PL235589B1 - Ultraszerokopasmowy szyk antenowy o wysokiej czystości polaryzacji - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiot wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy ultraszerokopasmowego szyku antenowego o wysokiej czystości polaryzacji.

Tło wynalazku

Rozwiązania antenowe wykorzystuje się w zastosowaniach wojskowych i cywilnych takich jak radary, wojna elektroniczna i komunikacja z włączeniem zastosowań obejmujących, choć nie tylko przesyłanie danych, obrazowanie i zagłuszanie. Rzeczone anteny mogą mieć różne wielkości i kształty w zależności od obszaru i celu ich stosowania. Rozwiązania antenowe mogą obejmować jakąś pojedynczą antenę jak również wielokrotność elementów antenowych stanowiących szyk antenowy. Chociaż złożoność ich układu wzrasta, to jednak szyki antenowe są preferowane w szczególności w zastosowaniach militarnych z uwagi na ich możliwość rekonfiguracji oraz sprawne kształtowanie wiązki. W przypadku rozwiązań szyków antenowych, zwłaszcza wtedy gdy istnieje potrzeba stosowania wielooktawowych pasm częstotliwości oraz kątów skanowania wiązką powyżej 45 stopni, najczęściej wykorzystuje się takie elementy antenowe jak vivaldi, antypodowy, wyważony antypodowy, królicze ucho itd.

Chociaż rzeczone szyki antenowe zapewniają szerokie pasma częstotliwości oraz poziomy skanowania, to jednak wymiary elementów antenowych wzdłuż osi prostopadłej do płaszczyzny, na której szyk jest zbudowany (oś wzdłużna) są elektrycznie duże. W takim przypadku, w szczególności skanowania wiązki wzdłuż płaszczyzn pośrednich (wzdłuż środka płaszczyzn E i H) prądy wzdłużne indukowane wzdłuż osi elementów antenowych obniżają czystość polaryzacji i mogą nawet skutkować prawie całkowitym promieniowaniem spolaryzowanym krzyżowo (skuteczność doboru polaryzacji równa prawie zeru).

W dotychczasowych zastosowaniach wymiary wzdłuż podłużnej osi elementów antenowych zostały skrócone w celu złagodzenia problemu czystości polaryzacji. Jednakże ten przypadek ogranicza maksymalną szerokość pasma częstotliwości, które można uzyskać. Z tego powodu, przy zmianie rozmiarów elementów antenowych wzdłuż osi podłużnej nie można jednocześnie uzyskać szerokiego pasma częstotliwości i wysokiej czystości polaryzacji.

Inne dotychczas zastosowane dostępne rozwiązania mające na celu usunięcie rzeczonego problemu, to umieszczenie elementów antenowych w dwóch ortogonalnych orientacjach w celu stworzenia podwójnie spolaryzowanego szyku antenowego. Jednakże w przypadku podwójnie spolaryzowanych szyków antenowych projektowanie, produkcja, badanie i sterowanie RF, podzespoły zasilania i sterowania stają się znacznie bardziej złożone. W rezultacie rozmiary, ciężar, zużycie energii elektrycznej i koszt rzeczonych układów antenowych znacząco rośnie.

Krótki opis wynalazku

Obecny wynalazek dotyczy szyku antenowego zapewniającego jednocześnie szerokie pasmo częstotliwości, szeroki poziom skanowania oraz wysoką czystość polaryzacji. Rzeczony szyk antenowy składa się co najmniej z płaszczyzny uziemienia, co najmniej dwóch elementów antenowych umieszczonych przeciwlegle na rzeczonej płaszczyźnie uziemienia, co najmniej występu znajdującego się pomiędzy rzeczonymi elementami antenowymi i wystający na zewnątrz z płaszczyzny uziemienia.

Występy znajdujące się pomiędzy elementami antenowymi w szyku antenowym opracowanym na podstawie obecnego wynalazku, oddziałują ze wzbudzeniami niepożądanych prądów wzdłuż elementów antenowych, modami falowodowymi i modami wnękowymi szczególnie gdy wiązka jest skanowana przy wysokich częstotliwościach i wzdłuż płaszczyzn E oraz płaszczyzn H. Przy właściwym zaprojektowaniu wielkości, kształtu i materiału występów, owe oddziaływania zapobiegają poważnemu spadkowi czystości polaryzacji wskutek rzeczonych niepożądanych wzbudzeń. W związku z tym, rzeczony szyk antenowy może zapewnić jednocześnie zarówno dużą szerokość pasma oraz czystość polaryzacji.

Cel wynalazku

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie szyku antenowego o wysokiej czystości polaryzacji dla wszystkich kątów skanowania wiązki i dla całego pasma częstotliwościowego przy ultraszerokim paśmie częstotliwości oraz szerokim poziomie skanowania.

PL 235 589 Β1

Opis rysunków

Rysunki ilustrujące rozwiązania szyku antenowego ujawnionego w ramach tego wynalazku podano poniżej:

Rysunek 1 pokazuje widok perspektywiczny opracowanego szyku antenowego.

Rysunek 2 pokazuje widok perspektywiczny elementu antenowego w opracowanym szyku antenowym.

Rysunek 3 pokazuje widok perspektywiczny występu w opracowanym szyku antenowym.

Rysunek 4 pokazuje widok boczny rzeczonego występu w alternatywnym rozwiązaniu opracowanego szyku antenowego.

Rysunek 5 pokazuje widok boczny rzeczonego występu w innym alternatywnym rozwiązaniu opracowanego szyku antenowego.

Rysunek 6 pokazuje widok boczny rzeczonego występu w innym alternatywnym rozwiązaniu opracowanego szyku antenowego.

Rysunek 7 pokazuje widok perspektywiczny rzeczonego występu w jeszcze innym alternatywnym rozwiązaniu opracowanego szyku antenowego.

Częściom wskazanym na rysunkach przyporządkowano oddzielne numery, które podano poniżej:

Element antenowy1_

Płaszczyzna uziemienia2

Warstwa absorbująca3

Występ4

Opis wynalazku

Do transmisji danych, obrazowania i zagłuszania, w rozmaitych obszarach działalności wojskowej i cywilnej, korzysta się z rozwiązań antenowych o różnych wielkościach i postaciach. W szczególności, w przypadku zaistnienia potrzeby rekonfiguracji i sprawnego przełączania/przeszukiwania wiązki, korzysta się z szyków antenowych. W konwencjonalnych zastosowaniach anteny o rzeczonej postaci szyku nie mogą zapewniać szerokiego pasma częstotliwości ani poziomu skanowania wraz z zapewnieniem wysokiej czystości polaryzacji. Z tego powodu, w oparciu o niniejszy wynalazek, opracowano, element antenowy i szyk, dzięki którym zapewnia się szerokie pasmo częstotliwości oraz szeroki poziom skanowania wraz z wysoką czystością polaryzacji.

Szyki antenowe zapewniające szerokie pasmo częstotliwości i szeroki poziom skanowania utworzone z użyciem takich elementów jak vivaldi, antypodowy, wyważony antypodowy, ucho królicze itd. mają dwa podstawowe mechanizmy zmniejszające czystość polaryzacji. Pierwszy i najważniejszy to niepożądane składowe prądowe ulegające wzbudzeniu wzdłuż podłużnej osi elementów antenowych 1, gdy dane anteny są elektrycznie duże. Innym ważnym mechanizmem jest wzbudzanie niechcianych drgań własnych dla rozwiązań wnękowych utworzonych przez płaszczyznę uziemienia 2 oraz periodycznie równoległe płyty utworzone przez liniowe szyki antenowe powyżej pewnej częstotliwości. Chociaż początkowa częstotliwość niepożądanych drgań własnych jest uzależniona od typu anteny, użytych materiałów i ich rozmiarów, częstotliwości początkowe drgań własnych dla płyt równoległych można obliczyć z dobrą dokładnością zakładając, że cała konstrukcja jest doskonale przewodząca i korzystając jedynie z odległości pomiędzy liniowymi szeregami anten.

- ^mco ^co w powyższym równaniu przedstawia prędkość światła w danym medium. Zgodnie z powyższym równaniem mody w płytach równoległych mogą być wzbudzane, gdy odległości pomiędzy liniowymi szeregami anten są większe niż całkowite wielokrotności połowy długości fali.

Szyk antenowy opracowany na podstawie niniejszego wynalazku, którego ilustracyjne widoki podano na rysunkach 1-7, składa się co najmniej z płaszczyzny 2 uziemienia, najlepiej wykonanej z materiału przewodzącego prąd, co najmniej dwóch elementów 1 antenowych umieszczonych przeciwległe wobec siebie na rzeczonej płaszczyźnie 2 uziemienia, co najmniej występu 4 znajdującego się pomiędzy rzeczonymi elementami 1 antenowymi i wystającego na zewnątrz płaszczyzny 2 uziemienia, najlepiej równoległego do rzeczonych elementów 1 antenowych. Występy 4 znajdujące się pomiędzy szykami antenowymi oddziaływują z prądami wzbudzonymi wzdłuż podłużnej osi anten i zwiększają początkowe częstotliwości płyt równoległych oraz wnękowych drgań własnych, które skądinąd mogą być wzbudzane w przestrzeniach pomiędzy szeregami anten. Degradacji czystości polary

PL 235 589 B1 zacji dla szerokiego pasma częstotliwości i szerokiego poziomu skanowania można zapobiec dzięki rzeczonemu działaniu występów 4.

W zilustrowanym rozwiązaniu danego wynalazku, szyk antenowy opracowany w ramach tego wynalazku składa się z elementów 1 antenowych 10x10 jak to pokazano na rysunku 1, chociaż dany szyk można skonfigurować z dowolnie wybraną liczbą elementów i dowolnie wybraną siatką szyku. Rozwiązanie to składa się z występu 4, najlepiej w postaci materiału przewodzącego prąd, wystającego na zewnątrz rzeczonej płaszczyzny 2 uziemienia, pomiędzy dwoma elementami 1 antenowymi położonymi przeciwległe wobec siebie. Wzmiankowane tu występy 4 powinny mieć elektryczne połączenie z płaszczyzną 2 uziemienia i mogą nie mieć żadnego elektrycznego połączenia z elementami 1 antenowymi. W wyniku tego, elementy antenowe można opracować modułowo, co z kolei powoduje, że projektowanie, produkcja i testowanie szyku antenowego jest znacznie prostsze.

Rzeczony występ 4 w preferowanym rozwiązaniu tego wynalazku ma postać płytki jak to pokazano na rysunkach 2-6. Wymieniony tu występ 4 może mieć różne postacie, takie jak prostopadłościan, prostopadłościan z zaokrąglonymi narożnikami czy trapezoid. W alternatywnym rozwiązaniu rzeczony występ 4 może mieć postać stożka eliptycznego czy stożka ściętego, jak to pokazano na rysunku 7.

W preferowanym rozwiązaniu tego wynalazku, rzeczony występ 4 jest konstrukcyjnie zespolony z płaszczyzną 2 uziemienia. W alternatywnym rozwiązaniu występy 4 mogą być wytworzone oddzielnie i połączone zewnętrznie z płaszczyzną 2 uziemienia.

Ogólnie rzecz biorąc, odległość pomiędzy występami 4 oraz elementami antenowymi 1 powinna być dobrana jako możliwie najmniejsza, jednak tak, by zespolenie elementów nie było trudne. Kształt występu 4 można wybrać spośród rozwiązań alternatywnych pokazanych na rysunkach 2-7 lub spośród odmian owych rozwiązań alternatywnych ułatwiających wytwarzanie mechaniczne i montaż. Ponadto, przy określaniu kształtu, wielkości, położenia i odstępów przestrzennych okresu dla występów 4 można przeprowadzić analizę drgań własnych dla występów 4 szyku antenowego oraz okresowo powtarzających się komórek jednostkowych i należy przestrzegać tego, by pozostawały one powyżej operacyjnego pasma częstotliwości danego szyku antenowego.

W przypadku, gdy dla szyku antenowego opracowanego w ramach niniejszego wynalazku wymagane są szczególnie bardzo szerokie zakresy pasm, przy operacyjnych szerokościach pasm mogą zostać wzbudzone niepożądane drgania własne w zależności od kształtu i rozmiarów rzeczonych występów 4, odległości pomiędzy elementami 1 antenowymi oraz można będzie zauważyć spadek osiągów szyku antenowego przy pewnych częstotliwościach i kątach skanowania. Aby rozwiązać ten problem, w innym preferowanym rozwiązaniu tego wynalazku, rzeczony szyk antenowy składa się co najmniej z warstwy 3 absorbującej znajdującej się na płaszczyźnie 2 uziemienia. Najlepiej, gdy rzeczona warstwa 3 absorbująca pokrywa całkowicie powierzchnię zawierającą występy 4 płaszczyzny 2 uziemienia. W ten sposób można uniknąć wzbudzania niepożądanych modów. Rzeczona warstwa 3 absorbująca może składać się z metalu o niskim przewodnictwie elektrycznym, elastomeru lub materiału piankowego zapewniającego mechanizm wysokiej stratności elektrycznej i/lub magnetycznej.

W przypadku szyku antenowego opracowanego w oparciu o niniejszy wynalazek, występy 4 znajdujące się pomiędzy elementami 1 antenowymi zapobiegają spadkowi czystości polaryzacji dla wysokich częstotliwości z uwagi na elektrycznie duże rozmiary elementów 1 antenowych wzdłuż ich osi podłużnych. W ten sposób rzeczony szyk antenowy może zapewnić czystość polaryzacji wraz z szerokim pasmem częstotliwości i szerokim poziomem skanowania.

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Szyk antenowy składający się z co najmniej płaszczyzny (2) uziemienia i co najmniej dwóch elementów (1) antenowych znajdujących się przeciwlegle wobec siebie na rzeczonej płaszczyźnie (2) uziemienia, znamienny tym, że posiada:

   - co najmniej występ (4) znajdujący się pomiędzy rzeczonymi elementami (1) antenowymi i wystający na zewnątrz poza płaszczyznę (2) uziemienia, oddziałujący z prądami wzbudzonymi wzdłuż podłużnej osi anten i zwiększający częstotliwości początkowe drgań własnych płyt równoległych i wnęki, które mogą być skądinąd wzbudzane wewnątrz przestrzeni pomiędzy szeregami antenowymi w celu zapewnienia czystości polaryzacji w szerokim zakresie częstotliwości i poziomów skanowania.

   PL 235 589 Β1
2. 2. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczona płaszczyzna (2) uziemienia jest wykonana z jakiegoś materiału przewodzącego prąd elektryczny.
3. 3. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) posiada konstrukcję biegnącą równolegle do elementów (1) antenowych.
4. 4. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) jest w postaci płytki.
5. 5. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) jest w postaci prostopadłościanu.
6. 6. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) jest w postaci prostopadłościanu o zaokrąglonych narożach.
7. 7. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) jest w postaci trapezoidu.
8. 8. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) jest w postaci stożka eliptycznego.
9. 9. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) jest w postaci stożka ściętego.
10. 10. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) jest konstrukcyjnie zespolony z płaszczyzną (2) uziemienia.
11. 11. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że rzeczony występ (4) jest oddzielnie wykonanym elementem, który można połączyć z płaszczyzną (2) uziemienia.
12. 12. Szyk antenowy według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że posiada co najmniej jakąś warstwę (3) absorbującą znajdującą się na płaszczyźnie (2) uziemienia.