Антенная решетка с обработкой сигнала
ANTENNA ARRAY WITH SIGNAL PROCESSING

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для прямого преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ диапазона радиоволн в постоянный электрический ток и может быть использовано для регистрации зондирующих сигналов РЛС, для поиска и обнаружения источников излучения, а также с целью мониторинга электромагнитной обстановки.
Известна антенна с обработкой сигнала [1, с. 30], представляющая линейку полуволновых вибраторов, размещенных комплементарно в одной плоскости. Недостатком такой антенны является сложность конструкции и необходимость использования дополнительной приемной антенны, регистрирующей переизлучение «волнового канала».
Известна антенна с обработкой сигнала [2], состоящий из последовательно соединенных полуволновых вибраторов длиной λ/2 и детекторов. Недостатком является высокое выходное сопротивление и низкая надежность - разрыв хотя бы одного детектора приведет к выходу всей антенны.
Известна антенная решетка с обработкой сигнала [3]. Данное изобретение выбрано в качестве прототипа. Конструктивно антенная решетка состоит из M/=2, 3, 4,… рядов линейных вибраторов, лежащих в одной плоскости и равноудаленных друг от друга на расстояние, кратное λ/2, причем в каждом ряду имеется N=2, 3, 4,… вибраторов каждый длиной λ/2. Расстояние между концами соседних вибраторов в каждом ряду равно d<<λ, и соединены они между собой по постоянному току (N-1) диодами, включенными по постоянному току последовательно и однополярно. Свободные концы крайних вибраторов М рядов соединены между собой параллельно и однополярно и подключены к нагрузке антенны. Основным недостатком как изобретения-прототипа, так и всех приведенных аналогов является невозможность одной и той же антенной принимать сигналы с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Это означает, что для приема сигнала с вертикальной и горизонтальной поляризацией требуются две антенны с взаимно ортогональными вибраторами и диодами, что значительно усложняет устройство и стоимость антенны.
Цель изобретения заключается в том, чтобы не усложняя конструкцию антенной решетки с обработкой сигнала, являющейся прототипом, добиться квазиинвариантной диаграммы направленности для приема сигналов обоих видов поляризации - вертикальной и горизонтальной.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей антенной решетки с обработкой сигнала, выраженных в возможности приема одной антенной решеткой сигналов как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией.
Для достижения указанного технического результата в антенной решетке с обработкой сигнала состоящей из М=2, 3, 4,… рядов линейных вибраторов, лежащих в одной плоскости и равноудаленных друг от друга на расстояние, кратное λ/2. В каждом ряду имеется N=2, 3, 4,… вибраторов каждый длиной λ/2 распределенных таких образом, что в каждом из М рядов концы соседних вибраторов соединены между собой по постоянному току (N-1) диодами, включенными по постоянному току последовательно и однополярно. Свободные концы крайних вибраторов М рядов соединены между собой параллельно и однополярно и подключены к нагрузке антенны. Дополнительно выводы каждого из (N-1)M диодов укорочены или удлинены до размера λ/2, а концы соседних вибраторов и диодов в каждом ряду соединены между собой под углом 90°.
На фиг. 1 приведена схема антенной решетки с обработкой сигнала.
На фиг. 2 приведена фотография экспериментальной антенной решетки с обработкой сигнала.
На фиг. 3 представлены результаты измерения выходного напряжения антенны с помощью цифрового милливольтметра со шкалой 1,0-2000 мВ по постоянному току на волне 6,0 см в зависимости от расстояния до источника излучения в пределах 0,1-10 м.
На фиг. 4 представлена фотография проведения измерений эффективности изобретения, где представлены - антенная решетка в сборе, генератор СВЧ излучений на волне λ=6,0 см и измеритель постоянного тока - цифровой милливольтметр М3900 при работе на шкале 1,0-1999 мВ, который соединен с выходным разъемом антенны двухпроводным кабелем.
Антенная решетка с обработкой сигнала (фиг. 1) состоит из полуволновых вибраторов 1, детекторных диодов 2, соединительных проводов 3 и нагрузки 4, причем в каждом из рядов концы соседних полуволновых вибраторов 1 соединены между собой детекторными диодами 2, включенными последовательно и однополярно. Свободные концы крайних полуволновых вибраторов 1 рядов соединены между собой соединительными проводами 3 параллельно и однополярно и подключены к нагрузке 4 антенны. При этом выводы каждого детекторного диода 2 укорочены или удлинены до размера λ/2, а концы соседних полуволновых вибраторов 1 и детекторных диодов 2 в каждом ряду соединены между собой под углом 90.
Антенная решетка с обработкой сигнала работает следующим образом.
В случае, когда волна λ, падает нормально к вибраторам 1, диоды 2 выпрямляют максимальную разность потенциалов между вибраторами 1, которые соединяют их, а сами вибраторы являются проводниками, соединенные последовательно и однополярно под углом 90°. При зондировании плоской волны λ, нормальной продольной оси M(N-1) диодов 2, последние выполняют одновременно две роли - детекторов сигнала, а вибраторы - проводников постоянного тока.
При этом сохраняются основные параметры прототипа:
общее число вибраторов - M(N-1);
общая максимальная площадь поверхности поперечного сечения антенны
выходное сопротивление
i
где R - внутреннее сопротивление одного диода;
коэффициент усиления сигнала по сравнению с одиночным полуволновым вибратором M(N-1);
коэффициент уменьшения коэффициента шума антенны по сравнению с одиночным полуволновым вибратором
С целью проверки эффективности изобретения было проведено исследование характеристик макета антенной решетки с обработкой сигнала (фиг. 2) в виде матрицы М=4, N=4 при резонансной длине волны 6,0 см, когда длина каждого из MN вибраторов и длина выводов каждого из M(N-1) равна, λ/2=3,0 см.
Эффективная площадь поперечного сечения одиночного полуволнового вибратора  равна
λ/2
2
2
-3
2
σ=0,86λ=0,86⋅0,05=2,15⋅10 м,
а антенная решетка в целом
A
λ/2
σ=M(N-1)σ;
А
3
-2
2
σ=4⋅3⋅2,15⋅10-=2,55⋅10 м.
В табл. 1 приведены результаты измерений выходной напряженности антенны при облучении ее изотропным источником СВЧ на волне λ=6,0 см с горизонтальной поляризацией на расстоянии R=0,5 м в зависимости от угла азимута α для 12 диодов 1D507A.
макс
U=50,0 мВ
мин
U=39,0 мВ
для квазиизотропной ДНА.
Как видно из фиг. 3, наблюдается линейная логарифмическая зависимость совпадения теоретических значений (падающая прямая линия) и контрольных точек измерения.
Таким образом укорочение или удлинение выводы каждого из (N-1)M диодов до размера λ/2 и соединение соседних вибраторов и диодов в каждом ряду между собой под углом 90° позволяет добиться технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей антенной решетки с обработкой сигнала, выраженных в возможности приема одной антенной решеткой сигналов как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией.
Литература
1. Воскресенский Д.И. Антенны с обработкой сигнала. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 80 с.
2. Патент RU №2485670, 2013.
3. Патент RU №2571586, 2015.