ПЛАЗМЕННАЯ АНТЕННА С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
PLASMA ANTENNA WITH CONTROLLED PARAMETERS

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для приема и передачи радиосигналов [H01Q 1/38, H01Q 3/00, H01Q 9/00, H01Q 13/00, H01Q 15/06].
Из уровня техники известна ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ АНТЕННА [RU2742380, опубл. 05.02.2021], содержащая излучающий элемент в виде плазменного образования, формируемого в наборе твердотельных волноводных полупроводниковых структур, имеющих электрический контакт с приемо-передающим устройством электромагнитных сигналов, а также дополнительно связанных по волоконно-оптическим каналам через оптическое распределительное устройство с источником света, энергия кванта которого достаточна для создания фотоплазмы за счет внутреннего фотоэффекта в полупроводниковой структуре. Техническим результатом изобретения является улучшение параметров электромагнитной совместимости, упрощение конструкции и добавление новых функциональных возможностей. Технический результат достигается за счет того, что в лазерной плазменной антенне вместо газоразрядной плазмы используется полупроводниковая плазма, формируемая в специальной волноводной полупроводниковой структуре с помощью лазерного или светодиодного источника излучения, за счет регулировки мощности которого исходно высокое сопротивление полупроводниковой структуры может быть снижено на несколько порядков и, наоборот, при выключении источника света перейдет в слабо проводящее состояние (кОм и выше), а за счет подключения источника света к волноводным структурам через оптическое распределительное устройство можно осуществлять переключение между волноводными полупроводниковыми антеннами с различной конфигурацией.
Недостатком аналога является стационарность, то есть для обеспечения работы в необходимом диапазоне частот необходим целый набор соответствующих длин участков полупроводниковых структур, что не позволяет динамически управлять изменением параметров антенны.
Также известна ПЛАЗМЕННАЯ АНТЕННА [RU2736811, опубл. 20.11.2020], содержащая трубку, металлический контактный элемент для соединения конца трубки с приемо-передающим устройством, а также источник излучения, размещенный у конца трубки с возможностью направленной передачи светового излучения внутрь трубки, которая выполнена в сечении ∩-образной в виде диэлектрического капилляра, внутренние стенки которого покрыты полупроводником, при этом источник излучения выполнен с возможностью формирования излучения с энергией квантов, превышающей энергию запрещенной зоны в полупроводнике, в качестве источника излучения используют лазерный или светодиодный источник или оптической волновод, соединенный с таким внешним источником, а металлический контактный элемент выполнен с возможностью соединения с концами дополнительных трубок, размещенных с возможностью направленной передачи излучения от источника излучения внутрь этих трубок.
Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, используемых в качестве приемо-передающих антенн.
Недостатком аналога является невозможность в текущей конфигурации антенны осуществлять облучение источником излучения различных участков полупроводника, то есть невозможность динамического изменения параметров антенны.
Наиболее близкой по технической сущности является РЕКОНФИГУРИРУЕМАЯ АНТЕННА [US2002039083, опубл. 04.04.2002], содержащая множество поверхностных PIN-устройств, расположенных в виде сетки, каждое из устройств SPIN может быть индивидуально активировано или деактивировано. Когда SPIN-устройство активировано, на его поверхность вводят носители таким образом, что плазма образуется внутри внутренней области устройства. Плазма может иметь достаточную проводимость, чтобы создавать проводящие или металлические характеристики на поверхности устройства. Различные устройства SPIN могут быть активированы для электронного рисования проводящего рисунка на подложке, поддерживающей устройства PIN. Технический результат: благодаря избирательной активации устройств SPIN на подложке можно создавать различные диаграммы направленности поверхностных антенн, включая диполи, перекрестные диполи, рамочные антенны, антенны типа Яги-Уда, логопериодические антенны и т.п. Кроме того, сетка устройства SPIN может быть выборочно активирована для создания голографических антенн.
Основными техническими проблемами прототипа являются:
- невысокая эффективность использования поверхности антенны по причине малой площади создаваемых на ней областей плазмы по сравнению с лазерными светодиодами;
- невысокая ремонтопригодность по причине повышенной сложности изготовления схемы сопряжения печатной платы, подложки и штырей смещения, что также снижает надежность конструкции;
- отсутствие системы самодиагностики штырей смещения и подводящих электродов, что не позволяет своевременно выявлять возникающие неисправности и, таким образом, снижает надежность конструкции антенны.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности антенны.
Указанный технический результат достигается за счет того, что плазменная антенна с управляемыми параметрами содержит корпус, образованный боковыми стенками, основанием и крышкой, внутри корпуса антенны на протяжении его длины параллельно основанию смонтирован рефлектор, выполненный в виде пластины из магнитопроницаемого материала с напылением слоя из полупроводника, к основанию за рефлектором смонтирован источник светового излучения, выполненный в виде матрицы светодиодов узконаправленного светового пучка, каждый из светодиодов подключен к микроконтроллеру, микроконтроллеры подключены к индивидуальным Ethernet-модулям, объединенным общей шиной, на одной из боковых стенок корпуса антенны смонтированы патрубки разности давлений, снабженные датчиками давлений, к боковой стенке корпуса напротив крышки корпуса смонтирован с помощью кронштейна щелевой излучатель, выполненный в виде волновода, при этом упомянутый кронштейн снабжен приводами изменения угла наклона щелевого излучателя относительно плоскости рефлектора, щелевой излучатель содержит матрицу светодиодов узконаправленного светового пучка, каждый из светодиодов подключен к микроконтроллеру, смонтированному внутри волновода в экранированном коробе, микроконтроллеры подключены к индивидуальным Ethernet-модулям, объединенным общей шиной, в окончании щелевого излучателя, обращенном к корпусу антенны, смонтирован рефлектор щелевого излучателя, выполненный в виде пластины из полупроводника.
В частности, приводы изменения угла наклона щелевого излучателя относительно плоскости рефлектора выполнены в виде шаговых электродвигателей.
В частности, светодиоды выполнены лазерными.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показан вид сбоку в разрезе участка плазменной антенны.
На фиг. 2 показан вид спереди в разрезе плазменной антенны.
На фиг. 3 показан вариант осуществления изобретения в виде рефлекторной антенны.
На фиг. 4а показан вид сбоку в разрезе щелевого излучателя.
На фиг. 4б показан вид спереди в разрезе щелевого излучателя.
На фиг. 5 показана схема подключения и работы лазерных светодиодов.
На фигурах обозначено: 1 – боковые стенки, 2 – основание, 3 – крышка, 4 – рефлектор,5 – матрица светодиодов, 6 – патрубки разности давлений, 7 – шаговый двигатель наклона офсетного кронштейна, 8 – шаговый двигатель наклона щелевого излучателя, 9 – офсетный кронштейн, 10 – щелевой излучатель, 11 – корпус волновода,12 – экранированный короб, 13 – держатели экранированного короба, 14 – фидер,15 – блок питания, 16 – светодиод, 17 – микроконтроллер, 18 – Ethernet-модуль,19 – шина.
Осуществление изобретения.
Для обеспечения устойчивой и непрерывной связи в КВ и УКВ диапазонах для различных условий работы (в движении или на месте, днем или ночью, и т.д.) требуются внушительных размеров антенно-мачтовые устройства, что влечет за собой ряд существенных недостатков, таких как увеличение массы используемого для установления связи оборудования, увеличение времени, затрачиваемого на установление связи в условиях необходимости развертывания нескольких типов антенн, а также значительная площадь, занимаемая антенно-мачтовым оборудованием при развертывании радиостанций, что представляет из себя довольно заметный демаскирующий признак и впоследствии при проведении разведки потенциальным противником может привести к установлению местоположения указанных элементов связи.
Для устранения недостатков, характерных как для стационарных, так и для подвижных радиостанций, требуется максимально унифицированная антенна, пригодная для передачи и приема с сохранением оптимальной диаграммы направленности различных диапазонов частот. К антенным устройствам предъявляются требования по возможности программного управления диаграммой направленности антенны.
С целью решения обозначенной проблемы предлагается плазменная антенна с управляемыми параметрами, а также способ изменения параметров такой антенны.
Плазменная антенна состоит из корпуса антенны прямоугольного сечения (см. фиг. 1 и 2), выполненного из магнитопроницаемого материала и образованного боковыми стенками 1, основанием 2 и крышкой 3. Внутри корпуса антенны на протяжении его длины параллельно основанию 2 и крышке 3 к боковым стенкам 1 смонтирован рефлектор 4, выполненный в виде пластины малой толщины из магнитопроницаемого материала, например, стекла, на которую напылен слой из полупроводника, предпочтительно германия. К основанию 2 на протяжении длины корпуса антенны смонтирован источник светового излучения, выполненный в форме матрицы 5 светодиодов узконаправленного светового пучка, выполненных, например, лазерными.
В одном из вариантов реализации (см. фиг. 3), по крайней мере, на одной из боковых стенок 1 корпуса антенны смонтированы патрубки разности давлений 6 с датчиками давлений (на фигурах не показаны), на поверхности крышки 2 корпуса антенны смонтирован шаговый двигатель наклона офсетного кронштейна 7, к которому одним из своих окончаний присоединен офсетный кронштейн 9.
Другим окончанием офсетный кронштейн 9 присоединен к шаговому двигателю наклона щелевого излучателя 8, к которому также присоединен щелевой излучатель 10.
Щелевой излучатель 10 сформирован по аналогии с рефлектором 4 плазменной антенны, выполнен в виде щелевой антенны (см. фиг. 4а, 4б) и содержит волновод, корпус 11 которого выполнен в сечении прямоугольным и имеет сужение, в окончании которого соединен с фидером 14.
Внутри корпуса волновода 11 с помощью диэлектрических держателей экранированного короба 13, закрепленных на внутренней поверхности стенок корпуса волновода 11, смонтирован экранированный короб 12, внутри которого размещены микроконтроллеры (на фигуре не показаны), управляющие источниками светового излучения, выполненными в виде матрицы 5 светодиодов узконаправленного светового пучка, выполненных, например, лазерными.
В разрез корпуса волновода 11, обращенный в сторону крышки 3 корпуса антенны, то есть к рефлектору 4 антенны, установлен рефлектор 4 щелевого излучателя, выполненный в виде пластины из полупроводника.
Плюсовой вывод каждого светодиода 16 подключен к блоку питания 15 (см. фиг. 5), минусовой вывод – к порту соответствующего микроконтроллера 17, который, в свою очередь, подключен к Ethernet-модулю 18, при этом все Ethernet-модули 18 подключены к общей шине 19.
Заявленное техническое решение используют следующим образом.
Физический принцип, на котором основана работа предлагаемой плазменной антенны с управляемыми параметрами, заключается в использовании матричной структуры, реализующей способ получения различных конфигураций плазменных антенн в одном изделии при сохранении массо-габаритных показателей.
Для реализации указанного физического принципа от управляющей ЭВМ (на фигурах не показана) в соответствии с требуемой конфигурацией антенны по общему проводу через блок питания 15 подают электропитание на плюсовые выводы лазерных светодиодов 16.
В соответствии с технологией «общая шина» по коаксиальному кабелю через Ethernet-модули 18 подают управляющие сигналы на микроконтроллеры 17, которые, в свою очередь, передают эти сигналы на минусовые выводы соответствующих светодиодов 16 из состава матрицы светодиодов 5. Включенные таким образом светодиоды 16 за счет механизма внутреннего фотоэффекта засвечивают определенные участки рефлектора 4, выполненного в виде магнитопроницаемой полупроводниковой пластины.
Посредством включения заданного количества светодиодов 16 наводят области проводимости на рефлекторе 4, и таким образом управляют длиной антенны, оптимизируя ее под требуемую длину волны, чем достигают наилучшей для данных условий диаграммы направленности.
Для получения более гибкой конфигурации области проводимости используют рефлектор 4 в виде диафрагмы, достигая ее выпуклости за счет разности давлений в корпусе антенны, задаваемых и регулируемых через патрубки разности давлений 6 (см. фиг. 3). В данном варианте реализации предпочтительно задают слева от рефлектора 4 большее давление, чем справа, для достижения более равномерного изгиба диафрагмы и получения сферического зеркала. От датчиков давления патрубков разности давлений 6 получают и передают на управляющую ЭВМ (на фигурах не показана) информацию о состоянии давления в корпусе антенны и сигналы о неисправности в случае утечки газа.
Для облучения рефлектора антенны используют щелевой излучатель 10, при этом излучение к корпусу волновода 11 подводят через фидер 14 (см. фиг. 4).
Согласно приведенной выше схеме, расположенные в экранированном коробе 12 микроконтроллеры 17 (на фигуре не показаны) управляют включением/выключением светодиодов 16 (на фигуре не показаны) из состава матрицы светодиодов 5. Светодиоды 16 за счет механизма внутреннего фотоэффекта засвечивают изнутри волновода требуемые участки магнитопроницаемой полупроводниковой основы рефлектора 4, таким образом, что на незасвеченных областях излучаются электромагнитные волны.
Для корректировки фокусировки щелевого излучателя 10 на рефлектор в связи с изменением геометрии рефлектора в различных режимах работы антенны посредством работы шаговых двигателей наклона офсетного кронштейна 7 и щелевого излучателя 8 выставляют и изменяют положение офсетного кронштейна 9 и щелевого излучателя 10 относительно плоскости рефлектора 4.
Для выявления неисправностей посредством управляющей ЭВМ (на фигурах не показана) производят с заданным временным интервалом опрос портов микроконтроллеров 17 на предмет наличия на них напряжения. В случае отсутствия напряжения на одном из портов микроконтроллер 17 формирует сообщение о неисправности соответствующего ему светодиода 16 и передает это сообщение по сети передачи данных с помощью реализованной в виде коаксиального кабеля общей шины 19.
В случае отсутствия напряжения на портах отдельного микроконтроллера 17 делают вывод о перегорании светодиода 16 либо об отсутствии питания на светодиоде 16. При отсутствии ответа от самого микроконтроллера 17 делают вывод о его неисправности.
Таким образом осуществляют не только управление, но и подтверждения операции выполнения и опроса состояния с необходимым таймингом.
Наилучшей диаграммой направленности на конкретной частоте по сравнению с широкодиапазонными антеннами обладают узкодиапазонные антенны. Таким образом, при использовании предложенного технического решения формируют узкодиапазонную антенну с оптимизируемыми параметрами для каждой частоты.
Применяя различную конфигурацию расположения и взаимодействия светодиодов 16 из состава матрицы светодиодов 5, получают практически любую антенну.
Применяя схему облучения рефлектора предложенным типом щелевого излучателя, формируют щелевую спиральную антенну с круговой поляризацией, щель для горизонтальной или вертикальной поляризации различных размеров под конкретные требуемые частоты излучаемых волн.
Заявленный технический результат – повышение надежности плазменной антенны – достигается за счет следующих факторов:
- применение инверсивной схемы включения диодов и опрос состояния портов микроконтроллера на предмет наличия на них напряжений, что позволяет своевременно выявлять возникающие неисправности и, таким образом, повышает системы функционирования антенны;
- применение в качестве источника светового излучения лазерных светодиодов как простейших элементов, что улучшает ремонтопригодность антенны, в особенности в полевых условиях, и таким образом способствует повышению надежности устройства.
Пример достижения технического результата.
В 2020-2021 гг. автором изобретения были изготовлены в соответствии с описанием опытные образцы антенн и проведены их лабораторные и полевые испытания.
По сравнению с находящимися в эксплуатации антеннами, сконструированными по схемам, аналогичным предложенным в описании прототипа, для опытных образцов в среднем на 15-18% реже регистрировались выходили сбои в работе либо выходы из строя, что показало достижение цели повышения надежности предложенного технического решения по сравнению с аналогами и прототипом.
К дополнительному техническому результату можно отнести уменьшение необходимого размера антенного поля, снижение времени установления связи в различных диапазонах, защищенность в выключенном состоянии от обнаружения средствами РЭБ противника ввиду отсутствия излучающих элементов, снижение необходимой мощности передатчика и расширение используемого диапазона частот, а также возможность унификации антенн на основе предложенной схемы, и, как следствие, уменьшение числа и веса антенно-мачтовых устройств, особенно в подвижных аппаратных радиосвязи.