Способ построения антенной системы с изменяемым углом плоскости линейной поляризации
METHOD FOR CONSTRUCTING AN ANTENNA SYSTEM WITH A VARIABLE ANGLE OF THE LINEAR POLARIZATION PLANE

Изобретение относится к антенной технике, а именно к способам построения антенных систем (АС) и может быть использовано в мобильных наземных станциях спутниковой связи с линейной поляризацией сигнала.
Известен способ изменения плоскости поляризации для переносимых антенных систем в виде фазированной антенной решетки (ФАР) [1 - стр. 11. Explorer 510. User manual. Cobham. 2014], при котором наведение антенны на спутник осуществляют вручную, при этом поляризационный угол устанавливают вращением антенны по часовой или против часовой стрелки.
Недостатком известного способа является возможность работы только на стоянке в фиксированном месте.
Известен способ изменения плоскости поляризации для стационарных антенных систем в виде зеркальной антенны [2 - стр. 90. Фролов О.П. Антенны для земных станций спутниковой связи. М.: Радио и связь. 2000. - 376 с.], при котором наведение антенны на спутник осуществляют вручную, при этом варьирование плоскости принимаемого или передаваемого поля осуществляют вращением облучателя зеркальной антенны по часовой или против часовой стрелки.
Недостатком известного способа является возможность работы только при стоянке в фиксированном месте.
Известен способ изменения плоскости поляризации АС в виде антенной решетки (АР) [3 - с. 552. Верба B.C., Неронский Л.Б., Осипов И.Г., Турук В.Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования. М: Радиотехника. 2010. - 670 с.], при котором АР выполняют из двухполяризационных щелевых излучателей, выполненных на тонкостенном прямоугольном волноводе. Один из излучателей выполняют на широкой, а второй - на узкой стенке волновода. Узкая стенка волновода с продольными щелевыми излучателями примыкает по всей длине к широкой стенке волновода с поперечными щелевыми излучателями. Для работы на вертикальной поляризации используют волноводы с щелевыми излучателями на широкой стенке, а для работы на горизонтальной поляризации используют волноводы с щелевыми излучателями на узкой стенке.
Недостатками известного способа являются:
- невозможность регулировки направления ориентации линейного вектора поляризации электрического поля, поскольку он определяется конструкцией антенного устройства. Работа возможна только с сигналами вертикальной или горизонтальной поляризации. Использование такого решения для построения АР для мобильной наземной станции спутниковой связи непригодно, т.к. ориентация линейного вектора поляризации электрического поля будет зависеть от ориентации АС в пространстве;
- возможность электронного сканирования лучом только в одной плоскости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ построения антенной системы с изменяемым вектором поляризации [4 - с. 86-87, Мищенко С.Е., Землянский С.В., Колесников В.Н. и др. Методы синтеза антенных решеток по требованиям к векторной диаграмме направленности. Ростов-на-Дону,: Изд-во РСЭИ. 2010-110 с.], принятый за прототип, при котором формируют АР из излучателей круговой поляризации, каждый из которых содержит пару скрещенных вибраторов, устанавливают необходимый угол плоскости поляризации формируемого или принимаемого сигнала АР путем установки соответствующей разности амплитуд сигналов, при одинаковых фазах, подаваемых на каждую пару вибраторов.
Недостатками прототипа являются:
- высокая стоимость передающей АР при использовании ее в качестве АС мобильных наземных станций систем радиосвязи. Высокая цена обусловлена необходимостью использования двойного комплекта усилителей мощности (УМ), поскольку к каждому вибратору ортогональной поляризации для регулировки амплитуды сигнала подключается отдельный УМ;
- зависимость поляризационной развязки АР от угла направления ее луча.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение стоимости антенной системы.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ построения антенной системы с изменяемым углом плоскости линейной поляризации, при котором формируют плоскую антенную решетку из излучателей круговой поляризации, каждый из которых содержит пару скрещенных вибраторов.
Согласно изобретению, выполняют антенную решетку в виде массива антенных линеек из излучателей круговой поляризации, установленных горизонтально рядом друг с другом вплотную своими длинными сторонами, выполняют первые плечи первого и второго вибраторов каждого излучателя на одной стороне печатной платы, соединяют первые плечи первого и второго вибраторов печатной перемычкой длиной λ/4, где λ - длина волны середины рабочего диапазона частот, выполняют вторые плечи первого и второго вибраторов каждого излучателя на другой стороне печатной платы, соединяют вторые плечи первого и второго вибраторов каждого излучателя печатной перемычкой длиной λ/4, выполняют первые и вторые плечи первого и второго вибраторов треугольной формы, устанавливают над антенной решеткой параллельно ее плоскости поляризатор в виде антенной решетки проходного типа, при этом на нижней плоскости поляризатора устанавливают излучатели круговой поляризации, конструкция которых аналогична излучателям антенной решетки, соединяют каждый из них с излучателем линейной поляризации, расположенным на верхней плоскости поляризатора, устанавливают между нижними и верхними излучателями поляризатора проводящий экран, выполняют регулировку угла плоскости поляризации антенной системы путем вращения поляризатора в горизонтальной плоскости относительно антенной решетки.
Техническим результатом предлагаемого способа является независимость поляризационной развязки антенной системы от угла поворота плоскости поляризации сигнала.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в предлагаемом способе для изменения угла плоскости поляризации используется вращение поляризатора над антенной решеткой, при этом используется один усилитель мощности (УМ) для подключения к каждой синфазной антенной линейке, в то время как в прототипе регулировка угла плоскости поляризации выполняется путем изменения амплитуды сигналов, подаваемых на скрещенные вибраторы. Для этого в прототипе необходимо использование двойного комплекта УМ, что значительно удорожает устройство;
- предлагаемый способ обеспечивает построение антенной системы с высокой поляризационной развязкой, не зависящей от угла сканирования луча, в то время как в прототипе поляризационная развязка значительно снижается при отклонении луча от нормали к раскрыву антенной решетки.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения антенной системы с изменяемым углом плоскости линейной поляризации из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена конструкция антенной системы с изменяемым углом плоскости линейной поляризации, построенной по предложенному способу.
На фиг. 2 приведена конструкция антенной решетки.
На фиг. 3 приведена конструкция излучателей круговой поляризации.
На фиг. 4 приведена конструкция антенного элемента поляризатора.
На фиг. 5 приведена конструкция антенной системы с изменяемым углом плоскости линейной поляризации в сборе.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- формируют плоскую антенную решетку из излучателей круговой поляризации, каждый из которых содержит пару скрещенных вибраторов - 1;
- выполняют антенную решетку в виде массива антенных линеек из излучателей круговой поляризации, установленных горизонтально рядом друг с другом вплотную своими длинными сторонами - 2;
- выполняют первые плечи первого и второго вибраторов каждого излучателя на одной стороне печатной платы, соединяют первые плечи первого и второго вибраторов печатной, перемычкой длиной λ/4, где λ - длина волны середины рабочего диапазона частот - 3;
- выполняют вторые плечи первого и второго вибраторов каждого излучателя на другой стороне печатной платы, соединяют вторые плечи первого и второго вибраторов каждого излучателя печатной перемычкой длиной А/4, выполняют первые и вторые плечи первого и второго вибраторов треугольной формы - 4;
- устанавливают над антенной решеткой параллельно ее плоскости поляризатор в виде антенной решетки проходного типа, при этом на нижней плоскости поляризатора устанавливают излучатели круговой поляризации, конструкция которых аналогична излучателям антенной решетки, соединяют каждый из них с излучателем линейной поляризации, расположенным на верхней плоскости поляризатора - 5;
- устанавливают между нижними и верхними излучателями поляризатора проводящий экран, выполняют регулировку угла наклона плоскости поляризации антенной системы путем вращения поляризатора в горизонтальной плоскости относительно антенной решетки - 6.
Конструкция антенной системы с изменяемым углом плоскости линейной поляризации, построенной по предложенному способу, включает в себя (фиг. 1) плоскую антенную решетку 1 круговой поляризации, размещенную в цилиндрическом корпусе 2. Над антенной решеткой 1 параллельно ее плоскости расположен поляризатор 3, размещенный в цилиндрическом корпусе 4, подвижно закрепленном в цилиндрическом корпусе 2 антенной решетки 1. Цилиндрический корпус 4 поляризатора 3 по своему периметру имеет зубцы 5.
Антенная решетка 1 включает в себя (фиг. 2) антенные линейки 6, установленные горизонтально рядом друг с другом вплотную своими длинными сторонами. На антенных линейках 6 расположены излучатели круговой поляризации 7. Сигнал возбуждения к излучателям круговой поляризации 7 подводится с помощью делителей мощности 8 и разъемов 9.
Излучатель круговой поляризации 7 включает в себя (фиг. 3) печатную плату 10, закрепленную над проводящим экраном 11. На печатной плате 10 выполнена пара скрещенных вибраторов, при этом на одной стороне печатной платы 10 располагают первое плечо 12 первого вибратора и первое плечо 13 второго вибратора, которые соединены печатной перемычкой 14 длиной λ/4, где λ - длина волны середины рабочего диапазона частот.
На другой стороне печатной платы 10 расположены второе плечо 15 первого вибратора и второе плечо 16 второго вибратора, которые соединены печатной перемычкой 17 длиной λ/4. Первое плечо 12 и второе плечо 15 первого вибратора, а также первое плечо 13 и второе плечо 16 второго вибратора выполняют треугольной формы. Печатная плата 10 закреплена над проводящим экраном 11 с помощью стойки 18.
Поляризатор 3 представляет собой антенную решетку проходного типа и содержит антенные элементы, каждый из которых состоит из двух излучателей (фиг. 4). На нижней плоскости поляризатора 3 устанавливают излучатели 19, обращенные к антенной решетке 1 и представляющие собой излучатели круговой поляризации, конструкция которых аналогична излучателю круговой поляризации 7 из антенной решетки 1 (фиг. 3). На верхней плоскости поляризатора 3 устанавливают излучатели линейной поляризации, представляющие собой печатные вибраторы, каждый из которых содержит первое 20 и второе 21 плечи, расположенные на вертикальной установленной печатной плате 22. Верхний и нижний излучатель 19 соединены печатным проводником 23, а между ними расположен проводящий экран 24.
Зубцы 5 поляризатора 3 входят в зацепление с зубцами ведущего зубчатого колеса 25 (фиг. 5).
Антенная система с изменяемым углом плоскости линейной поляризации работает следующим способом. В режиме передачи излучаемый радиосигнал поступает на разъемы 9 антенных линеек 6 и через делители мощности 8 поступает на излучатели круговой поляризации 7, которые формируют и излучают радиосигнал круговой поляризации.
Излучаемый излучателями круговой поляризации 7 радиосигнал принимается нижним излучателем 19 поляризатора 3 и передается на верхний излучатель, который излучает его в пространство. Связка нижний излучатель 19 с верхним излучателем преобразует сигнал круговой поляризации в сигнал линейной поляризации.
Для изменения угла наклона плоскости поляризации производится вращение поляризатора 3 относительно антенной решетки 1 в горизонтальной плоскости с помощью ведущего зубчатого колеса 25.
Изменяя фазы сигналов, подаваемых на антенные линейки 6 через разъемы 9, возможно выполнять электронное сканирование сформированного луча в плоскости, перпендикулярной расположению антенных линеек 6.
В режиме приема принимаемый сигнал линейной поляризации возбуждает на первом 20 и втором 21 плечах верхнего излучателя поляризатора 3 (фиг. 4) ток, который через печатный проводник 23 поступает на нижний излучатель 19, где преобразуется в сигнал круговой поляризации и далее передается на излучатели круговой поляризации 7 антенной решетки 1. Принятые сигналы с выходов излучателей круговой поляризации 7 суммируются в делителях мощности 8 и поступают на разъемы 9 антенных линеек 6.
Применение предлагаемого способа обеспечивает:
- изменение угла плоскости поляризации путем вращения поляризатора под антенной решеткой, при этом используется один усилитель мощности (УМ) для подключения к каждой синфазной антенной линейке, в то время как в прототипе регулировка угла плоскости поляризации выполняется путем изменения амплитуды сигналов, подаваемых на скрещенные вибраторы. Для этого в прототипе необходимо использование двойного комплекта УМ, что значительно удорожает устройство;
- построение антенной системы с поляризационной развязкой не менее 30 дБ, не зависящей от угла сканирования луча, в то время как в прототипе поляризационная развязка значительно снижается при отклонении луча от нормали к раскрыву антенной решетки.
Работоспособность предлагаемого способа была проверена на макете антенной системы (фиг. 1). Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.