ЛАЗЕРНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q13/20 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для передачи информации в УКВ-диапозоне электромагнитных волн, когда необходимо достижение высокой направленности излучения при относительно малых физических размерах антенных систем.

Цель изобретения обеспечение возможности сканирования ДН и регулирования ее ширины путем управления пучком излучения лазера.

Изобретение стало возможным благодаря выявленной авторами возможности управления расходимостью излучения (шириной диаграммы направленности) и направлением излучения поверхностных радиоволн УКВ диапазона, путем изменения расходимости и углового положения лазерного луча в реальном (радиолокационном) масштабе времени. Изменение параметров радиоизлучения, в свою очередь, позволяет уменьшить количество просматриваемых элементов пространства путем расширения диаграммы направленности антенны (в режиме обзора), а при получении отметки от цели измерить ее точные угловые координаты узким лучом (в режиме измерения).

На чертеже 1 приведена функциональная схема лазерной антенны поверхностной волны (АПВ), на чертеже 2 и 3 примеры конструктивного исполнения блоков управления расходимостью излучения и угловым положением лазерного луча.

На чертежах представлены: 1 устройство возбуждения поверхностной радиоволны (рупорная антенна); 2 раскрыв рупора; 3 кварцевое стекло; 4 - оптическая ось антенны; 5 луч лазера (слабо ионизированная воздушная среда); 6 металлизированное покрытие (микронный слой металла); 7 лазер (источник ионизирующего излучения); 8 штырь связи (устройство возбуждения радиоволны в антенне); 9 оптическое устройство управления расходимостью и направлением радиоизлучения и приема отраженных сигналов (блок УПР); 9.1-9.2 оптические вход и выход блока УПР соответственно; 9.3 вход управления расходимостью радиоизлучением (первый управляющий вход блока УПР); 9.4- вход управления направлением радиоизлучением (второй управляющий вход блока УПР); 10 - фокусирующая система; 11 сканер (электромеханическое устройство управления угловым положением лазерного луча); 12 силовая платформа; 13 первое кинематическое звено; 14 силовой следящий привод; 15 блок электрооптических линз; 16 блок генераторов импульсов; 17 блок схем "И"; 18 блок счетчиков импульсов; 19 фотодиод; 20 линия задержки; 21 блок линз; 22, 23 второе и третье кинематическое звено, соответственно; 24, 25 - первый и второй двигатель, соответственно; 26 отражающее зеркало.

Согласно фиг. 1 предлагаемая антенна содержит устройство возбуждения поверхностной волны (ВПВ) 1 вдоль слабоионизированного канала лазерного следа 5 в воздушной среде, образованного при прохождении через последнюю лазерного импульса. Устройство ВПВ может быть выполнено цилиндрической и прямоугольной формы. Геометрические размеры его выбираются в зависимости от частоты излучаемых радиоволн и его электрической прочности из соотношений:

где a,b линейные размеры отрезка волновода 1;
Р_пред предельная мощность, пропускаемая через устройство ВПВ;
Е_пред предельная напряженность электрического поля (напряженность пробоя среды, заполняющей волновод; для воздуха Е_пред=29 кв/см).

Для повышения электрической прочности излучателя 1 он может быть заполнен шести- фтористой серой SF₆,имеющей E_пред=90 кв/см. В целях улучшения согласования излучателя со свободной средой и ионизированным каналом 5 последний может быть снабжен раструбом (отрезком рупора) 2. Размеры и угол раскрыва рупора 2 подбираются экспериментально. Чтобы уменьшить боковые лепестки, на внутренней поверхности рупора могут быть нанесены поглощающие покрытия и установлены элементы корректировки фазового фронта радиоволны металлического или диэлектрического типа. На коротко замкнутом отрезке волновода 1 установлено кварцевое стекло 3. Оно предназначено для герметизации устройства 1 и пропускания через него луча лазера 5. На кварцевое стекло 3 со стороны отрезка волновода 2 нанесено высокопроводящее металлизированное покрытие 6 микронного слоя (например, золото, серебро и т.п.) Толщина покрытия выбирается из условия пропускания излучения лазера 7 и электрического короткого замыкания отрезка волновода 1.

На расстоянии λ/4 от короткозамкнутого конца отрезка волновода 1 установлено устройство связи штыревого или петлевого типа, предназначенное для соединения антенны с выходом передатчика радиоволн и входом приемника (через антенный переключатель).

Для придания замедляющих свойств ионизированной среде лазерного излучения в канале 5 (уменьшения расходимости радиоизлучения) необходимо, чтобы диэлектрическая проницаемость в лазерном следе была меньше диэлектрической проницаемости воздушной среды вне лазерного луча .

Величина ε_г является функцией плотности зарядов (положительных отрицательных ионов) в следе 5

где w=2πf круговая частота электромагнитной волны;
n требуемая концентрация зарядов в линии поверхностной волны 5;
для атмосферных условий вблизи поверхности Земли.

Решая уравнение (1) относительно "n" при f₁=300 МГц (λ=1 м) и f₂=30 МГц (λ=10 м), находим n₁≈10⁹см_-3, n₂≈10⁷см^-3. Такую плотность зарядов в лазерном следе можно получить при многофотонной ионизации легко ионизируемых составляющих воздушной среды, например озона (о₃), концентрация которого в приземном слое атмосферы составляет величину n≈10¹²см^-3. Для создания такой концентрации носителей зарядов в каналах длиной до 0,1.10 км целесообразно использовать УФ-лазеры с длиной волны 0,12-0,28 мкм. Нижняя граница указанного рационального диапазона электромагнитных волн выбрана из условия исключения фотоионизаций азота, составляющего ≈80% объема воздушной среды, что позволяет избежать сильного затухания УФ-излучения в атмосфере. Верхняя граница выбрана из условия обеспечения малоэнергетического режима ионизации (фотоионизации) воздуха. При этом для уменьшения энергетических затрат конкретная длина волны излучения лазера 7 может выбираться из условия согласования требуемой длины L ионизированного канала (обеспечивающей необходимый КПД антенны и расходимость радиоизлучения _θ) с длиной затухания (L_зат) лазерного излучения в атмосфере (соответствующей уменьшению интенсивности излучения в e ≃ 2,73 раз).

Так, для создания и поддержания в воздушной среде ионизированного канала с концентрацией пар ионов 10^7 oC10⁸см^-3, длиной L_зат=100 и диаметром d=1см требуются следующие характеристики эксимерного лазера с активной средой:
длина волны λ = 0,193 мкм;;
интенсивность I=6•10 вт/см;
длительность импульса τ_и= 10 с;;
частота импульсов F=200 Гц.

Относительно редкая частота посылок лазерных импульсов подтверждается экспериментальными данными, приведенными в работе Кушмана Д.Б, Саумана Н.А.

За время 10^-7с (после прохождения лазерного импульса) в результате реакции присоединения электронов к нейтральным атомам кислорода вдоль лазерного следа в воздушной среде (при нормальных атмосферных условиях) электронная "плазма", созданная лазерным излучением, преобразуется в ионную. Последняя существует единицы мс. Аналогичное время существования ионной плазмы (Т_с= 5•10^-3с соответствует частоте посылок лазерных импульсов 200 Гц.

С учетом этого средняя мощность лазерного излучения, необходимая для создания в воздушной среде лазерной антенны поверхностной волны с длиной и диаметром ионизированного шнура L=100 м и d=1, см будет равна

Таким образом, реализация лазерных антенн с L=100 м с энергетической точки зрения проблемы не представляет.

Для L= 100 м ширина диаграммы направленности КПД лазерной антенны поверхностной волны составляют:

Реализация таких характеристик направленности в обычных антенных системах рефлекторного типа требует в УКВ диапазоне площадей раскрыва излучающей аппаратуры ≈300 м² для l=1 м и более 10⁴м² для λ = 10 м..

Дальнейшее повышение направленных свойств лазерных АПВ путем увеличение L может быть обеспечено на основе использования двухчастотного метода ионизации, позволяющего увеличить длину слабоионизированного канала до десятков км в плотных слоях атмосферы. В этом случае источник ионизирующего излучения 7 выполняется на основе неодимового и CO₂ лазеров с устройством оптического совмещения лучей лазеров с помощью зеркальных и линзовых систем. Между лазером 7 и устройством возбуждения поверхностной волны 1 устанавливается оптическое устройство управления угловой расходимостью и направлением радиоизлучения 9.

В простейшем случае оптическое устройство содержит два раздельных функциональных элемента: фокусирующую систему 10 и сканер 11. Согласно фиг. 2 фокусирующая система 10 содержит блок линз 21. Одна из линз блока 21 соединена через кинематическое звено 23 с двигателем 24 реверсивного типа. Управляющий вход реверсивного двигателя 24 является входом 9.3 управления расходимостью излучения АПВ.

Принцип управления расходимостью радиоизлучения АПВ с помощью системы 10 состоит в следующем. При подаче управляющего напряжения U₁ реверсивный двигатель 24 начинает вращаться. Направление вращения определяется знаком U₁. С помощью кинематического звена 22 вращательное движение двигателя 24 преобразуется в поступательное. При этом одна из линз блока 21, соединенная с кинематическим звеном 22, перемещается вдоль направления прохождения луча от лазера 7. За счет изменения фокусного расстояния изменяется расходимость γ-луча 5 лазера 7. Изменение расходимости луча приводит к изменению площади его поперечного сечения на заданной дальности

где d₀ начальный диаметр лазерного луча (на выходе лазерной АПВ).

Как следствие, меняется интенсивность (плотность мощности) лазерного излучения

где P,S мощность лазерного излучения и площадь поперечного сечения лазерного луча на расстоянии L от лазерной АПВ.

Изменение интенсивности лазерного излучения, в свою очередь, приводит к изменению длины ионизированного канала.

Зависимость величины P от расстояния L записывается в виде
P ≃ P_o•l^-αl
где P₀ мощность лазерного излучения на апертуре АПВ;
α коэффициент ослабления лазерного излучения в атмосфере, м.

Для расстояния ослаблением лазерного излучения можно пренебречь.

В этом случае требуемая расходимость g лазерного лучения на выходе блока 21 будет определяться из условий

где левая часть интенсивность лазерного излучения на расстоянии L от источника;
I_mp интенсивность, необходимая для создания в лазерном луче требуемой разности диэлектрической проницаемости;
G требуемый КПЛ лазерной АПВ;
λ_эм длина волны электромагнитного излучения УКВ диапазона.

Пусть расходимость θ радиоизлучения лазерной АПВ должна меняться в пределах . Тогда КНД антенны меняется в пределах , а требуемая длина L ионизированного шнура в лазерной АПВ с l_эм=10 м должна меняться в пределах
Для приведенных выше данных лазера ( I_mp=10 вт/см, n=10⁷см^-3, λ_л= 0,193 мкм имеем, что расходимость лазерного излучения на выходе блока 10 должна меняться в пределах 10^-2-10^-4 рад.

Проведенные расчеты показывают, что с учетом быстродействия известных электромеханических фокусирующих систем ≈10^-8с вполне возможно осуществление перестройки параметров (G, θ) лазерной АПВ в реальном масштабе времени зондирования пространства. Согласно фиг. 1 и 2 на оптическом выходе фокусирующей системы 10 установлен сканер 11. Он предназначен для изменения углового положения лазерного луча в секторе, определяемом геометрическими размерами устройства возбуждения поверхностной волны 1. Сканер 11 содержит отражающее зеркало 25, установленное на подвеске с двумя независимыми стенками свободы (кинематическое звено 23), соединенной с блоком управляемых двигателей 25.

Диапазон измерения углового положения зеркала 26 выбирается из условий допустимых фазовых искажений радиоволн на апертуре АПВ. Ввиду малой инерциональности электромеханического сканера II, обусловленной незначительным весом зеркала 26, основное ограничение на скорость углового сканирования накладывает относительно большое время рекомбинации ионов в лазерном следе (t_рек) после прохождения импульса. Время t_рек=5•10^-3с. При таком времени жизни ионов в лазерной АПВ максимальная угловая скорость сканирования электромеханического устройства 11 составляет

Для углового сектора Δε=Ω=30^° ширины диаграммы направленности θ=3^° находим максимальное время поиска цели секторе

Таким образом, с помощью приведенного оптико-электромеханического устройства обеспечивается поиск и измерение координат цели с переменными точностными и поисковыми возможностями (с точностью за время 0,5 с при длине ионизированного канала L≈100 м и с точностью за время 5•10^-с при длине канала L≈17 м, при l_эм=10 м.

Возможен и другой путь конструктивного выполнения оптического устройства управления расходимостью и угловым направлением радиоизлучения, приведенного на фиг. 3. Оно содержит блок из электронно-оптических линз 15 на основе ячеек элементов Керра или Понкельса, установленных соосно на пути прохождения лазерного луча 5. Часть ячеек (≈0,8 N) развернуто последовательно друг друга вокруг оптической оси на угол Φ =360/0,8 N. Они предназначены для изменения расходимости лазерного излучения. На фиг. 3 это ячейки 15.1.15.6. Другая часть электронно-оптических элементов (0.2 N) установлена на одной оптической оси с первой группой элементов. Ее ячейки развернуты относительно друг друга но 90^o и установлены в целях изменения углового положения лазерного луча, проходящего через них вдоль осей e₁ и ε₂ устройства ВПВ.

Управляющие входы электро-оптических элементов первой группы соединены через соответствующие генераторы импульсов блока 13 и схемы "И" блока 17 с потенциальными выходами первого счетчика 18.1. Управляющие входы элементов второй группы (0.2 N) соединены через остальные генераторы импульсов блока 16 и схемы "И" блока 17 с потенциальными входами второго счетчика 18.2. Вход первого счетчика 18.1 соединен с входом 9.3 управления расходимостью радиоволн устройства 9. Вход второго счетчика 18.2 соединен с входом 9.4 управления угловым положением направления излучения радиоволн. У оптического входа блока 15 установлен фотодиод 19. Выход фотодиода через линию задержки 20 соединен со вторым входом схемы "И" блока 17.

Принцип работы представленного электро-оптического устройства управления 9 состоит в следующем. При подаче на вход 9.3 и 9.4 управляющих сигналов в виде импульсно-кодовой последовательности, соответственно с требуемой величиной расходимости радиоизлучения и углового направления передачи или приема электромагнитных волн, счетчики 18.1 и 18.2 устанавливаются в отвечающие полученной информации состояния. При этом на соответствующих потенциальных выходах счетчиков 18.1 и 18.2 формируются разрешающие сигналы, поступающие на первые входы схем "И" и блока 17. При появлении первого лазерного импульса фотодиод вырабатывает импульсный сигнал, который через устройство задержки 20 выдается на вторые входы схемы "И" блока 17. Происходит открытие по обеим входам схем "И", обеспечивающих запуск соответствующих генераторов блока 16. Генераторы, запустившись, выдают на необходимые электро-оптические ячейки блока 15 импульсы высокого напряжения. В соответствующих ячейках изменяются коэффициенты напряжения сред. При этом в первой группе ячеек (0,8 N) в зависимости от количества и номеров ячеек формируются эквивалентная линзовая система, определяющая заданную на входе 9.3 расходимость лазерного луча. Второй группой ячеек (0,2 N) осуществляется отклонение лазерного луча вдоль осей ε₁ и ε₂, величина которого зависит от количества сработавших ячеек второй группы блока 15.

При данной конструкции устройства 9 фотодиод 19 и линия задержки (с τ_зад равным периоду следования лазерных импульсов) подготавливают устройство 9 для очередного импульса. Не исключается другие схемные решения. Например, вторые входы схем "И" блока 17 могут быть соединены с модулятором лазера 7. При этом элементы 19 и 20 из устройства 9 могу быть исключены. В данной схеме может быть также обеспечено синхронное управление блока 9 по каждому импульсу лазера 7.

В целом функционирование предложенной антенны (фиг.1) состоит в следующем.

На входе U₁ и U₂ устройства 9 подаются численные значения напряжений, пропорциональные требуемым значениям длины ионизированного канала L и угловому направлению радиоизлучения соответственно. При этом фиксирующая система 10 устанавливает требуемую расходимость лазерного излучения, обеспечивающего необходимую степень уменьшения концентрации зарядов в лазерном луче. Сканер 11 устанавливается в положение, обеспечивающее требуемое угловое направление лазерного луча. После установки устройств 10 и 11 в заданное положение лазер 7 излучает короткий импульс. При прохождении через устройство 9 излучение получает необходимую расходимость γ и требуемое направление излучения v. Проходя через устройство возбуждения поверхностной волны 1, лазерный луч ионизирует среду. В следе луча и вне его образуется разность диэлектрической проницаемости, обеспечивающая распространение поверхностной волны вдоль созданного в воздушной среде канала при условии подачи на вход 8 устройства возбуждения радиоимпульса. С излучением очередного импульса процесс повторяется. Для приема ответного импульса по входу 8 необходимо существование ионизированного канала на время приема. Для этого лазер 7 включается в режим непрерывной генерации, или частота следования импульсов в плотной воздушной среде должна быть не меньше частоты рекомбинации ионной плазмы (≥200 Гц).

Из рассмотренного видно, что изменение параметров лазерного излучения (g и Φ) позволяет управлять в предложенном устройстве параметрами радиоизлучения (шириной диаграммы направленности и угловым направлением радиоизлучения) в реальном масштабе времени и тем самым решить проблему повышения поисковых возможностей лазерной АПВ.

Достоинством предложенной антенны по сравнению с базовым элементом (антеннами РЛС рефлекторного типа) является уменьшение на несколько порядков весогабаритных параметров антенных устройств при одновременном увеличении поисковых возможностей РЛС.

Использование: в антенной технике для передачи информации в УКВ-диапозоне электромагнитных волн, когда необходимо достижение высокой направленности излучения при относительно малых физических размерах антенных систем. Сущность изобретения: лазерная антенна содержит возбудитель, лазер, блок управления. Блок управления содержит блок фокусировки и сканер. Возбудитель выполнен в виде отрезка волновода с возбуждающим элементом. Лазер, блок фокусировки, сканер и отрезок волновода установлены последовательно вдоль общей оси. 3 ил.

Лазерная антенна, содержащая возбудитель, лазер, блок управления, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности сканирования ДН и регулирования ее ширины путем управления пучком излучения лазера, блок управления содержит блок фокусировки и сканер, а возбудитель выполнен в виде отрезка волновода с возбуждающим элементом, при этом лазер, блок фокусировки, сканер и отрезок волновода установлены последовательно вдоль общей оси.