ОБЪЕМНОЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01Q15/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в технике СВЧ в качестве преобразователя мод (структуры) электромагнитных (ЭМ) полей, в частности, при построении направляемых антенн СВЧ диапазона.

Основным элементом большинства антенных устройств является преобразователь поля плоской ЭМ волны в ЭМ поле фидерной линии, выполненный в виде проводников, имеющих геометрию и расположенных в пространстве так, что энергия падающей на антенну ЭМ волны за счет взаимодействия с указанными проводниками сосредотачивается в фидере антенны. Примером могут служить параболические антенны [1]
Известно объемное голографическое антенное устройство, включающее в себя преобразователь поля плоской ЭМ волны в ЭМ поле приемника-излучателя ЭМ энергии, выполненный в виде проводников, приемник-излучатель и соединенную с ним фидерную линию [2]
В известном устройстве проводники выполнены в виде системы концентрических окружностей, радиусы которых отличаются на четверть длины волны. Такое расположение проводников не позволяет осуществлять преобразование ЭМ поля при размерах облучателя порядка и менее длины волны, что является его недостатком.

Целью изобретения является создание антенного устройства, обеспечивающего высокую направленность при габаритах порядка и менее длины волны.

Цель достигается тем, что в объемном голографическом антенном устройстве, содержащем преобразователь поля плоской ЭМ волны в ЭМ поле приемника-излучателя ЭМ энергии, представляющий собой проводники, приемник-излучатель и соединенную с ним фидерную линию, согласно изобретению, проводники имеют геометрическую форму, соответствующую геометрической форме линий векторного поля усредненного по времени интерференционного вектора Пойтинга электромагнитного поля плоской электромагнитной волны и электромагнитного поля излучения приемника-излучателя.

изобретение характеризуется также тем, что проводники выполнены в виде линий металлизации на пластинах тонкослойного диэлектрика.

Другим отличием предложенного объемного голографического антенного устройства является выполнение проводников в виде линий нагрева на полупроводниковых пластинах сканированием лазерным лучем.

Снижение габаритов объемного голографического антенного устройства достигается за счет того, что линии интерференционного вектора Пойтинга имеют достаточно развитую геометрическую структуру на расстояниях менее длины волны. Выполнение проводников в виде линий металлизации дает возможность при изготовлении антенного устройства использовать известные технологии печатных плат и микросхем.

Выполнение проводников в виде линий нагрева на полупроводниковых пластинах сканированием лазарным лучем позволяет управлять ДНД антенного устройства путем многократного повторного создания геометрии линий на одной и той же пластине полупроводника, ускорить и автоматизировать процесс управления ДНД.

Управление ДНД происходит за счет разрушения созданной геометрии проводников после прекращения действия лазерного луча и возможности образования новой геометрии линий нагрева на пластине повторным его действием [3]
На фиг.1 представлена схема объемного голографического антенного устройства; на фиг.2 приведена геометрическая форма проводников преобразователя в плоскостях OXZ(a) и OXY(b) для α-β = π/2; на фиг.3 представлены измеренные экспериментально ДНД антенны на частоте f=2380 МГц; на фиг.4 представлены измеренные экспериментально ДНД антенны на частоте f=3050 МГц.

Предлагаемое объемное голографическое антенное устройство включает в себя преобразователь мод ЭМ полей 1, приемник-преобразователь 2 и соединенную с ним фидерную линию 3. Преобразователь выполнен в виде "перекрестья" из пластин фольгированного стеклотекстолита (размером 200х285 мм), соединенных с помощью разрезов вдоль оси симметрии геометрии линий металлизации 4.

Приемник излучатель 2 выполнен в виде полупроводникового (дипольного) вибратора, смонтированного на конце фидерной линии 3, расположенного в плоскости пластины OXZ. Излучатель изолирован от проводников преобразователя. Кабель фидерной 3 линии с излучателем установлен на преобразователе с возможностью перемещения строго по линии симметрии линий металлизации с правой (задней) ее стороны.

Так как в антенном устройстве используют приемник-излучатель в виде дипольного вибратора, то расчет геометрии линий проводников преобразователя проводят для случая интерференции полей расходящейся сферической дипольной ЭМ волны, создаваемой электрическим диполем, и плоской, падающей на диполь ЭМ волны с линейной поляризацией вдоль направления колебаний диполя. Для данного случая из (1) была получена система обыкновенных дифференциальных уравнений

где , k-волновое число, α-β разность начальных фаз колебаний поля для плоской волны и поля излучения электрического диполя.

Численный расчет по системе уравнений (2) был произведен для a-β = π/2 на частоте f=2380 МГц в плоскостях OXY и OXZ, где линии потока усредненного по времени интерференционного вектора Пойнтинга являются плоскими кривыми.

Измерения диаграммы направленного действия (ДНД) объемного голографического антенного устройства производились на стандартной установке, в состав которой входит работающий в режиме амплитудной модуляции (f 1 кГц) СВЧ генератор, питающий измерительную антенну (прямоугольный рупор), и исследуемое антенное устройство, расположенное на диэлектрическом поворотном столике. Сигнал, принятый антенным устройством, после детектирования поступает на измерительный усилитель низкой частоты и осциллограф. Уровень ЭМ сигнала (напряженность поля) в зависимости от угла поворота антенного устройства представлен в относительных единицах (в децибелах) с учетом тарировочной характеристики детекторной головки по отношению к максимальному уровню сигнала. Отсчеты снимали по показаниям аттенюатора измерительного усилителя и уровню сигнала на экране осциллографа. Как показали измерения, оптимум согласования по максимуму излучаемой мощности соответствует положению облучателя от центра голограммы (на фиг.2, X=0) около 5-6 см и практически не зависит от параметров настройки облучателя.

На фиг.3 представлены измеренные экспериментальные ДНД на частоте f 2380 МГц в азимутальной L( Φ ) (сплошные кривые) и меридиональной L( f ) (штриховые кривые) плоскостях для поляризации на антенное устройство плоской ЭМ волны, параллельной оси облучателя (вектор лежит в плоскости OXZ антенны) правая часть фиг.3, и ортогональной облучателю (вектор лежит в плоскости OXY) левая часть фиг.3. Здесь же показан уровень сигнала в фидерной линии без антенного устройства, который значительно ниже ( 40 дБ по напряженности) принимаемого антенным устройством (Φ = 0, φ = 0). На фиг. 4 представлены ДНД антенны на частоте f 3050 МГц.

Из графиков ДНД видно, что предлагаемое устройство является антенной направленного излучения. На частоте 2380 МГц (фиг.3, правая часть) ширина ДНД по уровню половинной мощности (-6 дБ) составляет по азимутальному углу 18^o, а по меридиональному углу 40^o. На частоте f 3050 МГц (фиг.4) ширина ДНД равна 16 и 20^o соответственно. Уровень первого бокового лепестка ДНД по отношению к основному лепестку по азимуту 21 дБ (по напряженности) на частоте f 2380 МГц и 19 дБ при f 3050 МГц. Уровень последующих лепестков ниже на 33 дБ от основного. Для меридионального угла уровень боковых лепестков на 40 дБ ниже основного. Развязка по "переду-заду" предлагаемого антенного устройства в рабочем диапазоне частот 2100-3050 МГц по уровню KCB ≅2,0 составляет не менее 45 дБ (по напряженности). Уровень приема излучения с ортогональной поляризацией (в плоскости OXY) не менее, чем на 25 дБ ниже принимаемого сигнала с параллельной поляризацией в плоскости OXZ).

Дополнительный положительный эффект от внедрения предлагаемого объемного голографического антенного устройства заключается в технологичности его конструкции при простоте алгоритма расчета, что позволяет автоматизировать процесс создания подобных устройств. Предлагаемое устройство позволяет оперативно автоматически управлять ДНД.

Источники информации
1. Никольский В.В. Антенны. М. Связь, 1966, с. 386.

2. K.Iizuka, V.Vizusawa, Sh. Urasaki, and H.Ushigome, Volume-Type Holographik Antenna, IEEE Transactions on Antennas and Propagations, Nov. 1975, pp. 807-809.

3. Смит Р. Полупроводники. Пер. с англ. М. Мир, 1982, с. 560.

Объемное голографическое антенное устройство, содержащее преобразователь поля плоской волны и электромагнитное поле приемника-излучателя, выполненное в виде проводников, приемник-излучатель и соединенную с ним фидерную линию, имеет у проводников геометрическую форму, соответствующую геометрической форме линий векторного поля усредненного по времени интерференционного вектора Пойнтинга электромагнитного поля плоской волны и электромагнитного поля излучения приемника-излучателя. Проводники могут быть выполнены в виде линий металлизации на пластинах тонкослойного диэлектрика или в виде линий нагрева на полупроводниковых пластинах сканированием лазерного луча. Устройство позволяет обеспечить высокую направленность при габаритах порядка и менее длины волны. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Объемное голографическое антенное устройство, содержащее преобразователь поля плоской электромагнитной волны в электромагнитное поле приемника-излучателя, выполненный в виде проводников, приемник-излучатель и соединенную с ним фидерную линию, отличающееся тем, что проводники имеют геометрическую форму, соответствующую геометрической форме векторного поля усредненного по времени интерференционного вектора Пойнтинга электромагнитного поля плоской волны и электромагнитного поля излучения приемника-излучателя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проводники выполнены в виде линий металлизации на пластинах тонкослойного диэлектрика. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проводники выполнены в виде линий нагрева на полупроводниковых пластинах сканированием лазерного луча.