СФЕРОСЛОИСТАЯ ЛИНЗА С НАСЫПНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДОЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО И САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ВОЛН Российский патент 1999 года по МПК H01Q15/02 

Настоящее изобретение относится к антенной технике, а именно к линзовым антеннам, применяемым в разнообразных радиотехнических системах с широкоугольным обзором пространства неискаженным лучом.

Уникальные свойства линз центральной симметрии из диэлектрика с переменным показателем преломления (линзы Люнеберга, Максвелла, Итона и др.), особенно их практически неограниченная широкоугольность сканирования лучом, многоканальность и широкополосность, предопределяют возможность их эффективного применения в одноканальных и многоканальных системах связи, телевидения и радиолокации, а также в качестве радиолокационных отражателей.

Однако широкому использованию линз такого класса препятствует их высокая стоимость, поскольку существующие конструкции линз с переменным показателем преломления среды, в которых обеспечивается изменение диэлектрической проницаемости ε с высокой точностью соответствия заданному закону, требуют значительных объемов прецезионной технологической оснастки и оборудования и, кроме того, они весьма трудоемки в изготовлении.

На практике наиболее распространенными конструкциями являются сферослоистые линзы с дискретно-переменным показателем преломления, содержащие сферические слои из однородного твердого диэлектрика, при этом ε и толщина каждого слоя выбираются такими, чтобы обеспечивать оптимальные для заданного числа слоев условия фокусировки, причем число слоев может задаваться от 2-х и более. Расчету многослойных линз центральной симметрии посвящен ряд известных работ, использующих геометро-оптическую теорию и строгий электродинамический анализ сферослоистых преломляющих сред. Среди первой группы работ, например: статья "Microwave stepped inbex Luneberg lenses", G.D.M.Peeler, N. P. Coleman, ("IRE Transactions-Antennas and Propagation"; 1985, v. AP-6, N 2); монография "Microwave Optics. The Optics of Microwave Antenna Design", S. Cornbleet, Academic Press, London, New York, San Francisco, 1976, (глава II, раздел 2.9); монография Е. Г. Зелкина и Н.А.Петровой "Линзовые антенны", Москва, "Советское радио", 1974 г., стр. 154-167. Вторая группа работ представлена статьей Д.М.Сазонова и Н.Я. Фролова "Электромагнитное возбуждение сферической слоисто-радиальной среды", ("Журнал технической физики", 1965, т. XXXV, выпуск 6, стр. 990-995).

Кроме фокусировки, взаимодействие электромагнитных волн с линзой сопровождается их отражением, поглощением и рассеиванием. Наличие отражений от первого слоя линзы на границе раздела "воздух-диэлектрик" приводит в основном к ухудшению согласования облучателя с трактом, увеличению уровней заднего и бокового излучений линзы и искажению поля в раскрыве облучателя, а наличие многократных отражений между слоистыми поверхностями внутри линзы, особенно в случае наличия воздушных зазоров, - к увеличению потерь на рассеяние и поглощение. Потери на отражение от внешнего слоя линзы можно минимизировать, применяя однослойные и многослойные согласованные оболочки - укрытия, как, например, показано в монографии S. Cornbleet (глава II, часть II) и статья Ю. Я.Харланова "Исследование и оптимизация сферических линзовых антенн с согласующими слоями", ("Радиотехника и электроника", 1997, том 42, N 6, стр. 691-693).

Омические потери на поглощение уменьшаются путем использования диэлектриков с малым значением тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.
Степень рассеяния энергии зависит от однородности диэлектрика слоев линзы, требования к которой повышаются с ростом частоты.

Считается, что влиянием неоднородностей с относительным размером не более λ/8 ( λ рабочая длина волны) можно пренебречь (см. например, монографию "Antenna Engineering Handbook - McGrow - Hill Book Co.", New York, 1984 г.).

Таким образом, только созданием высокооднородных диэлектрических слоев и отсутствием воздушных зазоров между ними можно избежать значительных потерь на рассеяние и отражение электромагнитных волн в сферослоистых линзах, работающих в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн.

Это условие существенно усложняет процесс изготовления линз и увеличивает их стоимость, так как беззазорное примыкание сферических поверхностей твердых диэлектрических слоев является сложной технологической задачей и требует предельно высоких точностей изготовления этих поверхностей.

Не менее сложной задачей является получение высокооднородных по ε сферических слоев из твердых диэлектриков, согласованных в ансамбле по величине ε и по коэффициентам объемного температурного расширения.

Кроме того, линзы с твердой диэлектрической средой обладают еще одним существенным недостатком - невозможностью эффективного отвода тепла из тела линзы при использовании ее в передающей антенне, так как все высококачественные диэлектрические материалы, применяемые для изготовления линз, обладают высокими теплоизоляционными свойствами, что резко ограничивает уровень излучаемой средней мощности единицами Ватт из-за локальных перегревов диэлектрической среды внутри линзы (см., например, статью S.P. Morgan "СВЧ нагревание линзы Люнеберга", (Bell System Tecnical Journal, 1964, III, vol. 43, N 2, pp. 669-678).

Известны однослойные линзы из однородного диэлектрика с насыпной диэлектрической средой, например, из патентной заявки Великобритании GB N 2233503 A или с жидкой диэлектрической средой, например, из патента США N 3145382. Однако такие линзы, даже при наличии просветляющего слоя, обладают приемлемой эффективностью только при электрических размерах D/λ ≤ 30, где D - диаметр линзы, λ - длина волны. Так, при увеличении D/λ с 21 до 40, коэффициент использования площади апертуры (КИП или α ) однослойной линзовой антенны падает с 0,56 до 0,45 (см., например, статью А.Л.Эпштейна, В.Я.Щербенкова, С.А.Ганина, Н.Я. Фролова, Б.С.Хмелевского и П.Н.Корженкова "Сверхширокоугольный прием - передача сигналов связи и телевидения одновременно от(ко) многих(м) корреспондентов(ам) с помощью одной многолучевой антенны в весьма широком спектре частот", (Proceeding of the III International Conference, volume 1, pp. 91-101, "Antennas, Radiocommunication Systems and means" (ICARSM' 97), Voronezh - Nay - 97), а также вышеупомянутую статью Ю. Я.Харланова).

Поэтому для повышения эффективности линзовых антенн с электрическими размерами D/λ > 30 необходимо применять многослойные (начиная с 2-х слоев) конструкции с дискретно-переменным показателем преломления.

Прототипом изобретения является сферослоистая линза, описанная в патентной заявке PCT/EP 92/02384, МКИ: H 01 Q 19/06,5 /08, опубл. в ИСМ, 1994 г, NN 10-12, стр.39, где для образования слоев используются насыпные диэлектрические среды с различными значениями ε, разделяемые друг от друга оболочками хотя бы на время производства. Частицы диэлектрических сред имеют размер много меньше длины волны. Изменение результирующей диэлектрической проницаемости достигается вариацией размеров и формы частиц и (или) тем, что частицы изготавливаются из материалов с различными значениями ε.
Существенной особенностью данной линзы, не позволяющей использовать ее в миллиметровом и коротковолновой части сантиметрового диапазонов волн является то, что частицы насыпной среды отличаются друг от друга формой, размерами и весом. Упаковка таких насыпных сред с частицами разных размеров и отличающихся по форме будет нерегулярной, сопровождающейся местными колебаниями плотности, а, следовательно, диэлектрические характеристики такой среды будут также изменяться во всем ее объеме.

Даже если частицы имеют размеры много меньше длины волны, области неравномерной плотности из-за нерегулярной упаковки этих частиц будут соизмеримы или превышать по размерам длину волны, что обусловит значительные потери на рассеяние энергии электромагнитных волн при использовании таких сред в линзовых антеннах, особенно в диапазоне миллиметровых волн.

Кроме того, недостатком известной линзы является то, что частицы насыпной среды не уплотнены и, поэтому при транспортной тряске, а также в период эксплуатации такие среды подвержены расслоению по плотности и размерам: наиболее тяжелые и/или мелкие частицы будут стремиться опуститься вниз, а более легкие и/или крупные частицы будут стремиться подняться вверх, причем это расслоение может начаться уже в процессе засыпки в формообразующий сосуд.

Применение связующих материалов (например эпоксидных смол, силиконовой резины, винилацетатных полимеров и др.) для фиксации частиц насыпных сред (заявка GB 2233503A и патент США N 2943358) после полимеризации и отверждения связующих предотвращает расслоение насыпных сред, но никак не устраняет неравномерную упаковку частиц среды. Кроме того, все связующие материалы имеют на порядок больший tdδ, чем основной материал среды, и потери на поглощение энергии электромагнитных волн существенно возрастают, особенно в диапазоне миллиметровых волн. Поэтому авторы патентной заявки PCT/EP 92/02384 указывают на возможность применения предлагаемой или антенны в диапазоне до 12.75 ГГц, но нигде не приводят расчетный или экспериментально полученный коэффициент использования площади апертуры такой антенны.

В основу настоящего изобретения положена задача создания сферослоистой линзы с насыпной диэлектрической средой миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн с конструктивным выполнением, позволяющим устранить воздушные зазоры между слоями с одновременным улучшением радиотехнических параметров за счет повышения однородности и эксплуатационной стабильности диэлектрической среды в слоях линзы, а также получить возможность эффективно отводить тепло из тела линзы и, при необходимости, производить сборку линз больших габаритов непосредственно на месте монтажа.

Поставленная задача решается тем, что в сферослоистой линзе с насыпной диэлектрической средой миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн, содержащей выполненные с заданными значениями диэлектрической проницаемости ядро и по меньшей мере один слой, при этом ядро и/или указанные слои выполнены из насыпной диэлектрической среды, частицы которой имеют размер много меньше длины волны, согласно изобретению, насыпная диэлектрическая среда ядра и каждого насыпного слоя вибрационно уплотнена и находится под избыточным давлением относительно следующего слоя или внешней среды, а частицы насыпной диэлектрической среды имеют форму шара одинакового для каждого насыпного слоя диаметра.

Именно среды из шаров одинакового размера и веса имеют наиболее устойчивую к условиям эксплуатации упаковку со стабильным коэффициентом заполнения, а следовательно и наибольшую однородность по плотности во всем объеме среды.

Так как шары, образующие среду, имеют между собой только точечные контакты, то такая среда обладает большей упругостью, чем твердая среда из такого же материала, что существенно расширяет диапазон упругих деформаций насыпной среды в линзе при перепадах рабочих температур.

В то же время внутреннее трение между частицами в виде шариков мало и такие среды легко и равномерно заполняют предназначенный для них объем, особенно при вибрационном уплотнении среды с некоторым избыточным давлением.

Благодаря воздействию избыточного давления, частицы среды линзы постоянно находятся в контакте между собой и лишены возможности перемещаться друг относительно друга при вибрациях, тряске или ударах, что обеспечивает стабильную однородность насыпных сред в линзе в условиях эксплуатации. Величина избыточного давления определяется исходя из заданных условий эксплуатации. Такая насыпная диэлектрическая среда сохраняет стабильность своих характеристик, не уплотняется, не расслаивается на тяжелые и легкие фракции и не образовывает пустот, кроме того, изменения температуры в эксплуатационных пределах не приводят к созданию условий разрыва или потери устойчивости защитной оболочки линзы из-за тепловых деформаций насыпной среды и оболочки.

Так как частицы среды из шариков одинаковых размеров при самой плотной упаковке занимают не более 72% объема, а остальное место занимает воздух, который может проходить между частицами, то в такой линзе реализуется возможность принудительной вентиляции ее внутреннего объема, когда выделяемое в теле линзы тепло отбирается от каждой частицы среды воздухом (или другим газом), продуваемым сквозь линзу через множество вентиляционных отверстий малых размеров.

В качестве частиц - шариков для насыпных сред наиболее удобно использовать дозировано предвспененные гранулы пенополистирола, пенополиэтилена и других пенодиэлектриков.

Для разделения слоев служат тонкие диэлектрические оболочки или слои из твердого диэлектрика, концентрично закрепленные в теле линзы.

Избыточное давление может создаваться встроенными в оболочки или в твердые слои поджимными устройствами типа упругих мембран или резьбовых пробок.

При тепловых воздействиях окружающей среды на наружный слой или оболочку линзы, упругость среды и упругое подвижное устройство предотвращают разрушение оболочки или образование пустот в насыпной среде.

Для этих целей поджимное устройство наружной оболочки (или наружного слоя) выполнено из металла и имеет гофрированную мембрану, регулирующую пружину и компенсационную емкость.

Кроме того, ядро линзы или один из слоев линзы, находящийся между твердыми слоями или оболочками может заполняться жидким диэлектриком, например, кремнеорганической жидкостью, ε который будет соответствовать расчетному значению для данной линзы.

Для охлаждения среды линзы при излучении особо высоких уровней мощности эта диэлектрическая жидкость, прокачиваемая через эту среду, может использоваться в качестве охлаждающей.

В этом случае плотность материала насыпных сред должна быть такова, чтобы при заполнении охлаждающей жидкостью пустот между частицами результирующая ε среды соответствовала бы расчетному значению, а ядро линзы целиком состояло бы из охлаждающей жидкости.

Так, полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-3 имеет ε = 2,4 и tgδ = (2^oC6)•10^-4. Применение жидких диэлектриков целесообразно для малослойных линз с большими расчетными значениями ε.
Изобретение поясняется подробным описанием конкретных примеров выполнения сферослоистых линз с насыпной диэлектрической средой со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает разрез собранной четырехслойной линзы;
фиг. 2 - разрез трехслойной линзы, охлаждаемой воздухом;
фиг. 3- разрез двухслойной линзы с использованием жидкого диэлектрика в качестве ядра и для охлаждения линзы.

На фиг. 1 представлена четырехслойная сферическая линза, которая содержит наружный слой 1 из твердого диэлектрика с ε₁= 1,4, два промежуточных слоя 2 и 3, один из которых примыкает к наружному слою 1 и выполнен из насыпной среды с ε₂= 1,5, а другой слой 3 выполнен из твердого диэлектрика с ε₃= 1,58, и центральный слой 4 в виде ядра из насыпной среды с ε₄= 1,65.

Относительные внешние радиусы слоев 1, 2, 3, 4 равны соответственно 1,000; 0,720; 0,565 и 0,386. Половинки твердых слоев 1 и 3 соединены между собой с помощью диэлектрических штифтов 5 и 6, ε которых равна ε слоя 3 или 1, в котором они находятся.

Каждая из половинок твердых слоев 1 и 3 имеет поджимные устройства в виде диаметрально расположенных резьбовых пробок 7 и 8, вворачиваемых в резьбовые отверстия 9 и 10 твердых слоев 3 и 1. Одновременно резьбовые пробки и резьбовые отверстия используются для заполнения полостей линзы насыпными средами.

Резьбовые пробки 7 и 8 изготавливаются из материалов с ε равной ε слоя, в который они завинчиваются.

Наибольшая опасность разрушения от тепловых деформаций возникает для наружного слоя 1, когда при резких суточных или сезонных понижениях температуры охлаждающийся наружный слой 1 будет оказывать давление на неохлажденный насыпной слой 2. Для предотвращения возникновения разрушающих напряжений в наружном слое 1 служит подвижное устройство 11, которое имеет компенсационную емкость 12, сообщающуюся с насыпным слоем 2 каналом 13 и ограниченную гофрированной мембраной 14. Давление мембраны 14 на среду задается регулирующей пружиной 15.

Это поджимное устройство 11 может одновременно служить крепежным фланцем для линзы. Детали поджимного устройства 11 могут изготавливаться из металла.

Концентричность установки слоя 3 относительно наружного слоя 1 обеспечивается диэлектрическими центрирующими стойками 16, ε которых равна ε слоя 2 и которые установлены в глухих резьбовых отверстиях 17 наружного слоя 1.

Сборка четырехслойной линзы производится в следующей последовательности:
1) верхняя и нижняя половинки слоя 3 соединяются между собой с помощью штифтов 5;
2) в нижнее резьбовое отверстие 9 слоя 3 вворачивается резьбовая пробка 7, а через верхнее резьбовое отверстие 9 засыпается мерное количество гранул диэлектрической среды ядра 4 линзы, в конце засыпки среда уплотняется на виброплощадке и дозированно сжимается путем многократного ввертывания резьбовой пробки 7;
3) в резьбовые отверстия 17 обеих половинок наружного слоя 1 ввертываются центрирующие стойки 16;
4) в нижнюю половинку слоя 1 вкладывается слой 3, затем устанавливается верхняя половинка слоя 1, соединяется штифтами 6 с нижней половинкой, затем устанавливается подвижное устройство 11;
5) через верхнее резьбовое отверстие 10 в слое 1 засыпается мерное количество гранул диэлектрической среды слоя 2, далее линза устанавливается на виброплощадку и среда уплотняется. После этого верхняя пробка 8 завинчивается и с помощью регулирующей пружины 15 задается необходимое избыточное давление среды слоя 2.

Операции по сборке линз больших размеров могут выполняться непосредственно на месте монтажа.

После сборки все стыки герметизируются тонкой клейкой лентой или герметиком.

На фиг. 2 показана трехслойная линза для излучения высоких уровней мощности, в которой охлаждение насыпных диэлектрических слоев 18, 19 и 20 осуществляется путем принудительной вентиляции через наружные поджимные устройства 21, которые отличаются от поджимного устройства 11 (фиг. 1) только наличием в мембранах 22 множества отверстий 23, размеры которых меньше размеров частиц среды. Наружные поджимные устройства 21 герметично вмонтированы в отверстия наружной оболочки 24 линзы.

Диэлектрические насыпные слои 18, 19, 20 разделяются друг от друга тонкими эластичными сферическими оболочками 25 из диэлектрика, в которых имеются расположенные в районе полюсов линзы сетчатые окна 26 из диэлектрика для прохода вентиляционных потоков внутрь оболочек. Потоки охлаждающего газа показаны на фиг. 2 стрелками.

Уплотнение диэлектрических сред внутренних слоев 19, 20 происходит за счет упругости тонких эластичных сферических оболочек 25.

На фиг. 3 показана двухслойная линза для излучения особо высоких уровней мощности, в которой ядро 28 линзы образовано из диэлектрической жидкости, а наружный слой 29 - из частиц пенодиэлектрика, а заполняет пустоты между частицами таже диэлектрическая жидкость. Частицы наружного слоя 29 заключены между двумя тонкими оболочками 30 из пенодиэлектрика. Устойчивость формы оболочек 30 обеспечивается избыточным давлением жидкости, подводимой через штуцера 31.

Описанные выше принципы конструктивного и технологического построения линз на основе насыпных сред позволили авторам разработать и создать две сферослоистые линзы внешним диаметром 285 мм для миллиметрового диапазона волн. Первая линза - двухслойная с относительным фокусным расстоянием F/R= 1,89 с параметрами: ε₁= 2,27, ε₂= 1,84, r₁ = 1,000, r₂ = 0,695, (где 1-ый слой - внешний, из твердого диэлектрика, 2-ой слой - внутренний из насыпной среды, а r₁ и r₂ - нормированные относительные радиусы слоев), имеет измеренный в диапазоне частот (28 ^oC 39) ГГц коэффициент использования площади апертуры не менее 0,55 при расчетной величине ~ 0,65.

Вторая линза - четырехслойная (см. фиг. 1) с относительным фокусным расстоянием F/R=1,49 и с параметрами слоев, приведенные на стр. 7, имеет расчетный коэффициент использования поверхности ~ 0,72 в этом же диапазоне частот. Достигнутые значения КИП в миллиметровом диапазоне волн свидетельствуют о хорошей центральной симметрии этих линз и высокой степени однородности реализованных насыпных сред и дают основание утверждать, что в сантиметровом диапазоне волн линзы аналогичной конструкции будут иметь заведомо более высокие значения КИП.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в разнообразных радиотехнических системах с широкоугольным обзором пространства неикаженным лучом. Сущность изобретения заключается в том, что лиза содержит выполненные с заданными значениями диэлектрической проницаемости ядро и по меньшей мере один слой, которые выполнены из насыпной диэлектрической среды. Частицы среды имеют форму шара одинакового для каждого насыпного слоя диаметра, при этом размер частиц много меньше длины волны. Кроме того, среда вибрационно уплотнена и находится под избыточным давлением относительно следующего слоя или внешней среды. Техническим результатом является улучшение радиотехнических параметров и эксплуатационная стабильность. 12 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Сферослоистая линза с насыпной диэлектрической средой миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн, содержащая выполненные с заданными значениями диэлектрической проницаемости ядро и по меньшей мере один слой, при этом ядро и/или указанные слои выполнены из насыпной диэлектрической среды, частицы которой имеют размер много меньше длины волны, отличающаяся тем, что насыпная диэлектрическая среда ядра и каждого слоя вибрационно уплотнена и находится под избыточным давлением относительно следующего слоя или внешней среды, а частицы насыпной диэлектрической среды имеют форму шара одинакового для каждого слоя диаметра. 2. Линза по п.1, отличающаяся тем, что частицы насыпной диэлектрической среды выполнены из дозированно предвспененного пенодиэлектрика с плотностью, необходимой для получения заданной диэлектрической проницаемости слоя. 3. Линза по п.1, отличающаяся тем, что ядро и каждый слой из насыпной диэлектрической среды отделены друг от друга тонкой эластичной сферической оболочкой из пенодиэлектрика с диэлектрическими проницаемостями, близкими к диэлектрическим проницаемостям разделенных сред. 4. Линза по п.1, отличающаяся тем, что слои и/или ядро из насыпной диэлектрической среды отделены друг от друга или от внешней среды сферическими слоями из твердого диэлектрика, концентрично закрепленными с помощью центрирующих стоек, выполненных из диэлектрика, имеющего диэлектрическую проницаемость среды, равную диэлектрической проницаемости среды, в которой они размещены. 5. Линза по п.3, отличающаяся тем, что в каждой тонкой эластичной сферической оболочке имеется поджимное устройство, предназначенное для уплотнения насыпной диэлектрической среды путем создания избыточного давления относительно внешнего охватывающего насыпную диэлектрическую среду слоя, при этом поджимное устройство выполнено из диэлектрика, имеющего диэлектрическую проницаемость среды, в которой оно расположено. 6. Линза по п.4, отличающаяся тем, что в каждом сферическом слое из твердого диэлектрика имеется поджимное устройство, предназначенное для уплотнения насыпной диэлектрической среды путем создания избыточного давления относительно внешнего охватывающего насыпную диэлектрическую среду слоя, при этом поджимное устройство выполнено из диэлектрика, имеющего диэлектрическую проницаемость среды, в которой оно расположено. 7. Линза по п. 5, отличающаяся тем, что поджимное устройство тонкой эластичной сферической оболочки, которая является наружной, выполнено из металла и содержит гофрированную мембрану, регулирующую пружину и компенсационную емкость. 8. Линза по п.6, отличающаяся тем, что поджимное устройство сферического слоя, который является наружным, выполнено из металла и содержит гофрированную мембрану, регулирующую пружину и компенсационную емкость. 9. Линза по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере один слой, заполненный жидким диэлектриком с диэлектрической проницаемостью, соответствующей расчетной диэлектрической проницаемости этого слоя линзы. 10. Линза по п.9, отличающаяся тем, что слоем, заполненным жидким диэлектриком, служит ядро и/или один из слоев, расположенный между сферическими слоями из твердого диэлектрика. 11. Линза по п.5 или 6, отличающаяся тем, что поджимные устройства выполнены с множеством вентиляционных отверстий, которые предназначены для охлаждения линзы и каждое из которых имеет размер меньше размера частиц насыпной диэлектрической среды. 12. Линза по п.11, отличающаяся тем, что в качестве охлаждающей среды используется воздух или другой газ, инертный по отношению к диэлектрической среде. 13. Линза по п.11, отличающаяся тем, что в качестве охлаждающей среды используется диэлектрическая жидкость, инертная по отношению к диэлектрической среде.