АНТЕННАЯ СИСТЕМА
ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и может быть использовано при проектировании антенных устройств для летательных и космических аппаратов (КА).
Известна антенная система, включающая в себя сферическую квазиконформную фазированную антенную решетку (КФАР), содержащую N плоских фазированных антенных подрешеток, примыкающих друг к другу и расположенных кольцевыми поясами, покрывающими осесимметричную поверхность, несколько превышающую полусферу, коммутаторы в приемном и передающем каналах каждой подрешетки и блок управления коммутаторами («Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток)», под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1981, стр.157-164, рис.7.13).
Данная решетка обеспечивает полусферический обзор. Луч КФАР формируется совокупностью фазированных антенных подрешеток, образующих активную зону. Заданное направление луча в пространстве достигается коллимацией лучей каждой подрешетки, входящей в активную зону решетки. В активную зону КФАР включают только те подрешетки, которые фазовым способом могут установить свой луч в направлении коллимации. При сканировании активная зона конформно перемещается по поверхности КФАР, сохраняя размеры активной зоны и количество подрешеток в ней. Исключение подрешеток из активной зоны и включение новых подрешеток осуществляется с помощью коммутаторов в приемном и передающем каналах каждой подрешетки.
Образование из плоских подрешеток антенн с полусферической рабочей зоной является трудновыполнимой задачей, поскольку равномерное распределение плоских подрешеток возможно только с изменяющимися размерами их апертуры, подбор которой является тяжелой технологической задачей.
Данного недостатка лишена антенная система, включающая в себя антенную решетку с полусферической рабочей зоной, излучатели и коммутационную систему, соединенную с каналами передачи и приема излучателей. В данном техническом решении антенная решетка выполнена как квазиконформная фазированная антенная решетка (КФАР). КФАР содержит N плоских фазированных подрешеток, примыкающих друг к другу и расположенных кольцевыми поясами, покрывающими осесимметричную поверхность двойной кривизны. Плоские фазированные подрешетки выполнены одинаковыми по конструкции, в виде приемопередающих активных ФАР с прямоугольной апертурой, и расположены так, что в каждом покрывающем кольцевом поясе количество подрешеток кратно трем. Обзор полусферического пространства выполняется фазово-конформным способом одновременно тремя лучами (патент на изобретение RU 2406193, H01Q 21/00 от 21.04.2009).
При заявленной конструкции и режимах работы данная антенна содержит большое количество подрешеток, что требует большого числа управляющих устройств и вычислительных средств, это, в свою очередь, увеличивает сложность и массу системы. Из-за высокой массы и сложности данной КФАР ее применение целесообразно только в качестве наземной системы.
Известна также, взятая в качестве прототипа, антенная система, включающая в себя антенную решетку в виде многоугольников, соединенных между собой на основе икосаэдрической структуры, излучатели, коммутационную систему, соединенную с каналами передачи и приема и блок управления коммутационной системой («Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток)», под ред. Д.И.Воскресенского, М.: Радио и связь, 1981, стр.157-164, рис.7.14).
В данном техническом решении антенная решетка выполнена также как квазиконформная фазированная антенная решетка и имеет форму икосаэдра. КФАР содержит N плоских фазированных подрешеток, примыкающих друг к другу и покрывающих осесимметричную поверхность двойной кривизны. Плоские фазированные подрешетки выполнены одинаковыми по конструкции и близкими по форме и размеру (что все равно не снимает сложной задачи подбора апертуры подрешеток разных размеров, образующих единую антенную систему), в виде приемопередающих активных ФАР. В действительности, в антенне, сферической формы (икосаэдр) нет необходимости, поскольку некоторые излучатели направлены на корпус космического или летательного аппарата и не принимают участия в приеме-передаче данных.
Недостатками данной конструкции являются, так же как и в предыдущих конструкциях, то, что луч КФАР формируется совокупностью фазированных антенных подрешеток, образующих активную зону, конструкция содержит большое количество подрешеток, что требует большого числа управляющих устройств и вычислительных средств, это, в свою очередь, увеличивает сложность и массу системы, а также ее стоимость. Реализация подрешеток в виде икосаэдрической структуры (аппроксимация сферы) не рациональна, поскольку некоторые излучатели направлены на корпус космического или летательного аппарата и не принимают участия в приеме-передаче данных. Целесообразно разделить икосаэдр.
Технический результат, достигаемый предложенным решением, заключается в снижении массы, сложности и стоимости системы с электрическим сканированием, а также в увеличении рабочей зоны системы при использовании меньшего числа излучающих элементов, что позволит использовать предложенную систему на космических и летательных аппаратах, а также в упрощении возможной конструкции систем, обеспечивающих электрическое сканирование.
Ниже при раскрытии сущности предлагаемого технического решения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Данный технический результат достигается тем, что в антенной системе, включающей в себя антенную решетку в виде многоугольников, соединенных между собой на основе икосаэдрической структуры, излучатели, соединенную с ними коммутационную систему и блок управления коммутационной системой (БУКС), антенная решетка представляет собой аппроксимацию полусферы на основе граней усеченного полуикосаэдра, образуя полусферическую рабочую зону, при этом многоугольники, образующие решетку, представляют собой излучатели, являются гранями усеченного полуикосаэдра и выполнены в виде пяти- и шестиугольников, а коммутационная система расположена внутри антенной решетки, в ее центре. Антенная решетка на основе граней усеченного полуикосаэдра может быть выполнена из шести пятиугольников и десяти шестиугольников с шестиугольником в центре полусферы или из пяти пятиугольников и одиннадцати шестиугольников с пятиугольником в центре полусферы.
Излучатели могут быть различных типов (щелевые, вибраторные, патчевые и др.) Прием и передача информации в полусфере углов осуществляется лучами разной ширины (широким при переключении одного излучателя и более остронаправленным лучом при переключении группы из трех излучателей).
Заявленная система лишена многих недостатков прототипа. Для достижения технического результата заявленное устройство состоит из излучателей, а не из подрешеток. Кроме того, количество излучателей в заявляемом устройстве в несколько раз меньше, чем количество подрешеток в прототипе, короче и проще кабельная сеть, проще и компактнее коммутационная система, которая располагается внутри антенной решетки. Данные особенности ведут к уменьшению массы заявленного устройства в сравнении с прототипом, уменьшают стоимость, сложность и технологичность изготовления систем с электрическим сканированием, а также обеспечивают полусферическую рабочую зону меньшим количеством излучающих элементов. Это позволяет использовать заявленное устройство не только как наземную систему, но и применять ее на транспортных средствах, летательных и космических аппаратах.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - антенная решетка в виде усеченого полуикосаэдра;
- на фиг.2 - вид сверху фиг.1;
- на фиг.3 - развертка усеченого полуикосаэдра;
- на фиг.4 - структурная схема антенной системы.
Антенная система содержит антенную решетку 1, которая представляет собой аппроксимацию полусферы на основе граней усеченного полуикосаэдра, при этом грани усеченного полуикосаэдра являются излучателями 2 и имеют форму многоугольников. Внутри антенной решетки 1, в ее центре, расположена коммутационная система 3 (фиг.2). Кроме того, антенная система включает в себя блок 4 управления коммутационной системой 3 (фиг.4), БУКС 4 выполнен в виде отдельного конструктивного блока, который может располагаться отдельно от антенны, например в модуле служебных систем (не показан). Коммутационная система 3 соединена через переключатель 5 с передатчиком 6 и приемником 7 радиокомплекса (фиг.4) и излучателями 2 антенной системы, кроме того, грани усеченного полуикосаэдра (излучатели 2) выполнены в виде пяти- и шестиугольников. Оптимальным представляется вариант выполнения антенной решетки 1 из шестнадцати излучателей 2, одинаковых по конструкции: либо в виде шести пятиугольников и десяти шестиугольников с шестиугольником в центре полусферы (фиг.3), либо в виде пяти пятиугольников и одиннадцати шестиугольников с пятиугольником в центре полусферы. Небольшая разница в геометрических размерах излучателей 2 позволяет получить схожие характеристики для излучателей 2 разной формы. Коммутационная система 3 может быть выполнена в разных вариантах, например, на основе корпусных pin диодов, электромагнитных реле или в микрополосковом исполнении. Выбор варианта исполнения коммутационной системы 3 зависит от мощности передатчика радиокомплекса.
Излучатели 2 могут быть различных типов (щелевые, вибраторные, патчевые и др.).
Устройство работает следующим образом.
Передача и прием информации в полусфере углов осуществляется путем переключения излучателей 2, каждый из которых формирует диаграмму направленности (ДН) в своем секторе углов, который соответствует ориентации излучателя 2 в пространстве. Чтобы лучи такой антенны имели перекрытие, перекрывали полусферу и не имели «провала» в усилении на пересечении двух соседних лучей, ширина ДН излучателей 2 должна быть не менее 46°.
Переключая один излучатель 2, антенна может формировать 16 лучей ДН различного направления, перекрывающих полусферу. Переключение излучателей 2 осуществляется коммутационной системой 3. Конструкция коммутационной системы 3 позволяет разместить ее внутри антенны, сократив кабельную сеть.
Коммутационная система 3 осуществляет переключение излучателей 2 антенной решетки 1 по команде из БУКС 4.
При применении заявляемого устройства на летательном или космическом аппарате в БУКС 4 из системы управления (СУ) (фиг.4) поступает информация о взаимном положении аппарата и наземного пункта приема-передачи информации (ПНИ), а также информация об ориентации аппарата относительно центра масс. Используя данную информацию, БУКС 4 осуществляет включение излучателя 2, направление оси максимума ДН которого в данный момент времени наилучшим образом совпадает с направлением оси КА-ППИ. При длительных сеансах связи, когда ДН работающего излучателя 2, в силу движения аппарата или изменения его ориентации отклоняется от вектора «КА-ППИ» на предельный угол (равный полуширине ДН излучателя), БУКС 4 производит отключение работающего излучателя 2 и включение другого соседнего излучателя 2, ось максимума ДН которого в данный момент времени наилучшим образом совпадает с направлением оси КА-ППИ.
Прием и передача информации в полусфере углов осуществляется лучами разной ширины (широким при переключении одного излучателя 2 и более остронаправленным лучом при переключении группы из трех излучателей 2). Переключая группу из трех излучателей 2, антенна может формировать 21 луч в полусфере углов.
Таким образом, выполнение антенной решетки из излучателей, а не из подрешеток (количество излучателей в заявляемом устройстве в несколько раз меньше, чем количество подрешеток в прототипе), позволяет уменьшить массу антенной системы в сравнении с известными устройствами, исключить большое число управляющих устройств и вычислительных средств, и, соответственно, упростить конструкцию и технологичность ее изготовления, что, в конечном итоге, приводит к снижению стоимости конструкции. Также позволяет обеспечить увеличение рабочей зоны системы при использовании меньшего числа излучателей. Данная антенная система позволяет адаптивно использовать возможности радиолинии: формировать луч пониженного потенциала путем включения одного излучателя или более остронаправленный луч для обеспечения максимального потенциала радиолинии (путем включения трех соседних излучателей), что позволяет применять заявленное устройство не только на транспортных средствах, летательных и космических аппаратах, но и использовать как наземную систему.