Дзеркальна антена для прийому несинусоідальних імпульсних сигналів

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения для приема несинусоидальных импульсных сигналов в виде видеоимпульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты. Известна антенна для излучения несинусоидальных импульсов поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты [1]. Эта антенна состоит из двух проволочных диполей вибраторов, разделенных металлической плоскостью. Длина диполя где скорость света, - длительность видеоимпульса поля радиоволн. Металлическая плоскость исключает влияние излучения одного диполя на излучение другого. Токи в диполях протекают в противоположных направлениях и при отсутствии металлической плоскости эта антенна почти не излучала бы-, так как поле одного диполя подавлялось бы полем другого. Недостатком этой антенны является то, что она имеет слабые направленные свойства и, следовательно, низкий коэффициент усиления. Известна также вибраторная (дипольная) антенна для излучения наносекундных импульсов поля радиоволн, питаемая от генератора с помощью коаксиального кабеля [1]. Эта антенна аналогична предыдущему аналогу, но второй диполь здесь экранирован не металлической плоскостью, а наружной оболочкой коаксиального кабеля, которая заземлена. Питание излучающего диполя подводится от генератора с концов диполя, а питающие проводники экранированы наружной оболочкой коаксиального кабеля. Длина излучающего вибратора здесь также меньше произведения скорости света на длительность видеоимпульса. Недостатком этого аналога является то, что эта антенна не направлена в горизонтальной плоскости и имеет слабую направленность в вертикальной плоскости, а также малый коэффициент усиления. В качестве прототипа выбрана зеркальная параболическая антенна с вибраторным (дипольным) облучателем [2], а конструкция облучателя прототипа показана в литературе [2]. Эта антенна предназначена для работы в микроволновом диапазоне радиоволн, но ее можно использовать также для приема несинусоидальных импульсных сигналов, если в качестве облуча теля параболического зеркала использовать предыдущий аналог. В состав прототипа входят следующие элементы: металлический рефлектор в виде параболического зеркала, представляющего по форме параболоид вращения; симметричный вибратор облучателя, питаемый фидерной линией из коаксиального кабеля, подключенного к вибратору в его средней части; контррефлектор облучателя в виде плоского металлического диска. Вибратор облучателя обычно устанавливают в фокусе параболического зеркала. Контррефлектор необходим для того, чтобы исключить излучение облучателя в направлении оси параболоида зеркала и тем самым улучши ть направленные свойства облучателя и всей антенны и снизить уровень бокового излучения антенны. Небольшое затемнение, которое создает контррефлектор на апертуре антенны, не имеет существенного значения, так как размеры контррефлектора обычно значительно меньше размеров зеркала. Расстояние между вибратором и контррефлектором обычно выбирает равным четверти длины волны для того, чтобы радиоволны, излучаемые вибратором в направлении зеркала складывались в фазе с радиоволнами, отраженными от контррефлектора (при отражении фаза волны изменяется на 180°). Это повышает эффективность использования энергии, излучаемой вибратором облучателя. Длина вибратора облучателя обычно меньше Недостаток антенны-прототипа состоит втом, что при использовании его для приема несинусоидальных импульсных сигналов наносекундной длительности антенна будет существенно искажать принимаемый сигнал. Эти искажения проявляются в том, что одному видеоимпульсу поля радиоволн принимаемого сигнала будет соответствовать два импульса на выходе фидерной линии. Такое раздвоение принимаемого сигнала затрудняет его обработку и снижает эффективность использования энергии принимаемых радиоволн. Возникновение двух импульсов вместо одного принимаемого объясняется следующим. Первый импульс соответствует волне, отраженной от рефлектора и принимаемой вибратором облучателя, а второй импульс - волне, отраженной от рефлектора и контррефлектора на пути к вибратору. При этом второй импульс запаздывает относительно первого на время где - расстояние от вибратора до контррефлектора, - скорость света. При наносекундной длительности импульса это время запаздывания может значительно превышать длительность импульса. Исключить это раздвоениеимпульса путем уменьшения расстояния между вибратором и рефлектором нельзя, так как при очень малом облучатель почти перестает излучать (и принимать) радиоволны. В основу изобретения поставлена задача устранения недостатков аналогов и прототипа и повышения эффективности использования энергии принимаемых радиоволн. Решение этой задачи достигается благодаря тому, что в антенне-прототипе, содержащей рефлектор в виде параболического зеркала из проводящего материала и облучатель с фидерной линией питания, состоящей из вибратора и плоского контррефлектора в виде металлического диска, предусмотрены следующие отличия: фидерная линия выполнена из двух коаксиальных кабелей одинаковой длины, внутренние жилы которых подключены к концам вибратора, на выходе фидерной линии установлена линия задержки из отрезка коаксиального кабеля длиной - скорость распространения радиоволн в линии задержки, - скорость света, выход фидерной линии связан со входом линии задержки через широкополосные диоды противоположной полярности, а также с отрицательным выводом входа приемника и наружной оболочкой коаксиального кабеля на выходе линии задержки через другие широкополосные диоды противоположной полярности, а внутренняя жила коаксиального кабеля на выходе линии задержки связана с положительным выводом входа приемника. На фиг.1 представлен эскиз предложенной антенны; на фиг.2 форма импульсов принимаемого сигнала на выходах предложенной антенны и прототипа; на фиг.З -диаграммы направленности в горизонтальной плоскости предложенной антенны и прототипа. Устройство для приема несинусоидальных импульсных сигналов, эскиз которого представлен на фиг.1, содержит: вибратор 1, длина которого запитываемый с концов по внутренним жилам двух коаксиальных кабелей фидерной линии 2; рефлектор 3, представляющий собой металлическое зеркало в форме параболоида вращения, в фокусе которого расположен вибратор 1; контррефлектор 4 в виде плоского металлического диска, удаленного от вибратора на расстояние линия задержки 5 в виде отрезка коаксиального кабеля длиной (при такой длине линии время задержки сигнала в ней равно широкополосные диоды 6, 7, 8, 9 (диоды 6, 7 связывают выход фидерной линии 2 со входом линии задержки 5 и пропускают на вход этой линии положительный видеоимпульс принимаемого сигнала и не пропускает отрицательный; диоды 8, 9 связывают выход фидерной линии 2 с отрицательным выводом входа приемника и наружной оболочкой коаксиального кабеля на выходе линии задержки 5 при приеме отрицательных импульсов сигнала, а положительный вывод входа приемника связан с внутренней жилой кабеля на выходе линии задержки 5). Полярность включения диодов 6, 7, 8, 9 выбрана таким образом, чтобы положительный и отрицательный импульсы сигнала с выхода фидерной линии 2 складывались по амплитуде в одинаковой полярности на входе приемника. В данном случае импульс сигнала считается положительным, когда "+" находится на верхнем проводе фидерной линии 2, а "-" - на нижнем, а для отрицательного импульса - наоборот. Устройство работает следующим образом. В устройстве использовано известное свойство несинусоидальных импульсных сигналов изменять полярность видеоимпульса поля радиоволн при отражении от рефлектора (или контррефлектора) [1]. Вибратор1 принимает радиоволны, отраженные от рефлектора 3, а также радиоволны, отраженные от рефлектора 3 и контррефлектора 4 на пути к вибратору. В результате одному импульсу поля принимаемых радиоволн будет соответствова ть два импульса сигнала на выходе фидерной линии 2, которые сдвинуты друг относительно друга на время порядка При такой полярности вектора поля радиоволн как показано на фиг.1, первый импульс сигнала от радиоволны, отраженный только от рефлектора 3, будет иметь положительную полярность, а второй импульс сигнала от радиоволны, отраженной от рефлектора 3 и контррефлектора 4, будет иметь отрицательную полярность и запаздывает на время относительно первого импульса. Такое раздвоение импульса поля принимаемых радиоволн затрудняет обработку принимаемых сигналов. Избавиться от одного из двух импульсов разной полярности можно, например, путем ограничения принимаемого сигнала снизу или сверху с помощью одного диода. Однако такое решение не эффективно, так как энергия одного из импульсов будет безвозвратно потеряна. Поэтому предлагается несколько иное, более эффективное решение задачи: предлагается разделить положительный и отрицательный импульсы сигнала с помощью диодов противоположной полярности, задержать первый импульс на время С помощью линии задержки 5 и сложить по амплитуде оба импульса в одинаковой полярности на входе приемника. Эту задачу выполняет предложенная схема из широкополосных диодов 6, 7, 8, 9 и линии задержки 5. Предложенное техническое решение позволяет увеличить почти вдвое амплитуду результирующего видеоимпульса, устраняет раздвоение сигнала и улучшает отношение сигнал/шум в канале приема. На фиг.2 показана форма импульса принимаемого сигнала в зависимости от времени на выходе предложенного устройства и прототипа, а на фиг.3 - диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Расчеты эти х характеристик выполнены для антенны с радиусом зеркала расстояние от вибратора до контррефлектора длительности видеоимпульса принимаемого несинусоидального сигнала и полосе пропускания приемной системы 1ГГц. Диаграммы направленности на фиг.3 построены в ненормированном масштабе для того, чтобы можно было сравнить сигналы двух антенн по интенсивности. Расчеты показывают, что в данном случае амплитуда импульса сигнала на выходе предложенного устройства буде т в 1,6 раза больше, чем у прототипа при прочих равных условиях. Таким образом, предложенное устройство может быть практически реализовано, а указанные выше отличительные признаки являются существенными и принципиально необходимы для реализации устройства. Основные элементы предложенного устройства выполнены следующим образом. Вибратор 1 выполнен в виде короткого проводника длиной где длительность импульса принимаемого сигнала, - скорость света, а запитка вибратора осуществле на с е го концов по двухпроводной фидерной линии. Фидерная линия 2 выполнена из двух коаксиальных кабелей одинаковой длины, внутренние жилы которых подключены к концам вибратора 1. Наружные металлические оболочки этих коаксиальных кабелей экранируют излучение фидерной линии, не являются токонесущими сигнал элементами и могут быть заземлены. Расстояние между вибратором 1 и контррефлектором 4 выбирают для того, чтобы положительный и отрицательный импульсы поля радиоволн рефлектор-вибратор и рефлектор - контррефлектор - вибратор не накладывались и не подавляли друг друга. Следуе т иметь в виду, что при увеличений расстояния d требуемые размеры контррефлектора и затенение им апертуры антенны увеличиваются. Линия задержки 5 выполнена в виде отрезка коаксиального кабеля длиной Широкополосные диоды 8, 7, 8, 9 должны иметь полосу пропускания порядка для того, чтобы не искажать принимаемые видеоимпульсы сигнала и не увеличивать их длительность. Рефлектор 3 выполнен так же, как и в прототипе. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Принимаемые радиоволны отражаются от рефлектора 3 и принимаются вибратором 1 и возбуждают первый положительный видеоимпульс сигнала не выходе фидерной линии 2. Отраженные от рефлектора 3 радиоволны далее отражаются от контррефлектора 4, снова принимаются вибратором 1 и возбуждают второй отрицательный видеоимпульс на выходе фидерной линии 2. Второй импульс запаздывает относительно первого на время Разная полярность импульсов будет потому, что при каждом отражении радиоволн полярность изменяется на противоположную. Положительный импульс сигнала через диоды 6,7 поступает на вход линии задержки 5 и задерживается этой линией на время Когда первый импульс дойдет до входа приемника, туда же поступит второй импульс через диоды 8,9 и сложится с первым задержанным импульсом в одинаковой полярности. При этом на входе приемника будет только один импульс с амплитудой почти вдвое больше, чем у первого (или второго) импульсов сигнала. Таким образом, предложенное устройство устраняет раздвоение импульса принимаемого сигнала, увеличивает амплитуду результирующего импульса, улучшает отношение сигнал/шум и тем самым повышает эффективность использования энергии принимаемых радиоволн.