БОЛЬШАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С СИЛОВЫМ РАДИОПРОЗРАЧНЫМ КАРКАСОМ Российский патент 2004 года по МПК H01Q15/02 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в разнообразных радиотехнических системах с антеннами больших размеров, в том числе более 10 метров, для обеспечения одновременного слежения за несколькими объектами, во всей верхней полусфере, неискаженным лучом, в режимах приема и передачи, а также организации каналов адаптивного подавления помех.

Настоящее изобретение относится к антенной технике, а именно к линзовым антеннам больших размеров.

Уникальные свойства диэлектрических линз центральной симметрии с переменным показателем преломления (линзы Люнеберга, Моргана, Максвелла, Итона и др. ), их практически неограниченная широкоугольность обзора, многолучевость и широкополосность особенно актуальны в антеннах больших диаметров, используемых в антенных системах дальней радиолокации, дальней космической связи и для радиотелескопов.

Применение естественных диэлектриков обуславливает возможность фокусировки линзой электромагнитных волн в практически неограниченном диапазоне частот. Нижняя граница диапазона зависит от размера линзы, а верхняя - от размеров сборочных диэлектрических модулей. Радиотехнические характеристики линз значительно улучшаются, если при их сборке не применяются клеевые составы и отсутствуют протяженные воздушные зазоры между сборочными модулями.

Прототипами изобретения являются: СФЕРИЧЕСКАЯ ЛИНЗА С ПЕРЕМЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, патент РФ 2054215, H 01 Q 15/02 от 25.02.92 [1] и СФЕРОСЛОИСТАЯ ЛИНЗА С НАСЫПНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДОЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО И САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН, патент РФ 2127934 C1, H 01 Q 15/02 от 03.03.98 [2].

В [1] для бесклеевой сборки линзы применяются сборочные модули из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, в форме кубиков с выступами и впадинами, что упрощает сборку линзы, с одновременным улучшением радиотехнических параметров.

В [2] при сборке линз сферослоистой конструкции для ликвидации воздушных зазоров применяются насыпные диэлектрические среды, что улучшает радиотехнические параметры и эксплуатационную стабильность линз.

Рассмотрены, как аналоги, патент США 2943358 от 5.07.60, где приводится один из возможных способов применения диэлектрической среды в виде композиции из пенополистирола и рутила, а также патент США 5661449 от 26.08.97, в котором описаны различные конфигурации сборочных модулей для бесклеевой сборки линз.

Однако широкому использованию линз больших диаметров из естественных диэлектриков препятствуют низкие прочностные характеристики пенодиэлектриков из полистирола, полиэтилена и других неполярных полимеров, а также из их композиций с неорганическими диэлектриками, например с рутилом. Неорганические диэлектрики типа различных пенокерамик, ситаллов и т.п. обладают лучшими прочностными характеристиками, но чрезвычайно дороги и очень трудоемки в механической обработке.

Кроме того, существует проблема защиты больших линз от воздействия окружающей среды. Стоимость надежных наружных оболочек с хорошими радиотехническими характеристиками становится соизмерима со стоимостью линзы.

Целью изобретения является создание большой сферической линзы с переменным показателем преломления, конструкция которой позволяет применить для сборки линзы диэлектрики с низкими прочностными характеристиками и даже насыпные диэлектрические среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в конструкцию линзы введен радиопрозрачный силовой каркас, диэлектрическая проницаемость которого изменяется по той же зависимости, как и для среды линзы.

Техническим результатом изобретения является радикальное улучшение прочностных характеристик линзы, что делает возможным создание линз больших (в том числе более 10 метров) диаметров из полимерных пенодиэлектриков с высокими диэлектрическими, но низкими прочностными характеристиками.

Это решается благодаря тому, что в сферическую линзу с переменным показателем преломления, содержащую одинаковые по размерам сборочные модули в форме куба или параллелепипеда из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в параллельных горизонтальных слоях, в соответствии с заданной зависимостью ε(r), где ε - диэлектрическая проницаемость в данной точке линзы, a r - радиус этой точки, введен радиопрозрачный силовой каркас, диэлектрическая проницаемость материала которого изменяется по той же зависимости, что и для линзы. Каркас состоит из слоев взаимно пересекающихся под прямым углом пластин из листового полимерного диэлектрика постоянной толщины типа полистирола, полиэтилена или полипропилена. Слои разделены друг от друга такими же горизонтальными пластинами. Изменение диэлектрической проницаемости по заданной зависимости обеспечивается перфорированием вертикальных и горизонтальных пластин отверстиями постоянного диаметра (диаметров) путем изменения расстояния между осями смежных отверстий, т.е. изменения плотности материала пластин по зависимости ε(d), где d - плотность перфорированного материала.

Образованные пластинами силового каркаса замкнутые кубические объемы заполняются сборочными модулями в форме кубиков или параллелепипедов - кирпичей из однородного полимерного или композиционного пенодиэлектрика, с различными значениями ε в соответствии с зависимостью ε(r), путем плотной беззазорной укладки, без применения каких-либо клеев. Также возможно заполнение этих объемов насыпными диэлектрическими средами в последовательности определенной зависимостью ε(r).

Так как вес диэлектрической среды каждого из замкнутых объемов воспринимается пластинами силового каркаса, образующего эти объемы, то напряжения внутри диэлектрической среды, возникающие от ее веса, зависят только от величины объемов, т. е. от расстояний между пластинами каркаса, и никак не зависят от размеров линзы в целом.

Таким образом, нагрузки от веса диэлектрика, составляющего в больших линзах десятки и даже сотни тонн, воспринимаются ее силовым каркасом, а не непосредственно диэлектрической средой.

Ввиду того что материалом пластин силового каркаса линзы являются полимеры типа полистирола, полипропилена, полиэтилена и т.п. с существенно лучшими прочностными характеристиками, чем у пенодиэлектриков, то расчет такого каркаса с необходимыми запасами прочности является обычной задачей строительной механики.

Введение силового каркаса в конструкцию линзы радикально решает проблему создания и закрепления на линзе защитной оболочки. Внешние края пластин каркаса, касаясь поверхности линзы, образуют на ней участки относительно небольших размеров. Поэтому задача создания защитной оболочки для всей линзы, сводится к созданию для каждого из этих участков защитных оболочек, закрепляемых на торцах пластин каркаса. Тогда вес оболочки и нагрузки от внешних воздействий будут восприниматься каркасом линзы, а не ее диэлектрической средой. Это повышает стабильность радиотехнических характеристик линзы, ибо изменение плотности среды в результате ее деформаций от внешних нагрузок вызывает нарушение зависимости ε(r).

Стыки между оболочками герметизируются обычными способами, например вспенивающимися герметизирующими составами и (или) клейкой лентой.

Тип оболочки: жесткая или мягкая, многослойная или однослойная, с выпуклыми панелями или плоскими, выбирается в зависимости от условий эксплуатации и заданного частотного диапазона.

Фиг.1 изображает разрез собранной линзы диаметром 10 метров.

Фиг.2 - вид вертикальных пластин силового каркаса.

Фиг.3 - вид горизонтальной пластины силового каркаса.

Фиг.4 - вид собранного силового каркаса первого слоя линзы.

Фиг.5 - показывает порядок заполнения одного из кубических объемов насыпной диэлектрической средой.

Сферическая линза (фиг.1) в виде полушара 1 диаметром 10 метров, лежащая на металлическом отражающем экране 2, состоит из:
1) радиопрозрачного силового каркаса, содержащего 5 слоев пересекающихся под прямым углом вертикальных пластин 3 и разделяющих эти слои горизонтальных пластин 4;
2) сборочных модулей 5 из однородного пенодиэлектрика с различными значениями ε, заполняющих объемы, созданные силовым каркасом, и образующих диэлектрическую среду линзы с заданным переменным показателем преломления;
3) наружной внешней оболочки, состоящей из отдельных элементов 6, прикрепленных к наружным торцам пластин силового каркаса;
4) насыпной диэлектрической среды 7, заполняющей пространство между сборочными модулями и внешней оболочкой в периферийных, не замкнутых пластинами силового каркаса, объемах.

На фиг. 2 показаны перфорированные с переменным шагом две вертикальные пластины, типа А и типа Б. В данном случае пластины изготовлены из листового полипропилена толщиной 10 мм, имеющего плотность d=0,921 и ε=2,2. Для обеспечения крестообразного соединения пластины изготавливаются двух типов: типа А - прорезь 8 вверху и типа Б - прорезь 9 внизу. Ширина прорезей равна толщине пластин, а глубина прорезей равна половине высоты пластин. Шаг прорезей равен шагу расстановки пластин. На позициях 10, 11, и 12 показаны в масштабе 1: 1 участки пластины с различными значениями плотности d и им соответствующими значениями ε, а именно: на позиции 10 d=0,31 и ε=1,4, на позиции 11 d= 0,446 и ε=1,6, на позиции 12 d=0,69 и ε=1,8.

На фиг.3 представлена одна из горизонтальных пластин 13, перфорированная таким же образом, как и вертикальные пластины.

Условно перфорация не показана. На пластине с обеих сторон имеются продольные фиксирующие канавки 14 и ряд поперечных фиксирующих канавок 15. Глубина канавок минимальна, чтобы заметно не ослаблять поперечное сечение пластины, порядка 1-2 мм.

На фиг.4 показан вид сверху на собранный силовой каркас первого слоя линзы. На металлическом отражающем экране 16 в проектное положение установлены вертикальные пластины 17 типа А прорезями вверх, и перпендикулярно им установлены вертикальные пластины 18 типа Б прорезями вниз. Образованные между пластинами объемы заполнены диэлектрическими модулями или насыпной диэлектрической средой в порядке, обеспечивающем соблюдение заданной зависимости ε(r).

Слой закрыт горизонтальными пластинами 19 (показаны пунктиром), которые установлены в положении, при котором их нижние фиксирующие канавки совпадают с ребрами вертикальных пластин. Верхние канавки служат для фиксации положения вертикальных пластин следующего слоя.

На фиг.5 показан порядок заполнения одного из кубических объемов, образованных каркасом, насыпной диэлектрической средой. Для того чтобы насыпная среда укладывалась точно в соответствии с картой сборки, в объем, ограниченный пластинами каркаса 20 и 21, вставляется технологическое приспособление 22, состоящее из пересекающихся под прямым углом тонких пластин из жести, которые делят объем на ячейки, размер которых соответствует картам сборки. Затем ячейки послойно заполняются диэлектрической средой 23, расфасованной в пакеты из перфорированной полимерной пленки минимальной толщины. Размер отверстий перфорации должен быть меньше размера частиц диэлектрика. Перфорация пленки необходима для:
- обеспечения плотной, беззазорной укладки пакетов в ячейки и исключения воздушных пузырей;
- обеспечения возможности вентиляции (продуваемости) диэлектрической среды линзы;
- предотвращения попадания диэлектрической среды в перфорационные отверстия пластин каркаса.

Заданная плотность укладываемой диэлектрической среды достигается с помощью трамбовки 24 и контролируется по отсчету линейки 25, закрепленной на ручке трамбовки. Значения отсчетов линейки для каждого слоя указываются в послойных картах сборки.

Радиопрозрачность силового каркаса линзы обеспечивается тем, что диэлектрическую проницаемость материала каркаса в каждой точке линзы стремятся сделать равной диэлектрической проницаемости среды в этой же точке, тогда каркас становится невидимым для электромагнитных волн. Диэлектрическая проницаемость полимерного диэлектрика в композиции с воздухом зависит от плотности этой композиции. Известен ряд эмпирических формул, выражающих эту зависимость. В том числе, многократно проверенная автором

где ε_o - диэлектрическая проницаемость исходного полимера;
d_о - плотность исходного полимера;
d - плотность композиции полимера и воздуха.

Число отверстий на квадратном участке пластины со стороной А определяется по формуле

где S₁ - площадь поперечного сечения одного отверстия.

Тогда расстояние между осями смежных отверстий на участке пластины с плотностью d будет равно

По этой формуле определяется требуемый шаг перфорации пластин силового каркаса, для достижения заданных значений ε. Изменение плотности материала пластин достигается путем изменения расстояния между осями высверливаемых в пластинах отверстий.

Нагрузочная способность пластин каркаса определяется шириной перемычек между смежными отверстиями и толщиной пластин. Ввиду переменного шага перфорации, прочность пластин каркаса возрастает от периферии к центру линзы, т. е. тенденции увеличения прочности каркаса и увеличения нагрузок на каркас совпадают.

Так для участка пластины с ε=1,4 (фиг.2 поз.10) ширина перемычки составляет 1,07 мм, и площадь сечения перемычки S_п при толщине пластины 10 мм будет равна 0,107 см².

Для участка пластины с ε=1,8 ширина перемычки составит 3,77 мм, а площадь сечения перемычки S_п будет равна 0,377 см², т.е. прочность участка пластины ε=1,8 возрастет в 3,5 раза по сравнению с участком, где ε=1,4.

По данным, приведенным в [5], для полипропилена пределы прочности составляют:
при растяжении σ_p = 250 кг/см²;
при сжатии σ_c = 600 кг/см²;
при изгибе σ_u = 800 кг/см².

Площадь единичной опорной площадки на торце пластины S_оп, определяемая как произведение расстояния между осями отверстий на толщину пластины, для участка с ε=1,4 равна 0,653 см², а для участка ε=1,8 равна 0,923 см².

Разрушающая нагрузка на участке с ε=1,4 составит

Тогда разрушающий вес диэлектрика в ячейке силового каркаса должен составить 98 тонн, но фактический вес естественного диэлектрика из пенополистирола в такой ячейке составляет 310 кг, а для композиционного диэлектрика (пенополистирол с рутилом) с ε=1,4 составит всего 176 кг [3]. Таким образом, реальные нагрузки на пластину от веса диэлектрика в 317 раз меньше, чем разрушающие нагрузки.

Такой запас прочности гарантирует высокую эксплуатационную стабильность и долголетие линзы при самых сложных условиях эксплуатации.

Эту же цель обеспечивает конструкция внешней оболочки, элементы которой крепятся к наружным торцам пластин каркаса с помощью диэлектрических болтов или саморезов. Стыки между элементами герметизируются вспенивающимися составами на основе полиорганосилоксанов, обладающими хорошими диэлектрическими свойствами, а также клейкой лентой, например, фирмы 3М, срок службы которой составляет порядка 10 лет.

При этом повышается ремонтопригодность оболочки, ибо любой поврежденный элемент легко заменяется.

Литература:
1. Патент РФ 2054215, H 01 Q 15/02 от 25.02.92.

2. Патент РФ 2127934 C1, H 01 Q 15/02 от 03.03.98.

3. Патент США 2943358 от 5.07.60.

5. Альшиц А. Я. Проектирование деталей из пластмасс. Справочник. - М.: Машиностроение, 1969.

6. Энциклопедия полимеров. - М., 1972.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах с антеннами больших размеров. Технический результат заключается в улучшении прочности, радиотехнических параметров и эксплуатационной стабильности. Сущность изобретения заключается в том, что в конструкцию линзы введен радиопрозрачный силовой каркас, что делает возможным создание линз больших (в том числе более 10 м) диаметров из полимерных пенодиэлектриков с низкими прочностными характеристиками и даже из насыпных диэлектрических сред. Силовой каркас состоит из слоев пересекающихся под прямым углом вертикальных пластин из листового полимерного диэлектрика, причем слои разделены друг от друга горизонтальными пластинами из того же материала, а изменение диэлектрической проницаемости каркаса обеспечивается изменением плотности материала пластин путем высверливания в них отверстий с изменяемым расстоянием между осями отверстий. Объемы, образуемые пластинами каркаса, заполняются сборочными модулями из однородного пенодиэлектрика или насыпным диэлектриком в порядке, определенном расчетной зависимостью ε(r). 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Сферическая диэлектрическая линза с переменным показателем преломления, содержащая одинаковые по размерам сборочные модули в форме куба или параллелепипеда из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в параллельных горизонтальных слоях в соответствии с заданной зависимостью изменения диэлектрической проницаемости ε(r), отличающаяся тем, что в конструкцию линзы введен радиопрозрачный силовой каркас, диэлектрическая проницаемость материала которого изменяется по той же зависимости, состоящий из слоев пересекающихся под прямым углом вертикальных пластин из листового полимерного диэлектрика, причем слои разделены друг от друга горизонтальными пластинами из того же материала, а изменение диэлектрической проницаемости обеспечивается изменением плотности материала пластин путем перфорирования вертикальных и горизонтальных пластин отверстиями постоянного диаметра (постоянных диаметров), с переменным расстоянием между осями смежных отверстий.2. Линза по п.1, отличающаяся тем, что кубические объемы, образованные силовым каркасом, заполняются без применения клея сборочными модулями в форме прямоугольных параллелепипедов с плоскими стенками, из однородного диэлектрика, с различными значениями диэлектрической проницаемости в соответствии с зависимостью ε(r).3. Линза по п.1, отличающаяся тем, что кубические объемы, образованные силовым каркасом, послойно заполняются отделенными друг от друга технологическими перегородками на время заполнения слоя мерными весовыми количествами насыпного диэлектрического материала с различными значениями диэлектрической проницаемости при заданной плотности, в порядке, определенном зависимостью ε(r), причем этот материал может быть расфасован в пакеты из перфорированной полимерной пленки минимальной толщины.4. Линза по п.1, отличающаяся тем, что периферийные объемы, образованные силовым каркасом и закрепленными на наружных торцах каркаса элементами наружной оболочки линзы, частично заполняются сборочными модулями в форме прямоугольных параллелепипедов, а оставшийся объем между модулями и элементами наружной оболочки заполняется мерным весовым количеством насыпного диэлектрического материала с плотностью, обеспечивающей равенство диэлектрической проницаемости насыпного наружного слоя заданному значению.5. Линза по п.1, отличающаяся тем, что наружная оболочка линзы, состоящая из отдельных элементов, закрепляется на наружных торцах пластин силового каркаса.