при сканировании, а следовательно, и характеристики разрешения всей радиосистемы, при этом при формировании луча в плоскости, ортогональной плоскости апертуры, эта решетка работает как обычная плоская антенная решетка с прямоугольной апертурой, (патент РФ №2310956 от 15.09.2006 МПК H01Q 21/06).
Однако, в рассматриваемой схеме построения антенной решетки, возможен обзор пространства только в азимутальной плоскости. Она также обладает достаточно высоким боковым и обратным излучением и имеет усложненную структуру излучающей и распределительной систем, а также повышенные массогабаритные характеристики и недостаточную вибророчность, что не позволяет использовать ее на мобильных.
Известна активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, при этом излучатели расположены равномерно не эквидистантно, а приемопередающие модули выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, причем излучатели могут располагаться по концентрическим окружностям (патент РФ №119530 от 08.07.2011 МПК H01Q 21/22).
Однако, эта антенная решетка имеет усложненную распределительную систему, излучатели расположены не эквидистантно, то есть на разном расстоянии, но не по определенному расчетному алгоритму, она обладает достаточно высоким боковым и обратным излучением, имеет увеличенные габаритные размеры антенного полотна и увеличенную массу, небольшую вибропрочность, вследствие этого не может использоваться для систем связи, размещаемых на мобильных объектах.
Наиболее близкой по достигаемому результату и технической сущности является фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям эквидистантно, при этом излучатели выполнены в виде несимметричных вибраторов, расположенных параллельно между двумя проводящими дисками (Устройства СВЧ и антенны. Проектирование ФАР. Учебное пособие для вузов / Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, B.C. Филиппов и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. 4-е изд., доп. и перераб. -М.: Радиотехника, 2012).
Однако указанная фазированная решетка имеет ряд существенных недостатков: сложную для практической реализации распределительную систему, формирование луча только в плоскости размещения излучателей и линейную поляризацию поля излучения, указанная фазированная антенная решетка не обеспечивает возможность излучения или приема сигналов с разных ракурсов, она обладает достаточно высоким боковым излучением, имеет увеличенные габаритные размеры антенного полотна и массу, а также небольшую вибропрочность, вследствие этого не может использоваться для систем связи, размещаемых на мобильных объектах. Прототип изображен на фиг. 1.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение функциональных возможностей антенной решетки системы спутниковой связи по сравнению с прототипом за счет - упрощения структур излучающей и распределительной систем путем применения волноводных излучателей с круглым раскрывом и возбуждения их с помощью радиального волновода, уменьшения потерь в распределительной системе, увеличения надежности и вибропрочности антенной решетки, а также уменьшения массогабаритных характеристик, что позволит использовать ее для систем связи, размещаемых на мобильных объектах.
Поставленная задача достигается тем, что кольцевая концентрическая антенная решетка, содержащая излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям, при этом на верхней стенке радиального волновода, на входе которого установлена поляризационная секция, размещены излучатели с согласующими ступенчатыми трансформаторами, при этом расстояние между стенками волновода составляет четверть длины волны, а с внутренней стороны антенной решетки по окружности проложена радиопоглощающая ткань и определена схема размещения излучателей в антенной решетке, что позволяет снизить уровень бокового излучения на 2-3 дБ.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображена кольцевая концентрическая антенная решетка, являющаяся прототипом.
На фиг. 2 изображена заявляемая кольцевая концентрическая антенная решетка.
На фиг. 3 приведена схема размещения излучателей в заявляемой антенной решетке.
На фиг. 4 изображен общий вид антенной решетки, а в таблице 1 представлены параметры антенной решетки.
На фиг. 5 приведен единичный излучатель (элемент) антенной решетки с согласующим ступенчатым трансформатором (в разрезе);
На фиг. 6 приведены диаграммы направленности (ДН) единичного излучателя заявляемой антенной решетки в двух ортогональных плоскостях, полученные численным экспериментом с использованием специализированных программ, применяемых для расчета антенн и устройств СВЧ.
На фиг. 7 приведены диаграммы направленности (ДН) антенной решетки в двух ортогональных плоскостях, полученные численным экспериментом с использованием специализированных программ, применяемых для расчета антенн и устройств СВЧ.
На фиг. 8 приведена диаграмма направленности и сечение диаграммы направленности полученные экспериментально, разработанной в ОАО "МНИРТИ" антенной решетки.
За прототип принята кольцевая антенная решетка (фиг. 1), содержащая излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям, при этом излучатели -2 выполнены в виде несимметричных вибраторов, расположенных параллельно между двумя проводящими дисками -1.
Заявляемая кольцевая концентрическая антенная решетка (фиг. 2) содержит: радиальный волновод - 1, радиопоглощающий материал (РПМ) - 2, согласующее устройство, которое согласовывает радиальный волновод 3 с возбуждающим волноводом круглого поперечного сечения - 4, волноводные излучатели - 5, обтекатель - 6.
11
Кольцевая концентрическая антенная решетка работает следующим образом -сигналы от генератора (на фиг. 2 не показан) поступает на вход антенной решетки, затем по волноводу круглого поперечного сечения (4) подводятся к радиальному волноводу (3).Радиальный волновод (3) возбуждает волноводные излучатели (5), размещенные на его верхней крышке. Обтекатель (6) представляет собой защитный кожух антенны и выполнен из вспененного полиэтилена. Подбор материала обтекателя осуществлен экспериментальным путем. Полотно антенной решетки заполняется элементами по кольцевой структуре Параметры концентрической кольцевой структуры приведены в таблице 1. Излучатели антенной решетки представляют собой открытые концы волновода с длиной волны для основного типа Н.
При этом расстояние между стенками волновода составляет четверть длины волны. Это расстояние определено исходя из теории антенн (волнового поля), оно должно быть не более 1/2 длины волны. Наилучшие характеристики излучения и согласования, исходя из расчетов, достигаются при расстоянии между пластинами - четверть длины волны, но для больших решеток целесообразно учитывать технологические возможности выполнения такого расстояния. При диаметре антенной решетки порядка 5 длин волн целесообразно увеличить расстояние между пластинами до 1/2 волны.
Важной характеристикой антенной решетки является диаграмма направленности. Поле излучения кольцевой концентрической антенной решетки может рассматриваться как результат интерференции полей, создаваемых в точке наблюдения отдельными излучателями решетки. Управляемость диаграммы направленности антенных решеток, в том числе кольцевых концентрических расширяет область их использования в системах связи, радионавигации, радиолокационных станциях.
С помощью численного эксперимента с использованием специализированных программ, применяемых для расчета антенн и устройств СВЧ и антенн в ОАО "МНИРТИ" были построены диаграммы направленности (ДН) единичного излучателя заявляемой антенной решетки в двух ортогональных плоскостях (фиг. 6) и диаграммы направленности (ДН) антенной решетки в двух ортогональных плоскостях (фиг. 7). На фиг. 8 приведена диаграмма направленности разработанной антенной решетки (а), полученная в ОАО "МНИРТИ" экспериментально и сечение диаграммы направленности (б). Экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными численными методами.
В ОАО "МНИРТИ" изготовлен действующий опытный образец кольцевой концентрической антенной решетки. Предложенная схема построения антенны с совмещением распределительной и излучающей систем позволяет улучшить ее функциональные возможности по сравнению с прототипом - уменьшить массогабаритные характеристики антенны, снизить потери за счет использования волноводных распределительных систем и уровень бокового излучения на 2-3 дБ за счет разреженного размещения излучателей на краях антенной решетки и использования радиопоглощающей ткани. Применение радиального волновода и волноводных излучателей существенно упрощает распределительную систему данной антенны по сравнению с распределительными системами аналогов.
Разработаная антенная решетка из волноводных излучателей обеспечивает высокую надежность и минимальные габаритные размеры за счет совмещения антенного полотна и распределительной системы. Кроме того, экспериментальными данными показано, что при использовании недисперсионной распределительной системы и при наличии широкополосных элементов, такие антенные системы обладают широкой рабочей полосой. Полученные результаты применения разработанной кольцевой концентрической антенной решетки для систем спутниковой связи хорошо согласуются с общей теорией антенн.
Ввиду того, что антенная решетка выполнена на радиальном волноводе, ее конструкция обладает высокой надежностью и вибропрочностью, она характеризуется уменьшением потерь в распределительной системе, обеспечивает увеличение надежности и вибропрочности, а также уменьшения массогабаритных характеристик, что позволит использовать ее для систем связи, размещаемых на мобильных объектах.