RU2046473C1

RU2046473C1 - Antenna system

Info

Publication number: RU2046473C1
Application number: RU92009468A
Authority: RU
Inventors: В.И. Сергеев; Н.Н. Пашков; Е.П. Мецнер
Original assignee: Воронежское конструкторское бюро антенно-фидерных устройств
Priority date: 1992-12-03
Filing date: 1992-12-03
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: television. SUBSTANCE: antenna system includes several director-type aerials with multiple-series excitation properly cophased with the use of waveguide distribution system. Each arm of waveguide system has at least one director-type aerial which active dipole is dipped into waveguide. All arms are arranged in parallel to each other and are connected to matched tee-joint. There is provided capability for adjustment of phase in each arm, for improved matching of each director-type aerial with free space and for balancing of signal in arms connected in parallel. EFFECT: improved operational characteristics. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, в том числе для приема сигналов спутникового телевизионного вещания. The invention relates to antenna technology and can be used in radio communication systems, including for receiving satellite television broadcasting signals.

Известны антенные системы для приема сигналов со спутников, состоящие из нескольких директорных антенн. Known antenna systems for receiving signals from satellites, consisting of several director antennas.

Недостатки этих антенн низкая чувствительность, неудовлетворительные шумовые характеристики, высокие потери в фидерных линиях. The disadvantages of these antennas are low sensitivity, poor noise characteristics, high losses in the feeder lines.

Рассмотрены возможные пути усовершенствования таких антенн введение активных элементов, выбор типа питающих фидеров. Possible ways to improve such antennas are introduced, the introduction of active elements, the choice of the type of supply feeders.

Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и конструктивному выполнению является антенная система, которая содержит четыре директорные антенны (ДА), оси которых параллельны, а активные вибраторы присоединены посредством фидерного блока, содержащего коаксиальные фидеры и направленные ответвители, к общему фидеру. Благодаря соответствующему распределению мощности и фазированию удается повысить коэффициент усиления антенной системы по сравнению с одиночной ДА. Closest to the proposed technical essence and design is an antenna system that contains four director antennas (YES), the axes of which are parallel, and the active vibrators are connected through a feeder unit containing coaxial feeders and directional couplers to a common feeder. Due to the corresponding power distribution and phasing, it is possible to increase the gain of the antenna system compared to a single YES.

Недостаток такой системы невозможность реализации в диапазоне СВЧ из-за высоких потерь и шумов в фидерной системе, ограничивающих достижимую чувствительность при приеме. The disadvantage of this system is the inability to implement in the microwave range due to high losses and noise in the feeder system, limiting the achievable reception sensitivity.

Цель изобретения повышение коэффициента усиления и КПД антенной системы, снижение шумов за счет уменьшения потерь в фидерных линиях. The purpose of the invention is to increase the gain and efficiency of the antenna system, reduce noise by reducing losses in the feeder lines.

Для этого осуществлена замена коаксиальных фидеров прямоугольными волноводами, снабженными устройствами для точного распределения мощности и фазирования, а также введены технические средства, обеспечивающие эффективное возбуждение ДА и их согласование со свободным пространством и питающим фидером. To do this, coaxial feeders were replaced with rectangular waveguides equipped with devices for precise power distribution and phasing, and technical means were introduced that ensure effective excitation of the DAs and their coordination with free space and the supply feeder.

На чертеже изображена предложенная антенная система. The drawing shows the proposed antenna system.

Она содержит ДА 1, состоящие из активных вибраторов 2, директоров 3 и рефлекторов 4, фидерный блок, состоящий из отрезков прямоугольных волноводов 5, в одних концах которых установлены подвижные короткозамыкатели 6, а другие концы присоединены посредством согласованного тройника 7 к общему фидеру (на чертеже не показан), согласующий элемент, состоящий из уголка 8 и отражателя 9, и элемент симметрирования 10. It contains YES 1, consisting of active vibrators 2, directors 3 and reflectors 4, a feeder block consisting of segments of rectangular waveguides 5, at one ends of which movable short circuits 6 are installed, and the other ends are connected via a matching tee 7 to a common feeder (in the drawing not shown), a matching element consisting of a corner 8 and a reflector 9, and a balancing element 10.

При выборе размеров элементов фидерного блока и взаимного расположения ДА была решена задача оптимального распределения мощности и фазирования. Как известно при объединении в антенную систему двух или более антенн (например, ДА) условием получения максимального коэффициента усиления К_у является точное фазирование и равенство входных сопротивлений в точке питания. При использовании ДА необходимо учитывать также влияние на параметры антенной системы (К_у, уровень бокового и заднего излучения, ширину ДН) подстилающей поверхности, ориентации ДА относительно направления оптимального приема сигналов, ДН (т. е. числа элементов) отдельных ДА. С учетом указанных факторов расстояние l между последовательно включенными ДА было выбрано из соотношения
l n λ, где λ рабочая длина волны;
n целое число, а расстояние L между параллельно включенными рядами ДА из соотношения
L (2N + 1) λ/2, где N целое число.When choosing the sizes of the elements of the feeder block and the relative position of the DA, the problem of optimal power distribution and phasing was solved. As you know, when combining two or more antennas into an antenna system (for example, YES), the condition for obtaining the maximum gain K _y is the exact phasing and equality of the input resistances at the power point. When using YES, it is also necessary to take into account the effect on the parameters of the antenna system (K _y , the level of side and rear radiation, the width of the beam) of the underlying surface, the orientation of the beam relative to the direction of optimal signal reception, the beam (i.e., the number of elements) of the individual beam sensors. Given these factors, the distance l between series-connected DA was chosen from the ratio
ln λ, where λ is the working wavelength;
n is an integer, and the distance L between the parallel connected rows of YES from the relation
L (2N + 1) λ / 2, where N is an integer.

Для дополнительного повышения точности фазирования и улучшения согласования предусмотрена возможность подстройки электрической длины каждого отрезка прямоугольного волновода 5 с помощью короткозамыкателя 6, установленного с возможностью продольного перемещения, а также возможность симметрирования параллельно включенных рядов с помощью элемента симметрирования 10, выполненного в виде волноводной вставки длиной λ /4, и смещения снабженного элементом симметрирования 10 отрезка прямоугольного водновода вперед на расстояние λ /4 по отношению к второму отрезку за счет искривления плеча одного из отрезков прямоугольного волновода. To further increase the accuracy of phasing and improve matching, it is possible to adjust the electrical length of each segment of a rectangular waveguide 5 using a shorting device 6, mounted with the possibility of longitudinal movement, as well as the possibility of balancing parallel-connected rows using a symmetry element 10 made in the form of a waveguide insert of length λ / 4, and the displacement of a segment of a rectangular water conduit equipped with a symmetry element 10 forward by a distance λ / 4 in relation to the second segment due to the curvature of the shoulder of one of the segments of a rectangular waveguide.

Поскольку все ДА установлены в отличие от прототипа практически на одной высоте относительно Земли (величина скоса за счет элемента симметрирования << λ ), влияние подстилающей поверхности на их параметры одинаково и соответствующей ошибкой фазирования можно пренебречь. Since all YES are installed, unlike the prototype, at almost the same height relative to the Earth (the slope due to the symmetry element << λ), the influence of the underlying surface on their parameters is the same and the corresponding phasing error can be neglected.

Кроме традиционного пути повышения К_у (улучшением точности фазирования и распределения мощности) в предложенном устройстве повышение К_у достигается также за счет улучшения согласования ДА 1, запитанной прямоугольным водноводом, со свободным пространством и с питающим фидером. Для этого разработан согласующий элемент, состоящий из уголка 8 и отражателя 9 и установленный на отрезке прямоугольного волновода 5 соосно с ДА 1. Уголок 8 образован двумя проводящими пластинами, установленными на узкой стенке отрезка прямоугольного волновода 5, при этом их верхние кромки совмещены на оси ДА, а нижние совмещены с соответствующими ребрами отрезка прямоугольного волновода 5. Отражатель 9 образован двумя проводящими пластинами П-образного профиля, установленными на широких стенках так, что их средний участок шириной d (5,5 λ< d < 6,5 λ ) является продолжением узкой стенки прямоугольного волновода, которая совмещена с рефлектором 4(9) ДА. Внешний контур проводящих пластин отражателя 9 может быть выполнен в форме полуэллипса, разделенного по малой оси величиной d, половина большой оси которого совпадает по величине с широкой стенкой отрезка прямоугольного волновода.In addition to the traditional way of increasing K _y (by improving the accuracy of phasing and power distribution) in the proposed device, an increase in K _{y is} also achieved by improving the matching of DA 1, fed by a rectangular water conduit, with free space and with a supply feeder. For this purpose, a matching element was developed, consisting of a corner 8 and a reflector 9 and mounted on a segment of a rectangular waveguide 5 coaxially with YES 1. Corner 8 is formed by two conductive plates mounted on a narrow wall of a segment of a rectangular waveguide 5, while their upper edges are aligned on the axis YES and the lower ones are aligned with the corresponding ribs of a segment of a rectangular waveguide 5. The reflector 9 is formed by two conductive plates of a U-shaped profile mounted on wide walls so that their middle section is wide d (5.5 λ <d <6, 5 λ) is a continuation of the narrow wall of a rectangular waveguide, which is combined with a reflector 4 (9) YES. The outer contour of the conductive plates of the reflector 9 can be made in the form of a semi-ellipse divided along the small axis by the value d, half of the major axis of which coincides in size with the wide wall of the segment of the rectangular waveguide.

Наилучшие параметры (ДН, согласование) получены при следующих размерах согласующего элемента: а λ ширина узкой стенки волновода; b 3а-3 λ высота узкой стенки волновода. The best parameters (DN, matching) were obtained with the following dimensions of the matching element: a λ is the width of the narrow waveguide wall; b 3a-3 λ the height of the narrow wall of the waveguide.

Эффективность возбуждения ДА подбирается путем регулирования глубины погружения активного вибратора внутрь прямоугольного волновода. Возможно использование двух и более активных вибраторов 2, при этом оптимальные параметры достигаются при их установке симметрично относительно середины широкой стенки на расстоянии d λ /8 λ /12 друг от друга. The excitation efficiency YES is selected by adjusting the immersion depth of the active vibrator inside a rectangular waveguide. It is possible to use two or more active vibrators 2, while the optimal parameters are achieved when they are installed symmetrically with respect to the middle of the wide wall at a distance d λ / 8 λ / 12 from each other.

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

При соответствующей ориентации ДА относительно направления приема сигналов в активных вибраторах 2 ДА электромагнитным полем падающей волны наводится ток, который возбуждает электромагнитные колебания в отрезках прямоугольных волноводов 5. При выбранных размерах фидерного тракта обеспечивается синфазное сложение сигналов, принятых соединенными последовательно-параллельно ДА, суммарный сигнал через согласованный тройник 7 по общему фидеру поступает в приемник для дальнейшей обработки. With the appropriate orientation of the DA relative to the direction of receiving signals in active vibrators 2 YES, an electromagnetic field is induced by the electromagnetic field of the incident wave, which excites electromagnetic waves in the segments of rectangular waveguides 5. At the selected dimensions of the feeder path, in-phase addition of signals received connected in series with YES is ensured, the total signal through the coordinated tee 7 for the common feeder enters the receiver for further processing.

В антенной системе, состоящей из четырех ДА, получен К_у 24 дБ (без учета усиления конвертора, т.е. непосредственное усиление антенной системы в диапазоне 11, 19 ГГц, что достаточно для устойчивого приема сигналов непосредственного спутникового телевизионного вещания с учетом усиления, привносимого конвертором.In an antenna system consisting of four DAs, K was obtained _at 24 dB (without taking into account the gain of the converter, i.e., the direct gain of the antenna system in the range of 11, 19 GHz, which is sufficient for stable reception of signals from direct satellite television broadcasting, taking into account the gain introduced converter.

Claims

1. ANTENNA SYSTEM, containing director antennas, the axes of which are parallel, connected to the feeder unit, characterized in that the feeder unit is made in the form of segments of rectangular waveguides parallel to each other with wide walls, at a distance
L = (2N + 1) λ / 2,
where λ is the working wavelength,
N is an integer
at the same time, movable short circuits are installed at one end of the segments of rectangular waveguides, and their other ends are connected to a common feeder by means of a matching tee, at least two director antennas are connected to each segment of the rectangular waveguide, the axes of which are perpendicular to the longitudinal axes of the segments of rectangular waveguides and lie in their plane symmetry passing through the middle of a narrow wall, and the distance l between the axes of the adjacent director antennas is selected from the relation l = nλ, where n 1,2, while Each director antenna contains at least one pin active vibrator that is installed inside a segment of a rectangular waveguide, their ends protruding outward through openings in wide walls, the reflector of the director antenna aligned with the corresponding narrow wall of a segment of a rectangular waveguide, and a matching element installed outside a segment of a rectangular waveguide symmetrically relative to the axis of the director antenna and consisting of a corner formed by two rectangular conductive plasmas inami, the upper edges of which are aligned with each other in the plane of symmetry of a segment of a rectangular waveguide, and the lower edges are aligned with the corresponding upper ribs of a segment of a rectangular waveguide, and a reflector made of two conductive plates, each of which is installed perpendicular to a wide wall of a segment of a rectangular waveguide, and the ends the ribs of the side portions of the conductive plates are connected to the ends of the lower edges of the corner.

2. The system according to claim 1, characterized in that the pin active vibrators are placed symmetrically relative to the middle of the wide wall at a distance λ / 8-λ / 12 from one another within a segment of a rectangular waveguide.

3. The system according to claims 1 and 2, characterized in that the reflector plates are U-shaped, the middle portion of which lies in the plane of the narrow wall, and the dimensions of the angle and the reflector are selected from the relation 5.5λ <d <6.5λ, where d the width of the conductive plate of the corner and the width of the middle section of the U-shaped plate of the reflector.

4. The system according to claims 1 and 2, characterized in that the reflector plates are made in the form of a semi-ellipse divided along the minor axis, the major axis of which is equal to the size of the wide wall of the segment of the rectangular waveguide, and the minor axis is equal to the width of the conductive plate of the corner, while the pin active the vibrators are mounted symmetrically with respect to the focuses of the ellipse.