Антенное устройство с переключаемой диаграммой направленности на основе пассивных элементов с изменяемыми характеристиками
ANTENNA DEVICE WITH SWITCHED BEAM PATTERN BASED ON PASSIVE ELEMENTS WITH VARIABLE CHARACTERISTICS

Предлагаемое устройство относится к области антенной техники и может быть использовано, например, в системах корпоративной, мобильной связи, а также системах связи специального назначения.
Обеспечение связи с корреспондентами, расположенными в различных направлениях в азимутальной плоскости, требует, в зависимости от решаемых задач, различной диаграммы направленности (ДН) применяемых антенных устройств.
При достаточном запасе по энергетике можно использовать антенны с круговой диаграммой направленности.
При недостаточном запасе по энергетике, а также в сложных условиях приема или по соображениям электромагнитной совместимости требуется использование направленных антенн с возможностью поворота направления излучения.
Для этих целей могут применяться различные методы: механическое сканирование, частотное управление лучом, фазированные решетки, SMART-антенны, или решения, основанные на использовании решеток излучателей с коммутацией их питания, что позволяет сформировать определенную ДН либо осуществить ее поворот.
Известен ряд антенных устройств подобного рода.
Антенное устройство с управляемой диаграммой направленности и планарная направленная антенна [1] включает планарные направленные антенны, каждая из которых выполнена в виде диэлектрической пластины, на которой установлен активный элемент антенны. Обращенная к активному элементу поверхность пластины металлизирована и служит рефлектором антенны. Пластины соединены по ребрам так, что образуют боковые грани полого корпуса устройства. Торцовая грань выполнена в виде диэлектрической пластины с металлизированной внешней поверхностью и может также иметь активный элемент антенны. На внутренней поверхности торцовой грани корпуса размещен антенный коммутатор, подключенный к блоку управления коммутатором и соединенный с активными элементами антенн. Активный элемент крепится с помощью штырей, выполненных из тела активного элемента путем его просечки с последующим отгибом.
В [2] реализована шестиэлементная кольцевая антенная решетка (КАР) для системы передачи данных Wi-Fi диапазона с управляемой диаграммой направленности на основе планарных излучателей с плоским экраном, излучение каждого элемента которой перекрывает определенный сектор углов. За счет переключения элементов антенна обеспечивает работу во всех азимутальных направлениях с требуемым коэффициентом усиления (КУ).
«Super Scanner М-119 Electronic Sector-Phased Omni-beam antenna» [3] компании «The antenna specialist со.» представляет собой три диполя, установленных вертикально на одной мачте в разных секторах пространства и переключаемых удаленно коммутирующим устройством на ВЧ-реле. При работе диполи включаются таким образом, что получаются один источник возбуждения и два рефлектора, Таким образом, можно получить переключаемую диаграмму направленности на три направления.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является «Вибраторная антенна с переключаемыми диаграммами направленности» [4], принятая за прототип.
а
На фиг. 1 ) - представлена схема антенны-прототипа, на фиг. 1 б) - вид сверху, фиг. 1 в) - вид сбоку), где обозначено:
1.1, 1.2, 1.3 - «тонкие» плечи вибраторов;
7 - цилиндрический экран;
8 - микрополосковая линия (МПЛ);
а
Антенна-прототип (фиг. 1 )- вид сверху, и фиг. 1 б) - вид сбоку) содержит цилиндрический экран 7, являющийся одним плечом вибратора. Вторым плечом являются подключаемые при помощи коммутирующих элементов - управляемых замыкателей «тонкие» плечи вибраторов 1.1, 1.2, 1.3. Схема питания построена на основе микрополосковой линии (МПЛ) 8 и управляемых замыкателей (перемычек) на pin-диодах (на фиг. 1 не показаны).
Цилиндрический экран 7 имеет длину образующей около четверти длины волны λ и такой диаметр, что расстояния между плечами вибраторов 1.1, 1.2, 1.3 составляют около 0.3 λ. Электрическое расстояние вдоль МПЛ 8 от центра схемы питания до точек питания плеч вибраторов 1.1, 1.2, 1.3 в которых включены управляемые замыкатели, составляет 0.25 λ.
Если в данный момент времени два замыкателя находятся в состоянии «замкнуто», то на входах соответствующих отрезков МПЛ 8 реализуется режим холостого хода: весь сигнал передается к точке подключения одного активного плеча вибратора. Активное плечо вибратора излучает электромагнитную волну, которая распространяется во всех направлениях. Поскольку расстояния до пассивных в данный момент плеч вибраторов и их длины выбраны определенным образом, переизлученные этими плечами вибраторов волны, складываясь в пространстве с первичной волной, реализуют диаграмму направленности шириной ~120° с одним главным лучом в направлении активного плеча. Делая активным попеременно остальные плечи, можно направлять главный луч в два других положения.
Диаграмма направленности в Н-плоскости представлена на фиг.1 в).
Обладая возможностью управления ДН, антенна-прототип, а также приведенные выше антенны-аналоги, тем не менее, имеют недостатки.
Поворот ДН в антенне-прототипе производится коммутацией питающих токов в излучающих элементах. Для передающих антенн при больших мощностях передающих устройств питающие токи имеют заметную величину, что приводит к повышенным требованиям к коммутирующим элементам. Кроме того, поскольку при повороте ДН попеременно активными становятся все элементы антенной решетки, то они все требуют согласования с питающей линией.
Задача - снижение токовой нагрузки на коммутирующие элементы, уменьшение количества элементов, подлежащих согласованию с питающей линией.
Предлагаемое устройство поясняется графическими материалами.
a
а
а
а
На фиг. 1 ) - антенна-прототип, фиг. 1 б) - вид сбоку, фиг. 1 в) - диаграмма направленности антенны-прототипа. На фиг. 2 ) - предлагаемое антенное устройство, фиг. 2 б) - пассивный вибратор с перемычками; на фиг. 3 - зависимость диаграммы направленности для антенной структуры из одного активного вибратора и одного управляемого пассивного (фиг. 3 )) при замкнутых (фиг. 3 б)) и разомкнутых (фиг. 3 в)) перемычках; на фиг.4 ) - 4 г) приведены диаграммы направленности для 4-х пассивных элементов.
Для решения поставленной задачи в антенном устройстве с переключаемой диаграммой направленности, содержащем пассивные и активный электрические вибраторы и коммутирующие элементы, согласно изобретению, источником возбуждения является постоянно подключенный к линии питания активный вибратор, окруженный равномерно расположенными на расстоянии 0.25 λ от него N (N=2, 3, …) коммутируемыми пассивными вибраторами длиной 0.5 λ, состоящими из двух параллельно расположенных друг от друга проводников, один из которых имеет зазор посередине, на концах которых расположены коммутирующие элементы, управляющие диаграммой направленности антенного устройства посредством придания пассивным вибраторам либо свойства рефлектора, либо свойства незаметности для активного вибратора.
а
На фиг. 2 ) изображено предлагаемое антенное устройство, где обозначено:
1 - активный вибратор;
2, 3, 4, 5 - управляемые пассивные вибраторы;
6 - коммутирующие элементы (перемычки).
На фиг. 2 б) изображен пассивный вибратор, представляющий собой структуру из двух параллельно расположенных проводников длиной 0.5 λ, один из которых имеет зазор посередине порядка 0.04 λ, расположенных на расстоянии порядка 0.005 λ друг от друга. На концах проводников имеются коммутирующие элементы 6 (ВЧ-реле, герконы, pin-диоды), именуемые в дальнейшем «перемычка». При замыкании перемычек пассивный вибратор превращается в петлевой вибратор с близкорасположенными проводниками.
Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом.
Если перемычки 6 разомкнуты, то для падающей волны электрические свойства данного пассивного вибратора в силу малости расстояния между проводниками идентичны одиночному проводнику, и пассивный вибратор становится рефлектором для активного вибратора 1.
При замкнутых перемычках 6 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, имеют значительно меньшую величину токов питания в активном вибраторе 1 - 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 1.
а
Для иллюстрации показана зависимость диаграммы направленности для антенной структуры из одного активного вибратора и одного управлявмого пассивного (фиг. 3 )) при замкнутых (фиг. 3 б)) и разомкнутых (фиг. 3 в)) перемычках.
а
Как пример, на фиг.4 ) - 4 г) приведены диаграммы направленности для 4-х пассивных элементов, равномерно расположенных по кругу на расстоянии 0.25 λ от источника возбуждения, при различном состоянии перемычек.
Диаграммы для такой структуры антенного устройства будут иметь следующий вид:
а
а) Все перемычки замкнуты - диаграмма круговая с КУ=2.55 дБ, фиг. 4 ).
б) На одном элементе перемычки разомкнуты - диаграмма направленная, КУ=5.19 дБ, фиг. 4 б).
в) На двух соседних элементах перемычки разомкнуты - диаграмма направленная, КУ=6.93 дБ, фиг. 4 в).
г) На двух противоположных элементах перемычки разомкнуты - диаграмма направленная, КУ=4.16 дБ, фиг. 4 г).
Таким образом, использование структуры антенного устройства, в котором источником возбуждения является постоянно подключенный к линии питания электрический вибратор 1, окруженный равномерно расположенными коммутируемыми пассивными вибраторами 2, 3, 4, 5, позволяет управлять диаграммой направленности включением-выключением наведенных в них токов, в результате чего пассивный вибратор может либо играть роль рефлектора для источника возбуждения, либо быть незаметным для него. Расстояние между источником возбуждения и пассивными вибраторами порядка 0.25 λ. Число пассивных вибраторов N выбирается в зависимости от требований к ДН и углу ее поворота (N=2, 3, …).
Следовательно, по сравнению с прототипом предлагаемое антенное устройство позволяет снизить токовую нагрузку на коммутирующие элементы, уменьшить количество вибраторов, подлежащих согласованию с питающей линией.
Источники информации.
1. Абрамов О.Ю., Кашкаров А.Г., Нагаев Ф.И., Антенное устройство с управляемой диаграммой направленности и планарная направленная антенна, патент 223017, H01Q 1/00 дата подачи заявки 02.12.2002, дата публикации 20.07.2004.
2. Костиков Г.А., Терентьева П.В. Антенная решетка с переключаемой диаграммой направленности для мобильных коммуникационных систем // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. №1. С. 29-35.
3. http://radiochief.ru/antennv/antenna-pereklyuchaemoj-diagrammoj-napravlennosti/.
4. Слезкин В.Г., Евенко В.В. Вибраторная антенна с переключаемыми диаграммами направленности. В кн.: 13-я Междунар. конф. КрыМиКо, 2003. Материалы конф. - Севастополь: «Вебер», 2003 - С. 404-405.