САМОФАЗИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ N ПАР СКОШЕННЫХ ВОЛНОВОДОВ В РАЗНЫЕ СТОРОНЫ
SELF-PHASED ANTENNA ARRAY COMPOSED OF N-PAIRS OF WAVEGUIDES TAPERED IN DIFFERENT DIRECTIONS

Изобретение относится к области самофазирующихся антенных решеток для ретрансляторов связи и может быть использовано в учебном процессе.
Аналогом заявляемого устройства является антенное ретранслирующее устройство, осуществляющее прием и передачу сигнала при измерении диаграмм вторичного излучения антенн. Оно представляет приемопередающую антенну, состоящую из пирамидального рупора, соединенного с короткозамкнутым волноводным трактом, в котором установлен амплитудно-фазовый модулятор (авторское свидетельство
№315 128 от 1970 г, МПК G01R 29/10, Баренова И.В., Варшавчик М.Л., Кобак В.О.).
Недостатком аналога является узкий сектор рабочих углов Δφ, где φ - пространственный угол (например, угол азимута).
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является электродинамический антенный отражатель Ван-Атта, состоящий из N-пар волноводных антенн в виде открытых концов волноводов или рупоров, причем раскрывы волноводных антенн расположены перпендикулярно оси волновода (под углом α=90° к оси, как следует из описания), соединенных согласованными волноводными трактами одинаковой электрической длины (патент США №290 8002, класс 343-776 от 1955 г.).
Прототип имеет узкую ширину диаграммы обратного рассеяния, т.е. меньшую или равную 80° (Δφ≤80°), где φ - угол азимута, совпадающий с плоскостью расположения решетки антенных переизлучателей в виде открытых концов волноводов или коротких рупорных антенн.
Узкая ширина диаграммы обратного рассеяния прототипа обусловлена тем, что антенные переизлучатели прототипа имеют раскрывы, перпендикулярные оси, т.е. совпадающие с углом α=90°, отсчитываемым от оси волновода.
Целью изобретения является создание самофазирующейся антенной решетки, имеющей более широкую диаграмму обратного рассеяния.
Заявляемое устройство позволяет решать следующие задачи:
- создавать переизлученный сигнал связи в широком секторе углов пространства до значения в два раза шире, чем прототип;
- использовать одно заявляемое устройство вместо двух прототипов;
- уменьшить массогабаритные характеристики ретранслятора связи.
Решение поставленных задач достигается тем, что в заявляемом устройстве антенны в виде открытых концов волноводов каждой пары имеют скошенные раскрывы в разные стороны под углом плюс/минус α от 15° до 89° градусов (±α=от 15° до 89°) к оси антенны, а волноводные антенны установлены своими осями и скошенными раскрывами в разные стороны, при этом раскрывы левых антенн пар образуют с раскрывами правых антенн пар клин с углом при вершине β°, равным от 10° до 180° градусов (β=от 10° до 180°). В частном варианте клин при угле β°, равном 180°, совпадает с линейной апертурой заявляемого устройства, антенного переизлучателя, фиг.1.
На фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства с возможностью разъединения антенн и волноводов с помощью фланцев, где обозначено:
1, 2 - первая левая и вторая правая антенны в виде скошенного волновода первой пары антенн;
3, 4, 5, 6 - соединительные фланцы антенн;
7, 8, 9, 10 - соединительные фланцы согласованных волноводов;
11 - согласованный волновод, соединяющий антенны первой пары антенн;
12, 13 - первая и вторая антенны в виде скошенного волновода N пары антенн;
14 - согласованный волновод, соединяющий антенны N-пары;
15 - основание, на котором жестко закреплено заявляемое устройство.
Конструкция заявляемого устройства представляет и содержит следующее. N пар волноводных антенн в виде скошенных открытых концов волноводов п.1, п.2, п.12, п.13 фиг.1, которые в первом варианте устройства скошены в Е плоскости волновода, а во втором варианте устройства скошены в Н плоскости волновода.
Первая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п.1 фиг.1 первой пары скошена влево под углом плюс α, равным от 20° до 89° (α=от 20° до 89°) к оси OY волновода, и наклонена влево относительно вертикальной оси OY, проходящей через средину устройства, и обеспечивает приемопередачу сигнала, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.
Вторая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п.2 фиг.1 первой пары скошена вправо под углом минус α, равным от -20° до -89° (α=от
-20° до -89°) к оси волновода, и наклонена вправо относительно вертикальной оси OY, проходящей через средину устройства, и обеспечивает приемопередачу сигнала, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.
Э1
Э1
1
Фланцы п.3 и п.4 фиг.1 антенн первой пары в виде скошенных открытых концов волноводов присоединены к фланцам п.7 и п.8 фиг.1 согласованного волноводного тракта п.11 фиг.1 первой пары. Электрическая длина пути волны l от середины апертуры первой антенны п.1 фиг.1 первой пары через согласованный волноводный тракт п.11 фиг.1 до середины апертуры второй антенны п.2 фиг.1 равна l=k·l,
1
где l -геометрическая длина пути;
λ - длина волны.
Раскрыв левой антенны п.12 фиг.1 N-пары находится в плоскости раскрыва левой антенны п.1 фиг.1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры заявляемого устройства. Раскрыв правой антенны п.13 фиг.1 N-пары находится в плоскости раскрыва правой антенны п.2 фиг.1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют правую половину апертуры заявляемого устройства.
B
Первая левая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п.12 фиг.1 N-пары осуществляет приемопередачу сигнала и имеет скошенный влево раскрыв, расположенный под углом плюс α, равным от 20° до 89° (α=от 20° до 89°) к оси ОY волновода, и наклонена влево относительно вертикальной оси OY устройства, проходящей через средину устройства, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.
B
Вторая волноводная антенна в виде скошенного открытого конца волновода п.2 фиг.1 N-пары обеспечивает приемопередачу сигнала и имеет скошенный вправо раскрыв, расположенный под углом минус α, равным от -20° до -89° (α=от -20° до -89°) к оси OY волновода, и наклонена вправо относительно вертикальной оси OY устройства, проходящей через средину устройства, причем угол α отсчитывается от оси волновода, совпадающей со значением α=0°, при этом за положительное направление отсчета угла принято направление против часовой стрелки.
Фланцы п.5 и п.6 фиг.1 антенн N-пары в виде скошенных открытых концов волноводов присоединены к фланцам п.9 и п.10 фиг.1 согласованного волноводного тракта п.14 фиг.1 N-пары.
ЭN
ЭN
N
Электрическая длина пути волны l от середины апертуры первой антенны п.1 фиг.1 первой пары через согласованный волноводный тракт п.11 фиг.1 до середины апертуры второй антенны п.2 фиг.1 равна l=k·l,
N
где l - геометрическая длина пути;
λ - длина волны.
Э1
ЭN
Причем волноводные тракты каждой пары имеют одинаковую длину, все антенны также имеют одинаковую длину. В результате электрические длины каждой пары равны друг другу: l=l.
Раскрыв левой антенны п.12 фиг.1 N-пары находится в плоскости раскрыва левой антенны п.1 фиг.1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют левую половину апертуры заявляемого устройства. Раскрыв правой антенны п.13 фиг.1 N-пары находится в плоскости раскрыва правой антенны п.2 фиг.1 первой пары на прямой между ними, вместе они образуют правую половину апертуры заявляемого устройства.
Таким образом, левая половина апертуры заявляемого устройства и правая половина апертуры заявляемого устройства образуют раскрыв заявляемого устройства в виде клина с углом при вершине β°, равным от 10° до 180° градусов (β=от 10° до 180°).
На фиг.2 представлен второй вариант конструкции заявляемого устройства без соединительных фланцев с невозможностью разъединения антенн и волноводов, имеющего меньший вес, где обозначено:
1, 2 - первая левая и вторая правая антенны в виде скошенного волновода первой пары антенн;
11 - согласованный волновод, соединяющий антенны первой пары антенн;
12, 13 - первая и вторая антенны в виде скошенного волновода N пары антенн;
14 - согласованный волновод, соединяющий антенны N пары;
15 - основание, на котором жестко закреплено заявляемое устройство.
На фиг.4 представлен третий вариант конструкции заявляемого устройства, содержащий и представляющий следующее.
В волноводных трактах или в раскрывах, апертурах антенн находятся СВЧ диоды переключательного типа или диоды, генерирующие СВЧ колебания, типа диодов Ганна или туннельные генерирующие СВЧ колебания п.16 фиг.4. Эти диоды подключены к модулятору с источником питания п.17 фиг.4, например в виде НЧ генератора, создающего НЧ колебания, - информационный сигнал.
Этот вариант заявляемого устройства обеспечивает следующее: 1 - приемопередачу сигнала в обратном направлении - пассивную ретрансляцию сигнала; 2 - приемопередачу сигнала в обратном направлении с модуляцией - полуактивную ретрансляцию сигнала; 3 - приемопередачу сигнала в обратном направлении с модуляцией и усилением сигнала - активную ретрансляцию сигнала.
Заявляемое устройство работает следующим образом. На фиг.3 показано падение плоской волны из дальней зоны на заявляемое устройство и приемопередача сигнала обратно в виде отраженной плоской волны.
Луч 1 фиг.3 падающей плоской волны проходит через первую антенну в виде скошенного конца волновода первой пары п.1 фиг.3, затем через согласованный волноводный тракт п.11 фиг.3 попадает во вторую антенну в виде скошенного конца волновода первой пары п.2 фиг.3, которая переизлучает волну в обратном направлении. При этом электрическая длина пути волны вдоль луча 1 фиг.3 от плоского фронта волны и обратно к нему через волноводный тракт и пространство равна:
Э1
Э1
Э1
Э2
L=l+Δl+Δl,
Э1
Э2
где Δl, Δl - длины путей волны в пространстве вдоль луча 1 от отражателя до плоского фронта волны.
ЭN
Аналогично волна проходит вдоль луча 2 N пары. Луч 2 фиг.3 от падающего фронта плоской волны проходит через первую антенну в виде скошенного конца волновода п.12 фиг.3 N пары, затем через согласованный волноводный тракт п.14 фиг.3 попадает во вторую антенну в виде скошенного открытого конца волновода п.13 фиг.3 N-пары, которая переизлучает волну в обратном направлении. При этом электрическая длина пути L вдоль луча 2 от плоского фронта и обратно к нему через тракт и пространство равна
ЭN
ЭN
3
4
L=l+Δl·k+Δl·k,
3
4
где Δl, Δl, - длины путей луча 2 в пространстве от отражателя до плоского фронта волны.
1
2
3
4
Путем решения задачи с помощью геометрической оптики и в результате геометрических построений из фиг.3 следует, что сумма путей волны вдоль луча 1 Δl+Δl равна сумме путей волны вдоль луча 2 Δl+Δl, т.е.
1
2
3
4
(Δl+Δl)=(Δl+Δl)
Таким образом, длины путей волны вдоль луча 1 и луча 2 от плоского фронта и обратно через тракт отражателя равны
Э1
ЭN
L=L,
или
Э1
1
2
ЭN
3
4
l+k·Δl+k·Δl=l+k·Δl+k·Δl,
Э1
Э2
при этом Δl = l вследствие конструктивного исполнения.
ЗУ
прот
В результате заявляемое устройство обеспечивает приемопередачу сигнала в строго обратном направлении, который с помощью СВЧ диодов, подключенных к НЧ модулятору информационного сигнала и установленных в волноводных трактах, может быть промодулирован. Так как антенны скошенных волноводов имеют более широкие диаграммы направленности, чем антенны прототипа в виде открытого конца волновода с апертурой (раскрывом), перпендикулярной оси волновода, то заявляемое устройство создает диаграмму обратного рассеяния шириной Δφ, показанную на фиг.5, которая более чем в два раза шире, чем диаграмма обратного рассеяния устройства прототипа Δφ, т.е.
ЗУ
прот
Δφ≥Δφ
Заявляемое устройство используется в качестве ретранслятора связи в лабораториях Южного федерального университета, Технологического института Южного федерального университета и в других организациях.
Источники информации
1. В.О.Кобак. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио, 1975 г.
2. Огурцов Е.С., Огурцов С.Ф. «Устройство для измерения и калибровки диаграмм направленности светоизлучающих устройств в плоскости». Патент №2361183 от 10.07.09.