RU154307U1

RU154307U1 - RING CONCENTRIC ANTENNA ARRAY

Info

Publication number: RU154307U1
Application number: RU2014150260/08U
Authority: RU
Inventors: Юрий Витальевич Невзоров; Елена Викторовна Овчинникова; Светлана Геннадьевна Кондратьева; Олег Викторович Васильев
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Кольцевая концентрическая антенная решетка, содержащая излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям, при этом на верхней стенке радиального волновода, на входе которого установлена поляризационная секция, размещены излучатели с согласующими ступенчатыми трансформаторами, при этом расстояние между стенками волновода составляет четверть длины волны, а с внутренней стороны антенной решетки по окружности проложена радиопоглощающая ткань и определена схема размещения излучателей в антенной решетке, что позволяет снизить уровень бокового излучения на 2-3 дБ.An annular concentric antenna array containing emitters arranged in concentric circles, with radiators with matching step transformers placed on the upper wall of the radial waveguide at the input of which there is a polarizing section, and the distance between the walls of the waveguide is a quarter of the wavelength, and on the inside The antenna array is surrounded by a radar absorbing fabric and a pattern of emitters in the antenna array is determined, which allows to reduce level of side radiation by 2-3 dB.

Description

Кольцевая концентрическая антенная решетка. Полезная модель относится к антенной технике, в частности - к кольцевым концентрическим антенным решеткам и может использоваться в системах спутниковой связи и для систем связи, размещаемых на мобильных объектах.Ring concentric antenna array. The utility model relates to antenna technology, in particular to ring concentric antenna arrays and can be used in satellite communication systems and for communication systems located on mobile objects.

Известно, что антенные решетки применяются в различных радиоэлектронных системах для повышения усиления всей системы в сравнении с отдельным антенным элементом, а также получения возможности управления формой диаграммы направленности.It is known that antenna arrays are used in various electronic systems to increase the gain of the entire system in comparison with a single antenna element, as well as to be able to control the shape of the radiation pattern.

Применение антенных решеток обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия (КНД) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах.The use of antenna arrays is due to the following reasons. A grid of N elements allows you to increase approximately N times the directional coefficient (KND) of the antenna compared to a single emitter, as well as narrow the beam to improve the accuracy of determining the angular coordinates of the radiation source in navigation, radar and other radio systems.

С помощью решетки удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии.Using the grating, it is possible to increase the electric strength of the antenna and increase the level of radiated (received) power by placing independent high-frequency energy amplifiers in the channels of the grating.

В системах радиосвязи, кроме линейных и состоящих из них прямоугольных плоских антенных решеток, нашли широкое применение кольцевые антенные решетки, представляющие собой систему излучателей, расположенных по окружности. Благодаря круговой симметрии, такие решетки могут использоваться для получения ненаправленных (в плоскости решетки) амплитудных диаграмм направленности, а также для создания направленных амплитудных диаграмм.In radio communication systems, in addition to linear and rectangular flat antenna arrays consisting of them, ring antenna arrays, which are a system of emitters located around a circle, are widely used. Due to circular symmetry, such gratings can be used to obtain non-directional (in the plane of the grating) amplitude directivity patterns, as well as to create directional amplitude patterns.

Кольцевые антенные решетки по сравнению с линейными решетками обладают целым рядом полезных свойств. Среди них можно выделить расширение рабочей полосы частот, снижение уровня бокового излучения, совмещение излучающего полотна антенны с поверхностью различных объектов.Ring antenna arrays in comparison with linear arrays have a number of useful properties. Among them are the expansion of the working frequency band, the decrease in the level of lateral radiation, the combination of the radiating cloth of the antenna with the surface of various objects.

Так, известна фазированная антенная решетка, позволяющая увеличить расстояние между излучателями, не ухудшив направленные свойства при сканировании, а следовательно, и характеристики разрешения всей радиосистемы, при этом при формировании луча в плоскости, ортогональной плоскости апертуры, эта решетка работает как обычная плоская антенная решетка с прямоугольной апертурой, (патент РФ №2310956 от 15.09.2006 МПК H01Q 21/06).Thus, a phased antenna array is known, which allows increasing the distance between the emitters without affecting the directional properties during scanning, and, consequently, the resolution characteristics of the entire radio system, while forming a beam in a plane orthogonal to the aperture plane, this array works like an ordinary flat antenna array with rectangular aperture, (RF patent No. 2310956 dated 09.15.2006 IPC H01Q 21/06).

Однако, в рассматриваемой схеме построения антенной решетки, возможен обзор пространства только в азимутальной плоскости. Она также обладает достаточно высоким боковым и обратным излучением и имеет усложненную структуру излучающей и распределительной систем, а также повышенные массогабаритные характеристики и недостаточную вибророчность, что не позволяет использовать ее на мобильных.However, in the considered antenna array construction scheme, it is possible to view the space only in the azimuthal plane. It also has a fairly high lateral and reverse radiation and has a complicated structure of the emitting and distribution systems, as well as increased weight and size characteristics and insufficient vibration resistance, which does not allow its use on mobile.

Известна активная фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, размещенные на экране и соединенные соответственно с приемопередающими модулями, при этом излучатели расположены равномерно не эквидистантно, а приемопередающие модули выполнены с возможностью цифровой обработки сигнала на несущей частоте, причем излучатели могут располагаться по концентрическим окружностям (патент РФ №119530 от 08.07.2011 МПК H01Q 21/22).Known active phased antenna array containing emitters placed on the screen and connected respectively to the transceiver modules, while the emitters are not uniformly equidistant, and the transceiver modules are capable of digital signal processing at the carrier frequency, and the emitters can be located on concentric circles (RF patent No. 119530 dated July 8, 2011 IPC H01Q 21/22).

Однако, эта антенная решетка имеет усложненную распределительную систему, излучатели расположены не эквидистантно, то есть на разном расстоянии, но не по определенному расчетному алгоритму, она обладает достаточно высоким боковым и обратным излучением, имеет увеличенные габаритные размеры антенного полотна и увеличенную массу, небольшую вибропрочность, вследствие этого не может использоваться для систем связи, размещаемых на мобильных объектах.However, this antenna array has a complicated distribution system, the emitters are not equidistant, that is, at different distances, but not according to a specific calculation algorithm, it has a sufficiently high lateral and reverse radiation, has increased overall dimensions of the antenna sheet and increased mass, low vibration resistance, as a result, it cannot be used for communication systems located on mobile objects.

Наиболее близкой по достигаемому результату и технической сущности является фазированная антенная решетка, содержащая излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям эквидистантно, при этом излучатели выполнены в виде несимметричных вибраторов, расположенных параллельно между двумя проводящими дисками (Устройства СВЧ и антенны. Проектирование ФАР. Учебное пособие для вузов / Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, B.C. Филиппов и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. 4-е изд., доп. и перераб. -М.: Радиотехника, 2012).The closest to the achieved result and technical essence is a phased antenna array containing emitters arranged in concentric circles equidistantly, while the emitters are made in the form of asymmetric vibrators located in parallel between two conductive disks (microwave devices and antennas. Design of headlights. Textbook for high schools / D.I. Voskresensky, V.I. Stepanenko, BC Filippov et al. Edited by D.I. Voskresensky, 4th ed., Additional and revised, Moscow: Radio Engineering, 2012).

Однако указанная фазированная решетка имеет ряд существенных недостатков: сложную для практической реализации распределительную систему, формирование луча только в плоскости размещения излучателей и линейную поляризацию поля излучения, указанная фазированная антенная решетка не обеспечивает возможность излучения или приема сигналов с разных ракурсов, она обладает достаточно высоким боковым излучением, имеет увеличенные габаритные размеры антенного полотна и массу, а также небольшую вибропрочность, вследствие этого не может использоваться для систем связи, размещаемых на мобильных объектах. Прототип изображен на фиг. 1.However, this phased array has a number of significant drawbacks: a distribution system that is difficult for practical implementation, beam formation only in the plane of emitters, and linear polarization of the radiation field, this phased array does not provide the ability to emit or receive signals from different angles, it has a fairly high lateral radiation has increased overall dimensions of the antenna sheet and weight, as well as small vibration resistance, as a result of which it cannot be used The Call for communication systems to be placed on mobile sites. The prototype is depicted in FIG. one.

Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение функциональных возможностей антенной решетки системы спутниковой связи по сравнению с прототипом за счет - упрощения структур излучающей и распределительной систем путем применения волноводных излучателей с круглым раскрывом и возбуждения их с помощью радиального волновода, уменьшения потерь в распределительной системе, увеличения надежности и вибропрочности антенной решетки, а также уменьшения массогабаритных характеристик, что позволит использовать ее для систем связи, размещаемых на мобильных объектах.The technical task of the claimed utility model is to increase the functionality of the antenna array of a satellite communications system compared to the prototype due to the simplification of the structures of the radiating and distribution systems by using waveguide emitters with a round opening and their excitation using a radial waveguide, reducing losses in the distribution system, increasing reliability and vibration resistance of the antenna array, as well as reducing weight and size characteristics, which will allow it to be used for system due to be placed on mobile sites.

Поставленная задача достигается тем, что кольцевая концентрическая антенная решетка, содержащая излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям, при этом на верхней стенке радиального волновода, на входе которого установлена поляризационная секция, размещены излучатели с согласующими ступенчатыми трансформаторами, при этом расстояние между стенками волновода составляет четверть длины волны, а с внутренней стороны антенной решетки по окружности проложена радиопоглощающая ткань и определена схема размещения излучателей в антенной решетке, что позволяет снизить уровень бокового излучения на 2-3 дБ.The problem is achieved in that a circular concentric antenna array containing emitters arranged in concentric circles, while radiators with matching step transformers are placed on the upper wall of the radial waveguide at the inlet of which there is a polarizing section, and the distance between the walls of the waveguide is a quarter of the length waves, and on the inside of the antenna array around the circumference a radar absorbing fabric is laid and a pattern of emitters is determined in the antenna array, which reduces the level of side radiation by 2-3 dB.

Полезная модель поясняется следующими чертежами.The utility model is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 изображена кольцевая концентрическая антенная решетка, являющаяся прототипом.In FIG. 1 shows a ring concentric antenna array, which is a prototype.

На фиг. 2 изображена заявляемая кольцевая концентрическая антенная решетка.In FIG. 2 shows the inventive annular concentric antenna array.

На фиг. 3 приведена схема размещения излучателей в заявляемой антенной решетке.In FIG. 3 shows the layout of the emitters in the inventive antenna array.

На фиг. 4 изображен общий вид антенной решетки, а в таблице 1 представлены параметры антенной решетки.In FIG. 4 shows a general view of the antenna array, and table 1 presents the parameters of the antenna array.

На фиг. 5 приведен единичный излучатель (элемент) антенной решетки с согласующим ступенчатым трансформатором (в разрезе);In FIG. 5 shows a single emitter (element) of the antenna array with matching step transformer (in section);

На фиг. 6 приведены диаграммы направленности (ДН) единичного излучателя заявляемой антенной решетки в двух ортогональных плоскостях, полученные численным экспериментом с использованием специализированных программ, применяемых для расчета антенн и устройств СВЧ.In FIG. 6 shows the radiation patterns (ID) of a single emitter of the claimed antenna array in two orthogonal planes, obtained by a numerical experiment using specialized programs used to calculate antennas and microwave devices.

На фиг. 7 приведены диаграммы направленности (ДН) антенной решетки в двух ортогональных плоскостях, полученные численным экспериментом с использованием специализированных программ, применяемых для расчета антенн и устройств СВЧ.In FIG. Figure 7 shows the radiation patterns of the antenna array in two orthogonal planes, obtained by a numerical experiment using specialized programs used to calculate antennas and microwave devices.

На фиг. 8 приведена диаграмма направленности и сечение диаграммы направленности полученные экспериментально, разработанной в ОАО "МНИРТИ" антенной решетки.In FIG. Figure 8 shows the radiation pattern and cross-section of the radiation pattern obtained experimentally by the antenna array developed at JSC "MIRTI".

За прототип принята кольцевая антенная решетка (фиг. 1), содержащая излучатели, располагающиеся по концентрическим окружностям, при этом излучатели -2 выполнены в виде несимметричных вибраторов, расположенных параллельно между двумя проводящими дисками -1.The prototype is an annular antenna array (Fig. 1) containing emitters arranged in concentric circles, while emitters -2 are made in the form of asymmetric vibrators located in parallel between two conductive disks -1.

Заявляемая кольцевая концентрическая антенная решетка (фиг. 2) содержит: радиальный волновод - 1, радиопоглощающий материал (РПМ) - 2, согласующее устройство, которое согласовывает радиальный волновод 3 с возбуждающим волноводом круглого поперечного сечения - 4, волноводные излучатели - 5, обтекатель - 6.The inventive annular concentric antenna array (Fig. 2) contains: a radial waveguide - 1, radar absorbing material (RPM) - 2, a matching device that matches the radial waveguide 3 with an exciting waveguide of circular cross section - 4, waveguide emitters - 5, fairing - 6 .

Кольцевая концентрическая антенная решетка работает следующим образом -сигналы от генератора (на фиг. 2 не показан) поступает на вход антенной решетки, затем по волноводу круглого поперечного сечения (4) подводятся к радиальному волноводу (3).Радиальный волновод (3) возбуждает волноводные излучатели (5), размещенные на его верхней крышке. Обтекатель (6) представляет собой защитный кожух антенны и выполнен из вспененного полиэтилена. Подбор материала обтекателя осуществлен экспериментальным путем. Полотно антенной решетки заполняется элементами по кольцевой структуре Параметры концентрической кольцевой структуры приведены в таблице 1. Излучатели антенной решетки представляют собой открытые концы волновода с длиной волны для основного типа Н₁₁.An annular concentric antenna array operates as follows — the signals from the generator (not shown in FIG. 2) are fed to the input of the antenna array, then they are fed to a radial waveguide (3) through a circular waveguide (4). A radial waveguide (3) excites waveguide radiators (5) placed on its top cover. The fairing (6) is a protective casing of the antenna and is made of foamed polyethylene. The selection of material fairing carried out experimentally. The antenna array sheet is filled with elements along the ring structure. The parameters of the concentric ring structure are shown in Table 1. The antenna array emitters are the open ends of the waveguide with a wavelength for the main type H ₁₁ .

При этом расстояние между стенками волновода составляет четверть длины волны. Это расстояние определено исходя из теории антенн (волнового поля), оно должно быть не более 1/2 длины волны. Наилучшие характеристики излучения и согласования, исходя из расчетов, достигаются при расстоянии между пластинами - четверть длины волны, но для больших решеток целесообразно учитывать технологические возможности выполнения такого расстояния. При диаметре антенной решетки порядка 5 длин волн целесообразно увеличить расстояние между пластинами до 1/2 волны.The distance between the walls of the waveguide is a quarter of the wavelength. This distance is determined based on the theory of antennas (wave field), it should be no more than 1/2 of the wavelength. The best characteristics of radiation and matching, based on the calculations, are achieved at a distance between the plates of a quarter of the wavelength, but for large gratings it is advisable to take into account the technological capabilities of such a distance. When the diameter of the antenna array is of the order of 5 wavelengths, it is advisable to increase the distance between the plates to 1/2 wavelength.

Важной характеристикой антенной решетки является диаграмма направленности. Поле излучения кольцевой концентрической антенной решетки может рассматриваться как результат интерференции полей, создаваемых в точке наблюдения отдельными излучателями решетки. Управляемость диаграммы направленности антенных решеток, в том числе кольцевых концентрических расширяет область их использования в системах связи, радионавигации, радиолокационных станциях.An important characteristic of the antenna array is the radiation pattern. The radiation field of a circular concentric antenna array can be considered as the result of interference of the fields created at the observation point by individual emitters of the array. The controllability of the radiation pattern of antenna arrays, including ring concentric ones, expands the scope of their use in communication systems, radio navigation, and radar stations.

С помощью численного эксперимента с использованием специализированных программ, применяемых для расчета антенн и устройств СВЧ и антенн в ОАО "МНИРТИ" были построены диаграммы направленности (ДН) единичного излучателя заявляемой антенной решетки в двух ортогональных плоскостях (фиг. 6) и диаграммы направленности (ДН) антенной решетки в двух ортогональных плоскостях (фиг. 7). На фиг. 8 приведена диаграмма направленности разработанной антенной решетки (а), полученная в ОАО "МНИРТИ" экспериментально и сечение диаграммы направленности (б). Экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными численными методами.Using a numerical experiment using specialized programs used to calculate antennas and microwave devices and antennas at OJSC "MIRTI", radiation patterns (ID) of a single emitter of the inventive antenna array in two orthogonal planes (Fig. 6) and radiation patterns (ID) were built antenna array in two orthogonal planes (Fig. 7). In FIG. Figure 8 shows the directivity pattern of the developed antenna array (a) obtained experimentally at JSC "MIRTI" and the cross section of the directivity pattern (b). The experimental results are in good agreement with the results obtained by numerical methods.

В ОАО "МНИРТИ" изготовлен действующий опытный образец кольцевой концентрической антенной решетки. Предложенная схема построения антенны с совмещением распределительной и излучающей систем позволяет улучшить ее функциональные возможности по сравнению с прототипом - уменьшить массогабаритные характеристики антенны, снизить потери за счет использования волноводных распределительных систем и уровень бокового излучения на 2-3 дБ за счет разреженного размещения излучателей на краях антенной решетки и использования радиопоглощающей ткани. Применение радиального волновода и волноводных излучателей существенно упрощает распределительную систему данной антенны по сравнению с распределительными системами аналогов.A working prototype of a ring concentric antenna array was manufactured at OJSC MIRTI. The proposed scheme for constructing an antenna with a combination of distribution and radiating systems allows to improve its functionality compared to the prototype - to reduce the overall dimensions of the antenna, reduce losses due to the use of waveguide distribution systems and the level of side radiation by 2-3 dB due to the sparse placement of emitters at the edges of the antenna lattice and use of radar absorbing fabric. The use of a radial waveguide and waveguide emitters greatly simplifies the distribution system of this antenna in comparison with distribution systems of analogues.

Разработаная антенная решетка из волноводных излучателей обеспечивает высокую надежность и минимальные габаритные размеры за счет совмещения антенного полотна и распределительной системы. Кроме того, экспериментальными данными показано, что при использовании недисперсионной распределительной системы и при наличии широкополосных элементов, такие антенные системы обладают широкой рабочей полосой. Полученные результаты применения разработанной кольцевой концентрической антенной решетки для систем спутниковой связи хорошо согласуются с общей теорией антенн.The developed antenna array of waveguide emitters provides high reliability and minimum overall dimensions due to the combination of the antenna sheet and distribution system. In addition, experimental data show that when using a non-dispersive distribution system and in the presence of broadband elements, such antenna systems have a wide working band. The obtained results of using the developed ring concentric antenna array for satellite communication systems are in good agreement with the general theory of antennas.

Ввиду того, что антенная решетка выполнена на радиальном волноводе, ее конструкция обладает высокой надежностью и вибропрочностью, она характеризуется уменьшением потерь в распределительной системе, обеспечивает увеличение надежности и вибропрочности, а также уменьшения массогабаритных характеристик, что позволит использовать ее для систем связи, размещаемых на мобильных объектах.Due to the fact that the antenna array is made on a radial waveguide, its design has high reliability and vibration resistance, it is characterized by a decrease in losses in the distribution system, provides an increase in reliability and vibration resistance, as well as a decrease in weight and size characteristics, which will allow it to be used for communication systems placed on mobile objects.

Claims

An annular concentric antenna array containing emitters arranged in concentric circles, with radiators with matching step transformers placed on the upper wall of the radial waveguide at the input of which there is a polarizing section, and the distance between the walls of the waveguide is a quarter of the wavelength, and on the inside The antenna array is surrounded by a radar absorbing fabric and a pattern of emitters in the antenna array is determined, which allows to reduce level of side radiation by 2-3 dB.