RU2093936C1 - Wire-range circular antenna array - Google Patents
Wire-range circular antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2093936C1 RU2093936C1 RU95114852A RU95114852A RU2093936C1 RU 2093936 C1 RU2093936 C1 RU 2093936C1 RU 95114852 A RU95114852 A RU 95114852A RU 95114852 A RU95114852 A RU 95114852A RU 2093936 C1 RU2093936 C1 RU 2093936C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna array
- level
- radiating aperture
- excitation system
- dielectric base
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве широкодиапазонной всенаправленной антенны в горизонтальной плоскости, где известны биконические рупоры и дискоконусные антенны. The present invention relates to the field of electrical engineering and can be used as a wide-range omnidirectional antenna in the horizontal plane, where biconical horns and discus antennas are known.
Указанные антенные системы (АС) являются эффективными устройствами, позволяющими получать приемлемые технические параметры [1] Но отсутствие разработанной теоретической базы построения таких антенн делает их дорогостоящими, получаемые технические параметры неоптимальными, а массо-габаритные размеры большими, часто неприемлемыми для широкого применения (использования). These antenna systems (AS) are effective devices that allow obtaining acceptable technical parameters [1] But the lack of a developed theoretical base for constructing such antennas makes them expensive, the resulting technical parameters are not optimal, and the overall dimensions are large, often unacceptable for widespread use (use) .
В настоящее время потребность в АС с круговыми диаграммами направленности (ДН) очень велика, особенно для телевидения (телевизионные центры (башни, вышки)) и сотовых систем связи. Currently, the need for speakers with circular radiation patterns (ND) is very high, especially for television (television centers (towers, towers)) and cellular communication systems.
Известно техническое решение [2] где предложена широкополосная линейная антенная решетка (ЛАР), содержащая плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения и излучающий раскрыв. A technical solution is known [2] where a broadband linear antenna array (LAR) is proposed that contains a flat dielectric base with metallized layers in which an excitation system and radiating aperture are made.
Недостатками указанного устройства являются:
ограниченный сектор обзора пространства, определяемый шириной ДН;
наличие потерь, связанных с несимметричностью системы возбуждения (суммирования).The disadvantages of this device are:
limited sector of the review of space, determined by the width of the day;
the presence of losses associated with the asymmetry of the excitation system (summation).
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение:
расширение сектора обзора пространства 360o;
уменьшение потерь в системе возбуждения (суммирования).The tasks to be solved by the claimed invention is directed:
expanding the sector of the review of space 360 o ;
reduction of losses in the excitation system (summation).
В соответствии с изобретением поставленные задачи решены посредством широкодиапазонной круговой АР, которая содержит по крайне мере одну плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнены система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, образованный из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях, причем излучающий раскрыв АС образует замкнутую кривую второго порядка, например, окружность, а металлизированные слои АР, в которых выполнены излучающие раскрывы, расположены снаружи, охватывают диэлектрическую основу с системой возбуждения и соединены в местах расположения неоднородностей уровней. Если АР будет больше одной, то они образуют объемную систему из "n" связанных между собой попарно параллельно решеток (n 2, 3). In accordance with the invention, the tasks are solved by means of a wide-band circular AR, which contains at least one flat dielectric base with metallized layers, in which the excitation system and associated radiating aperture, formed from horn radiators placed at several levels, the radiating aperture, are made AS forms a closed second-order curve, for example, a circle, and the metallized layers of the AR, in which emitting openings are made, are located outside, the coverage vayut dielectric substrate with excitation system and connected to the ground level location of inhomogeneities. If the AR is more than one, then they form a three-dimensional system of "n" paired parallel to each other lattices (
Предлагаемое изобретение отвечает критерию "новизна", так как из общедоступных источников информации не известно технического решения, характеризующегося совокупностью указанных выше признаков изобретения. The present invention meets the criterion of "novelty", as from publicly available sources of information do not know the technical solution, characterized by a combination of the above features of the invention.
Предлагаемое изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень", так как благодаря такой конструкции АР, которая реализует динамическое АФР на раскрыве, можно решить вопросы получения круговой диаграммы направленности, расширения полосы пропускания, согласования КАР со свободным пространством. The present invention meets the criterion of "inventive step", since due to such a design of the AR that implements dynamic AFR at the aperture, it is possible to solve the problems of obtaining a circular radiation pattern, expanding the bandwidth, matching the CAR with free space.
На фиг.1 изображена широкодиапазонная плоская круговая антенная решетка (КАР); фиг. 2 поясняет "механизм" переотражения собственных волн на неоднородностях, фиг.3 принцип суперпозиции мод для случая синфазного возбуждения неоднородности; на фиг.4 изображен внешний вид КАР. Figure 1 shows a wide-range flat circular antenna array (CAR); FIG. 2 illustrates the “mechanism” of re-reflection of natural waves on inhomogeneities; FIG. 3 the principle of mode superposition for the case of in-phase excitation of an inhomogeneity; figure 4 shows the appearance of the CAR.
На фиг.1 обозначены:
1 излучатель нулевого уровня (плоский рупор), 2 излучатель первого уровня (область связи М1), 3 внешние стенки (образующие) излучателя первого уровня, 4 внутренние (смежные) стенки (образующие) излучателя нулевого уровня, 5 излучатель второго уровня (область связи М2), 6 - свободное пространство, 7 щелевая линия, 8 токонесущая полоска полосковой линии.Figure 1 marked:
1 zero-level radiator (flat horn), 2 first-level radiator (communication region M 1 ), 3 external walls (forming) of the first-level radiator, 4 internal (adjacent) walls (forming) of the zero-level radiator, 5 second-level radiator (communication region M 2 ), 6 - free space, 7 slotted line, 8 current-carrying strip of the strip line.
На фиг. 4 обозначены:
1 верхний металлический экран полосковой линии с многоуровневыми излучателями и щелями, выполненными на нем, 2 нижний металлический экран полосковой линии с многоуровневыми излучателями и щелями, выполненными на нем, 3 токонесущая пластина полосковой линии, реализующая систему возбуждения (суммированная), 4 области соединения верхнего и нижнего экранов.In FIG. 4 are indicated:
1 upper metal screen of the strip line with multi-level emitters and slots made on it, 2 lower metal screen of the strip line with multi-level emitters and slots made on it, 3 current-carrying plate of the strip line that implements the excitation system (summed), 4 connection areas of the upper and bottom screens.
На фиг. 1 затушеванная часть соответствует наличию металлической поверхности, пунктиром обозначена токонесущая металлическая пластина полосковой линии, которая реализует систему возбуждения (суммирования) круговой антенной решетки (КАР). Радиальные линии, проведенные через центр окружности О и точки О1, О2 и О3, являются осями симметрии соответственно для излучателей первого, второго и третьего уровней.In FIG. 1, the shaded part corresponds to the presence of a metal surface, the dotted line indicates the current-carrying metal plate of the strip line, which implements the excitation (summation) system of a circular antenna array (CAR). Radial lines drawn through the center of the circle O and points O 1 , O 2 and O 3 are the axis of symmetry for the emitters of the first, second and third levels, respectively.
Кроме того, точки О1, О2 и О3 характеризуют местоположение неоднородностей, для которых могут быть строго сформулированы граничные условия, поскольку они находятся внутри направляющих систем, образованных предложением внешних (наружных) стенок соответствующих излучателей или стыкуются со свободным пространством.In addition, points О 1 , О 2, and О 3 characterize the location of inhomogeneities for which boundary conditions can be strictly formulated, since they are located inside the guide systems formed by the proposal of the external (external) walls of the respective emitters or are joined with free space.
Необходимо отметить, что в общем случае образующие излучателей не обязательно должны быть прямыми линиями и являться продолжением прямой, они могут быть экспонентами, ломаными. Для более четкой фиксации граничных условий образующие соседних элементов при пересечении должны описываться "разрывной" функцией, т.е. иметь "острие", а не плавную кривую. It should be noted that in the general case, the generators of the emitters do not have to be straight lines and are a continuation of the straight line, they can be exponentials, broken lines. For a more precise fixation of the boundary conditions, the generators of neighboring elements at the intersection should be described by a "discontinuous" function, i.e. have a "tip" rather than a smooth curve.
КАР, реализующая обзор пространства в плоскости решетки (азимутальной плоскости) 360o, представляет из себя набор излучателей нулевого уровня (n0 2p) с размерами раскрыва больше половины длины волны, расположенных попарно один возле другого и развернутых в плоскости решетки на некоторый угол относительно друг друга, т.е. их раскрывы располагаются вдоль кривой второго порядка, которая в частном случае может быть окружностью. Пары соседних излучателей нулевого уровня могут быть развернуты на различный угол, но должны быть всегда симметричны относительно радиальной линии, проведенной через точку пересечения соседних (смежных) стенок (точку O1) и центр окружности (точку О). У каждой пары соседних излучателей нулевого уровня продолжены внешние (наружные) стенки (до взаимного их пересечения) на длину l1, что позволяет создать n1 2p-1 излучателей первого уровня, в которых реализованы условия для возбуждения распространяющихся мод как высших, так и низших. Затем у каждой соседней пары излучателей первого уровня продолжены внешние стенки (до их взаимного пересечения) на длину l2, что позволяет получить n2 2p-2 излучателей второго уровня. Описанный процесс с соседними парами излучателей разных уровней продолжается до тех пор, пока кривая, вдоль которой располагаются излучатели, не окажется замкнутой, а это значит, что на высшем "m-уровне" имеем один элемент (излучатель) nm 2p-m=1 (апертура которого представляет собой замкнутую кривую (окружность)), который обладает аксильной (круговой) симметрией, формирует круговую (всенаправленную) в плоскости решетки ДН, чем и обеспечивается обзор пространства в 360o в плоскости азимута. P характеризует количество уровней излучателей (для фиг. 1 Р 3).KAR, which realizes a review of space in the plane of the lattice (azimuthal plane) 360 o , is a set of emitters of zero level (n 0 2 p ) with aperture sizes greater than half the wavelength located in pairs one next to the other and deployed in the plane of the lattice at an angle relative to each other, i.e. their openings are located along a curve of the second order, which in a particular case can be a circle. Pairs of neighboring zero-level emitters can be rotated at a different angle, but should always be symmetrical with respect to the radial line drawn through the intersection point of adjacent (adjacent) walls (point O 1 ) and the center of the circle (point O). For each pair of neighboring zero-level emitters, the external (external) walls (until they intersect each other) are continued to a length of l 1 , which allows one to create
В таком случае КАР в своем составе имеет
количество элементов нулевого уровня n0 2p
количество элементов первого уровня n1 2p-1
количество элементов второго уровня n2 2p-2
количество элементов высшего уровня "m" nm 2p-m 1.In this case, the CAR has in its composition
the number of elements of the zero
the number of elements of the
the number of elements of the
the number of elements of the highest level "m"
Особенностью построения структуры КАР является то, что излучатель любого уровня (кроме нулевого) построен по одинаковой схеме и содержит в своем составе неоднородность типа "скачкообразный" переход, которая возбуждает направляющую систему (M1, M2), для которой могут быть строго сформулированы граничные условия. Механизм формирования структуры поля в аппертуре элемента любого уровня (кроме нулевого) совершенно одинаков, а различаются они только граничными условиями. Поэтому процесс получения многоуровневой апертуры с учетом круговой симметрии структуры может быть приостановлен уже на 2-м или 3-м шаге в зависимости от количества элементов нулевого уровня.A feature of constructing the CAR structure is that the emitter of any level (except the zero) is constructed in the same way and contains a “jump-like” junction type heterogeneity that excites a guiding system (M 1 , M 2 ), for which the boundary terms. The mechanism of the formation of the field structure in the aperture of an element of any level (except the zero) is exactly the same, but they differ only in boundary conditions. Therefore, the process of obtaining a multi-level aperture taking into account the circular symmetry of the structure can be suspended already at the 2nd or 3rd step, depending on the number of elements of the zero level.
На фиг. 2 изображены переотражения собственных волн между неоднородностями в направляющей системе, которые для упрощения рисунка выполнены не в цилиндрической, а в прямоугольной системе координат. Для области связи M1 плоскость 1 соответствует стыку часть пространства слева от стыка обозначена как область I, плоскость 2 соответствует стыку пространство справа от стыка обозначено как область II.In FIG. Figure 2 shows the re-reflections of natural waves between inhomogeneities in the guide system, which, to simplify the figure, are made not in a cylindrical, but in a rectangular coordinate system. For the communication region M 1, plane 1 corresponds to the junction part of the space to the left of the junction marked as region I,
Для областей связи M2, M3 плоскость 1 соответствует стыкам O3O3, а плоскость 2 стыкам O3O3; свободное пространство соответственно (см. фиг. 1).For the communication regions M 2 , M 3, plane 1 corresponds to the joints O 3 O 3 , and the
На плоскость 1 из области I падает волна E0 единичной амплитуды структуры H1. Часть энергии отражается обратно в область I в виде волны той же структуры с амплитудой [Nn]11.A wave E 0 of unit amplitude of structure H 1 is incident on
Оставшаяся часть проходит в область связи М в виде волны структуры Hp (сплошные линии) с амплитудами [Nm]1p, где p1, 2, 3. K. Количество типов волн в области М не ограничивается.The rest passes to the communication region M in the form of a wave of structure H p (solid lines) with amplitudes [N m ] 1p , where p1, 2, 3. K. The number of wave types in region M is not limited.
У плоскости 2 волны структуры Hp, приобретают дополнительный фазовый набег и имеют амплитуды P1p. Каждая из волн структуры Hp на плоскости 2 преобразуется в прошедшую волну области II с амплитудой P1pRp1 и отраженные волны учитываемых типов с амплитудами P1p[Mm]pg, где p,g 1, 2, 3. К. Отраженные волны вновь падают на плоскость 1, частично проходят в область I, остальная часть отражается, в свою очередь, в виде набора учитываемых волн.At
Рассмотренный процесс последовательных отражений позволяет рассчитать амплитуды A
Если на плоскость 1 одновременно падает несколько волн H1, то кроме рассмотренного механизма переотражений между волнами Hp одинаковой структуры будет наблюдаться суперпозиции с учетом условий возбуждения можно выделить на аппаратуре либо только четные, либо только нечетные волны, либо получить набор всех волн с нужными амплитудами, а за счет подбора протяженности области связи "l" получить требуемый фазовый набег. На фиг.3 поясняется механизм суперпозиции для случая, когда в область связи М учтены одна четная и одна нечетная моды (при этом механизм переотражения волн не рассматривается). При синфазном возбуждении излучателей нулевого уровня волной H1 в силу граничных условий и условий возбуждения неоднородности скачкообразного перехода в областях связи M1, M2 распространяются низшие 1', 2'; и высшие 1'', 2''; моды. При этом моды 1', 2''и окажутся в фазе, а 1'', 2'' и в противофазе. В результате суперпозиции в каждой из областей связи M3, M2 останется только результирующая мода (1' + 2'); нечетная, причем мощность, переносимая этой модой, равна сумме мощностей, подаваемых на вход.If
Поскольку все излучатели каждого уровня в КАР по способу построения являются идентичными, а схема возбуждения излучателей нулевого уровня является синфазной и равноамплитудной, то в установившееся динамическое амплитудно-фазовое распределение (АФР) на излучателе "m" уровня будет также равноамплитудным и синфазным. А это значит, что КАР формирует в свободном пространстве поле аналогичное полю, возбуждаемому нитью синфазного тока, которое распространяется в направлениях, перпендикулярных нити (радиально). Поле имеет две поперечные (относительно направления распространения) синфазные составляющие: электрическую Ez (EΦ) и магнитную HΦ (Hz) (т.е. КАР возбуждает в свободном пространстве ТЕМ-волну).Since all the emitters of each level in the CAR are identical in construction method, and the excitation scheme of the zero-level emitters is in-phase and equal-amplitude, the steady-state dynamic amplitude-phase distribution (AFR) on the "m" level emitter will also be equally-amplitude and in-phase. And this means that the CAR forms in free space a field similar to a field excited by a common-mode current filament, which propagates in directions perpendicular to the filament (radially). The field has two transverse (with respect to the propagation direction) in-phase components: the electric E z (E Φ ) and the magnetic H Φ (H z ) (i.e., the KAR excites a TEM wave in free space).
Структуру волны такого типа называют однородной цилиндрической волной (Г. Т. Марков и др. Электродинамика и распространение радиоволн. М. Сов. радио, 1979, с. 99-103). A wave structure of this type is called a homogeneous cylindrical wave (G. T. Markov et al. Electrodynamics and Radio Wave Propagation. M. Sov. Radio, 1979, pp. 99-103).
Поскольку КАР возбуждает в свободном пространстве однородную цилиндрическую волну, то ее ДН является практически равномерной в секторе углов 360o в плоскости решетки.Since the KAR excites in free space a homogeneous cylindrical wave, then its MD is almost uniform in the sector of angles 360 o in the plane of the lattice.
На базе КАР могут быть созданы очень эффективные (с точки зрения энергетики) объемные (цилиндрические) АР в виде слоеной структуры, объединенной дополнительным вертикальным сумматором, по известным способам конструирования двухмерных АР. On the basis of CAR, very effective (from the point of view of energy) volumetric (cylindrical) ARs in the form of a layered structure combined with an additional vertical adder can be created using known methods for constructing two-dimensional ARs.
Проблема уменьшения потерь в КАР решена посредством реализации схемы возбуждения (суммирования) на симметричной полосковой линии, что показано на фиг. 4. Из фиг. 4 также следует, что с целью выравнивания потенциала верхний и нижний экраны в области излучателей всех уровней должны быть соединены между собой. Главным достоинством КАР, кроме всенаправленной ДН, является ее широкополосность, которая обеспечивается динамическим АФР на раскрыве и особенностью возбуждения структуры поля волны ТЕМ в свободном пространстве. КАР обеспечивает полосу пропускания более, чем в две декады. The problem of reducing losses in the CAR is solved by implementing the excitation (summation) scheme on a symmetrical strip line, as shown in FIG. 4. From FIG. 4 also follows that in order to equalize the potential, the upper and lower screens in the region of emitters of all levels should be interconnected. The main advantage of the CAR, in addition to the omnidirectional MD, is its broadband, which is provided by the dynamic AFR at the aperture and by the feature of the excitation of the structure of the TEM wave field in free space. KAP provides a bandwidth of more than two decades.
Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией круговой антенной решетки, которая реализует динамическое АФР на раскрыве, что позволяет довольно просто решить вопросы получения круговой ДН, расширения полосы пропускания и согласования КАР со свободным пространством. From the foregoing, it becomes obvious that the tasks posed in the development of this technical solution have been completely solved by the proposed design of a circular antenna array, which implements dynamic AFR in the aperture, which makes it quite easy to solve the problems of obtaining a circular beam pattern, expanding the bandwidth and matching the CAR with free space.
Предлагаемое изобретение это весьма совершенная полосковая антенна, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой и высокой технологичностью. Все это показывает, что данная антенна найдет широкое применение в электротехнике. The present invention is a very advanced strip antenna, performed using modern technology of printed circuit boards, characterized by compactness, low weight and high adaptability. All this shows that this antenna will find wide application in electrical engineering.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95114852A RU2093936C1 (en) | 1995-09-05 | 1995-09-05 | Wire-range circular antenna array |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95114852A RU2093936C1 (en) | 1995-09-05 | 1995-09-05 | Wire-range circular antenna array |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU95114852A RU95114852A (en) | 1997-08-27 |
RU2093936C1 true RU2093936C1 (en) | 1997-10-20 |
Family
ID=20171466
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU95114852A RU2093936C1 (en) | 1995-09-05 | 1995-09-05 | Wire-range circular antenna array |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2093936C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2648691C1 (en) * | 2015-11-03 | 2018-03-28 | Константин Иванович Головко | Radar with sequential sector circular magnetic scanning of space by stationary phased antenna arrays |
-
1995
- 1995-09-05 RU RU95114852A patent/RU2093936C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Кюн Р. Микроволновые антенны. - Л.: Судостроение, 1967, с. 250. 2. Патент США N 4001834, кл. H 10 Q 9/28, 1977. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2648691C1 (en) * | 2015-11-03 | 2018-03-28 | Константин Иванович Головко | Radar with sequential sector circular magnetic scanning of space by stationary phased antenna arrays |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3411428B2 (en) | Antenna device | |
Kilgus | Shaped-conical radiation pattern performance of the backfire quadrifilar helix | |
Demmerle et al. | A biconical multibeam antenna for space-division multiple access | |
Koch | Coaxial feeds for high aperture efficiency and low spillover of paraboloidal reflector antennas | |
US10431900B2 (en) | Array antenna with optimized elements positions and dimensions | |
Yan et al. | Dual-layer SIW multibeam pillbox antenna with reduced sidelobe level | |
Takahashi et al. | Dual circularly polarized radial line slot antennas | |
US4996535A (en) | Shortened dual-mode horn antenna | |
JP3176217B2 (en) | Antenna device | |
CN110444903B (en) | Low-sidelobe vortex beam generation method based on multi-ring array | |
JPH0818326A (en) | Antenna equipment | |
Wang et al. | Structure radio beam construction in azimuthal domain | |
RU2093936C1 (en) | Wire-range circular antenna array | |
US2759183A (en) | Antenna arrays | |
EP1365477A1 (en) | Antenna | |
Clavin | A multimode antenna having equal E-and H-planes | |
Amitay et al. | Design of rectangular horn arrays with oversized aperture elements | |
Chan et al. | Triangular ray-tube analysis of dielectric lens antennas | |
JP2882713B2 (en) | Slot array antenna | |
EP0009063B1 (en) | Parallel plate electromagnetic lens | |
Skobelev | Methods and results of design synthesis of antenna arrays with flat-topped sector partial patterns | |
Penkin et al. | Two-frequency operating mode of antenna arrays with radiators of Clavin type and switching vibrator and slot elements | |
RU2188484C1 (en) | Single-pulse radiator | |
RU2159488C1 (en) | Phased annular antenna array | |
Zhuang et al. | Modelling studies of microstrip reflectarrays |