Синфазная антенная решетка с электронно-регулируемой диаграммой направленности

Полезная модель относится к антенной технике, в частности к антенным решеткам и системам с радиальной структурой размещения излучающих элементов, и может быть использована в устройствах приема сигналов в каналах связи с многолучевостью.
Принимаемый сигнал может быть искажен (зашумлен) различными помехами - внешними электромагнитными воздействиями, накладывающимися на полезный сигнал и затрудняющими его прием [Костин М.С., Ярлыков А.Д. Архитектурно-конфигурируемые SDR-технологии радиомониторинга и телеметрии / М.С. Костин, А.Д. Ярлыков. - М.; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021, стр. 26].
Как известно, в многолучевом канале связи на входе приемника наряду с флуктуационными присутствуют ретранслированные помехи - копии полезного сигнала, углометрически рассеянные неоднородностями среды распространения радиоволн относительно основного направления формирования канала, и имеющие случайную временную задержку, амплитуду и фазу. При их наличии помехоустойчивость приема полезного сигнала существенно снижается [Электронный ресурс:https://sciencejournals.ru/cgi/getPDF.pl?jid=radel&year=2020&vol=65&iss=8&file=RadEl2007007Kulikov.pdf].
Эффективным способом борьбы с многолучевостью в каналах связи является использование узконаправленных апертурных антенн или антенных систем, позволяющих осуществлять пространственную фильтрацию (когерентность) принимаемых сигналов. При этом диаграмма направленности таких антенн формируется либо конструктивно, либо специальными методами обработки принимаемых сигналов.
Так, направленные синфазные антенные решетки представляют собой многоэлементную направленную антенную систему, состоящую из эквидистантной комбинации независимых антенн, разнесенных в пространстве и подключенных таким образом, чтобы фазы подводимых к ним сигналов были одинаковыми. При этом схема многоэлементного антенно-фидерного питания системы должна быть составлена так, чтобы не нарушалась синфазность сигналов, поступающих от каждой антенны в приемник.
С учетом электродинамического принципа обратимой взаимности, использование соединенных в синфазную решетку независимых антенн позволяет достигнуть увеличения мощности сигнала на выходе антенной системы, сужению диаграммы направленности и, как результат, - увеличению коэффициента усиления по сравнению с коэффициентом усиления каждой одиночной антенны [М.С. Костин, А.Д. Ярлыков. Электродинамика, радиоволновые процессы и технологии / М.С. Костин, А.Д. Ярлыков. - М.; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021, стр. 223].
Из СВЧ-техники известны направленные синфазные антенны [Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. - М.: Связь, 1978, стр. 194-195, рис. 8.7]. В них синфазные решетки составлены из симметричных диполей (резонаторов) - элементов синфазной системы, расположенных в линейные массивы с расстоянием между ними равным половине длины волны принимаемого сигнала. Также из СВЧ-техники известны антенные решетки настроенного типа [Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975, стр. 498-500 рис. 15-8, 15-10, 15-11]. Основные схемы известных настроенных антенн состоят из рядов полуволновых диполей с расстоянием между ними, равным половине длины волны принимаемого сигнала. Кроме того, известна многоэлементная антенна для приема цифровых данных в многолучевом гидроакустическом канале связи [патент RU 2597687 C1, опубл. 20.09.2016] - антенна выполнена из отдельных приемных элементов в виде тонкостенных пьезокерамических колец, разделенных по вертикали рупорами конической формы. Объединяющим недостатком приведенных решений синфазного построения антенн является невозможность оперативной электронной регулировки диаграммы направленности.
Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом предлагаемой полезной модели) является синфазная антенная система, содержащая две линейки резонаторов, синфазно подключенных к питающему фидеру. Особенностью прототипа антенной системы является то, что вторая линейка резонаторов, расположенных под первой на расстоянии половины длины волны принимаемого сигнала от нее, состоит из отдельных антенн [патент RU 2593428 С1, опубл. 10.08.2016]. Недостатком прототипа данной антенной системы также является невозможность оперативной электронной регулировки диаграммы направленности.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение возможности оперативного электронного управления диаграммой направленности при сохранении синфазности антенной системы.
Технический результат, который достигается в предлагаемой полезной модели, заключается в оперативной электронной регулировке диаграммы направленности синфазной антенной системы, в результате чего становится возможной пространственная (когерентная) фильтрация ретранслированных помех и снижение влияния эффекта многолучевости канала связи.
i
вых
T
sin
i
i =
Т
Поставленная техническая задача решается и технический результат достигается тем, что синфазная радиальная антенная система, содержащая антенные элементы - резонаторы и синфазный сумматор, согласно заявляемой полезной модели, включает: восемь одинаковых антенных элементов - резонаторов, равномерно расположенных (с угловым шагом π/4) по кругу диаметром, равным половине длины волны принимаемого сигнала λ/2; с первого по восьмой регулируемые элементы задержки, входы которых соединены с соответствующим антенным элементом так, что сигналы с первого до восьмого антенного элемента задерживаются на время τ = (/4)(1+([π/2 - π/4]+ϕ)), где 1,2,…8 - номер антенного элемента системы,  - период волны принимаемого сигнала, ϕ - направление максимума регулируемой диаграммы направленности синфазной антенны, а выходы соединены с входами синфазного сумматора, выходной сигнал S которого является выходным сигналом синфазной антенны.
а
б
в
Р
е
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 представлена структурная схема заявляемой синфазной антенной решетки с электронно-регулируемой диаграммой направленности; на фиг. 2 показаны полярные диаграммы направленности заявляемой синфазной антенны с регулируемой диаграммой направленности для трех случаев:  - ϕ = 0,  - ϕ = π/2,  - ϕ = π; на фиг. 3 показаны графики зависимости вероятности ошибки  при приеме сигналов с бинарной фазовой манипуляцией от отношения сигнал/шум для трех случаев: 1 - многолучевое распространение радиоволн (4 луча) без синфазной антенны, 2 - многолучевое распространение радиоволн (4 луча) с заявляемой синфазной антенной, 3 - однолучевое распространение радиоволн.
1
8
9
16
T
sin
i
i
17
i
Чертеж на фиг. 1 содержит следующие позиции: (…) - с первого по восьмой одинаковые антенные элементы - резонаторы, равномерно расположенные по кругу; (…) - с первого по восьмой регулируемые элементы задержки соответствующих антенных элементов на время τ = (/4)(1+([π/2 - π/4]+ϕ)), где  = 1,2,…8; () - синфазный сумматор.
1
8
9
16
T
sin
i
i
Т
9
16
17
i
вых
Синфазная антенная решетка с электронно-регулируемой диаграммой направленности (фиг. 1) содержит восемь одинаковых антенных элементов - резонаторов (…), которые расположены равномерно по кругу диаметром, равным половине длины волны принимаемого сигнала λ/2, и выходы которых соединены со входами соответствующих регулируемых элементов задержки (…), соответственно. Входы элементов задержки соединены с соответствующим антенным элементом так, что сигналы с первого до восьмого антенного элемента задерживаются на время τ = (/4)(1+([π/2 - π/4]+ϕ)), где  = 1,2…8 - номер антенного элемента системы,  - период волны принимаемого сигнала, ϕ - направление максимума регулируемой диаграммы направленности синфазной антенны. Выходы регулируемых элементов задержки (…)соединены со входами синфазного сумматора (),выходной сигнал S которого является выходным сигналом синфазной антенны.
17
1
8
9
16
Работа устройства полезной модели основана на использовании принципа синфазного сложения в синфазном сумматоре () приходящих сигналов с направления главного максимума диаграммы направленности. Эта синфазность достигается временной задержкой сигналов, принимаемых одинаковыми антенными элементами (…), как за счет пространственного распространения фазового фронта волны сигнала из-за конструктивных параметров антенны - расположения антенных элементов равномерно по кругу диаметром, равным половине длины волны принимаемого сигнала λ/2, так и за счет дополнительной задержки в регулируемых элементах задержки (…). При этом регулировка времени задержки элементов задержки позволяет изменять условия синфазности сигнала для разных антенных элементов и тем самым осуществлять регулировку диаграммы направленности синфазной антенны, формируя ее максимум в заданном направлении ϕ.
а
б
в
На фиг. 2 показаны полярные диаграммы направленности заявляемой синфазной антенны с электронно-регулируемой диаграммой направленности для трех случаев:  - ϕ = 0,  - ϕ = π/2,  - ϕ = π;
Р
е
На фиг. 3 показаны графики зависимости вероятности ошибки  при приеме сигналов с бинарной фазовой манипуляцией от отношения сигнал/шум для трех случаев: 1 - многолучевое распространение радиоволн (4 луча) без синфазной антенны, 2 - многолучевое распространение радиоволн (4 луча) с заявляемой синфазной антенной, 3 - однолучевое распространение радиоволн. При использовании заявляемой антенны в условиях многолучевости наблюдается снижение вероятности ошибки на 1…2 порядка.