Кільцева антенна решітка

1. Кільцева антенна решітка, яка містить N еквідистантно розташованих по колу антенних елементів, N фазообертачів, N атенюаторів, суматор і блок керування, вихід якого з'єднаний з керуючими входами фазообертачів і атенюаторів, ви C2 2 (19) 1 3 89946 4 лінійно й неперервно обертається за азимутом в тенних елементів, N фазообертачів, N атенюатоплощині розташування антенних елементів решітрів, суматор і блок керування, вихід якого з'єднаки, без використання складного антенного комутаний з керувальними входами фазообертачів і атетора з механічними обертовими елементами. нюаторів, а вихід кожного фазообертача Недоліками відомого технічного рішення є обпідключений до входу відповідного атенюатора, межений діапазон робочих частот, недостатньо згідно з винаходом, введені Μ блоків перемноженвисокий коефіцієнт спрямованої дії і відсутність ня, де Μ дорівнює числу сполучень з N антенних можливості сканування діаграми спрямованості у елементів по два, (М - Ν) фазообертачів і (М - Ν) вертикальній площині (за кутом місця). атенюаторів, причому виходи атенюаторів підклюПрототипом до пропонованого технічного річені до входів суматора. Кожний блок перемношення є кільцева антенна решітка, яка містить 4N ження з'єднаний виходом з входом відповідного антенних елементів, які розташовані по колу еквіфазообертача, а першим і другим входами - з видистантно, 4N фазообертачів, 4N атенюаторів, три ходом m-го і q-го антенних елементів відповідно, матричні комутатори, чотири суматори, чотири при цьому: сумарно-різницевих блоки та блок керування. Коm = 1, 2...,N; жна i-та група антенних елементів, яка включає i-й, q = p+1; (1) (i+N)-й; (і+2N)-й і (i+3N)-й антенні елементи, через де: p - залишок від ділення (m + n - 1) на Ν; послідовно з'єднані фазообертач і атенюатор підn = 1, 2, ...,L; ключена до входів і-го матричного комутатора, L – неповна частка від ділення N навпіл. виходи якого з'єднані з відповідними входами У кільцевій антенній решітці, згідно з винахопершого, другого, третього і четвертого суматорів. дом, кожний антенний елемент доцільно з'єднати з Виходи першого і другого суматорів з'єднані з вхоблоками перемноження через розгалужувач сигдами першого сумарно-різницевого блока, а вихоналу, який має один вхід для з'єднання з антенним ди третього і четвертого суматорів - з входами елементом і 2L виходів, причому виходи з номедругого сумарно-різницевого блока. До входів трерами 1, 2, ..., L з'єднані з першими входами відпотього сумарно-різницевого блока підключені друвідних блоків перемноження, а виходи з номерами гий вихід першого і перший вихід другого сумарно(L + 1), (L + 2), ..., 2L – з другими входами відповірізницевих блоків, а до входів четвертого - перший дних блоків перемноження. вихід першого і другий вихід другого сумарноВведення до складу кільцевої антенної решітрізницевих блоків. Виходи третього і четвертого ки блоків перемноження в кількості, що дорівнює сумарно-різницевих блоків є виходами кільцевої числу сполучень з N антенних елементів по два, і антенної решітки. Блок керування з'єднаний з кесполучення входів кожного блока перемноження з рувальними входами фазообертачів і атенюаторів виходами двох різних антенних елементів дозвоі містить цифровий обчислювач фаз для визналило, спочатку попарно перемножить сигнали, що чення просторового набігання фаз по заданому прийняті антенними элементами, а потім провести напряму фазування та запам'ятовуючий пристрій обробку сигналів, одержаних в результаті передля зберігання інформації щодо різних поправок множення, за фазою і амплітудою. Завдяки цьому (патент Російскої Федерації №2019006, опубл. пропонована кільцева антенна решітка має діаг30.08.94, кл. МПК: Η01Q3/26). раму спрямованості, ідентичну діаграмі спрямоваУ прототипі забезпечено формування сумарності багатокільцевої антенної решітки, що містить но-різницевої діаграми спрямованості в двох взаL концентричних кілець по N антенних елементів, у ємно перпендикулярних площинах. якій діаграма спрямованості кожного антенного Недоліками прототипу, як і вищезгаданих анаелемента являє собою діаграму спрямованості логів, є обмежений діапазон робочих частот, недопари неспрямованих антенних елементів. У такій статньо високий коефіцієнт спрямованої дії і склабагатокільцевій антенній решітці антенні елементи дність конструкції, зумовлена використанням зовнішнього кільця утворені парами сусідніх анантенних елементів у кількості, кратній чотирьом, тенних елементів вихідної однокільцевої антенної та надмірною кількістю блоків обробки сигналів. решітки, антенні елементи наступного, меншого за Згідно з принципом роботи пристрою, оброблені за розміром кільця, - з пар антенних елементів однофазою і амплітудою сигнали від антенних елеменкільцевої решітки, узятих через один і т.д. Є відотів розподіляються матричними комутаторами так, мим, що багатокільцеві антенні решітки мають що кожним з чотирьох суматорів підсумовуються вищий коефіцієнт спрямованої дії в більш широсигнали, прийняті 1/4 частиною антенних елеменкому діапазоні робочих частот, ніж однокільцеві тів кільцевої решітки. Отже, можна вважати, що (див. Г.З. Айзенберг та ін. Коротковолновые анпрототип є еквівалентом чотирьох ідентичних кітенны, М., "Радио и связь", 1985г., с.404). Суттєве льцевих антенних решіток, які мають по N антенпокращання технічних характеристик пропонованих елементів і однаковий радіус кільця. ної кільцевої антенної решітки досягається без Задачею винаходу є створення кільцевої анускладнення її конструкції. тенної решітки, в якій за рахунок введення нових Суть винаходу пояснюється кресленнями: блоків обробки сигналів та нових зв'язків між блоФіг.1 - функціональна схема кільцевої антенної ками пристрою, було б забезпечено підвищення решітки, приклад виконання з п'ятьма антенними коефіцієнта спрямованої дії антенної решітки в елементами; широкому діапазоні робочих частот. Фіг.2 - графік залежності відносного рівня бічПоставлена технічна задача вирішується тим, них пелюсток діаграми спрямованості від відносної що до складу кільцевої антенної решітки, яка місдовжини хвилі /R, побудований за результатами тить N еквідистантно розташованих по колу анматематичного моделювання; 5 89946 6 Фіг.3 - графік залежності коефіцієнта спрямоБлоки кільцевої антенної решітки можуть бути ваної дії (КСД) кільцевої антенної решітки від відреалізовані відомим чином на базі стандартних елементів за відомими схемами. носної довжини хвилі /R, побудований розрахунКожний розгалужувач 6–10 сигналу може бути ковим шляхом (див. Г.З. Айзенберг та ін., побудований на основі пасивних елементів розгаКоротковолновые антенны. М., "Радио и связь", лужування, або на основі активних елементів роз1985г., с.400 - 404). галужування; останні забезпечують узгодження У конкретному прикладі здійснення винаходу вихідних імпедансів антенних елементів 1-5 і вхід(див. Фіг.1) кільцева антенна решітка містить п'ять них імпедансів відповідним їм блоків 11-20 переантенних елементів 1-5, п'ять розгалужувачів 6-10 множення. сигналу, десять блоків 11-20 перемноження, деКожний блок 11-20 перемноження являє сосять фазообертачів 21-30, десять атенюаторів 31бою широкосмуговий двохканальний лінійний пом40, суматор 41 і блок 42 керування. Антенні еленожувач, на виході якого формується добуток сигменти 1-5 еквідистантно розташовані по колу радіналу, що надходить на його перший вхід, на усом, наприклад, 20м. Кількість блоків перемнокомплексно спряжене значення сигналу, що надження, фазообертачів і атенюаторів дорівнює ходить на його другий вхід, і може бути побудовачислу сполучень з п'яти елементів по два і розраний, наприклад, на чотирьох інтегральних мікросховано за відомою формулою хемах AD835 фірми Analog Devices за відомою N! 2 M C схемою (див. Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшин, N 2! (N 2)! Μ.Η. Поляк. Цифровая обработка сигналов. М. Вихід кожного антенного елемента 1-5 з'єдна"Радио и связь". 1985г., с.173, схема 7.4, у якій ний з входом відповідного йому розгалужувача 6вхід x1 є другим входом блока перемноження). 10 сигналу. Кожний розгалужувач 6-10 сигналу має Фазообертачі 21-30 можуть бути виконані у вичотири виходи (L дорівнює неповній частці від дігляді відрізків кабелю або у вигляді штучних ліній, лення п'яти на два, тобто L=2, 2L=4). При цьому комутація яких може здійснюватись, наприклад, за перший і другий виходи кожного розгалужувача 6допомогою ріп-діодів, керованих командами блока 10 сигналу, тобто виходи з номерами 1 і 2, з'єднані 42 керування. з першими входами відповідних блоків 11-20 пеЯк атенюатори 31-40 можуть бути використані ремноження, а третій і четвертий виходи, тобто цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП), номенклавиходи з номерами 3 і 4, - з другими входами відтура яких широко представлена виробниками елеповідних блоків 11-20 перемноження. ктронних приладів. При цьому вхідний сигнал поДо першого і другого входів кожного блока 11дається на вхід опорної напруги ЦАП. 20 перемноження через відповідний розгалужувач Суматор 41 може бути побудований на основі 6-10 сигналу підключені виходи i-го і q-го антенних операційного підсилювача за типовою схемою. елементів відповідно. Пари антенних елементів Блок 42 керування може бути виконаний, наобрані так: m послідовно набуває значення 1, 2, 3, приклад, у вигляді обчислювача із запам'ятовую4 і 5, a q розраховується за формулою (1). чим пристроєм (на кресленнях не приведений), у Таким чином, у кільцевій антенній решітці, що якому зберігаються табульовані значення модуля зображена на Фіг.1, антенний елемент 1 через Imn і фази φmn складових Μ - вимірного вагового розгалужувач 6 сигналу з'єднаний з першими вховектора А. Табульовані значення модуля Imn і фази дами блоків 11 і 12 перемноження і з другими вхоφmn попередньо розраховані для дискретних знадами блоків 18 і 19 перемноження; антенний елечень аргументів, якими є довжина хвилі , азимут мент 2 через розгалужувач 7 сигналу - з першими і кут місця β. Значення фази φmn розраховані, входами блоків 13 і 14 перемноження і з другими наприклад, за формулою: входами блоків 11 і 20 перемноження; антенний елемент 3 через розгалужувач 8 сигналу - з пер(2) (2m n)) cos ; mn 2kR sin n sin( шими входами блоків 15 і 16 перемноження і з k 2 / - хвильове число; де: другими входами блоків 12 і 13 перемноження; R - радіус кільцевої антенної решітки; антенний елемент 4 через розгалужувач 9 сигналу / N - половина центрального кута між - з першими входами блоків 17 і 18 перемноження і з другими входами блоків 14 і 15 перемноження; двома сусідніми антенними елементами; антенний елемент 5 через розгалужувач 10 сигнаm = 1, 2, ..., N; лу - з першими входами блоків 19 і 20 перемноn = 1, 2, ..., L; ження и з другими входами блоків 16 і 17 переL - неповна частка від ділення N навпіл. Знамноження. чення модуля Imn визначені, наприклад, за умови Вихід кожного блока 11-20 перемноження виконання одного з відомих критеріїв отримання з'єднаний з входом відповідного фазообертача 21оптимальної діаграми спрямованості (див. ТИИЭР, 30, вихід якого з'єднаний з входом відповідного т. 56, 1968, №11, с.54 - 55). атенюатора 31-40. Виходи атенюаторів 31-40 з'єдПрацює кільцева антенна решітка так. нані з входами суматора 41, вихід якого є виходом Вхідні сигнали у вигляді хвиль від джерела ракільцевої антенної решітки. діосигналів, приймаються антенними елементами Вихід блока 42 керування з'єднаний з керува1-5, на виходах яких формуються відповідно склальними входами фазообертачів 21-30 і атенюатодові S1–S5 N - вимірного сигнального вектора S рів 31-40. (для кільцевої антенної решітки з п'ятьма антенними елементами - п'ятивимірного сигнального вектора S), які через розгалужувачі 6-10 сигналу 7 89946 8 подаються на перший і другий входи блоків 11-20 (на кресленнях не наведений) табульовані знаперемноження. На виході кожного з блоків 11-20 чення фази φmn і модулів Imn складових десятивиперемноження формується складова Μ – вимірномірного вагового вектора А. При цьому, табулього вектора S, тобто десяти-вимірного вектора S, вані значення фази φmn які були попередньо яка є добутком пари сигналів від m-го і q-го антенобчислені за формулою (2), подаються на керуваних елементів 1-5: льні входи фазообертачів 21-30 для здійснення необхідного зсуву фази, а табульовані значення (3) Smn( 0 , 0 ) Sm ( 0 , 0 )S * ( 0 , 0 ) , q модулів Imn які подаються на керувальні входи атенюаторів 31-40, використовуються для їх атеде: Smn ( 0 , 0 ) - вихідний сигнал mn-го блонюації. ка перемноження; В результаті на виході кожного з атенюаторів Sm ( 0 , 0 ) i Sq ( 0 , 0 ) - m-та і q-та складо31-40 формується сигнал, який є добутком відпові п'ятивимірного сигнального вектора S, які надходять, відповідно, на перший і другий входи mnго блока перемноження; 0 і 0 – відповідно азимут і кут місця хвилі, що надходить на антенні елементи 1–5; * - знак комплексного спряження. Для кільцевої антенної решітки з п'ятьма антенними елементами, здійснюється обчислення десяти добутків складових десятивимірного вектора S: S11( 0 , 0 ) S1( 0 , 0 )S * ( 0 , 0 ) 2 * S12 ( 0 , 0 ) S1( 0 , 0 )S 3 ( 0 , 0 ) * S 21( 0 , 0 ) S 2 ( 0 , 0 )S 3 ( 0 , 0 ) S 22 ( 0 , 0 ) S 2 ( 0 , 0 )S * ( 0 , 0 ) 4 *( , ) S 31( 0 , 0 ) S 3 ( 0 , 0 )S 4 0 0 * S 32 ( 0 , 0 ) S 3 ( 0 , 0 )S 5 ( 0 , 0 ) * S 41( 0 , 0 ) S 4 ( 0 , 0 )S 5 ( 0 , 0 ) * S 42 ( 0 , 0 ) S 4 ( 0 , 0 )S1 ( 0 , 0 ) * S 51( 0 , 0 ) S 5 ( 0 , 0 )S1( 0 , 0 ) S 52 ( 0 , 0 ) S 5 ( 0 , 0 )S * ( 0 , 0 ) 2 Подальша обробка складових десятивимірного вектора S ведеться відомим чином за допомогою десяти кіл послідовно з'єднаних фазообертачів 21-30 і атенюаторів 31-40. Залежно від заданої довжини хвилі і напряму головної пелюстки діаграми спрямованості, який визначається величинами азимуту і кута місця β, блоком 42 керування зчитуються із запам'ятовуючого пристрою відних складових десятивимірного вектора S і десятивимірного вагового вектора А. Вихідні сигнали атенюаторів 31-40 подаються на входи суматора 41, на виході якого формується вихідний сигнал кільцевої антенної решітки за формулою: L N * (4) E , S mn ( 0 , 0 )A mn ( , ) n 1m 1 Для підтвердження отримання технічного результату були побудовані графік залежності відносного рівня бічних пелюсток Εб/Ег (де Ег і Εб - амплітуда головної і бічної пелюсток діаграми спрямованості) від відносної довжини хвилі /R (див. Фіг.2) і графік залежності коефіцієнта спрямованої дії кільцевої антенної решітки від відносної довжини хвилі /R (див. Фіг.3). На графіках (див. Фіг.2 і Фіг.3) цифрою 1 позначено криву, побудовану для прототипу, а цифрою 2 - для винаходу. Графік на Фіг.2 свідчить, що відносний рівень бічних пелюсток діаграми спрямованості пропонованого винаходу не перевищує величини 0,4 в діапазоні відносних довжин хвиль /R від 0,5 до 3, тоді як відносний рівень бічних пелюсток діаграми спрямованості прототипу в діапазоні відносних довжин хвиль /R від 1,25 до 3 завжди дорівнює 0,4, а при відносних довжинах хвиль /R менших від 1,25 є неприпустимо великим і перевищує 0,67. Цим доводиться розширення робочого діапазону частот у порівнянні з прототипом. Графік на Фіг.3 свідчить про підвищення коефіцієнта спрямованої дії в пропонованому винаході на 6-4 дБ порівняно з прототипом. 9 89946 10 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 89946 Підписне 12 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