RU53505U1

RU53505U1 - TRAIN RADIO PHASED ANTENNA ARRAY

Info

Publication number: RU53505U1
Application number: RU2005134547/22U
Authority: RU
Inventors: Михаил Алексеевич Бойко
Original assignee: Михаил Алексеевич Бойко
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2006-05-10

Abstract

Заявляется фазированная антенная решетка поездной радиосвязи, содержащая решетку из антенных вибраторов, дискретные фазовращатели, сумматор-делитель антенных сигналов и схему управления. Отличается от аналогов тем, что она включает три кольцевые решетки из антенных вибраторов, коммутируемые в подрешетки из двух колец с идентичным запитыванием соосно расположенных и равноудаленных пар антенных вибраторов, подключаемых через СВЧ-переключатели к выходам дискретных фазовращателей. Входы фазовращателей соединены с выходами сумматора-делителя, при этом управляющие входы СВЧ-переключателей и фазовращателей соединены с выходами микропроцессорного блока управления. Геометрические центры трех идентичных антенных кольцевых решеток могут располагаться в вершинах равностороннего треугольника со сторонами λ/2, где λ - длина электромагнитной волны. Заявляемая фазированная антенная решетка поездной радиосвязи имеет небольшие габаритные размеры, приемлемые для размещения на локомотивах, и обеспечивает повышение помехоустойчивости поездной радиосвязи путем формирования сравнительно узкой до 70° результирующей характеристики направленности.A phased train antenna radio phono array is disclosed, comprising a array of antenna vibrators, discrete phase shifters, an adder-divider of antenna signals and a control circuit. It differs from analogues in that it includes three annular arrays of antenna vibrators, commutated into sublattices of two rings with identical power supply to coaxially located and equally distant pairs of antenna vibrators, connected via microwave switches to the outputs of discrete phase shifters. The inputs of the phase shifters are connected to the outputs of the adder-divider, while the control inputs of the microwave switches and phase shifters are connected to the outputs of the microprocessor control unit. The geometric centers of three identical antenna ring arrays can be located at the vertices of an equilateral triangle with sides λ / 2, where λ is the electromagnetic wavelength. The inventive phased antenna array of train radio communications has small overall dimensions suitable for placement on locomotives and provides increased noise immunity of train radio communications by forming a comparatively narrow resultant directivity pattern of up to 70 °.

Description

Полезная модель относится к мобильной поездной радиотелефонной связи, работающей в диапазоне 160 МГц.The utility model relates to a mobile train radiotelephone communication operating in the range of 160 MHz.

Внедрение локомотивных фазированных антенных решеток (ФАР) в метровом диапазоне волн жестко ограничивается допустимыми габаритами конструктивных элементов антенных систем и фазирующих устройств.The introduction of locomotive phased antenna arrays (PAR) in the meter wavelength range is strictly limited by the permissible dimensions of the structural elements of antenna systems and phasing devices.

Имеются различные фазированные антенные решетки для поездной радиосвязи, в частности, патент РФ №2216077 от 22.03.01 г. «Устройство мобильной фазированной антенной решетки повышения устойчивости и дальности поездной радиотелефонной связи». Устройство содержит антенную решетку из n-антенных вибраторов, n-1 дискретных фазовращателей, подключенных к вибраторам, схему управления фазовращателями и сумматор антенных сигналов. Выходы фазовращателей соединены со входами сумматора, а выход сумматора соединен со входом приемника поездной радиостанции. Фазовращатели выполнены на переключаемых отрезках линии передачи, что приводит к увеличению габаритных размеров ФАР и потерь вследствие использования 4-х pin-диодов на 1 разряд.There are various phased antenna arrays for train radio communications, in particular, RF patent No. 2216077 dated 03/22/01, “Device for a mobile phased antenna array to increase the stability and range of train radiotelephone communications”. The device comprises an antenna array of n-antenna vibrators, n-1 discrete phase shifters connected to the vibrators, a phase shifter control circuit and an antenna signal adder. The outputs of the phase shifters are connected to the inputs of the adder, and the output of the adder is connected to the input of the receiver of the train radio station. Phase shifters are made on switched segments of the transmission line, which leads to an increase in the overall dimensions of the headlamps and losses due to the use of 4 pin diodes per 1 discharge.

Наиболее близким является патент на полезную модель РФ №41551 от 11.06.2004 г. «Малоэлементная кольцевая фазированная антенная решетка», содержащая кольцевую решетку из антенных вибраторов и дискретных фазовращателей, подключенных к вибраторам, сумматор антенных сигналов и схему управления. В тракт питания каждого вибратора включены электрически управляемые отражательные фазовращатели на pin-диодах, выполненные в виде гибридных интегральных микросборок СВЧ с дискретами 22,5°, 45°, 90° и 180°. Управление разрядами отражательных фазовращателей для достижения максимального излучения в требуемом направлении осуществляется через стандартный LPT порт персонального компьютера с The closest is the patent for utility model of the Russian Federation No. 4151 dated June 11, 2004. “Low-element ring phased antenna array” containing an annular array of antenna vibrators and discrete phase shifters connected to vibrators, an antenna signal adder and a control circuit. The power path of each vibrator includes electrically controlled reflective phase shifters on pin diodes, made in the form of hybrid microwave integrated microassemblies with discrete 22.5 °, 45 °, 90 ° and 180 °. The control of the discharges of the reflective phase shifters to achieve maximum radiation in the desired direction is carried out through the standard LPT port of a personal computer with

использованием алгоритма сканирования диаграммы направленности с автоматическим выбором углового положения луча по максимальному уровню принимаемого полезного сигнала. Блок управления и антенная система малоэлементной кольцевой фазированной антенной решетки имеют приемлемые размеры для размещения на локомотивах, однако ширина формируемой диаграммы направленности в пределах от 90° до 120° не позволяет достичь более четырех эффективных ветвей углового разнесения в режиме адаптивной угловой селекции, что ограничивает возможности повышения качества поездной радиосвязи.using the algorithm of scanning the radiation pattern with automatic selection of the angular position of the beam at the maximum level of the received useful signal. The control unit and the antenna system of the low-element ring phased antenna array have acceptable sizes for placement on locomotives, however, the width of the generated radiation pattern in the range from 90 ° to 120 ° does not allow reaching more than four effective branches of angular diversity in adaptive angular selection mode, which limits the possibility of increasing quality train radio.

Предлагаемая фазированная антенная решетка также включает в себя антенные вибраторы, дискретные фазовращатели, сумматор-делитель антенных сигналов и схему управления.The proposed phased array antenna also includes antenna vibrators, discrete phase shifters, an adder-divider antenna signals and a control circuit.

Задача, решаемая при разработке данной полезной модели, заключалась в реализации схемы адаптивной антенной системы с шириной луча до 70° в диапазоне 160 МГц.The problem solved in the development of this utility model was to implement an adaptive antenna system circuit with a beam width of up to 70 ° in the range of 160 MHz.

Техническим результатом полезной модели является повышение помехоустойчивости поездной радиосвязи путем формирования сравнительно узкой до 70° результирующей характеристики направленности.The technical result of the utility model is to increase the noise immunity of train radio communications by forming a relatively narrow directivity characteristic of up to 70 °.

Технический результат достигается тем, что фазированная антенная решетка включает три антенные кольцевые решетки, коммутируемые в подрешетки из двух колец с идентичным запитыванием соосно расположенных и равноудаленных пар антенных вибраторов, подключаемых через СВЧ-переключатели к выходам дискретных фазовращателей, входы которых соединены с выходами сумматора-делителя, при этом управляющие входы СВЧ-переключателей и фазовращателей соединены с выходами микропроцессорного блока управления.The technical result is achieved by the fact that the phased antenna array includes three antenna ring arrays that are switched into two-ring sublattices with identical power supply for coaxially located and equally distant pairs of antenna vibrators connected via microwave switches to the outputs of discrete phase shifters, the inputs of which are connected to the outputs of the adder-divider while the control inputs of the microwave switches and phase shifters are connected to the outputs of the microprocessor control unit.

Данный технический результат достигается и при расположении геометрических центров трех идентичных антенных кольцевых решеток в This technical result is achieved when the geometric centers of three identical antenna ring arrays are located in

вершинах равностороннего треугольника со сторонами - λ/2, где λ - длина электромагнитной волны.the vertices of an equilateral triangle with sides - λ / 2, where λ is the length of the electromagnetic wave.

Включение в фазированную антенную решетку трех антенных кольцевых решеток, коммутируемых в подрешетки из двух колец с идентичным запитыванием соосно расположенных и равноудаленных пар антенных вибраторов, обеспечивает формирование сравнительно узкой до 70° результирующей характеристики направленности с учетом эффекта, достигаемого линейной решеткой из двух синфазных вибраторов, расположенных на расстоянии λ/2, когда каждая из кольцевых решеток в связи с наличием индивидуального фазового центра может быть представлена в виде эквивалентного одиночного направленного излучателя.The inclusion in the phased antenna array of three antenna ring arrays, commutated in sub-arrays of two rings with the identical power supply of coaxially located and equally spaced pairs of antenna vibrators, ensures the formation of a relatively narrow up to 70 ° resulting directivity taking into account the effect achieved by a linear array of two in-phase vibrators located at a distance of λ / 2, when each of the ring gratings in connection with the presence of an individual phase center can be represented as an equivalent entent single directional emitter.

Подключение пар антенных вибраторов через СВЧ-переключатели к выходам дискретных фазовращателей, входы которых соединены с выходами сумматора-делителя, при этом управляющие входы СВЧ-переключателей и фазовращателей соединены с выходами микропроцессорного блока управления, позволяет достичь шесть эффективных ветвей углового разнесения при ширине луча 70°, что повышает помехоустойчивость поездной радиосвязи.Connecting pairs of antenna vibrators through microwave switches to the outputs of discrete phase shifters, the inputs of which are connected to the outputs of the adder-divider, while the control inputs of the microwave switches and phase shifters are connected to the outputs of the microprocessor control unit, allows you to achieve six effective branches of angular diversity with a beam width of 70 ° , which increases the noise immunity of train radio communications.

Оптимальный результат работы фазированной антенной решетки обеспечивается при расположении геометрических центров трех идентичных антенных кольцевых решеток в вершинах равностороннего треугольника со сторонами λ/2, где λ - длина электромагнитной волны.The optimal result of the phased antenna array is ensured when the geometric centers of three identical antenna ring arrays are located at the vertices of an equilateral triangle with sides λ / 2, where λ is the electromagnetic wavelength.

Заявляемая модель поясняется с помощью чертежа, где на фиг.1 представлена структурная схема фазированной антенной решетки.The inventive model is illustrated using the drawing, where figure 1 shows the structural diagram of a phased antenna array.

Фазированная антенная решетка поездной радиосвязи (см. фиг.1) содержит кольцевые решетки 1, 2, 3, каждая из которых состоит из трех антенных вибраторов a1, b1, c1; a2, b2, с2 и а3, b3, с3. Кольцевые решетки 1, 2, 3 равноудалены друг от друга на расстояние d=λ/2, где λ - длина электромагнитной волны. Вибраторы кольцевых решеток 1, 2, 3 через The phased antenna array of train radio communications (see Fig. 1) contains annular arrays 1, 2, 3, each of which consists of three antenna vibrators a1, b1, c1; a2, b2, c2 and a3, b3, c3. The ring gratings 1, 2, 3 are equidistant from each other by a distance d = λ / 2, where λ is the electromagnetic wavelength. Vibrators of ring gratings 1, 2, 3 through

СВЧ-переключатели 4, 5, 6 подключены к выходам дискретных фазовращателей 7, 8, 9. Время переключения дискретов - не более 1 мкс. Потери фазовращателей - не более 2,5 дБ. Дискретные фазовращатели 7, 8, 9 подключены к выходам сумматора-делителя 10, соединенного с радиостанцией 11, которая, в свою очередь, соединена с микропроцессорным блоком управления 12 (МПБУ) через аналого-цифровой преобразователь 13 (АЦП).Microwave switches 4, 5, 6 are connected to the outputs of the discrete phase shifters 7, 8, 9. The switching time of the discretes is not more than 1 μs. Loss of phase shifters - no more than 2.5 dB. Discrete phase shifters 7, 8, 9 are connected to the outputs of the adder-divider 10 connected to the radio station 11, which, in turn, is connected to the microprocessor control unit 12 (MPBU) through an analog-to-digital converter 13 (ADC).

Управляющие входы СВЧ-переключателей 4, 5, 6 и фазовращателей 7, 8, 9 соединены с выходами микропроцессорного блока управления 12. Управление разрядами дискретных фазовращателей 7, 8, 9 для достижения максимального излучения в требуемом направлении осуществляется МПБУ 12 с использованием алгоритма сканирования диаграммы направленности с автоматическим выбором углового положения диаграммы луча по максимальному уровню принимаемого полезного сигнала, оцифрованное значение которого через аналого-цифровой преобразователь 13 передается в МПБУ 12.The control inputs of the microwave switches 4, 5, 6 and phase shifters 7, 8, 9 are connected to the outputs of the microprocessor control unit 12. The discharges of discrete phase shifters 7, 8, 9 are controlled by MPBU 12 to achieve maximum radiation in the required direction using the directional scanning algorithm with automatic selection of the angular position of the beam diagram according to the maximum level of the received useful signal, the digitized value of which is transmitted through the analog-to-digital converter 13 to the MPBU 12.

Фазированная антенная решетка поездной радиосвязи работает следующим образом: управляющие сигналы от микропроцессорного блока управления 12 в соответствии с алгоритмом работы ФАР подаются на соответствующие СВЧ-переключатели, например, 4 и 6, для обеспечения запитывания вибраторов, например, а1 и а3 требуемой пары кольцевых антенных решеток 1 и 3. При этом запитывание вибраторов, например, а1 и а3, осуществляется через дискретный фазовращатель 7, на управляющие входы которого для достижения требуемого направленного излучения в одном из азимутальных углов (0°, 60°, 120°, 180°, ...) подаются управляющие сигналы от МПБУ 12. В режиме приема данная схема ФАР реализует с помощью алгоритма МПБУ 12 адаптивную угловую селекцию по максимальному уровню принимаемого сигнала с соответствующего направления формирования диаграммы направленности. При этом принятые вибраторами включенной пары кольцевых решеток радиосигналы через сумматор-делитель 10 поступают на антенный вход радиостанции 11, с низкочастотного выхода которого The phased antenna array of the train radio communication operates as follows: the control signals from the microprocessor control unit 12 are fed to the corresponding microwave switches, e.g. 1 and 3. In this case, the vibrators, for example, a1 and a3, are fed through a discrete phase shifter 7, to the control inputs of which, in order to achieve the desired directional radiation in one of the azim total angles (0 °, 60 °, 120 °, 180 °, ...) control signals from MPBU 12 are supplied. In the receiving mode, this PAR system implements adaptive angular selection using the MPBU 12 algorithm according to the maximum level of the received signal from the corresponding direction of formation radiation patterns. At the same time, the radio signals received by the vibrators of the included pair of ring gratings go through the adder-divider 10 to the antenna input of the radio station 11, from the low-frequency output of which

принятые сигналы через АЦП 13 поступает в МПБУ 12 для анализа и принятия очередного решения в соответствии с алгоритмом автовыбора углового положения луча.the received signals through the ADC 13 is supplied to the MPBU 12 for analysis and next decision in accordance with the algorithm for automatic selection of the angular position of the beam.

Заявляемая фазированная антенная решетка поездной радиосвязи имеет небольшие габаритные размеры, приемлемые для размещения на локомотивах, и обеспечивает повышение помехоустойчивости поездной радиосвязи путем формирования сравнительно узкой до 70° результирующей характеристики направленности.The inventive phased antenna array of train radio communications has small overall dimensions suitable for placement on locomotives and provides increased noise immunity of train radio communications by forming a comparatively narrow resultant directivity pattern of up to 70 °.

Claims

1. The phased antenna array of the train radio communication, comprising an array of antenna vibrators, discrete phase shifters, an adder-divider of antenna signals and a control circuit, characterized in that it includes three ring arrays of antenna vibrators, commutated in two-ring sublattices with identical power supply coaxially located and equidistant pairs of antenna vibrators connected via microwave switches to the outputs of discrete phase shifters, the inputs of which are connected to the outputs of the adder-divider, while controlling e inputs of microwave switches and phase shifters are connected to outputs of the microprocessor control unit.

2. The phased antenna array of the train radio communication according to claim 1, characterized in that the geometric centers of three identical antenna ring arrays are located at the vertices of an equilateral triangle with sides λ / 2, where λ is the electromagnetic wavelength.