Кругова скануюча решітка імпульсного збудження з керованою полярністю та часом затримки збудження

1. Кругова скануюча решітка імпульсного збудження з керованою полярністю та часом затримки збудження, що містить плоску діелектричну основу з розташованим на ній тонким металевим шаром, зовнішній край якої виконаний у вигляді кола, а також містить вузол живлення, систему збудження та випромінюючі елементи решітки, яка 3 затримки збуджуючого імпульсу у вигляді радіальних розрізів (щілин) в зазначеному тонкому металевому шарі, в центрі якого розміщений вузол живлення. При чому радіальні розрізи виконані розширеними від вузла живлення до випромінюючого краю. Ширина щілин підібрана за умов забезпечення в вузлі живлення узгодження хвильового опору (50 Ом) розрізу та фідера, що підводить, а з випромінюючого боку ширина щілин підібрана за умов забезпечення узгодження хвильового опору (377 Ом) з повітряним середовищем. Технічний результат. За рахунок застосування щілинних антен, що розширюються у якості елементів решітки з можливістю керування полярністю і часом затримки короткого імпульсного сигналу, що збуджує, реалізується можливість створювати динамічну кругову діаграму спрямованості з різною кількістю незалежних максимумів в різних напрямах. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: Фіг. 1. Кругова решітка з РЩА. Фіг. 2. Збуджуючий імпульс. Фіг. 3. Схема експериментального вимірювання просторово-часових характеристик кругових решіток з РЩА. Фіг. 4. Діаграма спрямованості для збудження типу + - + - + - + - (а - розрахунок, б - експеримент) Фіг. 5. Діаграма спрямованості для збудження типу + - - + + - - + (а - розрахунок, б - експеримент). Фіг. 6. Діаграма спрямованості для збудження типу + - + - + - + - (а - розрахунок, б - експеримент). Фіг. 7. Діаграма спрямованості для збудження типу + - + - + - + - з лінійною часовою затримкою ∆ = Т/3 Фіг. 8. Діаграма спрямованості для збудження типу + - + - - + - + з лінійною часовою затримкою ∆ = Т/3 симетрично відносно середини решітки. Решітка складається з набору щілинних антен, що розширюються, 1 із загальною діелектричною підкладкою 2 і незалежним збудженням антенних елементів (Фіг. 1), де для кожного антенного елемента представляється можливим керування як полярністю імпульсу, що збуджує, так і часом затримки. Окремо кожен антенний елемент є металевим тонким шаром, розташованим на діелектричній підкладці з щілиною, що прорізана в цьому металевому шарі. Щілина розширюється від місця живлення до краю випромінювання. Ширина щілини підібрана таким чином, щоб в точці збудження забезпечувалося узгодження з фідером (хвильовий опір щілині складає 50 Ом на частоті 3ГГц і відповідає ширині щілини 0.1 мм), що підводить сигнал, а з випромінюючого боку ширина щілини забезпечує узгодження з повітряним середовищем (хвильовий опір 377 Ом на середній частоті смуги частот імпульсу 3ГГц ширини щілини складає 26 см). В цілому антена є диском з набором радіальних розрізів з розміщенням вузла живлення в центрі диска (Фіг. 1). Дана антена відрізняється порівняно невеликими розмірами, простотою виготовлення і малими матеріалозатратами. Решітка працює в імпульсному режимі, що за 58105 4 безпечує ряд переваг в порівнянні з антенними системами монохроматичного режиму роботи. Серія відео імпульсів подається з генераторів крізь лінії збудження та прилад керування полярністю та часом затримки імпульсів на кожен антенний елемент решітки. Сумарний сигнал випромінений антенною системою складається з сигналів, що випромінені елементами решітки. За рахунок застосування коротких імпульсних сигналів забезпечується висока роздільна здатність завдяки малої просторової тривалості імпульсу (від одиниць до десятків сантиметрів). Так само представляє цінність висока проникаюча здатність імпульсів в різні середовища. Крім того, для радіозв'язку важлива висока інформативність імпульсних сигналів, коли за малий час забезпечується передача/прийом більшої кількості параметрів, ніж для монохроматичного сигналу. Також відеоімпульсні сигнали відрізняються високою перешкодозахищеністю, економічним використанням частотного ресурсу і підвищеною скритністю. Тому, пропонована антенна система з круговим випромінюванням імпульсного сигналу може бути ефективно використана у вказаних випадках. Приклад застосування корисної моделі. Експериментальний зразок мав наступні параметри: товщина мідного шару - 0.1 мм, що нанесено на підкладку із склотекстоліту товщиною 1 мм з діелектричною проникністю =4.25. Елементи решіток збуджувалися Гаусовим імпульсом тривалістю 1 нс на нульовому рівні з піковою амплітудою 25 В (Фіг. 2). При розрахунках спектр сигналу, що збуджує, визначався за допомогою перетворень Фур’є. Для кожної спектральної складової розглядалося випромінювання всіх кругових решіток з РЩА у разі збудження монохроматичним сигналом відповідної частоти. При цьому поверхня антени розбивалася на елементи, розміри яких визначаються розмірами найменшої неоднорідності антени, де для кожного елемента вважалося, що розподілення струму по її поверхні однорідне. Тоді поле випромінювання такого елемента знаходиться методом моментів і є системою лінійних рівнянь, а поле випромінювання решіток визначається суперпозицією полів випромінювання від всіх елементів розбиття [5, 6]. Експериментальні вимірювання проводилися на установці, блок-схема якої представлена на Фіг. 3. Сигнали від блока генераторів (ГЕН) по коаксіальному фідеру з хвильовим опором 50 Ом подавалися на елементи решітки [7]. При цьому схема генератора виконана таким чином, що дозволяє керувати часом затримки збудження імпульсів на антенних елементах за допомогою спеціального блока керування (БК). Імпульсні сигнали випромінюються антенами, що створюють решітку (А1) і приймаються приймальною антеною (А2), виконаною у вигляді щілинної антени, що розширюється, з параметрами, що забезпечують ефективний прийом в смузі частот 0.5-5 ГГц, що відповідає спектру імпульсного сигналу, що збуджує. Далі сигнал по коаксіальній провідній лінії потрапляє на стробоскопічний осцилограф (СО) з робочою смугою частот від 0 до 10 ГГц. Осцилограф має квад 5 ратичний детектор, здатний детектувати сигнал тривалістю до 0.1 наносекунди. Далі сигнал з осцилографа оцифровується на аналоговоцифровому перетворювачі (АЦП) з наступними параметрами: число розрядів - 10 (1024 значення), число каналів - 16, вхідний сигнал - уніполярний 0..10 В або біполярний ±10 В, максимальна частота перетворення - 285 кГц, запуск - зовнішній або програмний. АЦП керується спеціально розробленою програмою, яка дозволяє проводити одночасне спостереження і запис заданої кількості значень (до 32000) по заданій кількості каналів (до 16) із заданою частотою перетворення. Чисельна обробка сигналу на персональному комп'ютері (ПК) здійснюється в 2 етапи: усереднювання по 10 сусіднім значенням, коли забираються теплові шуми і згладжується форма прийнятого сигналу, і коли проводиться усереднювання по 10-ти реалізаціях з метою усунення нестаціонарних перешкод. При вимірюванні, антени розташовані над землею на висоті 1 м, щоб виключити вплив поверхні, що підстилює, за рахунок використання «часового вікна», відстань між приймальними антенами, що передають, складала 3 метри. Джерелами похибки при вимірюванні амплітуди сигналу за допомогою даної установки є: власні шуми приладу (~10 мВ) та похибки АЦП (±4.88 мВ). Після застосування вищенаведених алгоритмів чисельної обробки знизився вплив випадкових флуктуацій сигналу, що відповідають стробоскопічним осцилографам та знизився рівень шумів в 3.16 разів. Таким чином, загальна погрішність по амплітуді склала ±3 мВ. Результати чисельного моделювання випромінювання кругових решіток, коли збуджуються чотири з восьми РЩА, а також результати експериментальних вимірювань представлені у вигляді діаграм спрямованість по піковій потужності на Фіг. 4-8 в площині решіток (Е-площини). Тут розглядалися випадки збудження антенних елементів з наступними полярністями (вказані полярності сигналу, що подається, для електродів решітки): Фіг. 4 для синхронного збудження елементів решітки типу + - + - + - + - (однаковій полярності); Фіг. 5 для синхронного збудження елементів решітки типу + - + + - - + (полярність, що чергується); Фіг. 6 для синхронного збудження елементів решітки типу + + - - + - + (полярність міняється відносно середини решітки); Фіг. 7 для лінійної затримки збудження елементів решітки типу + - + - + - + - (однакова полярність); Фіг. 8 для лінійної затримки збудження симетрично відносно центру решітки типу + - + + - + - (однакова полярність). Моделювання показало, що при синхронному збудженні однакової полярності спостерігається рівномірна для всіх напрямів діаграма спрямованості, а у разі розгляду збудження 4 з 8 елементів кругової решітки, діаграма спрямованості в секторі кутів ±60° відповідає діаграмі, коли збуджуються всі елементи решітки, а далі спостерігається зниження рівня сигналу, що випромінюється, і досягає рівня 0,7 при ±70°. Експериментальне вимірювання кругових решіток з аналогічним збудженням підтверджує закономірність зміни діаграми спрямованості. На Фіг. 4 приведені діаграми спрямова 58105 6 ності при збудженні половини елементів решітки, що дає наочне уявлення про зворотне випромінювання елементів решітки, а значить і міжелементну взаємодію в решітках за рахунок взаємозв'язку елементів решіток, що розташовано на однієї лінії (на Фіг. 1 антени І-ІІ і IX-X, II-IV і XI-XII, і т.д.). Відзначимо, що амплітуда сигналу, що випромінюється, визначається амплітудою збуджуючого сигналу і діаграмою спрямованості при випромінюванні; у амплітуду сигналу, що випромінюється у зворотному напрямі, входить величина сигналу, що збуджує, коефіцієнт взаємодії (передачі) між елементами, що розташовано на одній осі, а також діаграма спрямованості при випромінюванні. Тобто при такому вимірюванні легко обчислити даний коефіцієнт взаємодії, а при проектуванні решіток, для забезпечення бажаної величини сигналу, що випромінюється, слід враховувати коефіцієнт взаємодії між елементами, що розташовані на одній осі. Взаємодію між сусідніми елементами так само слід враховувати при проектуванні [8]. Антена, що володіє такими направленими характеристиками цікава для завдань, де необхідно проводити випромінювання/прийом на всіх напрямках (виявлення об'єктів радіолокації і т.п.). Для вирішення завдань стеження об'єктів радіолокації необхідно забезпечити пелюсткову діаграму спрямованості з можливістю керування напрямом максимуму діаграми спрямованості. Так само необхідна робота з декількома об'єктами одночасно, що ставить питання про забезпечення діаграм спрямованості з декількома максимумами діаграми спрямованості. Для забезпечення даних умов розглянемо випадки, коли полярність сигналу що збуджує чергується (Фіг. 5) від елемента решітки до елемента, а збудження здійснюється синхронно. Тоді діаграма спрямованості має вид структури з вираженими максимумами діаграми, які відповідають елементам решітки. Тут існують сектори кутів, де спостерігається зниження амплітуди сигналу, що випромінюється, аж до повного зникнення. Це пов'язане з інтерференційним складанням сигналів від сусідніх елементів решіток, збуджених в протилежній полярності. Із збільшенням кута відхилення від основного напряму випромінювання кожної пелюстки на 10° спостерігається зменшення амплітуди сигналу в 0.7 разу за рахунок різного ступеня компенсації сигналів, що випромінюються елементами решітки. Експериментально виміряні діаграми спрямованості підтверджують результати моделювання. У разі, коли елементи решіток збуджуються синхронно, а полярність збудження елементів відрізняється відносно середини решітки при синхронному збудженні (І-ІІ, II-IV однієї полярності, V-VI, VII-VII інший Фіг. 6) діаграма спрямованості випромінювання співпадає з діаграмою спрямованості, коли елементи решіток збуджувалися з однаковою полярністю, проте в середині діаграми спрямованості спостерігається провал, аналогічний провалам у попередньому випадку, коли сигнали різної полярності від елементів решіток взаємно знищують один одного. Результати експерименту добре відповідають розрахунковим значенням. Таким чином, показана можливість синтезу діаграми спрямованості за рахунок зміни 7 полярності збудження елементів решітки, коли можна забезпечити в заданих секторах кутів бажану амплітуду сигналу, що випромінений. Результати експериментального дослідження впливу затримки збудження елементів решіток на діаграму спрямованості приведені на Фіг. 6, 7. Де з Фіг. 6 визначається, що при лінійній затримці збудження елементів решітки спостерігається зсув максимуму діаграми спрямованості відносно основного напряму, що пояснюється синхронністю приходу сигналів для даних напрямів в точку спостереження, а так само розсинхронізацією сигналів від елементів решіток в основному напрямі. Таким чином, для пари елементів решітки можна виділити «робочу» область, що розташовано в області вузького конуса, в якому має місце інтерференція з посиленням результуючою амплітуди хвиль. Ширина цього конуса прямо пропорційна тривалості імпульсу збудження і зворотно пропорційна розміру антенної решітки. Якщо елементи антенних решіток збуджується одночасно, то вісь цього конуса розташована нормально до поверхні антенної решітки. Наявність несинхронності збудження елементів решітки веде до повороту осі конуса і появи сусідніх областей з ослабленою інтерференцією. Таким чином, промінь радіолокатора виявляється відхиленим без зміни положення антени. При цьому, при часовій затримці між елементами решіток порядку третини тривалості імпульсу Т/3, максимум випромінювання зміщується з 90° на 110°, а інтенсивність випромінювання в основному напрямі зменшується на 20 %. Відповідно, із зміною часової затримки збудження елементів решітки можна отримувати різні напрями максимуму випроміненого сигналу в межах сектору (360/8)°. Зрозуміло, що дана властивість циклічно повторюється для всіх 360° і залежить від змінення часової затримки збудження, а, значить, можливе кругове сканування, що важливе в радіолокації. На Фіг. 7 показана діаграма спрямованості решітки з лінійним збільшенням часової затримки від середини решітки. Тут виражено два пелюстки діаграми спрямованості, розташовані один щодо 58105 8 іншого на 120°. Тут умова часового синхронізму досягається в двох напрямах, що говорить про можливість забезпечувати багатопелюсткові діаграми спрямованості з можливістю їх «повороту», для забезпечення сканування або «супроводу» цілі. Організація антенної системи у вигляді багатоярусних об'ємних антенних решіток такого типу дозволить вирішити питання як роботи з великою кількістю «цілей», так і забезпечити детальніше і якісніше ведення «цілі» за рахунок роботи з декількома шарами антенної системи одночасно. Джерела інформації: 1. Патент США N 4001834, кл. Н 10 Q 9/28, 1977. 2. Патент RU (11) 2093936 (13) С1 1997.10.20. 3. А.В. Ашихмин, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский. Использование регулярных и нерегулярных несимметричных ТЕМ-рупоров для построения радиопеленгаторных антенных решеток кругового обзора // Журнал «Антенны», №6, 2009 г. 4. Бутрым А.Ю., Колчигин Н.Н, Пивненко С.Н. Управление направлением импульсного излучения апертуры с помощью несинхронного возбуждения // Радиотехника - 2001 - вып.52, №6 - С. 29. 5. Butrym A.Yu., Kazansky O.V. Time Domain Tapered Slot Antenna Analysis - Український фізичний журнал - 2002 - т. 47, № 6, С. 557-559. 6. Butrym A.Yu., Kazansky О. V., Kolchigin N.N. Array of tapered slot antennas (TSA) for ultrawideband signals // Успехи современной радиофизики (Москва) - 2005 - No 5 - P. 60-64. 7. O.B. Казанский, Н.Н. Колчигин, Д.Д. Литвинов. Формирование сверхкоротких импульсов повышенной мощности // Вестник Харьковского университета - радиофизика и электроника - 2002 Вып. 544 - С. 217-222. 8. Казанский О.В. Влияние межэлементной связи на характеристики излучения антенной решетки при возбуждении видеоимпульсом // Вестник ХНУ Радиотехника и электроника - 2007 №756 - С. 57-60. 9 58105 10 11 58105 12 13 58105 14 15 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 58105 Підписне 16 Тираж 23 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