АКТИВНАЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА ШИРОКОВА
ACTIVE TRANSMITTING AND RECEIVING ANTENNA BY SHIROKOV

Изобретение принадлежит к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радионавигации, радиолокации.
Известны активные антенны (см. например кн. Должиков В. В., Цыбаев Б. Г. Активные передающие антенны. — М., 1984, или кн. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д. И. Воскресенского. Изд. 4-е, доп. и перераб. — М.: Радиотехника, 2003). Активная антенна — антенна, содержащая в своей структуре активные устройства, в частности усилители мощности (передающая активная антенна) или малошумящие усилители (приемная активная антенна). Чаще всего активной антенной является антенная решетка. При этом использование активных устройств в передающей активной антенне позволяет компенсировать потери в трактах и обеспечивать оптимальное распределение амплитуд и фаз токов по излучающей апертуре. Приемная активная антенна со встроенными малошумящими усилителями имеет существенно большее отношение сигнал/шум на входе приемника по сравнению с аналогичной пассивной антенной. Однако описанные активные антенны предназначены либо для приема сигналов, либо для их излучения. При этом представляет особый интерес построение приемопередающей активной антенны, способной как принимать сигналы, так и излучать их, причем делать это одновременно.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится Патент России: Наиболее близкими к предполагаемому изобретению относится Патент на изобретение № 2594343, Россия. МПК H01Q 13/10 (2006.01), H01Q 23/00 (2006.01), «Активная приемопередающая антенна Широкова», опубл. 10.08.2016, Бюл. №22. Активная приемопередающая антенна содержит полевой транзистор, микрополосковую антенну на диэлектрической подложке, экранирующую пластину, блокировочный конденсатор, разъем ввода/вывода микроволновых сигналов. При этом микрополосковая антенна дополнительно имеет три вывода, соединенные в ее различных модификациях с полевым транзистором и с экранирующей пластиной. Указанная антенна способна принимать микроволновые сигналы, а затем их усиливать регенеративным усилителем, работая при этом в режиме приема. В тоже время антенна способна сначала усиливать микроволновые сигналы тем же самым регенеративным усилителем, а затем их излучать в свободное пространство, работая при этом в режиме передачи. Причем никаких переключений режимов работы антенны не происходит. Более того, антенна способна одновременно и принимать и передавать сигналы.
Однако указанная антенна в качестве активного элемента содержит полевой транзистор, два вывода которого (затвор и исток) подключены через отверстия в заземляющей пластине и излучающему элементу в двух его точках, разнесенных на известное расстояние. Поскольку это расстояние имеет место быть, то транзистор нельзя при этом рассматривать как точечный элемент с нулевой длиной его выводов (затвор и исток). При этом в конструкции антенны присутствуют проводники известной длины, соединяющие затвор и исток транзистора с излучающим элементом антенны. Эти проводники обладают на рабочей частоте антенны известной паразитной индуктивностью и емкостью, что затрудняет расчет всей антенны и неизбежно ухудшает ее усилительные свойства.
В основу изобретения поставлена задача упрощения конструкции приемопередающей активной антенны и повышения ее усиления. Поставленная задача достигается следующим образом.
1. Активная приемопередающая антенна, содержащая микрополосковую антенну на диэлектрической подложке, экранирующую пластину, блокировочный конденсатор, высокочастотный разъем, причем микрополосковая антенна имеет выводы, расположенные на одной ее осевой линии, один из которых, находящийся в точке возбуждения микрополосковой антенны, через отверстие в экранирующей пластине соединен с высокочастотным разъемом, при этом этот вывод расположен на известном расстоянии от центра микрополосковой антенны, причем этот вывод может быть расположен как справа, так и слева от центра микрополосковой антенны,
отличающаяся тем, что центр микрополосковой антенны соединен с заземляющей пластиной короткозамыкающей перемычкой, а к микрополосковой антенне на известном расстоянии от ее центра подсоединен первый вывод активного двухполюсника, имеющего отрицательный участок вольтамперной характеристики, такой как, например, туннельный диод, или диод Ганна, или лавинопролетный диод, или любой другой двухполюсник с отрицательным участком вольтамперной характеристики, при этом второй вывод указанного активного двухполюсника пропущен через отверстие в экранирующей пластине и соединен с первым выводом блокировочного конденсатора, второй вывод которого соединен с заземляющей пластиной, при этом второй вывод активного двухполюсника соединен с источником напряжения питания активного двухполюсника, при этом на высокочастотный разъем подают радиочастотный сигнал, который затем усиливают активным двухполюсником и излучают микрополосковой антенной электромагнитную волну, вместе с тем, микрополосковой антенной принимают электромагнитную волну, которую затем усиливают активным двухполюсником и на высокочастотном разъеме снимают  радиочастотный сигнал, причем прием и излучение сигналов можно производить одновременно, причем место подсоединения к микрополосковой антенне активного двухполюсника, параметры активного двухполюсника, напряжения питания активного двухполюсника подобраны таким образом, чтобы не выполнялось условие самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
2. Активная приемопередающая антенна по п. 1,
отличающаяся тем, что второй вывод активного двухполюсника соединен с заземляющей пластиной, а центр микрополосковой антенны соединен с проводом, который проходит через отверстие в экранирующей пластине и этот провод соединен с источником напряжения питания активного двухполюсника, при этом сигнальный провод высокочастотного разъема соединен с первым выводом блокировочного конденсатора, второй вывод которого соединен с микрополосковой антенной в точке ее возбуждения.
3. Активная приемопередающая антенна по п. 2,
отличающаяся тем, что из схемы исключен провод, соединенный с микрополосковой антенной в ее центре, но добавлен развязывающий дроссель, первый вывод которого соединен с источником напряжения питания активного двухполюсника, а второй вывод которого соединен со вторым выводом блокировочного конденсатора, который также соединен с микрополосковой антенной в точке ее возбуждения.
Сравнение предполагаемого изобретения с уже известным прототипом показывает, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, заключающиеся в упрощении конструкции и минимизации длины проводников, соединяющих выводы активного двухполюсника с микрополосковой антенной. В заявляемом устройстве длина этих выводов практически равна нулю и не превышает конструктивной длины самого активного двухполюсника. Это позволяет достигать повышенного усиления антенны в целом, поскольку паразитные конструктивные индуктивности и емкости, обусловленные наличием дополнительных проводников практически равны нулю.
Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в устройстве прототипе, в силу присущих им недостатков, наличие дополнительных проводников вызывает появление паразитных конструктивных индуктивностей и емкостей, что снижает усиление антенны и усложняет конструкцию.
Указанную активную приемопередающую антенну можно реализовать по схеме, приведенной на фиг.1,. фиг.2 и фиг.3.
Активная приемопередающая антенна состоит из высокочастотного разъема подачи и съема радиочастотных сигналов 1, микрополосковой антенны 2, расположенной на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4, блокировочного конденсатора 5, активного двухполюсника 6, имеющего отрицательный участок вольтамперной характеристики, такой как, например, туннельный диод, или диод Ганна, или лавинопролетный диод, или любой другой двухполюсник с отрицательным участком вольтамперной характеристики, отверстия в экранирующей пластине 7 через которое проходит провод возбуждения микрополосковой антенны, клеммы 8 подачи напряжения питания активного двухполюсника (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3), отверстия 9 для прохождения второго вывода активного двухполюсника (фиг. 2) или провода подачи напряжения питания активного двухполюсника (фиг. 3), дросселя 10 (фиг. 3).
При этом вывод микрополосковой антенны 2 в точке ее возбуждения соединен через отверстие 7 в экранирующей пластине 4 с сигнальным проводом разъема подачи и съема радиочастотных сигналов 1, а вывод в центре микрополосковой антенны 2 соединен с экранирующей пластиной 4, которая соединена с общим проводом (фиг.1), при этом первый вывод активного двухполюсника 6, имеющего отрицательный участок вольтамперной характеристики, такой как, например, туннельный диод, или диод Ганна, или лавинопролетный диод, или любой другой двухполюсник с отрицательным участком вольтамперной характеристики, соединен с микрополосковой антенной 2 в точке, расположенной на известном расстоянии от центра микрополосковой антенны 2 (фиг.1, 2, 3), а второй вывод активного двухполюсника 6 через отверстие 9 в экранирующей пластине 4 соединен с клеммой 8 подачи напряжения питания активного двухполюсника 6 и первым выводом блокировочного конденсатора 5, второй вывод которого соединен с экранирующей пластиной 4 (фиг. 1), либо второй вывод активного двухполюсника 6 соединен непосредственно с экранирующей пластиной 4, а центр микрополосковой антенны 2 через отверстие 9 в экранирующей пластине 4 соединен с клеммой 8 подачи напряжения питания активного двухполюсника 6, а сигнальный провод разъема подачи и съема радиочастотных сигналов 1 соединен с первым выводом блокировочного конденсатора 5, второй вывод которого через отверстие 7 в экранирующей пластине 4 соединен с микрополосковой антенной 2 в точке ее возбуждения (фиг. 2), либо провод, подключенный к центру микрополосковой антенны отсутствует, а второй вывод активного двухполюсника 6 соединен непосредственно с экранирующей пластиной 4, а сигнальный провод разъема подачи и съема радиочастотных сигналов 1 соединен с первым выводом блокировочного конденсатора 5, второй вывод которого через отверстие 7 в экранирующей пластине 4 соединен с микрополосковой антенной 2 в точке ее возбуждения, при этом второй вывод блокировочного конденсатора 5 соединен также со вторым выводом дросселя 10, первый вывод которого соединен с клеммой 8 подачи напряжения питания активного двухполюсника 6.
Активная приемопередающая антенна может работать одновременно как на прием, так и на передачу.
Рассмотри режим приема. Микрополосковая антенна 2 на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4 образуют структуру (колебательную систему), способную преобразовывать принимаемые электромагнитные волны в электрические сигналы. При приеме электромагнитных волн в точке подключения к микрополосковой антенне 2 активного двухполюсника 6 наводится радиочастотный сигнал (напряжение). Это радиочастотное напряжение, воздействуя на активный двухполюсник 6 с отрицательным участком вольтамперной характеристики, вызывает усиление сигнала в активном двухполюснике 6, после чего усиленный сигнал через отверстие 7 в экранирующей пластине 4 снимают с высокочастотного разъема 1. Причем место подсоединения к микрополосковой антенне 2 активного двухполюсника 6, параметры активного двухполюсника 6, напряжения питания активного двухполюсника подобраны таким образом, чтобы не выполнялось условие самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
В режиме передачи радиочастотный сигнал через высокочастотный разъем подачи и съема радиочастотных сигналов 1 подают через отверстие 7 в экранирующей пластине 4 на вход возбуждения микрополосковой антенны 2. При этом в точке подключения к микрополосковой антенне 2 активного двухполюсника 6 наводится радиочастотный сигнал (напряжение). Это радиочастотное напряжение, воздействуя на активный двухполюсник 6 с отрицательным участком вольтамперной характеристики, вызывает усиление сигнала в активном двухполюснике 6. Выходной усиленный радиочастотный сигнал излучается структурой, образованной микрополосковой антенной 2 на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4.
Согласно фиг. 1, центральный вывод микрополосковой антенны 2 соединен с экранирующей пластиной 4 и с общим проводом, что обеспечивает замыкание цепи по постоянному току, подавая тем самым потенциал общего провода на первый вывод активного двухполюсника 6. Это замыкание микрополосковой антенны 2 на общий провод через её вывод в центре не оказывает никакого влияния на резонансную цепь микрополосковой антенны, поскольку при резонансе микрополосковой антенны 2 амплитуда колебаний напряжения в этой точке колебательной системы равна нулю. Второй вывод активного двухполюсника, проходя через отверстие 9 в экранирующей пластине 4, соединен с клеммой 8 подачи напряжения источника питания активного двухполюсника 6. Это напряжение питания должно приходиться на середину отрицательного участка вольтамперной характеристики активного двухполюсника 6. Блокировочный конденсатор 5 служит для соединения по переменному току второго вывода активного двухполюсника 6 с общим проводом.
Согласно фиг. 2, второй вывод активного двухполюсника 6 соединен с экранирующей платиной 4 непосредственно. При этом подача напряжения питания на активный двухполюсник осуществляется через провод, проходящий через отверстие 9 в экранирующей пластине 4 и соединенный с микрополосковой антенной 2 в её центре. Поскольку при резонансе микрополосковой антенны 2 амплитуда колебаний напряжения в этой точке колебательной системы равна нулю, то такое соединение не нарушает работы структуры (колебательной системы), образованной микрополосковой антенной 2 на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4. При этом нет необходимости подключать к этой точке блокировочный конденсатор. Достаточно просто в эту точку подать напряжение питания активного двухполюсника. Поскольку при этом сама микрополосковая антенна 2 находится под напряжением питания активного двухполюсника, то блокировочный конденсатор 5 (разделительный конденсатор) включают между собственно микрополосковой антенной и сигнальным проводом высокочастотного разъема подачи и съема радиочастотных сигналов 1.
Согласно фиг. 3, второй вывод активного двухполюсника 6 также соединен с экранирующей платиной 4 непосредственно. При этом подача напряжения питания на активный двухполюсник осуществляется через точку возбуждения микрополосковой антенны 2. При этом дроссель 10 и блокировочный (разделительный) конденсатор 5 служат для разделения сигналов постоянного и переменного токов. При этом отсутствует необходимость подключения к микрополосковой антенне 2 в её центре.
Входные и выходные радиочастотные сигналы разделяют, при необходимости, любым известным методом, например, с помощью направленного ответвителя или циркулятора.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности строить простые, надежные, стабильные в работе и потребляющие малое количество энергии активные приемопередающие антенны.
Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью использования заявляемой активной приемопередающей антенны в качестве элемента фазированной антенной решетки. Простота конструкции, надежность в работе, малое потребление энергии в сочетании с большим коэффициентом усиления делает заявляемую активную приемопередающую антенну исключительно полезной во всех областях радиотехники.