СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ В ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЕ РАВНОСИГНАЛЬНОГО НАПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к антеннам или антенным системам с изменяющейся ориентацией диаграммы направленности и может быть использовано для формирования равносигнального направления в радиосистемах автосопровождения скоростных летательных аппаратов и объектов.

Известен способ управления диаграммой направленности (ДН) с помощью размещения на зеркальной поверхности антенны пассивных рассеивателей [1]. В известном изобретении, целью которого является подавление пространственных помех, при известной функции нормированного амплитудного распределения электромагнитного поля в плоской апертуре антенны формируют множество двумерных ортонормированных полиномов и определяют, какие изменения необходимо внести в фазовое распределения поля в плоской апертуре антенны, чтобы обеспечить максимальный провал в ДН в направлении прихода помех. Определяют координаты точек на зеркальной поверхности антенны, в которые необходимо поместить пассивные рассеиватели, и значения вносимых рассеивателями фазовых сдвигов, обеспечивающих формирование требуемых изменений фазового распределения электромагнитного поля в плоской апертуре антенны.

К недостаткам известного изобретения относится то, что в нем не рассмотрена возможность управления направлением главного лепестка ДН с помощью размещения пассивных рассеивателей на зеркальной поверхности антенны.

Признаки патентуемого изобретения, совпадающие с признаками известного изобретения:

- управление ДН путем размещения на зеркальной поверхности антенн пассивных рассеивателей;

- определение величины изменений, которые необходимо внести в фазовое распределение поля в плоской апертуре антенны, чтобы обеспечить формирование необходимой ДН;

- определение положения точек на зеркальной поверхности антенны, в которые помещают центры пассивных рассеивателей;

- определение необходимых величин, вносимых пассивными рассеивателями фазовых сдвигов.

Известно изобретение - способ формирования пеленгационной характеристики апертурной антенны [2], которое принято за прототип патентуемого изобретения. В известном изобретении равносигнальное направления ДН и симметрию пеленгационной характеристики обеспечивают симметричными относительно равносигнального направления отклонениями направления главного луча ДН. Управляют направлением главного луча ДН с помощью специализированных облучателей: либо рупорного облучателя, в котором возбуждают две различных моды электромагнитных волн, либо составного облучателя, состоящего из нескольких слабонаправленных излучателей установленных вблизи центрального рупора.

Недостатком прототипа является то, что для его использования в уже находящихся в эксплуатации зеркальных антеннах, необходимы замена или доработка облучающего устройства.

Признак патентуемого изобретения, совпадающий с признаком прототипа - формирование равносигнального направления обеспечивают симметричными относительно равносигнального направления отклонениями направления главного луча ДН.

Настоящее изобретение - способ формирования в зеркальной антенне равносигнального направления решает задачу формирования равносигнального направления путем использования пассивных рассеивателей.

Технический результат настоящего изобретения - обеспечение формирования равносигнального направления без применения специальных антенных облучателей и обеспечение возможности многократного включения-выключения режима формирования равносигнального направления без изменения конструкции антенны. Отсутствие инерционных элементов в конструкции пассивных рассеивателей позволяет проводить операции по формированию равносигнального направления с высоким быстродействием.

Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием, чертежами и рисунками, на которых представлены:

Фиг. 1. Структурная схема зеркальной антенны с пассивными рассеивателями и блоком управления.

Фиг. 2. Расположение локальных областей Ω_1i в плоскости апертуры рефлектора

Фиг. 3. К выделению локальных зон Ω_2i на поверхности рефлектора.

Фиг. 4. Щелевой рассеиватель.

Фиг. 5. Направления главного лепестка ДН в плоскости у=0.

На фиг. 1-5 введены следующие обозначения:

1 - рефлектор; 2 - облучатель; 3_i - пассивный рассеиватель под номером i; 4 - блок управления; щелевой рассеиватель 5; 6 - диэлектрическая пластина; 7 - щель; 8 - металлизация; 9 - СВЧ ключ; r - радиус апертуры рефлектора; X,Y,Z - оси координат рефлектора 1, ось Z является фокальной осью рефлектора, оси X, Y лежат в плоскости апертуры; θ_рс - координата равносигнального направления, заданная в сферических координатах точки наблюдения (θ, ϕ); θ₀ - величина отклонения направления главного луча ДН от фокальной оси рефлектора, используемая при формировании равносигнального направления θ_рс; Ω_1i - локальная область под номером i в плоскости апертуры рефлектора; Ω_2i - локальная область под номером i на отражающей поверхности рефлектора 1; (η₁, 0) - координаты в плоскости апертуры рефлектора центра локальной области Ω₁₁; (0, η₂) - координаты в плоскости апертуры рефлектора 1 центра локальной области Ω₁₂; (-η₀) - координаты в плоскости апертуры рефлектора 1 центра локальной области Ω₁₃; (0, η₂,) координаты в плоскости апертуры рефлектора 1 центра локальной области Ω₁₄; L, Н, d - размеры диэлектрической пластины 6; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической пластины 6; λ - длина волны в воздухе на рабочей частоте зеркальной антенны.

Способ формирования в зеркальной антенне равносигнального направления включает создание зеркальной антенны, состоящей, как показано на фиг. 1, из рефлектора 1, представляющего собой параболоид вращения с плоской круговой апертурой радиуса r, облучателя 2, размещенного на оси Z рефлектора 1, и пассивных рассеивателей 3_i установленных на отражающей поверхности рефлектора и управляемых с помощью блока управления 4.

Известными являются r - радиус апертуры рефлектора, ρ(х, у) - симметричное относительно фокальной оси Z и осей X, Y в плоскости апертуры рефлектора 1 и нормированное относительно своего максимального значения распределение основой поляризационной составляющей напряженности поля в апертуре рефлектора 1, Р₁₀(х,у)=а₁₁х+а₁₀ и P₀₁(x,y)=b₁₁y+b₀₁x+b₁₀ - определяемые по известной методике [3, стр. 377] линейные ортонормированные гармоники разложения функции ρ(х, у) в области апертуры, значения θ₀, θ_рс=0 и λ.

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность многократного включения-выключения режима формирования равносигнального направления без изменения конструкции зеркальной антенны.

В режиме формирования равносигнального направления последовательно ориентируя с главный лепесток диаграммы направленности в направлениях (θ₀,ϕ₁=0), (θ₀,ϕ₂=0,5π), (θ₀,ϕ₃=π), (θ₀,ϕ₄=1,5π), формируют равносигнальное направление θ_рс=0, в котором величина выходного сигнала зеркальной антенны оказывается одинаковой при каждом из указанных выше направлении главного лепестка ДН. На фиг. 5 показаны ориентация главного лепестка ДН в направлениях (θ₀,ϕ₁=0), (θ₀,ϕ₃=π) и равносигнальное направление θ_рс=0 в плоскости у=0.

Направления главного лепестка ДН устанавливают, задавая с помощью блока управления 4 в пассивных рассеивателях 3_i, где i=1, …, 4, необходимые значения фазовых поправок для переизлученных ими сигналов по отношении к значениям фаз, которые были бы у сигналов, отраженных непосредственно поверхностью рефлектора 1.

Требования к размещению пассивных рассеивателей 3_i, где i=1, …, 4, и значениям фазовых поправок определяют по следующей процедуре.

Определяют координаты эффективных точек в апертуре рефлектора 1, в которых изменения фазы напряженности поля оказывают максимальное влияние на ориентацию главного луча ДН. В силу симметрии ρ(х, у) относительно осей X, Y таких точек четыре, две лежат на оси X, две - на оси Y, при этом известная методика определения координат эффективных точек [3, стр. 400] упрощается. Из уравнения находят координаты эффективных точек, лежащих на оси X, x₁=η₁ и x₁=-η₁, где η₁>0. Из уравнения находят координаты эффективных точек, лежащих на оси Y, y₁=η₂ и y₁=-η₂, где η₂>0. В плоскости апертуры рефлектора 1 выделяют локальную область Ω₁₁ с координатами центра (η₁,0), локальную область Ω₁₂ с координатами центра (0,η₂), локальную область Ω₁₃ с координатами центра (-η₁,0), локальную область Ω₁₄ с координатами центра (0, -η₂,), при этом область Ω₁₁ конгруэнтна области Ω₁₃, область Ω₁₂ конгруэнтна области Ω₁₄. Расположение локальных областей Ω_1i в плоскости апертуры рефлектора 1 показано на фиг. 2.

По формуле находят значение С₁₀ - модуля коэффициента Фурье разложения функции фазового распределения напряженности поля в плоской апертуре рефлектора 1 по линейной ортонормированной гармонике P₁₀(x,y)=a₁₁x+a₁₀, при котором главный лепесток ориентирован в направлениях (θ₀,ϕ₁=0) или (θ₀,ϕ₃=π).

По формуле находят значение C₀₁ - модуля коэффициента Фурье разложения функции напряженности фазового распределения поля в плоской апертуре рефлектора 1 по линейной ортонормированной гармонике P₀₁(x,y)=b₁₁y+b₀₁x+b₁₀, при котором главный лепесток ориентирован в направлениях (θ₀,ϕ₂=0,5π) или (θ₀,ϕ₄=1,5π).

Формулы получены на основании известной методики [3, стр. 363] с учетом значений ϕ_i где i=l, …,4.

В соответствии с [3, стр. 399] по формуле определяют Ф₁ модуль фазовой поправки в фазу напряженности поля в областях Ω₁₁, Ω₁₃, при которой главный лепесток ориентирован в направлениях (θ₀,ϕ₁=0), (θ₀,ϕ₃=π).

По формуле определяют Ф₂ модуль фазовой поправки в напряженности фазу поля в областях Ω₁₂, Ω₁₄, при которой главный лепесток ориентирован в направлениях (θ₀,ϕ₂=0,5π) или (θ₀,ϕ₄=1,5π).

Поскольку непосредственно в областях Ω₁₁, Ω₁₂, Ω₁₃, Ω₁₄ плоскости апертуры рефлектора 1 установить материальные устройства для внесения фазовых поправок в фазу напряженности поля практически невозможно, в настоящем изобретении взамен коррекции фазы в плоскости апертуры рефлектора 1 проводят эквивалентную ей коррекцию фазы на зеркальной поверхности рефлектора 1 с помощью пассивных рассеивателей 3_i.

На отражающей поверхности рефлектора 1 выделяют, как показано на фиг. 3, локальные области Ω₂₁, Ω₂₂, Ω₂₃, Ω₂₄, проецируя на нее перпендикулярно плоскости апертуры рефлектора 1 локальные области Ω₁₁, Ω₁₂, Ω₁₃, Ω₁₄ соответственно. В областях Ω₂₁, Ω₂₃ размещают, соответственно, пассивные рассеиватели 3₁ 3₃, каждый из которых позволяет вносить в фазу рассеиваемого поля два значения фазовой поправки Ф₁ или минус Ф₁. В областях Ω₂₂, Ω₂₄ размещают, соответственно, пассивные рассеиватели 3₂, 3₄, каждый из которых позволяет вносить в фазу рассеиваемого поля два значения фазовой поправки Ф₂ или минус Ф₂. С помощью блока управления 4 последовательно ориентируют главный лепесток диаграммы направленности в направлениях (θ₀,ϕ₁=0), (θ₀,ϕ₂=0,5π), (θ₀,ϕ₃=π), (θ₀,ϕ₄=1,5π), как показано на фиг. 5, в результате чего формируется равносигнальное направление. Для установки направления (θ₀,ϕ₁=0) устанавливают в пассивном рассеивателе 3₁ фазовую поправку, равную минус Ф₁ в пассивном рассеивателе 3₃ - фазовую поправку, равную Ф₁, при этом в пассивных рассеивателях 3₂, 3₄ устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф₂, либо минус Ф₂. Для установки направления (θ₀,ϕ₂=0,5π) устанавливают в пассивном рассеивателе 3₂ фазовую поправку, равную минус Ф₂, в пассивном рассеивателе 3₄ - фазовую поправку, равную Ф₂, при этом в пассивных рассеивателях 3₁ 3₃ устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф₁, либо минус Ф₁. Для установки направления (θ₀,ϕ₃=π) устанавливают в пассивном рассеивателе 3₁ фазовую поправку, равную Ф₁, в пассивном рассеивателе 3₃ - фазовую поправку, равную минус Ф₁ при этом в пассивных рассеивателях 3₂, 3₄ устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф₂, либо минус Ф₂. Для установки направления (θ₀,ϕ₄=1,5π), устанавливают в пассивном рассеивателе 3₂ фазовую поправку, равную Ф₂, в пассивном рассеивателе 3₄ - фазовую поправку, равную минус Ф₂, при этом в пассивных рассеивателях 3₁ 3₃ устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф₁ либо минус Ф₁.

Для выхода из режима формирования равносигнального направления в пассивных рассеивателях 3₁ 3₃ устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф₁, либо минус Ф₁, в пассивных рассеивателях 3₂, 3₄ устанавливают одинаковое значение фазовой поправки либо Ф₂, либо минус Ф₂.

Актуальным вариантом настоящего изобретения является использование при его реализации в качестве пассивных рассеивателей 3_i щелевого рассеивателя 5, структурная схема которого приведена на фиг. 4.

В состав щелевого рассеивателя 5 входят диэлектрическая пластина 6 с размерами L=0,5λ, Н=0,26λ, d, который определяется для каждого пассивного рассеивателя 3_i, и с диэлектрической проницаемостью ε=4, металлизация 7 диэлектрической пластины 6 с прорезанной в ней щелью 8 длиною 0,5λ, и переключаемый с блока управления 4 СВЧ ключ 9, подсоединенный к сторонам щели 8. В СВЧ ключе 9 используют быстродействующий коммутационный СВЧ диод.

Как показано на фиг. 4 у щелевого рассеивателя 5, установленного на отражающей поверхности рефлектора 1, плоскость металлизация 7 с прорезанной в ней щелью 8 поднята на высоту d над отражающей поверхностью рефлектора 1.

При замыкании СВЧ ключа 9 щелевой рассеиватель 5 эквивалентен проводящей площадке с эффективной поверхностью S₁=LH=0,13λ², от которой падающая электромагнитная волна отражается с фазой меньше фазы волны, отраженной от отражающей поверхности рефлектора 1, на величину

При размыкании СВЧ ключа 8 щелевой рассеиватель 5 эквивалентен полуволновому вибратору, у которого согласно [4] эффективная поверхность определяется по формуле При этом падающая электромагнитная волна проходит через диэлектрическую пластину 6, отражается от отражающей поверхности рефлектора 1 и проходит через диэлектрическую пластину 6 в обратном направлении, что приводит к увеличению ее фазы по сравнению с фазой волны, отраженной от отражающей поверхности рефлектора 1 на величину а с учетом того, что ε=4, на величину

Таким образом, при замыкании и размыкании СВЧ ключа 9 площадь эффективной отражающей поверхности щелевого рассеивателя 5 остается неизменной, а фазовая поправка в фазу напряженности поля в области его установки на отражающей поверхности рефлектора 1, оставаясь неизменными по модулю, меняет знак.

В данном варианте изобретения, в силу равенства S₁=S₂, при определении значений Ф₁, Ф₂ - модулей фазовых поправок в фазу напряженности поля в областях Ω₁₁, Ω₁₂, Ω₁₃, Ω₁₄ плоскости апертуры рефлектора 1 указанные области задают в виде прямоугольников со сторонами L=0,5λ, Н=0,26λ, для пассивных рассеивателей 3₁ 3₃ значение размера d щелевых рассеивателей 5 берут равным а для пассивных рассеивателей 3₂, 3₄ - равным

Для ориентации главного лепестка диаграммы направленности в направлении (θ₀,ϕ₁=0) в пассивном рассеивателе 3₁ СВЧ ключ 9 замыкают, в пассивном рассеивателе 3₃ СВЧ ключ 9 размыкают, при этом в пассивных рассеивателях 3₂, 3₄ СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое. Для установки направления (θ₀,ϕ₂=0,5π) в пассивном рассеивателе 3₂ СВЧ ключ 9 замыкают, в пассивном рассеивателе 3₄ СВЧ ключ 9 размыкают, при этом в пассивных рассеивателях 3₁ 3₃ СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое. Для установки направления (θ₀,ϕ₃=π) в пассивном рассеивателе 3₁ СВЧ ключ 9 размыкают, в пассивном рассеивателе 3₃ СВЧ ключ 9 замыкают, при этом в пассивных рассеивателях 3₂, 3₄ СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое. Для установки направления (θ₀,ϕ₄=1,5π), т в пассивном рассеивателе 3₂ фазовую СВЧ ключ 9 размыкают, в пассивном рассеивателе 3₄ СВЧ ключ 9 замыкают, при этом в пассивных рассеивателях 3₁, 3₃ СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое.

Для выхода из режима формирования равносигнального направления в пассивных рассеивателях 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ СВЧ ключи 9 устанавливают в одинаковое состояние либо замкнутое, либо разомкнутое.

Таким образом:

- заявленные изобретение позволяет формировать в зеркальной антенне равносигнальное направление с использованием пассивных рассеивателей;

- обеспечивается возможность многократного включения-выключения режима формирования равносигнального направления без изменения конструкции антенны;

- высокая скорость переключения лучей обеспечивается использованием в пассивных рассеивателях быстродействующих коммутационных СВЧ диодов.

Литература

1. Гусевский В.И., Моисеев М.В., Чадов С.Е., Степанов А.А., Поляков Е.М. Автономная система защиты станций с зеркально-параболическими антеннами от воздействия помеховых сигналов и способ ее построения. Патент RU 2311708, 2006 г.

2. В.П. Вальд, С.М. Веревкин, В.П. Давыдов и А.Е. Соколов. Способ формирования пеленгационной характеристики апертурной антенны, патент SU 1467633, 1989 г.

3. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Гусевский В.И. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. - М.: Сайнс-пресс, 2005, стр. 363, 399, 400

4. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: - М.: Высшая школа, 1988, стр. 213