Плазмова антенна решітка для передавання та приймання електромагнітних хвиль

Реферат: Винахід належить до пристроїв передавання та приймання електромагнітних (ЕМ) хвиль, які переносять інформацію або ЕМ енергію на деяку відстань. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення відомого пристрою передавання та приймання ЕМ хвиль у напрямку забезпечення можливості корегування і зменшення відстані та електромагнітного взаємовпливу між антенами решітки (АР), що дозволяє скоротити площину, на якій розташована АР, та зменшити масу її основи і за рахунок цього підвищити ефективність, розширити область застосування при зменшенні вартості реалізації цього пристрою. Задача вирішується тим, що у відомому пристрої під назвою антенна решітка, що містить розміщені на загальній основі антени, які з'єднано із джерелом або приймачем корисного електромагнітного сигналу, кожну антену виконано плазмовою або електронно-вакуумною, а введене джерело струму, як і джерело або приймач корисного електромагнітного сигналу, відповідно з'єднано із введеними електродами та збуджувачем кожної антени через введені комутатори, які також з'єднано між собою. UA 109710 C2 (12) UA 109710 C2 UA 109710 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв передавання та приймання електромагнітних (ЕМ) хвиль, які переносять інформацію або ЕМ енергію на деяку відстань. Відомий пристрій передавання й приймання ЕМ хвиль відповідно винаходу (див., наприклад, патент: Фазированная антенная решетка с центральным возбуждением, РФ, № 2070759, H01Q3/26, 20.12.1996), який включає вибір антен, відстані між ними, збудження антенної решітки електромагнітним сигналом та контроль радіотехнічних параметрів антен, які розміщені на спільній основі і з'єднані із джерелом або приймачем електромагнітного сигналу. У патенті описано спосіб і пристрій створення фазованої антенної решітки (ФАР), яка містить лінійні випромінювачі, виходи яких з'єднані зі входами керованих фазообертачів, багатоканальний хвилевідний розподільник потужності, виходи якого з'єднані з направленими відгалужувачами, виконаними у вигляді отворів зв'язку та з'єднаними з виходами керованих фазообертачів, і хвилевідний сумарно-різницевий міст. Недоліком відомого пристрою передавання та приймання ЕМ хвиль, заснованого на застосуванні ФАР, є наявність обмеження на регулювання та скорочення відстані між антенами решітки, яке складає половину довжини хвилі робочого частотного діапазону, що не дає можливості скорочувати відстань між антенами решітки і отже регулювати та зменшувати площину та масу основи, на якій розташована ФАР і скорочувати довжину НВЧ фідерів між антенами решітки та передатчиком або приймачем ЕМ хвиль і отже не дозволяє знижувати вартість реалізації цього пристрою. Крім того, недоліком відомого пристрою є наявність суттєвого ЕМ взаємовпливу між антенами решітки, що приводить до ускладнення методу та технології узгодження комплексних вхідних опорів кожної антени решітки з передавачем або приймачем у тому числі при різних кутах сканування ФАР і отже підвищує вартість реалізації цього пристрою. З відомих пристроїв найбільш близьким до заявленого за технічною сутністю пристрою передавання та приймання ЕМ хвиль відповідно винаходу є патент Японії JP 2010 148025 А, 01.07.2010, де описано пристрій передавання та приймання електромагнітних хвиль, який включає створення іонізованого газу у вигляду плазми у діелектричній оболонці - антени з відповідними електродами та збуджувачами електромагнітних хвиль, які встановлено на спільній основі як вказано на близькій відстані, з окремими джерелами створення плазмового середовища в діелектричних оболонках плазмових антен та зі спільним джерелом збудження електромагнітних сигналів. Вказано також на зниження поверхні розсіювання запропонованою антеною. У пристрої використовується декілька конденсаторів для розв'язання електричних кіл джерел створення плазмового середовища і високочастотного джерела електромагнітних хвиль та для запобігання високовольтному пробою між силовими електричними колами пристрою. Недоліком відомого пристрою передавання та приймання ЕМ хвиль є фіксоване розташування антен як вказано переважно на близької відстані між собою, що не забезпечує можливості сканування діаграми направленості (ДН) антенної решітки та обмежує галузі застосування, особливо при необхідності маневрування. Це також не забезпечує спроможності корегування площини та маси основи, на якій розташовано антени і отже не дозволяє підвищувати ефективність та знижувати вартість реалізації цього пристрою. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення відомого пристрою передавання та приймання ЕМ хвиль, в якому введенням нових елементів та їх зв'язків забезпечується можливість управління скануванням променів антенної решітки (АР) шляхом керування діаграмами направленості та електромагнітним впливом між антенами при скороченні площини та миси антенної решітки, захисту від радіолокаціоного розпізнавання і, за рахунок цього, розширення діапазону функціонального призначення, особливо при необхідності маневрування. Задача вирішується тим, що у відомому пристрої під назвою плазмова антенна решітка для передавання та приймання електромагнітних хвиль, що включає плазмові антени з відповідними електродами та збуджувачами електромагнітних хвиль, які встановлено на спільній основі на відстані між собою, джерело формування плазмового середовища, передавач-приймач електромагнітних хвиль, згідно з винаходом, джерело формування плазмового середовища з'єднано з електродами кожної антени через введений комутатор формування плазмового середовища, а передавач-приймач електромагнітних хвиль підключено до збуджувачів кожної антени через введені та послідовно з'єднані комутатор корисного сигналу і діаграмоутворювальний блок, з можливістю взаємодії комутаторів і в період сканування променів антенної решітки. На фіг. 1 наведено структурно-функціональну схему основи запропонованого пристрою під назвою антенна решітка. На фіг. 2 наведено загальний вигляд першого варіанта запропонованого пристрою, де антени АР установлено на металевому диску. 1 UA 109710 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фіг. 3 наведено загальний вигляд другого варіанта запропонованого пристрою, де антени АР установлено на металевій пластині. У заявленому пристрої, основу якого наведено на фіг. 1 показана структурно-функціональна схема з'єднання плазмових антен 1 зі збуджуючими, наприклад, НВЧ елементами 2, які встановлено на диску 3, на відстані між собою та підключення антен до пристрою 4 управління роботою антенної решітки. Збуджуючі елементи 2 електрично з'єднані з діаграмоутворюючим та узгоджуючим блоком 5 та з приймачем або передавачем 7 корисного сигналу телекомунікації через введений комутатор корисного сигналу 6. Джерело формування плазмового середовища 8 електричне з'єднане через введений комутатор формування плазмового середовища 9 з електродами 10, які герметично закріплено на кінцях антен 7 з можливістю взаємодії комутаторів 6 і 9 і в процесі роботи пристрою. На фіг. 2 наведено перший варіант загального вигляду пропонованої АР з несиметричних вібраторних петльових плазмових антен 1 зі збуджуючими, наприклад, НВЧ елементами 2, встановлених на металевому диску 3 на відстані між собою. Усі антени решітки з'єднані з пристроєм 4 управління роботою запропонованої АР. На фіг. 3 наведено другий варіант загального вигляду пропонованої АР з плазмових антен 1 зі збуджуючими, наприклад, НВЧ елементами 2, встановлених на металевій пластині 3 на відстані між собою. Усі антени решітки з'єднані з пристроєм 4 управління роботою запропонованої АР. У заявленому пристрої, основу якого наведено на фіг. 1, показана структурнофункціональна схема з'єднання плазмових антен 1, які являють собою холодну плазму газового розряду під зниженим барометричним тиском в діелектричних оболонках антен зі збуджуючими, наприклад, НВЧ елементами 2 на диску 3 на відстані між собою та підключення їх до пристрою 4 управління роботою антенної решітки. Збуджуючі елементи 2 електрично з'єднано з діаграмоутворюючим та узгоджуючим блоком 5 та з приймачем або передавачем 7 корисного сигналу телекомунікації через введений комутатор корисного сигналу 6. Джерело формування плазмового середовища 8 електрично з'єднане через введений комутатор 9 з електродами 10, які герметично закріплено на кінцях антени 1 з можливістю взаємодії комутаторів 6 і 9 і в процесі роботи пристрою. Тобто взаємодія двох введених комутаторів для забезпечення управління діаграмою направленості решітки - комутатора джерела формування плазмового середовища та комутатора корисного сигналу з діаграмоутворювальним блоком - виконується відповідно завчасно виданим часовому періоду та вихідним даним для збудження та випромінювання АР, які вводяться в комп'ютерний пристрій управління 4 ДН антенної решітки. Один з комутаторів - комутатор напруги джерела формування плазмового середовища, наприклад, матричний комутатор силових сигналів з електронним управлінням типу АПЕ - 2085, та другий - комутатор корисного НВЧ сигналу, наприклад АЕЕ - 2025 з електронним управлінням, дозволяють одержати вказані нові технічні результати. Управління комутацією комутаторів здійснюють, наприклад, програмно через інтерфейс USB або дистанційно через мережевий інтерфейс 10/100BASE-T (LAN). На фіг. 2 наведено перший варіант загального вигляду пропонованої АР з несиметричних плазмових вібраторних петльових антен 1 висотою И приблизно у чверть довжини робочої хвилі зі збуджуваними, наприклад, НВЧ елементами 2, встановлених на відстані між собою L на металевому диску 3 діаметром D. Диск 3 виконує функцію механічної основи для закріплення антен решітки і функцію є імітатором корпусу будь-якого транспортного засобу або може виконувати функцію автономної панелі - антенної решітки, наприклад, закріпленої на космічному апараті. Усі антени решітки з'єднані з пристроєм управління 4 роботою даної АР. Звичайно, як правило, у техніці металевих антенних решіток, мінімально припустима відстань L між антенами не повинна бути менше, ніж половина довжини робочої хвилі. При меншій відстані в АР з металевих антен виникають проблеми значного підвищення ЕМ взаємовпливу між антенами АР, що негативно впливає на вхідний опір кожної антени, їх коефіцієнт стоячої хвилі за напругою (КСХН) і ДН антенної решітки. Для доведення того факту, що ЕМ взаємовплив між плазмовими або електронновакуумними антенами запропонованого способу та АР менше ЕМ взаємовпливу між антенами відомих АР, виконаних на основі металу, наводимо приклад порівняльної оцінки ЕМ взаємовпливу між антенами АР (фіг. 2), виконаними з плазми та алюмінію для двох варіантів відстані між антенами АР: L1=0,5 λ, L2=0,25 λ, де λ - довжина хвилі робочої частоти АР. Притому спочатку визначаємо комплексний вхідний опір кожної антени решітки Z BX=RBX ±іХBX й потім при відомому цьому опору для забезпечення зручності кількісного порівняння вхідних опорів плазмових та металевих антен, визначаємо його відповідний модуль для кожної антени 2 UA 109710 C2 5 2 2 AP : Zв х  Rв х  Хв х . Це значення характеризує у дійсному вигляді комплексний вхідний опір кожної антени решітки. При проведенні оцінки були використані наступні вихідні дані: робоча частота 2 ГГц, висота Н антени 0,2 λ, діаметр металевого диска 0,5 м. Плазмові антени мають 12 -3 такі параметри: щільність електронів 10 см , температура електронної компоненти плазми або 4 направленого потоку електронів Т=10 K, питома провідність плазми дорівнює 0,06 См/м, а відносна діелектрична проникність мінус 75. На відміну від плазмової антени питома провідність . 7 антени з алюмінію складає приблизно 3,5 10 См/м, а відносна діелектрична провідність дорівнює одиниці. Результати визначення вхідних опорів плазмових та алюмінієвих антен та їх модулів наведено у таблиці 10 Таблиця Комплексні вхідні опори плазмових та алюмінієвих антен (Zвx) та відповідні їм модулі вхідних опорів Zв х для різної відстані (L1 і L2) між антенами плазмової та алюмінієвої АР L 0,5 λ 0,25 λ Параметр Zв х Плазмова антена 5,93+і37,5 Алюмінієва антена 37,1-і74,5 Zв х 37,9 83,2 Zв х 9,47+і26,5 90,4-і151,8 Zв х 28,1 176,9 На основі даних цієї таблиці визначаємо за нижчезазначеними звичайними формулами (1) і (2) відносну зміну значення модуля вхідного опору кожної антени плазмової та алюмінієвої АР залежно від зміни відстані L між антенами з 0,5 λ до 0,25 λ. 15 ПА  ZВХ ПА L  0,5  ZВХ ZВХ ПА ПА L  0,25 L  0,5 * 100 % , (1) де ZВХ ПА L  0,5 і ZВХ ПАL  0,25 - модулі вхідних опорів плазмових антен для відстані між ними L  0,5 і L  0,25 , відповідно.  АЛ  ZВХ АЛ L  0,5  ZВХ ZВХ АЛ АЛ L  0,5 L  0,25 * 100 % , (2) де 20 25 30 35 АЛ АЛ ZВХ L  0,5 і ZВХ L  0,25 - модулі вхідних опорів алюмінієвих антен для відстані між ними L=0,5 λ і L=0,25 λ, відповідно. Після підстановки у формули (1) і (2) значень модулів вхідних опорів Zв х наведеної таблиці, нами одержані наступні результати ПА  25,6%, і  АЛ  113% , відповідно, що свідчить про те, що зменшення у 2 рази відстані L між антенами, плазмової АР, яка реалізує запропонований спосіб набагато менше впливає на комплексні вхідні опори плазмових антен, ніж коли антени є алюмінієві. Це також підтверджує те, що ЕМ взаємовплив між антенами запропонованої плазмової АР набагато менший, ніж ЕМ взаємовплив між антенами алюмінієвої АР. На фіг. 3 наведено другий варіант загального вигляду заявленої АР з плазмових або електронно-вакуумних вібраторних антен 1 зі збуджуючими елементами 2, встановлених на пластині з металу 3 на висоті Н, на відстані між собою L. Пластина 3 виконує функцію механічної основи для закріплення антен решітки і функцію електричної противаги для забезпечення нормальної роботи АР. Крім того, пластина 3 є імітатором корпусу будь-якого транспортного засобу або може виконувати функцію автономної панелі - антенної решітки, наприклад, закріпленої на космічному апараті. Звичайно, як правило, у техніці антенних решіток мінімально припустима відстань L між антенами не повинна бути менше ніж половина довжини робочої хвилі. При меншій відстані виникають проблеми значного підвищення взаємовпливу між антенами АР, який пагубно впливає на вхідний опір кожної антени, їх КСХН і ДС. Усі антени решітки з'єднані з пристроєм 4 управління роботою даної АР. Результати порівняльних досліджень ЕМ взаємовпливу між антенами плазмової та алюмінієвої АР, яка встановлена на 3 UA 109710 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пластині (фіг. 3), є аналогічними результатам досліджень АР на диску (фіг. 2), викладеним вище. При реалізації заявленого пристрою попередньо задають з використанням, наприклад, комп'ютерної програми, амплітуди і фази сигналів на входах (виходах) антен для отримання заданих ДН решітки (напрямок променю та коефіцієнт підсилення ДН) її кутів сканування, часовий період і відомі вихідні дані для збудження та випромінювання антенної решітки з використанням діаграмоутворювального блока 5 (ДСТУ 3801-98. Антени. Терміни та визначення, розд. 10). З урахуванням заданих параметрів формують плазмове середовище в кожній антені 1 і визначають відстань між антенами 1 решітки, Відповідно створюють холодну плазму газового розряду в середині антен-трубок 1 (фіг. 1) завдяки наявності різниці потенціалів між електродами 10, які з'єднано з джерелом формування плазмового середовища 8 через введений комутатор формування плазмового середовища 9, які розташовано, наприклад, всередині корпуса мобільного об'єкта, на якому розташовано АР. Визначають параметри щільності електронів у антенах 1 шляхом вимірювання значень напруги на електродах 10 та струму в електромережі між джерелом формування плазмового середовища 8, комутатором формування плазмового середовища 9 та електродами 10 кожної антени 1 за допомогою звичайних приладів вимірювання напруги та струму джерела напруги 8. Переконуються, що щільність електронів в антенах 1 знаходиться у заданому інтервалі. У відповідності з цими даними і з урахуванням деякого часового запізнювання при створенні плазмового середовища в антенах в комп'ютерну програму пристрою керування роботою АР 4 вводять вихідні дані за відповідними періодами створення плазмового середовища в антенах. Також використовується корегування відстані між антенами решітки відповідно вимогам до КСВН і ДН антенної решітки. Після чого формують електромагнітний сигнал, наприклад, НВЧ діапазону та передають до збуджувачів 2 антен 1, використовуючи передавач 7 (або його імітатор, наприклад, лабораторний НВЧ генератор) через комутатор корисного сигналу 6 та діаграмоутворювальний блок 5. Антени 1 починають випромінювати цей сигнал у чому переконуються шляхом експериментального контролю радіотехнічних параметрів антен 1 решітки відповідно вимогам ДН та КСХН (ДСТУ 3801-98) за допомогою звичайних радіотехнічних засобів та пристроїв вимірювання, наприклад, Р2-53 тощо й доводять їх до заданого інтервалу. Також шляхом контролю доводять до заданого інтервалу радіотехнічний параметр діаграму направленості АР, користуючись відомими засобами та методами, наприклад з використанням ехобоксу. Потім ці параметри узгоджують разом з параметрами щільності електронів у антенах І доводять параметри щільності електронів у антенних трубках 1 (фіг. 1, фіг. 2 та фіг. 3) і радіотехнічні параметри до заданого значення, користуючись для визначення щільності відомими методами контролю напруги та струму між електродами 10 кожної антенної трубки 1. Одночасно визначають та контролюють відстань між антенами 1. Корегування відстані між плазмовими антенами решітки можливо завдяки визначеному новому несподіваному позитивного ефекту зменшення електромагнітного взаємовпливу між плазмовими антенами решітки у порівнянні з решіткою з металевих антен, що дає можливість корегувати відстань між плазмовими антенами решітки в більш широких межах. Таким чином, запропонована антенна решітка готова до роботи для приймання та передавання електромагнітних сигналів. Перед початком роботи подають живильну напругу на усі складові блоки АР, які завчасно знаходяться у вихідному нульовому стані. При роботі АР введені комутатор корисного сигналу 6 разом з діаграмоутворювальним блоком 5 узгоджено взаємодіють із введеним комутатором джерела формування плазмового середовища 9 згідно загального алгоритму і комп'ютерної програми пристрою 4 управління роботою АР як показано пунктирною лінією на фіг. 1. Потім в комп'ютерну програму пристрою керування роботою АР вводять вихідні дані за періодами часу роботи і номерами однієї або декількох антен решітки, які слід активізувати. Позитивною якістю запропонованого пристрою, є те, що в ньому запропоновано вдосконалення відомого пристрою в напряму забезпечення корегування та зменшення відстані між антенами решітки на величину менше ніж половину довжини робочої хвилі у наслідок формування антен решітки на основі холодної плазми. Це дозволяє зменшити електромагнітний взаємовплив між антенами решітки, що у свою чергу дає спроможність зменшувати площину, на якій розташована АР і отже масу її основи. Також скоротити довжину НВЧ фідерів між антенами та діаграмоутворювальним блоком. Отже, дозволяє підвищити ефективність, розширити галузі застосування і зменшити вартість реалізації цього пристрою. Запропонований пристрій для його реалізації можна кваліфікувати як нове ефективне науково-технічне рішення задачі забезпечення передачі та приймання ЕМ хвиль у різних умовах застосування. Це рішення може знайти застосування у таких галузях науки і техніки як 4 UA 109710 C2 5 радіолокація, телекомунікації, передача ЕМ енергії на деяку відстань тощо, у тому числі у ряду відомих малогабаритних антен. Пристрій, що заявляється, крім того має безумовну перевагу по таких характеристиках, як менший електромагнітний взаємовплив між антенами, менша поверхня розміщення антен АР та ФАР на основі, і унаслідок менша маса, ширша галузь застосування та більша ефективність використання, що знижує вартість його реалізації в цілому. Пристрій, що заявляється, пройшов дослідження з позитивними результатами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Плазмова антенна решітка для передавання та приймання електромагнітних хвиль, що включає плазмові антени з відповідними електродами та збуджувачами електромагнітних хвиль, які встановлено на спільній основі на відстані між собою, джерело формування плазмового середовища, передавач-приймач електромагнітних хвиль, який відрізняється тим, що джерело формування плазмового середовища з'єднано з електродами кожної антени через введений комутатор формування плазмового середовища, а передавач-приймач електромагнітних хвиль підключено до збуджувачів кожної антени через введені та послідовно з'єднані комутатор корисного сигналу і діаграмоутворювальний блок, з можливістю взаємодії комутаторів і в період сканування променів антенної решітки. 5 UA 109710 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6