Спосіб розв’язки між передавальним і приймальним модулями антенної системи

Спосіб розв'язки між передавальним і приймальним модулями антенної системи, який полягає в тому, що передають і приймають електромагнітні сигнали, у тому числі одночасно, за паралельними напрямками, з однаковою поляризацією та ідентичними спектрами, розташованими поруч передавальним і приймальним модулями антенної системи, на C2 2 81652 1 3 устройства СВЧ. - М.: Высш. шк., 1998. - 432с.]. Причиною, що перешкоджає застосуванню цього способу досягнення розв'язки в радіосистемах ближнього радіуса дії, є необхідність припинення радіо-прийому на час випромінювання сигналів передавальною антеною. Це призводить до утворення "мертвої" зони, у якій радіосистема не може виконувати свої функції. Крім того, включення між виходом приймальної антени і входом приймача комутуючих елементів призводить до збільшення шумів і до зменшення енергії корисних сигналів на вході приймача і, як наслідок, зменшує енергетичний потенціал радіосистеми. Відомий спосіб забезпечення розв'язки між передавальним і приймальним модулями антенної системи, який полягає в тому, що передають і приймають електромагнітні сигнали, у тому числі одночасно, за паралельними напрямками, з однаковою поляризацією та ідентичними спектрами, на виході приймальної антени (вихідних клемах) зменшують амплітуду відгуку, обумовленого безпосереднім впливом поля передавального модуля, шляхом віддалення передавальної антени від приймальної в просторі [наприклад, Пат. США, №5896102, МКИ G01S 13/18, 1999]. При цьому очевидно, що чим більша поділяюча антени відстань, тим більш глибока розв'язка може бути досягнута. Причиною, що перешкоджає застосуванню цього способу досягнення розв'язки в радіосистемах, є вимога компактності радіосистеми. Для радіосистем ближнього радіуса дії рознесення антен на велику відстань одна від іншої може призводити до погіршення їхніх технічних характеристик [Копылов Ю.А., Орленко А. А. Особенности определения координат локальних приповерхностных объектов бистатическим георадаром // Вісн. ХНУ ім. В.Н. Каразіна. Радіофізика та електроніка. - 2002. №544. вип. 1, X., близьким Найбільш С.206-211]. до способу, що заявляється, є спосіб розв'язки, реалізований у парі широкосмугових антен з малим взаємним зв'язком [Пат. США, №6031504, МКИ Н01Q 13/02, 2000], що полягає в тому, що передають і приймають електромагнітні сигнали, у тому числі одночасно, за паралельними напрямками, з однаковою поляризацією та ідентичними спектрами, розташованими поруч передавальною і приймальною антенами, на виході приймальної антени (вихідних клемах) зменшують амплітуду відгуку, обумовленого безпосереднім впливом поля передавального модуля, за допомогою поділяючих антени вставок, що екранують електромагнітне поле. Запропоновано використовувати розміщені поруч широкосмугові рупорні антени, що водночас випромінюють і приймають сигнали в одній і тій самій смузі частот у тому самому секторі кутів з однаковою поляризацією, як передавальну і приймальну антени. До антен додані клиноподібні поглинаючі стінки й екрани, розташовані між передавальним і приймальним рупорами. Це має забезпечити малий зв'язок між антенами. Шляхом введених екранів і поглинаючих стінок автору вдалося послабити вплив ближнього електромагнітного 81652 4 поля антени, що випромінює, на елементи конструкції приймального модуля і забезпечити послаблення прямого зв'язку між антенами до 55дБ у смузі частот від 5,5ГГц до 6,1ГГц. Причиною, що перешкоджає застосуванню цього способу досягнення розв'язки, є погіршення екранування при зменшенні нижньої частоти в спектрі сигналу. Щоб забезпечити розв'язку і на низьких частотах, потрібно збільшувати габарити антени. Це обмежує область застосування даного способу. Крім того, при дуже великих рівнях потужності сигналу, що збуджує передавальну антену, можливі перегрів і погіршення властивостей поглинаючих стінок, що екранують, а також виникнення нелінійних перекручувань сигналу. Недоліки прототипу обумовлені тим, що поблизу його передавальної антени не існує області простору, в якій у процесі випромінювання електромагнітного поля передавальною антеною напруженість поля, що збігається за поляризацією і смугою частот з випромінюваним полем, дорівнювала б нулю. Це пов'язано з тим, що при збудженні одиночного випромінювача в оточуючому його просторі напруженість електромагнітного поля змінюється неперервно від максимального значення (в області збудження випромінювача) до величини, обумовленої ослабленням, що залежить від умов поширення, але ніколи не рівної нулю. В основу винаходу поставлено задачу в способі розв'язки між передавальним і приймальним модулями антенної системи шляхом застосування принципу повної взаємної компенсації компонент електромагнітного поля, що можуть індукувати струм у приймальній антені при збудженні передавальної антени, забезпечити відсутність відгуку у вигляді електричного сигналу, безпосередньо індукованого передавальною антеною в приймальній антені (тобто забезпечити глибоку частотно-незалежну розв'язку) у тому числі і за умов збігу випромінюваних і прийнятих сигналів за поляризацією, напрямком, смугою частот і часом існування, а також у випадку використання надширокосмугових імпульсних сигналів, за полярністю прийнятого сигналу забезпечити можливість визначення, з якої саме із півсфер прийшов сигнал у приймальну антену. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі розв'язки між передавальним і приймальним модулями антенної системи, який полягає в тому, що передають і приймають електромагнітні сигнали, у тому числі одночасно, за паралельними напрямками, з однаковою поляризацією та ідентичними спектрами, розташованими поруч передавальним і приймальним модулями антенної системи, на виході приймального модуля антенної системи (вихідних клемах приймальної антени) зменшують амплітуду відгуку, обумовленого безпосереднім впливом поля передавального модуля антенної системи, відповідно до винаходу синхронно збуджують електричними сигналами, рівними за абсолютною величиною і взаємно протилежними за полярністю у будь-який момент часу, пару або більше однієї пари антен, які утворюють 5 передавальний модуль антенної системи і розташовані симетрично щодо однієї і тієї ж площини, причому конструкція однієї з антен кожної пари дзеркально симетрична конструкції іншої антени з цієї ж пари й амплітудно-частотні і фазо-частотні характеристики однієї з антен кожної пари такі ж, як в іншої антени з цієї ж пари, у площині симетрії передавального модуля антенної системи, представленого цими парами антен, незалежно від ширини частотного спектру сигналу компенсують напруженість поля, сформованого однією з антен кожної пари, напруженістю поля іншої антени з цієї ж пари, приймають сигнал за допомогою однієї або більше приймальних антен плоско-симетричної конструкції, які утворюють приймальний модуль антенної системи і розташовані так, щоб їхні площини симетрії, що проходять через вихідні клеми кожної з приймальних антен, збігалися з площиною симетрії передавального мо-дуля. Суть винаходу пояснюється ілюстраціями. На фіг.1 схематично зображено антенну систему. На фіг.2 зображено тривимірну діаграму спрямованості парного передавального модуля. На фіг.3 зображено тривимірну діаграму спрямованості приймальної антені. На фіг.4 схематично зображено ряд приймальних антен і пару передавальних антен. На фіг.5 схематично зображено дві приймальні антени і три пари передавальних антен. На фіг.6 схематично зображено розташування векторів поляризації диполів передавального модуля і точки спостереження в площині симетрії передавального модуля. На фіг.7 зображено залежність сумарної напруженості електричного поля уздовж напрямку, перпендикулярного площині симетрії передавального модуля, для різних моментів часу. На фіг.8 зображено розподіли сумарної напруженості електричного поля в площині, яка вміщує диполі передавального модуля і перпендикулярна площині симетрії передавального модуля, для різних моментів часу. На фіг.9 зображено розподіли сумарної напруженості електричного поля в площині, яка перпендикулярна диполям передавального модуля і перпендикулярна площині симетрії передавальногорозв'язку для Щоб забезпечити глибоку модуля, між передавальним і приймальним модулями антенної різних моментів часу. системи, передавальний модуль антенної системи складають із двох однакових парціальних антен, наприклад, двох електричних диполів G1 і G2 (фіг.1). У прямокутній системі координат OXYZ подовжні осі диполів G1 і G2 орієнтують, наприклад, уздовж напрямку ОZ. Диполі розташовують на відстані 2h один від іншого дзеркально симетрично щодо координатної площини YOZ, що відстоїть на відстані h від осей обох парціальних антен. Забезпечують синхронне збудження парціальних антен передавального модуля, що знаходяться по різні боки від площини симетрії, електричними сигналами, рівними за абсолютною величиною в будь-який момент часу, але взаємно протилежними за знаком. Наприклад, збудження парціальних антен передавального модуля 81652 6 електричними сигналами може здійснюватися від загального джерела сигналів G із симетричним виходом 1-2 за допомогою симетричної фідерної лінії. При такому способі збудження антен G1 і G2 передавального модуля напруженість компонент електричного поля, що належать площині YOZ, дорівнює нулю в будь-який момент часу при збудження сигналами з будь-якою часовою залежністю. Плоскосиметричну приймальну антену S1 (диполь) розміщують у площині YOZ і підключають вихідними клемами 3 і 4 до вхідних ланцюгів приймача S (фіг.1). Через рівність нулю компонент вектора напруженості електричного поля в цій площині на вихідних клемах 3 і 4 приймальної антени S1 ЕРС, наведена електромагнітним полем, випроміненим антенами передавального модуля, також дорівнює нулю, навіть якщо приймальну антену орієнтувати уздовж напрямку OZ і розмістити поблизу передавальних антен G1 і G2. Відстань 2h між парціальними антенами передавального модуля визначає діаграму спрямованості передавальної антени і її ефективність випромінювання (наприклад, [Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антеннофидерные устройства. - М.: Сов. радио, 1974. 536с.)]. На фіг.2 зображена розрахована діаграма спрямованості передавальної антени для випадку, коли 2h=l/2, де l довжина хвилі випромінюваного поля (несучої). Оскільки парціальні антени збуджуються протифазно, при обраному значенні 2h максимуми діаграми спрямованості знаходяться в напрямках, паралельних осі ОХ. При 2hl/2 діаграма спрямованості стає багатопелюстковою. При випромінюванні НШС імпульсного електромагнітного поля варто зіставляти 2h із просторовою тривалістю випромінюваного імпульсу - с×t, де с - швидкість світла, t - тривалість імпульсу. Максимальну напруженість поля така передавальна антена випромінює в напрямках, паралельних осі ОХ при 2h³с×t. У площині YOZ завжди буде матиантени Діаграма спрямованості приймальної місце нульове значення амплітуди випромененого поля. відповідає діаграмі диполя (фіг.3). Така всеспрямована в площині XOY діаграма приймальної антени забезпечує прийом сигналів не тільки з напрямку передачі, що може бути використане в деяких зв'язних системах. Відсутність зв'язку між передавальною і приймальною антенами означає, що можна нарощувати потужність сигналу, що збуджує, без ризику вивести з ладу чуттєві вхідні ланцюги приймача. Таким чином, застосовуючи запропонований спосіб, збільшують енергетичний потенціал радіосистеми при будь-яких параметрах випромінюваних і прийнятих сигналів. Глибока частотно-незалежна розв'язка між передавальною і приймальною антенами збережеться в антенній системі, якщо як приймальну антену використовувати не одиночний диполь S1 (як показано на фіг.1), а кілька диполів, розташованих у площині YOZ. На фіг.4 зображено 7 81652 8 варіант пропонованого способу, у якому (3) r æ 1 dp 1 d2p ö r r елементами приймально-передавальної антенної H= ç × + 2 × 2 ÷× s×n ç c × R2 dt c × R dt ÷ системи є плоскі широкосмугові диполі. G1 і G2 - є 0 0 è ø r передавальними антенами. Диполі S1, S2, ... Sn утворюють приймальну антенну решітку, де n де R0 - радіус-вектор з початком у точці r кількість приймальних антен. При цьому розташування диполя ( r0 ) і кінцем у точці енергетичний потенціал радіосистеми може бути спостереження о(х, у, z); збільшений у n1/2 разів, і приймальна антена має властивість прийому, який є селективним за = ( x - x )2 + ( t - y )2 + ( x - z )2 R0 0 0 0 модуль напрямком. радіус-вектора; x0, y0, z0 - координати центра Крім того, незалежно від того, чи збільшена r кількість приймальних антен, запропонований r R n= 0 спосіб припускає також і можливість збільшення R0 - одиничний вектор; c - швидкість диполя, кількості передавальних антен (фіг.5). Диполі S1, світла, система СГСМ. S2 утворюють приймальну антенну решітку, а пари Розглянемо найпростішу модель антенної диполів G1 і G2, G3 і G4, G5 і G6 - передавальну системи, складеної з диполів Герца. Для цього антенну решітку. Щоб зберегти глибоку розв'язку виберемо прямокутну систему координат з ортами між передавальною і приймальною антенами в r r r передавальний модуль випромінюючі антени i , j , k , що мають одиничну довжину і додають парами і розташовують дзеркально спрямовані уздовж осей ОХ, OY і OZ відповідно. З симетрично щодо площини YOZ, у якій обох сторін від початку координат на осі ОХ знаходяться приймальні антени. Передавальні розмістимо два диполі так, щоб відстані від антени, які знаходяться по різні сторони від початку координат до диполів дорівнювали h площини симетрії, збуджують електричними (фіг.6). Відповідні радіус-вектори положень центрів сигналами, рівними за абсолютною величиною в r r r r будь-який момент часу, але взаємно диполів r1 = -h × i , r2 = h × i . Припустимо, що зміна протилежними за знаком. При цьому енергетичний зарядів у часі відбувається синхронно, тобто r r потенціал радіосистеми може бути збільшений у m разів, де m - кількість пар передавальних антен. p1(t)=p 2t. Вектори s1 і s2 , що визначають Заявлений винахід реалізують таким чином. напрямок поляризації кожного з диполів, зв'яжемо r r r r Нехай електричний диполь Герца (фіг.6), співвідношеннями s1 = k і s2 = -k . Тоді з (1) розташований у точці з координатами кінця r випливає: вектора r0 , із зарядами, що коливаються в r s, напрямку, який задається вектором r r r r характеризується вектором електричної P1(r, t '1 ) = p( t'1 ) × d( r - r1) × k r r r r r поляризації r r r r (1) P( r , t ) p( t ) × d( r - r0 ) × s = (4) P2 (r, t '2 ) = p( t'2 ) × d( r - r2 ) × ( -k) r r p( t ) - функція часу; d( r - r0 ) - дельта R R де r t'1 = t - 1 t'2 = t - 2 функція Дірака. Найбільш загальний вираз для c , c . R1 - вектор з де електромагнітного поля, випромененого диполем початком у точці O1(h, 0, 0) і кінцем у точці Герца, наведений в роботі (Борн M., Вольф Э. спостереження O(x, y, z) довжиною Основи оптики. М.: Наука, 1976. - 856с.). r r r R1 = ( x - h)2 + y 2 + z 2 ; R2 - вектор з початком у Електрична E і магнітна H компоненти поля, точці O2(–h, 0, 0) і кінцем у точці спостереження випромененого диполем Герца, представляються 2 2 2 виразами O(х, у, z) довжиною R 2 = ( x + h ) + y + z . При 2 ö r r r æ 3 ×p ÷ ç 3 d p dp 1 r r E= ç + × + × ÷ × (s × n) × t '1 = t'2 одержуємо P1 = -P2 . ç R 3 c × R 2 dt c 2 × R0 dt 2 ÷ ø è 0 0 (2) æ 2p ö r r ç p Результат інтерференції полів таких диполів: d ÷ dp 1 1 ×n - ç + × + × r r r r r r ÷×s ç R3 c × R 2 dt c 2 × R0 dt 2 ÷ ES = E1 + E2 HS = H1 + H2 0 0 è ø і одержуємо, використовуючи (2) і (3) [ ] r æ 3 × p (t ' ) 1 dp( t'1 ) 1 d2p( t'1 ) ö r 1 d2p( t'1 ) ö r r r æ p( t'1 ) 1 + 3 × dp( t'1 ) + ÷ × (k × n ) × n ç ÷ ×k × + × + × ES = ç 1ç 2 2 2 ÷ 3 2 2 ç R3 dt dt c × R1 c × R1 dt2 ÷ c × R1 c × R1 dt 1 è ø è R1 ø 2 ö r æ æ 3 × p(t' ) r 3 dp( t'2 ) 1 d2p(t' 2 ) ö r r 2 + ÷ × (k × n2 ) × n2 + ç p( t'2 ) + 1 × dp( t'2 ) + 1 × d p(t'2 ) ÷ × k -ç × + 2 × ç R3 ç R3 dt dt c × R2 c × R2 dt 2 ÷ c ×R2 c2 ×R 2 dt 2 ÷ 2 2 2 ø ø è 2 è (5) , 9 81652 10 æ æ 1 dp(t '1 ) 1 d2p(t '1 ) ö 1 d2p(t '2 ) ö ÷ × [k × n ] ÷ × [k × n ] - ç 1 × dp(t '2 ) + HS = ç × × + 2 × 1 ç 2 2 2 2 2 ç c ×R ÷ dt dt c × R1 dt c × R2 dt 2 ÷ 1 è c × R2 ø è ø r r Розглянемо структуру полів ES і HS в площині YOZ. У цій площині x=0, і, отже, R1=R2=Ryz, де Ryz = h2 + y2 + z2 . Крім того, у Ryz t '1 = t '2 = t' yz = t + c , r r r r z (k × n1) = (k × n2 ) = Ryz , площині YOZ також r r 2×h r n1 - n 2 = ×i R yz , r r r r 2×h r k × n1 - k × n2 = ×j R yz . Отже, вирази (5) і (6) можемо записати у вигляді [ ][ ] æ 3 × p(t ' yz ) r d2p( t 'yz ) ö 2 × z × h r dp( t' yz ) 1 3 ÷× + × + 2 × ×i ESyz = ç ç R3 dt c × Ryz dt 2 ÷ R2 c × R2 yz yz yz è ø æ 1 r dp(t'yz ) d2p(t'yz ) ö 2 × h r 1 ÷× HSyz = ç × + × ×j ç c ×R 2 dt c 2 × R yz dt2 ÷ R yz yz è ø (7) (8) Вирази (7) і (8) показують, що два протифазно збуджувані диполі, розташовані симетрично щодо площини YOZ (фіг.6), створюють у площині YOZ поле, електрична компонента якого має тільки Еx складову, а магнітна -тільки Ну складову. Це означає, що в будь-якому плоскому провіднику, розташованому в площині YOZ, розглянута пара диполів не може індукувати струм, а внаслідок цього, розміщена в площині YOZ приймальна антена не буде приймати поле, що виходить з антен передавального модуля. По суті, у будь (6) який момент часу відбувається взаємна і повна компенсація електричних складових тангенціальних до площини YOZ електромагнітних полів, створюваних елементами передавального модуля. По формулі (5) розраховані залежності напруженостей електричного поля ЕS на осі ОХ для різних моментів часу при збудженні передавального модуля гаусовим імпульсом (фіг.7). Імпульси поля, випромінювані в протилежних напрямках, мають взаємно протилежну полярність. Завдяки взаємній компенсації полів у площині симетрії антенної системи, побудованої з використанням пропонованого способу, при x=0 амплітуда імпульсу поля завжди дорівнює нулю. Наявність нульової напруженості тангенціальної складовий електричного поля в площині YOZ ілюструють також фіг.8 і фіг.9, які показують розподіли напруженості електричних полів у площинах YOX і ZOX в різні моменти часу при збудженні передавального модуля гаусовим спосіб розв'язки Теоретично запропонований імпульсом. між передавальним і приймальним модулями антенної системи дозволяє одержати повну частотно-незалежну розв'язку. Практично глибину розв'язки визначає точність симетрії конструкції антенної системи в цілому, у тому числі, з урахуванням симетричності фідерних ланцюгів і елементів кріплення. 11 81652 12 13 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 81652 Підписне 14 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