УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ПРИ ПРИЕМЕ-ПЕРЕДАЧЕ РАДИОВОЛН САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2000 года по МПК H01Q15/08 

Изобретение относится к области конструирования направленных антенн, а конкретно - к конструированию устройств для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона.

Как известно, процессы распространения (отражения, преломления, интерференции, дифракции) радиоволн в различных средах с приемлемой для практики точностью описываются законами линейной оптики, поскольку радиоволны и свет имеют одну и ту же физическую природу - представляют собой электромагнитное излучение, см. например [1, с. 37-48]. Это позволяет при конструировании устройств для фокусировки при приеме-передаче радиоволн использовать приемы и методы, широко используемые в оптике.

Так, широко известным устройством для фокусировки при приеме-передаче радиоволн является рефлектор (зеркало) параболической антенны [1, с. 74-75]. При этом для приема радиоволн от удаленного источника приемник электромагнитных излучений (сенсор) размещается в фокусе параболы, а ось параболы ориентируется на источник излучения. Соответственно, для направленного излучении радиоволн в фокусе параболы устанавливается источник излучения (например, вибратор), а ось параболы ориентируется на приемник излучения.

Параболические антенны получили широкое практическое применение в различных областях техники, в том числе в радиолокации, радиопеленгации и связи. Так, например, в [2, С.384-386, рис.6.4] описан радиоастрорадиопененгатор (радиосекстан), который имеет приемную антенну с параболоидным рефлектором, который разворачивается по горизонтали и вертикали с помощью соответствующих приводных механизмов. Основное назначение параболоидного рефлектора в такой антенне - фокусировка принимаемых колебаний, которые далее с помощью соответствующего приемника и волновода передаются в обрабатывающую систему.

Характерной особенностью устройств для фокусировки радиоволн, использующих параболические (параболоидные) рефлекторы, является то, что с помощью одного устройства можно осуществить прием (передачу) колебаний только в одном направлении.

Для обеспечения возможности осуществления приема-передачи радиоволн одновременно в нескольких направлениях используются устройства для фокусировки типа "линзы Люнеберга" ("Luneberg lens"), см., например [3], [4], [5], [6], представляющие собой сферические линзы из диэлектрика с переменным показателем преломления 8 вдоль радиуса линзы.

Устройство для фокусировки радиоволн типа "линзы Люнеберга" ("Luneberg-Lens construction"), см., например, [7], представляет собой шарообразную конструкцию из диэлектрического материала, например, из полистирола или полиэтилена, с распределенной структурой, обеспечивающей по всем радиальным направлениям (от центра шара к его внешней границе) определенное изменение диэлектрической проницаемости, см. например [7, формула (1)]. В такой конструкции любая точка вблизи внешней границы устройства может выступать в качестве одного из фокусов линзы, а линия, проходящая через фокус и центр линзы, - в качестве оптической оси устройства. Противоположный фокус при этом удален в бесконечность. Источник радиоволн, расположенный в одном из фокусов вблизи внешней границы устройства, формирует остронаправленный пучок радиоволн, распространяющихся вдоль данной оптической оси. Соответственно, приемник радиоволн, расположенный в одном из фокусов вблизи внешней границы устройства, принимает радиоволны, распространяющиеся вдоль соответствующей оптической оси. Таким образом устройство для фокусировки радиоволн типа "линзы Люнеберга" обеспечивает возможность одновременного приема-передачи радиоволн в различных направлениях. Такие уникальные свойства устройств для фокусировки типа "линзы Люнеберга" предопределяют возможность их эффективного применения в многоканальных системах связи, телевидения и радиолокации. (Далее под термином "линза Люнеберга" понимается именно этот класс сферических диэлектрических линз с переменным показателем преломления).

В устройствах для фокусировки радиоволн типа "линзы Люнеберга" размеры конструкции зависят от длины принимаемых (передаваемых) радиоволн, при этом возможности конструктивной реализации накладывают ограничения на возможный частотный диапазон для принимаемых и/или передаваемых радиоволн. Практически, устройства типа "линзы Люнеберга" проектируются и изготавливаются в настоящее время для работы в сантиметровом диапазоне радиоволн.

При практическом конструировании устройств для фокусировки типа "линзы Люнеберга" решается обратная задача - исходя из известного, например из [7, формула (1)], закона изменения диэлектрической проницаемости внутри конструкции определяются параметры элементов конструкции, формирующих в своей совокупности требуемое распределение диэлектрической проницаемости.

Характерными примерами конструктивной реализации устройств типа "линзы Люнеберга" являются конструкции, описанные в [8], [9]. Эти конструкции, представляющие собой сферические линзы с переменным показателем преломления, содержат набор оболочек однородного диэлектрика, при этом диэлектрическая проницаемость и толщина каждой оболочки подбираются такими, чтобы с максимальной точностью апроксимировать требуемое непрерывное изменение диэлектрической проницаемости вдоль радиуса линзы. Для таких 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 диэлектрической проницаемости от требуемого значения, что существенно усложняет процесс изготовления линз и увеличивает их стоимость.

Работы в направлении упрощения конструкции и уменьшения стоимости сферических диэлектрических линз с переменным показателем преломления - устройств для фокусировки радиоволн типа "линз Люнеберга" - привели к созданию модульных конструкций, таких как, например, [10], [11], [12]. Эти конструкции содержат одинаковые по размерам кубические модули, за исключением наружных модулей, выполненные из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в параллельных относительно друг друга горизонтальных слоях в соответствии с законом изменения диэлектрической проницаемости. Отличаются конструкции [10], [11], [12] способом скрепления модулей. Так, в [10] скрепление модулей осуществляется с помощью склеивающего адгезионного материала, а в [11] и [12] - с помощью продольных пазов и выступов, выполненных в каждом из модулей. При этом в [11] описаны конструкции, в которых 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, а в [12] описана конструкция, в которой в каждом кубическом модуле на одной паре противолежащих боковых граней выполнены один против другого продольные пазы, а на другой паре противолежащих боковых граней - продольные выступы, сечение которых соответствует сечению продольных пазов.

Конструкция модульной сферической диэлектрической линзы с переменным показателем преломления, описанная в [12], принята в качестве прототипа для заявляемого устройства для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона.

Устройство-прототип представляет собой шарообразную конструкцию, содержащую диэлектрические элементы - модули, выполненные в форме кубиков, взаимосцепленные между собой с помощью соответствующих средств сочленения - пазов и выступов, выполненных на боковых гранях модулей. Диэлектрические элементы-модули имеют различную диэлектрическую проницаемость и размещены в параллельных горизонтальных слоях в соответствии с заданным законом изменения диэлектрической проницаемости внутри конструкции, соответствующим распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга.

Изготовление устройства-прототипа осуществляется следующим образом. Вначале изготавливается набор диэлектрических элементов с нужными значениями диэлектрической проницаемости. Изготовленные элементы маркируются для идентификации их диэлектрической проницаемости. Затем, по определенному правилу, вытекающему из заданного закона распределения диэлектрической проницаемости в конструкции, элементы с определенной диэлектрической проницаемостью соединяются друг с другом посредством указанных выступов-соединителей и пазов. Соединение осуществляется послойно в последовательности, зафиксированной в технологических картах сборки. При этом собираются две полусферы на поддонах так, что обеспечивается взаимодополняющая ступенчатая структура экваториальных слоев полусфер. На этих же поддонах производится механическая обработка полусфер для получения наружной сферической поверхности заданных размеров. Затем полусферы заключаются в радиопрозрачные защитно-декоративные оболочки, после чего соединяются в сферу и скрепляются относительно друг друга соединительным поясом из стеклопластика. Изготовленное таким образом устройство, представляющее собой устройство для фокусировки при приеме-передаче радиоволн, устанавливается в соответствующем антенном устройстве.

Таким образом, характерной особенностью изготовления устройства-прототипа является необходимость использования большой номенклатуры разнородных элементов, отличающихся диэлектрической проницаемостью. Это, а также необходимость сборки разнородных элементов по определенному, достаточно сложному правилу, делает конструкцию устройства-прототипа сложной и дорогой для изготовления. При этом затруднена возможность проверки правильности сборки, что не гарантирует повторяемости характеристик при изготовлении устройств серийно. Все это затрудняет возможности массового производства и применения таких устройств.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции устройства для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазон типа "линзы Люнеберга", характеризующегося в отличие от прототипа простотой, технологичностью и дешевизной изготовления, повторяемостью характеристик и возможностью массового изготовления.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона, содержащем диэлектрические элементы, соединенные в шарообразную конструкцию, у которой распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции соответствует распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга, внутренний элемент конструкции выполнен в виде шара, в отверстиях которого закреплены наружные элементы - радиально ориентированные штыри, образующие внешнюю часть конструкции.

В наиболее распространенных случаях реализации устройства все элементы внутренней и внешней частей конструкции выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола, при этом все элементы внешней части конструкции - радиально ориентированные штыри имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной.

Сущность заявляемого устройства и возможность его практической реализации поясняются чертежами, представленными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлен схематический чертеж устройства;
на фиг. 2 - иллюстрация формы выполнения наружных элементов устройства - штырей сигарообразной формы.

Заявляемое устройство для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона содержит (фиг. 1) внутренний 1 и внешние 2 диэлектрические элементы. Внутренний элемент 1 выполнен в виде шара из диэлектрического материала с радиально ориентированными отверстиями 3. Отверстия 3 предназначены для закрепления наружных элементов 2 - радиально ориентированных диэлектрических штырей, которые образуют внешнюю часть конструкции, наружная граница которой представляет собой сферу.

В вариантах реализации, имеющих практическое применение, элемент 1 и все элементы 2 выполняются из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола, при этом все элементы 2 имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной (фиг.2).

В заявляемой конструкции, представляющей собой диэлектрический шар с закрепленными на нем радиально ориентированными диэлектрическими штырями сигарообразной формы, отделенными друг от друга воздушными промежутками, требуемое распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции (в соответствии с распределением диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга) обеспечивается за счет выбора конструктивных параметров элементов 1 и 2. При этом конкретные параметры конструкции (диаметр внешней границы конструкции, диаметр элемента 1, число элементов 2, размеры и форма профиля элементов 2) вычисляются путем решения обратной задачи - по заданному закону распределения диэлектрической проницаемости, известному, например, из [7, формула (1)] или из [II, фиг. 15], при заданной длине волны и выбранном диэлектрике определяются конкретные геометрические параметры элементов, входящих в состав конструкции.

Например, при практической реализации заявляемого устройства, обеспечивающего приемлемые для практики характеристики поглощения радиоволн с длиной волны 1,5 - 2,5 см, число наружных элементов 2 находится в пределах 5000 ÷ 6000, диаметр внутреннего элемента 1 в пределах 70 - 80 мм, длина выступающей части элементов 2 находится в пределах 170 - 180 мм, а максимальная толщина элементов 2 - в пределах 6,0 - 6,7 мм.

На фиг.2 представлен чертеж, иллюстрирующий форму выполнения элементов 2 в варианте реализации, когда длина элемента 2 составляет 1 = 210 мм, а максимальный диметр d_m = 6,05 мм. При этом изменение диаметра вдоль оси элемента 2 (через каждые 2,5 мм по его длине, начиная с конца, вставляемого в отверстие 3) характеризуется следующим рядом значений диаметра (в мм): 1,859; 1,972; 2,085; 2,198; 2,308; 2,42; 3,53; 2,638; 2,747; 2,855; 2,962; 3,069; 3,173; 3,278; 3,381; 3,483; 3,583; 3,684; 3,783; 3,882; 3,976; 4,073; 4,166; 4,258; 4,349; 4,439; 4,527; 4,611; 4,698; 4,779; 4,859; 4,938; 5,016; 5,088; 5,162; 5,231; 5,303; 5,368; 5,432; 5,494; 5,549; 5,608; 5,659; 5,708; 5,761; 5,80; 5,842; 5,883; 5,914; 5,943; 5,977; 6,0; 6,013; 6,031; 6,038; 6,05; 6,05; 6,046; 6,03; 6,019; 5,994; 5,974; 5,94; 5,891; 5,846; 5,796; 5,728; 5,654; 5,572; 5,482; 5,371; 5,263; 5,131; 4,987; 4,83; 4,64; 4,45; 4,221; 3,966; 3,655; 3,326; 2,91; 2,4; 1,715.

Устройство изготавливается следующим образом. Из выбранного диэлектрического материала, например из полистирола, любым из известных методов, например литьем под давлением, изготавливаются в нужном количестве элементы 2, а также шарообразная заготовка для элемента 1. В шарообразной заготовке для элемента 1 сверлятся радиально ориентированные отверстия 3. В отверстиях 3 закрепляются соответствующие концы элементов 2 (например, вставляются с натягом).

Возможны варианты изготовления устройства, при которых элемент 1 отливается сразу с отверстиями 3. Этот вариант, требующий более сложного технологического оборудования, целесообразен при массовом изготовлении.

Таким образом, при производстве заявляемого устройства вся номенклатура необходимых деталей сводится к двум деталям, а именно к элементам 1 и 2. Такое сужение номенклатуры деталей, по сравнению с прототипом, в совокупности с простотой их изготовления и сборки позволяет на несколько порядков удешевить устройство. Поскольку при сборке используются одинаковые элементы 2, то исключаются ошибки сборки и обеспечивается повторяемость характеристик, отсутствовавших в устройстве-прототипе. Все это предопределяет широкие перспективы для массового производства и применения заявляемого устройства.

Собранное таким образом устройство обеспечивает реализацию заданных характеристик по распределению диэлектрической проницаемости внутри конструкции.

При необходимости получения устройства с иными характеристиками распределения диэлектрической проницаемости изготавливают из того же диэлектрического материала элементы 2 новой конфигурации, соответствующей новым заданным характеристикам, после чего осуществляют сборку устройства аналогично рассмотренному выше. Технически это связано лишь с необходимостью изменения пресс-форм, в которых осуществляется изготовление элементов 2. Таким образом, заявляемое устройство может легко изготавливаться в любых необходимых модификациях, что выгодно отличает его от прототипа, где для получения устройства с новыми характеристиками необходимо использовать новые материалы с новыми значениями диэлектрической проницаемости.

Изготовленное таким образом устройство заключается в сферическую оболочку, выполненную из радиопрозрачного материала, обеспечивающую защиту конструкции от атмосферного воздействия (защитная оболочка и ее крепление с элементами устройства не показаны). Защитная оболочка оснащается средствами для закрепления в антенном устройстве. Вблизи защитной оболочки размещаются источники излучаемых радиосигналов и/или приемники радиосигналов. Ориентация устройства в процессе работы при приеме-передаче радиоволн осуществляется с помощью соответствующих приводов.

Из рассмотренного видно, что заявляемое устройство технически осуществимо, промышленно реализуемо и решает поставленную техническую задачу по созданию конструкции устройства для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона типа "линзы Люнеберга", характеризующегося в отличие от прототипа простотой, технологичностью и дешевизной изготовления, повторяемостью характеристик и возможностью массового изготовления в различных модификациях.

Источники информации
1. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том 1, выпуск 3-4, М.: Мир, 1977.

2. В.И. Быков, Ю.И. Никитенко, Cудовые радионавигационные устройства. М. : Транспорт, 1976.

3. R.K. Luneberg. Mathematical Theory of Optics. Brown University Press, 1944, pp. 189-212.

4. J.S. Hollis, M.W. Long. A Luneberg Lens Scanning System. IRE Transactions on Antennas and Propagation, AP-15, January, 1957.

5. J. R. Sanford, M.A. Mitchell. Luneberg Lens Revival. Electronics and Wireless World, 95, May 1989, pp.456-460.

6. S. P. Morgan. General solution of Luneberg lens problem. Jour.Appl. Physics, 29(9), 1958, 1358.

7. H. Schrank, J. Sanford. A Luneberg-Lens Update. IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol.37, N.1, February 1995, pp.76-79.

8. Antenna Engineering Handbook. Me. Grow-Hill Book Co. New York, 1984.

9. Skolnik M. J. Introduction to radar Systems. Me. Grow-Hill Book Co. New York, 1980.

10. Schrank H. E. In. Proc. 7^th Electrical Insulation. Conf. New York, 1967, 15-19/X.

11. Патент РФ (RU) N 2099834 (C1l), H 01 Q 15/08, опубл. 20.12.97.

12. Патент РФ (RU) N 2054215 (C1), H 01 Q 15/02, опубл. 10.02.96. (прототип).

Изобретение относится к конструированию направленных антенн, а конкретно - к конструированию устройств для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона. Техническим результатом является простота, технологичность и дешевизна изготовления, повторяемость характеристик и возможность массового производства. Устройство содержит диэлектрические элементы, соединенные в шарообразную конструкцию, у которой распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции соответствует распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга. Внутренний элемент конструкции выполнен в виде шара, в отверстиях которого укреплены наружные элементы - радиально ориентированные штыри, образующие внешнюю часть конструкции. В вариантах реализации, имеющих практическое значение, все элементы конструкции выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола, при этом все элементы внешней части конструкции - радиально ориентированные штыри - имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона, содержащее диэлектрические элементы, соединенные в шарообразную конструкцию, у которой распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции соответствует распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга, отличающееся тем, что внутренний диэлектрический элемент конструкции выполнен в виде шара, в отверстиях которого закреплены наружные диэлектрические элементы - радиально ориентированные штыри, образующие внешнюю часть конструкции. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний диэлектрический элемент и все наружные диэлектрические элементы конструкции выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все диэлектрические элементы внешней части конструкции - радиально ориентированные штыри - имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной.