Надширокосмугова антена

1. Надширокосмугова антена, що містить дві провідні поверхні, яка відрізняється тим, що одна з провідних поверхонь має форму зірки, промені якої загнуті до другої розімкненої провідної поверхні і жорстко з'єднані через фідери з другою розімкненою провідною поверхнею таким чином, що C2 2 90445 1 3 жних надрозмірних обмежувальних рупорних поверхонь. Плоска двозахідна спіралеподібна антена разом з відбиваючою поверхнею має односпрямоване випромінювання, але з дуже широкою діаграмою спрямованості, і різке обмеження з боку високих частот, що визначається мінімальним радіусом спиралі. Логоперіодичні вібраторні антени мають ті ж недоліки, що і спіралеподібні, а також значні розміри. Петльові струмові антени (IEEE, 1983 Largecurrent, Хармут) забезпечують невисокі енергетичні показники та утворюють петлю з дуже широкими характеристиками спрямованості. Відомі модифіковані петльові струмові антени (ІЕЕТ TRANSACTION ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL.43, N0.1, FEBRUARY 2001, S.94-100), що мають надширокосмуговий робочий діапазон та забезпечують досить дальній пошук об'єкта. Але зазначена антена в Н-площині є всеспрямованою, в Ε-площині у неї широка характеристика спрямованості, що має два провали. Це не забезпечує однозначне визначення координат цілі при пеленгу радіолокаційних, підземних об'єктів, дефектів при неруйнівному контролі різних середовищ, промисловому контролі, об'єктівпорушників у системах охорони. Така антена може бути застосована лише як потужний випромінювач з невисокими характеристиками односпрямованості. Надширокосмугова антена (патент US 5 440316) складається з виконаного у вигляді одного чи двох симетричних пірамідоподібних рупорів та вкладених в них випромінюючих пластин. Така антена у нижній частині робочого діапазону є всеспрямованою. Максимум випромінювання на середніх та низьких частотах майже перпендикулярно спрямований до максимуму випромінювання на високих частотах, що не дає змоги сформувати високоенергетичний короткий імпульс та однозначно визначити координати об'єкта пошуку. Надширокосмугова рупорна антена ТЕМ-хвилі (патент UA 40962, 7 H01Q13/02) містить дві провідні поверхні, що утворюють рупор, причому обидві поверхні виконані експоненціальними в YOZ та XOZ площинах декартової системи координат. Така НШС антена ефективно працює на високих частотах. Але вже на частотах, коли довжина хвиль спільномірна з розмірами НШС антени, має малу ефективність випромінювання за рахунок малих розмірів розкриву НШС антени. З дальшим пониженням частоти інтенсивність випромінювання швидко падає. До того ж на низьких частотах НШС антена стає практично всеспрямованою. Тому ця конструкція має істотні обмеження на низьких частотах, що сприяє спотворенню сигналу. Найбільш близьким за технічною сутністю та конструктивним виконанням є надширокосмугова антена (патент UA 65488 A, 7 H01Q5/00), яка містить дві провідні поверхні, що утворюють асиметричний рупор та петлю з розривом. НШС антена у всьому робочому діапазоні частот залишається односпрямованою, що покращує виявлення наявності об'єкту, але не дозволяє його пеленгувати. 90445 4 В основу винаходу покладена задача удосконалення НШС антени, що забезпечує визначення координат об'єктів. Поставлена задача була вирішена удосконаленням надширокосмугової антени, яка містить дві провідні поверхні. Одна з провідних поверхонь має форму зірки, промені якої загнуті до другої розімкненої провідної поверхні і жорстко з'єднані через фідери з другою розімкненою провідною поверхнею таким чином, що зазначені поверхні утворюють принаймні два рупори та принаймні одну петлю, яка може бути з розривами чи без. НШС антена може додатково мати комплексне електричне навантаження, розміщене у розриві (розривах) петлі. НШС антена може додатково мати фрагменти довільної форми, що виконані з діелектричного чи магнітодіелектричного матеріалу, розміщені у зазорі між провідними поверхнями. Краще, коли провідні поверхні НШС антени додатково мають частково чи повністю поглинаючий радіохвилі шар. Краще, коли кінець принаймні одного з променів зірки додатково має комплексне електричне навантаження. Кінці променів зірки додатково можуть бути з'єднані між собою. Таке конструктивне рішення призводить до дальшого покращення узгодження імпедансу НШС антени з приймачем або передавачем, що додатково зменшує спотворення сигналу. В залежності від числа входів(виходів) антени та з'єднань між ними та/чи підключення до них комплексних електричних навантажень антена одночасно має відповідну кількість характеристик спрямованості в одній площині чи в декількох. Саме завдяки цим конструктивним особливостям НШС антена здійснює пеленг та розпізнавання радіолокаційних, підземних об'єктів, дефектів при неруйнівному контролі різних середовищ із збереженням НШС частотного діапазону. До того ж збереження надширокої смуги антени забезпечує створення високоенергетичного надкороткого імпульса у режимі передачі сигналу, у режимі пеленгу визначення координат об'єкту із забезпеченням високої роздільної здатності. Винахід ілюструється кресленнями із зображеннями НШС антени, які пояснюють роботу НШС антени, але не обмежують обсяг її правового захисту. Перелік фігур. Фіг.1 - загальний вигляд НШС антени. Фіг.2 - вид НШС антени збоку. Фіг.3 - вид НШС антени спереду. Фіг.4 - вид НШС антени спереду з розривами петлі. Фіг.5 - вид НШС антени спереду з комплексним електричним навантаженням у розривах петлі. Фіг.6 - вид НШС антени збоку з комплексним електричним навантаженням на кінцях променів. Фіг.7 - вид НШС антени спереду з поглинаючим шаром на зірці та на відбиваючій поверхні. Фіг.8 - вид НШС антени збоку з фрагментом із діелектричного чи магнітодіелектричного матеріала для узгодження антени з твердим середовищем. 5 Фіг.9 - вид НШС антени збоку з багатофункціональним фрагментом із підвищеним коефіцієнтом спрямованості. Фіг.10 - вид НШС антени спереду з багатофункціональним фрагментом із підвищеним коефіцієнтом спрямованості. Фіг.11 - вид НШС антени спереду та збоку з додатковими вигинами на променях зірки та відбиваючій поверхні. Фіг.12 - модель НШС антени для обчислень. Фіг.13 - коефіцієнт стоячої хвилі при протифазному живленні входів двовходової НШС антени. Фіг.14 - активна складова вхідного імпедансу при протифазному живленні входів двовходової НШС антени. Фіг.15 - реактивна складова вхідного імпедансу при протифазному живленні входів двовходової НШС антени. Фіг.16 - Фіг.21 - діаграми спрямованості НШС антени в Ε-площині та Η-площині в діапазоні 0,51,75ГГц при протифазному живленні входів двовходової антени. Фіг.22 - сигнал передачі, сформований НШС антеною, та відбиті від об'єкту сигнали прийому на протилежних входах чотиривходової антени. Фіг.23 - пеленг об'єкту. НШС антена (Фіг.1 - Фіг.11) містить: - дві провідні поверхні: розімкнену поверхню 1 та поверхню зірки 2; - мінімальний зазор між поверхнями у точках підводу фідера 3 (Фіг.6); - ширину розкриву 4 (Фіг.7) розімкненої поверхні 1; - розрив петлі 5 (Фіг.4); - вигини 6 (Фіг.11) на провідних поверхнях 1 та 2; - комплексне електричне навантаження в розривах петлі 7 (Фіг.5); - фрагменти з діелектричного чи магнітодіелектричного матеріалу 8 (Фіг.8-10); - поглинаючий радіохвилі шар 9 (Фіг7); - комплексні електричні навантаження 10 (Фіг.6) на кінцях променів зірки 2. Опишемо роботу НШС антени. На верхніх частотах випромінювання та прийом забезпечує сукупність асиметричних рупорів, які складаються з поверхні променів "зірки" 2 та розімкненої поверхні 1. На середніх частотах, коли, в основному робочою є поверхня зірки 2, ця частина працює як чвертьхвильові чи напівхвильові вібратори. Розімкнена поверхня 1 захищає задній напівпростір від випромінювання та сприяє односпрямованості НШС антени. На низьких частотах робочою є поверхня зірки 2, що утворює струмову петлю (петлі). Вся розімкнена поверхня 1 грає роль відбиваючої, що забезпечує односпрямованість НШС антени при випромінюванні. Таким чином НШС антена зберігає весь НШС діапазон та при випромінюванні формує надкороткий сигнал. У конкретному прикладі реалізації у антени з чотирма входами (Фіг.2) розімкнена поверхня 1 НШС антени має вигляд квадрата, а поверхня 2 90445 6 виконана у формі, що нагадує чотирикутну зірку з загнутими променями. Розміри поверхні 1 визначають такими, які повинні забезпечити зменшення спотворення сигналу за рахунок крайових ефектів, що можуть проявлятися у відбиванні сигналів від краю, затіканні електричних струмів на зворотну сторону поверхні 1, що приведе до небажаного випромінювання у зворотну сторону та небажаному розширенню діаграми спрямованості. Розміри поверхні зірки 2 визначають нижньою межею частотного діапазону, тому максимальна довжина поверхні зірки повинна бути не меншою 1/10 довжини найдовшої хвилі. Мінімальний зазор між поверхнями у точках підводу фідера 3 (Фіг.6), ширину розкриву 4 (Фіг.7) розімкненої поверхні 1, кількість променів зірки 2 та форму поверхні зірки вибирають з міркувань заданого робочого частотного діапазону та області використання НШС антени. Розрив петлі 5 (Фіг.4) використовують для розширення робочого діапазону частот в області низьких частот. Обидві провідні поверхні 1 та 2 можуть мати вигини 6 (Фіг.11) для забезпечення рівномірного розподілу електричного поля в площині між провідними поверхнями 1 та 2. Комплексне електричне навантаження в розривах петлі 7 (Фіг.5) в залежності від конкретних умов призводить до дальшого покращення узгодження імпедансу НШС антени з фідерно-вимірювальною частиною. За умов використання діелектричних та магнітодіелектричних фрагментів 8 (Фіг.8-10) у зазорі між провідними поверхнями довжина поверхонь 1 та 2 може бути ще значно зменшена при збереженні робочого діапазону частот. Поглинаючий радіохвилі шар 9 (Фіг7) та комплексне електричне навантаження 10 (Фіг.6) на кінцях променів зірки поліпшує узгодження антени з фідером та середовищем випромінювання. Для оцінки роботи НШС антени були проведені розрахунки та експериментальна перевірка для двовходової антени. Програма розрахунку вхідного імпедансу (Фіг.14, 15), коефіцієнту стоячої хвилі (Фіг.13), та діаграм спрямованості в Е- та Η-площинах при протифазному живленні входів двовходової НШС антени (Фіг.16 - Фіг.21) була заснована на методі моментів в частотної області та виконана в пакеті "MATLAB". Значення коефіцієнту стоячої хвилі (Фіг.13) підтверджують наявність доброго узгодження антени з фідером в широкому діапазоні частот. НШС антена має сталу активну складову та низьке значення реактивної складової імпедансу, що також забезпечує добре узгодження НШС антени з приймачем або передавачем у всьому робочому діапазоні частот (Фіг.14 та Фіг.15). Наведені на Фіг.16 - Фіг.21 діаграми, пронормовані в одиницях підсилення НШС антени (дБ),показують спрямованость НШС антени в Еплощині (суцільна лінія ) та Η-площині (штрихова лінія) в діапазоні частот 0,5-1,75Ггц в полярній системі координат. Фіг.16 - діаграми спрямованості НШС антени в Ε-площині та Н-площині на частоті 0,5Ггц. Фіг.17 - діаграми спрямованості НШС антени в Ε-площині та Н-площині на частоті 0,75Ггц. 7 Фіг.18 - діаграми спрямованості НШС антени в Ε-площині та Н-площині на частоті 1,00Ггц. Фіг.19 - діаграми спрямованості НШС антени в Ε-площині та Н-площині на частоті 1,25Ггц. Фіг.20 - діаграми спрямованості НШС антени в Ε-площині та Н-площині на частоті 1,50Ггц. Фіг.21 - діаграми спрямованості НШС антени в Ε-площині та Н-площині на частоті 1,75Ггц. Таким чином підтвердилося забезпечення конструкцією НШС антени односпрямованості в НШС діапазоні частот. Пеленг на прикладі двовходової антени здійснювали наступним чином. На входи двовходової антени подали випромінюючий імпульс. Сигнали, що відбилися від об'єкту, надходили на входи антени з різними затримками у часі (Фіг.22, Фіг.23). Завдяки односпрямованості НШС антени кут напрямку на об'єкт α у першому наближенні однозначно визначали за формулою: α=arcsin((t1-t2)*c/B), де t1, t2 - часові затримки відбитого сигналу від об'єкту на входах антени, с - швидкість електромагнітних хвиль у середовищі, В - база - відстань між центрами випромінювання антени (Фіг.2). 90445 8 Відстань до об'єкта D визначали через середньоарифметичне всіх отриманих затримок сигналів за формулою: D=с*(t1+t2)/2, де с - швидкість електромагнітних хвиль у середовищі, t1, t2 - часові затримки відбитого від об'єкту сигналу на входах антени. У разі застосування НШС антени з чотирма входами/виходами пеленг здійснюється у двох перпендикулярних площинах: по куту місця, при застосуванні верхнього та нижнього входів/виходів, та по азимуту, при застосуванні лівого та правого входів/виходів. Експериментальна перевірка дозволила перевірити оптимальні форми НШС антени та підтвердила ефективність її роботи в режимі пеленгу. Таким чином була удосконалена НШС антена, яка забезпечує у режимі пеленгу визначення координат радіолокаційних, підземних об'єктів, дефектів при неруйнівному контролі різних середовищ, промисловому контролі, об'єктів-порушників у системах охорони зі збереженням НШС частотного діапазону. До того ж при радіозв'язку (в тому числі мобільному зв'язку та прийому телевізійних передач) у режимі передачі забезпечена можливість відхиляти напрямок максимального випромінювання у заданому напрямку. 9 90445 10 11 90445 12 13 90445 14 15 90445 16 17 90445 18 19 Комп’ютерна верстка А. Рябко 90445 Підписне 20 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601