СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С КОАКСИАЛЬНЫМ ВХОДОМ И АНТЕННАЯ РЕШЕТКА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может использоваться в системах радиолокации, связи и других антенных системах, размещенных на подвижных носителях.
Известны антенны (Ротхаммель К., Кришке А. «Антенны», т.1, пер. с немецкого. М. - «Лайт ЛТД», 2000 г. - 460с. ил.), обладающие круговой диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости, и с максимальным усилением в горизонтальном направлении. Как правило, такими ДН обладают симметричные вертикальные вибраторы.
Их недостатком является узкая полоса частот, в которой параметры антенны сохраняют свои значения (коэффициент стоячей волны (КСВ), формы ДН).
Для излучения и приема широкополосных сигналов с минимальными искажениями антенна должна иметь полосу пропускания, сравнимую с полосой частот, занимаемой спектром сигнала. При наличии одной антенны в широкополосных системах необходимо обеспечить сохранение требуемой формы ДН при изменении входного импеданса в допустимых пределах.
Известна сверхширокополосная антенна с малым входным коэффициентом стоячей волны (заявка FR №2659441, H01Q 09/44), содержащая три штыревых антенны с электрической длиной λ/4, питаемых от общего фидера, причем они отклонены под углом относительно вертикали с симметричным разносом в горизонтальной плоскости. Данная антенна обладает недостаточно широкой полосой согласования.
Известна также сверхширокополосная приемопередающая антенна, (патент РФ №2335834, H01Q 5/01), содержащая несимметричный вибратор и коаксиальный вход и формирующая воронкообразную диаграмму направленности в вертикальной плоскости и круговую диаграмму направленности - в азимутальной плоскости. Максимум излучения антенны осуществляется под углом к горизонту, что является ее недостатком.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является широкополосная симметричная планарная антенна (И.Schantz, «Apparatus for establishing signal coupling between a signal line and an antenna structure», US Patent №6512488), принятая за прототип.
Схема устройства прототипа приведена на фиг.1 а, где обозначено:
1 - генератор высокочастотных (ВЧ) колебаний;
2 - двухпроводная линия;
3 - вход симметричного вибратора;
4 - планарный симметричный вибратор;
5 - симметричный выход генератора;
9 - прямоугольная пластина.
H
Антенна-прототип содержит прямоугольную пластину 9, на которой расположен симметричный вибратор 4, входы 3 которого двухпроводными линиями 2 соединены с симметричными выходами 5 генератора ВЧ колебаний 1. Излучатель электромагнитной энергии выполнен в виде симметричного планарного вибратора 4 с круглой формой плеча. Радиус кругов определяет нижнюю границу частотного диапазона и равен 0,1 λ
Устройство-прототип работает следующим образом.
При подаче от генератора 1 по двухпроводной линии 2 ВЧ колебания на вход 3 антенны происходит возбуждение симметричного вибратора 4, в результате чего, в дальней зоне происходит формирование электромагнитного поля с требуемой ДН (фиг.1б).
В сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне форма ДН и входное сопротивление излучателя сохраняют свои значения в допустимых пределах в широкой (до трех октав) полосе рабочих частот.
Использование генераторов с симметричным выходом не отвечает требованиям удобства монтажа, что является существенным недостаткам излучателя-прототипа. Поэтому необходимо использовать генератор с коаксиальным выходом, а для его согласования с излучателем подключается симметрирующее устройство, однако, это приводит к сужению полосы рабочих частот и искажению формы ДН.
Задача - создание сверхширокополосного излучающего элемент с коаксиальным входом (СИК), обладающего расширенной до 3,3 октав полосой пропускания.
H
H
H
Для решения поставленной задачи в широкополосной симметричной планарной антенне, содержащей прямоугольную пластину, на которой расположен симметричный вибратор, а также генератор, согласно полезной модели, генератор имеет коаксиальный выход, между генератором и симметричным вибратором включено симметрирующее устройство, на продольной оси вибратора установлены элементы настройки в плоскостях, перпендикулярных плоскости прямоугольной пластины и симметрично относительно входа вибратора, причем каждый элемент настройки представляет собой по форме половину эллипса размером А=0,075 λ и В=0,06 λ, расстояние между элементами согласования равно ΔL=0,04 5λ, в местах размещения элементов настройки в прямоугольной пластине проделаны два отверстия для их механического закрепления и установки гальванической связи с плечами симметричного вибратора.
Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2а и фиг 2б, где обозначено:
1 - генератор ВЧ колебаний с коаксиальным выходом;
2 - двухпроводная линия;
3 - вход симметричного вибратора;
4 - планарный симметричный вибратор;
5 - коаксиальный выход генератора;
6 - коаксиальный вход симметрирующего устройства;
7 - симметрирующее устройство;
8 - элементы настройки;
9 - прямоугольная пластина;
10 - стойка.
Предлагаемый СИК (фиг.2а) содержит прямоугольную пластину 9, на которой расположен планарный симметричный вибратор 4. На продольной оси вибратора 4 установлены элементы настройки 8 в плоскостях, перпендикулярных плоскости прямоугольной пластины 9 и симметрично относительно входа 3 вибратора 4. Вход 3 симметричного вибратора 4 по двухпроводным линиям 2 соединен с симметрирующим устройством 7, которое включено между симметричным вибратором 4 и генератором 1, и его коаксиальный вход 6 соединен с коаксиальным выходом 5 генератора 1. Элементы настройки 8 выполнены в виде двух полуэллипсов, каждый из которых гальванически связан со своим плечом, причем ширину полосы согласования обеспечивает оптимальный выбор размеров полуэллипсов (А - половина длины, В - ширина) и расстояния между ними ΔL (фиг.2б).
H
H
H
H
H
H
Примером конкретного исполнения (фиг.2в - внешний вид предлагаемого излучателя) может служить СИК с симметричным вибратором 4, выполненный печатным способом на прямоугольной пластине 9 из алюминия толщиной 2 мм и размером 0,2λx0,3λ. Радиусы кругов-плеч R одинаковы и равны 0,08 λ. Элементы настройки 8, выполненные из медного листа, толщиной 0,5 мм расположены на продольной оси симметричного вибратора 4 в плоскостях, перпендикулярных плоскости прямоугольной пластины 9 и симметрично относительно входа 3 вибратора 4. Элементы настройки 8 гальванически связаны с плечами вибратора 4, причем каждый элемент представляет собой по форме половину эллипса размером А=0,075 λ и В=0,06 λ. Расстояние между элементами согласования (плечами) вибратора 4 равно ΔL=0,04 5λ. В местах размещения элементов настройки 8 в прямоугольной пластине 9 проделаны два отверстия для их механического закрепления и установки гальванической связи с плечами симметричного вибратора 4. Для механического крепления СИК к носителю используют четыре стойки 10 из диэлектрического материал, применяемого для изоляции.
B
H
B
H
Предлагаемое устройство работает следующим образом. ВЧ колебание с коаксиального выхода 5 генератора 1 подается на вход симметрирующего устройства 7, далее ВЧ сигнал поступает на симметричный вибратор 4 с подключенными к нему элементами настройки 8. Элементы настройки 8 в виде объемного разомкнутого шлейфа, благодаря своей форме и размеру, трансформируют в рабочем диапазоне частот входной импеданс из области высоких сопротивлений в область более низких сопротивлений, тем самым выравнивая КСВ в расширенном рабочем диапазоне частот. При этом осуществляется формирование в дальней зоне стабильных ДН. За счет оптимального выбора параметров элементов настройки 8 происходит увеличение относительной полосы рабочих частот f/f до 3,3 (f, f - соответственно верхняя и нижняя рабочая частота). На фиг.3а и 3б представлена расчетная зависимость КСВ и коэффициента усиления (КУ) от частоты СИК, полученная в результате моделирования антенны (средствами систем автоматизированного проектирования) при приведенных выше параметрах. Как следует из фиг.3 значения КСВ в пределах диапазона рабочих частот не превышает 2,7, а КУ лежит в пределах от 0 до 5 дБ.
На фиг.4а приведена расчетная диаграмма направленности СИК в азимутальной плоскости в диапазоне частот 750-2500 МГц, а на фиг.4б приведена расчетная диаграмма направленности СИК в угломестной плоскости в том же диапазоне частот. Из приведенных данных следует: форма ДН сохраняется в заданных пределах ±3 дБ. СИК формирует при вертикальной поляризации изотропную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и ∞-образную - в угломестной плоскости, что подтверждают диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях, приведенные на фиг.4а и 4б.
Таким образом, предлагаемый СИК обеспечивает расширенную полосу пропускания (до 3,3 октав) и формирует при вертикальной поляризации изотропную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и ∞-образную - в угломестной плоскости.
Известен планарный излучающий элемент с дуальной поляризацией и антенная решетка, содержащая такой излучающий элемент (патент РФ №2009134902 H01Q 01/40). Его недостатком является неширокая полоса рабочих частот.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является «карусельная» антенна кругового излучения вертикальной поляризации (патент РФ №2356137 H01Q 9/00), принятая за прототип.
ср
ср
мин
мин
макс
макс
ср
ср
Антенна-прототип содержит четыре пары ромбообразных секций. По периметру пар ромбообразных секций расположены проводники. Длина проводников составляет λ/4, где λ - средняя длина волны. Проводники в каждой паре ромбообразных секций соединены между собой с образованием зазора. Зазор предназначен для подключения двухпроводного фидера. Пары ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников и с образованием в местах перекрещивания точек нулевого потенциала. Пары ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно, имеющее радиус R и по внешнему виду напоминающее карусель. Зазоры, расположенные в полотне напротив друг друга, соединены между собой двухпроводными фидерами, каждый из которых имеет сопротивление 300 Ом, в точках перекрещивания этих двухпроводных фидеров последние соединены друг с другом с образованием точек питания антенны сопротивлением 75 Ом, то есть происходит уменьшение результирующего сопротивления антенны приблизительно в 4 раза, что хорошо согласуется с фидером в 75 Ом. Внутри полотна вертикально расположен рефлектор, который представляет собой цилиндр с радиусом окружности r, боковая поверхность которого составлена из вертикально и параллельно расположенных проводников. Проводники расположены друг от друга на расстоянии, меньшем 0,1 λ/2, где λ - минимальная длина волны. Высота Н цилиндра 8 больше λ/2, где λ - максимальная длина волны. Радиус r цилиндра меньше радиуса R полотна 6 на (0,15-0,27) λ, где λ - средняя длина волны.
Устройство-прототип работает следующим образом.
ср
мин
Под воздействием электродвижущей силы (ЭДС), приложенной к зазорам, в проводниках возникают токи. Благодаря длине проводников, равной λ/4, и наличию точек нулевого потенциала все проводники сфазированы с ориентацией вектора электрического поля Е параллельно оси Y. Антенна при этом функционирует как своеобразная фазированная антенная решетка, но имеющая четырехстороннюю направленность. Выполнение рефлектора в форме цилиндра, боковая поверхность которого составлена из проводников, расположенных вертикально и параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга, меньшем 0,1 λ/2, не только устраняет излучение от полотна за его пределы в сторону рефлектора, но и обеспечивает равномерное излучение вертикально поляризованных волн во всех направлениях в горизонтальной плоскости. Кроме того, выполнение полотна из ромбообразных секций в виде единого замкнутого по окружности и расположение рефлектора внутри полотна также обеспечивают равномерное излучение вертикально поляризованных волн во всех направлениях в горизонтальной плоскости, т.е. круговую диаграмму направленности.
Недостатком устройства-прототипа является небольшая полоса рабочих частот и требование симметричности питания от ВЧ генератора.
Задача - увеличение мощности антенной решетки с ростом числа ее излучающих элементов, возможность управления ДН, расширение полосы пропускания (до 3,3 октав), формирование при вертикальной поляризации изотропной диаграммы направленности в азимутальной плоскости и ∞-образную - в угломестной плоскости.
Для решения поставленной задачи в антенной решетке, содержащей n (n≥2) одинаковых излучающих элементов, закрепленных на трубе, выполненной из электропроводящего материала, обладающей экранирующими свойствам и выполняющей функцию отражателя, согласно полезной модели, фазовые центры излучающих элементов с коаксиальным входом расположены по окружностям, через центр которых проходит труба.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.5а, где обозначено:
11 - металлическая труба;
12 - сверхширокополосный излучатель с коаксиальным входом.
Предлагаемая антенная решетка состоит из n (n≥2) одинаковых СИК 12, закрепленных на трубе 11 и размещенных в несколько этажей. Фазовые центры СИК 12 расположены по окружности, через центр которых проходит металлическая труба 11, к которой крепятся СИК 12.
Примером конкретного исполнения (фиг.5а) может служить макет антенной решетки, состоящий из шести отдельных СИК 12. Они размещены в 2 этажа по три СИК 12 на каждом этаже. Фазовые центры СИК расположены на окружностях через 120°, причем фазовые центры верхнего этажа сдвинуты относительно фазовых центров нижнего этажа на 60°. Через центр окружностей проходит металлическая труба 11, к которой крепятся СИК 12. Один излучающий элемент 12 с учетом экранирующих свойств трубы 11 в азимутальной плоскости формирует секторную ДН с шириной угла ~ 60°. Совместная синфазная работа шести СИК 12 обеспечивает высокую эффективность антенной решетки в азимутальной плоскости. На фиг.5б приведена ДН антенной решетки в азимутальной плоскости в диапазоне 0,8-2,5 ГГц.
Предлагаемая антенная решетка работает аналогично сверхширокополосному излучающему элементу с коаксиальным входом. Однако в зависимости от изменения числа излучающих элементов 12 появляется возможность управления ДН. С ростом числа излучающих элементов 12 увеличивается мощность антенной решетки.
Таким образом, предлагаемая антенная решетка обеспечивает увеличение мощности с ростом числа ее излучающих элементов, возможность управления ДН, расширение полосы пропускания (до 3,3 октав), формирование при вертикальной поляризации изотропной диаграммы направленности в азимутальной плоскости и ∞-образную - в угломестной плоскости.