RU2659184C1

RU2659184C1 - Composite electrically small loop radiator with mirror symmetry of quartic and the receiving triorthogonal antenna system of hf range on its basis

Info

Publication number: RU2659184C1
Application number: RU2017100841A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Вячеславович Лучин; Александр Михайлович Плотников; Евгений Глебович Скоробогатов; Алексей Павлович Трофимов; Дмитрий Викторович Филиппов; Вячеслав Викторович Юдин; Евгений Игоревич Юпинов
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2018-06-28

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used as compounding material of radio communication and radio monitoring systems. Essence of the invention consists in presenting a single frame – antenna element (AE) with circular or 2N-angle form of coil in form of four separate sub-frames lying in the same plane. Frame AEs can be combined into triorthogonal antenna system (TAS) consists of three normal to each other multipart frames. Technical result is achieved by the fact that composite frame AE due to division into 4 components has 2 planes of electrical symmetry, than it is possible to place two other normal to each other frame AEs in these planes and create TAS with combined center of radiation of all AEs to improve the accuracy of beamforming in required direction with required polarization and, accordingly, to more efficiently solve of various radiomonitoring and communication tasks.

EFFECT: increase the accuracy of formation of beamforming in required direction with required polarization and, accordingly, to more efficiently solution of various radiomonitoring and communication tasks.

20 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано как антенно-фидерное устройство (АФУ) систем радиосвязи и радиомониторинга.The invention relates to radio engineering and can be used as an antenna-feeder device (AFU) of radio communication systems and radio monitoring.

Известной проблемой в области разработки АФУ комплексов радиомониторинга и отчасти связных комплексов является обеспечение ортогональности системы диаграмм направленности (ДН) антенных элементов (АЭ) АФУ либо системы ДН, близкой к таковой (квазиортогональные ДН). При малой измерительной базе, что особенно актуально в KB диапазоне, эта задача решается применением АЭ, рассчитанных на прием разных ортогональных компонент поля (т.е. обеспечивающих поляризацонно-избирательный прием).A well-known problem in the development of AFU radio monitoring complexes and partly connected complexes is to ensure the orthogonality of the system of radiation patterns (AE) of antenna elements (AE) of the AFU or a system of ARs close to that (quasi-orthogonal ARs). With a small measuring base, which is especially important in the KB range, this problem is solved by using AEs designed to receive different orthogonal field components (i.e., providing polarization-selective reception).

Согласно числу используемых в системе АЭ различают биортогональные (БАС) и триортогональные (ТАС) антенные системы. Среди них наибольшей универсальностью использования, в т.ч. большей точностью при решении задач пеленгации источников радиоизлучения обладают именно ТАС. БАС же используются обычно для решения связных задач.According to the number of AEs used in the system, biorthogonal (BAS) and triorthogonal (TAS) antenna systems are distinguished. Among them, the most versatile use, including It is precisely TAS that have greater accuracy in solving problems of direction finding of radio emission sources. UAS are usually used to solve connected problems.

Выделяют две группы вариантов реализации ТАС:There are two groups of TAC implementation options:

- ТАС на основе электрически коротких вибраторов (вибраторные ТАС);- TAS based on electrically short vibrators (vibratory TAS);

- ТАС на основе электрически малых рамочных антенн (рамочные ТАС).- TAS based on electrically small loop antennas (loop TAS).

Известно, что реализация вибраторных исполнений АЭ ТАС и БАС применительно к задачам радиопеленгации в KB диапазоне встречает ряд серьезных проблем, так или иначе связанных с влиянием земли. Прежде всего, необходимо отметить электрическую асимметрию вертикального вибратора (либо всех 3-х вибраторов при одинаковом их наклоне), вызванную влиянием земли и сопутствующими обстоятельствами [1, 2]. Кроме того, это сильное различие импедансных свойств вертикального вибратора и горизонтальных вибраторов (в системах с вертикальным вибратором), относительно низкая энергетическая эффективность горизонтальных вибраторов, а также вибраторов, наклоненных на угол 35,3° к земле (из-за противофазности «зеркального изображения», к наличию которого можно в первом приближении свести влияние земли), смещение фазовых центров вертикального вибратора, а также вибраторов, наклоненных на угол 35,3° к земле, вплоть до исчезновения фазовых центров (из-за асимметрии), относительно низкий уровень поляризационной развязки в системе с вибраторами, наклоненными на угол 35,3° к земле, обусловленный электромагнитным взаимодействием вибраторов через опору и землю, которые не являются ортогональными ни одному из них, и др.It is known that the implementation of vibratory versions of the AE TAS and BAS in relation to the tasks of direction finding in the KB range meets a number of serious problems, one way or another connected with the influence of the earth. First of all, it is necessary to note the electrical asymmetry of the vertical vibrator (or all 3 vibrators with the same slope), caused by the influence of the earth and related circumstances [1, 2]. In addition, this is a strong difference between the impedance properties of the vertical vibrator and horizontal vibrators (in systems with a vertical vibrator), the relatively low energy efficiency of horizontal vibrators, as well as vibrators tilted at an angle of 35.3 ° to the ground (due to the antiphase of the “mirror image” , the presence of which can be reduced to a first approximation by the influence of the earth), the displacement of the phase centers of the vertical vibrator, as well as the vibrators tilted at an angle of 35.3 ° to the ground, until the phase centers disappear (due to asymmetries), a relatively low level of polarization isolation in the system with vibrators inclined at an angle of 35.3 ° to the ground, due to the electromagnetic interaction of the vibrators through the support and the ground, which are not orthogonal to any of them, etc.

Применение рамочных АЭ позволяет в значительной степени преодолеть указанные выше трудности. Во-первых, нужно отметить, что одновитковая рамка, неважно, вертикальная или горизонтальная, не подвержена электрической асимметрии, обусловленной влиянием земли. Это обусловлено тем обстоятельством, что земля в абсолютном большинстве случаев - немагнитная среда, тогда как система электрических токов рамки, ориентированной надлежащим образом, обладает симметрией относительно земли. Здесь нужно отметить, что «надлежащая ориентация» относится только к вертикальной рамке (выходными клеммами либо вниз, либо вверх); горизонтальная рамка всегда симметрична. Данная специфическая особенность сразу снимает трудности, связанные с антенным эффектом, смещением (исчезновением) фазового центра и т.д. Она же обусловливает наличие «электрической стенки» и «точки нулевого потенциала», что существенно облегчает реализацию биортогональной рамочной системы. Во-вторых, в рамочной триортогональной или биортогональной системе всегда имеются два элемента, находящиеся в благоприятных условиях в смысле улучшения энергетики из-за влияния земли. К таковым относятся вертикальные рамки (имеющие синфазные «зеркальные изображения»), образующие в совокупности БАС. В вибраторном варианте в аналогичных условиях находится вертикальный вибратор, т.е. только один элемент. Горизонтальные вибраторы, как уже отмечалось, находятся в значительно худших условиях; условия для вибраторов, наклоненных на угол 35,3° к земле, не намного лучше. Это означает, что при использовании рамочных антенн, по крайней мере, в триангуляционных системах на основе БАС, определяющих только азимут, эффективно решаются проблемы, связанные с энергетикой.The use of frame AEs allows to overcome to a considerable extent the above difficulties. Firstly, it should be noted that a single-turn frame, no matter vertical or horizontal, is not subject to electrical asymmetry due to the influence of the earth. This is due to the fact that the earth in the vast majority of cases is a non-magnetic medium, while the system of electric currents of the frame, properly oriented, has symmetry with respect to the earth. It should be noted here that “proper orientation” refers only to the vertical frame (output terminals either down or up); the horizontal frame is always symmetrical. This specific feature immediately removes the difficulties associated with the antenna effect, the displacement (disappearance) of the phase center, etc. It also determines the presence of an “electric wall” and a “point of zero potential”, which greatly facilitates the implementation of a biorthogonal framework system. Secondly, in the framework of the triorthogonal or biorthogonal system there are always two elements that are in favorable conditions in the sense of improving energy due to the influence of the earth. These include vertical frames (having in-phase “mirror images”), which together form UAS. In the vibrator version, under similar conditions, there is a vertical vibrator, i.e. only one item. Horizontal vibrators, as already noted, are in much worse conditions; the conditions for vibrators tilted at an angle of 35.3 ° to the ground are not much better. This means that when using loop antennas, at least in triangulation systems based on UAS, which determine only azimuth, energy-related problems are effectively solved.

Следует отметить еще одну специфическую особенность рамочных антенн. Эта особенность состоит в том, что рамка имеет значительно более равномерную (по сравнению с вибратором) частотную характеристику эквивалентной апертуры - отношения мощности сигнала на входе приемника к плотности потока энергии (ППЭ) сигнала в точке приема (фактически, калибровочный коэффициент по мощности). Таким образом, эквивалентная апертура антенны S_экв, м² связана с ее эффективной апертурой S_эфф=Dλ²/(4π) (D - коэффициент направленного действия, λ - длина волны, м) равенством [3]:One more specific feature of the loop antennas should be noted. This feature consists in the fact that the frame has a much more uniform (compared to the vibrator) frequency response of the equivalent aperture - the ratio of the signal power at the receiver input to the energy flux density (PES) of the signal at the receiving point (in fact, a calibration coefficient for power). Thus, the equivalent antenna aperture S _equiv , m ² is associated with its effective aperture S _eff = Dλ ² / (4π) (D is the directional coefficient, λ is the wavelength, m) by the equality [3]:

где η=R_Σ/Re(z_A) - коэффициент полезного действия антенны;where η = R _Σ / Re (z _A ) is the antenna efficiency;

R_Σ, Z_A - соответственно сопротивление излучения антенны и ее входной импеданс, Ом;R _Σ , Z _A - respectively, the radiation resistance of the antenna and its input impedance, Ohm;

- коэффициент рассогласования (отношение мощности в нагрузке к максимальной мощности, которую данная антенна отдавала бы в согласованную нагрузку);

- mismatch coefficient (the ratio of the power in the load to the maximum power that this antenna would give to the agreed load);

Z_н - импеданс нагрузки, Ом.Z _n - load impedance, Ohm.

Равномерность частотной характеристики S_экв представляет интерес, в частности, при работе со сверхширокополосными цифровыми приемниками, осуществляющими оцифровку сигналов в очень широкой полосе с последующей обработкой (в том числе, частотной селекцией) уже в цифровом виде [4].The uniformity of the frequency response S _equiv is of interest, in particular, when working with ultra-wideband digital receivers that digitize signals in a very wide band, followed by processing (including frequency selection) already in digital form [4].

В качестве примера отметим, что у изотропной согласованной антенны без потерь (S_экв=S_эфф=λ²/4π) в диапазоне 3…30 МГц эквивалентная апертура изменяется в 100 раз (на 20 дБ), в диапазоне 1,5…30 МГц - в 400 раз (на 26 дБ).As an example, we note that for an isotropic matched antenna without loss (S _equiv = S _eff = λ ² / 4π) in the range 3 ... 30 MHz, the equivalent aperture changes 100 times (by 20 dB), in the range 1.5 ... 30 MHz - 400 times (26 dB).

Теоретические исследования показали [4], что рамочные антенны способны обеспечить весьма незначительную неравномерность частотной характеристики эквивалентной апертуры, порядка ±1,5…2 дБ, в 3-кратном диапазоне. Это означает возможность вести прием, например, в диапазоне 5…15 МГц практически без ухудшения динамических свойств радиосистемы.Theoretical studies have shown [4] that the loop antennas are able to provide a very slight uneven frequency response of the equivalent aperture, of the order of ± 1.5 ... 2 dB, in the 3-fold range. This means the ability to receive, for example, in the range of 5 ... 15 MHz with virtually no deterioration in the dynamic properties of the radio system.

Известна триортогональная антенная система, описанная в патенте США "Automatic instrumented diving assembly" (Автоматизированный подводный аппарат с измерительными приборами) №3267419. Геометрию антенной системы удобно представить в полярной системе координат. ТАС содержит две вертикальные рамки круглой формы витков, лежащие во взаимно-перпендикулярных плоскостях ϕ=0° и ϕ=90° соответственно, и одну горизонтальную рамку круглой либо эллиптической формы витков, лежащую в плоскости нулевого угла места θ=0°. Таким образом ТАС имеет единый геометрический центр для всех трех рамок, расположенный в начале координат и единый узел питания, расположенный в точке с углом места θ=-90°. При этом зазор горизонтальной рамки соединяется с общим узлом питания ТАС посредством линии передачи в виде наклонного снижения. Азимут расположения зазора горизонтальной рамки не оговаривается. Необходимо отметить, что в решении выбрана форма витков рамок, близкая к оптимальной (близкая к круговой). Вместе с тем, решение имеет серьезный недостаток, а именно, явно ассиметричное расположение снижения относительно плоскостей вертикальных рамок. Это неизбежно приводит к нарушению симметрии в каждой из вертикальных рамок и, собственно, в горизонтальной рамке, т.е. во всей системе целиком. Отсутствие симметрии означает искажение ДН АЭ, ухудшение развязки между рамками и, в конечном итоге, трудности формирования ДН АФУ в требуемом направлении и приема волн требуемой поляризации.Known triorthogonal antenna system described in US patent "Automatic instrumented diving assembly" (Automated underwater vehicle with measuring instruments) No. 3267419. The geometry of the antenna system is conveniently represented in the polar coordinate system. The TAS contains two vertical frames of a round shape of coils lying in mutually perpendicular planes ϕ = 0 ° and ϕ = 90 °, respectively, and one horizontal frame of a round or elliptical shape of coils lying in a plane of zero elevation angle θ = 0 °. Thus, the TAS has a single geometric center for all three frames located at the origin and a single power node located at a point with elevation angle θ = -90 °. In this case, the gap of the horizontal frame is connected to the common power supply unit TAC via the transmission line in the form of an inclined decrease. The azimuth of the location of the gap of the horizontal frame is not specified. It should be noted that in the solution the shape of the turns of the frames is selected, which is close to optimal (close to circular). However, the solution has a serious drawback, namely, the clearly asymmetric location of the decrease relative to the planes of the vertical frames. This inevitably leads to a violation of symmetry in each of the vertical frames and, in fact, in the horizontal frame, i.e. in the whole system. Lack of symmetry means distortion of the AE pattern, the deterioration of the isolation between the frames, and, ultimately, the difficulty of forming an AF pattern plate in the desired direction and the reception of waves of the required polarization.

Известна рамочная антенна, описанная в патенте СССР №1401534. Антенна имеет схожее с описанной в патенте США №3267419 устройство. Отличительной чертой является исполнение снижения горизонтальной рамки. Снижение выполнено в виде Г-образного отрезка линии таким образом, что его вертикальная часть совмещена с вертикальной осью симметрии системы вертикальных рамок, а горизонтальная часть лежит в плоскости горизонтальной рамки на биссектрисе угла между первой и второй вертикальными рамками. Таким образом, за счет уменьшения длины участка линии питания, вносящего асимметрию, достигается увеличение поляризационной развязки в системе до значений не хуже 13 дБ. Несмотря на указанное преимущество, можно констатировать, тем не менее, что, так же как и в предыдущем решении, плоскостей симметрии в этой системе также нет, поэтому описанное конструктивное исполнение линии снижения горизонтальной рамки в виде Г-образного отрезка принципиально задачу не решает, а лишь позволяет количественно уменьшить степень асимметрии в системе.Known loop antenna described in USSR patent No. 1401534. The antenna has a device similar to that described in US Pat. No. 3,267,419. A distinctive feature is the performance of lowering the horizontal frame. The reduction is made in the form of an L-shaped line segment so that its vertical part is aligned with the vertical axis of symmetry of the vertical frame system, and the horizontal part lies in the plane of the horizontal frame on the bisector of the angle between the first and second vertical frames. Thus, by reducing the length of the section of the power line introducing asymmetry, an increase in the polarization isolation in the system to values not worse than 13 dB is achieved. Despite this advantage, it can be stated, however, that, as in the previous solution, there are no planes of symmetry in this system either, therefore, the described constructive design of the horizontal frame lowering line in the form of a L-shaped segment does not fundamentally solve the problem, but only allows you to quantitatively reduce the degree of asymmetry in the system.

Наиболее близким по своей технической сущности изобретением к заявляемому изобретению является рамочная антенна, описанная в патенте РФ №2372696. Отличием здесь является то обстоятельство, что горизонтальная рамка разделена на 4 равные части, таким образом, что концы каждой из частей имеют радиальные участки проводников, идущие в направлении геометрического центра горизонтальной рамки, где расположена опора, и соединены друг с другом последовательно и согласно. Также отличием является то, что плоскость, в которой расположена горизонтальная рамка, конструктивно вынесена из геометрического центра системы вертикальных рамок и расположена непосредственно над ними, что повышает ее эффективность при установке АФУ вблизи земли. Кроме того, горизонтальная и вертикальные рамки имеют несколько различную конструкцию. Недостатком решения, также как и двух предыдущих, является принципиальное отсутствие двух плоскостей симметрии у горизонтальной рамки, в которых должны лежать вертикальные рамки для достижения теоретически максимально-возможной взаимной развязки АЭ ТАС. Имеется только одна плоскость симметрии, проходящая через геометрический центр горизонтальной рамки, центр зазора и расположенная вертикально. Последовательное согласное соединение частей горизонтальной рамки фактически только вводит в нее четыре короткозамкнутых шлейфа на основе симметричных линий с некоторым значением волнового сопротивления, что опять же принципиально задачу не решает, а лишь позволяет в некоторой степени увеличить значение взаимной развязки АЭ ТАС. Кроме того, такое важное свойство как совмещенный фазовый центр АЭ ТАС здесь также не реализовано, а его наличие является весьма важным для эффективного решения задачи пеленгации.The closest in its technical essence to the invention of the claimed invention is the loop antenna described in the patent of the Russian Federation No. 2372696. The difference here is that the horizontal frame is divided into 4 equal parts, so that the ends of each of the parts have radial sections of conductors extending towards the geometric center of the horizontal frame where the support is located and are connected to each other in series and in accordance. Another difference is that the plane in which the horizontal frame is located is structurally removed from the geometric center of the system of vertical frames and located directly above them, which increases its efficiency when installing the AFU near the ground. In addition, the horizontal and vertical frames have a slightly different design. The disadvantage of the solution, as well as the two previous ones, is the fundamental absence of two planes of symmetry at the horizontal frame, in which vertical frames must lie to achieve the theoretically maximum possible mutual decoupling of the TAC AE. There is only one plane of symmetry passing through the geometric center of the horizontal frame, the center of the gap and located vertically. A sequential consonant connection of parts of the horizontal frame actually only introduces four short-circuited loops into it based on symmetrical lines with a certain value of wave impedance, which again does not solve the problem in principle, but only allows to increase to some extent the value of the mutual decoupling of AE TAC. In addition, such an important property as the combined phase center of AE TAS is also not realized here, and its presence is very important for the effective solution of the direction finding problem.

Необходимо отметить важную особенность решения, состоящую в попытке разделения горизонтальной рамки на 4 равные части, что в совокупности с другими дополнительными мерами в принципе может быть использовано для решения ключевой задачи организации в триортогональной системе рамок симметрии четвертого порядка и достижения максимально возможной межэлементной развязки. Однако данная попытка в решении не реализована в полной мере.It should be noted an important feature of the solution, which consists in trying to divide the horizontal frame into 4 equal parts, which, together with other additional measures, can in principle be used to solve the key task of organizing fourth-order symmetry frames in a triorthogonal system and achieve the maximum possible inter-element decoupling. However, this attempt in the solution is not fully implemented.

Целью настоящего изобретения является разработка составного электрически малого рамочного излучателя, обеспечивающего возможность построения на его основе триортогональной системы с максимально-возможной степенью ортогональности диаграмм направленности элементов, а также создание триортогональной системы с указанными свойствами.The aim of the present invention is to develop a composite electrically small frame emitter, providing the ability to build on its basis a triorthogonal system with the highest possible degree of orthogonality of the radiation patterns of the elements, as well as the creation of a triorthogonal system with these properties.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:The tasks to be solved by the invention are:

- разработка составного электрически малого рамочного излучателя, имеющего две взаимно-перпендикулярные плоские «электрические стенки» и состоящего из одного витка;- development of a composite electrically small frame emitter having two mutually perpendicular flat “electric walls” and consisting of one turn;

- разработка многовиткового рамочного излучателя;- development of a multi-turn frame emitter;

- создание ТАС из трех электрически малых рамочных излучателей с максимально-возможной степенью их взаимной развязки.- the creation of TAS from three electrically small frame emitters with the highest possible degree of their mutual isolation.

Сущность изобретения состоит в представлении единой рамки с круговой либо 2N-угольной формой витка в виде четырех отдельных субрамок, лежащих в одной плоскости. Однако, в отличие от прототипа, реализует, строго говоря, не одну, а две взаимно-перпендикулярные плоские «электрические стенки», т.е. две плоскости электрической симметрии и совмещенный для всех элементов фазовый центр.The essence of the invention consists in the presentation of a single frame with a circular or 2N-coal shape of the coil in the form of four separate sub-frames lying in the same plane. However, unlike the prototype, it realizes, strictly speaking, not one, but two mutually perpendicular flat "electric walls", i.e. two planes of electrical symmetry and a phase center combined for all elements.

Таким образом, составная структура рамки образуется как совокупность четырех одновитковых субрамок, каждая смежная пара которых возбуждается противофазно по электрическому полю (синфазно по магнитному полю). Отдельные выходы каждой субрамки затем объединяются в тракте питания в единый выход рамки. Рамка, построенная по такому принципу, будет иметь две плоскости электрической симметрии вне зависимости от числа витков каждой субрамки в отдельности ее составляющей. Благодаря этому обеспечивается возможность построения многовитковых рамок, что особенно актуально в КB диапазоне с точки зрения компактизации антенной системы.Thus, the composite structure of the frame is formed as a combination of four single-turn sub-frames, each adjacent pair of which is excited out of phase in the electric field (in phase in the magnetic field). The individual outputs of each sub-frame are then combined in the power path into a single frame output. A frame constructed according to this principle will have two planes of electrical symmetry, regardless of the number of turns of each sub-frame and its individual component. This makes it possible to build multi-turn frames, which is especially important in the KB range from the point of view of compacting the antenna system.

Рамочные элементы могут быть объединены в ТАС, при этом две взаимно-перпендикулярные вертикальные плоскости электрической симметрии горизонтально расположенной рамки могут быть использованы для размещения двух других рамок, которые опять же в силу симметрии и единой конструкции будут являться взаимно-перпендикулярными. При этом обеспечивается возможность формирования ортогональных ДН рамок в ТАС.Frame elements can be combined in a TAC, while two mutually perpendicular vertical planes of electrical symmetry of a horizontally located frame can be used to place two other frames, which, again due to symmetry and a single design, will be mutually perpendicular. In this case, it is possible to form orthogonal DN frames in the TAS.

Технический результат достигается тем, что составной рамочный элемент за счет разделения на 4 составляющие одно- либо многовитковые субрамки имеет 2 плоскости электрической симметрии, чем обеспечивается возможность размещения в этих плоскостях двух других взаимно-перпендикулярных рамочных элементов и создания ТАС с совмещенным фазовым центром всех АЭ для повышения точности формирования ДН в требуемом направлении с требуемой поляризацией и, соответственно, более эффективного решения различных задач радиомониторинга и связных задач.The technical result is achieved by the fact that the composite frame element, by dividing into 4 components single or multi-turn subframes, has 2 planes of electrical symmetry, which makes it possible to place two other mutually perpendicular frame elements in these planes and create a TAC with a combined phase center of all AEs for increasing the accuracy of the formation of MDs in the required direction with the required polarization and, accordingly, more efficiently solving various problems of radio monitoring and connected tasks.

Заявляемое решение рационально объединяет в себе положительные свойства прототипа и известных БАС из двух вертикальных рамок на единой опоре.The claimed solution rationally combines the positive properties of the prototype and the known BAS from two vertical frames on a single support.

Для лучшего понимания существа заявляемого изобретения далее приводятся его пояснения с привлечением графических материалов:For a better understanding of the essence of the claimed invention, the following are its explanations using graphic materials:

фиг. 1 - электрическая принципиальная схема модуля рамки и реализация схемы питания (сложения сигналов) субрамок;FIG. 1 is an electrical schematic diagram of a frame module and an implementation of a power circuit (signal addition) of subframes;

фиг. 2 - пример конструктивной реализации модуля субрамки;FIG. 2 is an example of a constructive implementation of a sub-frame module;

фиг. 3 - пример конструктивной реализации модуля рамки;FIG. 3 is an example of a constructive implementation of a frame module;

фиг. 4 - пример организации ТАС;FIG. 4 - an example of the organization of TAS;

Один из вариантов предлагаемого технического решения в части субрамки представляет собой конструктивно-законченное изделие - модуль. Электрическая принципиальная схема модуля рамки, включающего 4 модуля субрамок (на примере двухвитковых субрамок) и схему сложения сигналов представлена на фиг. 1. Вообще, каждая субрамка 1…4 может иметь один либо несколько витков. Субрамки расположены в единой плоскости таким образом, что в системе имеется зеркальная симметрия между всеми смежными субрамками и поворотная симметрия между парами противоположных субрамок соответственно. Каждый модуль субрамки имеет отдельный симметричный выход, который подключен к входу трансформатора согласующего 6 блока согласующе-усилительного 5. В функции трансформатора 6 входит симметрирование, таким образом, он обеспечивает стыковку симметричного тракта выхода собственно субрамки и несимметричного коаксиального тракта выхода модуля субрамки, а также при необходимости трансформация сопротивлений для обеспечения лучшего согласования трактов. Выходы блоков 5 подключены к входам сумматора развязанного (либо неразвязанного) согласованного 8 на 4 входа через фидеры снижения 9. Блок 5 также может иметь в составе усилитель малошумящий (МШУ) 7 для обеспечения возможности увеличения динамического диапазона приемной системы в 4 раза (что соответствует значению 6 дБ) относительно известного решения, когда МШУ включен на выходе АФУ в целом. В свою очередь выход сумматора 8 является выходом рамки.One of the options for the proposed technical solution in terms of subframes is a structurally-finished product - a module. The electrical schematic diagram of the frame module, including 4 sub-frame modules (using two-turn sub-frames as an example) and the signal addition circuit are shown in FIG. 1. In general, each subframe 1 ... 4 can have one or several turns. Subframes are located in a single plane so that the system has mirror symmetry between all adjacent subframes and rotational symmetry between pairs of opposite subframes, respectively. Each sub-frame module has a separate symmetrical output, which is connected to the transformer input of the matching 6 amplifier-matching unit 5. The transformer 6 functions include balancing, thus, it provides a joint between the symmetric output path of the sub-frame itself and the asymmetric coaxial output path of the sub-frame, as well as the transformation of resistances is needed to ensure better path alignment. The outputs of blocks 5 are connected to the inputs of the adder of a decoupled (or uncoupled) matched 8 by 4 inputs via reduction feeders 9. Block 5 can also include a low-noise amplifier (LNA) 7 to provide the possibility of increasing the dynamic range of the receiving system by 4 times (which corresponds to 6 dB) relative to the known solution when the LNA is turned on at the output of the AFU as a whole. In turn, the output of the adder 8 is the output of the frame.

Пример конструкции модуля субрамки показан на фиг. 2. Конструкция собственно субрамки имеет периферические проводники, представленные верхним 10 и нижним 11 витками с угловой длиной 90° каждый. Форма образующей витков может быть круглой, как это показано в примере, а также в виде 2N-угольника. Профиль витка может быть круглой (О-образной), как это показано в примере, а также квадратной, прямоугольной, Г-образной, П-образной либо I-образной формы. Таким образом, профиль двухвитковой субрамки может представлять собой конструкцию вида

An example of the construction of the sub-frame module is shown in FIG. 2. The design of the sub-frame itself has peripheral conductors represented by the upper 10 and lower 11 turns with an angular length of 90 ° each. The shape of the generatrix of the turns can be round, as shown in the example, as well as in the form of a 2N-gon. The coil profile can be round (O-shaped), as shown in the example, as well as square, rectangular, L-shaped, U-shaped or I-shaped. Thus, the profile of a two-turn subframe can be a design of the form

С точки зрения минимизации электромагнитной связи между параллельно идущими частями витка и с учетом компактности предпочтительно использовать Г-образные профили с учетом зеркально симметричного их расположения вида

. Соединение верхнего и нижнего витков осуществляется микрополосковыми соединительными линиями (МПЛ) 18, каждая из которых выполнена на печатной плате (ПП) 16, закрепленной на жестком основании в виде металлической пластины либо швеллера 13. Каждая ПП с линиями имеет нормированное значение волнового сопротивления и расположена радиально в направлении центра окружности образующей витка. Узлы соединения периферических и радиальных проводников, а также радиальных проводников ПП, расположенных в двух различных перпендикулярных плоскостях выполнены посредством перемычек 12 и 15 соответственно. Механически несущие металлические пластины 13 соединены между собой посредством узла сопряжения пластин 14 в виде сборки металлических косынок. Вид электрического соединения радиальных проводников МПЛ 18 показан на фиг. 3, вид А. При этом, выходом собственно субрамки является контактная площадка 20, которой заканчивается верхний (на рисунке) проводник МПЛ, расположенной в плоскости рисунка, а также контактная площадка 21, которой заканчивается нижний (на рисунке) проводник МПЛ, расположенной в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. Также, в целях обеспечения расширения рабочего диапазона частот в сечении контактных площадок 20, 21, 22 и 23 выхода каждой субрамки может быть установлено устройство коммутации витков субрамки, позволяющее осуществлять коммутацию всех витков (в примере - 2 витка) субрамки параллельно либо последовательно. При этом, последовательная коммутация витков сместит рабочий диапазон частот в сторону более низких частот (по сравнению с одновитковой рамкой той же площади), число витков рамки при этом будет N=2, в свою очередь, параллельная коммутация витков сместит рабочий диапазон частот в сторону более высоких частот (по сравнению с двухвитковой рамкой той же площади), число витков рамки при этом будет N=1. При использовании устройства коммутации перемычка 15 не используется.From the point of view of minimizing the electromagnetic coupling between parallel running parts of the coil and taking into account compactness, it is preferable to use L-shaped profiles taking into account their mirror-symmetric arrangement of the form

. The connection of the upper and lower turns is carried out by microstrip connecting lines (MPL) 18, each of which is made on a printed circuit board (PP) 16, mounted on a rigid base in the form of a metal plate or channel 13. Each PP with lines has a normalized value of wave impedance and is located radially in the direction of the center of the circle forming the coil. The connection nodes of peripheral and radial conductors, as well as PP radial conductors located in two different perpendicular planes, are made by means of

jumpers

12 and 15, respectively. Mechanically bearing metal plates 13 are interconnected by means of a pair of plates 14 in the form of an assembly of metal scarves. A view of the electrical connection of the radial conductors of the MPL 18 is shown in FIG. 3, view A. At the same time, the output of the sub-frame itself is a contact pad 20, which ends with the upper (in the figure) MPL conductor located in the plane of the figure, and also a contact pad 21, which ends with the lower (in the figure) MPL conductor, located in the plane perpendicular to the plane of the figure. Also, in order to expand the working frequency range in the cross section of the

contact pads

20, 21, 22, and 23 of the output of each sub-frame, a device for switching sub-frame turns can be installed, which allows switching all turns (in the example, 2 turns) of the sub-frame in parallel or in series. At the same time, serial switching of the coils will shift the operating frequency range towards lower frequencies (compared to a single-coil frame of the same area), the number of turns of the frame will be N = 2, in turn, parallel switching of the coils will shift the working frequency range towards more high frequencies (compared with a two-turn frame of the same area), the number of turns of the frame will be N = 1. When using a switching device, jumper 15 is not used.

На фиг. 3 показан пример сборки модуля рамки. Субрамки закрепляются посредством кронштейна 19 в единую конструктивную сборку. Периферические проводники механически соединяются изоляторами 17, выполненными из фторопласта, капролона, поликарбоната и др.In FIG. Figure 3 shows an example assembly of a frame module. The sub-frames are fixed by means of the bracket 19 into a single structural assembly. The peripheral conductors are mechanically connected by insulators 17 made of fluoroplastic, caprolon, polycarbonate, etc.

На фиг. 4 показана пространственная ориентация двух вертикальных рамок 24 и горизонтальной рамки 25 в единой ТАС. Также указаны плоскости вертикальных рамок 26 и горизонтальной рамки 27 и трехмерная крестовина 28 для крепления 12 модулей субрамок, выполненная из металла и в нижней части стыкующаяся с опорой 29.In FIG. 4 shows the spatial orientation of two vertical frames 24 and horizontal frames 25 in a single TAC. Also indicated are the planes of the vertical frames 26 and the horizontal frame 27 and a three-dimensional crosspiece 28 for attaching 12 modules of subframes made of metal and joined to the support 29 in the lower part.

Устройство работает следующим образом. Внешнее электромагнитное поле в точке приема наводит в вертикальных и горизонтальной рамках токи, с амплитудами, пропорциональными амплитудам соответствующих компонент вектора поля. Соответствующие токи создают разность потенциалов между противоположными точками периферийных проводников 10 и 11 субрамки 1…4. Разности потенциалов последовательно включенных витков суммируются. Суммарный ВЧ сигнал в симметричном трасте субрамки 1…4 поступает с ее выхода на согласующе-усилительный модуль 5, где преобразуется из симметричного тракта субрамки в несимметричный коаксиальный тракт и при необходимости усиливается отдельным МШУ 7. Сигналы четырех субрамок 1…4 далее поступают на вход согласованного и развязанного сумматора 8, а с его выхода через приемные фидеры поступают на соответствующие каналы приемника (на фиг. 1 не показаны). Таким образом, реализация рамки в виде четырех гальванически изолированных друг от друга и от опоры в общем случае многовитковых субрамок составного модуля рамки достигается симметрия четвертого порядка (имеют место быть две плоскости зеркальной симметрии) модуля рамки относительно пары других перпендикулярных ему модулей рамки. При этом достигается минимальное взаимное влияние модулей, максимальная степень ортогональности ДН и значения развязки.The device operates as follows. An external electromagnetic field at the receiving point induces currents in the vertical and horizontal frames, with amplitudes proportional to the amplitudes of the corresponding components of the field vector. Corresponding currents create a potential difference between opposite points of the peripheral conductors 10 and 11 of the subframe 1 ... 4. The potential differences of the series-connected turns are added up. The total RF signal in the symmetric trust of the subframe 1 ... 4 is fed from its output to the matching amplifier module 5, where it is converted from the symmetric path of the subframe into an asymmetric coaxial path and, if necessary, amplified by a separate LNA 7. The signals of the four subframes 1 ... 4 are then fed to the input of the matched and the untied adder 8, and from its output, through the receiving feeders, they arrive at the corresponding channels of the receiver (not shown in FIG. 1). Thus, the implementation of the frame in the form of four galvanically isolated from each other and from the support in the general case multi-turn subframes of the composite frame module achieves fourth-order symmetry (there are two planes of mirror symmetry) of the frame module relative to a pair of other frame modules perpendicular to it. In this case, the minimum mutual influence of the modules, the maximum degree of orthogonality of the DN and the decoupling value are achieved.

Следует учитывать, что вышеизложенное описание приведено с целью иллюстрации заявляемого изобретения, поэтому специалистам должно быть ясно, что возможны различные модификации и изменения, не противоречащие букве и духу испрашиваемого в данной заявке объема охраны.It should be borne in mind that the above description is given to illustrate the claimed invention, therefore, it should be clear to specialists that various modifications and changes are possible that do not contradict the letter and spirit of the scope of protection requested in this application.

Claims

1. A composite electrically small frame radiator containing four sub-frames located in a single plane and forming a single frame, the frame has peripheral sections of the conductor forming the perimeter of the frame and radial sections of the conductor extending towards the geometric center of the frame, characterized in that each sub-frame is a separate device, galvanically isolated from other devices, has a separate matching amplifier module containing a matching transformer and a low noise amplifier and is located d in the immediate vicinity of the output terminals of the subframe, while the radial sections of the conductor are made on the printed circuit board in the form of microstrip transmission lines with wave impedance selected in the range of 1 ... 100 Ohms, the matching transformer has a transformation coefficient selected in the range of 1: 4 ... 4: 1, the connection of peripheral and radial line conductors, as well as the mutual connection of radial line conductors, is carried out by means of metal jumpers in the form of spatially curved ribbons.

2. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that the addition of the signals of the sub-frames is carried out by an untied adder.

3. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that the addition of the signals of the sub-frames is carried out by an unbound adder.

4. A composite electrically small frame radiator according to claim 1, characterized in that the radial sections of the conductor are made on a printed circuit board in the form of symmetrical strip transmission lines.

5. A composite electrically small frame radiator according to claim 1, characterized in that the radial sections of the conductor are made on a printed circuit board in the form of coplanar transmission lines.

6. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that each sub-frame is a structurally finished product and has one output of a coaxial line.

7. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that each sub-frame is single-turn.

8. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that each sub-frame contains more than one turn, while all turns are connected in series.

9. A composite electrically small frame radiator according to claim 1, characterized in that each sub-frame contains more than one turn, as well as a switching device for the turns, while all turns can be simultaneously switched in series, and all turns can be switched simultaneously in parallel.

10. A composite electrically small frame emitter according to claim 9, characterized in that the switching of the turns of each sub-frame is carried out mechanically by means of a relay.

11. A composite electrically small frame emitter according to claim 9, characterized in that the switching of the turns of each sub-frame is carried out mechanically by means of a manual switch.

12. A composite electrically small frame emitter according to claim 9, characterized in that the switching of the turns of each sub-frame is carried out electronically by means of semiconductor devices.

13. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that the turns have a round generatrix shape.

14. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that the turns have the shape of a generatrix in the form of a 2N-gon.

15. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that the coil conductor profile has a round, square, L-shaped, U-shaped, as well as I-shaped.

16. A composite electrically small frame radiator according to claim 1, characterized in that metal is used as the material of the sub-frame conductors.

17. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that as the base of the sub-frame conductors, metal is used with all surfaces coated with a layer of another metal.

18. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that a dielectric is used as a basis for the conductors of the subframes with a metal layer covering all surfaces.

19. A composite electrically small frame emitter according to claim 1, characterized in that all sub-frames have the same design.

20. A receiving triorthogonal antenna system containing three electrically small composite frame emitters, of which two frame emitters are arranged vertically in mutually perpendicular planes, one frame emitter is located horizontally, while the horizontal frame emitter is located symmetrically with respect to two planes of the vertical frame emitters, characterized in that the geometric centers of the three composite frame emitters are aligned at one point, in each of the two planes of symmetry each Each frame module contains planes of the corresponding two other modules, and coaxial cables from different frame modules are laid inside the support.