ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ ШИРОКОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА НАКЛОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗ 2*N-ПАР V-ОБРАЗНЫХ ВИБРАТОРОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В ПЛОСКОСТИ
TRANSCEIVING ALL-BAND OBLIQUE POLARIZATION ANTENNA ARRAY FORMED BY 2*N-PAIRS OF MONOPLANE V-SHAPED VIBRATORS

Изобретение относится к области приемопередающих антенных решеток для ретрансляторов связи, находящихся на стратосферных предкосмических зондах и работающих на наклонной и круговой поляризации электромагнитных волн [1-11], может быть использовано в комплексах мониторинга чрезвычайных ситуаций и в учебном процессе.
Аналогом заявляемого устройства является антенное ретранслирующее устройство, осуществляющее прием и передачу сигнала при измерении диаграмм вторичного излучения антенн. Оно представляет приемопередающую антенну, состоящую из пирамидального рупора, соединенного с короткозамкнутым волноводным трактом, в котором установлен амплитудно-фазовый модулятор (авторское свидетельство №315128 от 1970 г., МПК G01R 29/10, Баренова И.В., Варшавчик М.Л., Кобак В.О.).
Недостатком аналога является узкий сектор рабочих углов Δφ, где φ - пространственный угол (например, угол азимута).
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является электродинамический антенный отражатель Ван-Атта, состоящий из N-пар волноводных антенн в виде линейных вибраторов или волноводов, соединенных согласованными трактами одинаковой электрической длины (патент США №2908002, класс 343-776 от 1955 г.).
Прототип имеет узкую ширину диаграммы обратного рассеяния, т.е. меньшую или равную 80° (Δφ≤80°), где φ - угол азимута, совпадающий с плоскостью расположения решетки антенных переизлучателей.
Целью изобретения является создание приемопередающей антенной решетки, имеющей более широкую диаграмму обратного рассеяния и широкий рабочий диапазон частот на наклонной поляризации электромагнитных волн.
Заявляемое устройство позволяет решать следующие задачи:
- создавать переизлученный сигнал связи в широком секторе углов пространства до значения в два раза шире, чем прототип;
- использовать одно заявляемое устройство вместо двух прототипов;
- уменьшить массогабаритные характеристики ретранслятора связи.
Решение поставленных задач достигается тем, что в заявляемом устройстве все антенные излучатели выполнены в виде V-образных вибраторов, каждый антенный излучатель N-пары дополнительно содержит второй V-образный вибратор, плечи всех вибраторов состоят из двух диполей разной длины, длина первого диполя равна от 0.2*λcp1 до 0.3*λcp1, длина второго диполя равна от 0.2*λср2 до 0.3*λср2, где λср1, λср2 - средние длины волн первого и второго диапазонов, ширина каждого из диполей в плечах вибраторов равна от 0.02*λср до 0.1*λcp, где λcp - средняя длина волны рабочего диапазона волн, второй вибратор соединен противофазно с первым V-образным вибратором, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары, а второе правое плечо первого V-образного вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов первого излучателя N-пары соединены друг с другом через трансформатор импедансов и через боковые плечи микрополоскового делителя СВЧ мощности, среднее плечо которого подключено к СВЧ-тракту в виде коаксиального кабеля, соединено со средним плечом микрополоскового делителя СВЧ мощности второго излучателя N-пары, который дополнительно содержит второй V-образный вибратор с ортогональными плечами, соединенными противофазно с первым V-образным вибратором второго излучателя N-пары, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары, а второе правое плечо первого вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго V-образного вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов второго излучателя N-пары соединены друг с другом через трансформатор импедансов и через боковые плечи микрополоскового делителя СВЧ мощности, все V-образные дипольные антенны всех излучателей расположены на одной оси в пространстве так, что плечи вибраторов составляют угол плюс-минус альфа, равный от ±30° до ±60° (±α = от ±30° до ±60°), с продольной осью решетки устройства, правое плечо под углом -α, левое плечо под углом +α, кроме того, дополнительно содержит полупроводниковые СВЧ усилители-модуляторы, встроенные в согласованные СВЧ-тракты и подключенные к модулятору пульта управления и соединенному с источником питания, кроме того, дополнительно содержит металлизированный рефлектор, находящийся над диполями, кроме того, основание антенной решетки представляет аэродинамический обтекаемый корпус имеющий форму в виде планера «единое крыло» с вертикальным аэродинамическим хвостовым стабилизатором и радиопрозрачным обтекателем вибраторов антенной решетки.
На фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства, где обозначено:
1 - основание,
2, 4 - левое и правое плечи первого V-образного вибратора первого излучателя N-пары,
3, 5 - правое и левое плечи второго V-образного вибратора первого излучателя N-пары,
6 - два трансформатора импедансов первого излучателя, каждый в виде полоскового трехшлейфового трансформатора с короткозамкнутыми на концах шлейфами [3],
7 - делитель СВЧ мощности первого излучателя, в виде полоскового «двукратного» делителя мощности пополам [3],
8 - СВЧ-тракт в виде коаксиального кабеля,
9 - два трансформатора импедансов второго излучателя, каждый в виде полоскового трехшлейфового трансформатора с короткозамкнутыми на концах шлейфами [3],
10 - делитель СВЧ мощности второго излучателя, в виде полоскового «двукратного» делителя мощности пополам [3],
11, 13 - первое левое и второе правое плечи первого V-образного вибратора второго излучателя N-пары,
12, 14 - второе правое и первое левое плечи второго V-образного вибратора второго излучателя N-пары,
15 - полупроводниковые СВЧ усилители-модуляторы, встроенные в согласованные СВЧ-тракты,
16 - модулятор пульта управления,
17 - источник питания,
18 - металлизированный рефлектор.
Конструкция заявляемого устройства представляет и содержит следующее.
Приемопередающая антенная решетка жестко закреплена на основании п.1 фиг.1 и состоит из N-пар антенных излучателей в виде V-образных вибраторов с плечами п.2 и п.4, соединенных с помощью согласованных СВЧ-трактов п.8 одинаковой электрической длины, каждый антенный излучатель N-пары дополнительно содержит второй V-образный вибратор с плечами п.3 и п.5, плечи всех вибраторов состоят из двух диполей разной длины, длина первого диполя равна от 0.2*λcp1 до 0.3*λcp1, длина второго диполя равна от 0.2*λcp2 до 0/3λcp2, где λcp1, λcp2 - средние длины волн первого и второго диапазонов, ширина каждого из диполей в плечах вибраторов равна от 0.02*λcp до 0.1*λcp, где λcp - средняя длина волны рабочего диапазона волн, второй вибратор соединен противофазно с первым V-образным вибратором, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала первого излучателя N-пары, а второе правое плечо первого V-образного вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго V-образного вибратора положительного потенциала первого излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов первого излучателя N-пары соединены друг с другом через трансформаторы импедансов п.6 и через боковые плечи микрополоскового делителя СВЧ мощности п.7 первого излучателя N-пары, среднее входное плечо которого подключено к СВЧ-тракту в виде коаксиального кабеля п.8, соединено со средним входным плечом микрополоскового делителя СВЧ мощности п.10 второго излучателя N-пары, который дополнительно содержит второй V-образный вибратор с плечами п.12 и п.14, соединенный противофазно с первым V-образным вибратором с плечами п.11 и п.13, второго излучателя N-пары, когда первое левое плечо первого V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары соединено со вторым правым плечом второго V-образного вибратора отрицательного потенциала второго излучателя N-пары, а второе правое плечо первого V-образного вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары соединено с первым левым плечом второго V-образного вибратора положительного потенциала второго излучателя N-пары, при этом плечи вибраторов второго излучателя N-пары соединены друг с другом через два трансформатора импедансов п.9 и через боковые плечи микрополоскового делителя СВЧ мощности п.10, все V-образные дипольные антенны всех излучателей расположены на одной оси в пространстве так, что плечи вибраторов составляют угол плюс-минус альфа, равный от ±30° до ±60° (±α = от ±30° до ±60°), с продольной осью решетки устройства, правое плечо под углом -α, левое плечо под углом +α, причем за положительное направление углов принято направление против часовой стрелки, ширина плеч всех вибраторов одинакова и равна от 0.02*λcp до 0.1*λcp , где λcp - средняя длина волны рабочего диапазона волн, кроме того, дополнительно содержит полупроводниковые СВЧ усилители-модуляторы п.15, встроенные в согласованные СВЧ тракты и подключенные к модулятору п.16 пульта управления, соединенному с источником питания п.17, кроме того, дополнительно содержит металлизированный рефлектор п.18, находящийся над диполями, кроме того основание антенной решетки представляет аэродинамический обтекаемый корпус, имеющий форму в виде планера «единое крыло» с вертикальным аэродинамическим хвостовым стабилизатором и радиопрозрачным обтекателем вибраторов антенной решетки.
Вибраторы первого излучателя 1-пары находятся в плоскости вибраторов первого излучателя N-пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры заявляемого устройства. Вибраторы второго излучателя 1-пары находятся в плоскости вибраторов второго излучателя N-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 10° до 180° градусов (β=от 10° до 180°). Заявляемое устройство работает следующим образом. Заявляемое устройство имеет V-образные вибраторы, каждое плечо которых работает на ортогональных поляризациях, следовательно, заявляемое устройство в целом работает на наклонной поляризации.
Предложенное устройство имеет антенные излучатели N-пары в виде двух V-образных вибраторов, плечи которых возбуждаются противофазно в пространстве.
Диаграммы направленности этих антенных излучателей заявляемого устройства имеют ширину 135°, и диаграммы обратного рассеяния тоже имеют ширину 135° на наклонной поляризации электромагнитных волн. Так как плечи всех вибраторов имеют два диполя двух диапазонов волн, то и заявляемая антенная решетка работает в двух диапазонах волн. Коэффициент перекрытия диапазонов равен двум. Поэтому заявляемое устройство является широкополосным. Ширина полосы рабочих частот заявляемого устройства в два раза шире рабочей полосы частот прототипа. Диаграммы направленности антенных излучателей прототипа имеют ширину 45°, диаграммы обратного рассеяния тоже имеют ширину 45°, и прототип не работает на наклонной поляризации электромагнитных волн.
Заявляемое устройство работает на наклонной поляризации электромагнитных волн и обеспечивает приемопередачу сигнала строго в обратном направлении, который усиливается и модулируется с помощью СВЧ диодов переключательного типа или генераторных и усиливающих СВЧ диодов, подключенных к НЧ модулятору информационного сигнала и установленных в волноводных трактах, т.е. обеспечивается ретрансляция, модуляция и усиление сигнала.
ЗУ
прот
Заявляемое устройство создает в широкой полосе частот на наклонной поляризации электромагнитных волн усредненную диаграмму обратного рассеяния шириной Δφ, которая более чем в три раза шире, чем диаграмма обратного рассеяния устройства прототипа Δφ, т.е.
ЗУ
прот
Δφ≥3φ.
Заявляемое устройство используется в качестве ретранслятора связи в лабораториях Южного федерального университета и в других организациях.
Источники информации
1. http://www.innovaterussia.ru/project/front/16108. И.С. Еремин Saint Peresburg Balloon Experiment - Стратосферный зонд.
2. В.О. Кобак. Радиолокационные отражатели. - М.: Сов. радио, 1975 г.
3. Т.И. Изюмова. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. - М.: Энергия, 1975.
4. Огурцов Е.С., Сухинов А.И., Огурцов С.Ф. Патент на изобретение №2428776 «Самофазирующаяся приемопередающая антенная решетка из N-пар скошенных волноводов в разные стороны». - М.: ФГУ ФИПС, Бюллетень №25 от 10.09.2011.
5. 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.
6. Огурцов Е.С., Огурцов С.Ф. Плоская антенная решетка из N-пар скошенных в Е-плоскости волноводов для информационных систем энергетики. Известия 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 Н-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 10.07.09.
9. Огурцов Е.С. Исследование и анализ характеристик излучения и рассеяния линейной антенной решетки из скошенных волноводов, в случае E-поляризованной волны. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2009. Т.90. №1. С.50-59.
10. Огурцов Е.С., Огурцов С.Ф. «Устройство для измерения и калибровки диаграмм направленности светоизлучающих устройств в плоскости». Патент №2361183 от 10.07.09.
11. Огурцов Е.С.Линейная двумерная антенная решетка из N-пар скошенных в Е-плоскости волноводов для информационных систем. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2010. Т.103. №2. С.35-39.