СКАНИРУЮЩАЯ ТОРОИДАЛЬНАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА Российский патент 2000 года по МПК H01Q15/08 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации сантиметрового (СМВ) и миллиметрового (ММВ) диапазонов волн. Функциональное назначение антенн - круговое сканирование луча.

Известны сканирующие тороидальные линзовые антенны-аналоги [1], содержащие неоднородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси идеально фокусирующих профилей: в одном случае - окружности с изменяющейся в ее пределах относительной диэлектрической проницаемостью ε по закону Люнеберга, в другом случае - полуокружности с изменением ε по закону Максвелла. При вращении профиля его фокус образует вблизи оси непрерывную фокальную окружность. Сканирование луча антенны является круговым в плоскости фокальной окружности линзы и обеспечивается тем, что облучатель антенн состоит либо из излучателя, электромеханически перемещаемого по фокальной окружности, либо из множества излучателей, расположенных по фокальной окружности линзы. В последнем случае сканирование луча достигается поочередным электрическим переключением излучателей.

Изготовление неоднородной линзы антенн-аналогов может быть осуществлено, например, ее сборкой из отдельных частей или цельным литьем пластическими массами под переменным давлением [2, 3]. Недостатком антенн-аналогов является то, что сам по себе непростой процесс изготовления неоднородной диэлектрической линзы с уменьшением длины волны существенно усложняется. Данное обстоятельство препятствует, в частности, широкому применению антенн-аналогов в средствах радиолокации и радиосвязи диапазона ММВ.

Недостаток устраняется при использовании линзы из однородного диэлектрика. Сканирующая тороидальная линзовая антенна с однородной диэлектрической линзой, образованной вращением окружности вокруг оси, и облучателем с электрически переключаемыми излучателями приведена в [4], наиболее близка заявляемой антенне по уровню техники и принята за прототип.

Однако антенна-прототип с однородной линзой имеет по сравнению с антеннами-аналогами два наиболее существенных недостатка. Одним из недостатков антенны-прототипа является то, что при одних и тех же размерах антенн масса однородной линзы антенны-прототипа существенно больше. Повышенная масса линзы антенны-прототипа препятствует, например, ее установке на достаточно гибкие антенные мачты мобильных станций диапазона СМВ, ведущих связь из неподвижного положения на стоянке. Другим недостатком антенны-прототипа является ограничение усиления антенны при увеличении диаметра линзы относительно длины волны. Причина ограничения - неидеальные фокусирующие свойства профиля в виде окружности из однородного диэлектрика, вызванные сферической аберрацией (рассмотренной, например, в [5]. Исследования, проведенные авторами в [4] , показали, что максимальная величина коэффициента усиления антенны-прототипа составляет порядка 21...22 дБ. Такое ограничение усиления, в свою очередь, существенно ограничивает дальность связи, например, в диапазоне ММВ, где имеет место большое ослабление сигнала средой распространения. Таким образом, за приобретенные в антенне-прототипе технологическую простоту и меньшую стоимость по сравнению с антеннами-аналогами приходится расплачиваться увеличением массы и ограничением усиления антенны.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение массы линзы и устранение ограничения роста усиления антенны.

С этой целью сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением окружности вокруг оси, и облучатель, состоящий из системы переключаемых излучателей, расположенных на фокальной окружности линзы, отличается тем, что тороидальная линза антенны образована вращением вокруг оси неапланатического фокусирующего геометрического профиля. Дополнительное снижение массы линзы достигается тем, что геометрический профиль (далее просто профиль) является зонированным. Используемая здесь и далее в тексте терминология, характеризующая профиль, соответствует [5],
Основным отличительным признаком заявляемой антенны и антенны-прототипа является профиль тороидальной линзы, неапланатический фокусирующий - в заявляемой антенне, окружность - в антенне-прототипе. Частным отличительным признаком является зонирование профиля заявляемой антенны.

Использование для образования тороидальной линзы неапланатического фокусирующего профиля позволяет при одинаковых габаритах с антенной-прототипом уменьшить площадь профиля, следовательно, уменьшить объем, а при одинаковом диэлектрике - соответственно и массу линзы заявляемой антенны. Зонирование профиля дополнительно уменьшает его площадь. В свою очередь неапланатический профиль по определению является идеально фокусирующим, что приводит в заявляемой антенне к отсутствию сферической аберрации, следовательно, к отсутствию ее влияния на ограничение роста усиления антенны. Таким образом обеспечивается решение задачи изобретения, а именно снижение массы линзы и устранение ограничения роста усиления антенны.

Сравнение заявляемой антенны с антенной-прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается наличием нового технического решения, не известного в сканирующих тороидальных линзовых антеннах, а именно применения для образования тороидальной линзы неапланатического фокусирующего профиля (в частности, зонированного). Таким образом заявляемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Применение неапланатического фокусирующего профиля и его зонирование известно и рассмотрено, например, в [5]. Такой профиль образует линзу неапланатических однородных диэлектрических линзовых антенн. Данные антенны имеют относительно заявляемой антенны иные существенные признаки (линза с одной фокусной точкой, в которой расположен соответственно один излучатель) и иное функциональное назначение (несканирующий луч). Применение рассматриваемого профиля в неапланатических однородных диэлектрических линзовых антеннах не преследует решения задачи, аналогичной задаче изобретения, а направлено лишь на обеспечение соответствующего функционального назначения антенн.

Относительно зонирования профиля линз следует отметить, что его известное применение в линзовых антеннах направлено на уменьшение массы линз и совпадает с частью рассматриваемой в изобретении задачи. Вместе с тем, зонирование заявляется в изобретении как частный отличительный признак. Кроме того, зонирование профиля линзы антенны-прототипа может представлять весьма непростую задачу. Во всяком случае авторам применение такого зонирования не известно. В заявляемой же антенне зонирование реализуется достаточно просто. Как предполагают авторы, данные обстоятельства допускают расширения формулы изобретения зонированием профиля заявляемой антенны.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения "существенное отличие".

Обеспечиваемое заявляемым решением снижение массы антенны позволяет устанавливать ее на достаточно гибкие антенные мачты мобильных станций диапазона СМВ. В свою очередь, отсутствие ограничения усиления позволяет повысить дальность связи, например, в диапазоне ММВ, где имеет место большое ослабление сигнала средой распространения. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию "технический результат".

Ниже предлагаемое изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемый чертеж. На фиг. 1 и фиг. 2 изображен общий вид соответственно антенны-прототипа и заявляемой антенны. На фиг. 3 изображены основные варианты неапланатического фокусирующего профиля. На фиг. 4 изображены отдельные варианты зонированного профиля.

Изображенная в общем виде на фиг. 1 антенна-прототип включает однородную диэлектрическую линзу 1. Образующим линзу профилем 2 является окружность (показана пунктиром). В локальном разрезе линзы показан волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода 4 (короткозамыкатель 5) и полуволновых резонансных щелей 6, включаемых на излучение при помощи pin-диодов 7, управляющее напряжение на которые подается по проводам управления 8. Щели, каждая из которых является отдельным излучателем, расположены на фокальной окружности тороидальной линзы. Возможны также другие конструктивные варианты облучателя, например рупорный или микрополосковый.

В изображенном на фиг. 2 общем виде заявляемой антенны приняты те же обозначения элементов, что и на фиг. 1. Линза заявляемой антенны образована вращением неапланатического профиля с одной (гиперболической) преломляющей поверхностью, изображенного на фиг. 3,б. Аналогичный вид имеет линза заявляемой антенны с профилем других вариантов фиг. 3.

Представленные на фиг. 3 варианты неапланатического фокусирующего профиля имеют идеальный фокус (точка F). Варианты а и б имеет одну преломляющую поверхность: у варианта а - теневую эллиптическую, у варианта б - освещенную гиперболическую. Вариант в имеет две преломляющие поверхности и, в общем виде, характеризуется многообразием форм поверхностей, одна из возможных реализаций которых для примера приведена на фиг. 3,в. Профиль с двумя преломляющими поверхностями позволяет исключить отражение от линзы в облучатель, свойственное профилю вариантов а и б.

На фиг. 4 приведены некоторые варианты зонированного профиля линзы заявляемой антенны. Варианты относятся к профилю с одной преломляющей поверхностью: профиль с эллиптической преломляющей поверхностью и зонированной освещенной поверхности - вариант а; профиль с гиперболической преломляющей поверхностью и зонированными поверхностями: освещенной - вариант б, теневой - вариант в. Аналогичное зонирование освещенной или теневой поверхности может быть проведено и для профиля с двумя преломляющими поверхностями.

С целью количественного подтверждения относительного снижения массы заявляемой антенны по сравнению с антенной-прототипом авторами произведен расчет при следующих условиях. Тороидальная линза заявляемой антенны имеет вид, изображенный на фиг. 2 (профиль изображен на фиг. 3,б). Тороидальные линзы антенны-прототипа и заявляемой антенны выполнены из одинакового однородного диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью ε. Диаметр образующей окружности линзы антенны-прототипа и длина раскрыва гиперболического профиля линзы заявляемой антенны имеют одинаковый размер D. Антенны имеют идентичные облучатели. Данные условия позволяют полагать примерно одинаковый коэффициент усиления рассматриваемых антенн (без учета влияния аберрации линзы антенны-прототипа). Фокусирующее расстояние профиля тороидальной линзы заявляемой антенны F принято равным D. Радиус круглого волновода облучателя (соответственно и радиус фокальной окружности тороидальной линзы) полагался в расчете равным r ≈ 0 вследствие его относительной малости по сравнению с практически значимыми величинами F и D. Влияние массы облучателя на массу антенн в расчете не учитывалось вследствие ее незначительности по сравнению с массой линз.

Для указанных условий определено выражение, позволяющее произвести расчет отношения масс m антенны-прототипа и заявляемой антенны в зависимости от коэффициента преломления диэлектрика Выражение имеет следующий вид
m = 0,0625π/s ≈ 5,05n-4,8, (1)
где

b - [a²(n²-1)+2a(n-1)]^1/2,

На фиг. 5 приведена зависимость отношения масс антенн m от коэффициента преломления диэлектрика линзы n, рассчитанная с применением выражения (1). Из зависимости следует, например, что при n = 3 обеспечивается снижение массы заявляемой антенны по сравнению с антенной-прототипом в ≈ 10,3 раз. Дополнительное снижение массы заявляемой антенны в несколько раз может быть обеспечено зонированием профиля линзы заявляемой антенны.

Аналогичное уменьшение массы заявляемой антенны с теми же основными размерами можно обеспечить и в случае применения профиля других вариантов фиг. 3.

Литература
1. Патент США N 3255453, cl. 343-754, 1966, Robert L. Horst et al. Non-uniform dielectric toroidal lensis.

2. Schrank H. E. Precision spherical Luneberg lenses for microwave antennas //Proc. 8-th Electrical Insulation Conf., New York, 1967. - N.Y., 1967. - P. 179-182.

3. Shimabukuro F.I., Lazar S. Measurement of the complex dielectric constant of low-loss casting resins at millimeter wavelengths // IEEE Int. Microwave Symp., San Francisko, 1984. - N.Y. - 1984. - P. 520-521.

4. Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. Исследование линзовой антенны на основе диэлектрического тора //Конференция по приборам, технике и распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн, Харьков, июнь 1992 г. - Тез. докл. Харьков: ИРЭ АН УР. - 1992. - С. 25.

5. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. - М.: Советское радио. - 1974. - 280 с.).

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации сантиметрового (СМВ) и миллиметрового (ММВ) диапазонов волн. Функциональное назначение антенн - круговое сканирование луча. Изобретение позволяет уменьшить массу и устранить ограничение роста усиления сканирующей тороидальной линзовой антенны, однородная тороидальная линза которой образована вращением окружности вокруг оси. Цели изобретения достигаются применением для образования тороидальной линзы неапланатического фокусирующего геометрического профиля вместо окружности. Профиль может иметь одну преломляющую сторону (освещенную гиперболическую или теневую эллиптическую) или две преломляющие стороны. Меньшая по сравнению с окружностью площадь профиля позволяет уменьшить объем и, следовательно, массу линзы. Идеально фокусирующие свойства неапланатического профиля позволяют устранить в однородной тороидальной диэлектрической линзе сферическую аберрацию, имеющую место при применении окружности. Устранение сферической абберации в линзе приводит к устранению роста усиления антенны. Снижение массы антенны позволяет, в частности, устанавливать ее на достаточно гибкие антенные мачты мобильных станций связи диапазона СМВ. В свою очередь, отсутствие ограничения усиления позволяет, например, повысить дальность действия радиолокационной станции в диапазоне ММВ, где имеет место большое ослабление сигнала средой распространения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением окружности вокруг оси, и облучатель, состоящий из системы переключаемых излучателей, расположенных на фокальной окружности тороидальной линзы, отличающаяся тем, что тороидальная линза антенны образована вращением вокруг оси неапланатического фокусирующего геометрического профиля. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что фокусирующий профиль является зонированным.