ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ САМОФАЗИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ N ПАР СКОШЕННЫХ ВОЛНОВОДОВ В РАЗНЫЕ СТОРОНЫ КОМПЛЕКСА МОНИТОРИНГА ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ САМОФАЗИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ N ПАР СКОШЕННЫХ ВОЛНОВОДОВ В РАЗНЫЕ СТОРОНЫ КОМПЛЕКСА МОНИТОРИНГА ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Полезная модель относится к области самофазирующихся антенных решеток для ретрансляторов связи и может быть использована в комплексах мониторинга чрезвычайных ситуаций и в учебном процессе.
Известно антенное ретранслирующее устройство, осуществляющее прием и передачу сигнала при измерении диаграмм вторичного излучения антенн. Оно представляет собой приемопередающую антенну, состоящую из пирамидального рупора, соединенного с короткозамкнутым волноводным трактом, в котором установлен амплитудно-фазовый модулятор (авторское свидетельство СССР №315128 от 1970 г, класс G01R 29/10, авторы Баренова И.В., Варшавчик М.Л., Кобак В.О.).
Недостатком этого аналога является узкий сектор рабочих углов.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства (прототипом) является электродинамический антенный отражатель Ван-Атта, защищенный патентом США №2908002, класс 343-776 от 1955 г. Он состоит из N пар волноводных антенн в виде открытых концов волноводов или рупоров, причем раскрывы волноводных антенн расположены перпендикулярно оси волновода (под углом 90° к оси, как следует из описания), соединенных согласованными волноводными трактами одинаковой электрической длины.
Прототип имеет узкую ширину диаграммы обратного рассеяния. Он представляет собой набор антенных переизлучателей в виде открытых концов волноводов или коротких рупорных антенн. Ширина диаграммы обратного рассеяния прототипа не превышает 80°.
Причиной, препятствующей достижению в прототипе технического результата, обеспечиваемого в заявляемой полезной модели, является недостаточная ширина диаграммы обратного рассеяния антенной решетки.
Целью полезной модели является создание приемопередающей самофазирующейся антенной решетки, имеющей широкую диаграмму обратного рассеяния.
Заявляемое устройство позволяет решать следующие задачи:
- создавать переизлученный сигнал связи в широком секторе углов пространства;
- использовать одно заявляемое устройство вместо двух устройств-прототипов;
- уменьшить массогабаритные характеристики ретранслятора связи.
Решение поставленных задач достигается тем, что в заявляемом устройстве антенны в виде открытых концов волноводов каждой пары имеют скошенные раскрывы в разные стороны под углом плюс/минус от 20 до 89 градусов к оси антенны, а волноводные антенны установлены своими осями и скошенными раскрывами в разные стороны, при этом раскрывы левых антенн пар образуют с раскрывами правых антенн пар клин с углом при вершине β°, равным от 40° до 178° градусов. В частном варианте клин при угле β°, равном 178°, обеспечивает линейную апертуру заявляемого устройства.
На фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства с возможностью разъединения антенн и волноводов с помощью фланцев, где обозначено:
1, 2 - первая левая и вторая правая антенны в виде скошенного волновода первой пары антенн;
3, 4, 5, 6 - соединительные фланцы антенн;
7, 8, 9, 10 - соединительные фланцы согласованных волноводов;
11 - согласованный волновод, соединяющий антенны первой пары антенн;
12, 13 - первая и вторая антенны в виде скошенного волновода N-пары антенн;
14 - согласованный волновод, соединяющий антенны N-пары;
15 - основание, на котором жестко закреплено заявляемое устройство.
Конструкция заявляемого устройства содержит N пар волноводных антенн в виде скошенных открытых концов волноводов п. 1, п. 2, п. 12, п. 13 фиг. 1, которые в первом варианте устройства скошены в Ε плоскости волновода, а во втором варианте устройства скошены в Η плоскости волновода.
Первая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п. 1 фиг. 1 первой пары скошена влево под углом плюс α, равным от 20° до 89° к оси ΟΥ волновода, и наклонена влево относительно вертикальной оси ΟΥ, проходящей через середину устройства. Она обеспечивает приемопередачу сигнала, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.
Вторая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п. 2 фиг. 1 первой пары скошена вправо под углом минус α, равным от (минус 20 до минус 89) градусов к оси волновода, и наклонена вправо относительно вертикальной оси ΟΥ, проходящей через средину устройства. Она также обеспечивает приемопередачу сигнала, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.
Э1
Э1
1
1
Фланцы п. 3 и п. 4 фиг. 1 антенн первой пары в виде скошенных открытых концов волноводов присоединены к фланцам п. 7 и п. 8 фиг. 1 согласованного волноводного тракта п. 11 фиг. 1 первой пары. Электрическая длина пути волны l от середины апертуры первой антенны п. 1 фиг. 1 первой пары через согласованный волноводный тракт п. 11 фиг. 1 до середины апертуры второй антенны п. 2 фиг. 1 равна l=k·l, где l - геометрическая длина пути;  - волновое число, λ - длина волны.
Раскрыв левой антенны п. 12 фиг. 1 N-пары находится в плоскости раскрыва левой антенны п. 1 фиг. 1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры заявляемого устройства. Раскрыв правой антенны п. 13 фиг. 1 N-пары находится в плоскости раскрыва правой антенны п. 2 фиг. 1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют правую половину апертуры заявляемого устройства.
B
Первая левая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п. 12 фиг. 1 N-пары осуществляет приемопередачу сигнала и имеет скошенный влево раскрыв, расположенный под углом плюс α, равным от 20° до 89° к оси ΟΥ волновода, и наклонена влево относительно вертикальной оси ΟΥ устройства, проходящей через середину устройства, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.
B
Вторая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п. 2 фиг. 1 N-пары обеспечивает приемопередачу сигнала и имеет скошенный вправо раскрыв, расположенный под углом минус α, равным от минус 20° до минус 89° к оси ΟΥ волновода, и наклонена вправо относительно вертикальной оси ΟΥ устройства, проходящей через середину устройства, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.
Фланцы п. 5 и п. 6 фиг. 1 антенн N-пары в виде скошенных открытых концов волноводов присоединены к фланцам п. 9 и п. 10 фиг. 1 согласованного волноводного тракта п. 14 фиг. 1 N-пары.
ЭN
Электрическая длина пути волны l от середины апертуры первой антенны п. 1 фиг. 1 первой пары через согласованный волноводный тракт п. 11 фиг. 1 до середины апертуры второй антенны п. 2 фиг. 1 равна
ЭN
N
l=k·l,
N
где l - геометрическая длина пути;  - волновое число, λ - длина волны.
Э1
ЭN
Причем волноводные тракты каждой пары имеют одинаковую длину, все антенны также имеют одинаковую длину. В результате электрические длины каждой пары равны друг другу: l=Δl
Раскрыв левой антенны п. 12 фиг. 1 N-пары находится в плоскости раскрыва левой антенны п. 1 фиг. 1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры заявляемого устройства. Раскрыв правой антенны п. 13 фиг. 1 N-пары находится в плоскости раскрыва правой антенны п. 2 фиг. 1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют правую половину апертуры заявляемого устройства.
Таким образом, левая половина апертуры заявляемого устройства и правая половина апертуры заявляемого устройства образуют раскрыв заявляемого устройства в виде клина с углом при вершине β°, равным от 40° до 178° градусов.
На фиг. 2 представлен второй вариант конструкции заявляемого устройства без соединительных фланцев с невозможностью разъединения антенн и волноводов, имеющей меньший вес, где обозначено:
1, 2 - первая левая и вторая правая антенны в виде скошенного волновода первой пары антенн;
11 - согласованный волновод, соединяющий антенны первой пары антенн;
12, 13 - первая и вторая антенны в виде скошенного волновода N пары антенн;
14 - согласованный волновод, соединяющий антенны N пары;
15 - основание, на котором жестко закреплено заявляемое устройство.
На фиг. 3 представлен третий вариант конструкции заявляемого устройства, содержащий и представляющий собой следующее.
В волноводных трактах или в раскрывах, апертурах антенн находятся СВЧ диоды переключательного типа или диоды, генерирующие СВЧ колебания, типа диодов Ганна или туннельные генерирующие СВЧ колебания п. 16 фиг. 3. Эти диоды подключены к модулятору с источником питания п. 17 фиг. 3, например в виде НЧ генератора, создающего НЧ колебания, информационный сигнал.
Этот вариант заявляемого устройства обеспечивает следующее:
1 - приемопередачу сигнала в обратном направлении - пассивную ретрансляцию сигнала;
2 - приемопередачу сигнала в обратном направлении с модуляцией (полуактивную ретрансляцию сигнала);
3 - приемопередачу сигнала в обратном направлении с модуляцией и усилением сигнала (активную ретрансляцию сигнала).
Заявляемое устройство работает следующим образом.
На фиг. 4 показано падение плоской волны из дальней зоны на заявляемое устройство и приемопередача сигнала обратно в виде отраженной плоской волны.
Луч 1 фиг. 4 падающей плоской волны проходит через первую антенну в виде скошенного конца волновода первой пары п. 1 фиг. 4, затем через согласованный волноводный тракт п. 11 фиг. 4 попадает во вторую антенну в виде скошенного конца волновода первой пары п. 2 фиг. 4, которая переизлучает волну в обратном направлении. При этом электрическая длина пути волны вдоль луча 1 фиг. 4 от плоского фронта волны и обратно к нему через волноводный тракт и пространство равна:
Э1
Э1
Э1
Э2
L=l+Δl+Δl,
Э1
Э2
где Δl, Δl - длины путей волны в пространстве вдоль луча 1 от отражателя до плоского фронта волны.
ЭN
Аналогично волна проходит вдоль луча 2 N пары. Луч 2 фиг. 4 от падающего фронта плоской волны проходит через первую антенну в виде скошенного конца волновода п. 12 фиг. 4 N пары, затем через согласованный волноводный тракт п. 14 фиг. 4 попадает во вторую антенну в виде скошенного открытого конца волновода п. 13 фиг. 4 N-пары, которая переизлучает волну в обратном направлении. При этом электрическая длина пути L вдоль луча 2 от плоского фронта и обратно к нему через тракт и пространство равна
ЭN
ЭN
3
4
L=l+Δl·k+Δl·k,
3
4
где l, l, - длины путей луча 2 в пространстве от отражателя до плоского фронта волны.
1
2
3
4
Путем решения задачи с помощью геометрической оптики и в результате геометрических построений из фиг. 4 следует, что сумма путей волны вдоль луча 1 Δl+Δl равна сумме путей волны вдоль луча 2 Δl+Δl, т.е.
1
2
3
4
Δl+Δl=Δl+Δl
Таким образом, длины путей волны вдоль луча 1 и луча 2 от плоского фронта и обратно через тракт отражателя равны
Э1
ЭN
L=L,
или
Э1
Э1
Э2
ЭN
3
4
l+Δl·k+Δl·k=l+Δl·k+Δl·k,
Э1
Э2
при этом Δl=l вследствие конструктивного исполнения.
ЗУ
В результате заявляемое устройство обеспечивает приемопередачу сигнала в строго обратном направлении, который с помощью СВЧ диодов, подключенных к НЧ модулятору информационного сигнала и установленных в волноводных трактах, может быть промодулирован. Так как антенны скошенных волноводов имеют более широкие диаграммы направленности, чем антенны прототипа в виде открытого конца волновода с апертурой (раскрывом), перпендикулярной оси волновода, то заявляемое устройство создает диаграмму обратного рассеяния шириной Δφ, приведенную на фиг. 5, которая более чем в два раза шире, чем диаграмма обратного рассеяния устройства-прототипа.
Заявляемое устройство используется в качестве ретранслятора связи в лабораториях Южного федерального университета и лабораториях других организаций, в разработанных комплексах мониторинга чрезвычайных ситуаций и в учебном процессе.
Источники информации.
1. В.О. Кобак. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио, 1975 г.
2. Огурцов Е.С., Сухинов А.И., Чистяков А.Е. Построение дискретной математической модели излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2011. т. 121. №8. с. 129-139.
3. Огурцов Е.С. Программная реализация дискретной математической модели излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов. Альманах современной науки и образования, №8 (51). Тамбов: Грамота, 2011.
4. Огурцов Е.С. Результаты численных экспериментов исследования дискретной математической модели излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов. Альманах современной науки и образования, №8 (51). Тамбов: Грамота, 2011.
5. Огурцов Е.С. Линейная двумерная антенная решетка из N-пар скошенных в Ε-плоскости волноводов для информационных систем. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2010. Т. 103. №2, С. 35-39.
6. Огурцов Е.С., Огурцов С.Ф. Плоская антенная решетка из N пар скошенных в Ε-плоскости волноводов для информационных систем энергетики. Южного федерального университета. Технические науки. 2010. Т. 102. №1, С. 197-201.
7. Огурцов Е.С. Исследование диаграмм рассеяния и направленности азимутальной антенной решетки из скошенных волноводов в меридиональной плоскости, для случая Η-поляризованной волны. Известия Южного федерального университета. Технические науки, Таганрог, 2008. Т. 88. №11. С. 34-35.
8. Огурцов Е.С., Огурцов С.Ф. «Устройство для измерения и калибровки диаграмм направленности светоизлучающих устройств в плоскости». Патент №2361183 от 10.07.2009.
9. Огурцов Е.С. Исследование и анализ характеристик излучения и рассеяния линейной антенной решетки из скошенных волноводов, в случае Ε-поляризованной волны. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2009. Т. 90. №1. С. 50-59.