Нестационарная перископическая антенная система

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании антенных систем в радиосвязи и радиолокации.

Во многих случаях для увеличения радиуса действия систем радиосвязи и радиолокации антенны необходимо устанавливать на значительной высоте. Например, антенны радиорелейных линий для обеспечения прямой видимости устанавливают обычно на опорах высотой 70-100 м. При этом возникает необходимость либо размещения приемопередающей аппаратуры непосредственно на опоре, либо использования длинного ВЧ тракта для передачи ВЧ сигнала от аппаратуры, расположенной внизу, до антенны, расположенной на мачте. Приемопередающая аппаратура имеет, как правило, значительные массогабаритные показатели, поэтому размещение аппаратуры непосредственно на опоре приводит к усложнению конструкции опоры, к значительному увеличению ее веса и стоимости, особенно если возникает необходимость изменения направления излучения антенны (авт. св. СССР №202243, кл. 21а⁴, 1967). Для передачи ВЧ сигнала от приемопередающей аппаратуры, расположенной внизу, до антенны, расположенной на мачте, возникает необходимость использования длинного ВЧ тракта, что приводит к усложнению аппаратуры, и, как следствие, к уменьшению надежности и увеличению стоимости, а также к усложнению ее обслуживания при эксплуатации. При изменении направления излучения антенны возникает необходимость использования вращающегося сочленения. При изменении направления излучения антенны в двух плоскостях необходимо использовать два вращающихся сочленения и механизм поворота антенны в вертикальной плоскости, расположенный на вращающейся платформе (авт. св. СССР №1810940 А1, МПК H01Q 3/04, 1991). Все это приводит к значительному усложнению аппаратуры, к уменьшению надежности и увеличению стоимости.

Устранить эти проблемы позволяет использование перископических антенных систем.

Перископическая антенная система состоит из нижнего зеркала-излучателя, расположенного на земле, и верхнего зеркала-переизлучателя, установленного сбоку, на краю опоры. Нижнее зеркало может размещаться как непосредственно сбоку у подножия опоры, так и на удалении от него. «Верхнее зеркало-переизлучатель обычно выполняется плоским; нижнее зеркало имеет параболоидальную поверхность. Возможно также использование нижних зеркал с эллипсоидальной поверхностью. Контур верхних зеркал эллиптический, прямоугольный или ромбовидный; при этом проекция раскрыва верхнего зеркала на плоскость, нормальную направлению распространения, имеет вид круга или квадрата». Зеркала с круглыми (в проекции) раскрывами обеспечивают больший коэффициент усиления, а также уменьшение боковых лепестков (Антенны УКВ. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин, Часть 2, М., Связь, 1977, стр. 99-101).

В данной антенной системе приемопередающая аппаратура размещена на земле, что упрощает конструкцию опоры и снижает ее стоимость, ВЧ тракт между аппаратурой и нижним зеркалом имеет сравнительно небольшую длину и, следовательно, имеет высокую надежность, низкую стоимость и прост в обслуживании. Однако при этом необходимо также обеспечить изменение направления излучения.

Так, в отдаленном аналоге заявляемого изобретения антенная система содержит излучатель, расположенный рядом с приемопередающей аппаратурой, и верхнее зеркало-переизлучатель, установленное на вершине опоры, причем ориентация зеркала-переизлучателя меняется как по углу места, так и по азимуту (Авторское свидетельство СССР №112601, кл. 24а⁴66₀₅, H01Q 3/12, 1957).

В данной антенной системе возможно изменение в небольших пределах ориентации зеркала-переизлучателя, что позволяет изменять направления излучения.

Однако эта антенная система имеет следующие недостатки:

- невозможность изменения ориентации по азимуту зеркала-переизлучателя в широких пределах (вращение антенны);

- сложная конструкция устройства ориентации антенны. Для изменения направления излучения необходимо механическое изменение положения зеркала. Такая система ориентации антенны имеет сложную конструкцию и сложна в эксплуатации. Это вызвано необходимостью механического изменения положения зеркала как по углу места, так и по азимуту. Кроме того, изменение наклона приводит к изменению проекции раскрыва верхнего зеркала на плоскость, нормальную направлению распространения, что сказывается на диаграмме направленности (так как уменьшение проекции приводит к увеличению величины боковых лепестков, расширению главного лепестка диаграммы направленности) (Антенны УКВ. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин. Часть 2, М., Связь, 1977, стр. 116). Чтобы избежать этого, необходимо значительно увеличить размеры зеркала, что вызывает увеличение его веса, парусности, что, в свою очередь, ведет к увеличению инерционности системы, что еще больше увеличивает время изменения направления излучения. Все это, в конечном итоге, значительно увеличивает стоимость антенной системы;

- изменение плоскости поляризации при изменении ориентации зеркала-переизлучателя.

Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является антенная система, состоящая из опоры со свободным центром, излучателя, расположенного внутри опоры со свободным центром, зеркала-переизлучателя, установленного на опоре и имеющего возможность менять ориентацию по азимуту в широких (вращаться), причем зеркало-переизлучатель расположено таким образом, что центр его проекции находиться тоже внутри опоры, а излучатель расположен в верхней части опоры, в месте, исключающем влияние конструктивных элементов опоры и ухудшающих помехозащищенность (патент №2561238, Нестационарная перископическая антенная система МПК H01Q 3/04, H01Q 19/10).

Данная антенная система отличается:

- возможностью изменения в широких пределах, вплоть до кругового, ориентации зеркала-переизлучателя, что позволяет изменять направление излучения.

Однако у этой антенной системы есть недостаток.

Использование СВЧ сигнала любой, кроме круговой, поляризации при изменении ориентации зеркала-переизлучателя приводит к изменению плоскости поляризации. Изменение плоскости поляризации при изменении ориентации зеркала-переизлучателя может привести или к значительному уменьшению уровня приемного сигнала (в случае использования данной антенной системы в радиорелейной связи) или к значительному уменьшению уровня принимаемого отраженного эхо-сигнала (в случае использования данной антенной системы в радиолокации) (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. Жук М.С., Молочков Ю.Б. М., «Энергия», 1973, с. 127, 128).

Технический результат предлагаемого изобретения - устранение изменения плоскости поляризации при изменении ориентации переизлучателя.

Дополнительный технический результат - произвольное изменение плоскости поляризации, не связанное с изменением ориентации переизлучателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в антенной системе, состоящей из опоры со свободным центром, излучателя, расположенного внутри опоры со свободным центром, переизлучателя, установленного на опоре и имеющего возможность менять ориентацию по азимуту в широких пределах (вращаться), причем переизлучатель расположен таким образом, что центр его проекции находиться тоже внутри опоры, излучатель выполнен в виде антенны с вращающейся поляризацией поля, а между излучателем и переизлучателем установлен поляризатор, преобразующий волну с круговой поляризацией в волну с другой поляризацией и имеющий возможность менять ориентацию по азимуту в широких пределах (вращаться), причем поляризатор и переизлучатель жестко связаны между собой.

Дополнительный результат достигается тем, что поляризатор имеет возможность менять ориентацию по азимуту в широких пределах (вращаться) вне зависимости от ориентации переизлучателя.

Известны антенные устройства, использующие поляризаторы. Так, например, антенная система (US 2994873 А, 01.08.1961) использует поляризатор, выполненный в виде сетки параллельных проводов, расположенных друг от друга на расстоянии менее половины длины волны (проволочный рефлектор 15 (US 2994873 A, FIG. 9)). Провода проходят параллельно электрическому полю Е и, следовательно, отражают лишь СВЧ сигнал, имеющий горизонтальную поляризацию (параллельно электрическому полю Е). СВЧ сигнал, имеющий вертикальную поляризацию (перпендикулярно электрическому полю Е), проходит сквозь эту сетку. Поляризатор (проволочный рефлектор) установлен неподвижно (не меняет своего положения при изменении ориентации переизлучателя) и служит для того, чтобы сигнал от передатчика поступал на антенну, а приемный сигнал с антенны поступал на вход приемного устройства. Разделение приемного и передающего сигналов происходит из-за того, что приемный сигнал и сигнал от передатчика имеют различные поляризации. Таким образом, в данной антенной системе при изменении ориентации переизлучателя изменяется плоскость поляризации. Кроме того, не происходит изменение типа поляризации СВЧ сигнала.

В предлагаемом устройстве:

- поляризатор, выполненный подвижным, может менять свое положение;

- при изменении ориентации переизлучателя изменения плоскости поляризации не происходит;

- происходит изменение типа поляризации (поляризатор, преобразует волну с круговой поляризацией в волну с другой поляризацией).

Таким образом, предлагаемое устройство имеет конструктивные признаки иные, отличные от антенной системы (US 2994873 А, 01.08.1961), которые применены в ней по иному назначению.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к нему чертежа.

На фиг. 1 показана предлагаемая антенная система.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - излучатель;

2 - опора со свободным центром;

3 - переизлучатель;

4 – поляризатор.

Антенная система содержит: излучатель 1, расположенный внутри опоры со свободным центром 2, а переизлучатель 3 расположен таким образом, что центр его проекции находиться тоже внутри опоры 2. Излучатель 1 выполнен в виде антенны с вращающейся поляризацией поля, а между излучателем 1 и переизлучателем 3 установлен поляризатор 4, преобразующий волну с круговой поляризацией в волну с другой поляризацией и имеющий возможность менять ориентацию по азимуту в широких пределах (вращаться), и поляризатор 4 и переизлучатель 3 жестко связаны между собой.

Антенная система работает следующим образом.

СВЧ сигнал поступает на вход излучателя 1, (который может быть выполнен в виде спиральной антенны, рупора и т.п.), затем сигнал, исходящий от излучателя 1, проходит через поляризатор 4, преобразующий СВЧ сигнал с вращающейся поляризацией поля в сигнал с другой поляризацией, например линейной, отражается переизлучателем 3, установленном на опоре 2. Опора 2 представляет собой конструкцию со свободным центром, т.е. конструкцию внутри которой распространяется СВЧ сигнал. Излучатель 1 находится внутри опоры 2, переизлучатель 3 расположен таким образом, что центр его проекции находиться тоже внутри опоры 2. Таким образом, СВЧ сигнал проходит от излучателя 1 до переизлучателя 3, внутри опоры 2, центр которой является свободным для прохождения СВЧ сигнала. Это позволяет выполнить переизлучатель 3 вращающимся вокруг оси, проходящей через свободный центр опоры 2. Наличие поляризатора 4, имеющего возможность менять ориентацию по азимуту в широких (вращаться), и жестко связанного с переизлучателем 3, позволяет излучать СВЧ сигнал, у которого поляризация не меняется при повороте переизлучателя 3. Поляризатор 4, преобразующий СВЧ сигнал с вращающейся поляризацией поля в сигнал с другой поляризацией, может иметь различное исполнение, может быть как проходным, так и отражательным (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. Жук М.С., Молочков Ю.Б. М., «Энергия», 1973, с. 129…134). В случае использования поляризатора 4 отражательного типа необходимо устанавливать поляризатор 4 непосредственно на переизлучатель 3 (поляризатор 4 и переизлучатель 3 жестко связаны между собой). В этом случае поляризатор 4 фактически используется как переизлучатель 3. Вращение переизлучателя 3 (поляризатора 4) позволяет излучать и принимать сигнал с одной и той же поляризацией, причем плоскость поляризации не меняется при изменении ориентации переизлучателя 3. В случае использования поляризатора 4 проходного типа для исключения изменения плоскости поляризации при изменении ориентации переизлучателя 3 необходимо, чтобы поляризатор 4 и переизлучатель 3 изменяли свое положение (вращались) синхронно, т.е. были жестко связаны между собой. Излучатель 1 может быть выполнен, например, в виде двухвходовой спиральной антенны, работающей с волной как с правой так и с левой поляризациями (О.А Юрцов, А.В. Рунов, А.Н. Казарин. Спиральные антенны. М., Советское Радио, 1974, стр. 147, 148).

В некоторых случаях, например в радиолокации, необходимо, чтобы антенная система позволяла излучать СВЧ сигналы не только в разные направления, но и чтобы вектор поляризации (линейной) сигнала в одном и том же направлении имел в разное время разный наклон, например, поляризация должна быть то вертикальная, то горизонтальная или наклонная. Для этого необходимо, чтобы поляризатор 4, имел возможность менять ориентацию вне зависимости от ориентации переизлучателя 3. В этом случае, меняя взаимное расположение переизлучателя 3 и поляризатора 4, получаем разный наклон вектора поляризации в одном и том же направлении. Поляризатор 4 может быть как отражательного типа, так и проходного типа. Использование поляризатора 4 проходного типа имеет более простое конструктивное исполнение.

Использование предложенных технических решений позволяет создать антенную систему, позволяющую осуществлять круговой обзор, сохраняя или изменяя необходимым образом плоскость поляризации СВЧ сигнала при изменении ориентации переизлучателя, обладающей при этом высокой технологичностью и невысокой стоимостью.