RU2795995C2

RU2795995C2 - Vector antenna

Info

Publication number: RU2795995C2
Application number: RU2020127239A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Алиев; Александр Владимирович Иванов; Юрий Геннадьевич Пастернак; Сергей Михайлович Федоров; Егор Сергеевич Чесноков; Виталий Игоревич Чугуевский
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2023-05-16

Abstract

FIELD: antenna technology.

SUBSTANCE: invention can be used in radar to estimate the angular coordinates of radio sources. Essence: the vector antenna contains a system of vibrators and a system of shielded frames, which are placed on one metal screen, having the shape of a circle, with a feeder line connected to each vibrator and each shielded frame. In the embodiment, the system of vibrators is made in the form of five vertical vibrators and four horizontal ones, the system of screened frames is made in the form of asymmetric vertical screened half rings lying in mutually perpendicular planes and installed perpendicular to the plane of the metal screen, and four symmetrical screened horizontal rings.

EFFECT: expanding the functionality of the antenna, which consists in the ability of the antenna to receive electromagnetic waves of any polarization with an arbitrary direction of wave arrival, followed by an assessment of the angular coordinates of radio emission sources.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокационных системах, например, для оценки угловых координат источников радиоизлучения с произвольной поляризацией и произвольным направлением падения электромагнитной волны.The invention relates to antenna technology and can be used in radar systems, for example, to estimate the angular coordinates of radio sources with arbitrary polarization and arbitrary direction of incidence of an electromagnetic wave.

Оценка угловых координат источников радиоизлучения с произвольной поляризацией и произвольным направлением падения волны производится на основе вычисления реальной части вектора Пойнтинга по измеренным проекциям электрической и магнитной компонент электромагнитного поля. Для этого измеряются амплитуды и фазы проекций векторов

электромагнитного поля на оси х, у, z. Затем вычисляется значение вектора ПойнтингаThe estimation of the angular coordinates of radio emission sources with arbitrary polarization and arbitrary direction of wave incidence is based on the calculation of the real part of the Poynting vector from the measured projections of the electric and magnetic components of the electromagnetic field. To do this, the amplitudes and phases of the projections of the vectors are measured

electromagnetic field on the x, y, z axis. Then the value of the Poynting vector is calculated

и его реальная часть

and its real part

Направление реальной части вектора Пойнтинга соответствует направлению падения электромагнитной волны. Таким образом, для реализации данного метода достаточным является измерение всех проекций векторов электрической и магнитной компонент поля в одной точке.The direction of the real part of the Poynting vector corresponds to the direction of incidence of the electromagnetic wave. Thus, to implement this method, it is sufficient to measure all projections of the vectors of the electric and magnetic components of the field at one point.

Известна конструкция всенаправленной директорной антенны RU 164858, заявка №2014128681/2 от 14.07.2014, МПК H01Q 19/30 U1 - прототип. Указанная всенаправленная директорная антенна состоит из одного активного вибратора в виде отрезка проводника четвертьволновой длины электромагнитной волны, расположенного перпендикулярно плоской проводящей поверхности и подключенного к линии питания с края, ближайшего к проводящей поверхности, и множества пассивных вибраторов-директоров в виде отрезков проводников, имеющих длину меньше длины активного вибратора, расположенных параллельно ему и подключенных одним своим краем к проводящей поверхности, при этом пассивные вибраторы расположены так, что проекции их средних точек на проводящую поверхность расположены вдоль окружностей, центр которых совпадает с центром проекции на эту поверхность активного вибратора, на одинаковом вдоль дуги окружности расстоянии от проекций их средних точек соседних пассивных вибраторов, при этом длины пассивных вибраторов, относящихся к одной окружности, равны, и с увеличением радиуса окружности, на которой расположены средние точки пассивных вибраторов, длины пассивных вибраторов не изменяются и на каждую окружность приходится не менее трех пассивных вибраторов. Данный образец антенны может позволить при использовании ее в качестве пеленгаторной антенны обеспечить оценку угловых величин падающей электромагнитной волны вертикальной поляризации в азимутальной плоскости.Known design of the omnidirectional director antenna RU 164858, application No. 2014128681/2 dated 07/14/2014, IPC H01Q 19/30 U1 - prototype. The specified omnidirectional director antenna consists of one active vibrator in the form of a conductor segment of a quarter-wavelength electromagnetic wave, located perpendicular to a flat conductive surface and connected to the power line from the edge closest to the conductive surface, and a plurality of passive director vibrators in the form of conductor segments having a length less than the length of the active vibrator, located parallel to it and connected with one of its edges to the conductive surface, while the passive vibrators are located so that the projections of their midpoints on the conductive surface are located along the circles, the center of which coincides with the center of the projection of the active vibrator onto this surface, on the same length arcs of a circle at a distance from the projections of their midpoints of adjacent passive vibrators, while the lengths of the passive vibrators belonging to the same circle are equal, and with an increase in the radius of the circle on which the midpoints of the passive vibrators are located, the lengths of the passive vibrators do not change and each circle has no less than three passive vibrators. This sample of the antenna can allow, when used as a direction-finding antenna, to provide an estimate of the angular values of the incident electromagnetic wave of vertical polarization in the azimuthal plane.

Техническим результатом изобретения по сравнению с прототипом является расширение функциональных возможностей антенны, заключающееся в способности антенны принимать электромагнитные волны любой поляризации с произвольным направлением прихода волны с последующей оценкой угловых координат источников радиоизлучения.The technical result of the invention in comparison with the prototype is the expansion of the functionality of the antenna, which consists in the ability of the antenna to receive electromagnetic waves of any polarization with an arbitrary direction of arrival of the wave, followed by an assessment of the angular coordinates of radio sources.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция векторной антенны, на фиг. 2 показан вид сверху векторной антенны без экрана, на фиг. 3 показан вид сбоку векторной антенны, на фиг. 4 показан вертикальный разрез несимметричной экранирующей вертикальной рамки, на фиг. 5 показан продольный разрез центрального вертикального вибратора, горизонтальных вибраторов, металлической подставки, имеющей форму цилиндрического стакана, и симметричной экранирующей горизонтальной рамки, на фиг. 6, 7 показаны места подключения фидерных линий к симметричным экранирующим горизонтальным рамкам, на фиг. 8 показаны места подключения фидерных линий к горизонтальным вибраторам, на фиг. 9 показано место подключения фидерной линии к центральному вертикальному вибратору, на фиг. 10 показаны места подключения фидерных линий к несимметричным экранирующим вертикальным рамкам и вертикальным вибраторам.The essence of the invention is illustrated in the drawings, where in Fig. 1 shows the design of a vector antenna, FIG. 2 shows a top view of a vector antenna without a shield, FIG. 3 shows a side view of a vector antenna, FIG. 4 shows a vertical section of an asymmetrical screening vertical frame, FIG. 5 shows a longitudinal section of the central vertical vibrator, horizontal vibrators, a metal support in the form of a cylindrical glass, and a symmetrical shielding horizontal frame; FIG. 6, 7 show the connection points of feeder lines to symmetrical horizontal shielding frames, in fig. 8 shows the connection points of feeder lines to horizontal vibrators, FIG. 9 shows the connection point of the feeder line to the central vertical vibrator, FIG. 10 shows the connection points of feeder lines to asymmetrical shielding vertical frames and vertical vibrators.

Векторная антенна выполнена на металлическом экране 1 и содержит: один центральный вертикальный вибратор 2 и четыре вертикальных вибратора 3, которые служат для усреднения значения E_z компоненты поля, искажаемого векторной антенной.The vector antenna is made on a metal screen 1 and contains: one central vertical vibrator 2 and four vertical vibrators 3, which serve to average the value of the E _z component of the field distorted by the vector antenna.

В качестве базового способа запитки элементов векторной антенны выбран несимметричный способ, обладающий рядом преимуществ:As a basic method of powering the elements of a vector antenna, an asymmetric method has been chosen, which has a number of advantages:

- не требуется использование сверхширокополосных симметрирующих трансформаторов;- the use of ultra-wideband balun transformers is not required;

- фидерная линия располагается под металлическим экраном и не оказывает влияния на диаграмму направленности антенны;- the feeder line is located under the metal screen and does not affect the antenna pattern;

- металлическая подстилающая поверхность, расположенная в непосредственной близости от антенных элементов, снижает отрицательное влияние корпуса носителя и элементов крепежа.- the metal underlying surface, located in close proximity to the antenna elements, reduces the negative impact of the carrier housing and fasteners.

Для измерения и усреднения значения E_z компоненты поля используются центральный вертикальный вибратор 2, четыре вертикальных вибратора 3.The central vertical vibrator 2 and four vertical vibrators 3 are used to measure and average the value of the E _z field component.

Для измерения Е_х и E_y компонент поля используются четыре горизонтальных вибратора 4.To measure E _x and E _y field components, four horizontal vibrators 4 are used.

Для измерения компонент Н_х и Н_у поля используются четыре несимметричные экранирующие вертикальные рамки 5, имеющие форму полуколец, компенсирующие эффект интерференции, вносимого элементами векторной антенной.To measure the components H _x and H _{y of} the field, four asymmetric shielding vertical frames 5 are used, having the shape of semicircles, compensating for the effect of interference introduced by the elements of a vector antenna.

Четыре симметричные экранирующие горизонтальные рамки 6, имеющие форму колец, используются для измерения H_z компоненты поля, а также для уменьшения систематических погрешностей, вызванных дифракцией волн на векторной антенне.Four symmetrical shielding horizontal frames 6, having the shape of rings, are used to measure the H _z field component, as well as to reduce systematic errors caused by wave diffraction on a vector antenna.

В варианте исполнения система вибраторов и система экранирующих рамок размещены на одном металлическом экране 1, имеющем форму круга.In the embodiment, the system of vibrators and the system of shielding frames are placed on one metal screen 1, which has the shape of a circle.

В варианте исполнения система вибраторов выполнена в виде пяти одинаковых вертикальных вибраторов, из которых четыре вертикальных вибратора 3 установлены на металлический экран 1 на равном удалении от центра металлического экрана 1 в углах квадрата, центр которого совпадает с геометрическим центром металлического экрана 1, а один центральный вертикальный вибратор 2 - в центре на металлической подставке, имеющей форму цилиндрического стакана высотой, равной длине вертикального вибратора 2, и четырех одинаковых горизонтальных вибраторов 4, которые установлены вдоль перпендикулярных линий, исходящих из геометрического центра металлического экрана 1, в плоскости параллельной плоскости металлического экрана 1 и отстоящей от нее выше.In the embodiment, the system of vibrators is made in the form of five identical vertical vibrators, of which four vertical vibrators 3 are installed on the metal screen 1 at an equal distance from the center of the metal screen 1 in the corners of the square, the center of which coincides with the geometric center of the metal screen 1, and one central vertical vibrator 2 - in the center on a metal stand in the form of a cylindrical glass with a height equal to the length of the vertical vibrator 2, and four identical horizontal vibrators 4, which are installed along perpendicular lines emanating from the geometric center of the metal screen 1, in a plane parallel to the plane of the metal screen 1 and above it.

В варианте исполнения система экранирующих рамок выполнена в виде несимметричных экранирующих вертикальных рамок 5, имеющих форму полуколец, лежащих во взаимоперпендикулярных плоскостях, и установленных перпендикулярно плоскости металлического экрана 1 и четырех симметричных экранирующих горизонтальных рамок 6, имеющих форму колец, которые проходят через нормаль к геометрическому центру металлического экрана 1, каждая из которых расположена в одной координатной четверти, причем плоскости, содержащие пары симметричных экранирующих горизонтальных рамок 6, лежащих в противоположных координатных четвертях, расположены выше и ниже относительно плоскости, проходящей через горизонтальные вибраторы 4.In the embodiment, the system of shielding frames is made in the form of asymmetric shielding vertical frames 5, having the shape of semicircles, lying in mutually perpendicular planes, and installed perpendicular to the plane of the metal screen 1 and four symmetrical shielding horizontal frames 6, having the shape of rings that pass through the normal to the geometric center metal screen 1, each of which is located in one coordinate quarter, and the planes containing pairs of symmetrical shielding horizontal frames 6, lying in opposite coordinate quarters, are located above and below relative to the plane passing through the horizontal vibrators 4.

Для измерения проекций векторов напряженности электрического и магнитного поля Е_х, E_y,E_z, Н_х, Н_у, H_z с помощью векторной антенны необходимо использовать экспериментально наработанные калибровочные таблицы, связывающие фактически измеряемые величины комплексных потенциалов на выходах соответствующих антенных элементов в рабочей полосе частот с компонентами падающей электромагнитной волны.To measure the projections of the electric and magnetic field strength vectors E _x , E _y , E _z , H _x , H _y , H _z using a vector antenna, it is necessary to use experimentally developed calibration tables that relate the actually measured values of the complex potentials at the outputs of the corresponding antenna elements in the working frequency band with components of the incident electromagnetic wave.

Для измерения фаз предлагается в качестве опорного напряжения использовать среднее значение напряжений на выходах вертикальных вибраторов 3.To measure the phases, it is proposed to use the average value of the voltages at the outputs of vertical vibrators 3 as a reference voltage.

Предложенная векторная антенна работает следующим образом.The proposed vector antenna works as follows.

Падающая электромагнитная волна с произвольной поляризацией наводит на антенных элементах - центральном вертикальном вибраторе 2 и вертикальных вибраторах 3, горизонтальных вибраторах 4, несимметричных экранирующих вертикальных рамках 5 и симметричных экранирующих горизонтальных рамках 6 - токи, которые создают комплексные потенциалы в местах подключения фидерных линий к указанным антенным элементам. Изменения угла места и направления прихода падающей электромагнитной волны будут вызывать изменения комплексных потенциалов на антенных элементах: центральном вертикальном вибраторе 2, вертикальных вибраторах 3, горизонтальных вибраторах 4, несимметричных экранирующих вертикальных рамках 5, симметричных экранирующих горизонтальных рамках 6. Величины комплексных потенциалов, снимаемых с симметричных экранирующих горизонтальных рамок 6, инициированы вертикально ориентированным магнитным полем, наводимым падающей электромагнитной волной. Величины комплексных потенциалов, снимаемых с несимметричных экранирующих вертикальных рамок 5, инициированы горизонтально ориентированным магнитным полем, наводимым падающей электромагнитной волной. Величины комплексных потенциалов, снимаемых с центрального вертикального вибратора 2 и вертикальных вибраторов 3 инициированы вертикально ориентированным электрическим полем, наводимым падающей электромагнитной волной. Величины комплексных потенциалов, снимаемых с горизонтальных вибраторов 4 инициированы горизонтально ориентированным электрическим полем, наводимым падающей электромагнитной волной.An incident electromagnetic wave with arbitrary polarization induces currents on the antenna elements - the central vertical vibrator 2 and vertical vibrators 3, horizontal vibrators 4, asymmetrical shielding vertical frames 5 and symmetrical shielding horizontal frames 6 - currents that create complex potentials at the points of connection of feeder lines to the indicated antenna elements. Changes in the elevation angle and direction of arrival of the incident electromagnetic wave will cause changes in the complex potentials on the antenna elements: the central vertical vibrator 2, vertical vibrators 3, horizontal vibrators 4, asymmetric screening vertical frames 5, symmetrical screening horizontal frames 6. The values of complex potentials taken from symmetrical shielding horizontal frames 6 are initiated by a vertically oriented magnetic field induced by an incident electromagnetic wave. The values of the complex potentials taken from the asymmetric screening vertical frames 5 are initiated by a horizontally oriented magnetic field induced by an incident electromagnetic wave. The values of the complex potentials taken from the central vertical vibrator 2 and vertical vibrators 3 are initiated by a vertically oriented electric field induced by an incident electromagnetic wave. The values of the complex potentials taken from the horizontal vibrators 4 are initiated by a horizontally oriented electric field induced by an incident electromagnetic wave.

Измеренные значения комплексных потенциалов используются для вычисления компонент падающей электромагнитной волны Е_х, E_y,E_z, Н_х, Н_у, H_z. С помощью дополнительного программно-аппаратного комплекса, сопряженного с векторной антенной, вычисляется реальная часть

вектора Пойнтинга

параметры которого позволят получить значения угла места и азимута падающей электромагнитной волны пеленгуемого источника радиоизлучения наиболее близкие к истинным.The measured values of the complex potentials are used to calculate the components of the incident electromagnetic wave Е _x , E _y , E _z , H _x , H _y , H _z . With the help of an additional software and hardware complex coupled with a vector antenna, the real part of

Pointing vectors

the parameters of which will make it possible to obtain the values of the elevation angle and azimuth of the incident electromagnetic wave of the direction-finding source of radio emission that are closest to the true ones.

Использование предложенного технического решения позволит расширить функциональные возможности антенны, заключающееся в способности антенны принимать электромагнитные волны произвольной поляризации и произвольным направлением прихода волны с последующей оценкой угловых координат источников радиоизлучения.The use of the proposed technical solution will expand the functionality of the antenna, which consists in the ability of the antenna to receive electromagnetic waves of arbitrary polarization and arbitrary direction of arrival of the wave, followed by an assessment of the angular coordinates of radio emission sources.

Claims

A vector antenna containing a radiating and shielding system, characterized in that the radiating and shielding systems are made on a single metal screen having the shape of a circle of a given radius, while the radiating system is made in the form of five vertical asymmetric vibrators of the same size, four of which are mounted on metal screen at an equal distance from the center of the metal screen at the corners of a square with a given diagonal, the center of which coincides with the geometric center of the metal screen, and one - in the center on a dielectric substrate at a distance equal to the height of the vertical vibrator relative to the plane of the metal screen and four horizontal asymmetric vibrators of a given size, which are installed along perpendicular lines emanating from the geometric center of the metal screen, in a plane parallel to the plane of the metal screen and spaced from it by a given value, the screening system is made in the form of four vertical frames having the shape of semirings of a given radius, lying in mutually perpendicular planes , and installed perpendicular to the plane of the metal screen, and four horizontal frames in the form of rings of a given radius that pass through the normal to the geometric center of the metal screen, each of which is located in one coordinate quarter, and the planes containing pairs of horizontal frames lying in opposite coordinates quarters, located above and below relative to the plane passing through the horizontal asymmetric vibrators, at a given distance.