НЕСТАЦИОНАРНАЯ ПЕРИСКОПИЧЕСКАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА
NON-STATIONARY PERISCOPIC ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании антенных систем в радиосвязи и радиолокации.
4
Во многих случаях для увеличения радиуса действия систем радиосвязи и радиолокации антенны необходимо устанавливать на значительной высоте. Например, антенны радиорелейных линий для обеспечения прямой видимости устанавливают обычно на опорах высотой 70-100 м. При этом возникает необходимость либо размещения приемопередающей аппаратуры непосредственно на опоре, либо использования длинного ВЧ тракта для передачи ВЧ сигнала от аппаратуры, расположенной внизу, до антенны, расположенной на мачте. Приемопередающая аппаратура имеет, как правило, значительные массогабаритные показатели, поэтому размещение аппаратуры непосредственно на опоре приводит к усложнению конструкции опоры, к значительному увеличению ее веса и стоимости, особенно если возникает необходимость изменения направления излучения антенны (авт. св. СССР №202243, кл. 21а, 1967). Для передачи ВЧ сигнала от приемопередающей аппаратуры, расположенной внизу, до антенны, расположенной на мачте, возникает необходимость использования длинного ВЧ тракта, что приводит к усложнению аппаратуры, и, как следствие, к уменьшению надежности и увеличению стоимости, а также к усложнению ее обслуживания при эксплуатации. При изменении направления излучения антенны возникает необходимость использования вращающегося сочленения. При изменении направления излучения антенны в двух плоскостях необходимо использовать два вращающихся сочленения и механизм поворота антенны в вертикальной плоскости, расположенный на вращающейся платформе (авт. св. СССР №1810940 Α1, МПК H01Q 3/04, 1991). Все это приводит к значительному усложнению аппаратуры, к уменьшению надежности и увеличению стоимости.
Устранить эти проблемы позволяет использование перископических антенных систем.
Так в отдаленном аналоге заявляемого изобретения, антенная система состоит из нижнего зеркала-излучателя, расположенного на земле, и верхнего зеркала-переизлучателя, установленного сбоку, на краю опоры. Нижнее зеркало может размещаться как непосредственно сбоку у подножия опоры, так и на удалении от него. «Верхнее зеркало-переизлучатель обычно выполняется плоским; нижнее зеркало имеет параболоидальную поверхность. Возможно также использование нижних зеркал с эллипсоидальной поверхностью. Контур верхних зеркал эллиптический, прямоугольный или ромбовидный; при этом проекция раскрыва верхнего зеркала на плоскость, нормальную направлению распространения, имеет вид круга или квадрата.» Зеркала с круглыми (в проекции) раскрывами обеспечивают больший коэффициент усиления, а также уменьшение боковых лепестков. (Антенны УКВ, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин , часть 2. - M.: Связь, 1977, стр. 99-101).
В данной антенной системе приемопередающая аппаратура размещена на земле, что упрощает конструкцию опоры и снижает ее стоимость, ВЧ тракт между аппаратурой и нижним зеркалом имеет сравнительно небольшую длину и, следовательно, имеет высокую надежность, низкую стоимость и прост в обслуживании.
Однако указанное устройство имеет следующие недостатки:
- невозможность оперативной переориентации антенны по азимуту в случае изменения направления излучения (например, для смены направления радиорелейной линии за счет выбора другой рабочей приемопередающей станции) и тем более при вращении антенны;
- низкая помехозащищенность, вызванная влиянием опоры, оттяжек и т.п., приводящая к появлению «попутных потоков», что приводит к ухудшению качества связи (Антенны и фидерные тракты для радиорелейных линий связи. Фролов О.П. - M.: Радио и Связь, 2001, стр. 230-231);
- невозможность оперативной переориентации антенны по углу места для изменения направления излучения.
4
05
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является антенная система, содержащая излучатель, расположенный рядом с приемопередающей аппаратурой, и верхнее зеркало-переизлучатель, установленное на вершине опоры, причем ориентация зеркала-переизлучателя меняется как по углу места, так и по азимуту (авт. св. СССР №112601, кл. 24а66, H01Q 3/12, 1957).
В данной антенной системе возможно изменение в небольших пределах ориентации зеркала-переизлучателя, что позволяет изменять направления излучения.
Однако эта антенная система имеет следующие недостатки:
- невозможность изменения ориентации по азимуту зеркала-переизлучателя в широких пределах (вращение антенны);
- низкая помехозащищенность, вызванная наличием попутных потоков, из-за влияния опоры, оттяжек;
- большое время изменения направления излучения по углу места и сложная конструкция устройства ориентации антенны. Для изменения направления излучения необходимо механическое изменение положения зеркала. Такая система ориентации антенны имеет сложную конструкцию и сложна в эксплуатации. Это вызвано необходимостью механического изменения положения зеркала как по углу места, так и по азимуту. Кроме того, изменение наклона приводит к изменению проекции раскрыва верхнего зеркала на плоскость, нормальную направлению распространения, что сказывается на диаграмме направленности (так как уменьшение проекции приводит к увеличению величины боковых лепестков, расширению главного лепестка диаграммы направленности) (Антенны УКВ, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин, часть 2. - M.: Связь, 1977, стр. 116). Чтобы избежать этого необходимо значительно увеличить размеры зеркала, что вызывает увеличение его веса, парусности, что в свою очередь ведет к увеличению инерционности системы, что еще больше увеличивает время изменения направления излучения. Все это в конечном итоге значительно увеличивает стоимость антенной системы.
Технический результат предлагаемого изобретения - возможность изменять направление излучения по азимуту в широких пределах вплоть до кругового.
Дополнительный технический результат - увеличение помехозащищенности за счет уменьшения в рабочем направлении мешающего излучения, вызванного боковым излучением, и исключения «попутных потоков», вызванных влиянием опоры.
Другой дополнительный технический результат - возможность быстрого изменения направления излучения по углу места при сохранении изменения направление излучения по азимуту в широких пределах, при упрощении конструкции и снижении стоимости устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в антенной системе, состоящей из нижнего излучателя, расположенного внизу, и верхнего зеркала-переизлучателя, установленного на опоре, причем опора выполнена со свободным центром и нижний излучатель расположен внутри опоры со свободным центром, а верхнее зеркало-переизлучатель расположено таким образом, что центр его проекции находится тоже внутри опоры и имеет возможность менять ориентацию по азимуту в широких пределах (вращаться).
Дополнительный результат достигается тем, что нижний излучатель установлен на верху опоры вблизи зеркала-переизлучателя.
Другой дополнительный результат достигается тем, что нижний излучатель выполнен в виде двумерной фазированной антенной решетки, каждый элемент которой может изменять амплитуду и фазу СВЧ сигнала.
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемых к нему чертежей.
На фиг. 1 показана предлагаемая антенная система.
На фиг. 2 показана предлагаемая антенная система, заявляемая по пп.. 2, 3 формулы.
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - излучатель;
2 - зеркало-переизлучатель;
3 - опора со свободным центром;
4 - ВЧ тракт.
Антенная система содержит: нижний излучатель 1, расположенный внизу (на земле), и верхнее зеркало-переизлучатель 2, установленное на опоре 3, причем нижний излучатель 1 расположен внутри опоры 3 со свободным центром, а верхнее зеркало-переизлучатель 2, расположенное таким образом, что центр его проекции находится тоже внутри опоры 3.
Излучатель 1 может быть расположен внутри опоры 3, в верхней ее части, в непосредственной близости от зеркала-переизлучателя 2.
Излучатель 1 выполнен в виде двумерной активной фазированной антенной решетки, каждый элемент которой может изменять амплитуду и фазу СВЧ сигнала.
Антенная система работает следующим образом.
СВЧ сигнал по ВЧ тракту 4 поступает на вход излучателя 1 (который может быть выполнен в виде зеркала, рупора и т.п.), затем сигнал, исходящий от излучателя 1, отражается зеркалом-переизлучателем 2, установленным на опоре 3. Опора 3 представляет собой конструкцию со свободным центром, т.е. конструкцию, внутри которой распространяется СВЧ сигнал. Излучатель 1 находится внизу внутри опоры 3, зеркало-переизлучатель 2 расположено таким образом, что центр его проекции находится тоже внутри опоры 3. Таким образом, СВЧ сигнал проходит от излучателя 1, установленного внизу, до зеркала-переизлучателя 2, установленного наверху внутри опоры 3, центр которой является свободным для прохождения СВЧ сигнала. Это позволяет выполнить зеркало-переизлучатель 2 вращающимся вокруг оси, проходящей через свободный центр опоры 3, причем СВЧ сигнал всегда (при любом повороте зеркала-переизлучателя 2 относительно излучателя 1) проходит от излучателя 1 до зеркала-переизлучателя 2.
Возможность вращения зеркала-переизлучателя 2 позволяет оперативно переориентировать антенну по азимуту в случае необходимости изменения направления излучения.
Для увеличения помехозащищенности за счет уменьшения влияния опоры, оттяжек и т.п., приводящего к появлению «попутных потоков», необходимо уменьшить длину участка пути, на котором возможно взаимодействие проходящего СВЧ сигнала с элементами опоры 3 (элементы конструкции самой мачты, а также оттяжки). Для этого необходимо установить излучатель 1 на верху опоры вблизи зеркала-переизлучателя 2, исключив таким образом взаимодействие проходящего СВЧ сигнала с элементами опоры 3. При этом излучатель 1, выполненный в виде зеркала, можно оснастить цилиндрическим экраном, что позволяет существенно снизить дальнее боковое излучение зеркала-излучателя 1 (излучение в рабочем направлении всей антенной системы, определяемом зеркалом-переизлучателем 2) и излучение в заднем полупространстве (зеркала-излучателя 1) (Антенны УКВ, Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин, часть 1. - M.: Связь, 1977, стр. 353-354). Так как зеркало-излучатель расположено неподвижно относительно опоры 3, то цилиндрический экран может являться непосредственно силовой частью опоры 3.
Для быстрого изменения направления излучения по углу места при сохранении изменения направление излучения по азимуту в широких пределах излучатель 1 выполнен в виде двумерной фазированной антенной решетки, каждый элемент которой может изменять амплитуду и фазу СВЧ сигнала. Изменяя распределение амплитуды и фазы СВЧ сигнала излучающих элементов, входящих в состав фазированной антенной решетки, можно менять направление излучения прежде всего по углу места антенной системы, не изменяя угол наклона зеркала-переизлучателя 2. Размер зеркала-переизлучателя 2 выбирается таким образом, чтобы исключить искажения при сканировании диаграммы направленности. Время изменения распределения амплитуды и фазы СВЧ сигнала излучающих элементов определяется быстродействием управляющих устройств. Управляющие устройства обеспечивают время переключения 5…10 мкс (Антенны с электрическим сканированием, Вендик О.Г., Парнес М.Д. Под ред. Бахрака Л.Д. Сов. Радио, 2001 г., стр. 9). При этом не только сохраняется возможность изменения направления излучения по азимуту в широких пределах, но и появляется возможность сканирования по азимуту. Изменение направления излучения по азимуту с помощью поворота зеркала-переизлучателя 2 необходимо, так как сканирование осуществляется в сравнительно узкой области (Антенны с электрическим сканированием, Вендик О.Г., Парнес М.Д. Под ред. Бахрака Л.Д. - Сов. Радио, 2001 г., стр. 228, 229).
Фазированные антенные решетки имеют сложную систему питания (приемопередающие модули АФАР для активных ФАР, делители, ответвители, фазовращатели для пассивных ФАР) и управления (Антенны и устройства СВЧ Сазонов Д.М. - М., «Высшая школа» 1988, стр. 396-399.). Сканирование осуществляется в узкой области, и для кругового обзора пространства необходимо использовать либо несколько неподвижных антенн, которые обеспечивают круговой обзор, либо одну вращающуюся (Антенны с электрическим сканированием, Вендик О.Г., Парнес М.Д. Под. ред. Бахрака Л.Д. - Сов. Радио, 2001 г., стр. 227-243). Использование нескольких неподвижных антенн позволяет расположить элементы питания антенной системы на неподвижной платформе, что упрощает ее конструкцию и эксплуатацию, но количество элементов системы питания и управления при этом увеличивается, что приводит, естественно, к увеличению стоимости. Использование одной вращающейся антенны позволяет уменьшить количество элементов питания, но усложняет аппаратуру (так как повышаются требования к механической прочности, и появляется многоканальное вращающееся сочленение). Все это усложняет антенную систему и также увеличивает ее стоимость. Предложенное техническое решения позволяет обеспечить круговой обзор пространства при использовании небольшого количества элементов системы питания (как у ФАР с одной вращающейся антенной), расположенных на неподвижной платформе (как у ФАР с несколькими неподвижными антеннами без применения многоканального вращающегося сочленения, а следовательно, без усложнения антенной системы и увеличения ее стоимости.
Использование предложенных технических решений позволяет создать антенную систему, позволяющую осуществлять круговой обзор со сканированием в горизонтальной и вертикальной плоскостях и имеющую высокую помехозащищенность, при невысокой стоимости.