Вібраторна антенна решітка для прийому несинусоідальних сигналів

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для приема несинусоидальных импульсных сигналов в виде импульса поля радиоволн наносекундной длительности без несущей частоты в радиотехнических системах различного назначения, использующи х такие сигналы. Известна вибраторная антенна с плоским металлическим рефлектором для излучения или приема несинусоидальных импульсных сигналов несинусоидальной длительности [1]. Вибратор такой антенны имеет длину где скорость света, - длительность видеоимпульса сигнала порядка одной наносекунды не менее. Вибратор запитывается двухпроводной линией с концов. В качестве фидерной линии можно использовать, например, два коаксиальных кабеля одинаковой длины, по внутренним жилам которых подводится ток к концам вибратора, а наружные металлические оболочки этих кабелей экранируют излучение фидерной линии и могут быть заземлены. Расстояние от вибратора до рефлектора обычно больше с для того, чтобы прямой и отраженный от рефлектора видеоимпульсы поля радиоволн не накладывались и не подавляли друг друга. Такая антенна излучает в направлении нормали к рефлектору и не излучает вдоль поверхности плоского рефлектора. Недостатком этого аналога является то, что такая антенна имеет слабые направленные свойства и низкий коэффициент усиления. В качестве прототипа выбрана линейная вибраторная антенная решетка [1], которую можно использовать для излучения или приема видеоимпульсов поля радиоволн несинусоидальной длительности. Решетка представляет собой эквидистантную линейку параллельных вибраторов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от др уга. Чем больше это расстояние тем уже диаграмма направленности антенны. Максимум излучения решетки направлен по нормали к линейке вибраторов. Для питания вибраторов используют двухпроводные фидерные линии одинаковой длины, которые подключены к концам вибратора (для каждого вибратора своя линия). Все фидерные линии подключены параллельно к источнику или приемнику сигнала. Все вибраторы решетки имеют одинаковую длину Фидерные линии можно выполнить, например, из коаксиальных кабелей одинаковой длины (по два кабеля на каждый вибратор). Ток к вибратору подводится по внутренним жилам этих кабелей с концов вибратора, а наружные металлические оболочки кабелей экранируют излучение линии и могут быть заземлены. Недостатком прототипа является то, что такая решетка излучает одновременно в переднюю и заднюю полусферы по направлениям нормали к; линейке вибраторов, что снижает коэффициент усиления антенны. При этом энергия, подводимая к антенне, используется нерационально, а в случае приема антенна будет принимать помехи с задней полусферы. В основу изобретения поставлена задача создать такую вибраторную антенную решетку для приема несинусоидальных импульсных сигналов, в которой дополнительное включение уголкового рефлектора из двух перпендикулярных проводящих плоскостей позволяет обеспечить улучшение направленных свойств и коэффициент усиления вибраторной антенной решетки. Поставленная задача решается тем, что в вибраторной антенной решетке, содержащей эквидистантную линейку параллельных вибраторов и фидерной линии из коаксиальных кабелей одинаковой длины, предусмотрены следующие отличия: в состав антенны дополнительно включен уголковый рефлектор из двух перпендикулярных проводящих плоскостей, ось которого направлена вдоль линейки вибраторов, на выходе каждого вибратора установлены линия задержки из отрезка коаксиального кабеля длиной где - скорость распространения радиоволн в линии, - скорость света, - расстояние первого ближнего вибратора до ребра рефлектора, - расстояние между вибраторами решетки, - номер вибратора, и по две пары широкополосных диодов в противоположной полярности, одна из которых связана со входом линии задержки, а другая - с вы ходом этой линии, а выходы всех линий задержек подключены параллельно к приемнику сигнала. При этом направление максимального излучения антенны направлено вдоль линейки вибраторов и рефлектора. Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняется рисунками на фиг.1, 2, 3. На фиг.1 представлен упрощенный эскиз предложенной антенной решетки с уголковым рефлектором, схема запитки вибраторов фидерными линиями (вид сверху), а также схема подключения элементов антенны к приемнику сигналов. На фиг.2 показаны упрощенные эпюры импульсов тока сигналов на выходах вибраторов и на выходе всей антенной решетки. На фиг.3 представлены расчетные диаграммы направленности предложенной антенны и прототипа в магнитной плоскости. В состав предложенной антенны (фиг.1) входят следующие основные элементы: вибраторы антенной решетки 1; фидерные линии 2 питания вибраторов с концов из коаксиальных кабелей одинаковой длины; уголковый проводящий рефлектор 3; широкополосные диоды 5, 6, 7, 8 (по четыре диода на выходе каждого вибратора), которые разделяют положительные и отрицательные импульсы сигнала; линия задержки 4 из отрезка коаксиального кабеля (для каждого вибратора своя линия соответствующей длины). Принцип действия предложенной антенны поясняется следующим. Каждый вибратор антенной решетки принимает сигналы приходящих к антенне радиоволн: 1) сигнал, прямой волны; 2) сигнал, отраженный один раз от верхней грани рефлектора; 3) сигнал, отраженный один раз от нижней грани рефлектора; 4) сигнал, дважды отраженный от рефлектора (сигнал от верхней грани, а потом от нижней); 5) сигнал, дважды отраженный от рефлектора (сначала от нижней грани, а потом от верхней). При каждом отражении полярность импульса поля радиоволн изменяется [1]. Пути этих сигналов легче представить, если ввести так называемые "зеркальные изображения" вибраторов приемной антенны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей рефлектора. При положительной полярности импульса приходящей к антенне волны импульсы 2) и 3) в вибраторе будут иметь отрицательную полярность, а импульсы 1), 4), 5) - положительную. В случае, когда волна приходит с направления оси антенны (вдоль линейки вибраторов), в каждом вибраторе импульсы 2), 3), а также 4), 5) сложатся и амплитуда результирующих импульсов удвоится. При этом импульсы тока в вибраторах будут выглядеть примерно так, как показано на эпюрах 2а, б, в. Эпюры на фиг.2 представлены для решетки из трех вибраторов и легко могут быть обобщены для случая любого количества вибраторов. При этом нумерация вибраторов ведется о ребра рефлектора. Эти эпюры построены для случая прихода радиоволны с направления оси антенны вдоль линейки вибраторов. Из фиг.2а, б, в видно, что отрицательные импульсы во всех вибраторах совпадают по времени и эти импульсы тока можно вложить на входе приемника, предварительно выпрямив их диодами 7,8 на выходе фидерных линий каждого вибратора. Положительные импульсы сигналов на выходах фидерных линий каждого вибратора можно отделить от отрицательных с помощью широкополосных диодов 5, 6. После этого их можно задержать с помощью линии задержки 4 таким образом, чтобы один из двух положительных импульсов (например, первый) совпал по времени с выпрямленным отрицательным импульсом. Тогда импульсы тока можно будет сложить по амплитуде на входе приемника. Для этого требуется задержать положительные импульсы соответствующего вибратора на время где - расстояние от первого вибратора до ребра рефлектора; - расстояние между вибраторами решетки; - номер вибратора; - скорость света. Смысл соотношения (2) ясен из эпюр фиг.2а, б, в и геометрии антенны. Для каждого вибратора требуется своя линия задержки соответствующей длины. Эта длина линий задержки определена соотношением (1), которое получено из (2). После задержки положительных импульсов каждого вибратора эти импульсы можно сложить на выходе приемника, а эпюра результирующе го тока на выходе антенной решетки из трех вибраторов показана на фиг.2г. В результате амплитуда импульса тока на выходе приемника возрастет в раз по сравнению с током одиночного вибратора - количество вибраторов решетки), что второе больше, чем у прототипа. Это можно видеть также из фиг.3, где показаны диаграммы направленности предложенной антенны и прототипа в магнитной плоскости. Этот расчетный пример выполнен для сигнала с длительностью импульса и вибраторной антенной решетки из вибраторов, удаленных друг от друга на расстояние от первого вибратора до ребра рефлектора. Как видно из фиг.3 сигнал предложенной антенны втрое превышает амплитуду сигнала в прототипе. У предложенной антенны уже диаграмма направленности, меньше уровень боковых лепестков и больше коэффициент усиления, чем у прототипа с таким же количеством вибраторов. Таким образом, предложенное устройство может быть практически реализовано, а отмеченные выше отличительные признаки являются существенными и принципиально необходимы для реализации этого устройства. Основные элементы предложенного устройства на фиг.1 выполнены следующим образом. Уголковый рефлектор выполнен из проводящего материала, а его размер должен превышать длину вибраторной решетки. Расстояние между вибраторами определено требуемой шириной диаграммы направленности антенны. Расстояние от первого вибратора до ребра рефлектора произвольно, но должно быть больше Длина вибратора где длительность импульса. Фидерные линии 2 выполнены из коаксиальных кабелей одинаковой длины (по два кабеля на каждую линию). Внутренние жилы этих кабелей подсоединены к концам вибратора, а наружные проводящие оболочки этих кабелей экранируют излучение линии, не являются несущими сигнал элементами и могут быть заземлены. Широкополосные диоды 5, 6, 7, 8 должны иметь полосу пропускания не меньше Линии задержки 4 выполнены из отрезков коаксиальных кабелей. При этом для каждого вибратора используется своя линия соответствующей длины. Длины линий задержки сравнительно невелики и приемлемы для практической реализации. Динамика работы предложенного устройства осуществляется следующим образом. Каждый вибратор антенной решетки принимает радиоволны прямых волн и волн, отраженных от рефлектора один и два раза. При каждом отражении полярность импульсов поля радиоволн изменяется. При приходе волны с направления оси антенны каждый вибратор примет по три импульса сигнала, возбуждаемые, одним импульсом приходящих к антенне волны. Два из этих импульсов положительны и один отрицателен (отрицательный импульс соответствует однократному отражению волны от рефлектора). Отрицательные импульсы совпадают по времени во всех вибраторах. Положительные и отрицательные импульсы сигнала на выходе каждой фидерной линии разделяют с помощью широкополосных диодов. После этого положительные импульсы задерживают линиями задержки таким образом, чтобы они совпали по времени с отрицательными импульсами. Совпадающие по времени импульсы от всех вибраторов после выпрямления складывают на входе приемника. Таким образом, предложенная антенна устраняет отмеченные недостатки аналога и прототипа, увеличивает амплитуду сигнала на выходе в три раза по сравнению с прототипом, повышает коэффициент усиления и отношение сигнал/шум на входе приемника.