СОСТАВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛЫЙ РАМОЧНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С ЗЕРКАЛЬНОЙ СИММЕТРИЕЙ ЧЕТВЕРТОГО ПОРЯДКА И ПРИЕМНАЯ ТРИОРТОГОНАЛЬНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА КВ ДИАПАЗОНА НА ЕГО ОСНОВЕ
COMPOSITE ELECTRICALLY SMALL LOOP RADIATOR WITH MIRROR SYMMETRY OF QUARTIC AND THE RECEIVING TRIORTHOGONAL ANTENNA SYSTEM OF HF RANGE ON ITS BASIS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано как антенно-фидерное устройство (АФУ) систем радиосвязи и радиомониторинга.
Известной проблемой в области разработки АФУ комплексов радиомониторинга и отчасти связных комплексов является обеспечение ортогональности системы диаграмм направленности (ДН) антенных элементов (АЭ) АФУ либо системы ДН, близкой к таковой (квазиортогональные ДН). При малой измерительной базе, что особенно актуально в KB диапазоне, эта задача решается применением АЭ, рассчитанных на прием разных ортогональных компонент поля (т.е. обеспечивающих поляризацонно-избирательный прием).
Согласно числу используемых в системе АЭ различают биортогональные (БАС) и триортогональные (ТАС) антенные системы. Среди них наибольшей универсальностью использования, в т.ч. большей точностью при решении задач пеленгации источников радиоизлучения обладают именно ТАС. БАС же используются обычно для решения связных задач.
Выделяют две группы вариантов реализации ТАС:
- ТАС на основе электрически коротких вибраторов (вибраторные ТАС);
- ТАС на основе электрически малых рамочных антенн (рамочные ТАС).
Известно, что реализация вибраторных исполнений АЭ ТАС и БАС применительно к задачам радиопеленгации в KB диапазоне встречает ряд серьезных проблем, так или иначе связанных с влиянием земли. Прежде всего, необходимо отметить электрическую асимметрию вертикального вибратора (либо всех 3-х вибраторов при одинаковом их наклоне), вызванную влиянием земли и сопутствующими обстоятельствами [1, 2]. Кроме того, это сильное различие импедансных свойств вертикального вибратора и горизонтальных вибраторов (в системах с вертикальным вибратором), относительно низкая энергетическая эффективность горизонтальных вибраторов, а также вибраторов, наклоненных на угол 35,3° к земле (из-за противофазности «зеркального изображения», к наличию которого можно в первом приближении свести влияние земли), смещение фазовых центров вертикального вибратора, а также вибраторов, наклоненных на угол 35,3° к земле, вплоть до исчезновения фазовых центров (из-за асимметрии), относительно низкий уровень поляризационной развязки в системе с вибраторами, наклоненными на угол 35,3° к земле, обусловленный электромагнитным взаимодействием вибраторов через опору и землю, которые не являются ортогональными ни одному из них, и др.
Применение рамочных АЭ позволяет в значительной степени преодолеть указанные выше трудности. Во-первых, нужно отметить, что одновитковая рамка, неважно, вертикальная или горизонтальная, не подвержена электрической асимметрии, обусловленной влиянием земли. Это обусловлено тем обстоятельством, что земля в абсолютном большинстве случаев - немагнитная среда, тогда как система электрических токов рамки, ориентированной надлежащим образом, обладает симметрией относительно земли. Здесь нужно отметить, что «надлежащая ориентация» относится только к вертикальной рамке (выходными клеммами либо вниз, либо вверх); горизонтальная рамка всегда симметрична. Данная специфическая особенность сразу снимает трудности, связанные с антенным эффектом, смещением (исчезновением) фазового центра и т.д. Она же обусловливает наличие «электрической стенки» и «точки нулевого потенциала», что существенно облегчает реализацию биортогональной рамочной системы. Во-вторых, в рамочной триортогональной или биортогональной системе всегда имеются два элемента, находящиеся в благоприятных условиях в смысле улучшения энергетики из-за влияния земли. К таковым относятся вертикальные рамки (имеющие синфазные «зеркальные изображения»), образующие в совокупности БАС. В вибраторном варианте в аналогичных условиях находится вертикальный вибратор, т.е. только один элемент. Горизонтальные вибраторы, как уже отмечалось, находятся в значительно худших условиях; условия для вибраторов, наклоненных на угол 35,3° к земле, не намного лучше. Это означает, что при использовании рамочных антенн, по крайней мере, в триангуляционных системах на основе БАС, определяющих только азимут, эффективно решаются проблемы, связанные с энергетикой.
экв
эфф
2
2
Следует отметить еще одну специфическую особенность рамочных антенн. Эта особенность состоит в том, что рамка имеет значительно более равномерную (по сравнению с вибратором) частотную характеристику эквивалентной апертуры - отношения мощности сигнала на входе приемника к плотности потока энергии (ППЭ) сигнала в точке приема (фактически, калибровочный коэффициент по мощности). Таким образом, эквивалентная апертура антенны S, м связана с ее эффективной апертурой S=Dλ/(4π) (D - коэффициент направленного действия, λ - длина волны, м) равенством [3]:
Σ
A
где η=R/Re(z) - коэффициент полезного действия антенны;
Σ
A
R, Z - соответственно сопротивление излучения антенны и ее входной импеданс, Ом;
- коэффициент рассогласования (отношение мощности в нагрузке к максимальной мощности, которую данная антенна отдавала бы в согласованную нагрузку);
н
Z - импеданс нагрузки, Ом.
экв
Равномерность частотной характеристики S представляет интерес, в частности, при работе со сверхширокополосными цифровыми приемниками, осуществляющими оцифровку сигналов в очень широкой полосе с последующей обработкой (в том числе, частотной селекцией) уже в цифровом виде [4].
экв
эфф
2
В качестве примера отметим, что у изотропной согласованной антенны без потерь (S=S=λ/4π) в диапазоне 3…30 МГц эквивалентная апертура изменяется в 100 раз (на 20 дБ), в диапазоне 1,5…30 МГц - в 400 раз (на 26 дБ).
Теоретические исследования показали [4], что рамочные антенны способны обеспечить весьма незначительную неравномерность частотной характеристики эквивалентной апертуры, порядка ±1,5…2 дБ, в 3-кратном диапазоне. Это означает возможность вести прием, например, в диапазоне 5…15 МГц практически без ухудшения динамических свойств радиосистемы.
Известна триортогональная антенная система, описанная в патенте США "Automatic instrumented diving assembly" (Автоматизированный подводный аппарат с измерительными приборами) №3267419. Геометрию антенной системы удобно представить в полярной системе координат. ТАС содержит две вертикальные рамки круглой формы витков, лежащие во взаимно-перпендикулярных плоскостях ϕ=0° и ϕ=90° соответственно, и одну горизонтальную рамку круглой либо эллиптической формы витков, лежащую в плоскости нулевого угла места θ=0°. Таким образом ТАС имеет единый геометрический центр для всех трех рамок, расположенный в начале координат и единый узел питания, расположенный в точке с углом места θ=-90°. При этом зазор горизонтальной рамки соединяется с общим узлом питания ТАС посредством линии передачи в виде наклонного снижения. Азимут расположения зазора горизонтальной рамки не оговаривается. Необходимо отметить, что в решении выбрана форма витков рамок, близкая к оптимальной (близкая к круговой). Вместе с тем, решение имеет серьезный недостаток, а именно, явно ассиметричное расположение снижения относительно плоскостей вертикальных рамок. Это неизбежно приводит к нарушению симметрии в каждой из вертикальных рамок и, собственно, в горизонтальной рамке, т.е. во всей системе целиком. Отсутствие симметрии означает искажение ДН АЭ, ухудшение развязки между рамками и, в конечном итоге, трудности формирования ДН АФУ в требуемом направлении и приема волн требуемой поляризации.
Известна рамочная антенна, описанная в патенте СССР №1401534. Антенна имеет схожее с описанной в патенте США №3267419 устройство. Отличительной чертой является исполнение снижения горизонтальной рамки. Снижение выполнено в виде Г-образного отрезка линии таким образом, что его вертикальная часть совмещена с вертикальной осью симметрии системы вертикальных рамок, а горизонтальная часть лежит в плоскости горизонтальной рамки на биссектрисе угла между первой и второй вертикальными рамками. Таким образом, за счет уменьшения длины участка линии питания, вносящего асимметрию, достигается увеличение поляризационной развязки в системе до значений не хуже 13 дБ. Несмотря на указанное преимущество, можно констатировать, тем не менее, что, так же как и в предыдущем решении, плоскостей симметрии в этой системе также нет, поэтому описанное конструктивное исполнение линии снижения горизонтальной рамки в виде Г-образного отрезка принципиально задачу не решает, а лишь позволяет количественно уменьшить степень асимметрии в системе.
Наиболее близким по своей технической сущности изобретением к заявляемому изобретению является рамочная антенна, описанная в патенте РФ №2372696. Отличием здесь является то обстоятельство, что горизонтальная рамка разделена на 4 равные части, таким образом, что концы каждой из частей имеют радиальные участки проводников, идущие в направлении геометрического центра горизонтальной рамки, где расположена опора, и соединены друг с другом последовательно и согласно. Также отличием является то, что плоскость, в которой расположена горизонтальная рамка, конструктивно вынесена из геометрического центра системы вертикальных рамок и расположена непосредственно над ними, что повышает ее эффективность при установке АФУ вблизи земли. Кроме того, горизонтальная и вертикальные рамки имеют несколько различную конструкцию. Недостатком решения, также как и двух предыдущих, является принципиальное отсутствие двух плоскостей симметрии у горизонтальной рамки, в которых должны лежать вертикальные рамки для достижения теоретически максимально-возможной взаимной развязки АЭ ТАС. Имеется только одна плоскость симметрии, проходящая через геометрический центр горизонтальной рамки, центр зазора и расположенная вертикально. Последовательное согласное соединение частей горизонтальной рамки фактически только вводит в нее четыре короткозамкнутых шлейфа на основе симметричных линий с некоторым значением волнового сопротивления, что опять же принципиально задачу не решает, а лишь позволяет в некоторой степени увеличить значение взаимной развязки АЭ ТАС. Кроме того, такое важное свойство как совмещенный фазовый центр АЭ ТАС здесь также не реализовано, а его наличие является весьма важным для эффективного решения задачи пеленгации.
Необходимо отметить важную особенность решения, состоящую в попытке разделения горизонтальной рамки на 4 равные части, что в совокупности с другими дополнительными мерами в принципе может быть использовано для решения ключевой задачи организации в триортогональной системе рамок симметрии четвертого порядка и достижения максимально возможной межэлементной развязки. Однако данная попытка в решении не реализована в полной мере.
Целью настоящего изобретения является разработка составного электрически малого рамочного излучателя, обеспечивающего возможность построения на его основе триортогональной системы с максимально-возможной степенью ортогональности диаграмм направленности элементов, а также создание триортогональной системы с указанными свойствами.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:
- разработка составного электрически малого рамочного излучателя, имеющего две взаимно-перпендикулярные плоские «электрические стенки» и состоящего из одного витка;
- разработка многовиткового рамочного излучателя;
- создание ТАС из трех электрически малых рамочных излучателей с максимально-возможной степенью их взаимной развязки.
Сущность изобретения состоит в представлении единой рамки с круговой либо 2N-угольной формой витка в виде четырех отдельных субрамок, лежащих в одной плоскости. Однако, в отличие от прототипа, реализует, строго говоря, не одну, а две взаимно-перпендикулярные плоские «электрические стенки», т.е. две плоскости электрической симметрии и совмещенный для всех элементов фазовый центр.
Таким образом, составная структура рамки образуется как совокупность четырех одновитковых субрамок, каждая смежная пара которых возбуждается противофазно по электрическому полю (синфазно по магнитному полю). Отдельные выходы каждой субрамки затем объединяются в тракте питания в единый выход рамки. Рамка, построенная по такому принципу, будет иметь две плоскости электрической симметрии вне зависимости от числа витков каждой субрамки в отдельности ее составляющей. Благодаря этому обеспечивается возможность построения многовитковых рамок, что особенно актуально в КB диапазоне с точки зрения компактизации антенной системы.
Рамочные элементы могут быть объединены в ТАС, при этом две взаимно-перпендикулярные вертикальные плоскости электрической симметрии горизонтально расположенной рамки могут быть использованы для размещения двух других рамок, которые опять же в силу симметрии и единой конструкции будут являться взаимно-перпендикулярными. При этом обеспечивается возможность формирования ортогональных ДН рамок в ТАС.
Технический результат достигается тем, что составной рамочный элемент за счет разделения на 4 составляющие одно- либо многовитковые субрамки имеет 2 плоскости электрической симметрии, чем обеспечивается возможность размещения в этих плоскостях двух других взаимно-перпендикулярных рамочных элементов и создания ТАС с совмещенным фазовым центром всех АЭ для повышения точности формирования ДН в требуемом направлении с требуемой поляризацией и, соответственно, более эффективного решения различных задач радиомониторинга и связных задач.
Заявляемое решение рационально объединяет в себе положительные свойства прототипа и известных БАС из двух вертикальных рамок на единой опоре.
Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов:
фиг. 1 - электрическая принципиальная схема модуля рамки и реализация схемы питания (сложения сигналов) субрамок;
фиг. 2 - пример конструктивной реализации модуля субрамки;
фиг. 3 - пример конструктивной реализации модуля рамки;
фиг. 4 - пример организации ТАС;
Один из вариантов предлагаемого технического решения в части субрамки представляет собой конструктивно-законченное изделие - модуль. Электрическая принципиальная схема модуля рамки, включающего 4 модуля субрамок (на примере двухвитковых субрамок) и схему сложения сигналов представлена на фиг. 1. Вообще, каждая субрамка 1…4 может иметь один либо несколько витков. Субрамки расположены в единой плоскости таким образом, что в системе имеется зеркальная симметрия между всеми смежными субрамками и поворотная симметрия между парами противоположных субрамок соответственно. Каждый модуль субрамки имеет отдельный симметричный выход, который подключен к входу трансформатора согласующего 6 блока согласующе-усилительного 5. В функции трансформатора 6 входит симметрирование, таким образом, он обеспечивает стыковку симметричного тракта выхода собственно субрамки и несимметричного коаксиального тракта выхода модуля субрамки, а также при необходимости трансформация сопротивлений для обеспечения лучшего согласования трактов. Выходы блоков 5 подключены к входам сумматора развязанного (либо неразвязанного) согласованного 8 на 4 входа через фидеры снижения 9. Блок 5 также может иметь в составе усилитель малошумящий (МШУ) 7 для обеспечения возможности увеличения динамического диапазона приемной системы в 4 раза (что соответствует значению 6 дБ) относительно известного решения, когда МШУ включен на выходе АФУ в целом. В свою очередь выход сумматора 8 является выходом рамки.
Пример конструкции модуля субрамки показан на фиг. 2. Конструкция собственно субрамки имеет периферические проводники, представленные верхним 10 и нижним 11 витками с угловой длиной 90° каждый. Форма образующей витков может быть круглой, как это показано в примере, а также в виде 2N-угольника. Профиль витка может быть круглой (О-образной), как это показано в примере, а также квадратной, прямоугольной, Г-образной, П-образной либо I-образной формы. Таким образом, профиль двухвитковой субрамки может представлять собой конструкцию вида
С точки зрения минимизации электромагнитной связи между параллельно идущими частями витка и с учетом компактности предпочтительно использовать Г-образные профили с учетом зеркально симметричного их расположения вида . Соединение верхнего и нижнего витков осуществляется микрополосковыми соединительными линиями (МПЛ) 18, каждая из которых выполнена на печатной плате (ПП) 16, закрепленной на жестком основании в виде металлической пластины либо швеллера 13. Каждая ПП с линиями имеет нормированное значение волнового сопротивления и расположена радиально в направлении центра окружности образующей витка. Узлы соединения периферических и радиальных проводников, а также радиальных проводников ПП, расположенных в двух различных перпендикулярных плоскостях выполнены посредством перемычек 12 и 15 соответственно. Механически несущие металлические пластины 13 соединены между собой посредством узла сопряжения пластин 14 в виде сборки металлических косынок. Вид электрического соединения радиальных проводников МПЛ 18 показан на фиг. 3, вид А. При этом, выходом собственно субрамки является контактная площадка 20, которой заканчивается верхний (на рисунке) проводник МПЛ, расположенной в плоскости рисунка, а также контактная площадка 21, которой заканчивается нижний (на рисунке) проводник МПЛ, расположенной в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. Также, в целях обеспечения расширения рабочего диапазона частот в сечении контактных площадок 20, 21, 22 и 23 выхода каждой субрамки может быть установлено устройство коммутации витков субрамки, позволяющее осуществлять коммутацию всех витков (в примере - 2 витка) субрамки параллельно либо последовательно. При этом, последовательная коммутация витков сместит рабочий диапазон частот в сторону более низких частот (по сравнению с одновитковой рамкой той же площади), число витков рамки при этом будет N=2, в свою очередь, параллельная коммутация витков сместит рабочий диапазон частот в сторону более высоких частот (по сравнению с двухвитковой рамкой той же площади), число витков рамки при этом будет N=1. При использовании устройства коммутации перемычка 15 не используется.
На фиг. 3 показан пример сборки модуля рамки. Субрамки закрепляются посредством кронштейна 19 в единую конструктивную сборку. Периферические проводники механически соединяются изоляторами 17, выполненными из фторопласта, капролона, поликарбоната и др.
На фиг. 4 показана пространственная ориентация двух вертикальных рамок 24 и горизонтальной рамки 25 в единой ТАС. Также указаны плоскости вертикальных рамок 26 и горизонтальной рамки 27 и трехмерная крестовина 28 для крепления 12 модулей субрамок, выполненная из металла и в нижней части стыкующаяся с опорой 29.
Устройство работает следующим образом. Внешнее электромагнитное поле в точке приема наводит в вертикальных и горизонтальной рамках токи, с амплитудами, пропорциональными амплитудам соответствующих компонент вектора поля. Соответствующие токи создают разность потенциалов между противоположными точками периферийных проводников 10 и 11 субрамки 1…4. Разности потенциалов последовательно включенных витков суммируются. Суммарный ВЧ сигнал в симметричном трасте субрамки 1…4 поступает с ее выхода на согласующе-усилительный модуль 5, где преобразуется из симметричного тракта субрамки в несимметричный коаксиальный тракт и при необходимости усиливается отдельным МШУ 7. Сигналы четырех субрамок 1…4 далее поступают на вход согласованного и развязанного сумматора 8, а с его выхода через приемные фидеры поступают на соответствующие каналы приемника (на фиг. 1 не показаны). Таким образом, реализация рамки в виде четырех гальванически изолированных друг от друга и от опоры в общем случае многовитковых субрамок составного модуля рамки достигается симметрия четвертого порядка (имеют место быть две плоскости зеркальной симметрии) модуля рамки относительно пары других перпендикулярных ему модулей рамки. При этом достигается минимальное взаимное влияние модулей, максимальная степень ортогональности ДН и значения развязки.
Следует учитывать, что вышеизложенное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения, не противоречащие букве и духу испрашиваемого в данной заявке объема охраны.