Управляемый пассивный элемент для антенных устройств с переключаемой диаграммой направленности

Предлагаемое устройство относится к области антенной техники и может быть использовано при построении антенных устройств с переключаемой диаграммой направленности для систем корпоративной, мобильной связи, а также систем связи специального назначения.
Антенные устройства с электрически перестраиваемыми диаграммами направленности (ДН) позволяют не только формировать направленное излучение, повышая этим энергетику радиолинии и улучшая ряд существенных показателей, таких как отношение сигнал/помеха, параметры электромагнитной совместимости и др., но также безынерционно осуществлять обзор окружающего пространства, быстро изменять направление приема и передачи, формировать нули в направлении источников помех.
Можно реализовать как плавное, так и дискретное движение луча.
Одним из подходов к управлению направлением излучения является применение в антенных устройствах пассивных элементов, принимающих под воздействием управляющих сигналов два состояния - отражения падающей электромагнитной волны и состояния малого взаимодействия с ней, при котором электромагнитная волна проходит через пассивный элемент, не испытывая значительного препятствия.
Известен ряд антенных устройств подобного рода.
Например, антенна с отражающим элементом (зеркалом) на основе реверсивной среды [патент РФ 2654937, H01Q 19/10]. Особенностью реверсивной среды является то, что в исходном состоянии она является радиопрозрачной, а при воздействии на нее управляющего сигнала (температура, световое или иное, в зависимости от типа реверсивного материала, излучение) приобретает отражающие свойства. Данное устройство содержит внешний и внутренний радиопрозрачные кожухи, покрытые изнутри реверсивным материалом, что позволяет синхронно, с помощью подсветки, формировать конфигурацию зеркала антенны и облучателя и, соответственно, осуществлять сканирование ДН.
Недостатком этой антенны является то, что для управления диаграммой направленности требуется применение особенных (реверсивных) материалов, а также введение в состав устройства блока управления подсветкой.
Известна антенна [патент РФ 2207671, H01Q 1/52], которая содержит излучающие фрагменты, соединенные высокочастотными ключевыми элементами. Эта антенна для окружающих ее антенн, в зависимости от управляющих сигналов, может иметь два состояния: либо оказывать влияние на окружающие ее антенны, либо практически не взаимодействовать с ними.
В активном режиме, т.е. при работе на прием или передачу, на высокочастотные ключевые элементы подается управляющее напряжение, в результате чего излучающие фрагменты соединяются между собой и образуют единый излучатель. В этом (активном) режиме антенна оказывает влияние на близкорасположенные антенны.
По окончании работы антенна отключается от фидерного тракта, на высокочастотные ключевые элементы от схемы управления подается размыкающее напряжение, в результате чего антенна как бы распадается на части, величина которых менее одной шестнадцатой длины волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона близкорасположенной антенны (второй режим работы). Полоса рабочих частот антенны смещается вверх по частотному диапазону и выходит за пределы прежней рабочей полосы частот. В этом (пассивном) режиме антенна практически не взаимодействует с близкорасположенными антеннами.
Недостатком этой антенны является то, что для переключения антенного устройства из рабочего режима в режим малого взаимодействия с близкорасположенными антеннами требуется разбиение его на большое число фрагментов, что, соответственно, требует большого количества ключевых элементов.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является пассивный вибратор из состава антенного устройства (патент РФ 26950262, H01Q 3/00, H 01Q 3/242), принятый за прототип.
На фиг.1 изображен пассивный вибратор-прототип, где обозначено
1 - первый проводник;
2 - второй проводник с зазором;
4 - коммутирующие элементы (перемычки).
Пассивный вибратор (элемент) содержит первый 1 и второй 2 проводники длиной ~ 0.5 λ, расположенные параллельно на расстоянии порядка 0.005 λ друг от друга. Второй проводник 2 имеет зазор посередине порядка 0.04 λ. На концах обоих проводников имеются коммутирующие элементы 4 (ВЧ-реле, герконы, pin-диоды), именуемые в дальнейшем «перемычка». При замыкании перемычек 4 пассивный элемент превращается в петлевой вибратор с близкорасположенными проводниками.
В антенне-прототипе источником возбуждения является постоянно подключенный к линии питания активный вибратор, окруженный равномерно расположенными на расстоянии ~ 0.25 λ от него N (N=1, 2, …) коммутируемыми пассивными элементами длиной ~ 0.5 λ.
Функционирование устройства-прототипа происходит следующим образом.
Если перемычки 4 разомкнуты, то для падающей волны электрические свойства данного пассивного элемента (вибратора) в силу малости расстояния между проводниками 1 и 2 идентичны свойствам одиночного проводника, и пассивный элемент становится рефлектором для активного вибратора.
При замкнутых перемычках 3 суммарный ток, наведенный в проводниках 1 и 2 пассивного элемента, имеет распределение, отличное от распределения тока в одиночном проводнике, и собственная частота возбуждения пассивного элемента выходит за пределы рабочего диапазона. Пассивный элемент перестает играть роль рефлектора для активного вибратора и практически не взаимодействует с ним на данной частоте.
Поскольку токи, наведенные в пассивных элементах, значительно меньше токов питания в активном вибраторе - источнике возбуждения - то переключение диаграммы направленности можно производить при работающем передающем устройстве, в том числе при значительных мощностях.
Обладая возможностью обеспечивать сравнительно простым образом переключение диаграммы направленности, управляемый пассивный элемент из состава антенны-прототипа, тем не менее, имеет недостаток, заключающийся в том, что при реальном исполнении его, с учетом реальных размеров используемых материалов, невозможно обеспечить малое расстояние между проводниками (между центрами проводников). Геометрическая несимметрия элемента становится заметной, и это приводит к искажению диаграммы направленности антенного устройства, использующего данный элемент. Так, для антенного устройства, использующего один активный вибратор и один пассивный элемент, неравномерность диаграммы направленности в режиме кругового облучения может достигать 1,2 - 1,4 дБ. Для антенных устройств, содержащих малое число (единицы) пассивных элементов, этой величиной, при практическом применении, можно пренебречь. Однако в случае сложных антенных устройств, состоящих из нескольких пассивных элементов, если невозможно компенсировать искажения диаграммы конструктивным способом, искажения от каждого элемента суммируются, и неравномерность диаграммы антенного устройства в режиме кругового облучения может достигать нескольких дБ, что уже неприемлемо.
Задача предлагаемого устройства - устранение искажений диаграммы направленности антенного устройства, возникающих при использовании нескольких управляемых пассивных элементов, состоящих из двух параллельных проводников с коммутирующими элементами, один из которых имеет зазор посередине.
Для решения поставленной задачи в управляемый пассивный элемент для антенных устройств с переключаемой диаграммой направленности, содержащий первый и второй параллельно расположенные проводники, длиной порядка 0.5 λ, причем второй проводник имеет зазор посередине, на концах первого и второго проводников размещены коммутирующие устройства, управляющие диаграммой направленности антенного устройства посредством придания пассивным элементам либо свойства рефлектора, либо свойства «незаметности» для активного элемента, согласно полезной модели, введен третий проводник с зазором посередине, аналогичный второму и электрически соединенный с ним на концах, расположенный симметрично второму относительно первого проводника и придающий всему пассивному элементу геометрически симметричный вид.
На фиг.2 изображен предлагаемый управляемый пассивный элемент для антенных устройств, где обозначено:
1 - первый (центральный) проводник;
2 - второй проводник с зазором;
3 - третий проводник с зазором;
4 - коммутирующие элементы (перемычки).
Предлагаемый управляемый пассивный элемент содержит первый (центральный) проводник 1 длиной порядка 0,5 λ, по обеим сторонам которого, параллельно ему и симметрично относительно него, в непосредственной близости и в одной плоскости, расположены второй 2 и третий 3 проводники длиной порядка 0,5 λ с зазором (разрывом) посередине, электрически соединенные между собой на концах. При этом концы первого (центрального) проводника 1 и точки соединения двух других проводников соединены коммутирующими элементами (перемычками) 4, управляющими диаграммой направленности антенного устройства посредством придания пассивным элементам либо свойства рефлектора, либо состояния малого взаимодействия с падающей электромагнитной волной. В качестве коммутирующего элемента (перемычки) 4 могут быть использованы, например, ВЧ-реле, герконы, pin-диоды.
Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом.
Если перемычки 4 разомкнуты, то для падающей волны электрические свойства данного пассивного элемента, в силу малости расстояния между первым (центральным) 1, вторым 2 и третьим 3 проводниками, идентичны свойствам одиночного проводника, и пассивный элемент становится для падающей волны рефлектором.
При замкнутых перемычках 4 токи, наведенные в первом 1 проводнике и в проводниках 2 и 3, имеют различное амплитудно-фазовое распределение, и при суммировании в значительной степени компенсируются. Собственная частота возбуждения пассивного элемента не соответствует первоначальной, в результате падающая электромагнитная волна слабо взаимодействует с ним и при прохождении через него не испытывает значительного препятствия.
Для иллюстрации показаны диаграммы направленности при замкнутых перемычках 4 (в режиме кругового облучения) для реального исполнения элемента с проводниками толщиной 0,01λ, расположенными на расстоянии 0,01λ друг от друга:
для антенной структуры (фиг.3) из одного активного вибратора 5 и одного предлагаемого управляемого пассивного элемента - на фиг.4 сплошной линией;
для антенной структуры из одного активного вибратора 5 и одного пассивного элемента-прототипа (фиг.1) - на фиг.4 штриховой линией.
В первом случае неравномерность ДН 0,4 дБ.
Во втором случае неравномерность ДН 1,3 дБ.
При разомкнутых перемычках 4 (в режиме отражения) свойства предлагаемого управляемого пассивного элемента и свойства элемента-прототипа совпадают.
Таким образом, использование предлагаемых управляемых пассивных элементов при построении антенных устройств с коммутационным управлением позволяет практически исключить искажения формы диаграммы направленности при любом числе элементов в антенном устройстве. При этом электрические и электродинамические параметры антенного устройства с предлагаемым управляемым пассивным элементом в сравнении с вариантом использования управляемого пассивного элемента-прототипа на тонких проводниках, расположенных очень близко друг к другу, остаются на том же уровне.