Управляемый пассивный элемент для антенных устройств с переключаемой диаграммой направленности
CONTROLLABLE PASSIVE ELEMENT FOR ANTENNA DEVICES WITH A SWITCHABLE RADIATION PATTERN

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.
Управляемое направленное излучение обладает преимуществами в тех случаях, когда требуется повысить энергетику радиолинии, а также улучшить параметры помехозащищённости, электромагнитной совместимости, повышения скрытности работы.
Наиболее распространённым классом антенн, обеспечивающих направленное излучение, являются антенные решётки, в качестве элементов которых чаще всего используют простые слабонаправленные излучатели.
При этом важной особенностью антенных решёток является принципиальная возможность безынерционного поворота диаграммы направленности электрическими способами.
Одним из подходов к управлению направлением излучения является применение пассивных элементов решетки, 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 [1]. Особенностью реверсивной среды является то, что в исходном состоянии она является радиопрозрачной, а при воздействии на неё 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.
Антенна [2] содержит излучающие фрагменты, соединенные высокочастотными ключевыми элементами.
Эта антенна для окружающих её антенн, в зависимости от управляющих сигналов, может иметь два состояния: либо оказывать влияние на окружающие её антенны, либо быть «незаметной» для них.
В активном режиме, т.е. при работе на приём или передачу, на высокочастотные ключевые элементы подаётся 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 становится «незаметной» для близкорасположенных антенн.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является пассивный элемент из состава антенного устройства [3], принятый за прототип.
На фиг. 1 изображен пассивный вибратор, состоящий из первого 1 и второго 2 проводников длиной ~ 0.5 λ, расположенных 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 3 (ВЧ-реле, герконы, pin-диоды), именуемые в дальнейшем «перемычка». При замыкании перемычек 3 пассивный вибратор превращается в петлевой вибратор с близкорасположенными проводниками.
В антенне-прототипе источником возбуждения является постоянно подключенный к линии питания активный вибратор, окружённый 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 3 разомкнуты, то для падающей волны электрические свойства данного пассивного вибратора в силу малости расстояния между проводниками идентичны свойствам одиночного проводника, и пассивный вибратор становится рефлектором для активного вибратора.
При замкнутых перемычках 3 суммарный ток, наведенный в проводниках пассивного вибратора, имеет распределение, отличное от распределения тока в одиночном проводнике, и собственная частота возбуждения пассивного вибратора выходит за пределы рабочего диапазона. Такой пассивный вибратор перестает играть роль рефлектора для активного вибратора и становится «незаметным» для него на данной частоте.
Поскольку токи, наведенные в пассивных вибраторах, 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. Согласованию с питающей линией при такой структуре антенной решетки подлежит только лишь один активный вибратор.
Обладая возможностью обеспечивать сравнительно простым образом переключение диаграммы направленности антенны-прототипа, управляемый пассивный вибратор из состава антенны-прототипа, тем не менее, имеет недостаток, заключающийся в необходимости осуществлять коммутацию на обоих концах управляемого пассивного вибратора. Таким образом, число коммутаторов в два раза больше числа пассивных вибраторов, и, в случае антенных устройств, содержащих большое количество управляемых пассивных вибраторов, оно представляет значительную величину.
Задача предлагаемого устройства - упрощение схемного решения для управляемого пассивного элемента при сохранении физического результата.
Для решения поставленной задачи в управляемом пассивном элементе для антенных устройств с переключаемой диаграммой направленности, содержащем два параллельно расположенных проводника, первый из которых длиной порядка 0.5 λ, при этом конец первого проводника и расположенный напротив него конец второго проводника соединены коммутирующим элементом, управляющим диаграммой направленности антенного устройства посредством придания пассивному элементу либо свойства рефлектора, либо свойства «незаметности» для активного элемента, согласно изобретению, второй проводник имеет длину меньшую 0.25 λ и расположен напротив первого проводника на уровне от конца в сторону середины первого проводника.
На фиг. 2 изображен предлагаемый управляемый пассивный элемент для антенных устройств, где обозначено:
1, 2 - первый и второй проводники;
3 - коммутирующий элемент (перемычка).
Предлагаемый пассивный элемент содержит два параллельно расположенных проводника 1 и 2, первый из которых длиной порядка 0.5 λ, второй проводник имеет длину, меньшую 0.25 λ, и расположен напротив первого проводника 1 на уровне от конца в сторону середины первого проводника. При этом конец первого проводника 1 и расположенный напротив конец второго проводника 2 соединены коммутирующим элементом 3, управляющим диаграммой направленности антенного устройства посредством придания пассивным элементам либо свойства рефлектора, либо свойства «незаметности» для активного вибратора. В качестве коммутирующего элемента (перемычки) 3 может быть использованы ВЧ-реле, геркон, pin-диод.
Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом.
Если перемычка 3 разомкнута, то для падающей волны электрические свойства данного пассивного элемента, в силу малости расстояния между длинным и коротким проводниками, идентичны свойствам одиночного длинного проводника, и пассивный элемент становится для падающей волны рефлектором.
При замкнутой перемычке 6 токи, наведённые в длинном и коротком проводниках, имеют различное амплитудно-фазовое распределение, и при суммировании в значительной степени компенсируются. Собственная частота возбуждения пассивного элемента не соответствует первоначальной, для падающей волны он становится «незаметным», и электромагнитная волна при прохождении через него не испытывает значительного препятствия.
Для иллюстрации показана зависимость диаграммы направленности для антенной структуры из одного активного элемента 4 (вибратора) и одного управляемого пассивного элемента из первого 1 и второго 2 проводников (фиг. 3 а)) при замкнутой (фиг. 3 б)) и разомкнутой (фиг. 3 в)) перемычке 3.
При этом различия в свойствах предлагаемого управляемого пассивного элемента и управляемого пассивного вибратора из состава антенного устройства-прототипа несущественны, что показывает сравнение диаграмм направленности в азимутальной плоскости для структуры, состоящей из активного вибратора и предлагаемого «управляемого пассивного элемента» (фиг. 4 а)) с диаграммой направленности антенного устройства-прототипа для случая одного пассивного вибратора (фиг. 4 б)).
Таким образом, использование предлагаемых управляемых пассивных элементов при построении антенных устройств, представляющих собой два параллельно расположенных проводника, первый из которых длиной порядка 0.5 λ, второй проводник имеет длину меньшую 0.25 λ с коммутирующим элементом на концах, позволяют придавать пассивным элементам либо свойства рефлектора, либо свойства «незаметности» для внешнего излучения и тем самым управлять диаграммой направленности антенных устройств. При этом по сравнению с прототипом, предлагаемый управляемый пассивный элемент имеет более простую конструкцию, а количество коммутирующих элементов снижено вдвое без потери качества.
Источники информации.
H01Q 19/10
1. Патент РФ 2654937, .
H01Q 1/52.
2. Патент РФ 2207671,
H01Q 3/00, H 01Q 3/242.
3. Патент РФ 2695026,