ПОДЗЕМНАЯ ПЕРЕДАЮЩАЯ МОДУЛЬНАЯ АКТИВНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и, в частности, заявляемая подземная передающая модульная активная фазированная антенная решетка (ППМ АФАР) может использоваться в качестве передающей в коротковолновом (KB) или ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах в условиях глубокого погружения излучателей в толщу земли с целью обеспечения их устойчивости к возможным ударным или вибрационным нагрузкам.

Известны подземные фазированные антенные решетки (ФАР).

Известная подземная ФАР по пат. РФ №2133531 от 20.07.1999 г. состоит из группы плоских антенных модулей, каждый из которых выполнен в виде пары ортогональных симметричных шунтовых излучателей, подключенных к блоку формирования группового тракта, включающего сумматоры, делители мощности, линии задержки (фазовращатели).

Недостатком аналога является относительно небольшой рабочий диапазон и низкая устойчивость к различного рода механическим воздействиям.

Известная также кольцевая подземная ФАР по пат. РФ №2159488 от 20.11.2000 г. Известная ФАР состоит из группы плоскостных антенных модулей. Каждый антенный модуль выполнен в виде двух ортогонально установленных излучателей. Антенные модули с помощью фидеров подключены к блоку формирования группового тракта, обеспечивающего формирование требуемых внешних параметров ФАР.

Недостатком известного аналога является относительно низкая эффективность (коэффициент усиления - КУ) и низкая устойчивость к механическим воздействиям на апертуру ФАР.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная подземная ФАР по пат. РФ №2170997 от 20.07.2001 г.

ФАР-прототип состоит из блока базовых антенных модулей (ББАМ). Каждый из N базовых антенных модулей (БАМ), где N≥2, выполнен в виде пары ортогональных плоских симметричных излучателей возбуждаемых независимо. БАМ установлены попарно симметрично относительно центра апертуры ФАР, образуя кольцевую решетку. БАМ размещены в толще земли и подключены к соответствующим фидерам, которые в свою очередь подключены к входам блока формирования радиоканала (БФРК). В описании прототипа БФРК обозначен как «фидерный тракт».

БФРК состоит из переключателей ортогональных симметричных излучателей, линий задержки, инверторов и сумматора.

Путем коммутации соответствующих излучателей и их фазирования достигается возможность управления формой и ориентацией максимума диаграммы направленности.

Недостатком ближайшего аналога является его низкая эффективность (КУ) при заложении его БАМ на глубину, обеспечивающую необходимую степень их защиты от ударных и вибрационных нагрузок, что обусловлено при таких условиях значительными потерями энергии, выходящей в верхнее полупространство электромагнитной волны (ЭМВ).

Возможность формирования диаграммы направленности (ДН) с максимумом в произвольном азимутальном направлении достигается только при кольцевом расположении излучателей, что приводит к неоправданно большим экономическим затратам в случае необходимости глубокого заложения излучателей.

Целью изобретения является разработка ППМ АФАР, обеспечивающей повышение эффективности (КУ) и снижение материальных затрат на построение при ее глубоком заложении в толщу земли, за счет автоматического управления структурой и внешними параметрами АФАР в зависимости от изменяющихся характеристик тракта распространения радиоволн, числа и ориентации в пространстве корреспондентов и формирования в азимутальной плоскости ненаправленной характеристики излучения одиночного БАМ.

Заявленное ППМ АФАР расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ППМ АФАР, содержащей блок из N≥2 БАМ, каждый из которых включает пару ортогональных симметричных излучателей (ОСИ), размещенных в толще земли, и БФРК, дополнительно введены блок автоматизированного управления параметрами (БАУП) АФАР, блок из Р≥2 возбудителей (БВ) и коммутатор информационных сигналов (КИС), снабженный М≥1 информационными входами, являющимися соответствующими М информационными входами ППМ АФАР. Р информационных выходов КИС подключены к соответствующим Р информационным входам БВ. Р сигнальных выходов БВ подключены к соответствующим Р сигнальным входам БФРК. N сигнальных выходов БФРК подключены к соответствующим N сигнальным входам ББАМ. Шины управляющих выходов «уровень мощности» и «регулировка мощности» БАУП АФАР подключены к управляющим входам соответственно «уровень мощности» и «регулировка мощности» ББАМ. Шины управляющих выходов «затухание», «коррекция уровня сигнала», «фаза» и «радиоканал» БАУП АФАР подключены к управляющим входам соответственно «затухание», «коррекция уровня сигнала», «фаза» и «радиоканал» БФРК. Шины управляющих выходов «возбудитель» и «информационный сигнал» БАУП АФАР подключены к управляющим входам соответственно «возбудитель» БВ и «информационный сигнал» КИС. БАУП АФАР снабжен шиной ввода исходных данных. В каждом из БАМ ортогональные симметричные излучатели возбуждены равноамплитудно в фазовой квадратуре.

Новым также является то, что в ББАМ дополнительно введены измеритель мощности (ИМ) и широкополосный усилитель мощности (ШПУМ), N сигнальных входов которого являются соответствующими N сигнальными входами ББАМ. N сигнальных выходов ШПКМ подключены к соответствующим N сигнальным входам ИМ, N сигнальных выходов которого подключены к входам соответствующих пар ОСИ. Управляющие входы ИМ и ШПУМ являются управляющими входами соответственно «уровень мощности» и «регулировка мощности» ББАМ.

Новым также является то, что БФРК состоит из аттенюатора, усилителя-корректора (У-К), фазовращателя и высокочастотного коммутатора (ВЧК), N сигнальных выходов которого подключены к соответствующим N сигнальным входам фазовращателя. Р сигнальных входов ВЧК являются соответствующими Р сигнальными входами БФРК. N сигнальных выходов фазовращателя подключены к соответствующим N сигнальным входам У-К. N сигнальных выходов У-К подключены к соответствующим N сигнальным входам аттенюатора, N сигнальных выходов которого являются N сигнальными выходами БФРК. Управляющие входы аттенюатора, У-К, фазовращателя и ВЧК являются управляющими входами соответственно «затухание», «коррекция уровня сигнала», «фаза» и «радиоканал» БФРК. БАМ установлены с центральной симметрией вдоль взаимно ортогональных осей.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной ППМ АФАР обеспечивается возможность формирования одного или нескольких радиоканалов с требуемыми параметрами, необходимыми для достижения заданного энергетического потенциала, в условиях глубокого заложения БАМ, маневра уровнем энергетического потенциала радиолинии в целом при изменении условий поглощения ЭМВ в тракте распространения радиоволн, а также при изменении ориентации или удаления корреспондентов при одновременном обеспечении высокой устойчивости БАМ от ударных и вибрационных нагрузок и снижении экономических затрат на построение АФАР.

Анализ известных технических решений по источникам технической и патентной литературы показал, что в них отсутствуют технические решения, содержащие совокупность существенных признаков заявленного устройства, что указывает на его соответствие условию патентоспособности «новизна».

Также в известных источниках информации не обнаружены отличительные признаки заявленного устройства, обеспечивающие достижение технического результата, который достигнут заявленным устройством, что указывает на его соответствие условия патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленная ППМ АФАР поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общая структурная схема ППМ АФАР;

на фиг.2 - схема размещения БАМ (вариант);

на фиг.3 - блок-схема, поясняющая работу блока автоматизированного управления параметрами АФАР;

на фиг.4 - варианты формирования радиоканалов и соответствующие им экспериментальные диаграммы направленности АФАР;

на фиг.5 - структурная схема высокочастотного коммутатора.

Заявленная ППМ АФАР, структурная схема которой показана на фиг.1, состоит из ББАМ 1, БФРК 2, БВ 3, КИС 4 и БАУП АФАР 5.

Шины управляющих выходов «уровень мощности» и «регулировка мощности» БАУП АФАР 5 подключены к управляющим входам соответственно «уровень мощности» и «регулировка мощности» ББАМ 1. Шины управляющих выходов «затухание», «коррекция уровня сигнала», «фаза» и «радиоканал» БАУП АФАР 5 подключены к управляющим входам соответственно «затухание», «коррекция уровня сигнала», «фаза» и «групповой тракт» БФГТ 2. Шины управляющих выходов «возбудитель» и «информационный сигнал» БАРК АФАР 5 подключены к управляющим входам соответственно «возбудитель» БВ 3 и «информационный сигнал» КИС 4. БАУП АФАР 5 снабжен шиной «исходные данные», обеспечивающей ввод исходных данных.

М≥1 информационных входов (и₁, и₂, и₃,..., и_м) КИС 4 являются соответствующими М информационными входами ППМ АФАР. В КИС 4 j-й информационный выход u_j, где j=1, 2, 3,..., Р, подключен к u_j-му информационному входу БВ 3, с_j-й сигнальный выход которого подключен к c_j-му сигнальному входу БФРК 2.

Т.о. КИС 4 предназначен для обеспечения коммутации любого из М информационных входов на информационный вход любого из Р возбудителей. Каждый j-й выход КИС 4 и соответствующий ему j-й информационный вход БВ 3 соединены Р-разрядной шиной.

В БФРК 2 с_i-й сигнальный выход, где i=1, 2,..., N, a N≥2 подключен к с_i-му сигнальному входу ББАМ 1.

ББАМ 1 предназначен для усиления подводимой к каждой из пар ОСИ 1.1 мощности до заданного уровня, непрерывного контроля этого уровня мощности и преобразования энергии высокочастотных (в.ч.) токов в энергию свободно распространяющихся электромагнитных волн (ЭМВ).

ББАМ 1 состоит из N пар ОСИ 1.1₁-1.1_N. Вход i-й пары ОСИ 1.1_j подключен к с_i-му сигнальному выходу ИМ 1.2, с_i-й сигнальный вход которого подключен к c_j-му сигнальному выходу ШПУМ 1.3. N сигнальных входов (c₁, c₂, c₃,..., с_N) ШПУМ 1.3 являются соответствующими N сигнальными входами ББАМ 1. Каждый i-й сигнальный выход ИМ 1.2 подлючен к соответствующей паре ОСИ 1.1_i через делитель (на фиг.1 не показан), который предназначен для равного деления мощности с выхода с_j ИМ 1.2 на входы двух симметричных вибраторов, образующих i-ю пару ОСИ 1.1_i. Ортогональные симметричные излучатели в каждой паре возбуждены равноамплитудно в фазовой квадратуре, т.е. со сдвигом по фазе 90°.

ШПУМ 1.3 предназначен для усиления до заданного уровня мощности сигнала соответствующего радиоканала, сформированного в БФРК 2.

ШПУМ 1.3 может быть реализован в виде N комплектов серийно выпускаемых промышленностью усилителей мощности марки СУМ Р 631-2Б или марки 15Э1389-6 с регулируемой выходной мощностью. При таком исполнении с_i-е сигнальные вход и выход ШПУМ 1.3 подключены к сигнальным соответственно входу и выходу i-го комплекта усилителя мощности, к управляющему входу которого подключен i-й разряд шины управляющих входов «регулировка мощности» ШПУМ 1.3, чем обеспечивается регулирование выходной мощности i-го комплекта усилителя мощности.

Измеритель мощности 1.2 предназначен для непрерывного измерения уровня мощности, подводимой к входу соответствующей пары ОСИ 1.1, и формирования соответствующего этому уровню сигнала, передаваемого затем в БАУП АФАР 5, для контроля отдаваемой мощности и при необходимости выработки управляющего сигнала для ее корректировки.

Измеритель мощности 1.2 может быть реализован в виде совокупности из датчиков тока и напряжения, устанавливаемых на выходах с₁-c_N ШПУМ 1.2. Датчики тока и напряжения, предназначенные для контроля передаваемой по фидеру мощности высокочастотного (в.ч.) сигнала, известны и описаны, например, в книге: Кушнир Ф.В. Электроизмерения: Учебное пособие для вузов. - П.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1983 г. с.22-23.

Каждая пара ОСИ 1.1₁-1.1_N предназначена для преобразования энергии в.ч. токов в фидерном тракте в энергию свободно распространяющихся ЭМВ. В качестве типовой пары ОСИ 1.1 может быть использован известный турникетный излучатель глубокого заложения по пат. РФ №2262164 от 10.10.2005 г., обладающей ненаправленной характеристикой излучения в азимутальной плоскости. Таким образом, каждый i-й БАМ включает: i-пару ОСИ 1.1_i, i-й комплект регулируемого усилителя мощности и i-й прибор для измерения мощности.

БФРК 2 предназначен для формирования тракта прохождения сигнала каждого из предварительно заданных радиоканалов связи. БФРК 2 состоит из аттенюатора 2.1, У-К 2.2, фазовращателя 2.3 и ВЧК 2.4. В ВЧК 2.4 его j-й сигнальный вход c_j является j-м сигнальным входом БФРК 2, а с_i-й сигнальный выход ВЧК 2.4 подключен к с_j-му сигнальному входу фазовращателя 2.3. В свою очередь с_i-й сигнальный выход фазовращателя подключен к с_i-му сигнальному входу У-К 2.2, с_i-й сигнальный выход которого подключен к с_i-му сигнальному входу аттенюатора 2.1.

N сигнальных выходов (c₁, c₂, с₃,..., с_N) аттенюатора 2.1 являются соответствующими N сигнальными выходами БФРК 2.

ВЧК 2.4 предназначен для подключения сигнальных выходов БВ 3 к соответствующим сигнальным входам фазовращателя 2.3, относящимся к заданным радиоканалам, по командам управляющих сигналов поступающих по шине «радиоканал» от БАУП АФАР 5.

ВЧК 2.4 может быть выполнен различным образом, в частности, как показано на фиг.5. ВЧК 2.4 состоит из Р делителей 2.4.1₁ -2.4.1_P и Р групп по N коммутационных элементов (КЭ) в каждой группе 2.4.2₁-2.4.2_N. N сигнальных выходов j-го делителя 2.4.1_j подключены к соответствующим N сигнальным входам соответственно j-й группы КЭ 2.4.2. Управляющие входы j-й группы КЭ 2.4.2_j подключены к соответствующим разрядам N×Р разрядной шины управляющих входов «радиоканал». Выходы N групп КЭ 2.4.2 являются соответствующими N сигнальными N-разрядными выходами ВЧК 2.4.

Т.о. ВЧК 2.4 обеспечивает подключение Р выходов БВ 3 к соответствующим входам фазовращателя 2.3 по принципу «перетасовки» их входов. Принцип «перетасовки» известен и описан в работе: «Принцип построения и характеристики антенн радиотелескопа УТР-2. / Мень А.В., Содин Л.Г. и др. // Антенны: ст. статей. Вып.2.6 / Под ред. Пистолькорса А.А. - М.: Радио и связь. 1978. Следовательно, для реализации указанной функции каждый i-ый выход ВЧК 2.4 и соответствующий ему i-ый вход фазовращателя соединены Р-разрядной шиной.

Каждый КЭ 2.4.2 представляет собой выключатель, положение исполнительных контактов которого зависит от управляющего сигнала, подающегося через управляющий вход на его обмотку (фиг.5). Делитель 2.4.1 предназначен для деления сигнала, поступающего на соответствующий вход ВЧК 2.4, и может быть выполнен по трансформаторной схеме, как показано на фиг.5б.

Фазовращатель 2.3 предназначен для формирования фазового сдвига в.ч. сигнала, поступающего на его i-й сигнальный вход с соответствующего разряда i-й группы сигнальных выходов ВЧК 2.4.

В качестве фазовращателя могут быть использованы известные коммутируемые дискретные цепи, реализованные, например, на отрезках коаксиального кабеля (см. Пат. РФ №2276454 от 10.05.2006). При таком построении фазовращателя 2.3 он будет включать N идентичных коммутируемых реактивных цепей. Сигнальные i-е вход и выход фазовращателя при этом будут являться соответственно сигнальными входом и выходом i-й дискретной реактивной цепи, управляющий вход которой подключен к i-му разряду N разрядной шины управляющих входов «фаза» фазовращателя 2.3.

Усилитель-корректор 2.2 предназначен для усиления поступающих на его входы в.ч. сигналов до пороговых уровней, достаточных для номинальной работы ШПУМ 1.3, в соответствии с поступающими от БАУП АФАР 5 по шине «коррекция уровня сигнала» управляющими сигналами. Схема У-К 2.2 может быть реализована в виде совокупности из N усилителей с регулируемой величиной тока в нагрузке. Схемы таких усилителей известны и описаны, например, в книге: Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. - М.: радио и связь, 1983. - с.87-90.

Аттенюатор 2.1 предназначен для регулировки уровней в.ч. сигналов, поступающих с выходов У-К 2.2 на соответствующие входы ББАМ 1. В качестве аттенюатора могут быть использованы известные схемы мостовых балансных регуляторов. Управление аттенюатором обеспечивается поступающими от БАУП АФАР 5 управляющими сигналами по N-разрядной шине «затухание».

Блок возбудителей 3 предназначен для генерирования в.ч. сигнала с частотой, задаваемой по шине управляющих сигналов «возбудитель». Блок возбудителей состоит из Р идентичных типовых, выпускаемых промышленностью возбудителей, например, типа Р-170 В. Информационный вход и сигнальный выход 7-го возбудителя являются соответственно j-ми информационными входом и сигнальным выходом БВ 3.

КИС 4 предназначен для коммутации информационных входов ППМ АФАР на соответствующие информационные входы БВ 3 по командам управляющих сигналов, поступающих по P-разрядной шине «информационный сигнал» управляющих сигналов от БАУП АФАР 5.

БАУП АФАР 5 предназначен для формирования управляющих сигналов в соответствии с поступающим на его вход исходными данными, используемыми затем для формирования сигналов заданных радиоканалов, установки и поддержания их параметров в процессе работы ППМ АФАР. БАУП АФАР 5 может быть реализован в виде процессора. Блок-схема, поясняющая работу БАУП АФАР 5, показана на фиг.3.

Заявленное устройство работает следующим образом. Работу ППМ АФАР рассмотрим на примере использования 8-элементного ББАМ 1, т.е. при N=8, в котором БАМ установлены с центральной симметрией вдоль двух ортогональных осей о-о' и а-а' (см. фиг.2).

В исходном состоянии на вход «исходные данные» БАУП АФАР 5 подают сигналы, определяющие характеристики формируемых (одного или нескольких) радиоканалов связи. В частности, такими данными могут быть: число радиоканалов β, протяженность трассы R, угловые координаты θ, ϕ максимума диаграммы направленности, рабочая частота f_p, КУ антенны, вид и род работы, требуемое превышение К_п уровня сигнала над помехой в точке приема и т.п. По исходным данным и данным по каждому из радиоканалов, хранящимся в банке данных (см. фиг.3), рассчитывают конфигурацию АФАР для соответствующего радиоканала. Расчет заключается в определении необходимого числа БАМ 1.1 и их позиций в апертуре АФАР. В частности, как показано на фиг.4, для организации связи с заданными энергетическими параметрами (требуемыми КУ, формой и ориентацией максимума диаграммы направленности АФАР) в радиолинии может быть один БАМ (фиг.4а), четыре БАМ, расположенных вдоль одной оси (фиг.4б), четыре БАМ, расположенные на двух ортогональных осях (фиг.4в) и другие подобные конфигурации. Затем формируют радиоканалы для чего:

вычисляют требуемый уровень мощности Р_A, подводимой к ОСИ 1.1;

рассчитывают требуемый уровень и фазовые сдвиги сигналов Р_c на выходах БФРК 2. Порядок расчета перечисленных характеристик АФАР при заданных исходных данных известен и описан, например, в книгах: Гвоздев И.Н., Чернолес В.П. Распространение радиоволн и антенные устройства. - Л.: ВАС, 1982 г., с.61-72.

Вычисленные характеристики по каждому радиоканалу являются основанием для формирования на соответствующих портах БАУП АФАР 5 управляющих сигналов на установку фаз (порт П5), коммутацию информационного сигнала (порт П8), подключения соответствующего возбудителя (порт П6), установку аттенюаторов (порт П3) и включение возбудителей (порт П7). Данные по расчету мощности Р_A на входах ОСИ 1.1, уровней сигналов Р_C на выходах БФРК 2 и параметров фазовращателя 2.3 и аттенюатора 2.1 предварительно заносятся и хранятся в соответствующих банках данных (см. фиг.3).

Сформированные управляющие сигналы по шинам от БАУП АФАР поступают на управляющие входы соответствующих блоков АФАР, что приводит к срабатыванию исполнительных элементов. Формирование радиотрактов завершено. В процессе работы АФАР осуществляют непрерывное измерение отдаваемой на входы ОСИ 1.1 мощности Р_A. Результаты измерений Р_изм с выхода ИМ 1.2 по N-разрядной шине «уровень мощности» поступают через порт П1 в БАУП АФАР 5, где их сравнивают с предварительно рассчитанными уровнями. При Р_изм<Р_A или Р_изм>Р_A вырабатывают управляющие сигналы на увеличение или снижение мощности. Управляющие сигналы через порт П2 поступают по N-разрядным шинам «регулировка мощности» для соответствующей корректировки мощности, с целью достижения требуемого амплитудно-фазового распределения возбуждающей ЭДС на входах задействованных в данном радиоканале БАМ, чем обеспечивается формирование необходимой диаграммы направленности АФАР. Предварительное амплитудное распределение мощности на выходах БФРК 2 достигается установкой в соответствующее положение исполнительных элементов аттенюатора 2.1 по команде управляющих сигналов, поступающих от БАУП АФАР 5 по N-разрядной шине «затухание» на соответствующий управляющий вход аттенюатора 2.1.

В процессе работы ППМ АФАР могут изменяться условия распространения радиоволн (РРВ): оптимальная рабочая частота (ОРЧ), уровень помех в точке приема, степень поглощения ЭМВ в тракте РРВ и другие исходные характеристики радиоканала. Для сохранения требуемой энергетики радиоканала на вход «исходные данные» БАУП АФАР 5 повторно вводят изменившиеся исходные данные, после чего в БАУП АФАР 5 в соответствии с рассмотренной последовательностью происходит коррекция конфигурации АФАР, установление требуемого амплитудно-фазового распределения путем изменения амплитуды и фазы сигналов на соответствующих выходах аттенюатора 2.1 и фазовращателя 2.3, вычисление параметров радиоканала и регулирование мощности на входах ОСИ 1.1 до уровня, обеспечивающего сохранение необходимого энергетического потенциала в изменившихся условиях работы радиоканалов.

Таким образом, в заявленном устройстве при использовании линейно расположенных вдоль двух ортогональных осей БАМ глубокого заложения, удовлетворяющих требованиям их устойчивости к механическим воздействиям, за счет формирования ненаправленной ДН каждого ОСИ 1.1, маневра общим энергетическим ресурсом АФАР между заданными радиоканалами, в изменяющихся условиях РРВ обеспечивается возможность повышения эффективности (КУ) ППМ АФАР в целом, т.е. достижение указанного технического результата.