Решетка антенная многорядная фазированная кв диапазона. Дачная или экспедиционная антенная фазированная решетка для дальних связей на кв. Приемные активные фазированные антенные решетки

В предыдущей публикации /1/ мы показывали, что в условиях, когда нет возможности поднять антенну на значительную высоту, преимущество при проведении дальних связей имеют антенны с вертикальной поляризацией, имеющие малый угол излучения: вертикальный изогнутый диполь (рис.1), вертикальный Moxon (рис.2)

Мы намеренно не упоминаем здесь вертикалы с системой противовесов или радиалов, поскольку эти антенны весьма неудобны для размещения на дачных участках или в экспедиционных условиях.

Вертикальный Moxon (рис.2), хотя и является неплохой направленной антенной с малым углом излучения, все же имеет недостаточное усиление по сравнению с многоэлементными "волновыми каналами" или "квадратами". Поэтому у нас естественно возникло желание попробовать фазированную решетку из двух вертикальных Moxon"ов, подобную использовавшейся американскими радиолюбителями в экспедиции на Ямайку (они назвали ее "2х2") /2/.
Простота ее конструкции и малое место, необходимое для ее размещения, делают задачу легко выполнимой. Эксперимент проводили на диапазоне 17 м (центральная частота 18,120 МГц), поскольку один вертикальный Moxon для этого диапазона у нас уже был изготовлен. Его расчетные характеристики (рис.3): усиление 4,42 dBi, задний лепесток подавлен более чем на 20 дБ, максимум излучения под углом 17 градусов, почти чистая вертикальная поляризация излучения. И это при высоте нижнего края антенны всего 2 м над реальной землей.
Для каждой из антенн потребуется диэлектрическая мачта высотой 8 - 10 м (или подходящей высоты дерево) и две (лучше три) диэлектрические распорки длиной 2,2 м (можно использовать деревянные рейки). Элементы - из любого медного провода, диаметром 1-3 мм, голого или в изоляции.
При эксперименте в качестве мачты использовался набор стеклопластиковых труб от RQuad, общей высотой 10 м, в качестве распорок - пластиковые водопроводные трубы диаметром 20 мм. Элементы - из провода «полёвка». Оттяжки - из 3 мм полипропиленового шнура. Получилась конструкция, изображенная на рис.4.

Рис.3. Расчетные характеристики вертикальной антенны Moxon.

Провод пропущен через отверстия возле концов распорок и закреплен на них с помощью изоленты или пластиковых хомутиков. Чтобы распорки не прогибались под весом антенны, их концы растянуты леской. Для сохранения прямолинейности активного элемента, нарушаемого из-за веса кабеля, можно использовать третью распорку на уровне середины элементов, пропустив через отверстие в ней провод директора и закрепив на ней точки подключения активного элемента к кабелю. Кабель идет вдоль распорки до мачты и далее вниз по мачте. На кабель одеты ферритовые трубки через 2 м, исключающие влияние его оплетки на характеристики антенны и одновременно симметрирующие токи питания. Антенна легко поднимается на заранее установленную мачту с роликом на вершине с помощью капронового шнура.
Характеристики горизонтального стэка из двух таких антенн, рассчитанные с помощью программы MMANA, приведены на рис.5. Наилучшие характеристики по усилению и подавлению заднего лепестка получились при расстоянии между антеннами 0,7 длины волны, т.е. 11,6 м. Этой антенне можно дать название "2×MOXON".

Рис.5. Диаграмма направленности фазированной решетки из двух вертикальных антенн Moxon.

Схема суммирования классическая: поскольку каждая из антенн имеет входное сопротивление 50 Ом, используются кабели питания с сопротивлением 75 Ом длиной ¾ длины волны с учетом коэффициента укорочения кабеля. К концам кабелей сопротивление антенн трансформируется в 100 Ом. Поэтому их можно соединить параллельно с помощью тройника, далее кабель питания 50 Ом любой длины. Длина трансформирующих кабелей выбрана ¾ длины волны, поскольку при длине ¼ длины волны их длин не хватает, чтобы перекрыть расстояние между антеннами.
На изготовление второго экземпляра этой антенны нам потребовалось часа два. Мачты установили с разносом 11,6 м (ширины дачного участка хватило).
Настройку каждой из антенн производили отдельно, подключая их через кабель длиной полволны (с учетом укорочения), и подрезая концы нижних отогнутых частей элементов. Для исключения ошибок в настройке необходимо обратить особое внимание на подавление синфазных токов в кабелях питания с помощью дросселей, одетых на кабель. Нам пришлось использовать до 10 шт. ферритовых фильтров с защелкой, распределенных по длине кабеля 75 Ом, прежде чем результаты стабилизировались. Эти дроссели должны быть и на трансформирующих кабелях, соединенных тройником. На кабель 50 Ом, соединяющий тройник с трансивером, дроссели одевать необязательно. При отсутствии ферритов можно дроссели заменить несколькими витками кабеля, собранными в бухту диаметром 15-20 см., расположив их вблизи точек питания антенн и около тройника. Для улучшения работы антенн практически всю свободную длину трансформирующих кабелей можно собрать в бухты дросселей.
После соединения двух вертикальных Moxon"ов в решетку резонансная частота уходит вверх примерно на 500 кГц, а КСВ на центральной частоте становится равным 1,4.
Корректировать резонанс системы, подстраивая Moxon-ы, нельзя, т.к. при этом разваливается диаграмма направленности. Наиболее простые способы согласования системы - либо включение катушек с индуктивностью 0,2 мкГн последовательно со входами обеих антенн, либо одного конденсатора 400-550 пФ (подобрать величину по минимуму КСВ на центральной частоте) последовательно со входом тройника со стороны фидера 50 Ом. При этом полоса по уровню КСВ < 1,2 получается около 200 кГц (рис.6).

Рис.6. КСВ со входа после подстройки с помощью индуктивностей 0,2 мкГн.

Расчетные параметры при высоте нижнего края антенн 2 м над реальной землей:
Усиление 8,58 dBi (6,43 dBd),
Угол элевации 17 градусов,
Подавление задних лепестков >25 dB,
КСВ в рабочем диапазоне < 1,2.
Наличие боковых лепестков с подавлением 10 дБ относительно главного не является, как нам кажется, недостатком, т.к. позволяет слышать станции и за пределами узкого главного лепестка, не поворачивая антенны.
Нам неизвестны иные конструкции антенн, обладающие столь высокими параметрами при такой конструктивной простоте.
Разумеется, эта фазированная решетка стационарна и должна устанавливаться в направлении наиболее интересующих DX (на запад, например). Повернуть затем ее диаграмму на восток будет нетрудно: для этого нужно опустить антенны, развернуть их на 180 градусов и снова поднять на мачты. У нас эта операция после некоторой тренировки занимала не более пяти минут.
Фото экспериментальной антенны приведено на рис.7.

Рис.7. Вид фазированной решетки из двух вертикальных Moxon"ов.

Владислав Щербаков, (RU3ARJ)
Сергей Филиппов, (RW3ACQ)
Юрий Золотов, (UA3HR)

Литература:

1. Владислав Щербаков RU3ARJ, Сергей Филиппов RW3ACQ. Симметричные вертикальные антенны - оптимальное решение для DX связей в полевых и дачных условиях. Материалы Форума Фестиваля «Домодедово 2007».

2. K5K Kingman Reef DXpedition.
www.force12inc.com/k5kinfo.htm

info - http://cqmrk.ru

Антенно-фидерные устройства КВ диапазона: передающие антенны

Технические характеристики

Диапазон рабочих частот от 3,0 до 9,0 МГц
- Номинальное сопротивление входа – 2х150 Ом (симметричный тракт)
- КСВН в диапазоне рабочих частот – не более 2,0
- Азимутальная ДН при угле места 45º близка к круговой с неравномерностью не более ±1,5 дБ
- Обеспечивается излучение в секторе углов места от 45 до 90º в полосе частот от 3 до 6 МГц и в секторе углов места от 40 от 65º в полосе частот от 6 до 9 МГц с неравномерностью не более ±3 дБ
- Поляризация излучаемых АЗИ-ПРД волн – эллиптическая. Обеспечена возможность дистанционного управления направлением вращения поляризации
- Питание БУП АЗИ-ПРД осуществляется от трехфазной сети переменного тока В (50±1,5) Гц
- Питание ПДУ осуществляется от однофазной сети переменного тока В (50±2,5) Гц
- Мощность, потребляемая БУП от сети, не более 250 ВА

Устройство антенное радиопередающее на основе ВГДШ УАР-Ш предназначено для использования в качестве радиопередающей антенны в составе радиостанций диапазона ДКМВ

Технические характеристики

Диапазон рабочих частот от 8,0 до 24,0 МГц
КБВ на входе УСС-Ш при подключении к выходу симметричной согласованной нагрузки 200 Ом в диапазоне рабочих частот не менее 0,6
Волновое сопротивление фидера Ф-50 составляет 50 Ом
КБВ на входе фидера Ф-50 при работе на согласованную нагрузку в диапазоне рабочих частот не менее 0,8

АКАР

Технические характеристики

ЭАР-В

Технические характеристики

КАРБ-В, КАРБ-Г

КАРБ-В

КАРБ-Г

Технические характеристики

Номинальное сопротивление выходов — 75 Ом
Азимутальная ДН — направленная
Длительная непрерывная работа без постоянного присутствия обслуживающего персонала

Активные приемные антенны

Активная приемная защищенная антенна АПЗ с триортогональными вибраторами предназначена для использования в качестве приемной антенны в защитных укрытиях для оборудования стационарных объектов системы радиосвязи диапазона ДКМВ
Технические характеристики

Диапазон рабочих частот от 1,5 до 30,0 МГц
Азимутальная ДН АПЗ в режиме приема волн горизонтальной или эллиптической поляризации при угле места 45° близка к круговой с неравномерностью не более ± 3 дБ
Мощность — не более 300 ВА
Длительная непрерывная работа без постоянного присутствия обслуживающего персонала

Активная приемная малогабаритная антенна АПМ с триортогональными вибраторами предназначена для использования в качестве приемной антенны для оборудования стационарных объектов системы радиосвязи диапазона ДКМВ
Технические характеристики

Диапазон рабочих частот от 1,5 до 30,0 МГц
Номинальное сопротивление входа – 75 Ом
Азимутальная ДН в режиме приема волн горизонтальной или эллиптической поляризации при угле места 45° близка к круговой с неравномерностью не более ± 3 дБ. Обеспечен прием в секторе углов места от 45 до 90°. В режиме приема волн вертикальной поляризации обеспечен прием в секторе углов места от 10 до 55° при неравномерности угломестной ДН (в указанном секторе) не более ± 3 дБ
Длительная непрерывная работа без постоянного присутствия обслуживающего персонала
Автоматизированное и ручное управление
Мощность — 30 ВА

Приемные активные фазированные антенные решетки

Быстроразворачиваемая активная кольцевая антенная решетка АКАР
АКАР предназначена для приема сигналов в диапазоне рабочих частот от 2,4 до 29,8 МГц, используется в аварийных ситуациях при выходе из строя антенн каких-либо направлений, а также необходимости оперативной организации радиосвязи с корреспондентом, в направлении которого отсутствует радиосвязь.
Изделие используется как в составе приемных радиоцентров КВ радиосвязи, так и в быстроразворачиваемом варианте с целью обеспечения связей на трассах 400 — 7000 км.

Технические характеристики

Диапазон рабочих частот АКАР от 2,4 до 29,8 МГц
Номинальное сопротивление выходов АКАР — 75 Ом
Диаграмма направленности (ДН) АКАР в горизонтальной плоскости направленная
Ширина луча ДН по уровню 0,7 в вертикальной плоскости при угле возвышения 45° составляет не более 55° на частоте 2,4 МГц и не более 20° на частоте 29,8 МГц
Поляризация принимаемых АКАР волн — вертикальная
Мощность, потребляемая АКАР от сети электропитания, не более 250 ВА
АКАР обеспечивает возможность длительной непрерывной работы без постоянного присутствия обслуживающего персонала

Конструкция АКАР представляет собой фазированную решетку из 32 активных модулей, размещаемых равномерно по окружности радиусом 16 м. Высота подвеса активных вибраторов – 5 м. Такое строение позволяет развернуть антенну на открытой местности расчетом из четырех человек за время, не превышающее 3 часов.
Диапазон рабочих температур составляет от минус 50 до плюс 50 °С.
АКАР обеспечивает одновременную независимую работу четырех радиоприемных устройств (РПУ). Для каждого из четырех РПУ формируется 16 независимых азимутальных ДН с дискретным шагом по азимуту 22.5 градуса. Для выбора необходимого азимута имеется пульт дистанционного управления, размещаемый в ТЗ.
АКАР обеспечивает возможность коммутации любого из четырех приемников для приема с любого из 16 свободных (не занятых другими приемниками) азимутальных направлений.

ЭАР-В, КАРС-В, КАРС-Г, КАРС-В2Г

Эллиптическая антенная решетка стационарная с вертикальными вибраторами ЭАР-В предназначена для использования в качестве приемной антенны при обеспечении радиосвязи на трассах от 0 до 50 и от 700 до 10000 км.

Кольцевая антенная решетка стационарная с вертикальными вибраторами КАРС-В предназначена для использования в качестве приемной антенны при обеспечении радиосвязи на трассах от 0 до 50 и от 700 до 10000 км.
Кольцевая антенная решетка стационарная с горизонтальными вибраторами КАРС-Г предназначена для использования в качестве приемной антенны при обеспечении радиосвязи на трассах от 50 до 1000 км
Кольцевая антенная решетка стационарная с триортогональными (двумя горизонтальными и одним вертикальным) вибраторами КАРС-В2Г предназначена для использования в качестве приемной антенны при обеспечении радиосвязи на трассах от 0 до 10000 км.

Технические характеристики

Обеспечивается коммутация каждого из 64 приемников для приема с любого из 16 азимутальных направлений с дискретным шагом по азимуту 22,5 градуса. Управление коммутацией осуществляется оператором при помощи пользовательского терминала. Сервер обеспечивает работу до 64 пользовательских терминалов, с отображением результатов контроля на каждом пользовательском терминале.
Диапазон рабочих частот: от 1,5 до 30,0 МГц, за исключением ЭАР-В (от 6,0 до 24,0 МГц)
Поляризация принимаемых радиоволн – вертикальная (КАРС-Г – горизонтальная)

КАРС-В2Г: линейная вертикальная; линейная горизонтальная в направлении, соответствующем «нулевому» азимуту антенной системы (Г1); линейная горизонтальная в направлении, перпендикулярном «нулевому» азимуту антенной системы (Г2); эллиптическая с правым направлением вращения плоскости поляризации (ЭП); эллиптическая с левым направлением вращения плоскости поляризации (ЭЛ). В КАРС-В2Г обеспечено дистанционное управление видом поляризации.

Азимутальная ДН — направленная
Мощность от сети электропитания — не более 1000 В·А
Длительная непрерывная работа без постоянного присутствия обслуживающего персонала
Номинальное сопротивление выходов — 75 Ом

КАРБ-В, КАРБ-Г

Кольцевая антенная решетка быстроразворачиваемая с вертикальными вибраторами КАРБ-В предназначена для оснащения мобильных комплексов ДКМВ радиосвязи в качестве приемной антенны, при обеспечении радиосвязи на трассах от 0 до 50 и от 700 до 10000 км.

Кольцевая антенная решетка быстроразворачиваемая с горизонтальными вибраторами КАРБ-Г предназначена для оснащения мобильных комплексов ДКМВ радиосвязи в качестве приемной антенны при обеспечении радиосвязи на трассах от 50 до 1000 км.

Конструкции КАРБ-В и КАРБ-Г позволяют развернуть антенны на открытой местности расчетом из трех человек за время, не превышающее 1,5 часов (с учетом времени разметки площадки).

Технические характеристики

Диапазон рабочих частот от 1,5 до 30,0 МГц
Поляризация принимаемых радиоволн – вертикальная
Номинальное сопротивление выходов — 75 Ом
Азимутальная ДН — направленная
Мощность, потребляемая от сети электропитания, не более 100 В·А
Длительная непрерывная работа без постоянного присутствия обслуживающего персонала
Коммутация любого из четырех приемников для приема с любого из 16 свободных (не занятых другими приемниками) азимутальных направлений
Электропитание осуществляется от системы электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 220 В и частотой (50±2) Гц

Защищенные антенны

ОКТАВА-КР, ОКТАВА-КП

Внешний вид защитного укрытия обеспечивающее защиту АПЗ от ударной волны при ее размещении в колодце или фортификационном сооружении

«Октава-КР» и «Октава-КП» — защищенные активные подземные антенны АПЗ, разработанные и изготовленные в интересах Спецсвязи ФСО России, прошли Государственные испытания и приняты на снабжение вышеупомянутого ведомства. Предназначены для использования в качестве передающих антенн КВ диапазона в составе оборудования специальных объектов.

Обеспечивают возможность одновременной работы на два радиоприемных устройства (РПУ), настроенные на различные частоты, создавая более широкие возможности в организации независимого приема сигналов.

Возможности АПЗ позволяют работать в адаптивных автоматизированных сетях ДКМВ радиосвязи, в том числе и в системах связи с ППРЧ. Обладают сейсмостойкостью и стойкостью к воздействию ударной волны в составе защищенного объекта.

Адаптация по поляризации позволяет как в автоматическом, так и в ручном режимах добиваться наилучшего приема сигнала.

Управление режимами работы и видом принимаемой поляризации осуществляется с помощью блока управления и согласования (БУС).

АПЗ имеют минимальные габариты и вес, занимают малую площадь. На незащищенном объекте могут устанавливаться в любых неприспособленных местах. Имеют малое время развертывания.

Триортогональный приемный активный антенный модуль

Триортогональный приемный активный антенный модуль предназначен для приема сигналов в ДКМВ — диапазоне. Область применения - прием энергии радиосигналов и ее передача по трем каналам на входы аппаратуры цифровой обработки сигналов, построение универсальной приемной антенной решетки на его основе для использования в составе перспективных комплексов технических средств ДКМВ. Изделие может также использоваться как одиночная приемная антенна.
Совместно с блоком управления и согласования (БУС) обеспечивает прием волн линейной горизонтальной (в двух ортогональных плоскостях), линейной вертикальной и эллиптической (с разными направлениями вращения) поляризации.
Триортогональный приемный активный антенный модуль представляет собой скрещенные симметричные вибраторы - два вертикальных и один горизонтальный длиной 2 м каждый, соединенные с приемными антенными усилителями (ПАУ), в виде экранированного блока антенных усилителей (БАУ). Для увеличения входной емкости каждое плечо вибратора выполнено в виде биконуса на основе системы биметаллических проводников.

Технические характеристики

Диапазон рабочих частот от 3,0 до 30,0 МГц
Электромагнитная развязка между ортогональными вибраторами ТАЭ в отсутствие близко расположенных столбов, проводов, деревьев и т.п. не менее 20 дБ
Каждый приемный антенный усилитель (ПАУ) в составе ТАЭ имеет:
коэффициент усиления не менее 8 дБ
динамический диапазон не менее 95 дБ относительно 1 мкВ

Статья на перевод предложена alessandro893 . Материал взят с обширного справочного сайта, описывающего, в частности, принципы работы и устройство радаров.

Антенна – это электрическое устройство, преобразующее электроэнергию в радиоволны и наоборот. Антенна используется не только в радарах, но и в глушилках, системах предупреждения об облучении и в системах коммуникаций. При передаче антенна концентрирует энергию передатчика радара и формирует луч, направляемый в нужную сторону. При приёме антенна собирает возвращающуюся энергию радара, содержащуюся в отражённых сигналах, и передаёт их на приёмник. Антенны часто различаются по форме луча и эффективности.

Слева – изотропная антенна, справа – направленная

Дипольная антенна

Дипольная антенна, или диполь – самый простой и популярный класс антенн. Состоит из двух одинаковых проводников, проводов или стержней, обычно с двусторонней симметрией. У передающих устройств к ней подаётся ток, а у принимающих – принимается сигнал между двумя половинами антенны. Обе стороны фидера у передатчика или приёмника соединены с одним из проводников. Диполи – резонирующие антенны, то есть их элементы служат резонаторами, в которых стоячие волны переходят от одного конца к другому. Так что длина элементов диполя определяется длиной радиоволны.

Схема излучения

Диполи – это ненаправленные антенны. В связи с этим их часто используют в системах связи.

Антенна в виде несимметричного вибратора (монопольная)

Несимметричная антенна представляет собой половину дипольной, и монтируется перпендикулярно проводящей поверхности, горизонтальному отражающему элементу. Коэффициент направленного действия монопольной антенны вдвое больше, чем у дипольной антенны удвоенной длины, поскольку под горизонтальным отражающим элементом нет никакого излучения. В связи с этим КНД такой антенны в два раза выше, и она способна передавать волны дальше, используя ту же самую мощность передачи.

Схема излучения

Антенна "волновой канал ", антенна Яги-Уда, антенна Яги

Схема излучения

Уголковая антенна

Тип антенны, часто используемой на УКВ и УВЧ-передатчиках. Состоит из облучателя (это может быть диполь или массив Яги), укреплённого перед двумя плоскими прямоугольными отражающими экранами, соединёнными под углом, обычно в 90°. В качестве отражателя может выступать лист металла или решётка (для низкочастотных радаров), уменьшающая вес и увеличивающая сопротивление ветру. У уголковых антенн широкий диапазон, а усиление составляет порядка 10-15 дБ.

Схема излучения

Вибраторная логопериодическая (логарифмическая периодическая) антенна, или логопериодическая решетка из симметричных вибраторов

Логопериодическая антенна (ЛПА) состоит из нескольких полуволновых дипольных излучателей постепенно увеличивающейся длины. Каждый состоит из пары металлических стержней. Диполи крепятся близко, один за другим, и подключаются к фидеру параллельно, с противоположными фазами. По виду такая антенна похожа на антенну Яги, но работает она по-другому. Добавление элементов к антенне Яги увеличивает её направленность (усиление), а добавление элементов к ЛПА увеличивает её полосу частот. Её главное преимущество перед другими антеннами – чрезвычайно широкий диапазон рабочих частот. Длины элементов антенны относятся друг к другу по логарифмическому закону. Длина самого длинного из элементов составляет 1/2 от длины волны самой низкой из частот, а самого короткого – 1/2 от длины волны самой высокой частоты.

Схема излучения

Спиральная антенна

Спиральная антенна состоит из проводника, закрученного в виде спирали. Обычно они монтируются над горизонтальным отражающим элементом. Фидер соединяется с нижней частью спирали и горизонтальной плоскостью. Они могут работать в двух режимах – нормальном и осевом.

Нормальный (поперечный) режим: размеры спирали (диаметр и наклон) малы по сравнению с длиной волны передаваемой частоты. Антенна работает так же, как закороченный диполь или монополь, с такой же схемой излучения. Излучение линейно поляризуется параллельно оси спирали. Такой режим используется в компактных антеннах у портативных и мобильных раций.

Осевой режим: размеры спирали сравнимы с длиной волны. Антенна работает как направленная, передавая луч с конца спирали вдоль её оси. Излучает радиоволны круговой поляризации. Часто используется для спутниковой связи.

Схема излучения

Ромбическая антенна

Ромбическая антенна – широкополосная направленная антенна, состоящего из одного-трёх параллельных проводов, закреплённых над землёй в виде ромба, поддерживаемого в каждой вершине вышками или столбами, к которым провода крепятся при помощи изоляторов. Все четыре стороны антенны одинаковой длины, обычно не менее одной длины волны, или длиннее. Часто используются для связи и работы в диапазоне декаметровых волн.

Схема излучения

Двумерная антенная решётка

Многоэлементный массив диполей, используемых в КВ диапазонах (1,6 – 30 МГц), состоящий из рядов и столбцов диполей. Количество рядов может быть 1, 2, 3, 4 или 6. Количество столбцов – 2 или 4. Диполи горизонтально поляризованы, а отражающий экран располагается за массивом диполей для обеспечения усиленного луча. Количество столбцов диполей определяет ширину азимутального луча. Для 2 столбцов ширина диаграммы направленности составляет около 50°, для 4 столбцов - 30°. Главный луч можно отклонять на 15° или 30° для получения максимального охвата в 90°.

Количество рядов и высота самого нижнего элемента над землёй определяет угол возвышения и размер обслуживаемой территории. Массив из двух рядов обладает углом в 20°, а из четырёх – в 10°. Излучение двумерной решётки обычно подходит к ионосфере под небольшим углом, и из-за низкой частоты часто отражается обратно к поверхности земли. Поскольку излучение может многократно отражаться между ионосферой и землёй, действие антенны не ограничено горизонтом. В результате такая антенна часто используется для связи на дальние расстояния.

Схема излучения

Рупорная антенна

Рупорная антенна состоит из расширяющегося металлического волновода в форме рупора, собирающего радиоволны в луч. У рупорных антенн очень широкий диапазон рабочих частот, они могут работать с 20-кратным разрывом его границ – к примеру, от 1 до 20 ГГц. Усиление варьируется от 10 до 25 дБ, и часто они используются в качестве облучателей более крупных антенн.

Схема излучения

Параболическая антенна

Одна из самых популярных антенн для радаров – параболический отражатель. Облучатель располагается в фокусе параболы, и энергия радара направляется на поверхность отражателя. Чаще всего в качестве облучателя используется рупорная антенна, но можно использовать и дипольную, и спиральную.

Поскольку точечный источник энергии находится в фокусе, он преобразуется в волновой фронт постоянной фазы, что делает параболу хорошо приспособленной для использования в радарах. Изменяя размер и форму отражающей поверхности, можно создавать лучи и схемы излучения различной формы. Направленность параболических антенн гораздо лучше, чем у Яги или дипольной, усиление может достигать 30-35 дБ. Главный их недостаток – неприспособленность к низким частотам из-за размера. Ещё один – облучатель может блокировать часть сигнала.

Схема излучения

Антенна Кассегрена

Антенна Кассегрена очень похожа на обычную параболическую, но использует систему из двух отражателей для создания и фокусировки луча радара. Основной отражатель параболический, а вспомогательный – гиперболический. Облучатель находится в одном из двух фокусов гиперболы. Энергия радара из передатчика отражается от вспомогательного отражателя на основной и фокусируется. Возвращающаяся от цели энергия собирается основным отражателем и отражается в виде сходящегося в одной точке луча на вспомогательный. Затем она отражается вспомогательным отражателем и собирается в точке, где расположен облучатель. Чем больше вспомогательный отражатель, тем ближе он может быть к основному. Такая конструкция уменьшает осевые размеры радара, но увеличивает затенение раскрыва. Небольшой вспомогательный отражатель, наоборот, уменьшает затенение раскрыва, но его нужно располагать подальше от основного. Преимущества по сравнению с параболической антенной: компактность (несмотря на наличие второго отражателя, общее расстояние между двумя отражателями меньше, чем расстояние от облучателя до рефлектора параболической антенны), уменьшение потерь (приёмник можно разместить близко от рупорного излучателя), уменьшение интерференции по боковому лепестку для наземных радаров. Основные недостатки: сильнее блокируется луч (размер вспомогательного отражателя и облучателя больше, чем размер облучателя обычной параболической антенны), плохо работает с широким диапазоном волн.

Схема излучения

Антенна Грегори

Слева – антенна Грегори, справа - Кассегрена

Параболическая антенна Грегори очень похожа по структуре на антенну Кассегрена. Отличие в том, что вспомогательный отражатель искривлён в противоположную сторону. Конструкция Грегори может использовать меньший по размерам вспомогательный отражатель по сравнению с антенной Кассегрена, в результате чего перекрывается меньшая часть луча.

Офсетная (асимметричная) антенна

Как следует из названия, излучатель и вспомогательный отражатель (если это антенна Грегори) у офсетной антенны смещены от центра основного отражателя, чтобы не блокировать луч. Такая схема часто используется на параболических антеннах и антеннах Грегори для увеличения эффективности.

Антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной

Ещё одна схема, предназначенная для борьбы с блокированием луча вспомогательным отражателем,- это антенна Кассегрена с плоской пластиной. Она работает с учётом поляризации волн. У электромагнитной волны есть 2 компоненты, магнитная и электрическая, всегда находящиеся перпендикулярно друг другу и направлению движения. Поляризация волны определяется ориентацией электрического поля, она бывает линейной (вертикальной/горизонтальной) или круговой (круговой или эллиптической, закрученной по или против часовой стрелки). Самое интересное в поляризации – это поляризатор, или процесс фильтрации волн, оставляющий только волны, поляризованные в одном направлении или в одной плоскости. Обычно поляризатор изготавливают из материала с параллельным расположением атомов, или это может быть решётка из параллельных проводов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны. Часто принимается, что расстояние должно быть примерно в половину длины волны.

Распространённое заблуждение состоит в том, что электромагнитная волна и поляризатор работают схожим образом с колеблющимся тросом и дощатым забором – то есть, к примеру, горизонтально поляризованная волна должна блокироваться экраном с вертикальными щелями.

На самом деле, электромагнитные волны ведут себя не так, как механические. Решётка из параллельных горизонтальных проводов полностью блокирует и отражает горизонтально поляризованную радиоволну и пропускает вертикально поляризованную – и на оборот. Причина следующая: когда электрическое поле, или волна, параллельны проводу, они возбуждают электроны по длина провода, и поскольку длина провода многократно превышает его толщину, электроны могут легко двигаться и поглощают большую часть энергии волны. Движение электронов приведёт к появлению тока, а ток создаст свои волны. Эти волны погасят волны передачи и будут вести себя как отражённые. С другой стороны, когда электрическое поле волны перпендикулярно проводам, оно будет возбуждать электроны по ширине провода. Поскольку электроны не смогут активно двигаться таким образом, отражаться будет очень малая часть энергии.

Важно отметить, что, хотя на большинстве иллюстраций у радиоволн всего 1 магнитное и 1 электрическое поле, это не значит, что они осциллируют строго в одной плоскости. На самом деле можно представлять, что электрические и магнитные поля состоят из нескольких подполей, складывающихся векторно. К примеру, у вертикально поляризованной волны из двух подполей результат сложения их векторов вертикальный. Когда два подполя совпадают по фазе, результирующее электрическое поле всегда будет стационарным в одной плоскости. Но если одно из подполей медленнее другого, тогда результирующее поле начнёт вращаться вокруг направления движения волны (это часто называют эллиптической поляризацией). Если одно подполе медленнее других ровно на четверть длины волны (фаза отличается на 90 градусов), то мы получим круговую поляризацию:

Для преобразования линейной поляризации волны в круговую поляризацию и обратно необходимо замедлить одно из подполей относительно других ровно на четверть длины волны. Для этого чаще всего используется решётка (четвертьволновая фазовая пластина) из параллельных проводов с расстоянием между ними в 1/4 длины волны, расположенных под углом в 45 градусов к горизонтали.
У проходящей через устройство волны линейная поляризация превращается в круговую, а круговая – в линейную.

Работающая по этому принципу антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной состоит из двух отражателей равного размера. Вспомогательный отражает только волны с горизонтальной поляризацией и пропускает волны с вертикальной поляризацией. Основной отражает все волны. Пластина вспомогательного отражателя располагается перед основным. Он состоит из двух частей – это пластина со щелями, идущими под углом в 45°, и пластина с горизонтальными щелями шириной менее 1/4 длины волны.

Допустим, облучатель передаёт волну с круговой поляризацией против часовой стрелки. Волна проходит через четвертьволновую пластину и превращается в волну с горизонтальной поляризацией. Она отражается от горизонтальных проводов. Она опять проходит через четвертьволновую пластину, уже с другой стороны, и для неё провода пластины ориентированы уже зеркально, то есть, будто бы повёрнуты на 90°. Предыдущее изменение поляризации отменяется, так что волна снова приобретает круговую поляризацию против часовой стрелки и идёт обратно к основному отражателю. Отражатель меняет поляризацию с идущей против часовой стрелки на идущую по часовой. Она проходит через горизонтальные щели вспомогательного отражателя без сопротивления и уходит в направлении целей вертикально поляризованной. В режиме приёма всё происходит наоборот.

Щелевая антенна

Хотя у описанных антенн довольно большое усиление по отношению к размеру апертуры, у всех них есть общие недостатки: большая восприимчивость по боковым лепесткам (подверженность мешающим отражениям от земной поверхности и чувствительность к целям с низкой эффективной площадью рассеяния), уменьшение эффективности из-за блокирования луча (проблема с блокированием есть у малых радаров, которые можно использовать на летающих аппаратах; большие радары, где проблема с блокированием меньше, нельзя использовать в воздухе). В результате была придумана новая схема антенны – щелевая. Она выполнена в виде металлической поверхности, обычно плоской, в котором прорезаны отверстия или щели. Когда её облучают на нужной частоте, электромагнитные волны испускаются из каждого слота – то есть, слоты выступают в роли отдельных антенн и формируют массив. Поскольку луч, идущий из каждого слота, слабый, их боковые лепестки также очень малы. Щелевые антенны характеризуются высоким усилением, малыми боковыми лепестками и малым весом. В них могут отсутствовать выступающие части, что в ряде случаев является их важным преимуществом (например, при установке на летательных аппаратах).

Схема излучения

Пассивная фазированная антенная решётка (ПФАР)

Радар с МИГ-31

С ранних времён создания радаров разработчиков преследовала одна проблема: баланс между точностью, дальностью и временем сканирования радара. Она возникает оттого, что у радаров с более узкой шириной пучка повышается точность (увеличивается разрешение) и дальность при той же мощности (концентрация мощности). Но чем меньше ширина пучка, тем дольше радар сканирует всё поле зрения. Более того, радару с большим усилением потребуются антенны большего размера, что неудобно для быстрого сканирования. Для достижения практичной точности на низких частотах радару потребовались бы настолько громадные антенны, что их было бы затруднительно поворачивать с механической точки зрения. Для решения этой проблемы была создана пассивная фазированная антенная решётка. Она полагается не на механику, а на интерференцию волн для управления лучом. Если две или более волн одного типа осциллируют и встречаются в одной точке пространства, суммарная амплитуда волн складывается примерно так же, как складываются волны на воде. В зависимости от фаз этих волн интерференция может усиливать или ослаблять их.

Луч можно формировать и управлять им электронным способом, контролируя разность фаз группы передающих элементов – таким образом можно контролировать, в каких местах происходит усиливающая или ослабляющая интерференция. Из этого следует, что в радаре самолёта для управления лучом из стороны в сторону должно быть не менее двух передающих элементов.

Обычно радар с ПФАР состоит из 1 облучателя, одного усилителя малых помех, одного распределителя мощности, 1000-2000 передающих элементов и равного количества фазосдвигателей.

Передающими элементами могут быть изотропные или направленные антенны. Некоторые типичные виды передающих элементов:

На первых поколениях истребителей чаще всего использовались патч-антенны (полосковые антенны), поскольку их проще всего разрабатывать.

Современные массивы с активной фазой используют желобковые излучатели из-за их широкополосных возможностей и улучшенного усиления:

Вне зависимости от типа используемой антенны увеличение количества излучающих элементов улучшает характеристики направленности радара.

Как мы знаем, при одинаковой частоте радара увеличение апертуры приводит к уменьшению ширины пучка, что увеличивает дальность и точность. Но у фазированных решёток не стоит увеличивать расстояние между излучающими элементами в попытке увеличения апертуры и уменьшения стоимости радара. Поскольку если расстояние между элементами больше, чем рабочая частота, могут появляться побочные лепестки, заметно ухудшающие эффективность радара.

Самая важная и дорогая часть ПФАР – фазосдвигатели. Без них невозможно управлять фазой сигнала и направлением луча.

Они бывают разных видов, но в целом их можно разделить на четыре типа.

Фазосдвигатели с временной задержкой

Простейший тип фазосдвигателей. Сигналу на прохождение линии передачи нужно время. Эта задержка, равная фазовому сдвигу сигнала, зависит от длины линии передачи, частоты сигнала и фазовой скорости сигнала в передающем материале. Переключая сигнал между двумя или более линиями передач заданной длины, можно управлять фазовым сдвигом. Переключающие элементы – это механические реле, pin-диоды, полевые транзисторы или микроэлектромеханические системы. pin-диоды часто используются из-за высокой скорости, низких потерь и простых цепей смещения, обеспечивающих изменение сопротивления от 10 кОм до 1 Ом.

Задержка, сек = фазовый сдвиг ° / (360 * частота, Гц)

Их недостаток в увеличении фазовой ошибки с увеличением частоты и увеличении размера с уменьшением частоты. Также изменение фазы изменяется в зависимости от частоты, поэтому для слишком малых и больших частот они неприменимы.

Отражательный/квадратурный фазосдвигатель

Обычно это квадратурное устройство связи, разделяющее входной сигнал на два сигнала, различающихся по фазе на 90°, которые затем отражаются. Затем они комбинируются по фазе на выходе. Эта схема работает благодаря тому, что отражение сигнала от проводящих линий могут быть смещены по фазе по отношению к падавшему сигналу. Сдвиг по фазе изменяется от 0° (открытая цепь, нулевая ёмкость варактора) до -180° (цепь закорочена, ёмкость варактора бесконечна). Такие фазосдвигателя обладают широким диапазоном работы. Однако физические ограничения варакторов приводят к тому, что на практике сдвиг по фазе может достигать только 160°. Но для большего сдвига возможно комбинировать несколько таких цепей.

Векторный IQ-модулятор

Так же, как и у отражательного фазосдвигателя, здесь сигнал разделяется на два выхода с 90-градусным смещением фазы. Входящая фаза без смещения называется I-каналом, а квадратура с 90-градусным смещением называется Q-каналом. Затем каждый сигнал проходит через двухфазный модулятор, способный сдвигать фазу сигнала. Каждый сигнал подвергается сдвигу фазы на 0° или 180°, что позволяет выбрать любую пару квадратурных векторов. Затем два сигнала рекомбинируются. Поскольку затухание обоих сигналов можно контролировать, у выходящего сигнала контролируется не только фаза, но и амплитуда.

Фазосдвигатель на фильтрах верхних/нижних частот

Был изготовлен для решения проблемы фазосдвигателей с временной задержкой, не способных работать на большом диапазоне частот. Работает путём переключения пути сигнала между фильтрами верхних и нижних частот. Похож на фазосдвигатель с временной задержкой, только вместо линий передачи используются фильтры. Фильтр верхних частот состоит из последовательности индукторов и конденсаторов, обеспечивающих опережение по фазе. Такой фазосдвигатель обеспечивает постоянный сдвиг фазы в диапазоне рабочих частот. Также его размер гораздо меньше, чем у предыдущих перечисленных фазосдвигателей, поэтому он чаще всего используется в радарах.

Если подытожить, то по сравнению с обычной отражающей антенной, основными преимуществами ПФАР будут: высокая скорость сканирования (увеличение количества отслеживаемых целей, уменьшение вероятности обнаружения станцией предупреждения об облучении), оптимизация времени нахождения на цели, высокое усиление и малые боковые лепестки (тяжелее заглушить и обнаружить), случайная последовательность сканирования (сложнее заглушить), возможность использовать особые техники модуляции и обнаружения для извлечения сигнала из шума. Основные недостатки – высокая стоимость, невозможность сканирования шире 60 градусов в ширину (поле зрения стационарного фазового массива – 120 градусов, механический радар может расширить его до 360).

Активная фазированная антенная решётка

Снаружи АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) отличить сложно, но внутри они кардинально различаются. ПФАР использует один или два высокомощных усилителя, передающего один сигнал, который затем делится на тысячи путей для тысяч фазосдвигателей и элементов. Радар с АФАР состоит из тысячи модулей приёма/передачи. Поскольку передатчики находятся непосредственно в самих элементах, у него нет отдельных приёмника и передатчика. Различия в архитектуре представлены на картинке.

У АФАР большинство компонентов, таких, как усилитель слабых сигналов, усилитель большой мощности, дуплексор, фазосдвигатель уменьшены и собраны в одном корпусе под названием модуля приёма/передачи. Каждый из модулей представляет собой небольшой радар. Архитектура их следующая:

Хотя АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) используют интерференцию волн для формирования и отклонения луча, уникальный дизайн АФАР даёт много преимуществ по сравнению с ПФАР. К примеру, усилитель слабого сигнала находится рядом с приёмником, до компонентов, где теряется часть сигнала, поэтому у него отношение сигнал/помеха лучше, чем у ПФАР.

Более того, при равных возможностях обнаружения у АФАР меньше рабочий цикл и пиковая мощность. Также, поскольку отдельные модули АФАР не полагаются на один усилитель, они могут одновременно передавать сигналы с разными частотами. В результате АФАР может создавать несколько отдельных лучей, разделяя массив на подмассивы. Возможность работать на нескольких частотах приносит многозадачность и способность развёртывать системы радиоэлектронного подавления в любом месте по отношению к радару. Но формирование слишком большого количества одновременных лучей уменьшает дальность действия радара.

Два главных недостатка АФАР – высокая стоимость и ограниченность поля зрения 60 градусами.

Гибридные электронно-механические фазированная антенные решётки

Очень высокая скорость сканирования ФАР сочетается с ограничением поля зрения. Для решения этой проблемы на современных радарах ФАР располагаются на подвижном диске, что увеличивает поле зрения. Не стоит путать поле зрения с шириной пучка. Ширина пучка относится к лучу радара, а поле зрения – общий размер сканируемого пространства. Узкие пучки часто нужны для улучшения точности и дальности действия, а узкое поле зрения обычно не нужно.

Просто отличная статья, где на популярном уровне рассказывается много очень важных тонкостей, которые обычно не найти в популярном изложении. Узнал много нового в сжатом виде. Большое спасибо!

Полезная модель относиться к технике СВЧ-антенн и может быть использована в радиоэлектронных системах в качестве активной фазированной антенной решетки, в частности, в бортовых и корабельных локаторах и системах радиопротиводействия.

Техническим результатом является повышения надежности управления лучом за счет использования плазменного отражателя.

Сущность полезной модели заключается в том, что антенна выполнена в виде катушки Гельмгольца состоящая из вакуумной камеры, облучателя, линейного катода и анода, при этом на катушку нанесен слой плазмы от которой отражается сигнал. Ил.1.

Полезная модель относится к технике СВЧ-антенн и может быть использована в радиоэлектронных системах в качестве активной фазированной антенной решетки, в частности, в бортовых и корабельных локаторах и системах радиопротиводействия.

Среди последних разработок в области создания ФАР, ведущихся в странах ЕС, - многофункциональная РЛС с ФАР, предназначенная для установки на корабле. РЛС на передатчике с ЛБВ работает в С-диапазоне волн. Дальность обнаружения целей достигает 180 км. Антенная решетка вращается по азимуту со скорость. 60 об/мин. В угломестной плоскости производится фазовое управление лучом.

Известна пространственная приемопередающая фазированная антенная решетка. Патент 2287876 Россия, МПК H01Q 3/36, 2006 г. Решетка выполнена в виде матрицы и содержит задающий смеситель, на который подаются сигналы задающих частот f и f, выходные сигналы служебных частот f 1 =f и f 2 =f-f которого через соответствующие фазовращатели подаются соответственно на строки и столбцы матрицы, в точках пересечения строк и столбцов матрицы расположены смесители, выход каждого из которых соединены с соответствующими циркулятором, подключенным через соответствующий приемный усилитель.

Известна и пассивно-активная фазированная антенная решетка СВЧ-диапазона. Патент РФ 2299502, 2006 г. (прототип). Решетка состоит из n излучающих элементов, n приемопередающих модулей (ППМ) и распределительной системы, при этом в состав ППМ входят m активных ППМ, каждый из которых содержит усилитель мощности передающего канала, малошумящие усилители приемного канала, фазовращатели и схему управления и контроля, и (n-m) пассивных ППМ, каждый из которых содержит фазовращатель и схему управления фазовращателем.

Недостатками, как аналога, так и прототипа является низкая надежность системы управления лучом, большие габариты, а также низкая точность и скорость установки луча.

Целью полезной модели является повышения надежности управления лучом за счет использования плазменного отражателя.

Поставленная цель достигается тем, что фазированная антенная решетка СВЧ-диапазона, содержащая излучающие и приемопередающие элементы, усилители мощности передающего и приемного канала, а также схему управления фазовращателем, выполнена в виде катушки Гельмгольца состоящей из вакуумной камеры, облучателя, линейного катода и анода, при этом на катушку нанесен слой плазмы от которой отражается электронный сканирующий луч, причем плазменный слой создается в вакуумной камере при газовом разряде между анодной пластиной и линейным катодом, который представляет собой линейку элементов определенного адреса на двухкоординатной сетке катода.

На Фиг. Показана функциональная схема антенны с электронным сканированием луча.

Она содержит:

1 - вакуумную камеру;

2 - слой плазмы;

3 - облучатель;

4 - катушку Гельмгольца;

5 - линейный катод;

6 - отраженный сигнал;

В такой антенне электронное управление лучами осуществляется с помощью плазменного отражателя.

Плазма при достаточной плотности обладает способностью отражать электромагнитную энергию. Причем чем выше частота облучения, тем большую плотность имеет плазма.

Плазменный слой 2 создается в вакуумной камере 1 при газовом разряде между анодной пластиной 7 и линейным катодом 5, который представляет собой линейку элементов определенного адреса на двухкоординатной сетке катода. Изменяя положение линейного катода 5, можно вращать плазменный слой 2 и тем самым сканировать отраженный луч 6 по азимуту. Сканирование луча по углу места производят изменением наклона плазменного отражателя путем регулирования магнитного поля катушек Гельмгольца. Последние размещены вокруг отражателя так, чтобы не блокировать СВЧ-сигнал. Положением линейного катода 5 и значением магнитной индукции управляет система управления (компьютер).

Согласно расчетам, точность установки луча в заданном направлении составляет 1-2°. Время переориентации луча - около 10 мкс.

Для образования плазменного слоя 2 в камере 1 достаточно поддерживать вакуум примерно 15 Па. Магнитная индукция должна составлять около 0,02 Тл, ток - порядка 2 А и напряжение - 20 кВ. Размер отражателя порядка 50×50×1 см. Уровень боковых лепестков при этом составляет - 20 дБ.

В числе достоинств заявляемой антенны - возможность быстрой и точной установки луча, что позволяет одновременно выполнять операции поиска и сопровождения группы целей, а также формировать разные диаграммы направленности. Кроме того, такая антенна обладает широкой полосой частот, в результате чего один и тот же плазменный отражатель можно использовать с разными облучателями. Диапазон предлагаемой антенны от 5 до 50 ГГц. В отличие от обычных отражательных антенн, которые существенно повышают эффективную площадь рассеяния локатора при облучении его средствами радиоразведки вероятного противника, это параметр в плазменной антенне невелик. Тепловое излучение антенны также невелико, поскольку тепловая энергия сосредоточена внутри плазмы и не излучается наружу.

Фазированная антенная решетка СВЧ-диапазона, содержащая излучающие и приемопередающие элементы, усилители мощности передающего и приемного канала, а также схему управления фазовращателем, отличающаяся тем, что антенна выполнена в виде катушки Гельмгольца, состоящей из вакуумной камеры, облучателя, линейного катода и анода, при этом на катушку нанесен слой плазмы, от которой отражается электронный сканирующий луч, причем плазменный слой создается в вакуумной камере при газовом разряде между анодной пластиной и линейным катодом, который представляет собой линейку элементов определенного адреса на двухкоординатной сетке катода.

Похожие патенты:

Усилитель мощности СВЧ-сигнала относится к области электротехники и применяется для увеличения дальности передачи информации и улучшения работы радиооборудования беспилотного летательного аппарата (бпла). Отличительной особенностью устройства является способность при передаче информации снижать фазовый и амплитудный разбросы, поддерживать стабильные технические характеристики в СВЧ-диапазоне.

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью