СФЕРИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С ПЕРЕМЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H01Q15/02 

Настоящее изобретение относится к антенной технике, а именно к линзовым антеннам, применяемым в разнообразных радиотехнических системах.

Уникальные свойства линз из диэлектрика с переменным показателем преломления (линзы Люнеберга, Масквелла, Итона и др.), особенно их практически неограниченная широкоугольность, многоканальность и широкополосность, предопределяют возможность их эффективного применения в многоканальных системах связи, телевидения и радиолокации.

Однако широкому использованию линз препятствует их высокая стоимость, так как существующие конструкции линз с переменным показателем преломления среды, в которых обеспечивается изменение диэлектрической проницаемости ε с высокой точностью соответствия заданному закону, весьма трудоемки и требуют большого количества ручного труда при изготовлении.

Широко известны сферические линзы с переменным показателем преломления, содержащие набор оболочек однородного диэлектрика, при этом диэлектрическая проницаемость и толщина каждой оболочки подбираются такими, чтобы с максимальной точностью аппроксимировать требуемое непрерывное изменение ε вдоль радиуса линзы.

Однако для вышеуказанных сферических линз с ростом рабочей частоты, наряду с необходимостью уменьшения абсолютной толщины слоев-оболочек, повышаются требования к точности выполнения сферических поверхностей и ужесточаются допуски на отклонение величины ε от требуемого значения, что существенно усложняет процесс изготовления линзы и увеличивает ее стоимость, особенно для КВЧ и коротковолновой части СВЧ диапазонов.

Кроме того, известны конструкции сферических линз с переменным показателем преломления, содержащие одинаковые по размерам кубические модули из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в параллельных горизонтальных слоях в соответствии с законом изменения диэлектрической проницаемости. В этих линзах кубические модули соединены между собой склеивающим адгезионным материалом.

Характеристики указанных линз существенно лучше по сравнению с аналогами, поскольку имеется возможность отбраковки модулей, не удовлетворяющих требованиям по коэффициенту преломления, однородности и изотропности.

Более того, как показали экспериментальные исследования, для обеспечения необходимых характеристик излучения, в линзах одинакового диаметра требуется гораздо меньше градаций кубических модулей по величине ε по сравнению с числом оболочек сферической формы. Так, например, девятислойная линза по своим характеристикам эквивалентна линзе, собранной из кубических модулей, имеющих всего четыре градации по значению ε.

Но и эти конструкции сферических линз имеют следующие недостатки:
сложна и трудоемка сборка сферической линзы с применением клеевых композиций;
в теле линзы имеется большое количество протяженных неоднородностей, образованных границами между модулями и границами между слоями модулей, а также неоднородностей, образованных клеевыми прослойками, что вызывает дополнительные потери в коэффициенте усиления линзы на рассеяние энергии до 2 дБ и более, а регулярный характер части неоднородностей порождает частотную зависимость коэффициента усиления ориентировочно в тех же пределах.

Целью изобретения является создание сферической линзы с переменным показателем преломления с конструктивным выполнением, позволяющим упростить сборку линзы с одновременным улучшением радиотехнических параметров, из-за уменьшения упомянутых неоднородностей среды линзы.

Это решается тем, что в сферической линзе с переменным показателем преломления, содержащей одинаковые по размерам кубические модули из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в параллельных горизонтальных слоях в соответствии с законом изменения диэлектрической проницаемости, для взаимного сцепления смежных модулей, в каждом модуле на одной паре противолежащих боковых граней выполнены друг против друга продольные пазы, а на другой паре выступы, причем продольные пазы и выступы имеют одинаковые сечения, при этом смежные кубические модули каждого горизонтального слоя смещены по вертикали относительно друг друга, а по окружности на поверхности сферической линзы размещен вновь введенный пояс с крепежными узлами на его наружной поверхности.

Таким образом, обеспечивается прочная бесклеевая сборка модулей между собой в единую конструкцию тела линзы.

Модули изготавливаются в необходимом ассортименте по требуемым градациям значений ε. Заданный закон изменения ε в теле линзы обеспечивается ее сборкой путем установки взаимосцепляющихся модулей в порядке, определенном послойными картами сборки.

Такое конструктивное решение обеспечивает простоту, надежность и высокую производительность процесса сборки, а также возможность роботизации этого процесса, так как координаты места установки любого модуля в каждом слое строго определены, и также известны координаты точек нахождения модулей с соответствующими им значениями ε в кассе модулей.

Наличие в сборочных модулях выступов-соединителей и пазов к ним обеспечивает взаимное проникновение друг в друга модулей с различными ε, что размывает границы между модулями и делает собираемую диэлектрическую среду более монотонной, без резких регулярных перепадов ε, что также улучшает радиотехнические характеристики линз.

Размывание границ между слоями обеспечивается ступенчатой структурой слоев, при которой соседние элементы смещены относительно друг друга по высоте. Этим же обеспечивается поперечная жесткость конструкции линзы.

Таким образом, предлагаемая конструкция линз обеспечивает сокращение трудоемкости, возможность роботизации процесса сборки и улучшение радиотехнических характеристик. При этом потери в коэффициенте усиления линзы уменьшаются не менее, чем на 1-2 дБ.

Изобретение поясняется подробным описанием конкретного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи на которых на фиг.1 изображен сборочный модуль; на фиг.2 собранный слой линзы; на фиг.3 разрез собранной линзы.

Сферическая линза из неоднородного диэлектрика, выполненная согласно изобретению, состоит из взаимносцепляющихся кубических модулей 1 (фиг.1), на гранях каждого из которых имеются два выступа 2 и два ответных паза 3 для выступов смежных модулей.

Линза собирается послойно в последовательности, определенной картами или программами сборки, где указаны координаты модулей, или соответствующими значениями ε. Вид сверху на собранный слой приведен на фиг.2.

Взаимное сцепление между слоями обеспечивается ступенчатой структурой слоев, при котоpой смежные модули смещены относительно друг друга, например, на половину их высоты. Ступенчатая структура слоев показана на фиг.3, где 1 модули одного слоя, а 4 граница между слоями. Сначала собираются две полусферы на поддонах, обеспечивающих взаимодополняющую ступенчатую структуру экваториальных слоев линзы. На этих же поддонах производится механическая обработка полусфер для получения наружной сферической поверхности заданных размеров и чистоты. Затем полусферы заключаются в радиопрозрачные защитно-декоративные оболочки 5, после чего соединяются в сферу и скрепляются друг относительно друга соединительным поясом из стеклопластинка 6, на котором размещены крепежные узлы линзы 7.

Предложенная конструкция линзы отвечает цели изобретения, а именно, обеспечивает минимальную трудоемкость сборки и улучшает радиотехнические характеристики линзы.

Изобретение наиболее целесообразно использовать для наземной многоканальной связи, в системе многоканальной спутниковой связи со спутниками на геостационарной орбите, в том числе в системе спутникового телевидения в целях одновременного приема-передачи информации от нескольких источников сигнала с одинаковой эффективностью приема (передачи) в широком секторе углов, а также для пассивных и активных ретрансляторов, отражателей и радиолокационных многолучевых антенн.

Использование: в линзовых антеннах. Сущность изобретения: сферическая линза с переменным показателем преломления выполнена из кубических модулей 1, на боковых гранях которых выполнены сопрягаемые пазы и выступы, посредством которых эти модули 1 соединены в параллельные горизонтальные слои, причем смежные модули 1 каждого слоя смещены по вертикали один относительно другого. Модули выполнены из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости и размещены в слоях в соответствии с заданным законом изменения диэлектрической проницаемости. Линза снабжена поясом 6 с узлами крепления 7 линзы. 3 ил.

СФЕРИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С ПЕРЕМЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, содержащая одинаковые по размерам кубические модули из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в параллельных горизонтальных слоях в соответствии с заданным законом изменения диэлектрической проницаемости, отличающаяся тем, что в каждом кубическом модуле на одной паре противолежащих боковых граней выполнены один против другого продольные пазы, а на другой паре противолежащих боковых граней - продольные выступы, сечение которых соответствует сечению продольных пазов, смежные кубические модули каждого горизонтального слоя смещены по вертикали один относительно другого, введен пояс с размещенными на нем узлами крепления сферической линзы, расположенный на ее наружной поверхности.