RU2385518C2

RU2385518C2 - Antenna system with circular or sector scanning

Info

Publication number: RU2385518C2
Application number: RU2008122827/09A
Authority: RU
Inventors: Алексей Львович Умнов (RU); Алексей Львович Умнов; Иван Сергеевич Шишалов (RU); Иван Сергеевич Шишалов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ЛБС Групп"
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2010-03-27
Also published as: RU2008122827A

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: antenna system with circular or sector scanning includes active radiating element and surrounding passive reflectors with connected loads with complex controlled impedance, arranged in near zone of active radiating element, passive reflectors are located in more than one tier, at that active radiating element is arranged in the form of antenna with the possibility to distribute energy among specified tiers. Active radiating element may be arranged in the form of collinear antenna with serial supply of antenna segments.

EFFECT: improved ratio of antenna amplification due to increase of its geometric dimensions as a result of additional tiers inclusion.

2 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиопеленгации и радиообнаружения.The present invention relates to radio engineering and can be used in radio communication systems, direction finding and radio detection.

Известно, что направленные антенны имеют ряд преимуществ по сравнению с ненаправленными антеннами. Направленные антенны дают возможность излучать (или принимать) электромагнитные волны в заданном направлении с одновременным их усилением при подавлении излучения в других направлениях, что позволяет: увеличивать дальность радиосвязи и/или скорость передачи информации; повышать скрытность передачи информации и помехозащищенность канала связи; определять направление на источник излучения.Directional antennas are known to have several advantages over omnidirectional antennas. Directional antennas make it possible to radiate (or receive) electromagnetic waves in a given direction with their simultaneous amplification while suppressing radiation in other directions, which allows you to: increase the range of radio communications and / or information transfer speed; to increase the secrecy of information transmission and noise immunity of the communication channel; determine the direction to the radiation source.

При этом, для использования в мобильных системах связи, радиопеленгации и радиообнаружения, а также для осуществления возможности работы со многими абонентами, случайным образом расположенными или перемещающимися в пространстве, в данных системах должно быть реализовано управление направленным излучением с возможностью кругового или секторного сканирования диаграммой направленности.At the same time, for use in mobile communication systems, radio direction finding and radio detection, as well as for the possibility of working with many subscribers randomly located or moving in space, these systems must have directional radiation control with the possibility of circular or sector scanning by radiation pattern.

Известны антенны с механическим управлением диаграммой направленности. (Радиолокационные системы П.А.Бакулев, Издательство: Радиотехника, ISBN: 5-93108-027-9, 2004).Known antennas with mechanical control of the radiation pattern. (Radar systems P.A. Bakulev, Publisher: Radiotehnika, ISBN: 5-93108-027-9, 2004).

Механическое управление направлением излучения путем вращения антенны имеет ряд существенных недостатков. Из-за инерционности антенных конструкций оно может быть реализовано только с очень низкой скоростью, при этом для реализации этой возможности требуются сложные, потребляющие много энергии поворотные устройства.The mechanical control of the direction of radiation by rotating the antenna has several significant drawbacks. Due to the inertia of the antenna structures, it can be implemented only at a very low speed, and to realize this possibility complex, energy-intensive rotary devices are required.

Известна антенна с электронным сканированием луча, описанная в А.С. СССР № 785916, кл. Н01Q 21/06, опубл. 1980.12.07.Known antenna with electron beam scanning, described in A.S. USSR No. 785916, cl. H01Q 21/06, publ. 1980.12.07.

Антенна содержит возбудитель в виде секториального рупора и блока управления и формирования диаграммы направленности, выполненного в виде эквидистантной решетки открытых гиромагнитных линий поверхностной волны.The antenna contains a pathogen in the form of a sectorial horn and a control unit and beamforming made in the form of an equidistant array of open gyromagnetic surface wave lines.

Недостатком известной антенны является сложность ее изготовления, связанная с тем, что антенна имеет много СВЧ элементов, изготовление и настройка которых требуют специального оборудования. Кроме того, данная антенна имеет довольно низкий КПД СВЧ части и высокое энергопотребление в системе управления. Данная антенна не позволяет осуществлять круговое сканирование диаграммой направленности.A disadvantage of the known antenna is the complexity of its manufacture, due to the fact that the antenna has many microwave elements, the manufacture and tuning of which require special equipment. In addition, this antenna has a fairly low efficiency of the microwave part and high power consumption in the control system. This antenna does not allow circular scanning with a radiation pattern.

Известна высоконаправленная кольцевая фазированная антенная решетка, защищенная патентом РФ № 2310956, Кл. Н01Q 21/06, опубл. 2007.11.20. Решетка содержит N ненаправленных идентичных антенн, N-канальный управляемый фазовращатель и сумматор. Антенны решетки расположены эквидистантно вдоль окружности с радиусом R₀, обеспечивающим наибольшую допустимую ширину главного лепестка синтезированной диаграммы направленности на максимальной длине волны рабочего диапазона, и с одинаковым угловым шагом относительно центра решетки. Количество антенн выбирают по формуле N=4l+2, где l=1, 2, 3, … - целые положительные числа, не равные нулю. Расстояния от центра решетки до фазовых центров антенн по сравнению с радиусом R₀ для антенн решетки с нечетными порядковыми номерами выбирают увеличенными, а для антенн решетки с четными порядковыми номерами выбирают уменьшенными.Known highly directional ring phased antenna array, protected by RF patent No. 2310956, CL. H01Q 21/06, publ. 2007.11.20. The array contains N omnidirectional identical antennas, an N-channel controlled phase shifter, and an adder. The array antennas are located equidistantly along a circle with a radius R ₀ that provides the largest allowable width of the main lobe of the synthesized radiation pattern at the maximum wavelength of the operating range, and with the same angular pitch relative to the center of the array. The number of antennas is selected according to the formula N = 4l + 2, where l = 1, 2, 3, ... are positive integers that are not equal to zero. The distances from the center of the array to the phase centers of the antennas are selected increased compared to the radius R ₀ for antennas of the array with odd serial numbers, and selected for antennas of the array with even serial numbers reduced.

Недостатками известной решетки являются:The disadvantages of the known lattice are:

- высокое энергопотребление;- high power consumption;

- требование высокой точности при производстве большого числа СВЧ-компонентов решетки, приводящее к высокой цене конечного устройства;- the requirement of high accuracy in the production of a large number of microwave components of the lattice, leading to a high price of the final device;

- невозможность сканирования диаграммой направленности в вертикальном направлении.- the inability to scan the radiation pattern in the vertical direction.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату, выбранной в качестве прототипа, является антенная система с круговым или секторным сканированием, описанная в статье "Reactively Controlled Directive Arrays " в журнале "IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION", VOL.AP-26, No. 3, May 1978.The closest to the claimed technical essence and the achieved result, selected as a prototype, is an antenna system with circular or sector scanning, described in the article "Reactively Controlled Directive Arrays" in the journal "IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION", VOL.AP-26 , No. 3, May 1978.

Антенная система содержит активный излучающий элемент, выполненный в виде симметричного электрического диполя, возбуждаемого в центре, и пассивные переотражатели, выполненные в виде симметричных электрических диполей, нагруженных в центре реактивными нагрузками с комплексным управляемым импедансом. Центры пассивных переотражателей расположены по окружности, в центре которой находится центр активного излучающего элемента. Все элементы системы расположены параллельно.The antenna system contains an active radiating element made in the form of a symmetric electric dipole excited in the center, and passive reflectors made in the form of symmetric electric dipoles loaded in the center with reactive loads with complex controlled impedance. The centers of the passive reflectors are located in a circle in the center of which is the center of the active radiating element. All elements of the system are located in parallel.

Недостатком известной антенной системы является невысокий коэффициент усиления и отсутствие возможности осуществлять сканирование диаграммой направленности в вертикальной плоскости.A disadvantage of the known antenna system is the low gain and the inability to scan in a vertical plane.

Задачей заявленного изобретения является совершенствование антенной системы.The objective of the claimed invention is to improve the antenna system.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении коэффициента усиления антенны, сочетающегося с возможностью секторного и кругового сканирования диаграммой направленности в полном диапазоне углов (360 градусов), а также возможностью секторного сканирования в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой осуществляется круговое сканирование. Кроме того, конструкция антенны позволяет масштабировать решение - повышать коэффициент усиления за счет увеличения ее геометрических размеров, достигаемого добавлением дополнительных ярусов в антенну.The technical result from the use of the invention is to increase the antenna gain, combined with the possibility of sector and circular scanning by a radiation pattern in the full range of angles (360 degrees), as well as the possibility of sector scanning in the direction perpendicular to the plane in which the circular scan is performed. In addition, the antenna design allows you to scale the solution - to increase the gain by increasing its geometric dimensions, achieved by adding additional tiers to the antenna.

Указанный технический результат достигается тем, что в антенной системе с круговым или секторным сканированием, включающей активный излучающий элемент и окружающие его пассивные переотражатели с включенными в них нагрузками с комплексным управляемым импедансом, расположенные в ближней зоне активного излучающего элемента, пассивные переотражатели расположены более чем одним ярусом, при этом активный излучающий элемент выполнен в виде антенны с возможностью распределения энергии на указанные ярусы.The specified technical result is achieved by the fact that in the antenna system with a circular or sector scan, including the active radiating element and the surrounding passive reflectors with integrated loads with integrated controlled impedance located in the near zone of the active radiating element, the passive reflectors are located in more than one tier while the active radiating element is made in the form of an antenna with the possibility of energy distribution to these tiers.

Активный излучающий элемент может быть выполнен в виде коллинеарной антенны с последовательным питанием сегментов антенны.The active radiating element can be made in the form of a collinear antenna with series power supply of the antenna segments.

Ярусы могут быть расположены один под другим. В каждом пассивном переотражателе нагрузок с комплексным управляемым импедансом может быть одна или несколько. Управление комплексным управляемым импедансом нагрузок может осуществляться с помощью специального блока управления посылкой электрических сигналов.Tiers can be located one below the other. In each passive load reflector with a complex controlled impedance, there can be one or several. Integrated controlled load impedance can be controlled using a special control unit for sending electrical signals.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами. Антенная система с круговым сканированием изображена на фиг.1; Реализация пассивного переотражателя изображена на фиг.2.The invention is illustrated by the following drawings. The circular scanning antenna system is shown in FIG. 1; The implementation of the passive reflector is shown in figure 2.

Система содержит активный излучающий элемент 1 и окружающие его пассивные переотражатели 2.The system contains an active radiating element 1 and the passive re-reflectors 2 surrounding it.

Пассивный переотражатель 2 содержит плечи переотражателя 3, 4 и нагрузку с комплексным управляемым импедансом 5. Пассивные переотражатели 2 расположены более чем одним ярусом.Passive reflector 2 contains the shoulders of the reflector 3, 4 and the load with integrated controlled impedance 5. Passive reflectors 2 are located in more than one tier.

Антенная система работает следующим образом.The antenna system works as follows.

Активный излучающий элемент 1 создает вокруг себя электромагнитное поле, распределение которого таково, что все пассивные переотражатели 2 находятся в квазиравноамплитудных областях этого поля. Данное поле возбуждает токи на пассивных переотражателях 2. Данные токи также создают свои поля в области расположения пассивных переотражателей 2, которые, в свою очередь, влияют на возбуждение токов. Процесс возбуждения токов на пассивных переотражателях 2 и формирования возбуждающих полей является самосогласованным: возбуждение токов сопровождается изменением возбуждаемых полей, изменение полей приводит к изменению токов. Амплитуды и фазы токов, возбужденных на пассивных переотражателях 2, зависят от значений нагрузок с комплексным управляемым импедансом, включенных в пассивные переотражатели 2. При этом соседние переотражатели 2 оказывают существенное влияние друг на друга: изменение значений нагрузок на одном пассивном переотражателе 2 влияет не только на токи на этом пассивном переотражателе, но и на токи всех соседних пассивных переотражателях 2. Возможность управления фазами токов на отдельных пассивных переотражателях позволяет в широких пределах изменять форму диаграммы направленности - формировать максимумы и нули этой диаграммы в желаемых направлениях, что дает возможность формировать диаграмму направленности с главным лепестком и осуществлять круговое сканирование диаграммой направленности в плоскости, перпендикулярной направлению активного излучающего элемента 1 (горизонтальной плоскости). Расположение пассивных переотражателей 2 в несколько ярусов позволяет осуществлять сканирование диаграммой направленности и в вертикальной плоскости, перпендикулярной горизонтальной. Кроме того, ярусное расположение пассивных переотражателей позволяет сузить диаграмму направленности в вертикальной плоскости, и тем самым повысить коэффициент усиления антенны. Возбуждение пассивных переотражателей 2 осуществляется электромагнитными волнами, распространяющимися от активного излучателя 1 через свободное пространство. Данный способ возбуждения имеет существенное преимущество по сравнению со способом возбуждения через линию передачи, поскольку при этом способе отсутствуют потери энергии, переносимой волной, которые неизбежны при распространении волны в среде, заполняющей линию передачи. Кроме того, возбуждение пассивных переотражателей через свободное пространство позволяет отказаться от сложных конструкций размещения линий передач. В предлагаемой конструкции антенны элемент, перестраивающий фазу тока, протекающего через пассивный переотражатель, интегрирован непосредственно в переотражатель. Этим элементом может являться полупроводниковый диод с трансформатором импеданса 5, выполненный в виде отрезка полосковой или коаксиальной длинной линии, подключенный к плечам 3, 4 пассивного переотражателя. К диоду прикладывается обратное напряжение смещения, при котором он работает в емкостном режиме. Обратное напряжение может формироваться блоком управления. Подобное включение комплексной нагрузки 5 в пассивный переотражатель 2 приводит к существенному увеличению диапазона перестройки импеданса нагрузки. Использование в комплексной нагрузке полупроводникового диода, работающего в режиме обратного смещения, дает возможность построения малопотребляющего энергию блока управления.The active radiating element 1 creates an electromagnetic field around itself, the distribution of which is such that all passive re-reflectors 2 are in quasi-amplitude regions of this field. This field excites currents on the passive reflectors 2. These currents also create their fields in the area of the passive reflectors 2, which, in turn, affect the excitation of currents. The process of excitation of currents on passive reflectors 2 and the formation of exciting fields is self-consistent: the excitation of currents is accompanied by a change in the excited fields, a change in the fields leads to a change in currents. The amplitudes and phases of the currents excited on the passive reflectors 2 depend on the values of the loads with complex controlled impedance included in the passive reflectors 2. In this case, the adjacent reflectors 2 have a significant effect on each other: a change in the load values on one passive reflector 2 affects not only currents on this passive reflector, but also on the currents of all neighboring passive reflectors 2. The ability to control the phases of the currents on individual passive reflectors allows a wide range zmenyat form the directivity pattern - to form peaks and zeros of the diagram in desired directions, which makes it possible to form a directivity pattern with a main lobe and implement circular scanning radiation pattern in a plane perpendicular to the active radiating member 1 (the horizontal plane). The location of the passive reflectors 2 in several tiers allows you to scan the radiation pattern in a vertical plane perpendicular to the horizontal. In addition, the tiered arrangement of passive reflectors allows you to narrow the radiation pattern in the vertical plane, and thereby increase the antenna gain. The excitation of passive reflectors 2 is carried out by electromagnetic waves propagating from the active emitter 1 through the free space. This method of excitation has a significant advantage compared to the method of excitation through the transmission line, since with this method there are no losses of energy carried by the wave, which are inevitable when the wave propagates in a medium filling the transmission line. In addition, the excitation of passive rereflectors through the free space allows you to abandon complex structures for the placement of transmission lines. In the proposed antenna design, the element that reconstructs the phase of the current flowing through the passive reflector is integrated directly into the reflector. This element may be a semiconductor diode with an impedance transformer 5, made in the form of a strip of strip or coaxial long line connected to the shoulders 3, 4 of the passive reflector. A reverse bias voltage is applied to the diode, at which it operates in capacitive mode. Reverse voltage can be generated by the control unit. Such inclusion of the integrated load 5 in the passive reflector 2 leads to a significant increase in the range of adjustment of the load impedance. The use of a semiconductor diode operating in a complex load operating in the reverse bias mode makes it possible to construct a low-power control unit.

В качестве активного излучающего элемента 1 может быть использована дипольная или коллиниарная вибраторная антенна, запитываемая либо от внешнего СВЧ источника через фидерную линию, либо от СВЧ источника, интегрированного непосредственно в антенну; в качестве пассивных переотражателей 2 могут быть использованы симметричные или несимметричные электрические диполи, а также петлевые антенны, в качестве нагрузок с комплексным импедансом 5 - варакторные диоды с длинными линиями - трансформаторами импеданса или без таковых, а также MEMS-системы с изменяемой емкостью.As the active emitting element 1, a dipole or collinear vibrator antenna can be used, fed either from an external microwave source through a feeder line, or from a microwave source integrated directly into the antenna; symmetrical or asymmetric electric dipoles, as well as loop antennas, as loads with complex impedance 5, varactor diodes with long lines - impedance transformers or without them, and also MEMS systems with variable capacitance can be used as passive reflectors 2.

Таким образом, предлагаемая антенная система по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:Thus, the proposed antenna system in comparison with the prototype has the following advantages:

- повышается коэффициент усиления антенны за счет увеличения излучающей апертуры антенны;- increases the antenna gain by increasing the radiating aperture of the antenna;

- достигается возможность секторного сканирования в вертикальной плоскости за счет добавления ярусов.- the possibility of sector scanning in the vertical plane is achieved by adding tiers.

Конструкция антенны позволяет масштабировать решение - повышать коэффициент усиления за счет увеличения ее геометрических размеров, достигаемого добавлением дополнительных ярусов в антенну.The antenna design allows you to scale the solution - to increase the gain by increasing its geometric dimensions, achieved by adding additional tiers to the antenna.

Claims

1. Antenna system with circular or sector scanning, including an active radiating element and passive re-reflectors surrounding it with loads with integrated controlled impedance included in them, located in the near zone of the active radiating element, characterized in that the passive re-reflectors are located in more than one tier, with this active radiating element is made in the form of an antenna with the possibility of energy distribution to these tiers.

2. The antenna system with a circular or sector scan according to claim 1, characterized in that the active radiating element is made in the form of a collinear antenna with serial power supply to the antenna segments.