Автoры: Умнoв Алекcей Львoвич, Шишалoв Иван Сергеевич
Изoбретение oтнocитcя к радиoтехнике и мoжет быть иcпoльзoванo в cиcтемах радиocвязи, радиoпеленгации и радиooбнаружения. Техничеcким результатoм изoбретения являетcя пoвышение кoэффициента уcиления антенны за cчет увеличения ее геометричеcких размеров за cчет добавления дополнительных яруcов. Соглаcно изобретению антенная cиcтема c круговым или cекторным cканированием включает активный излучающий элемент и окружающие его пассивные переотражатели с включенными в них нагрузками с комплексным управляемым импедансом, расположенные в ближней зоне активного излучающего элемента, пассивные переотражатели расположены более чем одним ярусом, при этом активный излучающий элемент выполнен в виде антенны с возможностью распределения энергии на указанные ярусы. Активный излучающий элемент может быть выполнен в виде коллинеарной антенны с последовательным питанием сегментов антенны. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиопеленгации и радиообнаружения.
Известно, что направленные антенны имеют ряд преимуществ по сравнению с ненаправленными антеннами. Направленные антенны дают возможность излучать (или принимать) электромагнитные волны в заданном направлении с одновременным их усилением при подавлении излучения в других направлениях, что позволяет: увеличивать дальность радиосвязи и/или скорость передачи информации; повышать скрытность передачи информации и помехозащищенность канала связи; определять направление на источник излучения.
При этом, для использования в мобильных системах связи, радиопеленгации и радиообнаружения, а также для осуществления возможности работы со многими абонентами, случайным образом расположенными или перемещающимися в пространстве, в данных системах должно быть реализовано управление направленным излучением с возможностью кругового или секторного сканирования диаграммой направленности.
Известны антенны с механическим управлением диаграммой направленности. (Радиолокационные системы П.А.Бакулев, Издательство: Радиотехника, ISBN: 5-93108-027-9, 2004).
Механическое управление направлением излучения путем вращения антенны имеет ряд существенных недостатков. Из-за инерционности антенных конструкций оно может быть реализовано только с очень низкой скоростью, при этом для реализации этой возможности требуются сложные, потребляющие много энергии поворотные устройства.
Известна антенна с электронным сканированием луча, описанная в А.С. СССР 785916, кл. Н01Q 21/06, опубл. 1980.12.07.
Антенна содержит возбудитель в виде секториального рупора и блока управления и формирования диаграммы направленности, выполненного в виде эквидистантной решетки открытых гиромагнитных линий поверхностной волны.
Недостатком известной антенны является сложность ее изготовления, связанная с тем, что антенна имеет много СВЧ элементов, изготовление и настройка которых требуют специального оборудования. Кроме того, данная антенна имеет довольно низкий КПД СВЧ части и высокое энергопотребление в системе управления. Данная антенна не позволяет осуществлять круговое сканирование диаграммой направленности.
Известна высоконаправленная кольцевая фазированная антенная решетка, защищенная патентом РФ 2310956, Кл. Н01Q 21/06, опубл. 2007.11.20. Решетка содержит N ненаправленных идентичных антенн, N-канальный управляемый фазовращатель и сумматор. Антенны решетки расположены эквидистантно вдоль окружности с радиусом R0, обеспечивающим наибольшую допустимую ширину главного лепестка синтезированной диаграммы направленности на максимальной длине волны рабочего диапазона, и с одинаковым угловым шагом относительно центра решетки. Количество антенн выбирают по формуле N=4l+2, где l=1, 2, 3, - целые положительные числа, не равные нулю. Расстояния от центра решетки до фазовых центров антенн по сравнению с радиусом R0 для антенн решетки с нечетными порядковыми номерами выбирают увеличенными, а для антенн решетки с четными порядковыми номерами выбирают уменьшенными.
Недостатками известной решетки являются:
- высокое энергопотребление;
- требование высокой точности при производстве большого числа СВЧ-компонентов решетки, приводящее к высокой цене конечного устройства;
- невозможность сканирования диаграммой направленности в вертикальном направлении.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату, выбранной в качестве прототипа, является антенная система с круговым или секторным сканированием, описанная в статье "Reactively Controlled Directive Arrays " в журнале "IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION", VOL.AP-26, No. 3, May 1978.
Антенная система содержит активный излучающий элемент, выполненный в виде симметричного электрического диполя, возбуждаемого в центре, и пассивные переотражатели, выполненные в виде симметричных электрических диполей, нагруженных в центре реактивными нагрузками с комплексным управляемым импедансом. Центры пассивных переотражателей расположены по окружности, в центре которой находится центр активного излучающего элемента. Все элементы системы расположены параллельно.
Недостатком известной антенной системы является невысокий коэффициент усиления и отсутствие возможности осуществлять сканирование диаграммой направленности в вертикальной плоскости.
Задачей заявленного изобретения является совершенствование антенной системы.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении коэффициента усиления антенны, сочетающегося с возможностью секторного и кругового сканирования диаграммой направленности в полном диапазоне углов (360 градусов), а также возможностью секторного сканирования в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой осуществляется круговое сканирование. Кроме того, конструкция антенны позволяет масштабировать решение - повышать коэффициент усиления за счет увеличения ее геометрических размеров, достигаемого добавлением дополнительных ярусов в антенну.
Указанный технический результат достигается тем, что в антенной системе с круговым или секторным сканированием, включающей активный излучающий элемент и окружающие его пассивные переотражатели с включенными в них нагрузками с комплексным управляемым импедансом, расположенные в ближней зоне активного излучающего элемента, пассивные переотражатели расположены более чем одним ярусом, при этом активный излучающий элемент выполнен в виде антенны с возможностью распределения энергии на указанные ярусы.
Активный излучающий элемент может быть выполнен в виде коллинеарной антенны с последовательным питанием сегментов антенны.
Ярусы могут быть расположены один под другим. В каждом пассивном переотражателе нагрузок с комплексным управляемым импедансом может быть одна или несколько. Управление комплексным управляемым импедансом нагрузок может осуществляться с помощью специального блока управления посылкой электрических сигналов.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами. Антенная система с круговым сканированием изображена на фиг.1; Реализация пассивного переотражателя изображена на фиг.2.
Система содержит активный излучающий элемент 1 и окружающие его пассивные переотражатели 2.
Пассивный переотражатель 2 содержит плечи переотражателя 3, 4 и нагрузку с комплексным управляемым импедансом 5. Пассивные переотражатели 2 расположены более чем одним ярусом.
Антенная система работает следующим образом.
Активный излучающий элемент 1 создает вокруг себя электромагнитное поле, распределение которого таково, что все пассивные переотражатели 2 находятся в квазиравноамплитудных областях этого поля. Данное поле возбуждает токи на пассивных переотражателях 2. Данные токи также создают свои поля в области расположения пассивных переотражателей 2, которые, в свою очередь, влияют на возбуждение токов. Процесс возбуждения токов на пассивных переотражателях 2 и формирования возбуждающих полей является самосогласованным: возбуждение токов сопровождается изменением возбуждаемых полей, изменение полей приводит к изменению токов. Амплитуды и фазы токов, возбужденных на пассивных переотражателях 2, зависят от значений нагрузок с комплексным управляемым импедансом, включенных в пассивные переотражатели 2. При этом соседние переотражатели 2 оказывают существенное влияние друг на друга: изменение значений нагрузок на одном пассивном переотражателе 2 влияет не только на токи на этом пассивном переотражателе, но и на токи всех соседних пассивных переотражателях 2. Возможность управления фазами токов на отдельных пассивных переотражателях позволяет в широких пределах изменять форму диаграммы направленности - формировать максимумы и нули этой диаграммы в желаемых направлениях, что дает возможность формировать диаграмму направленности с главным лепестком и осуществлять круговое сканирование диаграммой направленности в плоскости, перпендикулярной направлению активного излучающего элемента 1 (горизонтальной плоскости). Расположение пассивных переотражателей 2 в несколько ярусов позволяет осуществлять сканирование диаграммой направленности и в вертикальной плоскости, перпендикулярной горизонтальной. Кроме того, ярусное расположение пассивных переотражателей позволяет сузить диаграмму направленности в вертикальной плоскости, и тем самым повысить коэффициент усиления антенны. Возбуждение пассивных переотражателей 2 осуществляется электромагнитными волнами, распространяющимися от активного излучателя 1 через свободное пространство. Данный способ возбуждения имеет существенное преимущество по сравнению со способом возбуждения через линию передачи, поскольку при этом способе отсутствуют потери энергии, переносимой волной, которые неизбежны при распространении волны в среде, заполняющей линию передачи. Кроме того, возбуждение пассивных переотражателей через свободное пространство позволяет отказаться от сложных конструкций размещения линий передач. В предлагаемой конструкции антенны элемент, перестраивающий фазу тока, протекающего через пассивный переотражатель, интегрирован непосредственно в переотражатель. Этим элементом может являться полупроводниковый диод с трансформатором импеданса 5, выполненный в виде отрезка полосковой или коаксиальной длинной линии, подключенный к плечам 3, 4 пассивного переотражателя. К диоду прикладывается обратное напряжение смещения, при котором он работает в емкостном режиме. Обратное напряжение может формироваться блоком управления. Подобное включение комплексной нагрузки 5 в пассивный переотражатель 2 приводит к существенному увеличению диапазона перестройки импеданса нагрузки. Использование в комплексной нагрузке полупроводникового диода, работающего в режиме обратного смещения, дает возможность построения малопотребляющего энергию блока управления.
В качестве активного излучающего элемента 1 может быть использована дипольная или коллиниарная вибраторная антенна, запитываемая либо от внешнего СВЧ источника через фидерную линию, либо от СВЧ источника, интегрированного непосредственно в антенну; в качестве пассивных переотражателей 2 могут быть использованы симметричные или несимметричные электрические диполи, а также петлевые антенны, в качестве нагрузок с комплексным импедансом 5 - варакторные диоды с длинными линиями - трансформаторами импеданса или без таковых, а также MEMS-системы с изменяемой емкостью.
Таким образом, предлагаемая антенная система по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- повышается коэффициент усиления антенны за счет увеличения излучающей апертуры антенны;
- достигается возможность секторного сканирования в вертикальной плоскости за счет добавления ярусов.
Конструкция антенны позволяет масштабировать решение - повышать коэффициент усиления за счет увеличения ее геометрических размеров, достигаемого добавлением дополнительных ярусов в антенну.
