ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ "КОРОТКИХ" АНТЕНН С КОМПЕНСАЦИЕЙ
TUNABLE ANTENNA ARRAY COMPOSED OF COMPENSATED ELECTRICALLY "SHORT" ANTENNAE

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может применяться для устойчивого приема сигналов различной поляризации поля и пеленгации их источников в радиовещании, телеприеме и радиосвязи. Благодаря своим малым размерам, нетребовательности к чистоте антенного изолятора, возможности частотной перестройки, однонаправленностью приема и состоящая из антенн, невыступающих за габариты противовеса, то такая антенная решетка (АР) может использоваться в малогабаритных переносных устройствах и на транспорте.
Известна АР, состоящая из активных идентичных штыревых антенн, выходы антенных усилителей (АУ) у которых подключены к входам сумматора (В.А. Гостюхин, В.Н. Трунов, К.Г. Климачев, Ю.С. Данич. Активные фазированные антенные решетки, М.: Радио и Связь, 1993 г., с.160). Элементы этой решетки состоят из габаритных штыревых антенн, чувствительных к качеству антенного изолятора и к перегрузкам АУ от интенсивных входных сигналов, обеспечивают прием только вертикально поляризованного поля. Эта АР имеет неоднозначность пеленга на источник сигнала и невысокий коэффициент направленного действия (КНД).
Антенная решетка - прототип состоит из связанной линейки электрически «коротких» активных антенн, представляющей из себя N≥1 пар либо штыревых, либо щелевых активных антенн с компенсацией; как емкостных токов шунтирования рабочего электрода (РЭ) на противовес через его нижнюю собственную емкость, так и его гальванических токов утечки на противовес через загрязнение антенного изолятора, РЭ антенн соединены с входами АУ, а между РЭ и противовесом располагаются компенсирующие электроды (КЭ), которые взаимно и перекрестно соединены с дополнительными выходами АУ парной антенны, коэффициент передачи сигнала по напряжению на дополнительных выходах АУ близок к единице, а основные выходы АУ подключены к входам сумматора напряжений (Патент РФ №2292613, опубл. 27.01.07 г., Бюл. №3).
При одинаковых размерах антенн прототип имеет большую чувствительность, менее зависим от чистоты антенного изолятора и обладает высоким КНД, но имеет малую полосу пропускания, не перестраивается по частоте, требователен к идентичности конструкции антенн. Для повышении стабильности приема и точности пеленга необходимо также иметь в АР и выход сигнала с круговой диаграммой направленности (ДН) приема, что в прототипе отсутствует.
Целью этого изобретения является создание приемной АР из электрически «коротких» антенн с компенсацией, имеющей увеличенную полосу приема, возможность частотной перестройки, наличие выхода с круговой ДН и упрощенную конструкцию.
Поставленная цель достигается тем, что в известной АР, состоящей из N≥1 пар активных антенн, у которых РЭ подключены к входам АУ и КЭ располагаются между РЭ и противовесом, отличающаяся тем, что в линейке связанных антенн к дополнительному выходу АУ независимой антенны, имеющего коэффициент передачи по напряжению, близкий к единице, подсоединены компенсирующие электроды независимой, а через соединительную линию и зависимой антенны, с АУ которой снимается выходной сигнал решетки, а с основного выхода АУ независимой антенны снимается принятый и усиленный сигнал с круговой ДН. Частотная перестройка АР обеспечивается путем включения в единственную соединительную линию перестраиваемую линию задержки (ПЛЗ) или наличия нескольких различных соединительных линий, которые могут по отдельности включаться в цепь питания КЭ зависимой антенны, а также использование линейки АР с одной общей независимой антенной и несколько зависимых антенн с различными базами. В частных случаях в качестве РЭ используются штыри, диски, изолированные части противовеса или конструктивные элементы транспортного средства, расположенные над противовесом.
Обеспечение на КЭ напряжения, равного по величине и синфазного с напряжением на РЭ, приводит к компенсации значительной части собственной емкости РЭ относительно противовеса в его нижней полусфере, что приводит к увеличению действующей высоты электрически «короткой» антенны и компенсации гальванических токов утечек в случае загрязнения антенного изолятора. Для независимой антенны в составе АР разность фаз Δφ между напряжениями на РЭ и КЭ будет определяться только фазовыми характеристиками ее АУ, а отсюда ДН по азимуту на основном выходе будет круговой, но у зависимой антенны величина Δφ будет определяться азимутам прихода поля сигнала.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><msub><mi>S</mi><mi>э</mi></msub><msub><mi>ε</mi><mi>о</mi></msub><mi>K</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt><msub><mi>С</mi><mrow><mi>р</mi><mo>−</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
о
в
вх
р-к
-12
Выходное напряжение зависимой антенны в предлагаемой АР запишется следующим образом:
где Е - электрическая напряженность поля сигнала в окрестности РЭ зависимой антенны, S - эффективная площадь РЭ, ε=8.85·10 ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума, K - коэффициент усиления АУ, С - емкость РЭ относительно противовеса в его верхней полусфере, С - входная емкость АУ, С - взаимная емкость между РЭ и КЭ. Величина фазового сдвига между напряжением на РЭ и КЭ запишется:
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>d</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>l</mi><mi>d</mi></mfrac><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>sin</mi><mi>ψ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>c</mi><mi>v</mi></mfrac><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>ε</mi><mi>μ</mi></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub><mfrac><mi>c</mi><mi>l</mi></mfrac></mrow>
вых
3
3
, где d - база разноса между РЭ независимой и зависимой антеннами, l - длина соединительной линии, а n - относительная фазовая скорость распространения поля в соединительной линии, λ - длина волны принимаемого сигнала, ψ - азимутальный угол прихода сигнала от нормали к базе d. Максимальная величина U получается, исходя из формулы (1) при cosΔφ=1, а отсюда Δφ=0,2π, 4π…. В наборе этих углов из физических соображений исключаем Δφ=0, так как это соответствует l=0, а из остальных углов оставляем только низшую гармонику частоты, что соответствует Δφ=2π. Ставя это значение в уравнение (2), получаем равенство, из которого определяем характеристики АР для заданных рабочих длин волн λ. Условиям максимального приема в ДН решетки для поперечного приема при ψ=0 из (2) соответствует λ=ln, а для продольного приема ψ=90 имеет λ=ln+d. Из этих равенств следует, что частотную перестройку АР можно осуществлять изменением длины базы d, длины соединительной линии l или ее характеристики
, где ε и µ - относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость материала линии, а также помещение в соединительную линию ПЛЗ, что приводит к изменению времени задержки сигнала t, а отсюда к вариациям относительной фазовой скорости распространения поля
между КЭ независимой и зависимой антеннами. Изменение d, l, n соединительной линии приводит к ступенчатой частотной перестройки рабочей частоты, а изменение t обеспечивает плавную перестройку частоты.
Полоса приема АР определяется степенью изменения положения ее ДН от частоты и характеризуется уменьшением на 3 дБ уровня приема относительно максимума приема. В случае двух соединительных линий в АР прототипа, то вариации λ в (2) приводят к изменению Δφ и вследствие этого происходит уменьшение напряжения на КЭ у двух антенн, что приводит к значительному сужению полосы пропускания решетки. В предлагаемой АР имеется только одна соединительная линия, которая обеспечивает независимость величин напряжений на КЭ у независимой антенны, что приводит к расширению полосы приема сигналов. Элементы АР в виде электрически коротких антенн обладают широкополосным приемом и круговой по азимуту ДН, но в составе АР происходят вариации формы ее ДН в зависимости от частоты. Для обеспечения азимутальной избирательности приема на выходах АУ независимой и зависимой антенн обеспечивается частотная фильтрация принятых сигналов. В случае линейки АР с общей независимой и несколькими зависимыми, то полоса пропускания фильтра независимой антенны составляет сумму полос пропускания частот зависимых антенн.
Временные вариации интенсивности источника сигнала приводят к затруднениям при определении его пеленга по критерию максимальной величины выходного сигнала, а отсюда имеется необходимость контроля этих временных вариаций его интенсивности. В предлагаемой АР имеется основной выход в АУ независимой антенны, с которого снимается сигнал как с одиночной антенны, имеющей круговую ДН, но со всеми преимуществами компенсации.
Определение пеленга на источник сигнала в одном случае возможно путем механического вращения линейки связанных антенн, а в другом случае использовать неподвижную конструкцию АР с электронным коммутирующим устройством. В этом случае независимая антенна является общей для нескольких зависимых антенн, расположенных по кругу вокруг нее и связанных с ней соединительными линиями. Выходы АУ зависимых антенн подключаются к входам электронного коммутатора, который по управляющему сигналу соединяет по отдельности их с его общим выходом. Для уменьшения нагрузки на дополнительный выход АУ независимой антенны при подключении к нему КЭ нескольких зависимых антенн, то в этом АУ организуется еще добавочные дополнительные выходы со своими отдельными усилительными радиотрактами. На этих дополнительных выходах также обеспечивается коэффициент передачи принятого сигнала, по напряжению близкий к единице, и к ним через соединительные линии подключаются КЭ других зависимых антенн.
Заявленное устройство АР иллюстрируется чертежами, на которых показано: фиг.1 - эквивалентная схема перестраиваемой по частоте линейки антенной решетки на щелевых антеннах; фиг.2 - эквивалентная схема неподвижной АР, обеспечивающей круговой обзор по азимуту; фиг.3 - ДН решетки для поперечного и продольного положений максимумов приема.
Эквивалентная схема перестраиваемой по частоте линейки АР из двух зависимых антенн показана на фиг.1. Приведенные щелевые антенны имеют РЭ в виде дисков - 1, подключенные к входу АУ-2 - независимой антенны и АУ-3 зависимых антенн. Использованы КЭ в виде дисков с бортами - 4 независимой и зависимой антенн, находящиеся в раскрывах углублений противовеса - 5, подключенных непосредственно и через соединительную линию - 6 к дополнительному выходу - 7 у АУ-2, в которую также включена и ПЛЗ-8. Далее у АУ-2 имеется основной выход - 9, с которого снимается принятый сигнал антенны с круговой ДН в широкой полосе рабочих частот, а с выходов АУ-3 зависимых антенн снимаются выходные напряжения первого и второго частотных диапазонов АР.
1
2
1,2
1,2
Заявленная перестраиваемая АР работает следующим образом (см. фиг.1). Падая на решетку под азимутальным углом ψ от нормали к базе d, вертикальная компонента электрического поля наводит на РЭ-1 некоторый потенциал принимаемого сигнала. На дополнительном выходе - 7 у АУ-2 формируется напряжение, близкое к входному по амплитуде и фазе. Затем это напряжение подается непосредственно к КЭ-4 независимой антенны, при этом между напряжениями на РЭ и КЭ этой антенны разность фаз Δφ-0, что приводит к отсутствию емкостных токов между РЭ и противовесом, увеличению ее действующей высоты как одиночной антенны с круговой ДН на выходе - 9. С выхода - 7 через ПЛЗ - 8 и соединительную линию - 6 напряжение подается также и на КЭ - 4 зависимых антенн. При этом между их РЭ и КЭ возникают разности фаз Δφ (ψ, λ, d, l, n) см. (2). Для длин волн первого λ, и второго λ частотных диапазонов в линейке АР из условий выполнения равенств для максимума приема ψ=0 (λ=ln), а для ψ=90 (λ=ln+d) определяем элементы конструкции АР. То есть в одном случае можно иметь несколько зависимых антенн, имеющих различные величины d, в другом случае при одной зависимой антенне необходимо иметь несколько соединительных линий с различными l и n, которые могут по отдельности включаться в цепь питания КЭ. Для плавной частотной перестройки внутри частотных диапазонов можно использовать ПЛЗ-8. Однонаправленность приема АР при ψ=90 обусловлена тем, что при падении поля со стороны независимой антенны, то направления распространения поля в свободном пространстве и в соединительной линии совпадают, а в случае падения со стороны зависимой антенны их направления распространения противоположны, что и приводит к различным величинам Δφ.
На фиг.2 приведена схема неподвижной АР, способной осуществлять круговой обзор по азимуту. Конструктивно она состоит из нескольких линеек АР, приведенных на фиг.1, которые имеют общую независимую антенну с АУ-2, и связанных с ней линейки с зависимыми антеннами, расположенными по кругу на расстояниях d, которые определяются рабочими длинами волн λ. С помощью коммутирующего устройства - 10 на его выход по отдельности подключаются выходы с АУ зависимых антенн и по максимальной величине принятого сигнала определяется пеленг на его источник. Возможно ситуация когда за время обхода всех зависимых антенн электронным коммутатором интенсивность источника изменится, что приведет к ошибке в пеленгации. Для устранения этой ошибки с независимой антенны АУ-2, имеющей круговую ДН, снимается реперный сигнал, относительно которого и происходит сравнение 11 уровней сигналов от зависимых антенн. С помощью коммутатора - 10 с каждой линейки АР сигнал снимается по отдельности, а отсюда физика их работы одинакова с вышеописанной перестраиваемой по частоте линейки АР.
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>р</mi><mo>−</mo><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>d</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>0,5</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mi>d</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>0,33</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>d</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>;</mo><mtext> </mtext><mn>2</mn><mo>;</mo><mtext> </mtext><mn>4</mn></mrow>
p
p
3
p
p
Промышленная применимость и преимущества заявленной АР относительно прототипа подтверждены расчетными данными. Степень однонаправленности приема характеризуется отношением уровней максимального приема в ДН к углу с противоположного направления и в АР с компенсацией определяется величиной
. На фиг.3 приведены ДН на выходе АУ зависимой антенны для поперечного приема с
кривая 1 и продольного
кривая 2 со следующими общими параметрами n=2, d=l, Q=1. Из фиг.3 видно, что ДН поперечного приема имеет выраженную остроконечную форму с шириной лепестка максимума приема 10 градусов на уровне 3 дБ, а при продольном падении поля относительно базы имеется однонаправленный прием с лепестковой ДН. В качестве примера при Q=1; 6; 10 величины отношений этих уровней для ψ=90 составляют 2,9; 9,1; 20; соответственно. Приведены сравнительные расчеты полосы пропускания прототипа и предлагаемой АР, из которых следует, что для ψ=0 имеем ΔF=12 МГц и 20 МГц, а при ψ=90 имеем ΔF=6,2 МГц и 13,3 МГц, соответственно. Расчетные данные по частотной перестройки АР при неизменной базе d=1 м и переменной величине n в пределах 4≤n≤1,4, что соответствует изменению диапазона рабочей частоты для ψ=0 в пределах 75≤f, МГц ≤214, а для ψ=90 имеем 60≤f, МГц ≤125. Это возможно осуществить либо с помощью нескольких подключенных соединительных линий с различными n, и работающих по отдельности, либо использовать ПЛЗ с изменяемым временем задержки 4,6≤t, нсек ≤134. В случае неизменной n=1,4, но переменной длины l соединительной линии при начальной величине d=1 м и отношениями
, то для ψ=0 имеем f, МГц = 214; 107; 53,6, а для ψ=90 имеем f, МГц = 125; 79; 45,5, соответственно. Для частотной перестройки АР можно применять и комбинации вышеприведенных способов.