МНОГОКАНАЛЬНАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА СО СТАБИЛИЗИРУЕМОЙ И УПРАВЛЯЕМОЙ ПО УГЛАМ МНОГОЛУЧЕВОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

Изобретение относится к области систем связи и радиолокации, в частности к располагаемым на подвижных носителях радиотехническим приемопередающим устройствам.

Известна многолучевая антенная система с вспомогательными антенными элементами (патент US 6252560 ВА, кл. 7 Н 01 Q 21/00, 2000), содержащая антенную решетку и фидерную систему на основе матрицы Батлера. В данной антенной системе многолучевая диаграмма направленности антенны формируется с использованием диаграммообразующей схемы Батлера или иных схем формирования фазовых сдвигов сигналов, излучаемых или принимаемых излучателями устройства.

Известна также антенная решетка с несколькими сканирующими лучами (патент US 6005515 А, кл. 6 Н 01 Q 3/02, 1999), в которой формирование многолучевой диаграммы направленности осуществляется в цифровом виде путем соответствующей обработки излучаемых или принимаемых сигналов в диапазоне промежуточных частот.

Недостатками указанных антенн является значительный объем аппаратуры в случае реализации диаграммообразущей схемы на несущей частоте или значительный объем вычислений и высокая частота дискретизации сигналов при реализации диаграммообразущей схемы в цифровом виде. Кроме того, при использовании в антенне фазированной антенной решетки коэффициент усиления антенны, ширина диаграммы направленности и уровень боковых лепестков сильно зависят от угла отклонения луча от нормали к поверхности решетки ϕ. В частности, коэффициент усиления антенны пропорционален cosϕ и при ϕ=30 град снижается примерно на 14% по сравнению с величиной, имеющей место при ϕ=0. При ϕ=45 град снижение коэффициента усиления антенны составляет около 30%, а при ϕ=60 град - 50%. На практике это означает, что угол ϕ ограничен величиной около 30 градусов. В случае рабочей зоны, соответствующей отклонениям луча на углы, существенно превышающие это значение, для сохранения высокого коэффициента усиления антенны и малого уровня боковых лепестков диаграммы направленности необходимо использовать несколько антенных решеток или антенную решетку с цилиндрической или сферической поверхностью, что ведет к росту массы и габаритов антенны.

Из известных технических решений наиболее близким прототипом является линзовая антенна Люнеберга с несколькими излучателями на карданных шарнирах (патент US 6266029 ВА, кл. 7 Н 01 Q 19/06, 2000). Линзовая антенна неподвижно установлена на основании, к которому прикреплены несколько дугообразных дорожек. Крепление дорожек к основанию позволяет каждой дорожке поворачиваться отдельно от других дорожек вокруг линзы. Каждую дорожку поворачивает свой двигатель в соответствии с сигналами управления. Излучатели, обеспечивающие излучение или прием электромагнитного излучения, перемещаются вдоль дорожек, оставаясь на фиксированном расстоянии от поверхности линзы. Каждый излучатель перемещает свой двигатель в соответствии с сигналами управления. Данная линзовая антенна позволяет, например, непрерывно поддерживать связь со спутниками, перемещающимися относительно земной поверхности, причем при выходе одного из спутников из зоны видимости другие остаются на связи.

Недостатком прототипа является использование двух приводов и отдельной дугообразной дорожки для управления положением каждого из фидеров. При этом общее число дорожек равно числу лучей, формируемых линзовой антенной, а общее число двигателей - удвоенному числу лучей. При большом числе лучей это приводит к значительным массе и габаритам линзовой антенны или даже отсутствию возможности размещения необходимого числа дорожек с двигателями, что значительно ограничивает число лучей и, следовательно, одновременно обслуживаемых абонентов при использовании многолучевой антенны в многоканальных системах связи или число одновременно наблюдаемых объектов при использовании антенны в радиолокационных системах.

Таким образом, целью изобретения является обеспечение возможности одновременного обслуживания абонентов многоканальной системы связи, находящихся в широкой области покрытия, или радиолокационного наблюдения объектов, находящихся в широкой области обзора, в условиях перемещения и колебаний носителя антенны, в качестве которого могут использоваться космические и воздушные аппараты, корабли и наземные транспортные средства.

Поставленная цель достигается тем, что в линзовую антенну, содержащую линзу Люнеберга, установленную на основании, введены:

блок излучателей, включающий сферический каркас с размещенными на нем излучателями, осуществляющими излучение и прием электромагнитного излучения;

опорно-поворотное устройство, состоящее из шарнирно соединенных между собой рамы и дуги;

двигатель вращения блока излучателей, установленный на дуге опорно-поворотного устройства;

двигатель вращения дуги опорно-поворотного устройства, установленный на раме опорно-поворотного устройства;

двигатель вращения рамы опорно-поворотного устройства, установленный на основании.

На фиг.1 изображен эскиз (вид сбоку и вид сверху) многоканальной линзовой антенны со стабилизируемой и управляемой по углам многолучевой диаграммой направленности, где

1 - линза Люнеберга,

2 - сферический каркас,

3 - излучатели,

4 - рама опорно-поворотного устройства,

5 - дуга опорно-поворотного устройства,

6 - двигатель вращения дуги опорно-поворотного устройства,

7 - двигатель вращения рамы опорно-поворотного устройства,

8 - двигатель вращения блока излучателей,

9 - основание,

10 - блок излучателей,

11 - опорно-поворотное устройство.

Дуга 5 опорно-поворотного устройства 11 шарнирно соединена с рамой 4 опорно-поворотного устройства. Двигатель вращения блока излучателей 8 размещен в центре дуги опорно-поворотного устройства 5. Рама опорно-поворотного устройства 4 шарнирно соединена с основанием 9, на котором устанавливается антенна. На основании 9 также закреплена линза Люнеберга 1. Двигатель вращения дуги опорно-поворотного устройства 6 закреплен на раме опорно-поворотного устройства 4, а двигатель вращения рамы опорно-поворотного устройства 7 - на основании 9. Излучатели 3 закреплены на сферическом каркасе 2 и образуют блок излучателей 10, при этом апертуры излучателей располагаются на фокальной поверхности линзы Люнеберга 1.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Каждый из излучателей 3, расположенных в блоке излучателей 10, совместно с линзой Люнеберга 1 формирует луч с шириной диаграммы направленности по уровню - 3 дБ, равной:

где λ - длина волны излучения, D - диаметр линзы Люнеберга, γ - коэффициент, определяемый диаграммой направленности излучателя.

Линзовая антенна обеспечивает полное перекрытие телесного угла Ω, определяющего зону обзора. Общее количество лучей антенны при этом составляет:

Например, при Ω=2π, λ=15 см, D=1 м и γ=1 общее количество лучей составляет свыше 350.

Двигатель вращения рамы опорно-поворотного устройства 7 обеспечивает поворот рамы 4 вокруг линзы Люнеберга 1 (вращение вокруг оси СС′), а двигатель вращения дуги опорно-поворотного устройства 6 - поворот дуги 5 вокруг линзы Люнеберга 1 (вращение вокруг оси ВВ′). Двигатель вращения блока излучателей 8 обеспечивает вращение блока излучателей 10 вокруг его оси симметрии (ось АА′). Управление всеми двигателями осуществляется по сигналам рассогласования между требуемыми и текущими значениями соответствующих углов, измеряемыми датчиками.

Процесс углового наведения и стабилизации диаграммы направленности антенны иллюстрируется фиг.2, на которой изображена ортогональная система координат, ось Oz которой направлена вдоль оси двигателя вращения рамы опорно-поворотного устройства, ось Ox - горизонтально перпендикулярно оси Oz, а ось Oy - вертикально. Предполагается, что в начальном положении ось диаграммы направленности антенны в целом направлена вдоль оси Oy, а оси диаграмм направленностей отдельных излучателей смещены относительно ее на фиксированные углы, определяемые положением излучателя в блоке излучателей. При повороте рамы опорно-поворотного устройства двигателем вращения рамы опорно-поворотного устройства на некоторый угол места β ось диаграммы направленности антенны смещается на данный угол в плоскости xOy (ось Oy′). На такой же угол смещается ось вращения дуги опорно-поворотного устройства (ось Ох′). При повороте дуги опорно-поворотного устройства двигателем вращения дуги опорно-поворотного устройства на некоторый угол наклонного азимута α ось диаграммы направленности антенны смещается на этот угол и занимает положение Oy′′, с которым также совпадает ось двигателя вращения блока излучателей. Поворот блока излучателей двигателем вращения блока излучателей обеспечивает вращение диаграммы направленности антенны вокруг своей оси. В результате осуществляются угловая стабилизация и наведение многолучевой диаграммы линзовой антенны.

Для выполнения заявляемого устройства могут быть использованы линзы Люнеберга, изготовленные из прессованного пенопласта или перфорированного диэлектрика (А.З.Фрадин. Антенно-фидерные устройства, «Связь», 1977, с.337), и электродвигатели постоянного или переменного тока.

В качестве излучателей могут использоваться активные приемопередающие модули или пассивные излучатели, в том числе рупорные, штыревые щелевые и т.д. Если формирование излучаемых сигналов для каждого излучателя и обработка принимаемого каждым излучателем электромагнитного излучения производятся независимо, каждый канал антенны работает автономно, что обеспечивает, например, пространственную селекцию абонентов при использовании антенны в системе связи. При необходимости излучаемые сигналы могут совпадать, а обработка принимаемых сигналов проводиться автономно. При этом снижается объем передающей аппаратуры, а многоканальная антенна может, например, обеспечивать пространственную селекцию обнаруженных объектов при использовании ее в радиолокационном устройстве. Наконец, излучаемые сигналы излучателей могут совпадать, а принимаемые сигналы суммироваться, что, например, позволяет, решить задачу обнаружения объекта во всей зоне обзора.

Использование изобретения позволит обеспечить одновременное обслуживание абонентов многоканальной системы связи, находящихся в широкой области покрытия, а также радиолокационное наблюдение объектов, находящихся в широкой области обзора, в том числе и при размещении антенны на перемещающихся и колеблющихся носителях - космических аппаратах, самолетах и вертолетах, кораблях и наземных транспортных средствах.

Примером применения заявляемой антенны является ее использование в составе авиационной системы связи, в состав которой входят приемопередающее устройство системы связи, располагаемое на самолете, и наземные мобильные и стационарные терминалы связи. Заявляемая многоканальная антенна входит в состав размещаемого на самолете приемопередающего устройства системы связи. Каждый из лучей многолучевой диаграммы направленности антенны обеспечивает связь с терминалами связи, расположенными на определенном фиксированном участке зоны покрытия. При диаметре линзы Люнеберга D=1 M и длине волны λ=15 см ширина парциального луча составляет Δϕ=0,15 рад. При высоте полета носителя H=10 км диаметр участка зоны покрытия, расположенного в надире, составляет d=Н·Δϕ=1,5 км. Если радиус зоны покрытия равен R=50 км, число лучей, формируемых многоканальной антенной, должно составлять