УНИФИЦИРОВАННЫЙ АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ
UNIFIED ANTENNA MODULE

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения в качестве базового элемента антенной решетки.
Для приема телеметрической информации в настоящее время используются зеркальные антенны. Недостатком данного типа антенн является тот фактор, что коэффициент использования поверхности не может быть больше 0,5 (см. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов. М., «Связь», 1977, стр.274). Подобные антенны громоздки и обладают значительной парусностью.
Существующие фазированные антенные решетки не обеспечивают коэффициент использования поверхности более 0,5. Известен щелевой антенный модуль (см. патент RU №2269187, МПК H01Q 1/38, H01Q 2/28), содержащий диэлектрическую подложку, металлический экран и щелевую линию, выполненную в нем. Недостатком данного изобретения является то, что для создания фазированных антенных решеток большой площади требуется применение диэлектриков, являющихся хорошим конструкционным материалом, например, стеклотекстолит, но они имеют большие потери в диэлектрике, так как имеют большой тангенс диэлектрических потерь на частотах свыше 100 МГц. Коэффициент использования поверхности КИП≈0,5.
Известен щелевой антенный модуль (см. патент RU №2016444, МПК H01Q 13/20), представляющий антенну в виде многослойной структуры, образованной экраном из электропроводящего материала, слоем с полосковой схемой питания и слоем в виде экрана со щелями, электромагнитно связанными с соответствующими полосками схемы питания, а также слой в виде решетки объемных ячеек и переход, связанный с экраном и полосками питания, частично прозрачная для рабочего диапазона частот пластина, размещенная на решетке объемных ячеек из электропроводящего материала, расположена на экране со щелями с образованием каждой из ее ячеек объемного резонатора, в котором размещена, по меньшей мере, одна щель, причем длина и ширина ячейки превышает среднюю длину волны λ, а ее высота равна а=λ/2, сумматоры. Введение в антенну решетки резонаторов позволяет уменьшить количество щелевых излучателей при сохранении коэффициента направленного действия, упростить схему питания и снизить потери в ней. Однако недостатком конструкции является ее громоздкость, а также из-за использования резонаторов полоса пропускания не более 5%.
Известен щелевой антенный модуль (см. патент RU №2099832, МПК H01Q 13/20), образованный двумя параллельными металлическими экранами и заполненный диэлектриком, содержащий на верхнем экране систему взаимно ортогональных щелевых антенн, для возбуждения антенны используются четыре возбудителя с четырьмя входными прямоугольными волноводами в виде четырех щелей, систему сложения сигналов, турникетный волноводный сумматор для создания взаимно ортогональных поляризаций. Недостатком данного изобретения является невозможность его использования для частот менее 3000 МГц.
Задачей данного изобретения является создание малогабаритного унифицированного антенного модуля для построения антенных комплексов малой, средней и высокой эффективности телеметрических антенных комплексов.
Технический результат состоит в уменьшении размеров и массы конструкции, в технологичности и простоте изготовления, уменьшении металлоемкости, в возможности использования имеющихся приводов существующих антенных комплексов.
В
В
В
В
В
Это достигается тем, что унифицированный антенный модуль, представляющий параллелепипед с квадратным основанием и сверху с радиопрозрачным обтекателем, образованный двумя параллельными металлическими экранами, содержащий систему сложения сигналов, на верхнем экране систему взаимно ортогональных щелевых антенн, причем для дециметрового диапазона верхний экран образован металлическими пластинами с заземленной центральной точкой, для метрового диапазона используют швеллерные профили с заземленной центральной точкой, и нижним экраном служат металлические пластины верхнего экрана, высота верхнего экрана и швеллерного профиля над соответствующими нижними экранами составляет λ/4, где λ - длина волны, соответствующая 0,9 верхней частоты диапазона, длина щели и профиля составляет (λ/2-λ/16), а ширина щели и профиля λ/32.
Для дециметрового диапазона парциальный облучатель образован четырьмя металлическими пластинами для приема горизонтальной и вертикальной поляризации, для метрового диапазона парциальный облучатель образован четырьмя швеллерными профилями.
Конструктивно металлические пластины и швеллерные профили крепят с помощью подставок на нижнем экране, с внешней стороны которого крепят систему сложения сигналов.
Питание антенны производится коаксиальным кабелем, расположенным в центре и перпендикулярно щели для парциальных облучателей дециметрового и метрового диапазонов, который одновременно является возбудителем антенны.
В
В
В
В
В
Модуль представляет параллелепипед с квадратным основанием (фиг.1), нижняя сторона которого используется в качестве несущей конструкции и токопроводящего экрана 1, и сверху с радиопрозрачным обтекателем (не показано). В качестве второго металлического экрана для дециметрового диапазона используют экран 2, выполненный из металлических пластин 3 (фиг.2) с заземленной центральной точкой, расположенных над экраном 1 на высоте λ/4, где λ - длина волны, соответствующая 0,9 верхней частоты дециметрового диапазона (600-2500 МГц), с помощью подставок 4. В качестве облучателей используются щелевые антенны, создающие две взаимно ортогональные поляризации, образованные четырьмя металлическими пластинами 3 (см. фиг.3), представляющие парциальный облучатель, и которые формируют щелевые антенны 5 для приема горизонтальной поляризации и 6 для приема вертикальной поляризации. Ячейка антенная 7 (фиг.5) состоит из четырех парциальных облучателей. Питание антенны производится в центре щели коаксиальным кабелем 8 (фиг.3, 4), который одновременно является возбудителем и расположен перпендикулярно щели. Длина щели составляет (λ/2-λ/16), а ширина λ/32. С обратной стороны экрана 1 находятся система сложения сигналов: так, для ячейки 7 четыре сумматора-фазовращателя 9 и два сумматора 10 для сложения принятых сигналов (фиг.6).
В
В
В
В
В
В качестве облучателей в метровом диапазоне (120-250 МГц), используя принцип двойственности, применяют метровый облучатель - швеллерные профили 11 (см. фиг.2) с заземленной центральной точкой с помощью подставок 12, соответствующие парциальному облучателю эквивалентной щелевой антенны метрового диапазона. Высота подставок 12 над экраном 2 составляет λ/4, где λ - длина волны, соответствующая 0,9 верхней частоты диапазона. Конструктивно подставки 12 крепятся на экране 1. Питание антенны производится в центре щели швеллерного профиля 11 коаксиальным кабелем 13, который расположен перпендикулярно щели (фиг.7). Длина профиля составляет (λ/2-λ/16), а ширина профиля - λ/32 и два сумматора, которые крепятся с обратной стороны экрана 1.
..
..
..
..
..
..
..
..
Данная конструкция работает следующим образом. Рассмотрим на примере ячейки 7 унифицированного антенного модуля систему сложения сигналов. При приеме сигналов горизонтальной поляризации в дециметровом диапазоне работают щелевые антенны W1-W8 (см. фиг. 5). Сигналы, принятые щелевыми антеннами W1, W2, суммируются синфазно сумматором-фазовращателем W10 (фиг.6), а сигналы от W5, W6 суммируются в противофазе сумматором-фазовращателем W10. Аналогичным образом суммируются сигналы от щелевых антенн W3, W4 сумматором-фазовращателем W11, от W7, W8 в противофазе сумматором-фазовращателем W11. Выходные сигналы сумматоров-фазовращателей W10 и W11 синфазно суммируются сумматором W14. Для приема сигналов вертикальной поляризации схема суммирования аналогичная. Выходные сигналы для вертикальной поляризации, суммированные соответственно сумматорами-фазовращателями W9 и W12, синфазно суммируются сумматором W13. При приеме сигналов горизонтальной поляризации в метровом диапазоне работают щелевые антенны Wm1 и Wm2 (см. фиг.2). Принятые ими сигналы суммируются сумматором синфазно. При приеме сигналов вертикальной поляризации работают щелевые антенны Wm3 и Wm4. Принятые ими сигналы суммируются синфазно другим сумматором. При приеме сигналов унифицированным антенным модулем (см. фиг.8), состоящим из четырех ячеек 7, сигналы, принятые ячейками W1 и W2, для горизонтальной поляризации суммируются синфазно сумматором-фазовращателем, а ячейками W3 и W4 суммируются в противофазе к ним аналогично сумматору-фазовращателю W10. Аналогично для вертикальной поляризации суммирование сигналов, принятых ячейками W1 и W3, суммируются синфазно сумматором-фазовращателем, а ячейками W2 и W4 суммируются в противофазе к ним аналогично сумматору-фазовращателю W11. Система сложения сигналов для дециметрового и метрового диапазонов, включающая сумматоры и сумматоры-фазовращатели, располагается на экране 1 с внешней стороны.
Такой способ суммирования позволяет уменьшить уровень боковых лепестков и сформировать диаграмму направленности строго перпендикулярно плоскости антенны в рабочем диапазоне частот (см. фиг.9, фиг.10).
Для получения разностной диаграммы направленности все модули суммируются синфазно, что позволяет формировать моноимпульсную диаграмму направленности и строить антенные комплексы с системой автоматического сопровождения источников сигнала.
2
2
Данная конструкция унифицированного антенного модуля 12 обладает хорошими характеристиками по взаимовлиянию - на площади 1,25 м размещается 32 облучателя, что обеспечивает эффективную площадь более 1 м, коэффициент использования поверхности ≈ 1 (см. фиг.9, фиг.10). За счет крепления металлических пластин 3 на подставках 4 и швеллерных профилей 11 на подставках 12 исключаются большие потери в диэлектрике. Данная конструкция унифицированного антенного модуля технологична и проста в изготовлении. Для создания антенного модуля используется материал АМГ-6 и для радиопрозрачного обтекателя используют стеклотекстолит. Данная конструкция позволяет использовать уже имеющиеся приводы. Унифицированный антенный модуль имеет следующие характеристики: габариты 1,12×1, 12×0,5 м; вес 55 кг. Для 4-х секционного антенного полотна 2,24×2,24×0,7 при весе 280 кг. Имеет эффективную поверхность в 1,5 раза больше, чем штатные телеметрические антенны. Для 16-ти секционного антенного полотна 4,5×4,5×0,9 при весе 950 кг и имеет эффективную поверхность в 2 раза больше, чем штатные телеметрические антенны. Унифицированный антенный модуль имеет лучшие массогабаритные характеристики.