Антена зі змінною шириною променя

1. Антена зі змінною шириною променя, що містить набір з N, де N>1, лінійних дифракційних решіток, розміщених на циліндричному барабані, лінійний діелектричний хвилевід, розміщений паралельно осі обертання барабана, електромеханічний кроковий привід, датчик положення та пристрій керування, при цьому вихідний вал електромеханічного крокового приводу механічно з'єднаний з барабаном та забезпечує його поворот навколо осі, вихід датчика положення підключений до керуючого входу пристрою керування, а керуючий вхід електромеханічного крокового приводу підключений до керуючого виходу пристрою керування, причому в кожен з моментів часу лінійний діелектричний хвилевід і одна з дифракційних решіток з набору знаходяться в електродинамічному зв'язку у зоні взаємодії і утворюють у просторі один з N променів з набору, лінійний діелектричний хвилевід має подовжній розмір W, відлічува C2 2 UA 1 3 печення стійкої, високошвидкісної і перешкодозахищеної лінії зв'язку між пунктом керування і літальним апаратом на великих і малих відстанях при наявності жорстких обмежень за масою й енергоспоживанням засобів телекерування і телекомунікацій, розміщених на борту літального апарату. У випадку використання слабоспрямованих антен на наземному пункті керування і на БПЛА, наприклад, у дециметровому діапазоні хвиль, через мале посилення антен потрібна значна вихідна потужність передавальних пристроїв, утруднена реалізація високих характеристик лінії зв'язку в перешкодозахищеності і пропускній здатності, виникають протиріччя при виборі типу антени і вихідної потужності передавача БПЛА. При організації ліній зв'язку і керування в мікрохвильовому і міліметровому діапазонах хвиль, при невеликих розмірах можуть бути реалізовані антени з високою спрямованістю. Це, з одного боку, збільшує потенціал лінії зв'язку і поліпшує її перешкодозахищеність, що дозволяє забезпечити стійкий швидкісний зв'язок між об'єктами на великих відстанях, а, з іншого боку, викликає необхідність автоматичного супроводу об'єкта. У випадку використання високоспрямованих антен задача супроводу при високих значеннях тангенціальної складової швидкості руху БПЛА, наприклад, при роботі на порівняно невеликих дистанціях, стає досить складною через високі швидкості супроводу об'єкта і можливості розриву лінії зв'язку через вихід діаграм спрямованості антен наземного і повітряного пунктів із взаємного перетинання, що веде до втрати інформації. При використанні високошвидкісних систем супроводу збільшується складність і вартість лінії зв'язку. Альтернативним варіантом є використання на наземному пункті декількох антен з різними коефіцієнтами підсилення. Зазначені проблеми можуть бути вирішені при використанні на наземному й повітряному пунктах прийому антен зі змінною шириною променя. Тоді найбільше посилення антен наземного пункту і БПЛА може бути реалізоване при роботі на максимальних дистанціях, а в міру зменшення дистанції посилення цих антен повинне зменшуватися, забезпечуючи для лінії зв'язку необхідне відношення сигнал/шум при прийнятних вимогах до кутових швидкостей супроводу. При організації зв'язку в короткохвильовій частині мікрохвильового, чи в довгохвильовій частині міліметрового діапазону хвиль розглянутий тип лінії зв'язку між наземним пунктом керування і БПЛА може забезпечити при малих розмірах приймальнопередавальних антен і всепогодному режимі функціонування високий потенціал системи і реалізацію високих характеристик у пропускній здатності, перешкодозахищеності і гнучкості адаптації (див., наприклад, Report: Development and Operation of UAVs for Military and Civil Applications. // Proceedings of NATO Research and Technology Organization, Neuilly-Sur-Seine (France). 2000. Defense Technical Information Center, http://handle.dtic.mil/100.2/ADA390637). Відома дводзеркальна антенна система зі змінною шириною променя (Patent (US) № 91570 4 6414646, Int.Cl.7 H01Q13/00, Date of Patent Jul. 02 2002, Variable beam and zoom counter beam antenna systems), що містить головне дзеркалорефлектор у вигляді вирізки з параболоїда обертання, допоміжне дзеркало-субрефлектор у вигляді вирізки з еліпсоїда обертання, а також рупорний опромінювач і механізми позиціонування, в якій ширина променя змінюється за рахунок синхронного взаємного зближення/видалення рефлектора і субрефлектора і взаємного видалення/зближення опромінювача і субрефлектора. При цьому взаємний рух елементів антени здійснюється за допомогою відповідних механізмів позиціонування. Позитивною властивістю такої антени є можливість зміни ширини променя в широких межах при збереженні низького рівня побічних пелюстків діаграми спрямованості. Недоліками цього технічного рішення є великі габарити і складність антени, неможливість зміни орієнтації променя в обох площинах без зміни орієнтації всієї антени в цілому. Відомий також пристрій (Patent (US) № 5151706, H01Q3/26, Date of Patent Sept. 29 1992, Apparatus for electronically controlling the radiation pattern of an antenna having one or more beams of variable width and/or direction) для електронного керування діаграмою спрямованості антени з одним чи більшим числом променів змінної ширини і/чи орієнтації, що містить антенну решітку з N (N>1) елементів, розділену на Ρ підрешіток з Μ (Μ>1) елементів кожна, загальне джерело сигналу, розподільник сигналу з одним входом і N виходами, а також засоби для селективного збудження з керованим фазовим зміщенням, принаймні для деяких елементів решіток, з метою формування необхідного розподілу поля вздовж решітки. Позитивною властивістю такої антенної системи є можливість електронного керування просторовим положенням однопроменевої чи багатопроменевої діаграми спрямованості при одночасному керуванні шириною діаграми спрямованості за рахунок уведення керованого фазового зміщення між елементами решіток і вибору числа елементів решіток, що беруть участь у формуванні фазового розподілу поля вздовж розкриву решітки. Недоліком антени є її велика вартість, складність формування і керування променями, великі втрати сигналу в короткохвильовій частині мікрохвильового й у міліметровому діапазоні хвиль. Відома скануюча антенна система (прототип) (A.C. № 1217101 (SU) Сканирующий радиометр для дистанционного зондирования, G01S13/95, Зарег. 08.11.85, Опубл. 1986, Бюл. № 9, - С. 251), що містить основне дзеркало-рефлектор у вигляді вирізки з параболічного циліндра, лінійний діелектричний хвилевід, барабан з Ν (Ν > 1) лінійними дифракційними решітками, кроковий двигун, редуктор і датчик положення. При цьому діелектричний хвилевід встановлений уздовж фокальної осі дзеркала й у кожен момент часу знаходиться в електродинамічному зв'язку з однією з N дифракційних решіток барабана. У режимі прийому випромінювання, що падає на дзеркало, концентрується уздовж фокальної осі параболічного циліндра, проходить крізь лінійний діелектричний хвилевід і 5 розсіюється на лінійній дифракційній решітці, яка також розміщена уздовж фокальної осі дзеркала, у результаті виникає повільна поверхнева хвиля діелектричного хвилеводу, що за певних умов каналюється ним і надходить на його вихід. Зворотні перетворення здійснюються при випромінюванні електромагнітних хвиль антеною - електромагнітне випромінювання, що надходить на вхід діелектричного хвилеводу, утворює поверхневу хвилю хвилеводу, яка розсіюється на лінійній дифракційній решітці і за певних умов випромінюється дзеркалом у простір під кутом . Параметри електромагнітної хвилі й електродинамічної системи пов'язані умовою фазового синхронізму (Андренко С.Д., Девятков Н.Д., Шестопалов В.П., Антенные решетки миллиметрового диапазона волн //Доклады Академии наук СССР, 1978, Том 240, № 6. - С. 1340-1343), при цьому напрямок прийому/випромінювання на частоті f визначається параметрами діелектричного хвилеводу і параметрами дифракційної решітки, а ширина діаграми спрямованості антени Δ пов'язана з подовжнім розміром L дифракційної решітки, що приймає участь у перетвореннях електромагнітного поля, а також обраним кутом відхилення від нормалі до площини апертури антени. Чим більше довжина дифракційної решітки L, тим більш вузьким є промінь у відповідній площині; чим більше , тим менше ефективний розмір дифракційної решітки і більше ширина променя. При роботі такої антени в режимі сканування у зону взаємодії діелектричного хвилеводу з дифракційними решітками за рахунок обертання барабана за допомогою крокового приводу послідовно вводяться дифракційні решітки рівної довжини, але з параметрами, що відрізняються, забезпечуючи стрибкоподібну зміну положення променя антени в просторі за одною з координат , що лежить у площині, яка проходить через фокальну вісь дзеркала. За рахунок відповідного вибору параметрів кожної з N решіток за одне повне обертання барабану можлива орієнтація променя антени послідовно в N незалежних послідовно зміщених просторових положеннях n, що забезпечує перегляд сектора Δ за однією з кутових координат. При цьому огляд простору може здійснюватися або за рахунок лінійного руху носія (літака, штучного супутника Землі (ШСЗ)), або за рахунок додаткового обертання антени навколо осі, що проходить через фокальну площину дзеркала. До позитивних відзнак відомої антени можна віднести порівняно невисокі складність і вартість, високу швидкість огляду (сканування), а також малі втрати сигналу, що розглядається як істотна перевага при створенні радіотехнічних систем у міліметровому діапазоні хвиль. Зазначений тип антени з керованим положенням променя раніше був реалізований у космічній оглядовій радіометричній системі ШСЗ «Космос-1602» (1983 р.), ШСЗ серії «Океан» (1985-1993 р.) і ШСЗ «Січ1» (1995 р.) (Комяк В.А., Левда A.C., Рибин В.В., Шило С.А., Яцевич С.Е. Сканирующий СВЧрадиометр РМ-08 ИСЗ "Січ-1" //Космическая наука и технология, 1998, Т. 4, №2/3, -С. 21-26). До недоліків зазначеної антени, з точки зору вирішення задач керування шириною променя, 91570 6 можна віднести практичну незмінність ширини променя в обох площинах за рахунок вибору однакових і незмінних розмірів решіток за однією координатою (у площині сканування) і незмінності електродинамічних параметрів опромінювача за другою координатою (перпендикулярно до площини сканування). В основу винаходу поставлено задачу удосконалити антену зі змінною шириною променя шляхом зміни як повздовжнього розміру дифракційної решітки відповідальної за формування променя у розкриві антени в заданий момент часу, так і місця її розташування в електродинамічній системі антени, що дозволить формувати в антені в кожний із заданих моментів часу одного променя з їх кінцевого набору, що характеризується одним з Ν (Ν > 1) незалежних станів, причому ці стани відрізняються, принаймні, одним з трьох параметрів, до числа яких відноситься ширина променя за першою кутовою координатою, ширина променя за другою кутовою координатою, а також просторова орієнтація променя за першою кутовою координатою. Поставлена задача вирішується тим, що в антену зі змінною шириною променя, що містить набір з Ν (Ν>1) лінійних дифракційних решіток, розміщених на обертовому барабані, лінійний діелектричний хвилевід розміщений паралельно осі обертання барабана, а також електромеханічний кроковий привід, датчик положення та пристрій керування, при цьому вихідний вал електромеханічного крокового приводу механічно зв'язаний з барабаном, вихід датчика положення підключений до керуючого входу пристрою керування, а керуючий вхід електромеханічного крокового приводу підключений до керуючого виходу пристрою керування, причому в кожному з моментів часу лінійний діелектричний хвилевід і одна з дифракційних решіток з набору знаходяться в електродинамічному зв'язку у зоні взаємодії й утворюють у просторі один з N променів з набору, лінійний діелектричний хвилевід характеризується подовжнім розміром W, відлічуваним уздовж координати X, перший із двох кінців лінійного діелектричного хвилеводу, який характеризується значенням координати Х=0, є входом/виходом антени, а пристрій керування має шину зовнішнього цифрового керування, яка є входом пристрою керування, згідно з винаходом додатково введені рупорний коректор і погоджене навантаження, при цьому погоджене навантаження підключене до другого кінця лінійного діелектричного хвилеводу, який характеризується значенням координати X=W, дифракційні решітки набору відрізняються один від одного або своєю довжиною Ln (W Ln 0), або своїм розташуванням у зоні взаємодії з діелектричним хвилеводом, яке характеризується лінійним зміщенням Sn ((W-Ln) Sn 0) між першим кінцем лінійного діелектричного хвилеводу і ближнім до нього кінцем дифракційної решітки, що знаходиться в зоні взаємодії з діелектричним хвилеводом, а рупорний коректор характеризується поточними значеннями двох його розмірів Нх і Dx у площині ортогональної до координатної осі X при поточному значенні координати (х), що визнача 7 ють, відповідно, висоту стінок рупорного коректора відносно лінійного діелектричного хвилеводу і поперечний розкрив рупорного коректора в цьому перетині. Таке вдосконалення рішення дозволяє в антені зі змінною шириною променя сформувати й оперативно установити один з N променів з їхнього набору при попередньо заданих параметрах кожного з променів в просторовій орієнтації за першою кутовою координатою , ширині променя Δ n за першою кутовою координатою , ширині променя Δφn за другою кутовою координатою Φ за рахунок виконання наступних умов: 1) Просторова орієнтація променя з номером n (Ν n 1) визначається електродинамічними параметрами n-οϊ дифракційної решітки, що знаходиться в конкретний момент часу в зоні взаємодії з діелектричним хвилеводом. Ширина променя Δ n за першою кутовою координатою визначається довжиною решітки Ln. Ширина променя Δφn за другою кутовою координатою Φ визначається зміщенням решітки Sn відносно початку діелектричного хвилеводу, та від узагальнених параметрів профілю рупорного коректора в інтервалі координат між Sn та (Sn+Ln). 2) Решітки на барабані встановлюються у довільному порядку, що дозволяє при повороті барабана реалізувати будь-який бажаний і попередньо встановлений закон зміни параметрів променя в його просторовій орієнтації за координатою , ширині променя Δ n за просторовою координатою , ширині променя Δφn за просторовою координатою Ф. 3) Зміна параметрів променя n, Δ n, Δφn здійснюється оперативно за рахунок односпрямованого чи реверсного повороту барабана навколо своєї осі, що забезпечує швидке керування антеною і зміну параметрів променя в режимі наведення чи супроводу. 4) У разі потреби огляду простору за другою просторовою координатою Ф, такий огляд може бути реалізований відомим способом за рахунок установки розглянутої антени зі змінною шириною променя на керованій платформі з кутами повороту ±180° за координатою Ф. 5) Максимальна спрямованість антени (мінімальна ширина променя), у залежності від розв'язуваної задачі може бути реалізована: за координатою за рахунок вибору максимальної довжини лінійного діелектричного хвилеводу W і максимальної довжини решітки Ln=W; за координатою Ф: а) безпосередньо за рахунок вибору параметрів Нх і Dx профілю рупорного коректора; б) за рахунок використання відомих принципів стиску променя при установці розглянутої антени зі змінною шириною променя узгоджено уздовж фокальної осі додаткового дзеркала-рефлектора у вигляді вирізки з параболічного циліндра, або узгоджено уздовж фокальної осі додаткової циліндричної діелектричної лінзи. Для пояснення винаходу нижче приводиться конкретний приклад його реалізації з посиланням на прикладені креслення. 91570 8 На Фіг.1 зображені основні елементи антени зі змінною шириною променя. На Фіг.2 схематично зображена електродинамічна система антени зі змінною шириною променя для однієї дифракційної решітки з набору, встановленої в зоні взаємодії з діелектричним хвилеводом. Антена зі змінною шириною променя містить набір з Ν (Ν>1) лінійних дифракційних решіток 1-n (Ν n 1), розміщених на барабані 2, лінійний діелектричний хвилевід 3, розміщений паралельно осі обертання барабана 2, електромеханічний кроковий привід 4, датчик положення 5, пристрій керування 6, рупорний коректор 7 і погоджене навантаження 8, причому привід 4 механічно зв'язаний з барабаном 2 та забезпечує його поворот навколо осі, вихід датчика положення 5 підключений до керуючого входу пристрою керування 6, а керуючий вхід електромеханічного крокового приводу 4 підключений до керуючого виходу пристрою керування 6, при цьому в кожен з моментів часу лінійний діелектричний хвилевід 3 і одна з дифракційних решіток 1-n з набору знаходяться в електродинамічному зв'язку у зоні взаємодії й утворюють у просторі один з N променів з набору, лінійний діелектричний хвилевід 3 характеризується подовжнім розміром W, відлічуваним вздовж координати X, перший із двох кінців лінійного діелектричного хвилеводу характеризується значенням координати Х=0 і є вхідом/вихідом антени, пристрій керування 6 має шину зовнішнього цифрового керування, що є входом пристрою керування 6, погоджене навантаження 8 підключене до другого кінця лінійного діелектричного хвилеводу 3 і цей кінець характеризується значенням координати X=W, дифракційні решітки 1-n набору відрізняються одна від одної або своєю довжиною Ln (W Ln 0), або своїм положенням у зоні взаємодії та характеризуються лінійним зміщенням Sn ((WLn) Sn 0) між першим кінцем лінійного діелектричного хвилеводу 3 і ближнім до нього кінцем дифракційної решітки 1-n, що знаходиться в зоні взаємодії, а рупорний коректор 7 характеризується поточними значеннями двох його розмірів Нх і Dx у площині, ортогональної до координатної осі X при поточному значенні координати (х), що визначають, відповідно, висоту стінок рупорного коректора 7 відносно лінійного діелектричного хвилеводу 3 та поперечний розкрив рупорного коректора 7 у цьому перетині. В якості пристрою керування 6 може бути використаний будь-який пристрій керування кроковим двигуном, що забезпечує початкову ініціацію й установку зовнішнього електромеханічного крокового приводу 4 у задане положення, в залежності від сигналу зовнішнього датчика положення 5, і пряме/реверсне позиціювання зовнішнього електромеханічного приводу 4, у залежності від значення цифрового коду, встановлюваного на вході (наприклад, рівнобіжного двоїчного коду). В якості рупорного коректора 7 може бути використане відоме технічне рішення, що полягає в обрамленні випромінюючої/приймальної лінійної хвильоводної структури рупорним розтрубом із двома подовжніми стінками, що забезпечує плав 9 не узгодження хвильоводної структури з навколишнім простором і формування діаграми спрямованості необхідної ширини в площині ортогональній хвильоводній структурі. Відмінною рисою рупорного коректора 7 у пропонованій антені зі змінною шириною променя є плавна зміна профілю розтруба поздовжньо як за висотою стінок, так і за відстанню між стінками в розкриві рупора. При цьому параметри профілю Нх і Dx можуть змінюватися як за лінійним законом, так і за нелінійним законом вздовж діелектричного хвилеводу (за координатою (х)) з метою оптимізації набору променів за необхідним значенням ширини діаграми спрямованості Δφn за координатою Ф. В якості погодженого навантаження 8 може бути використане будь-яке технічне рішення, що забезпечує узгодження хвильоводного тракту і поглинання електромагнітної енергії, що дійшла до другого кінця діелектричного хвилеводу у випадку, якщо обрана довжина дифракційної решітки 1-n не дозволяє забезпечити 100 % перетворення поверхневих хвиль в об'ємні в розглянутій електродинамічній структурі. Антена зі змінною шириною променя працює в такий спосіб. При початковій ініціації (включенні пристрою керування 6) пристрій керування 6 на своєму керуючому виході формує багатофазну послідовність прямокутних імпульсів, число фаз якої відповідає числу фаз крокового двигуна електромеханічного приводу 4, у результаті чого барабан 2 починає обертатися навколо своєї осі. При спрацьовуванні датчика положення 5 пристрій керування 6 припиняє вироблення імпульсів на своєму керуючому виході і барабан 2 зупиняється. При цьому в зону взаємодії з діелектричним хвилеводом 3 введена одна з решіток 1-n з набору з N решіток (наприклад, перша решітка n=1 із тридцяти двох, при N=32), яка характеризується набором параметрів: довжиною дифракційної решітки L1, її зміщенням S1 щодо першого кінця діелектричного хвилеводу 3, а також електродинамічними параметрами решітки (періодом гребенів, шириною гребенів, глибиною западин і т.і.). При взаємодії діелектричного хвилеводу 3 та зазначеної решітки 1-1, що знаходиться в зоні взаємодії, при роботі антени на приймання/передачу виникає просторовий промінь, орієнтація якого 1 за кутовою координатою залежить від параметрів дифракційної решітки і частоти випромінювання, ширина променя Δ 1 за кутовою координатою визначається довжиною решітки L1, а ширина променя Δφ1 за кутовою координатою Φ визначається узагальненими значеннями параметрів Нх і Dx профілю рупорного коректора 7 в інтервалі координат вздовж осі (х) між S1 та (S1+L1). Цей промінь формується 91570 10 на протязі як завгодно довгого періоду часу, поки на керуючий вхід пристрою керування 6 не надійде керуючий сигнал у вигляді цифрового коду, що характеризує інший номер решітки (наприклад, решітки з номером 8), яку необхідно встановити в зону взаємодії з діелектричним хвилеводом 3. Під дією цього цифрового коду (наприклад, у вигляді рівнобіжного двоїчного коду 00100 у п'ятирозрядній шині керування, який характеризує номер решітки n=8), що надійшов на вхід пристрою керування 6, останній на своєму керуючому виході попочинає виробляти багатофазну послідовність імпульсів необхідної структури і тривалості, забезпечуючи поворот барабана убік збільшення номера решітки; у результаті в зону взаємодії з діелектричним хвилеводом 3 уводиться дифракційна решітка з номером 8, яка характеризується іншим набором електродинамічних параметрів, довжиною L8 і зміщенням S8. При цьому при роботі на приймання/передачу в антені зі змінною шириною променя виникає просторовий промінь, орієнтація якого 8 за кутовою координатою залежить від параметрів дифракційної решітки і частоти випромінювання, ширина променя Δ 8, за кутовою координатою визначається довжиною решітки L8, а ширина променя Δφ8 за кутовою координатою Φ визначається узагальненими значеннями параметрів Нх і Dx профілю рупорного коректора 7 в інтервалі координат вздовж осі (х) між S8 і (S8+L8). Цей промінь формується на протязі як завгодно довгого періоду часу, поки на керуючий вхід пристрою керування 6 не надійде новий керуючий сигнал у вигляді цифрового коду, що характеризує інший номер решітки (наприклад, решітки з номером 4 чи 25), після чого цикл роботи антени зі змінною шириною променя повторюється. Протягом кожного із зазначених тимчасових інтервалів часу антена може здійснювати додатково або: а) механічне переміщення (наприклад, за рахунок руху носія), або б) обертання навколо додаткової осі (наприклад, за рахунок установки на обертовій платформі), забезпечуючи огляд простору за кутовою просторовою координатою Ф. Без зміни спільності пропонованого технічного рішення до складу антени зі змінною шириною променя може бути додатково введені, або: а) дзеркало-рефлектор у вигляді вирізки з параболічного циліндра, або б) циліндрична діелектрична лінза. У цьому випадку ширина променів Δφn за кутовою координатою Φ буде визначатися розподілом поля, яке буде сформовано в поперечному перерізі дзеркала-рефлектора 9 (чи параболічної лінзи 10) за допомогою рупорного коректора 7 для кожного n-го променя антени в залежності від профілю рупорного коректора 7 в інтервалі координат вздовж осі (х) між Sn та (Sn+Ln). 11 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 91570 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