способ импульсного возбуждения широкополосной антенной решетки и импульсная широкополосная антенная решетка

Классы МПК:H01Q21/06 решетки из возбуждаемых в отдельности антенных узлов, одинаково поляризованных и разнесенных в пространстве 
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Закрытое акционерное общество "СОФТМЕДИА"
Приоритеты:
подача заявки:
2001-03-02
публикация патента:

Изобретения относятся к области радиотехники, в частности к антенной технике, и могут использоваться при проектировании антенных решеток для систем связи, локации и радиоэлектронной борьбы, использующих импульсы длительностью менее 2 нс. Они обеспечивают улучшение согласования (снижение КСВН - коэффициента стоячей волны по напряжению), повышают коэффициент полезного действия широкополосной антенной решетки (АР) при импульсном возбуждении. Для этого в способе импульсного возбуждения широкополосной АР синхронно преобразуют на каждом входе рупорного излучателя постоянное напряжение в импульсное электромагнитное поле, модулируют поле по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера каждого элемента АР и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение и минимальное рассогласование по волновому сопротивлению. Широкополосная АР содержит n рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, каждый рупорный излучатель образован плавным переходом полосковой линии в рупорный излучатель решетки в Е и Н плоскости, все рупорные излучатели электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру антенной решетки, а каждый рупорный излучатель содержит формирователь импульсного сигнала, который преобразует постоянное напряжение в импульсный сигнал, выход формирователя импульсного сигнала нагружен на полосковую линию рупорного излучателя, а его вход является синхровходом рупорного излучателя. Техническим результатом является уменьшение потерь электромагнитного поля. 2 с.п. ф-лы, 11 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11

Формула изобретения

1. Способ импульсного возбуждения широкополосной антенной решетки, в котором модулируют поле в n электрически связанных рупорных излучателях по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера каждого элемента антенной решетки и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение и минимальное рассогласование по волновому сопротивлению, отличающийся тем, что перед модуляцией синхронно преобразуют на каждом входе рупорного излучателя постоянное напряжение в импульсное электромагнитное поле амплитудой u и длительностью способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152, а параметры пространственной модуляции определяют из формул

b2E1+b2H1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(cспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152)2/16

DAспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 21801521,549способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Lраб)0,5,

n= Nспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Mспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Риспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Rвх/u2,

bE1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152DE1/2;

bH1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152DH1/2;

D2Aспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152N2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152D2H1+M2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152D2E1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 21801520,09способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(1-способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152)-2,

где bE1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

bН1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

DE1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

DH1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

N - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

М - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

Ри - требуемая импульсная мощность излучения антенной решетки;

Rвх - входное сопротивление рупорного элемента решетки;

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 - требуемая энергетическая эффективность антенной решетки;

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 - длительность импульса, измеряемая по уровню половинной мощности генерируемого сигнала;

с - скорость света в вакууме;

Lраб - минимальная дальность действия антенной решетки;

DA - максимально возможный размер антенной решетки.

2. Импульсная широкополосная антенная решетка, содержащая n рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, каждый рупорный излучатель образован плавным переходом полосковой линии в рупорный излучатель решетки в Е и Н плоскости, все рупорные излучатели электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру антенной решетки, отличающаяся тем, что в каждый рупорный излучатель дополнительно введен формирователь импульсного сигнала, который преобразует постоянное напряжение в импульсный сигнал, выход формирователя импульсного сигнала нагружен на полосковую линию рупорного излучателя, а его вход является синхровходом, причем геометрические параметры антенной решетки рассчитывают из соотношений

b2E1+b2H1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(cспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152)2/16,

DAспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 21801521,549способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Lраб)0,5,

n= Nспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Mспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Риспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Rвх/u2,

bE1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152DE1/2,

bH1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152DH1/2,

D2Aспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152N2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152D2H1+M2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152D2E1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 21801520,09способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(1-способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152)-2,

где bE1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

bН1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

DE1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

DH1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

N - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

М - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

Ри - требуемая импульсная мощность излучения антенной решетки;

Rвх - входное сопротивление рупорного элемента решетки;

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 - требуемая энергетическая эффективность антенной решетки;

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 - длительность импульса, измеряемая по уровню половинной мощности генерируемого сигнала;

с - скорость света в вакууме;

Lраб - минимальная дальность действия антенной решетки;

DA - максимально возможный размер антенной решетки.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области радиотехники, в частности к антенной технике, и могут использоваться при проектировании антенных решеток для систем связи, локации и радиоэлектронной борьбы, реализуемых на принципах излучения коротких импульсов без несущей частоты.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу импульсного возбуждения широкополосной антенной решетки (прототипом) является способ возбуждения широкополосной антенной решетки (АР), описанный в Российском патенте (см. заявку 99118983/09(020263, МПК Н 01 Q 21/ 06, 1999, по которой принято решение о выдаче патента). В известном техническом решении:

- преобразуют информативный сигнал в электромагнитное поле с линейной поляризацией, например, на полосковой линии;

- разделяют полученное поле по амплитуде на n частей по числу рупорных излучателей в решетке;

- модулируют каждую составляющую электромагнитного поля, полученную в результате трансформации по пространственной фазе так, чтобы получить минимальное рассогласование по волновому сопротивлению и заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение, а параметры пространственной модуляции определяют из соотношений

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 21801522min/16 способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 b2E1+b2H1; (1)

bE1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152DE1>/2; (2)

bH1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152DH1>/2; (3)

N2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152D2H1+M2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152D2E1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 21801522max/4; (4)

где способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152min- минимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот антенной решетки;

bE1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

bH1 - расстояние от оси решетки до вершины первого рупорного излучателя в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

DE1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

DH1 - линейный размер апертуры первого рупорного излучателя антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

N - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором магнитного поля Н;

М - число рупорных излучателей антенной решетки в плоскости, образованной оптической осью антенны и вектором электрического поля Е;

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152max- максимальная длина волны требуемого рабочего диапазона частот антенной решетки.

Известный способ имеет большие потери электромагнитного поля из-за необходимости многократного деления импульсного сигнала. Кроме того, использование одного генератора импульсов с последующим делением импульсного сигнала по амплитуде приводит к появлению помехового эхо-сигнала.

В качестве прототипа для заявляемой импульсной широкополосной антенной решетки выбрана широкополосная АР, описанная в Российском патенте (см. заявку 99118983/09(020263, МПК Н 01 Q 21/06, 1999, по которой принято решение о выдаче патента), содержащая полосковую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения на n выходов и связанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из n рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, каждый выход системы возбуждения плавно переходит в рупорный излучатель решетки в Е и Н плоскости, причем каждый рупорный излучатель образуется так, что волновое сопротивление в любом его сечении вдоль оптической оси решетки остается постоянным, все рупорные излучатели электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру антенной решетки, а ее геометрические параметры определяются из соотношений (1) - (4).

Известная широкополосная АР возбуждается в широкой полосе частот, однако она не позволяет получить низкий уровень внутреннего отражения электромагнитного поля при импульсном возбуждении из-за необходимости многократного деления входного сигнала. Кроме того, использование одного генератора импульсов с последующим делением импульсного сигнала по амплитуде приводит к появлению помехового эхо-сигнала.

Сущность изобретений заключается в следующем.

В предлагаемом способе так же, как и в прототипе:

- модулируют поле в n электрически связанных рупорных излучателях по пространственной амплитуде и фазе с учетом номера каждого элемента антенной решетки и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение и минимальное рассогласование по волновому сопротивлению.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе перед модуляцией синхронно преобразуют на каждом входе рупорного излучателя постоянное напряжение в импульсное электромагнитное поле амплитудой u и длительностью способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152, а параметры пространственной модуляции определяют из формул

b2E1+b2H1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 (cспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152)2/16; (5)

DAспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 1,549способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Lраб)0,5; (6)

n=Nспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Mспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Pиспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Rвх/u2, (7)

bE1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152DE1/2; (8)

bH1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152DH1/2; (9)

D2A способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 N2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152D2H1+M2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152D2E1способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 0,09способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(1-способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152)-2, (10)

где Ри - требуемая импульсная мощность излучения антенной решетки;

Rвx - входное сопротивление рупорного элемента решетки;

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152- требуемая энергетическая эффективность антенной решетки;

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152- длительность импульса, измеряемая по уровню половинной мощности генерируемого сигнала;

с - скорость света в вакууме;

Lpaб - минимальная дальность действия антенной решетки;

Da - максимально возможный размер антенной решетки.

Предлагаемая импульсная широкополосная АР так же, как и прототип, содержит n рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, каждый рупорный излучатель образован плавным переходом полосковой линии в рупорный излучатель решетки в Е и Н плоскости, все рупорные излучатели электрически замкнуты между собой, образуя единую пространственную апертуру антенной решетки.

В отличие от прототипа в предлагаемой импульсной широкополосной АР в каждый рупорный излучатель дополнительно введен формирователь импульсного сигнала, который преобразует постоянное напряжение в импульсный сигнал, выход формирователя импульсного сигнала нагружен на полосковую линию рупорного излучателя, а его вход является синхровходом, причем геометрические параметры антенной решетки рассчитывают из соотношений (5) - (10).

Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и устройство, является снижение внутренних отражений электромагнитного поля и потерь в широкополосной антенной решетке при импульсном возбуждении.

Совокупность общих и частных существенных признаков изобретений обеспечивает возможность решения задачи и достижения требуемого технического результата, а именно улучшение согласования (снижения КСВН - коэффициента стоячей волны по напряжению) и повышение коэффициента полезного действия (КПД) широкополосной антенной решетки при импульсном возбуждении.

Действительно, согласование АР оценивается КСВН, который для качественных антенн не должен превышать заданного уровня во всем рабочем диапазоне частот. В свою очередь КСВН полностью определяется внутренними отражениями, возникающими на всех неоднородностях в АР. По этой причине снижение внутреннего отражения АР, достигающееся за счет исключения многократного деления импульсного сигнала, обеспечивает снижение КСВН и, следовательно, улучшение согласования. Это естественным образом приводит к снижению потерь и, следовательно, повышению КПД антенной решетки. Кроме того, размещение формирователя импульсного сигнала непосредственно на входе рупорного излучателя обеспечивает минимальное расстояние от точки формирования импульса до точки его излучения в пространство, что приводит к устранению паразитного эхо-сигнала, амплитуда которого (при большой импульсной мощности) оказывается соизмеримой с самим импульсным сигналом.

Отметим, что в заявляемой АР используется импульсный сигнал. В этом случае соотношения для оптимальной АР (1) - (4) оказываются непригодны, поскольку не учитывают специфику излучения импульсных сигналов длительностью менее 2 нc. Исследование проблемы импульсного излучения таких сигналов позволило сформулировать условия для оптимальной импульсной АР в виде (5) - (10).

В результате поиска не обнаружено информации, позволяющей сделать вывод об известности отличительных признаков заявляемых технических решений, следовательно, заявляемые технические решения соответствуют условию новизны.

Из предшествующего уровня техники не известно влияние отличительных признаков заявляемых технических решений на достигаемый технический результат, следовательно, заявляемые технические решения соответствуют условию изобретательского уровня.

Сущность изобретений раскрывается чертежами, где на фиг.1 - 3 и 9 поясняются основные принципы, заложенные в предлагаемый способ, на фиг.4 и 5 приведены варианты импульсной эквидистантной широкополосной антенной решетки, а на фиг.6 - 8 - возможные варианты исполнения элементов АР.

На фиг.1 изображена зависимость предельного размера антенной решетки DA от минимальной дальности работы Lpaб для четырех значений длительности импульса способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 = 1 нс, способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 = 0,5 нс, способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 = 0,2 нс и способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 = 0,1 нс.

На фиг. 2 приведена схема расчета предельного размера антенной решетки DA.

На фиг. 3 приведены результаты расчета зависимостей характеристик импульсной АР от параметров импульсного сигнала и свойств АР. На фиг.3,а показана аналитическая форма сигнала u длительностью 1 нc, а на фиг.3,б - экспериментально полученный импульсный сигнал. На фиг.3,в показан рассчитанный для сигнала u спектр. На фиг.3,г показаны результаты расчета эффективности способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 АР от ограничения нижней рабочей частоты F. На фиг.3,д показана зависимость эффективности способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 АР при F=0 от ограничения верхней рабочей частоты.

На фиг.4 и 5 (вид сбоку) показана эквидистантная импульсная АР, включающая n=Nспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152М элементов, каждый из которых состоит из формирователя 1 импульсного сигнала (ФИС) и образующих 2 рупорного излучателя.

На фиг. 6 и 7 показаны возможные реализации ФИС 1. ФИС 1, показанный на фиг.6, предназначен для работы в режиме внешнего запуска и содержит генератор 3 импульсов (ГИ), измеритель 4 временных интервалов (ИВИ), управляемую линию задержки 5 (УЛЗ), делитель 6 сигнала (ДС), синхровход 7, питающий вход 8 и выходную полосковую линию, состоящую из токоведущего 9 и корпусного 10 проводников.

На фиг.7 показан ФИС 1, предназначенный для работы в автономном режиме, и содержит генератор 3 импульсов, измеритель 4 временных интервалов, управляемую линию задержки 5, генератор 11 запуска (ГЗ), управляющий вход 7, питающий вход 8 и выходную полосковую линию, состоящую из токоведущего 9 и корпусного 10 проводников.

На фиг.8 показан генератор импульсов 3, который включает индуктивный накопитель 12 и управляемый ключ 13.

На фиг.9 - результаты расчета зависимости требуемой максимальной рабочей длины волны от требуемой энергетической эффективности АР.

Фиг. 10 поясняет причину возникновения паразитного эхо-сигнала, где показаны передатчик 14 и АР 15.

Фиг. 11 поясняет устранение паразитного эхо-сигнала в предлагаемом техническом решении.

Практическое конструирование импульсных антенных решеток на базе рупорных излучателей и их эксплуатация показали, что с уменьшением длительности импульса менее 2 нc ряд параметров антенны перестает описываться известными аналитическими соотношения для расчета антенн, а антенны, рассчитываемые на основании классического подхода, оказываются далеко не оптимальными, а в ряде случаев и неработоспособными. Определим основные причины, приводящие к этому.

Во-первых, из-за малой геометрической протяженности сигнала (для длительности импульса 1 нс геометрическая длина сигнала составляет 30 см) геометрические размеры (максимальные) не могут быть произвольными. Они оказываются зависимыми от длительности импульсного сигнала способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152. Для расчета максимально допустимого размера АР DA можно использовать простую схему (фиг.2,а). Причем необходимо задать минимальную дальность Lpaб, на которой предполагается применять антенную решетку. В этом случае когерентно сложатся в дальней зоне только те составляющие, которые во времени сдвинуты друг относительно друга не более чем на способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152. Решение этой задачи приводит к одному из основных ограничений импульсной электродинамики антенн на максимальный размер импульсной АР (6). На фиг.1 приведены результаты расчета DA в зависимости от дальности Lpaб и длительности импульса способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152. Согласно данным расчета особое значение данное ограничение приобретает для малых дальностей и длительности импульса менее 1 нс. При длительности импульса менее 0,1 это ограничение может составлять единицы метров. Правило применения для АР данного ограничения показано на фиг.2,б.

Во-вторых, вопрос обеспечения высокой энергетической эффективности АР (высокого КПД) определяется хорошим согласованием антенны (низким КСВН) и способностью излучать энергию сигнала с заданной спектрально эффективностью способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152. Для определения зависимости между энергетической эффективностью АР и ее геометрией была разработана модель аналитического описания формы импульсов, которая воспроизводит импульсный сигнал со спектральной ошибкой не более 1%. Результаты моделирования сигнала приведены на фиг.3,а, а экспериментально снятый сигнал импульсного генератора (способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 = 1 нс) - на фиг.3,б. Результаты расчета спектра G(f) этого сигнала (где f - текущая частота) показаны на фиг. 3,в. На фиг. 3,д показан расчет функции

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152

которая определяет относительную величину мощности излученной АР при ограничении ее рабочего диапазона частот интервалом

0способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152fспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152F. (12)

На фиг.3,г показан расчет функции

S(F)=1-Q(F), (13)

которая определяет величину мощности излученной АР при ограничении ее рабочего диапазона частот интервалом

F способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 f способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152. (14)

Анализ полученных результатов позволяет установить следующее:

1. При частоте верхней отсечки по частоте

FВ= 2/способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 (15)

энергетическая эффективность АР (функция Q(F)) составляет 0,98. Непосредственно из (15) следует ограничение (5), если учесть, что длина волны способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 определяется соотношением

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152min= c/FB, способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152max= c/FH. (16)

2. Зависимость функции S(F) в интервале 0способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152S(F)способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 21801520,6 от частоты нижней отсечки FH определяется соотношением (фиг.3,г)

S(F) = 1-2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152FH = способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152, (17)

где FH измеряется в ГГц, a способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 - безразмерная величина.

Непосредственно из (17) с учетом (16) следует ограничение (10).

На фиг. 9 приведена зависимость требуемой максимальной длины волны АР способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152max от задаваемой энергетической эффективности способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152. Согласно расчета для выполнения условия способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 = 0,94 необходимо обеспечить способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152max= 10м, а для способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 = 0,94 необходимо обеспечить способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152max= 20 м.

В качестве исходных данных, обязательных при проектировании антенны, являются требуемые импульсная мощность РA, энергетическая эффективность способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152, минимальная дальность действия Lpaб и длительность импульсного сигнала способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152. В этом случае соотношений (5) - (10) достаточно для расчета геометрии АР. При этом согласно (15) и (17) для требуемой полосы рабочих частот АР в интервале 0 способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 0,6 справедливо соотношение

способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152F = FH-FH = 2/способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152+способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152-1, (18)

где способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 измеряется в нc, a способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152F - в ГГц.

Отметим, что неоспоримым достоинством предлагаемого способа является возможность распределенного излучения энергии в пространство, которое определяется условием (7), когда число элементов в АР жестко коррелированно не только с энергетической эффективностью АР, но и с требуемой импульсной мощностью, определяемой предельной дальностью действия системы. Для реальной системы требование импульсной мощности обычно является обязательным и первичным. В этом случае число элементов решетки определяется из ограничения (10), и после этого из (7) определяется минимальная требуемая импульсная амплитуда сигнала и каждого рупорного излучателя.

В третьих, в импульсной АР при малой длительности импульса способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 неизбежно возникает паразитный эхо-сигнал. Причиной этого эффекта (фиг.10,а) является наличие расстояния 1 между выходом передатчика 14 и апертурой антенной решетки 15, которое в реальных системах составляет от нескольких метров до десятков метров. В упрощенной модели можно считать, что амплитуда m-го отражения определяется соотношением

Pm= PAспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152(1-способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152)m. (19)

На фиг. 10,б показан временной процесс появления первых двух паразитных импульсов. Период их следования определяется как

Tэс=2способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152Iспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152c. (20)

В предлагаемом способе удается сделать расстояние между выходом ФИС 1 и апертурой АР минимальной. В этом случае паразитный сигнал находится рядом с полезным сигналом (фиг.11,а) и может быть устранен практически полностью подбором длительности синхроимпульса, запускающего ФИС 1 (фиг.11,б).

Следовательно, условие (5) показывает, что максимальный линейный размер первого элемента решетки должен быть больше половины геометрической длины импульса, но в соответствии с (8) и (9) начальная база bE1 и bH1 не может превышать половины заданных линейных размеров апертуры элемента, поскольку в этом случае соседние элементы решетки должны отстоять друг от друга на некотором расстоянии, что не позволит обеспечить электрический контакт соседних элементов. Условие равенства в (8), (9) соответствует эквидистантной антенной решетке.

Согласование АР на нижней рабочей частоте требует выполнения условия, при котором максимальный линейный размер АР больше половины максимальной длины волны рабочего диапазона частот. Математически настоящее условие при заданной энергетической эффективности может быть записано в виде (10). Отметим, что из всех условий жестко ограничительными являются условие (6) на максимальную эффективную апертуру АР и связанное с ним условие (10).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет устранить основные недостатки прототипа. Он обеспечивает высокоэффективное согласование АР, высокий КПД и устранение паразитного эхо-сигнала.

Для реализации предлагаемого способа необходимо выполнить следующие операции:

- синхронно преобразовать на каждом входе рупорного излучателя постоянное напряжение в импульсное электромагнитное поле амплитудой u и длительностью способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152. В дальнейшем это поле преобразуют в поле излучения. Уникальность данной операции состоит в том, что излучаемое поле генерируется в самой АР, к которой подводится только постоянное питающее напряжение;

- промодулировать электромагнитное поле по пространственной амплитуде и фазе в каждом рупорном излучателе с учетом номера каждого элемента антенной решетки и его пространственного положения так, чтобы обеспечить заданное суммарное амплитудно-фазовое распределение и минимальное рассогласование по волновому сопротивлению. При этом параметры пространственной модуляции определяют из соотношений (5) - (10). Эта операция позволяет обеспечить согласование АР во всем рабочем диапазоне частот.

В отличие от прототипа в заявляемом способе дополнительное преобразование на каждом входе рупорного излучателя постоянного напряжения в импульсное электромагнитное поле направлено на обеспечение согласования АР при импульсном возбуждении, повышение КПД и устранение паразитного эхо-сигнала.

Импульсная широкополосная эквидистантная антенная решетка приведена на фиг.4 и 5 (вид сбоку).

АР работает следующим образом.

АР состоит из n=Nспособ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152M идентичных излучательных модулей (ИМ), каждый из которых включает ФИС 1 и образующие 2 рупорных излучателей. Каждый ИМ имеет два входа 7 и 8 (фиг.6) и работает следующим образом. На вход 8 подается постоянное питающее напряжение 0, которое преобразуется в излучаемое импульсное электромагнитное поле u(t) в момент времени, когда на синхровход 7 приходит запускающий синхроимпульс uc. Для обеспечения временной стабильности работы ИМ служит управляющая цепочка с обратной связью, собранная на делителе сигнала 6, управляемой линии задержки 5 и измерителе 4 временных интервалов. При температурной нестабильности генератора импульсов 3 ИВИ 4 измеряет временное смещение импульса с выхода ГИ 3 относительно импульса с выхода ДС 6. Если импульс ГИ 3 отстает относительно фиксированной величины задержки, сигнал на выходе ИВИ 4 изменится так, что задержка УЛЗ 5 уменьшится на необходимую величину. Если импульс ГИ 3 приходит ранее фиксированной величины задержки, то сигнал на выходе ИВИ 4 изменится так, что задержка УЛЗ 5 увеличится на необходимую величину. Генератор импульсов 3 нагружен непосредственно на полосковую линию, состоящую из проводников 9 и 10, которые и переходят в образующие рупорных излучателей.

На фиг.7 приведен вариант построения ФИС 1 для случая автономной работы излучающего модуля. В этом случае вместо ДС 6 (фиг.6) вводится высокостабильный генератор 11 запуска (ГЗ). При этом вход 7 используется для изменения частоты следования импульсов управляющим электрическим сигналом.

На фиг. 8 приведен возможный вариант исполнения генератора импульсов 3, который состоит из индуктивного накопителя 12 (ИН) и управляемого ключа 13, нагруженного на выходную полосковую линию. В исходном состоянии управляемый ключ 13 разомкнут и выходное сопротивление генератора импульсов равно способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152 (холостой ход). Индуктивный накопитель заряжается от источника U0. Управляемый ключ 13 открывается на время действия синхроимпульса uc. При этом выходное сопротивление ключа 13 становится равным волновому сопротивлению полосковой линии и благодаря мощному разряду индуктивного накопителя 12 через ключ 13 генерируется импульсное электромагнитное поле u(t) на выходе ключа 13 (генератора импульсов 3) необходимой импульсной мощности. Если длительность синхросигнала (фиг.11,а) выбрать из условия способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152c= 2 способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152способ импульсного возбуждения широкополосной антенной   решетки и импульсная широкополосная антенная решетка, патент № 2180152+Tэс, то отраженный от апертуры эхо-сигнал поступит в тот момент, когда ключ 13 еще включен и его волновое сопротивление согласовано с полосковой линией. Это значит, что эхо-сигнала не будет. В качестве управляемого ключа может использоваться дрейфовый диод с резким восстановлением (ДДРВ), серийно выпускаемый в Санкт-Петербурге, для использования в генераторах сверхкоротких импульсов.

Расчет геометрических параметров импульсной АР производится в соответствии с соотношениями (5) - (10).

В качестве элементной базы для изготовления АР могут использоваться типовые конструкционные материалы, имеющие широкое промышленное распространение. Для изготовления металлических пластин применима медная лента. В качестве фольгированного диэлектрика применяют фольгированный текстолит, гетинакс и т. п. В качестве диэлектрических вставок могут использоваться пенопласты, элементы для электронных схем серийного производства.

Класс H01Q21/06 решетки из возбуждаемых в отдельности антенных узлов, одинаково поляризованных и разнесенных в пространстве 

антенно-мачтовое устройство для радиорелейной станции -  патент 2488203 (20.07.2013)
двухполяризационная вибраторная антенная решетка высокой заводской готовности метрового диапазона с широкоугольным сканированием и способ ее настройки -  патент 2333579 (10.09.2008)
волноводно-щелевая антенная решетка и делитель мощности, используемый в ней -  патент 2321112 (27.03.2008)
антенное устройство с частотным сканированием -  патент 2321111 (27.03.2008)
устройство для преобразования поляризации электромагнитной волны -  патент 2316857 (10.02.2008)
способ формирования и приема импульсных электромагнитных сигналов сверхкороткой длительности без несущей и устройство для его осуществления -  патент 2313870 (27.12.2007)
высоконаправленная кольцевая фазированная антенная решетка -  патент 2310956 (20.11.2007)
способ возбуждения широкополосной антенной решетки и широкополосная антенная решетка (варианты) для его осуществления -  патент 2295180 (10.03.2007)
активная антенна с компенсацией (ее варианты) и антенная решетка из активных антенн с компенсацией -  патент 2292613 (27.01.2007)
антенна частотного сканирования -  патент 2284079 (20.09.2006)
Наверх