АНТЕННА
ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть применено в составе радиотехнических систем, использующих сигналы с круговой и линейной поляризациями.
В системах радиосвязи с компенсацией помех используются основной канал и не менее одного, двух дополнительных компенсационных каналов. К антеннам компенсационных каналов предъявляются требования формирования в направлении источника сигнала нуля или заданного значения диаграммы направленности [1].
Известна турникетная антенна, содержащая два взаимно перпендикулярных электрических вибратора с совмещенными центрами и фазовращатель, обеспечивающий фазовый сдвиг при возбуждении вибраторов на угол 90 градусов [2, с.252, рис.10.8а].
Недостатком данной антенны является то, что при отклонении направления прихода полезного сигнала круговой поляризации от нормали к поверхности раскрыва антенны ухудшается согласование приемной антенны по поляризации.
Известно устройство, осуществляющее независимый прием компонент электромагнитной волны ортогональной парой вибраторов, образующих турникетную антенну, и формирующее единичный коэффициент эллиптичности при низких и средних углах места [3].
Недостатком данной антенны является то, что при отклонении направления прихода полезного сигнала круговой поляризации от нормали к поверхности раскрыва антенны ухудшаются энергетические характеристики приемной антенны.
Известна антенна, состоящая из трех взаимно ортогональных вибраторов с совмещенными центрами, входы электрических вибраторов которой подключены к выходам делителя мощности, а электрические размеры плеч вибраторов выбраны таким образом, чтобы в заданном направлении обеспечивалось формирование «нуля» векторной ДН антенны [4].
Недостатком данной антенны является то, что синфазное возбуждение вибраторов не позволяет применить ее в каналах связи с круговой поляризацией.
x
y
z
x
y
z
x
y
z
Наиболее близкой по техническому исполнению к предложенной антенне является антенна [5], состоящая из трех взаимно ортогональных вибраторов с электрическими размерами плеч L, L, L и совмещенными центрами, и делителя мощности, имеющего один вход и три выхода, между выходами делителя мощности и входами электрических вибраторов включены фазовращатели, причем для заданных распределения тока и направления θ, φ электрические размеры плеч L, L, L вибраторов и фазы их возбуждения Ψ, Ψ, Ψ должны удовлетворять системе неравенств:
x
y
z
L>0; L>0; L>0;
х
y
z
0°≤Ψ<360°; 0°≤Ψ<360°; 0°≤Ψ<360°,
где
; ;
θ
x
y
z
F(θ,φ)=(F(θ,φ)cosφ+F(θ,φ)sinφ)·cosθ-F(θ,φ)sinθ;
θ
y
x
F(θ,φ)=(F(θ,φ)cosφ+F(θ,φ)sinφ;
x
y
z
J(x), J(y), J(z) - распределения поверхностных токов вдоль электрических вибраторов;
- минимально допустимая величина коэффициента эллиптичности.
Как видно, система уравнений является недоопределенной и имеет бесконечное множество решений. Для получения однозначного решения: формирования единичного коэффициента эллиптичности полезного сигнала - в [5] одна из амплитуд возбуждения излучателей фиксировалась.
Недостатком данной антенны является то, что отсутствует возможность одновременного формирования заданных значений диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности в двух различных направлениях на источники сигнала и помехи при сохранении энергетических характеристик антенны. Это необходимо при использовании векторной антенны в качестве компенсационной для формирования заданного значения (нуля) в диаграмме направленности в направлении полезного сигнала и заданного значения коэффициента эллиптичности в направлении помехового сигнала или в качестве самостоятельной антенны в системах радиосвязи.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи одновременного формирования заданных значений диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности в двух различных направлениях при сохранении энергетических характеристик антенны.
x
y
z
1
1
1
2
2
2
θ
1
φ
1
θ
2
φ
2
1
2
3
Для достижения поставленного технического результата в антенну, состоящую из трех взаимно перпендикулярных электрических вибраторов с электрическими размерами плеч L, L, L и совмещенными центрами, делителя мощности, имеющего один вход и три выхода, и фазовращателей, между входами вибраторов и фазовращателями дополнительно установлены аттенюаторы, введены блок решения системы алгебраических уравнений, первый и второй коммутаторы с аналого-цифровыми преобразователями. Входы первого коммутатора с аналого-цифровым преобразователем являются входами устройства, а его выходы подключены к блоку решения системы алгебраических уравнений. Выходы блока решения системы линейных алгебраических уравнений посредством коммутатора с аналого-цифровым преобразователем электрически соединены с соответствующими входами управления фазовращателей и аттенюаторов. Для заданных направлений p(θ,φ) и p(θ,φ) и установленных в этих направлениях значений диаграмм направленности антенны D(p)D(p), D(p)±iD(p) комплексные амплитуды I, I, I возбуждения электрических вибраторов должны удовлетворять системе уравнений вида
;
,
1
2
3
θ
φ
1
1
1
2
2
2
где I, I, I - комплексные амплитуды возбуждения взаимно ортогональных излучателей в составе векторной антенны, ,  (i=1, 2, 3) - компоненты векторной диаграммы направленности i -го излучателя в составе векторной антенны; D, D - заданное значение векторной диаграммы направленности в направлении p(θ,φ) или p(θ,φ).
Проведенный сравнительный анализ признаков заявленного устройства и устройства-прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что изменена совокупность существенных признаков:
- введены аттенюаторы между входом каждого из электрических вибраторов и фазовращателем;
- введен блок решения системы линейных алгебраических уравнений;
- введены первый и второй коммутаторы с аналого-цифровыми преобразователями;
- изменены связи между элементами, обусловленные введением новых элементов.
На фиг.1 изображена антенна, состоящая из трех взаимно ортогональных электрических вибраторов с совмещенными центрами.
На фиг.2 приведена электрическая структурная схема устройства управления комплексными амплитудами токов возбуждения электрических вибраторов: модулями и фазами.
На фиг.3 изображена электрическая структурная схема блока решения системы линейных алгебраических уравнений в качестве одного из возможных примеров реализации.
На фиг.4 приведен алгоритм функционирования блока решения системы линейных алгебраических уравнений, приведенного на фиг.3.
На фиг.5-11 приведены результаты численных исследований, подтверждающих возможность реализации предложенной антенны в качестве компенсационной с заданными значениями диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности в направлениях на сигнал и помеху или с нулевым коэффициентом передачи в одном из направлений.
1
2
3
1
2
3
Антенна состоит из трех взаимно перпендикулярных электрических вибраторов с совмещенными центрами. Линейные размеры электрических вибраторов 1, 2, 3 соответственно равны l, l и l, а электрические размеры - L, L и L (фиг.1). Входы электрических вибраторов 1, 2, 3 через последовательно включенные аттенюаторы 4, 5, 6 и фазовращатели 7, 8, 9 подключены к выходам делителя мощности 10, который имеет один вход (фиг.2). Входы блока решения системы алгебраических уравнений 11 подключены к первому 12 коммутатору с аналого-цифровым преобразователем, а выходы - через второй 13 коммутатор с аналого-цифровым преобразователем - к входам управления аттенюаторов и фазовращателей.
Для удобства пояснения работы предложенного устройства приведен пример реализации блока 11 решения системы линейных алгебраических уравнений, структурная электрическая схема которого изображена на фиг.3, а алгоритм его функционирования - на фиг.4.
В состав блока 11 решения системы линейных алгебраических уравнений (фиг.3) входят аналого-цифровой преобразователь 14 АЦП (может входить и в состав коммутатора 12), регистр 15 RG, арифметико-логическое устройство 16 АЛУ, оперативное запоминающее устройство 17 ОЗУ, шины 18, 19, 20 ШД, ША, ШУ, порты 21, 22, 23 ПА, ПВ, ПС, перепрограммируемое запоминающее устройство 24 ППЗУ и генератор тактовых импульсов 25 ГТИ. На фиг.3 показаны также связи коммутатора 12 с входами блока 11, а именно: со входами многоканального аналого-цифрового преобразователя - и с входами второго 13 коммутатора. Не показаны стандартные цепи синхронизации и связи генератора тактовых импульсов 25.
Прежде чем рассмотреть функционирование предлагаемого устройства, проведем теоретическое обоснование метода, который реализован в предлагаемом устройстве.
θ
φ
0
0
В сферической системе координат векторная диаграмма направленности имеет две составляющие F, F и для формирования заданного значения векторной диаграммы направленности антенны в направлении (θ, φ) необходимо решить систему уравнений:
1
1
1
2
2
1
1
1
1
2
2
2
Если направления р(θ,φ) и p(θ,φ) совпадают, то уравнение (3) является линейной комбинацией уравнений (1) и (2), а определитель системы уравнений (1)-(3) будет равен нулю. В дальнейшем рассматриваем решение системы уравнений (1)-(3) для несовпадающих направлений p(θ,φ) и p(θ,φ), обеспечивающих линейную независимость коэффициентов при неизвестных.
При этом определитель системы уравнений (1)-(3) будет равен:
Для отыскания решения системы воспользуемся формулами Крамера.
1
2
Анализ выражений (5)-(7) показывает, что решение системы уравнений (1)-(3) будет тривиальным, если в обоих направлениях р и p формируются «нули» диаграммы направленности. Подобное решение будет иметь место и в случае, когда
Отсюда следует, что с помощью системы уравнений (1)-(3) можно определить параметры антенны, обеспечивающей:
1
- формирование «нуля» диаграммы направленности в направлении р
2
при нулевом значении коэффициента эллиптичности в направлении р;
1
1
- формирование в направлении р «нуля» в одной компоненте диаграммы направленности при нулевом или единичном значении коэффициента эллиптичности в направлении р;
1
2
- формирование единичного значения коэффициента эллиптичности в направлении р, при формировании в направлении р единичного или произвольного значения коэффициента эллиптичности.
2
Этих возможностей достаточно для реализации компенсационной антенны с нулевым коэффициентом передачи в направлении р.
Работа устройства организована следующим образом.
1
1
1
2
2
2
1
θ
1
2
1
3
θ
2
φ
2
1
1
1
2
2
2
На первом этапе в соответствии с алгоритмом функционирования производится ввод исходных данных. К ним относятся направления формирования заданных значений диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности р(θ,φ) и p(θ,φ) и элементы правой части системы линейных алгебраических уравнений b=D(р),b=Dφ(р) и b=D(p)±iD(p) - установленные значения θ-й и φ-й компонент диаграммы направленности антенны в направлениях р(θ,φ) и р(θ,φ). Указанные данные преобразуются с помощью аналого-цифрового преобразователя 14 в цифровой код и посредством регистра 15 вводятся в арифметико-логическое устройство 17. В устройстве 17 вычисляются значения диаграмм направленности каждого из симметричных вибраторов как коэффициенты матрицы
,
После этого находятся определители системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в соответствии с выражениями (6) - (8) или в соответствии с обозначениями фиг.4
11
22
33
21
13
32
12
33
22
11
33
13
31
Δ=aaa+a(aa-aa)-a(aa-aa)
1
22
33
1
13
3
2
13
32
12
33
Δ=а(ab-ab)+b(aa-aa)
2
21
3
13
1
33
2
11
33
13
31
Δ=a(ba-ba)+b(aa-aa)
3
1
21
32
31
22
2
12
31
11
32
3
11
22
12
21
Δ=b(aa-aa)+b(aa-aa)+b(aa-aa)
2
На последнем этапе в устройстве 16 вычисляются комплексные значения токов возбуждения вибраторов, выделяются их модули и фазы. Хранение промежуточных результатов вычислений осуществляется в оперативном запоминающемся устройстве 17. Найденные значения амплитуд и фаз токов хранятся до следующего цикла вычислений в перепрограммируемом запоминающемся устройстве 24 и откуда поступают через порты 22, 23 на входы коммутатора 13 К, где формируются управляющие воздействия на перестройку фазовращателей 7-9 и аттенюаторов 4-6. В соответствии с управляющими воздействиями меняется значение тока в каждом из вибраторов, что обеспечивает формирование требуемой диаграммы направленности антенны. Ввод исходных данных в коммутатор 12 производится от специализированной ПЭВМ или вручную.
Реализация введенных элементов не вызывает затруднений и может быть произведена с использованием современной базы, описанной, например, в [6-8]. Так в качестве коммутаторов могут быть использованы твердотельные ключи, твердотельные микроэлектромеханические СВЧ коммутаторы или переключательные матрицы. В качестве аттенюаторов могут быть использованы аттенюаторы с дискретным (плавным) изменением ослабления. Блок решения системы линейных алгебраических уравнений может быть построен на базе PIC контроллера старшего подсемейства 17 или 18 серии.
1
2
1
2
1
1
2
Рассмотрим результаты численного моделирования с использованием выражений (9-17). На фиг.5 приведена суммарная диаграмма направленности антенны, формирующая «нуль» в направлении р=(θ=10°,φ=25°). На фиг.6 показана суммарная диаграмма направленности антенны, имеющая произвольное значение в направлении р=(θ=60°,φ=-50°], при этом значение коэффициента эллиптичности в указанных направлениях равно «нулю». На фиг.7 и 8 приведены значения коэффициента эллиптичности для направлений р и p соответственно, при формировании в направлении р «нуля» в одной компоненте диаграммы направленности антенны, что показано на фиг.9. На фиг.10 и 11 показано формирование единичного значения коэффициента эллиптичности в направлении р и р.
Таким образом, получаемый технический результат, достигаемый в результате введения в антенну аттенюаторов, блока решения системы алгебраических уравнений, первого и второго коммутаторов с аналого-цифровыми преобразователями и изменение в связи с этим связей между элементами антенны, заключается в одновременном формировании заданных значений диаграммы направленности и значения коэффициента эллиптичности в двух различных направлениях при сохранении энергетических характеристик антенны.
Список литературы
1. Патент №2349996 (РФ). Способ компенсационного подавления помех в многоканальной антенной системе // В.Н.Колесников, С.Е.Мищенко, В.В.Шацкий - Бюл. изобр., 2007, №15, МПК H01Q 21/24.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988, - 432 с.
3. Авт. свид. 1376146 (СССР). Фазированная антенная решетка с круговой поляризацией поля / Э.П.Абракин, Л.Л.Базеян и А.И.Браженко // 1988, Бюл. изобр. №7.
4. Патент №2080713 (РФ). Антенна / Д.Д.Габриэльян, С.Е.Мищенко, В.В.Шацкий // 1997, Бюл. изобр. №15, 6 H01Q 21/24.
5. Патент №2268520 (РФ). Антенна / С.В.Землянский, Е.Н.Мищенко, С.Е.Мищенко, В.В.Шацкий // Бюл. изобр., 2004, №15, МПК H01Q 21/24.
6. Белов Л. Переключатели СВЧ сигналов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука. Технология. Бизнес, 2006, №1, с.20-25.
7. Белов Л. Аттенюаторы СВЧ сигналов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука. Технология. Бизнес, 2006, №1, с.32-38.
8. Современные быстродействующие АЦП с большим динамическим диапазоном // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука. Технология. Бизнес, 2006, №4, с.23-25.