КУПОЛЬНАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА Российский патент 2003 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 с широкоугольным электрическим сканированием преимущественно миллиметрового (ММВ) и сантиметрового (СМВ) диапазонов волн.

Известна купольная линзовая антенна [1], состоящая из пассивной рассеивающей линзы, плоской круглой фазированной антенной решетки (ФАР), которая облучает линзу, и устройства управления лучом. Линза, обычно в виде полусферической оболочки (купола) постоянной толщины, состоит из проходных элементов, включающих внутренние и наружные излучатели и соединяющие их волноводы с неуправляемыми фазовращателями, создающими фиксированные фазовые сдвиги. Эти фазовые сдвиги рассчитываются таким образом, что главный максимум диаграммы направленности (ДН) получает дополнительное отклонение от оси симметрии (нормали к плоскости ФАР), а сектор сканирования может быть расширен до полусферы и более. Главным достоинством антенны является более низкая стоимость, чем стоимость многоповерхностных и конформных ФАР с полусферическим обзором. Тем не менее, линза имеет значительную стоимость и массу, узкую полосу рабочих частот и весьма сложна в настройке.

Существенно более простую конструкцию имеет линзовая антенна [2], в состав которой входит купольная рассеивающая диэлектрическая линза-обтекатель, имеющая утолщения к краям и обладающая преломляющими свойствами, обеспечивающими сканирование в широких пределах, достигающих полусферы и более. Линза выполнена из однородного диэлектрика (диэлектрическая проницаемость ε= 38) и имеет различную толщину, обеспечивая требуемые преломляющие свойства, а согласующие слои на наружной и внутренней поверхностях линзы улучшают условия прохождения энергии через линзу. Внутренняя преломляющая поверхность линзы имеет полусферическую форму и может выполняться зонированной. Линза обеспечивает работу в достаточно большом диапазоне частот, причем использование линзы из однородного диэлектрика позволило снизить стоимость купольной антенны в 2 раза по сравнению с рассмотренной выше конструкцией.

Близкую конструкцию имеет линзовая антенна [3], содержащая купольную рассеивающую однородную диэлектрическую линзу, имеющую утолщения к краям, и плоскую круглую антенную решетку, расположенную в ее основании. Линза представляет собой купол из однородного диэлектрического материала, имеющий внешнюю поверхность в форме ограниченной плоскостью сферы с центральной осью, являющейся нормалью к плоскости и проходящей через центр сферы, и внутреннюю поверхность, пространственно расположенную под внешней поверхностью, в виде ограниченной плоскостью сферы со вторым центром, расположенным на оси, проходящей через первый вышеупомянутый центр. Данная конструкция линзы позволяет защитить антенну от внешних воздействий и расширить сектор сканирования до полусферы и более. Как и в [2], для уменьшения массы линза может выполняться зонированной. Использование сферических преломляющих поверхностей не является принципиальным. Возможно использование и других поверхностей вращения, например, параболических. В целом, описанная антенна наиболее близка заявляемой по уровню техники и принята за прототип.

Недостатком антенны-прототипа, как и аналогов изобретения, является то обстоятельство, что расширение сектора сканирования в сравнении с сектором сканирования облучающей ФАР сопровождается снижением коэффициента усиления (КУ) антенны в сравнении с ФАР. Причем при излучении в главном направлении (в направлении нормали к плоскости ФАР - "зениту") снижение КУ может достигать 10-15 дБ и более в зависимости от относительных размеров линзы.

Целью изобретения является увеличение коэффициента усиления купольной линзовой антенны с широкоугольным электрическим сканированием в секторе углов, прилегающих к зениту, при одновременном уменьшении высоты и массы линзы.

С этой целью купольная линзовая антенна, содержащая плоскую круглую антенную решетку и линзу, представляющую собой оболочку в виде купола из однородного диэлектрического материала с утолщениями к краям, имеющую внешнюю, ограниченную плоскостью, гладкую поверхность вращения с центральной осью симметрии, являющейся нормалью к плоскости антенной решетки и проходящей через ее центр, и внутреннюю, ограниченную той же плоскостью, что и внешняя поверхность, гладкую поверхность вращения, с той же центральной осью, пространственно расположенную под внешней поверхностью, отличается тем, что вершина диэлектрической линзы удалена, а боковая поверхность выреза имеет форму боковой поверхности усеченного прямого кругового конуса с вершиной в центре антенной решетки и осью, совпадающей с центральной осью симметрии, причем угол при вершине конуса не превышает максимального угла сканирования антенной решетки.

Принцип работы антенны-прототипа и заявляемой антенны одинаков и заключается в следующем. ФАР формирует первичную диаграмму направленности, обеспечивая электрическое сканирование в некотором секторе углов. Диэлектрическая линза, представляющая собой оболочку из однородного диэлектрического материала с утолщениями к краям, выполняет роль преломляющей призмы, увеличивая сектор сканирования. Однако такое увеличение сопровождается уменьшением КУ антенны в сравнении с ФАР. В заявляемой антенне при излучении в секторе углов, прилегающих к "зениту", уменьшения КУ не происходит, так как вершина линзы удалена, т.е. линза имеет сквозное отверстие в области вершины, и рассеяния электромагнитной энергии в этом направлении не происходит, кроме того отсутствуют тепловые потери в удаленном диэлектрике и отражения от него. При этом заявляемая антенна имеет меньшую высоту и меньшую массу, чем антенна-прототип. Для снижения отражений электромагнитной энергии от поверхностей линзы боковая поверхность выреза имеет форму боковой поверхности усеченного прямого кругового конуса с вершиной в центре антенной решетки и осью, совпадающей с центральной осью симметрии линзы, причем угол при вершине конуса не превышает максимального утла сканирования антенной решетки.

Использование линзовой антенны, содержащей плоскую круглую антенную решетку и линзу, представляющую собой оболочку в виде купола из однородного диэлектрического материала с утолщениями к краям, имеющую внешнюю, ограниченную плоскостью, гладкую поверхность вращения с центральной осью симметрии, являющейся нормалью к плоскости антенной решетки и проходящей через ее центр, и внутреннюю, ограниченную той же плоскостью, что и внешняя поверхность, гладкую поверхность вращения с той же центральной осью, пространственно расположенную под внешней поверхностью, являются общими существенными признаками заявляемой антенны и антенны-прототипа. Усечение линзы является частным существенным признаком заявляемой антенны.

Сопоставительный анализ заявляемой антенны с антенной-прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается наличием технического решения, ранее не использовавшегося в классе сканирующих купольных линзовых антенн, а именно тем, что у купольной рассеивающей линзы из однородного диэлектрика, образованной двумя гладкими преломляющими поверхностями, удалена вершина. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с антенной-прототипом показывает, что геометрическая форма линзы заявляемой антенны имеет принципиальные отличия от геометрической формы линзы антенны-прототипа, что обеспечивает достижение цели изобретения, а именно, увеличение коэффициента усиления при излучении в зенит при одновременном уменьшении высоты и массы линзы. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Поскольку применение купольных линз с двумя преломляющими поверхностями известно [2, 3], а новой является только их геометрическая форма, то это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения. Возможность технической реализации и удовлетворение заявляемой антенной предъявляемых функциональных требований к классу сканирующих купольных линзовых антенн для техники связи и радиолокации диапазонов СМВ и ММВ позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения "промышленная применимость".

На фиг. 1 представлена конструкция антенны-прототипа. На фиг.2 представлена конструкция заявляемой антенны. На фиг.3 приведены зависимости КУ антенны-прототипа и заявляемой антенны от угла сканирования. На фиг.4 изображена относительная зависимость снижения высоты и массы заявляемой антенны в сравнении с аналогичными характеристиками антенны-прототипа.

На фиг. 1 представлена конструкция антенны-прототипа, представляющая собой плоскую круглую антенную решетку 1 и купольную рассеивающую линзу 2, представляющую собой оболочку из однородного диэлектрического материала, имеющую внешнюю поверхность 3 в форме ограниченной плоскостью 4 сферы с центральной осью 5, являющейся нормалью к плоскости 4 и проходящей через центр сферы 3, и внутреннюю поверхность 6, пространственно расположенную под внешней поверхностью 3, в виде ограниченной плоскостью 4 сферы со вторым центром, расположенным на оси 5, проходящей через первый вышеупомянутый центр. На фиг. 1 показаны также обозначения геометрических размеров антенны-прототипа: D₀ - наружный диаметр линзы; D - внутренний диаметр линзы; Н - внешняя высота линзы; h - внутренняя высота линзы; D_ap - диаметр облучающей антенной решетки.

На фиг.2 изображена конструкция заявляемой антенны. Приняты те же обозначения элементов, что и у антенны-прототипа. Заявляемая антенна содержит плоскую круглую антенную решетку 1 и купольную рассеивающую линзу 2, представляющую собой оболочку из однородного диэлектрического материала с утолщениями к краям, имеющую гладкую внешнюю поверхность вращения 3, ограниченную плоскостью 4, с центральной осью 5, являющейся нормалью к плоскости антенной решетки и проходящей через ее центр, и гладкую внутреннюю поверхность вращения 6 с той же центральной осью 5, пространственно расположенную под внешней поверхностью 3 и ограниченную той же плоскостью 4, что и внешняя поверхность. Вершина 7 диэлектрической линзы удалена, т. е. линза имеет сквозное отверстие в области вершины, а боковая поверхность выреза 8 имеет форму боковой поверхности усеченного прямого кругового конуса с вершиной в центре антенной решетки 1 и осью, совпадающей с центральной осью линзы 5, причем угол при вершине конуса не превышает максимального угла сканирования антенной решетки.

На фиг. 2 показаны также обозначения геометрических размеров заявляемой антенны: D₀ - наружный диаметр линзы; D - внутренний диаметр линзы; H - внешняя высота неусеченной линзы; h - внутренняя высота неусеченной линзы; D_ap - диаметр облучающей антенной решетки; Н_у - внешняя высота усеченной линзы; h_y - внутренняя высота усеченной линзы. Для защиты от внешних воздействий линза 2 может быть накрыта крышкой 9 из диэлектрического материала с низким значением относительной диэлектрической проницаемости ε и высокой добротностью (малым значением тангенса угла диэлектрических потерь tgδ).

В качестве примера для количественной оценки увеличения КУ при излучении в секторе углов, прилегающих к "зениту", и снижения массы заявляемой антенны по сравнению с антенной-прототипом авторами проведены расчеты характеристик сканирования антенн с параболическими поверхностями, характеризуемыми равными относительными геометрическими размерами: D₀/D_ap=3,0; D/D_ap=2,0; H/D_ap= l, 0; h/D_ap=0,9165 и параметрами диэлектрика: ε=4, tgδ=0. Величина усечения линзы антенны-прототипа изменялась в пределах H_y/D_ap=0,8-1,0. При проведении расчетов использовался комплекс программ, описанный в [4].

На фиг.3 приведены зависимости коэффициента усиления антенны-прототипа и заявляемой антенны от угла сканирования для случая H_y/D_ap=0,8 (высота линзы заявляемой антенны на 20% меньше, чем высота линзы антенны-прототипа). Из зависимости следует, что в конкретном примере при углах сканирования ±15^o, прилегающих к "зениту", КУ заявляемой антенны в среднем на 1,5 дБ больше КУ антенны-прототипа. При использовании диэлектриков с реальными потерями (tgδ>0), а также с большими значениями ε, увеличение КУ заявляемой антенны по сравнению с антенной-прототипом при тех же условиях будет больше.

На фиг.4 представлена зависимость отношения масс линз заявляемой антенны и антенны-прототипа от отношения их высот (величины усечения линзы). Как следует из фиг. 4, при уменьшении высоты линзы на 20% за счет ее усечения масса линзы снижается на 5%. Аналогичные результаты получены и для антенн со сферическими поверхностями,
Таким образом, исследования заявляемой антенны и антенны-прототипа подтверждают, что удаление вершины диэлектрической линзы в купольных линзовых антеннах с широкоугольным сканированием позволяет увеличить коэффициент усиления антенны при излучении в секторе углов, прилегающем к "зениту", при одновременном уменьшении высоты и массы антенны.

Источники информации
1. РЛС SDR с купольной линзой // Радиоэлектроника за рубежом.-1980.- 2. -стр.17.

2. Линзы-обтекатели из однородного диэлектрика // Радиоэлектроника за рубежом.-1981.- 5.-С.3-5.

3. Yung L. Chow, Sujeet К. Radome-lens ENF antenna development // US patent N.4872019, H 01 Q 15/08, H 01 Q 1/42, 1989 (прототип).

4. Кашин С.В.-Радиотехника.-1990.- 1.-С.87-88.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации с широкоугольным электрическим сканированием преимущественно миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн. Техническим результатом является увеличение коэффициента усиления купольной линзовой антенны с широкоугольным электрическим сканированием в секторе углов, прилегающих к зениту, при одновременном уменьшении высоты и массы линзы. Сущность изобретения заключается в том, что вершина диэлектрической линзы удалена, а поверхность выреза имеет форму усеченного прямого кругового конуса с вершиной в центре антенной решетки и осью, совпадающей с центральной осью линзы, причем угол при вершине конуса не превышает максимального угла сканирования плоской антенной решетки. 4 ил.

Купольная линзовая антенна, содержащая плоскую круглую антенную решетку и линзу, представляющую собой оболочку из однородного диэлектрического материала с утолщениями к краям, имеющую гладкую внешнюю поверхность вращения, ограниченную плоскостью, с центральной осью симметрии, являющейся нормалью к плоскости антенной решетки и проходящей через ее центр, и гладкую внутреннюю поверхность вращения с той же центральной осью симметрии, пространственно расположенную под внешней поверхностью и ограниченную той же плоскостью, что и внешняя поверхность, отличающаяся тем, что вершина линзы удалена, а поверхность выреза имеет форму усеченного прямого кругового конуса с вершиной в центре антенной решетки и осью, совпадающей с центральной осью симметрии, причем угол при вершине конуса не превышает максимального угла сканирования антенной решетки.