СФЕРИЧЕСКАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С ПЕРЕМЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01Q15/08 

Настоящее изобретение относится к линзовым антеннам, а более точно касается сферической диэлектрической линзы с переменным показателем преломления.

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

Однако широкому использованию линз препятствуете их высокая стоимость, так как существующие конструкции линз с переменным показателем преломления среды, в которых обеспечивается изменение диэлектрической проницаемости с высокой точностью соответствия заданному закону, весьма трудоемки и требуют большого количества ручного труда при их 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 (Antenna Enqineerinq Handbook, Mc. Grow-Hill Book Co. New York, 1984; Skolnik M.J. Introduction to radar Systems Mc. Grow-Hill Book Co. New York, 1980).

Однако для вышеуказанных сферических линз с ростом рабочей частоты, наряду с необходимостью уменьшения абсолютной толщины слоев, повышаются требования к точности выполнения сферических поверхностей и ужесточаются допуски на отклонение величины e 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 диэлектрических линз с переменным показателем преломления, содержащие одинаковые по размерам кубические модули, за исключением наружных модулей, из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в параллельных относительно друг друга горизонтальных слоях в соответствии с законом изменения диэлектрической проницаемости. В этих линзах кубические модули соединены между собой склеивающим адгезионным материалом (Schrank H.E. In. Proc. 7th Electrical Insulation. Conf. New York, 1967, 15 19/x).

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, для обеспечения необходимых характеристик излучения, в линзах одинакового диаметра требуется гораздо меньше градаций кубических модулей по величине 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 e (Proc. Int. Conf. on Radar, China, 1986, 4-7/XI, Suppl. pp 1-53).

Однако в теле такой 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. Кроме того, сложна и трудоемка сборка сферической линзы с применением клеевых композиций.

В основу настоящего изобретения положена задача создания сферической диэлектрической линзы с переменным показателем преломления среды с таким выполнением каждого из составляющих линзу модулей и их соединением, которые обеспечивали бы за счет уменьшения неоднородности диэлектрической среды линзы улучшение ее радиотехнических характеристик с одновременным повышением прочности и жесткости.

Поставленная задача решается тем, что в сферической диэлектрической линзе с переменным показателем преломления, содержащей соединенные друг с другом модули из однородных диэлектриков с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в соответствии с заданным законом изменения диэлектрической проницаемости от текущего значения радиуса линзы, однозначно соответствующим закону изменения ее показателя преломления, при этом модули внутренних слоев, образующих центральное кубическое ядро, вписанное в сферу, имеют кубическую форму и равны по размеру, а наружные модули имеют такую сферическую форму и равны по размеру, а наружные модули имеют такую сферическую форму своей внешней поверхности, при которой указанные модули при соединении их с модулями внутренних слоев дополняют центральное ядро до сферы, согласно изобретению, на по меньшей мере двух гранях каждого модуля по всей их длине выполнены расширяющиеся вглубь каждого модуля пазы и/или выступы, имеющие попарно одинаковое поперечное сечение, посредством которых модули соединены друг с другом с образованием сферической поверхности линзы.

Таким образом обеспечивается прочная бесклеевая сборка модулей в единую конструкцию линзы. Такое конструктивное решение обеспечивает простоту, надежность и высокую производительность процесса сборки, а также возможность автоматизации этого процесса, так как координаты места установки любого модуля в каждом слое строго определены, а также известны координаты точек нахождения модулей с соответствующими им значениями e в кассе элементов.

Отсутствие клеевых соединений ускоряет процесс сборки, уменьшает его трудоемкость и одновременно улучшает качество собираемой диэлектрической среды.

Использование для сборки выступов, входящих в пазы, обеспечивает взаимное проникновение друг в друга модулей с различным e, позволяет организовать шахматное расположение модулей в слое и слоев между собой, что приводит к размыванию границ между модулями и делает собираемую диэлектрическую среду более плавной, без резких регулярных перепадов e и с уменьшенным относительно физического эквивалентным размером модуля. Все это приводит, в свою очередь, к улучшению радиотехнических характеристик линзы, благодаря чему потери в коэффициенте усиления линзы сокращаются не менее чем на 1 2 дБ.

Предлагаемый один из вариантов конструкции сферической диэлектрической линзы, в котором на одной паре противолежащих граней каждого модуля выполнены параллельно один напротив другого пазы, а на другой паре граней выступы, при этом модули соединены друг с другом посредством пазов и соответствующих им выступов так, что они расположены горизонтальными слоями, в каждом из которых смежные модули смещены по высоте относительно друг друга с образованием ступенчатой границы между слоями.

Такая конструкция линзы обеспечивает размывание границ между слоями и поперечную жесткость конструкции.

Для создания шахматной структуры расположения модулей между слоями в некоторых случаях предпочтительно, чтобы на одной паре противолежащих граней каждого модуля по всей их длине были бы выполнены пазы, наибольшая ширина каждого из которых была бы равна суммарной ширине образованных на грани по обе стороны от паза симметричных боковых выступов, при этом модули были бы расположены горизонтальными слоями так, что в каждый паз каждого модуля с двух его противоположных концов входили бы боковые выступы двух пар смежных модулей, находящихся относительно указанного модуля соответственно в верхнем и нижнем слоях. При этом пазы могут быть выполнены параллельными один напротив другого, и в этом случае дополнительно обеспечивается шахматное расположение модулей в каждом слое, или один из пазов выполнен в продольном направлении, а другой в поперечном направлении.

Эти варианты выполнения линзы отличаются более простой конструкцией модуля и позволяют за счет шахматного расположения модулей по двум координатным плоскостям дополнительно уменьшить его эквивалентный электрический размер.

Для обеспечения удобства сборки линзы центральной симметрии в некоторых конструкциях целесообразно, чтобы на одной из граней каждого модуля был бы выполнен паз, а на противолежащей грани выступ, при этом продольные оси паза и выступа были бы расположены по скрещивающимся линиям, ориентированным перпендикулярно друг другу, а модули были бы размещены горизонтальными слоями так, что пазы всех модулей каждого слоя были бы расположены в одной плоскости, и в паз каждого модуля с двух его противоположных концов входили бы выступы двух смежных модулей, размещенных в вышележащем относительно указанного модуля слое.

Для выполнения более монолитной и прочной сборки в ряде применений необходимо, чтобы на одной паре противолежащих граней каждого модуля были бы выполнены параллельно один напротив другого соответственно паз и выступ, а на другой паре противолежащих граней были бы выполнены пазы, продольные оси которых были бы расположены по скрещивающимся линиям, ориентированным перпендикулярно друг другу, причем наибольшая ширина каждого паза была бы равна суммарной ширине образованных на грани по обе стороны от паза боковых выступов, а модули были бы расположены горизонтальными слоями, в каждом из которых они были бы соединены друг с другом посредством выступа и выполненного на противолежащей грани параллельного ему паза, и, кроме того, в каждый паз, оставшийся у каждого модуля свободным после соединения его с другими в слое, с двух противоположных концов входили бы боковые выступы двух смежных модулей, расположенных по отношению к данному модулю в верхнем и нижнем слоях.

Изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения.

На фиг. 1 изображен первый вариант выполнения модуля с двумя парами параллельных пазов и выступов на его противолежащих гранях, согласно изобретению; на фиг. 2 слой линзы, собранной из модулей первого варианта выполнения, вид сверху; на фиг. 3 ступенчатая структура слоев линзы из модулей первого варианта их выполнения; на фиг. 4 второй вариант выполнения модуля с двух параллельными пазами на его двух противолежащих гранях, согласно изобретению; на фиг. 5 сборочный узел из трех модулей второго варианта выполнения; на фиг. 6 ступенчатая структура слоев линзы из модулей второго варианта выполнения; на фиг. 7 третий вариант выполнения модуля с пазами по скрещивающимся направлениям перпендикулярной ориентации на двух противолежащих гранях, согласно изобретению; на фиг. 8 сборочный узел из трех модулей третьего варианта выполнения; на фиг. 9 шахматное расположение модулей соседних слоев линзы по двум координатам, в проекции на горизонтальную плоскость; на фиг. 10 четвертый вариант выполнения модуля с пазом и выступом на его противолежащих гранях, ориентированным по скрещивающимся направлениям перпендикулярной ориентации, согласно изобретению; на фиг. 11 узел линзы, собранный из трех модулей четвертого варианта выполнения; на фиг. 12 - расположение модулей в горизонтальных слоях линзы; на фиг. 13 пятый вариант выполнения модуля с пазами и выступом на его двух парах противолежащих граней, согласно изобретению; на фиг. 14 расположение модулей в слоях линзы; на фиг. 15 зависимость диэлектрической проницаемости от текущего радиуса линзы.

Сферическая линза с переменным показателем преломления, согласно изобретению, содержит, например, модули 1 (фиг. 1), выполненные из однородных диэлектриков с различными значениями диэлектрической проницаемости e. Заданный закон изменения e в теле линзы в зависимости от текущего значения радиуса r линзы, который однозначно соответствует закону изменения ее показателя преломления, обеспечивается сборкой линзы путем установки модулей 1 в порядке, определенном послойными картами сборки, в которых указаны координаты модулей 1 и соответствующие им значения e. Все модули 1 внутренних слоев, образующих центральное кубическое ядро, вписанное в сферу, имеют кубическую форму и равны по размеру, а наружные модули 1¹ (фиг. 2) после соединения их с модулями 1 внутренних слоев и механической обработки имеют такую сферическую форму внешней поверхности, при которой они дополняют ядро до сферы. Для соединения модулей 1 (фиг. 1) друг с другом на одной паре противолежащих граней каждого модуля 1 выполняются расширяющиеся вглубь модуля 1 пазы 2. Пазы 2 выполнены параллельными и один напротив другого. На другой паре противолежащих граней модуля 1 выполнены выступы 3, расположенные также параллельно один напротив другого. Пазы 2 и выступы 3 имеют попарно одинаковое поперечное сечение. Взаимное сцепление модулей 1 осуществляется с помощью пазов 2 и соответствующих им выступов 3Б, при этом модули 1 располагаются в теле линзы горизонтальными слоями A, B, C (фиг. 2, 3).

Взаимное сцепление между слоями A, B, C (фиг. 3) обеспечивается их ступенчатой структурой, при которой смежные модули 1 смещены относительно друг друга, например, на половину их высоты. Такое выполнение модулей 1 обеспечивает поперечную жесткость конструкции линзы и размывание границ слоями A, B, C, делая диэлектрическую среду линзы более непрерывной и близкой к заданному теорией закону, без резких перепадов e благодаря уменьшению эквивалентного электрического размера модуля.

На фиг. 4 показана более простая конструкция модуля 4, на двух противолежащих гранях которого выполнены один напротив другого параллельные пазы 5, расширяющиеся вглубь модуля 4. Наибольшая ширина каждого паза 5 равна суммарной ширине образованных на грани по обе стороны от паза 5 симметричных боковых выступов 6. При соединении модулей 4 в каждый паз 5 (фиг. 5) каждого модуля 4 с двух его противоположных концов входят два боковых выступа 6 двух пар смежных модулей 4, благодаря чему формируется шахматное расположение модулей 4 в слое D, E по координате X (фиг. 6). На фиг. 6 видна ступенчатая структура слоев D, E, причем смещение соседних модулей 4 произведено рядами, что обеспечивает шахматное расположение рядов модулей по координате Z.

Этот вариант построения линзы интересен по сравнению с предыдущим своей двумерной шахматной структурой как в слое D, E плоскость XY, так и межслойно плоскость YZ. Эта его особенность позволяет дополнительно уменьшить эквивалентный электрический размер модуля 4.

Выполненные на противолежащих гранях модуля 7 ( фиг.7) пазы 8 могут быть расположены так, что их продольные оси направлены по скрещивающимся линиям перпендикулярной ориентации. Конструкция из таких модулей 7 характеризуется шахматной структурой в межслойном пространстве плоскости XY и YZ (фиг. 9).

Для сборки линзы центральной симметрии целесообразно на двух противолежащих гранях каждого модуля 9 (фиг. 10, 11) выполнить паз 10 и выступ 11, продольные оси которых расположены по скрещивающимся, перпендикулярно ориентированным линиям. В этом случае модули 9 располагаются горизонтальными слоями I, J, K (фиг. 12) так, что в каждом слое I или J, или K пазы 10 всех модулей 9 лежат в одной плоскости. Как видно из фиг. 11, два смежных узла двух соседних слоев J, K (фиг. 12), из которых каждый собран из трех модулей 9, соединяются друг с другом только с помощью модуля 9 слоя, лежащего над или под ними, например модулем 9 верхнего слоя 1. Конструкция этого варианта построения линзы не позволяет создать шахматную структуру расположения модулей 9 внутри слоя-плоскости XY, но так же, как и в предыдущем варианте, обеспечивает шахматную структуру размещения модулей 9 в межслойном пространстве.

Для того, чтобы сделать всю сборку более монолитной и прочной, что в ряде применений может иметь существенное значение, конструкцию модуля 12 (фиг. 13) делают более сложной. В этом случае на одной паре противолежащих граней модуля 12 выполнены один напротив другого паз 12 и выступ 14, а на другой паре противолежащих граней пазы 15 и 16, один из которых, например паз 15, расположен в продольном направлении, а другой паз 16 в поперечном. Модули 12 расположены в теле линзы горизонтальными слоями M, N (фиг. 14), причем в каждом слое M или N модули 12 соединяются посредством выступа 14 и паза 13. В каждый оставшийся свободным паз 15 и 16 входят боковые выступы 17, образованные на грани по обе стороны от паза 15 или 16, двух смежных модулей 12, расположенных в другом слое. Как видно из фиг. 14, в паз 16 модуля 12, размещенного в слое N, входят боковые выступы 17 модулей 12, находящихся в нижнем слое M. При этом пазы 13 и выступы 14, соединяющие модули 12 в слое M или N, могут отличаться по профилю и размерам от пазов 15 и 16.

Для образования диэлектрической сферы, собранной из модулей, возможны два способа. Первый состоит в том, что сначала собираются две полусферы (полушара) на поддонах, обеспечивающих взаимодополняющую ступенчатую структуру экваториального и параллельных ему слоев линзы. На этих же поддонах производится механическая обработка полусфер для получения наружной сферической поверхности заданных размеров и чистоты, после чего соединяют в сферу (пар) аналогично соединению слоев. Далее производятся работы по заключению шара в защитно-декоративную оболочку из двух полусфер и вводится силовой пояс, например, из стеклопластика на стыке полусфер, на котором размещаются крепежные узлы.

Второй способ отличается от первого тем, что диэлектрическая линза собирается в единую шаровую конструкцию. Сборка начинается так же, как и в первом способе, но затем после сборки полушара поддон опрокидывается, собранный полушар помещается в поддон сферической формы, и сборка продолжается до образования шара. Обработка по сфере производится поочередно сначала одной полусферы, затем после опрокидывания на сферический поддон и завершения сборки второй полусферы. После этого шар заключается в защитно-декоративную оболочку и вводятся силовые крепежные элементы аналогично первому способу.

Работа предлагаемой линзы может быть описана на примере диэлектрической линзы центральной симметрии, закон изменения коэффициента преломления которой от текущего значения радиуса n (r) выбран, например, в соответствии с работой Моргана (S.P. Morgan. General solution of the Luneberg lens problem. Jour. Appl. Physics, 29(9), 1958, 1358), когда один из фокусов линзы удален в бесконечность, а противоположный фокус находится вблизи поверхности линзы. Одна из возможных зависимостей диэлектрической проницаемости ε(r) = n²(r) показана на фиг. 15. Собранная в соответствии с этой зависимостью диэлектрическая линза центральной симметрии, как известно, работает следующим образом. Падающая из бесконечности на линзу плоская электромагнитная волна распространяется внутри линзы по траекториям лучам, которые после прохождения среды линзы благодаря ее преломляющим свойствам фокусируются в точке фокуса, находящейся на линии, соединяющей источник сигнала и центр линзы с противоположной источнику стороны.

Этот процесс будет тем точнее, то есть с минимальными аберрациями, чем ближе реализуемый закон n(r) к заданному.

Предложенная в заявке конструкция линзы из модулей по сравнению с известными позволяет осуществить более точную сборку с минимумом зазоров, минимально возможной дискретностью изменения ε, а также уменьшить скачки диэлектрической проницаемости на границах между модулями. Кроме того, такая конструкция не требует применения клеевых прослоек, диэлектрическая проницаемость которых существенно отличается от заданных значений. Это позволяет приблизить получаемую конструкцию линзы к идеальной непрерывной с заданной теоретически зависимостью диэлектрической проницаемости от ее текущего радиуса. По этим причинам аберрации при распространении электромагнитной волны в среде линзы оказываются малыми и не превосходят допустимых значений.

Кроме того такая сборка оказывается прочной, стабильной, допускающей механическую обработку.

Соответственно, уменьшение коэффициента усиления линзы, увеличение уровня ее боковых лепестков, искажение поляризационных характеристик и прочие относительно идеальной линзы, строго соответствующей по своей структуре теоретическому закону Моргана, также не превосходят допустимых значений, что позволяет широко использовать предложенные конструкции в инженерной практике.

Предложенные варианты конструкции сферических диэлектрических линз с переменным показателем преломления представляют широкий выбор возможностей их применения в зависимости от рабочего диапазона волн, технологических особенностей и серийности производства, условий эксплуатации и т.п. Все они отвечают поставленной задаче изобретения, а именно обеспечивают минимальную трудоемкость сборки, улучшают радиотехнические характеристики линзы и позволяют расширить область применения предложенных конструкций, используя их также и в коротковолновой части СВЧ-диапазона, в частности в области миллиметровых волн.

Настоящее изобретение наиболее целесообразно использовать для наземной многоканальной связи, в современных системах многоканальной спутниковой связи и 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, радиолокационных отражателей и радиолокационных многолучевых антенн, причем следует особо подчеркнуть возможность применения предложенных конструкций линзовых антенн в бортовых экстремальных условиях как на самолетах, так и на космических аппаратах различного назначения.

Сферическая диэлектрическая линза с переменным показателем преломления содержит соединенные друг с другом модули из однородных диэлектриков с различными значениями диэлектрической проницаемости, которые размещены в соответствии с заданным законом изменения диэлектрической проницаемости от текущего значения радиуса линзы, однозначно соответствующим закону изменения ее показателя преломления. Модули внутренних слоев, образующих центральное кубическое ядро, вписанное в сферу, имеют кубическую форму и равны по размеру, а наружные модули имеют такую сферическую форму своей внешней поверхности, при которой указанные модули при соединении их с модулями внутренних слоев дополняют центральное ядро до сферы. На по меньшей мере двух гранях каждого модуля по всей их длине выполнены расширяющиеся вглубь модуля пазы и/или выступы, имеющие попарно одинаковое поперечное сечение, посредством которых модули соединены друг с другом с образованием сферической поверхности линзы. Предлагаются различные комбинации выполнения пазов и выступов на гранях модулей. 6 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Сферическая диэлектрическая линза с переменным показателем преломления, содержащая соединенные друг с другом модули из однородных диэлектриков с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в соответствии с заданным законом изменения диэлектрической проницаемости от текущего значения радиуса линзы, однозначно соответствующим закону изменения ее показателя преломления, при этом модули внутренних слоев, образующих центральное кубическое ядро, вписанное в сферу, имеют кубическую форму и равны по размеру, а наружные модули имеют такую сферическую форму своей внешней поверхности, при которой указанные модули при соединении их с модулями внутренних слоев дополняют центральное ядро до сферы, отличающаяся тем, что на по меньшей мере двух гранях каждого модуля по всей их длине выполнены расширяющиеся вглубь модуля пазы и/или выступы, имеющие попарно одинаковое поперечное сечение, посредством которых модули соединены друг с другом с образованием сферической поверхности линзы. 2. Линза по п. 1, отличающаяся тем, что на одной паре противолежащих граней каждого модуля выполнены параллельно один напротив другого пазы, а на другой паре граней выступы, при этом модули соединены друг с другом посредством пазов и соответствующих им выступов так, что они расположены горизонтальными слоями, в каждом из которых смежные модули смещены по высоте относительно друг друга с образованием ступенчатой границы между слоями. 3. Линза по п. 1, отличающаяся тем, что на одной паре противолежащих граней каждого модуля по всей их длине выполнены пазы, наибольшая ширина каждого из которых равна суммарной ширине образованных на грани по обе стороны от паза симметричных боковых выступов, при этом модули расположены горизонтальными слоями так, что в каждый паз каждого модуля с двух его противоположных концов входят боковые выступы двух пар смежных модулей, находящихся относительно указанного модуля соответственно в верхнем и нижнем слоях. 4. Линза по п.3, отличающаяся тем, что пазы выполнены параллельными один напротив другого. 5. Линза по п.3, отличающаяся тем, что один из пазов выполнен в продольном направлении, а другой в поперечном направлении. 6. Линза по п.1, отличающаяся тем, что на одной из граней каждого модуля выполнен паз, на противолежащей грани выступ, при этом продольные оси паза и выступа расположены по скрещивающимся линиям, ориентированным перпендикулярно друг другу, а модули размещены горизонтальными слоями так, что пазы всех модулей каждого слоя расположены в одной плоскости и в паз каждого модуля с двух его противоположных концов входят выступы двух смежных модулей, размещенных в вышележащем относительно указанного модуля слое. 7. Линза по п.1, отличающаяся тем, что на одной паре противолежащих граней каждого модуля выполнены параллельно один напротив другого соответственно паз и выступ, а на другой паре противолежащих граней выполнены пазы, продольные оси которых расположены по скрещивающимся линиям, ориентированным перпендикулярно друг другу, причем наибольшая ширина каждого паза равна суммарной ширине образованных на грани по обе стороны от паза боковых выступов, а модули расположены горизонтальными слоями, в каждом из которых они соединены друг с другом посредством выступа и выполненного на противолежащей грани параллельного ему паза, кроме того, в каждый паз, оставшийся у каждого модуля свободным после соединения его с другими в слое, с двух противоположных концов входят боковые выступы двух смежных модулей, расположенных по отношению к данному модулю в верхнем и нижнем слоях.