СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ В ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЕ РАВНОСИГНАЛЬНОГО НАПРАВЛЕНИЯ
METHOD OF FORMING UNIFORM EQUISIGNAL DIRECTION IN MIRROR ANTENNA

Изобретение относится к антеннам или антенным системам с изменяющейся ориентацией диаграммы направленности и может быть использовано для формирования равносигнального направления в радиосистемах автосопровождения скоростных летательных аппаратов и объектов.
Известен способ управления диаграммой направленности (ДН) с помощью размещения на зеркальной поверхности антенны пассивных рассеивателей [1]. В известном изобретении, целью которого является подавление пространственных помех, при известной функции нормированного амплитудного распределения электромагнитного поля в плоской апертуре антенны формируют множество двумерных ортонормированных полиномов и определяют, какие изменения необходимо внести в фазовое распределения поля в плоской апертуре антенны, чтобы обеспечить максимальный провал в ДН в направлении прихода помех. Определяют координаты точек на зеркальной поверхности антенны, в которые необходимо поместить пассивные рассеиватели, и значения вносимых рассеивателями фазовых сдвигов, обеспечивающих формирование требуемых изменений фазового распределения электромагнитного поля в плоской апертуре антенны.
К недостаткам известного изобретения относится то, что в нем не рассмотрена возможность управления направлением главного лепестка ДН с помощью размещения пассивных рассеивателей на зеркальной поверхности антенны.
Признаки патентуемого изобретения, совпадающие с признаками известного изобретения:
- управление ДН путем размещения на зеркальной поверхности антенн пассивных рассеивателей;
- определение величины изменений, которые необходимо внести в фазовое распределение поля в плоской апертуре антенны, чтобы обеспечить формирование необходимой ДН;
- определение положения точек на зеркальной поверхности антенны, в которые помещают центры пассивных рассеивателей;
- определение необходимых величин, вносимых пассивными рассеивателями фазовых сдвигов.
Известно изобретение - способ формирования пеленгационной характеристики апертурной антенны [2], которое принято за прототип патентуемого изобретения. В известном изобретении равносигнальное направления ДН и симметрию пеленгационной характеристики обеспечивают симметричными относительно равносигнального направления отклонениями направления главного луча ДН. Управляют направлением главного луча ДН с помощью специализированных облучателей: либо рупорного облучателя, в котором возбуждают две различных моды электромагнитных волн, либо составного облучателя, состоящего из нескольких слабонаправленных излучателей установленных вблизи центрального рупора.
Недостатком прототипа является то, что для его использования в уже находящихся в эксплуатации зеркальных антеннах, необходимы замена или доработка облучающего устройства.
Признак патентуемого изобретения, совпадающий с признаком прототипа - формирование равносигнального направления обеспечивают симметричными относительно равносигнального направления отклонениями направления главного луча ДН.
Настоящее изобретение - способ формирования в зеркальной антенне равносигнального направления решает задачу формирования равносигнального направления путем использования пассивных рассеивателей.
Технический результат настоящего изобретения - обеспечение формирования равносигнального направления без применения специальных антенных облучателей и обеспечение возможности многократного включения-выключения режима формирования равносигнального направления без изменения конструкции антенны. Отсутствие инерционных элементов в конструкции пассивных рассеивателей позволяет проводить операции по формированию равносигнального направления с высоким быстродействием.
Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием, чертежами и рисунками, на которых представлены:
Фиг. 1. Структурная схема зеркальной антенны с пассивными рассеивателями и блоком управления.
1i
Фиг. 2. Расположение локальных областей Ω в плоскости апертуры рефлектора
2i
Фиг. 3. К выделению локальных зон Ω на поверхности рефлектора.
Фиг. 4. Щелевой рассеиватель.
Фиг. 5. Направления главного лепестка ДН в плоскости у=0.
На фиг. 1-5 введены следующие обозначения:
i
рс
0
рс
1i
2i
1
11
2
12
0
13
2
14
1 - рефлектор; 2 - облучатель; 3 - пассивный рассеиватель под номером i; 4 - блок управления; щелевой рассеиватель 5; 6 - диэлектрическая пластина; 7 - щель; 8 - металлизация; 9 - СВЧ ключ; r - радиус апертуры рефлектора; X,Y,Z - оси координат рефлектора 1, ось Z является фокальной осью рефлектора, оси X, Y лежат в плоскости апертуры; θ - координата равносигнального направления, заданная в сферических координатах точки наблюдения (θ, ϕ); θ - величина отклонения направления главного луча ДН от фокальной оси рефлектора, используемая при формировании равносигнального направления θ; Ω - локальная область под номером i в плоскости апертуры рефлектора; Ω - локальная область под номером i на отражающей поверхности рефлектора 1; (η, 0) - координаты в плоскости апертуры рефлектора центра локальной области Ω; (0, η) - координаты в плоскости апертуры рефлектора 1 центра локальной области Ω; (-η) - координаты в плоскости апертуры рефлектора 1 центра локальной области Ω; (0, η,) координаты в плоскости апертуры рефлектора 1 центра локальной области Ω; L, Н, d - размеры диэлектрической пластины 6; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической пластины 6; λ - длина волны в воздухе на рабочей частоте зеркальной антенны.
i
Способ формирования в зеркальной антенне равносигнального направления включает создание зеркальной антенны, состоящей, как показано на фиг. 1, из рефлектора 1, представляющего собой параболоид вращения с плоской круговой апертурой радиуса r, облучателя 2, размещенного на оси Z рефлектора 1, и пассивных рассеивателей 3 установленных на отражающей поверхности рефлектора и управляемых с помощью блока управления 4.
10
11
10
01
11
01
10
0
рс
Известными являются r - радиус апертуры рефлектора, ρ(х, у) - симметричное относительно фокальной оси Z и осей X, Y в плоскости апертуры рефлектора 1 и нормированное относительно своего максимального значения распределение основой поляризационной составляющей напряженности поля в апертуре рефлектора 1, Р(х,у)=ах+а и P(x,y)=by+bx+b - определяемые по известной методике [3, стр. 377] линейные ортонормированные гармоники разложения функции ρ(х, у) в области апертуры, значения θ, θ=0 и λ.
Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность многократного включения-выключения режима формирования равносигнального направления без изменения конструкции зеркальной антенны.
0
1
0
2
0
3
0
4
рс
0
1
0
3
рс
В режиме формирования равносигнального направления последовательно ориентируя с главный лепесток диаграммы направленности в направлениях (θ,ϕ=0), (θ,ϕ=0,5π), (θ,ϕ=π), (θ,ϕ=1,5π), формируют равносигнальное направление θ=0, в котором величина выходного сигнала зеркальной антенны оказывается одинаковой при каждом из указанных выше направлении главного лепестка ДН. На фиг. 5 показаны ориентация главного лепестка ДН в направлениях (θ,ϕ=0), (θ,ϕ=π) и равносигнальное направление θ=0 в плоскости у=0.
i
Направления главного лепестка ДН устанавливают, задавая с помощью блока управления 4 в пассивных рассеивателях 3, где i=1, …, 4, необходимые значения фазовых поправок для переизлученных ими сигналов по отношении к значениям фаз, которые были бы у сигналов, отраженных непосредственно поверхностью рефлектора 1.
i
Требования к размещению пассивных рассеивателей 3, где i=1, …, 4, и значениям фазовых поправок определяют по следующей процедуре.
1
1
1
1
1
1
2
1
2
2
11
1
12
2
13
1
14
2
11
13
12
14
1i
Определяют координаты эффективных точек в апертуре рефлектора 1, в которых изменения фазы напряженности поля оказывают максимальное влияние на ориентацию главного луча ДН. В силу симметрии ρ(х, у) относительно осей X, Y таких точек четыре, две лежат на оси X, две - на оси Y, при этом известная методика определения координат эффективных точек [3, стр. 400] упрощается. Из уравнения  находят координаты эффективных точек, лежащих на оси X, x=η и x=-η, где η>0. Из уравнения  находят координаты эффективных точек, лежащих на оси Y, y=η и y=-η, где η>0. В плоскости апертуры рефлектора 1 выделяют локальную область Ω с координатами центра (η,0), локальную область Ω с координатами центра (0,η), локальную область Ω с координатами центра (-η,0), локальную область Ω с координатами центра (0, -η,), при этом область Ω конгруэнтна области Ω, область Ω конгруэнтна области Ω. Расположение локальных областей Ω в плоскости апертуры рефлектора 1 показано на фиг. 2.
10
10
11
10
0
1
0
3
По формуле  находят значение С - модуля коэффициента Фурье разложения функции фазового распределения напряженности поля в плоской апертуре рефлектора 1 по линейной ортонормированной гармонике P(x,y)=ax+a, при котором главный лепесток ориентирован в направлениях (θ,ϕ=0) или (θ,ϕ=π).
01
01
11
01
10
0
2
0
4
По формуле  находят значение C - модуля коэффициента Фурье разложения функции напряженности фазового распределения поля в плоской апертуре рефлектора 1 по линейной ортонормированной гармонике P(x,y)=by+bx+b, при котором главный лепесток ориентирован в направлениях (θ,ϕ=0,5π) или (θ,ϕ=1,5π).
i
Формулы  получены на основании известной методики [3, стр. 363] с учетом значений ϕ где i=l, …,4.
1
11
13
0
1
0
3
В соответствии с [3, стр. 399] по формуле  определяют Ф модуль фазовой поправки в фазу напряженности поля в областях Ω, Ω, при которой главный лепесток ориентирован в направлениях (θ,ϕ=0), (θ,ϕ=π).
2
12
14
0
2
0
4
По формуле  определяют Ф модуль фазовой поправки в напряженности фазу поля в областях Ω, Ω, при которой главный лепесток ориентирован в направлениях (θ,ϕ=0,5π) или (θ,ϕ=1,5π).
11
12
13
14
i
Поскольку непосредственно в областях Ω, Ω, Ω, Ω плоскости апертуры рефлектора 1 установить материальные устройства для внесения фазовых поправок в фазу напряженности поля практически невозможно, в настоящем изобретении взамен коррекции фазы в плоскости апертуры рефлектора 1 проводят эквивалентную ей коррекцию фазы на зеркальной поверхности рефлектора 1 с помощью пассивных рассеивателей 3.
21
22
23
24
11
12
13
14
21
23
1
3
1
1
22
24
2
4
2
2
0
1
0
2
0
3
0
4
0
1
1
1
3
1
2
4
2
2
0
2
2
2
4
2
1
3
1
1
0
3
1
1
3
1
2
4
2
2
0
4
2
2
4
2
1
3
1
1
На отражающей поверхности рефлектора 1 выделяют, как показано на фиг. 3, локальные области Ω, Ω, Ω, Ω, проецируя на нее перпендикулярно плоскости апертуры рефлектора 1 локальные области Ω, Ω, Ω, Ω соответственно. В областях Ω, Ω размещают, соответственно, пассивные рассеиватели 3 3, каждый из которых позволяет вносить в фазу рассеиваемого поля два значения фазовой поправки Ф или минус Ф. В областях Ω, Ω размещают, соответственно, пассивные рассеиватели 3, 3, каждый из которых позволяет вносить в фазу рассеиваемого поля два значения фазовой поправки Ф или минус Ф. С помощью блока управления 4 последовательно ориентируют главный лепесток диаграммы направленности в направлениях (θ,ϕ=0), (θ,ϕ=0,5π), (θ,ϕ=π), (θ,ϕ=1,5π), как показано на фиг. 5, в результате чего формируется равносигнальное направление. Для установки направления (θ,ϕ=0) устанавливают в пассивном рассеивателе 3 фазовую поправку, равную минус Ф в пассивном рассеивателе 3 - фазовую поправку, равную Ф, при этом в пассивных рассеивателях 3, 3 устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф, либо минус Ф. Для установки направления (θ,ϕ=0,5π) устанавливают в пассивном рассеивателе 3 фазовую поправку, равную минус Ф, в пассивном рассеивателе 3 - фазовую поправку, равную Ф, при этом в пассивных рассеивателях 3 3 устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф, либо минус Ф. Для установки направления (θ,ϕ=π) устанавливают в пассивном рассеивателе 3 фазовую поправку, равную Ф, в пассивном рассеивателе 3 - фазовую поправку, равную минус Ф при этом в пассивных рассеивателях 3, 3 устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф, либо минус Ф. Для установки направления (θ,ϕ=1,5π), устанавливают в пассивном рассеивателе 3 фазовую поправку, равную Ф, в пассивном рассеивателе 3 - фазовую поправку, равную минус Ф, при этом в пассивных рассеивателях 3 3 устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф либо минус Ф.
1
3
1
1
2
4
2
2
Для выхода из режима формирования равносигнального направления в пассивных рассеивателях 3 3 устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф, либо минус Ф, в пассивных рассеивателях 3, 3 устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф, либо минус Ф.
i
Актуальным вариантом настоящего изобретения является использование при его реализации в качестве пассивных рассеивателей 3 щелевого рассеивателя 5, структурная схема которого приведена на фиг. 4.
i
В состав щелевого рассеивателя 5 входят диэлектрическая пластина 6 с размерами L=0,5λ, Н=0,26λ, d, который определяется для каждого пассивного рассеивателя 3, и с диэлектрической проницаемостью ε=4, металлизация 7 диэлектрической пластины 6 с прорезанной в ней щелью 8 длиною 0,5λ, и переключаемый с блока управления 4 СВЧ ключ 9, подсоединенный к сторонам щели 8. В СВЧ ключе 9 используют быстродействующий коммутационный СВЧ диод.
Как показано на фиг. 4 у щелевого рассеивателя 5, установленного на отражающей поверхности рефлектора 1, плоскость металлизация 7 с прорезанной в ней щелью 8 поднята на высоту d над отражающей поверхностью рефлектора 1.
1
2
При замыкании СВЧ ключа 9 щелевой рассеиватель 5 эквивалентен проводящей площадке с эффективной поверхностью S=LH=0,13λ, от которой падающая электромагнитная волна отражается с фазой меньше фазы волны, отраженной от отражающей поверхности рефлектора 1, на величину
При размыкании СВЧ ключа 8 щелевой рассеиватель 5 эквивалентен полуволновому вибратору, у которого согласно [4] эффективная поверхность определяется по формуле  При этом падающая электромагнитная волна проходит через диэлектрическую пластину 6, отражается от отражающей поверхности рефлектора 1 и проходит через диэлектрическую пластину 6 в обратном направлении, что приводит к увеличению ее фазы по сравнению с фазой волны, отраженной от отражающей поверхности рефлектора 1 на величину  а с учетом того, что ε=4, на величину
Таким образом, при замыкании и размыкании СВЧ ключа 9 площадь эффективной отражающей поверхности щелевого рассеивателя 5 остается неизменной, а фазовая поправка в фазу напряженности поля в области его установки на отражающей поверхности рефлектора 1, оставаясь неизменными по модулю, меняет знак.
1
2
1
2
11
12
13
14
1
3
2
4
В данном варианте изобретения, в силу равенства S=S, при определении значений Ф, Ф - модулей фазовых поправок в фазу напряженности поля в областях Ω, Ω, Ω, Ω плоскости апертуры рефлектора 1 указанные области задают в виде прямоугольников со сторонами L=0,5λ, Н=0,26λ, для пассивных рассеивателей 3 3 значение размера d щелевых рассеивателей 5 берут равным  а для пассивных рассеивателей 3, 3 - равным
0
1
1
3
2
4
0
2
2
4
1
3
0
3
1
3
2
4
0
4
2
4
1
3
Для ориентации главного лепестка диаграммы направленности в направлении (θ,ϕ=0) в пассивном рассеивателе 3 СВЧ ключ 9 замыкают, в пассивном рассеивателе 3 СВЧ ключ 9 размыкают, при этом в пассивных рассеивателях 3, 3 СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое. Для установки направления (θ,ϕ=0,5π) в пассивном рассеивателе 3 СВЧ ключ 9 замыкают, в пассивном рассеивателе 3 СВЧ ключ 9 размыкают, при этом в пассивных рассеивателях 3 3 СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое. Для установки направления (θ,ϕ=π) в пассивном рассеивателе 3 СВЧ ключ 9 размыкают, в пассивном рассеивателе 3 СВЧ ключ 9 замыкают, при этом в пассивных рассеивателях 3, 3 СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое. Для установки направления (θ,ϕ=1,5π), т в пассивном рассеивателе 3 фазовую СВЧ ключ 9 размыкают, в пассивном рассеивателе 3 СВЧ ключ 9 замыкают, при этом в пассивных рассеивателях 3, 3 СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое.
1
2
3
4
Для выхода из режима формирования равносигнального направления в пассивных рассеивателях 3, 3, 3, 3 СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое.
Таким образом:
- заявленные изобретение позволяет формировать в зеркальной антенне равносигнальное направление с использованием пассивных рассеивателей;
- обеспечивается возможность многократного включения-выключения режима формирования равносигнального направления без изменения конструкции антенны;
- высокая скорость переключения лучей обеспечивается использованием в пассивных рассеивателях быстродействующих коммутационных СВЧ диодов.
Литература
1. Гусевский В.И., Моисеев М.В., Чадов С.Е., Степанов А.А., Поляков Е.М. Автономная система защиты станций с зеркально-параболическими антеннами от воздействия помеховых сигналов и способ ее построения. Патент RU 2311708, 2006 г.
2. В.П. Вальд, С.М. Веревкин, В.П. Давыдов и А.Е. Соколов. Способ формирования пеленгационной характеристики апертурной антенны, патент SU 1467633, 1989 г.
3. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Гусевский В.И. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. - М.: Сайнс-пресс, 2005, стр. 363, 399, 400
4. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: - М.: Высшая школа, 1988, стр. 213