RU2146408C1 - Antenna with circular or sector-shaped directivity pattern - Google Patents

Abstract

FIELD: antenna engineering; devices radiating acoustic waves into desired sector or coverage area. SUBSTANCE: antenna has set of directional pumping converters of parametric acoustic-wave radiators with planar aperture arranged on curvilinear generating line of radius r and relatively positioned so that spatial interaction areas of two adjacent pumping converters do not intersect; angle α_o between them, linear dimension a of separate directional converter in respective scanning plane, sag h between them, coverage sector α, width of directivity pattern characteristic, and number N of separate directional pumping converters required to cover sector α are interrelated by definite equations. Antenna incorporates provision for reducing nonuniform radiation in coverage area, enlarging this area, increasing coefficient of axial concentration, eliminating additional lobes in directivity pattern in case of radiation frequency variation, maintaining constant width of directivity characteristic in broad frequency band, and increasing steepness of directivity pattern slope. EFFECT: simplified design of antenna and its power circuits. 2 dwg

Description

Изобретение относится к антенной техникe, приборам и устройствам для излучения акустических волн в заданный сектор или зону обзора. The invention relates to antenna technology, instruments and devices for emitting acoustic waves into a given sector or field of view.

Известна антенна, содержащая преобразователи, расположенные на криволинейной образующей поверхности излучения, выполненная в виде дуги окружности или сектора цилиндра [1]. A known antenna containing converters located on a curved generatrix of the radiation surface, made in the form of an arc of a circle or sector of the cylinder [1].

Антенна состоит из цилиндра, образующая которого набрана из отдельных ненаправленных активных элементов, запитываемых сигналами рабочей частоты через фазовращающие цепи или линии задержки. The antenna consists of a cylinder, the generatrix of which is composed of separate non-directional active elements powered by signals of the operating frequency through phase-shifting circuits or delay lines.

Антенна может быть использована для секторного или кругового обзора, то есть для излучения акустической энергии в секторе пространства обзора. The antenna can be used for sector or circular viewing, that is, for the emission of acoustic energy in the sector of the viewing space.

Причинами, препятствующими использованию рассмотренной антенны кругового или секторного обзора, являются высокий уровень бокового поля - до 25-30%, т.е. излучения вне заданного сектора; значительная неравномерность излучения энергии в различных направлениях внутри заданного сектора (более 3 дБ); низкий коэффициент осевой концентрации из-за большого взаимного влияния отдельных ненаправленных активных элементов при формировании направленного излучения; большая крутизна ската амплитуды характеристики направленности на краях заданного сектора; сложность изготовления активной излучающей поверхности цилиндрической формы и практическая невозможность получения идеальной поверхности при больших абсолютных размерах антенны (при диаметре более 15-20 см); высокая чувствительность характеристик антенны к частоте излучаемого сигнала. The reasons that impede the use of the considered circular or sector-wide antenna are a high level of the side field - up to 25-30%, i.e. radiation outside a given sector; significant non-uniformity of energy emission in various directions within a given sector (more than 3 dB); low coefficient of axial concentration due to the large mutual influence of individual non-directional active elements in the formation of directional radiation; the large slope of the slope of the amplitude of the directivity characteristics at the edges of a given sector; the complexity of manufacturing an active radiating surface of a cylindrical shape and the practical impossibility of obtaining an ideal surface with large absolute dimensions of the antenna (with a diameter of more than 15-20 cm); high sensitivity of the antenna characteristics to the frequency of the emitted signal.

Признаками схожести рассмотренной антенны с изобретением являются наличие криволинейной образующей поверхности излучения; секторная или круговая зона обзора. Signs of similarity of the considered antenna with the invention are the presence of a curved generatrix of the radiation surface; sector or circular field of view.

Известна антенна с секторной диаграммой направленности [2]. Известная антенна состоит из плоского многоэлементного преобразователя, плоская излучающая поверхность которого набрана из отдельных активных ненаправленных элементов, запитываемых через фазовращающие цепи или линии задержки. A known antenna with a sector radiation pattern [2]. The known antenna consists of a flat multi-element transducer, the flat radiating surface of which is composed of separate active non-directional elements, fed through phase-shifting circuits or delay lines.

Причинами, препятствующими применению рассмотренной антенны секторного обзора, являются малая зона обзора (обычно порядка 60^o), высокий уровень дополнительных лепестков или малая крутизна диаграммы направленности, невозможность регулировать независимо друг от друга уровень дополнительных лепестков и крутизну диаграммы направленности, необходимость значительно (в несколько раз) увеличивать ее линейные размеры для улучшения на несколько процентов характеристик диаграммы направленности, сложность питания активных элементов, зависимость ширины диаграммы направленности от частоты.The reasons that impede the use of the sector-wide antenna considered are a small field of view (usually of the order of 60 ^° ), a high level of additional lobes or a small slope of the radiation pattern, the inability to independently control the level of additional lobes and the slope of the radiation pattern, the need is significant (several times ) increase its linear dimensions to improve by several percent the characteristics of the radiation pattern, the complexity of the supply of active elements, we depend st beamwidth with frequency.

Признаками схожести рассмотренной антенны с изобретением являются плоские многоэлементные преобразователи, плоская излучающая поверхность, секторная зона обзора. Signs of similarity of the considered antenna with the invention are flat multi-element converters, a flat radiating surface, a sector field of view.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является "широкополосная антенна с постоянной шириной лепестка" [3]. The closest technical solution to the proposed invention is a "broadband antenna with a constant width of the lobe" [3].

Известная антенна имеет секторную диаграмму направленности и состоит из набора плоских направленных секций преобразователей, расположенных на плоской поверхности излучения, набранных из отдельных ненаправленных активных элементов, запитываемых через фазовращающие цепи или линии задержки. The known antenna has a sector radiation pattern and consists of a set of flat directional sections of the transducers located on a flat radiation surface, assembled from separate non-directional active elements, fed through phase-shifting circuits or delay lines.

Причинами, препятствующими применению рассмотренной антенны, являются большая зависимость неравномерности диаграммы направленности от частоты и от разбросов электромеханических параметров активных элементов антенны; ограниченная зона обзора (порядка 60^o); малый коэффициент осевой концентрации; высокий уровень дополнительных лепестков; зависимость крутизны ската диаграммы направленности на краях сектора от частоты излучаемого сигнала; сложность цепей питания элементов антенны, так как постоянство ширины диаграммы направленности в заданной полосе рабочих частот на стандартном уровне 0,707 достигается за счет выбора геометрического размера плоской секции и фазовращающих цепей или линий задержки практически для каждой из частот; сложность конструкции антенны.The reasons that impede the use of the considered antenna are the large dependence of the irregularity of the radiation pattern on the frequency and on the scatter of the electromechanical parameters of the active elements of the antenna; limited viewing area (about 60 ^o ); low coefficient of axial concentration; high level of additional petals; dependence of the slope of the slope of the radiation pattern at the edges of the sector on the frequency of the emitted signal; the complexity of the power supply circuits of the antenna elements, since the constancy of the width of the radiation pattern in a given band of operating frequencies at a standard level of 0.707 is achieved by choosing the geometric size of the flat section and phase-shifting circuits or delay lines for almost every frequency; antenna design complexity.

Признаками схожести рассмотренной антенны с изобретением являются набор плоских направленных секций; плоская излучающая поверхность, постоянная ширина диаграммы направленности в полосе частот; секторная зона обзора. Signs of similarity of the considered antenna with the invention are a set of flat directional sections; flat radiating surface, constant beam width in the frequency band; sector area of view.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение неравномерности излучения в область обзора; увеличение зоны обзора; повышение коэффициента осевой концентрации; устранение дополнительных лепестков в диаграмме направленности при изменении частоты излучения; достижение постоянства ширины характеристики направленности в широкой полосе рабочих частот; увеличение крутизны ската диаграммы направленности; упрощение конструкции антенны и цепей ее питания. The problem to which the invention is directed, is to reduce the unevenness of radiation in the field of view; increase in the field of view; increase in axial concentration coefficient; elimination of additional lobes in the radiation pattern when the radiation frequency changes; achieving a constant width of the directivity characteristics in a wide band of operating frequencies; increase the slope of the beam pattern; simplification of the design of the antenna and its power circuits.

Для достижения технического результата в антенне с круговой или секторной диаграммой направленности, содержащей ряд направленных преобразователей с плоской апертурой раскрыва, эти направленные преобразователи выполнены в виде преобразователей накачки параметрических излучателей, расположены на криволинейной образующей радиусом r и развернуты один относительно другого так, что акустические оси двух соседних направленных преобразователей не пересекаются, при этом угол α₀ между их осями, линейный размер отдельного направленного преобразователя накачки "а", в соответствующей плоскости сканирования, стрела прогиба h между ними, длины волн частот накачки на нижней частоте λ_н и на верхней частоте λ_в, сектор области обзора α, ширина характеристики направленности по давлению по уровню 0,7-Θ_0,7 и число отдельных направленных преобразователей накачки N, необходимых для перекрытия области обзора α, связаны соотношениями

0,5λ_н ≤ h ≤ λ_в;

Теоретическое обоснование возможности достижения технического результата заключается в следующем.To achieve a technical result in an antenna with a circular or sector beam pattern containing a series of directional transducers with a flat aperture, these directional transducers are made in the form of parametric emitter pump converters, are located on a curved generatrix of radius r and are rotated one relative to the other so that the acoustic axes of two neighboring directional transducers do not overlap, the angle α ₀ between their axes, the linear size of a single directional pre pumping photoelectret "a" in the respective scanning plane, arrow h deflection therebetween, the length of the pump frequency waves at a lower frequency λ _n and λ _at the upper frequency, the sector field of view α, the width of the directional characteristics with respect to pressure by the level of 0,7-Θ _0.7 and the number of individual directional pump transducers N needed to overlap the field of view α are related by

0.5λ _n ≤ h ≤ λ _in ;

The theoretical justification for the possibility of achieving a technical result is as follows.

Так как в качестве направленных преобразователей накачки могут быть использованы преобразователи накачки параметрических излучателей, то известно [4] , что наиболее эффективно нелинейное взаимодействие волн накачки имеет место в случае, если их волновой фронт является плоским, а распространение их является коллинеарным. В реальном случае при распространении волн накачки наиболее эффективное взаимодействие волн происходит, если преобразователь имеет плоскую апертуру, так как в этом случае в ближней зоне преобразователя (равной I_D) распространяется плоская волна. Поэтому в устройстве выбрана плоская апертура преобразователей, а не, например, цилиндрическая или сферическая. Так как в устройстве преобразователи развернуты друг относительно друга на определенный угол α₀, то волны накачки, излучаемые соседними направленными преобразователями, во-первых, не интерферируют между собой, т. е. не влияют на формирование диаграммы направленности соседних преобразователей, во-вторых, эти волны не коллинеарны друг с другом, т.е. взаимодействие волн, проникающих от соседних преобразователей, неэффективно. Если угол выбрать меньше, чем вычисленный по предлагаемой формуле, то диаграмма направленности устройства будет не секторной, а, наоборот, станет обужаться, причем проявится значительная неравномерность более 3 дБ излучения в пределах диаграммы. Если угол α₀ выбрать больше, чем вычисленный по предлагаемой формуле, то в секторной диаграмме направленности появятся значительные провалы более 3 дБ, т.е. секторная диаграмма начнет расщепляться. Подбором угла α₀, в заданных пределах, можно получить секторную диаграмму, у которой неравномерность не превышает 0,5-3 дБ.Since pump converters of parametric emitters can be used as directional pump converters, it is known [4] that the most efficient nonlinear interaction of pump waves occurs if their wavefront is flat and their propagation is collinear. In the real case, when the pump waves propagate, the most effective wave interaction occurs if the transducer has a flat aperture, since in this case a plane wave propagates in the near zone of the transducer (equal to I _D ). Therefore, a flat aperture of the transducers is selected in the device, and not, for example, cylindrical or spherical. Since the transducers in the device are rotated relative to each other at a certain angle α ₀ , the pump waves emitted by adjacent directional transducers, firstly, do not interfere with each other, that is, they do not affect the formation of the radiation pattern of adjacent transducers, and secondly, these waves are not collinear with each other, i.e. the interaction of waves penetrating from adjacent transducers is inefficient. If the angle is chosen smaller than that calculated by the proposed formula, the radiation pattern of the device will not be sector, but, on the contrary, will become narrower, and significant irregularity of more than 3 dB of radiation within the diagram will appear. If the angle α _{0 is} chosen greater than that calculated by the proposed formula, then significant dips of more than 3 dB will appear in the sector radiation pattern, i.e. the pie chart will begin to split. By selecting the angle α ₀ , within the specified limits, you can get a sector diagram, in which the unevenness does not exceed 0.5-3 dB.

Известно [4] , что диаграмма направленности параметрического излучателя практически постоянна в широкой полосе рабочих частот и в диаграмме направленности рабочего сигнала, образованного в результате нелинейного взаимодействия волн накачки, практически нет боковых лепестков, поэтому в секторной диаграмме заявляемого устройства также отсутствуют боковые лепестки и она постоянна в широкой полосе частот. It is known [4] that the directivity pattern of a parametric emitter is practically constant in a wide band of operating frequencies and in the directivity pattern of the working signal generated as a result of nonlinear interaction of pump waves, there are practically no side lobes, therefore there are also no side lobes in the sector diagram of the inventive device and it is constant in a wide band of frequencies.

Коэффициент осевой концентрации предлагаемой антенны выше, чем у прототипа, так как раскрыв диаграммы направленности на разностной рабочей частоте равен раскрыву на частоте накачки, при этом ширина диаграммы по заданному уровню определяется геометрическим размером на частоте накачки. The axial concentration coefficient of the proposed antenna is higher than that of the prototype, since opening the radiation pattern at the differential operating frequency is equal to the opening at the pump frequency, while the width of the diagram at a given level is determined by the geometric size at the pump frequency.

Известным является также тот факт, что диаграмма направленности рабочего сигнала параметрического излучателя не зависит от частоты [4], поэтому форма круговой или секторной диаграммы не зависит от частоты, то есть неравномерность диаграммы и крутизна ската ее на краях сектора остаются постоянными в широкой полосе частот. Как правило, в качестве рабочего сигнала применяется сигнал разностной частоты F_= f_в - f_н, однако может быть использован и сигнал суммарной частоты F = f_в + f_н.It is also known that the radiation pattern of the working signal of a parametric emitter does not depend on the frequency [4], therefore, the shape of a pie or sector diagram does not depend on the frequency, that is, the irregularity of the diagram and its slope at the edges of the sector remain constant in a wide frequency band. As a rule, the difference frequency signal F_ = f _in - f _n is used as the working signal, however, the signal of the total frequency F = f _in + f _n can also be used.

Все преобразователи накачки могут запитываться по одному или нескольким каналам, но при этом в цепях питания отсутствуют фазовращатели или линии задержки. All pump converters can be powered by one or several channels, but there are no phase shifters or delay lines in the power circuits.

Количество преобразователей накачки влияет на крутизну ската на краях сектора. Если в устройстве используются два преобразователя накачки, то крутизна ската диаграммы приблизительно в два раза выше, чем у прототипа на нижней частоте диапазона. В случае использования большого количества преобразователей накачки, развернутых под углом α относительно друг друга, может быть сформирована почти идеальная П-образная секторная диаграмма направленности. The number of pump converters affects the slope of the ramp at the edges of the sector. If the device uses two pump converters, then the slope of the slope of the diagram is approximately two times higher than that of the prototype at the lower frequency of the range. In the case of using a large number of pump converters deployed at an angle α relative to each other, an almost ideal U-shaped sector beam pattern can be formed.

Количество одновременно включенных преобразователей накачки определяет сектор или зону обзора, поэтому простым отключением или подключением необходимого числа преобразователей накачки можно оперативно управлять секторной диаграммой направленности и увеличить сектор обзора вплоть до кругового. The number of simultaneously switched pump converters determines the sector or area of view, therefore, by simply disconnecting or connecting the required number of pump converters, you can quickly control the sector beam pattern and increase the field of view up to circular.

Анализ известных технических решений показывает, что изобретение соответствует критерию новизны и изобретательского уровня. Analysis of the known technical solutions shows that the invention meets the criteria of novelty and inventive step.

На фиг. 1 изображена схематично антенна с круговой (секторной) диаграммой направленности. In FIG. 1 shows a schematic antenna with a circular (sector) radiation pattern.

На фиг. 2 - часть секторной диаграммы направленности, формируемой двумя отдельными направленными преобразователями накачки на рабочей частоте этой же антенной. In FIG. 2 - part of a sector radiation pattern formed by two separate directional pump converters at the operating frequency of the same antenna.

Антенна состоит (фиг. 1) из отдельных направленных преобразователей накачки параметрических излучателей 1, расположенных на криволинейной образующей 2 радиусом r и развернутых один относительно другого так, что акустические оси двух соседних преобразователей образуют угол α₀. Все преобразователи накачки направленные и имеют плоскую апертуру раскрыва размером "а". Величина стрелы прогиба h выбрана между двумя соседними преобразователями в пределах 0,5λ_н ≤ h ≤ λ_в.
Устройство работает следующим образом.The antenna (Fig. 1) consists of separate directional pump converters of parametric emitters 1 located on a curved generatrix 2 of radius r and deployed one relative to the other so that the acoustic axes of two adjacent converters form an angle α ₀ . All pump converters are directional and have a flat aperture of size a. The magnitude of the deflection arrow h is selected between two adjacent transducers within 0.5λ _n ≤ h ≤ λ _in .
The device operates as follows.

Для излучения акустических волн в заданный сектор или в зону обзора на преобразователи накачки 1 подают две или несколько частот накачки. For the emission of acoustic waves into a given sector or into the field of view, two or more pump frequencies are supplied to the pump converters 1.

Цифрами 3, 4 обозначены пространственные области нелинейной среды распространения частот волн накачки для каждого отдельного направленного преобразователя, в которых генерируются сигналы и формируются диаграммы направленности 5 рабочей (разностной) частоты. Все преобразователи 1 одновременно излучают волны накачки, то есть каждый из этих преобразователей излучает акустические сигналы, например, с двумя частотами f_н и f_в. В среде распространения 3 в результате нелинейного взаимодействия формируются сигналы рабочей частоты F_ = f_в ± f_н.The numbers 3 and 4 denote the spatial regions of the nonlinear medium of propagation of the frequencies of the pump waves for each individual directional converter, in which signals are generated and radiation patterns 5 of the operating (difference) frequency are generated. All transducers 1 simultaneously emit pump waves, that is, each of these transducers emits acoustic signals, for example, with two frequencies f _n and f _in . In the propagation medium 3 as a result of nonlinear interaction, the signals of the working frequency F_ = f _in ± f _{n are formed} .

Каждый из преобразователей накачки 1 формирует (фиг.2) на рабочей частоте диаграмму направленности 5 (сплошные линии). Круговая или секторная диаграмма направленности 6 (пунктирная линия) является суммой диаграмм 5. Причем отдельные преобразователи накачки 1 расположены относительно друг друга под таким углом α₀ и стрела прогиба h выбрана так, что, с одной стороны, каждый из этих преобразователей накачки формирует свою диаграмму направленности сигнала рабочей частоты 5 и не влияет на диаграммы направленности 5 рабочего сигнала, формируемые соседними преобразователями.Each of the pump converters 1 forms (figure 2) at the operating frequency a radiation pattern 5 (solid lines). A circular or sectorial radiation pattern 6 (dashed line) is the sum of the diagrams 5. Moreover, the individual pump converters 1 are located relative to each other at such an angle α ₀ and the deflection arrow h is selected so that, on the one hand, each of these pump converters forms its own diagram the directivity of the working frequency signal 5 and does not affect the radiation patterns 5 of the working signal generated by adjacent converters.

С другой стороны, между диаграммами направленности 5 рабочего сигнала, формируемыми соседними преобразователями, не образуются зоны 4, в которых излучение меньше установленного уровня 3 дБ, т.е. в суммарной секторной или круговой диаграмме направленности 5 отсутствуют провалы или выбросы. Экспериментальным путем найдено, что минимальное значение величины h, влияющей на угол α₀, не должно быть меньше половины длины акустической волны на нижней частоте накачки f_н, а максимальное значение h не должно превышать длину волны на верхней частоте накачки f_в. В этих случаях заявляемое устройство формирует круговую или секторную диаграмму направленности 5, неравномерность которой не превышает стандартную норму, принятую в акустических измерениях, равную 3 дБ.On the other hand, between the radiation patterns 5 of the working signal generated by adjacent converters, zones 4 are not formed in which the radiation is less than the set level of 3 dB, i.e. there are no dips or outliers in the total sector or pie pattern 5. It was found experimentally that the minimum value of h affecting the angle α ₀ should not be less than half the acoustic wavelength at the lower pump frequency f _n , and the maximum value h should not exceed the wavelength at the upper pump frequency f _c . In these cases, the inventive device forms a circular or sector beam pattern 5, the unevenness of which does not exceed the standard norm adopted in acoustic measurements, equal to 3 dB.

Предлагаемая антенна может найти свое применение в локационных устройствах обнаружения объектов в условиях ограниченного пространства, в частности в задачах гидролокации для обнаружения и распознавания малоразмерных объектов, находящихся в приповерхностном или придонном слое; для прецизионного донного профилирования осадков; обнаружения заиленных объектов с высокой пространственной разрешающей способностью; при проведении дноуглубительных работ, прокладки линий связи, трубопроводов; для построения измерительных широкополосных акустических излучателей при градуировке звукоприемников в лабораторных и натурных условиях и т.д. The proposed antenna can find its application in location-based devices for detecting objects in confined spaces, in particular in sonar problems for the detection and recognition of small-sized objects located in the near-surface or near-bottom layer; for precision bottom sediment profiling; detection of silted objects with high spatial resolution; during dredging, laying communication lines, pipelines; for constructing measuring broadband acoustic emitters when calibrating sound receivers in laboratory and field conditions, etc.

Источники информации
1. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн.- Л., 1973, с. 127-131.Sources of information
1. Smaryshev M.D. Orientation of hydroacoustic antennas. - L., 1973, p. 127-131.

2. Зелкин Е.Г. Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности. - Л., 1963, с. 176-184. 2. Zelkin EG Construction of a radiating system according to a given radiation pattern. - L., 1963, p. 176-184.

3. Д. Такер. Гидролокаторы/ В кн. "Подводная акустика" под ред. Л.М. Бреховских, М.: Мир, 1965, с. 45 - 47. 3. D. Tucker. Sonar / In the book. "Underwater Acoustics" ed. L.M. Brekhovskikh, Moscow: Mir, 1965, p. 45 - 47.

4. Новиков Б.К, Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика/Л. : Судостроение, 1981, с. 264. 4. Novikov B.K., Rudenko OV, Timoshenko V.I. Nonlinear sonar / L. : Shipbuilding, 1981, p. 264.

Claims (1)

Антенна с круговой или секторной диаграммой направленности, содержащая ряд направленных преобразователей с плоской апертурой раскрыва, отличающаяся тем, что направленные преобразователи выполнены в виде преобразователей накачки параметрических излучателей, расположены на криволинейной образующей радиусом r и развернуты один относительно другого так, что акустические оси двух соседних направленных преобразователей накачки не пересекаются, при этом угол α_o между их осями, линейный размер отдельного направленного преобразователя накачки a, в соответствующей плоскости сканирования, стрела прогиба h между ними, длины волн частот накачки на нижней частоте λ_н и на верхней частоте λ_в, сектор области обзора α, ширина характеристики направленности по давлению по уровню 0,7-θ_0,7 и число отдельных направленных преобразователей накачки N, необходимых для перекрытия области обзора α, связаны соотношениями

0,5λ_н≤ h ≤ λ_в;

An antenna with a circular or sector beam pattern containing a series of directional transducers with a flat aperture aperture, characterized in that the directional transducers are made in the form of pump converters of parametric emitters, are located on a curved generatrix of radius r and are rotated one relative to the other so that the acoustic axes of two adjacent directional pump transducers do not overlap, the angle α _o between their axes, the linear size of a single directional converter achki a, in the respective scanning plane, arrow h deflection therebetween, the length of the pump frequency waves at a lower frequency λ _n and λ _at the upper frequency, the sector field of view α, the width of the directional characteristics with respect to pressure on a level 0.7-θ _0.7 and the number of individual directional pump transducers N, necessary to overlap the field of view α, are related by the relations

0.5λ _n ≤ h ≤ λ _in ;

Images