КОЛЛИМАТОР СВЧ Российский патент 1994 года по МПК G01R29/10 

Изобретение касается антенных измерений и может быть использовано для построения компактных антенных полигонов СВЧ-диапазона.

Для уменьшения размеров антенного полигона используют коллиматоры, у которых вблизи от раскрыва формируется плоская волна, распространяющаяся перпендикулярно к раскрыву.

Известен коллиматор СВЧ, который содержит осесимметричную линзу (t = 20 мм), выполненную из однородного диэлектрика с малыми диэлектрическими потерями (фторопласт), и облучатель с осесимметричной диаграммой направленности, установленный в фокусе линзы.

Недостатком этого коллиматора является невысокий уровень электромагнитного поля в его рабочей зоне, обусловленный тем, что из-за требования однородности распределения электромагнитного поля в раскрыве коллиматора необходимо использовать облучатели с широкой диаграммой направленности. Широкий сектор облучения приводит к рассеянию значительной доли мощности вне коллиматора и как следствие - к низкому уровню поля в рабочей зоне антенного полигона.

Цель изобретения - увеличение уровня электромагнитного поля в рабочей зоне коллиматора без ухудшения однородности поля.

Для этого в устройстве, содержащем осесимметричную линзу, выполненную из однородного диэлектрика, и облучатель с осесимметричной диаграммой направленности, установленный в фокусе линзы, облучатель выполнен с шириной диаграммы направленности равной (0,4-2,1) 2 Ψ_o где 2 Ψ_o - угол раскрыва линзы, линза выполнена из диэлектрика с потерями, причем значение тангенса угла потерь выбрано в пределах 5х10^-3-5х10^-2, а толщина линзы t_л выбрана из условия равенства затухания в центральной части линзы уровню поля на ее кромке и определяется соотношением
t_л= ln[A(Ψ₀·f(Ψ₀)], (1) где λ_д - длина волны в диэлектрике;
tg δ - тангенс угла потерь;
A (Ψ_o) - значение множителя амплитудного распределения линзы на ее кромке;
f (Ψ_o) - значение диаграммы направленности облучателя в направлении на кромку линзы.

Коллиматор СВЧ показан на фиг.1 и 2.

Он содержит диэлектрическую линзу 1, облучатель 2, поглощающий материал 3, металлический (экранирующий) корпус 4.

Коллиматор СВЧ работает следующим образом.

Облучателем 2 создается волна, падающая на линзу 1 и имеющая волновой фронт, близкий к сферическому в секторе ± Ψ_o (2 Ψ_o угол раскрыва линзы). После преломления в линзе 1 вблизи ее теневой поверхности формируется электромагнитное поле с почти синфазным распределением в плоскостях, перпендикулярных фокальной оси. Это поле должно, во-первых, иметь малые отклонения фазы Δϕ от постоянной величины, что достигается выбором облучателя (имеющего четко выраженный фазовый центр). Во-вторых, поле должно мало отличаться от однородного, т.е. плотность потока мощности в поперечных сечениях должна мало отличаться от постоянной величины. На выходе линзы поле должно быть близким к однородному, ширина ДН облучателя (2 _Ψ0,5) должна быть по крайней мере больше угла раскрыва.

Расширение ДН облучателя приводит к уменьшению его коэффициента усиления и, следовательно, к уменьшению уровня поля в рабочей зоне коллиматора.

Ширина ДН облучателя выбирается равной (0,4-2,1)2 Ψ_o. При этом увеличивается спад поля к краям линзы, т.е. возрастает его неравномерность. Для компенсации этого эффекта линза выполнена из материала с заметными диэлектрическими потерями. Наличие потерь в диэлектрике ослабляет поле в центральной части в большей мере, чем на периферии линзы.

Варьируя диаграмму направленности облучателя, параметры линзы и затухание в материале, можно восстановить однородность поля, ухудшенную сужением ДН облучателя. Для этого должно выполняться условие равенства затухания в центре линзы уровню поля на ее краю, т.е.

f²(Ψ₀)A²(Ψ₀)= e, (2) где f_л - толщина линзы; α - коэффициент затухания.

Таким образом наибольшая однородность поля будет, когда толщина линзы выбрана равной (1).

Существует множество значений толщины линзы, при которых можно обеспечить более равномерное поле за счет затухания в материале линзы. Однако при определенных значениях ширины ДН облучателя и тангенса угла потерь можно добиться увеличения уровня поля по сравнению с линзой без потерь.

Оптимальному значению соответствует ширина ДН облучателя, равная (при значениях 2 Ψ_o = 20-50^о).

2 Ψ_0,5= 2 Ψ_o (0,595-0,629) , (3) а уровень поля на краю линзы, равный затуханию в центральной ее части
e=cos^mΨ₀=0,374...0,405
(4)
При выполнении линзы из материала без потерь ширина ДН облучателя должна быть большей. Сравнение плотностей потока мощности для линзы без потерь, но с более широкой ДН и линзы с потерями, но более узкой ДН облучателя показывает, что результирующий эффект состоит в увеличении плотности потока мощности при наличии потерь. Наличие потерь дает эффект увеличения плотности потока мощности в 2,4-1,7 раза.

Положительный эффект сохраняется и при более узких ДН облучателя. Однако из-за возрастания фазовой ошибки излученного поля в направлениях, удаленных от нормали, выбирать уровень облучения краев линзы менее ≈ -10 дБ нецелесообразно. Кроме того, "выигрыш" в этом случае снижается и составляет при уровне -10 дБ величину порядка 1,7-1,09, при тех же параметрах 2 Ψ_o. Ширина ДН облучателя при этом выбирается равной (0,38-0,4)2Ψ_o.

Увеличение уровня сигнала при выполнении линзы из материала с потерями в действительности будет значительно большим, так как из-за влияния амплитудного множителя, не равного единице (как это принималось выше), ширина ДН облучателя в прототипе не будет равной 2 Ψ_o, а значительно большей (близкой к 180^о).

Устройство может быть реализовано следующим образом. Необходимое значение потерь достигается применением в качестве диэлектрика материала с умеренными потерями, например пенополиуретана. В зависимости от марки значение ε для них составляет от 1,05 до 1,2-1,4, а tgδ = 10^-3-10^-2. Линза может выполняться с преломляющей освещенной и плоской теневой поверхностью или двоякопреломляющей. Облучатель может быть выполнен в виде синфазного рупора с импедансными стенками (канавками). Требуемое значение ширины ДН 15-35^о легко достижимо.

Кроме того, коллиматор СВЧ улучшает равномерность поля в рабочей зоне коллиматора без связи со свойствами облучателя. В линзе существуют многократно отраженные волны от обеих преломляющих поверхностей. Складываясь с прошедшей волной, они вызывают осцилляцию амплитудного распределения поля.

Таким образом, амплитуда осцилляций оказывается меньшей (для оптимального случая ≈ в 2,5 раза, для случая с уровнем поля на краю - 10 дБ, соответственно в 10 раз).

Использование: для построения компактных антенных полигонов СВЧ-диапазона и проведения антенных измерений. Сущность изобретения: коллиматор содержит осесимметричную линзу 1, выполненную из однородного диэлектрика, тангенс угла потерь которого выбран в пределах 5· 10^-3 ...5·10^-2 , облучатель 2 с осесимметричной диаграммой направленности шириной равной (0.4 ...2.1)2Ψ₀ , где Ψ₀ - угол раскрыва линзы, при этом толщина линзы t_л выбрана из условия равенства затухания в центральной части линзы уровню поля на ее кромке и определяется соотношением: t_л=λ_д/(Πtgδ)·ln[A(Ψ₀·f(Ψ₀)] , где λ_д - длина волны в диэлектрике; tgδ - тангенс угла потерь; A(Ψ₀) - значение множителя амплитудного распределения линзы на ее кромке; f(Ψ₀) - значение диаграммы направленности облучателя в направлении на кромку линзы. 2 ил.

КОЛЛИМАТОР СВЧ, содержащий осесимметричную линзу, выполненную из однородного диэлектрика и облучатель с осесимметричной диаграммой направленности, установленной в фокусе линзы, отличающийся тем, что облучатель выполнен с шириной диаграммы направленности, равной (0,4...2,1) 2ϑ_o , где 2ϑ_o - угол раскрыва линзы, а линза выполнена из диэлектрика с потерями, причем значение тангенса угла потерь диэлектрика выбрано в пределах tg δ = 0,5˙10^-3 - 5˙10^-2 , толщина линзы выбрана равной
t_л= ln[A(Ψ₀·f(Ψ₀)],
где λ_д - длина волны в диэлектрике;
tg δ - тангенс угла потерь диэлектрика;
A(ϑ_o) - значение амплитудного множителя линзы на ее кромке;
f (ϑ_o) - значение диаграммы направленности облучателя на его кромке.