ТОРОИДАЛЬНАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ В ПОЛНОМ ТЕЛЕСНОМ УГЛЕ Российский патент 2007 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. Функциональное назначение антенн - сканирование лучом в полном телесном угле.

Известна сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси идеально фокусирующего профиля - окружности с изменяющейся в ее плоскости относительной диэлектрической проницаемостью по закону Люнеберга [1]. При вращении профиля его фокус образует вокруг оси непрерывную фокальную окружность. Сканирование лучом антенны является круговым в плоскости фокальной окружности линзы и обеспечивается тем, что облучатель антенны состоит либо из излучателя, механически перемещаемого по фокальной окружности линзы, либо из множества излучателей, расположенных на фокальной окружности. В последнем случае сканирование лучом достигается поочередным электрическим переключением излучателей. Изготовление неоднородной тороидальной линзы осуществляется сборкой из множества отдельных частей. Это обусловливает значительную технологическую сложность и высокую стоимость изготовления линз и делает их практически непригодными для работы в диапазоне ММВ, вследствие возрастания требований к точности обеспечения требуемой зависимости диэлектрической проницаемости, идентичности составляющих частей и точности их стыковки, а также из-за роста потерь на клеевых соединениях.

Существенно более простая конструкция тороидальной линзы реализуется при использовании однородного диэлектрика [2]. Сканирующая тороидальная линзовая антенна с однородной диэлектрической линзой, образованной вращением окружности вокруг оси, и кольцевым облучателем с электрически переключаемыми излучателями предложена в [2, 3]. Недостатком антенны является ограничение ее усиления при увеличении относительных размеров линзы в сравнении с длиной волны. Причина ограничения - неидеальные фокусирующие свойства линзы из однородного диэлектрика с круговым профилем, вызванные наличием сферической аберрации, присущей таким конструкциям.

Этот недостаток устраняется при использовании сканирующей тороидальной линзовой антенны [4], содержащей однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси неапланатического фокусирующего геометрического профиля, и многоэлементный цилиндрический кольцевой облучатель, ось симметрии которого совпадает с осью вращения, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода с короткозамыкателем в виде металлической пластины и полуволновых резонансных щелей, включаемых на излучение с помощью pin-диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления. Щели, каждая из которых является отдельным излучателем, расположены на фокальной окружности тороидальной линзы. Снижение массы линзы достигается тем, что ее профиль является зонированным.

Вместе с тем, общим недостатком описанных аналогов является то обстоятельство, что конструкции антенн позволяют осуществлять эффективное сканирование только в плоскости фокальной окружности линзы (азимутальной плоскости).

В значительной степени проблема решается при использовании сканирующей тороидальной линзовой антенны [5], содержащей однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси апланатического фокусирующего геометрического профиля, многоэлементный цилиндрический кольцевой облучатель, ось симметрии которого совпадает с осью вращения, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения на фокальной окружности линзы и соосных окружностях; и короткозамыкателя в виде управляемого отражательного фазовращателя. Антенна обеспечивает электрическое сканирование лучом как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях. Сканирование осуществляется поочередным электрическим переключением щелей при помощи переключательных диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления. Число щелей в азимутальной плоскости соответствует числу дискретных положений диаграммы направленности (ДН) антенны в азимутальной плоскости, а число рядов щелей соответствует числу дискретных положений ДН антенны в угломестной плоскости. Включением щели на излучение и одновременной установкой фазовращателем максимума пучности волны в волноводе по центру щели, достигается максимальное излучение электромагнитной энергии из щели и, следовательно, максимальный коэффициент усиления антенны. Апланатическая линза антенны имеет плосковыпуклый фокусирующий геометрический профиль. Аналогичный вид имеют линзы антенн с апланатическим фокусирующим геометрическим профилем других вариантов. В частности, это могут быть вогнуто-выпуклые линзы (бифокальные или с тремя точками фокусировки). Такие линзы обеспечивают практически безыскаженное сканирование в секторе углов, который составляет несколько ширин ДН антенны. Снижение массы линзы достигается зонированием ее геометрического профиля. Описанная антенна наиболее близка заявляемой по уровню техники и принята за прототип.

Недостатком антенны-прототипа является то обстоятельство, что ее конструкция, обеспечивая круговое сканирование в плоскости фокальной окружности линзы (азимутальной плоскости), позволяет осуществлять сканирование в ограниченных пределах (несколько ширин ДН) в ортогональной (угломестной) плоскости. Вместе с тем, многие реальные системы связи и радиолокации диапазонов ММВ и СМВ, предполагают не только круговое сканирование в азимутальной плоскости, но и функционирование антенн в широком секторе углов в угломестной плоскости вплоть до полусферы и более [6].

Целью предлагаемого изобретения является расширение сектора электрического сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны вплоть до полного телесного угла.

С этой целью тороидальная линзовая антенна с электрическим сканированием, содержащая однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси геометрического профиля, и многоэлементный цилиндрический кольцевой облучатель, состоящий из управляемых излучателей, расположенных вокруг оси вращения, отличается тем, что однородная тороидальная диэлектрическая линза образована вращением вокруг оси рассеивающего геометрического профиля, а в качестве многоэлементного цилиндрического кольцевого облучателя использована фазированная цилиндрическая антенная решетка.

Принцип работы заявляемой антенны следующий. Цилиндрическая фазированная антенная решетка (ФАР) облучает тороидальную рассеивающую диэлектрическую линзу, формирующую ДН антенны. Тороидальная линза образована вращением вокруг оси рассеивающего геометрического профиля типа «бивень» с утолщениями к краям. ФАР позволяет осуществлять непрерывное сканирование лучом в двух плоскостях посредством изменения условий фазирования ее парциальных излучателей. Диэлектрическая рассеивающая линза в угломестной плоскости действует по принципу преломляющей призмы и обеспечивает расширение угла сканирования ФАР. Выбором геометрических параметров линзы и ее диэлектрической проницаемости можно расширить сектор эффективного сканирования облучающей ФАР в угломестной плоскости вплоть до 180° и более либо переместить его относительно главного направления (нормали к поверхности ФАР) [6]. В азимутальной плоскости тороидальная линза позволяет осуществить круговое сканирование и практически не влияет на диаграмму направленности ФАР при сканировании, обеспечивая лишь некоторое сужение главного лепестка в этой плоскости (см. [3]). Таким образом, заявляемая антенна может обеспечить электрическое сканирование в полном телесном угле и более.

Использование однородной тороидальной диэлектрической линзы, образованной вращением вокруг оси геометрического профиля, и многоэлементного цилиндрического кольцевого облучателя, состоящего из множества управляемых парциальных излучателей, являются общими существенными признаками заявляемой антенны и антенны-прототипа. Частным существенным отличительным признаком заявляемой антенны от антенны-прототипа является геометрический профиль однородной тороидальной диэлектрической линзы - рассеивающий типа «бивень» с утолщениями к краям линзы, в то время как линза антенны-прототипа имеет фокусирующий профиль типа «зуб» с уменьшением толщины к краям линзы. Другим частным существенным отличительным признаком является использование в качестве облучателя цилиндрической ФАР с непрерывным перемещением луча в обеих плоскостях в отличие от дискретного переключения луча в антенне-прототипе. Сопоставительный анализ заявляемой антенны с антенной-прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается наличием технического решения, ранее не использовавшегося в классе тороидальных линзовых антенн, а именно тем, что однородная тороидальная диэлектрическая линза имеет рассеивающий геометрический профиль типа «бивень» с утолщениями к краям линзы и облучатель в виде цилиндрической ФАР с непрерывным перемещением луча в обеих плоскостях. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения с антенной-прототипом показывает, что конструкция заявляемой антенны имеет принципиальные отличия от конструкции антенны-прототипа, что обеспечивает достижение цели изобретения, а именно расширение сектора электрического сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны вплоть до полного телесного угла. Достигнутое новое качество делает ее весьма привлекательной для многих технических применений: в радиолокации, радиосвязи, телеметрии и т.п., например, для обеспечения радиосвязи в диапазонах ММВ и СМВ из движущихся объектов, а также в тех случаях, когда механическое слежение лучом антенны за абонентом невозможно или затруднено. Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «технический результат».

Применение однородных тороидальных диэлектрических линз с геометрическим профилем, образованным вращением вокруг оси геометрического профиля, отличного от окружности, известно [4, 5], а цилиндрические антенные решетки широко используются в технике СВЧ. Это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения. Возможность технической реализации и удовлетворение заявляемой антенной функциональным требованиям, предъявляемым к сканирующим тороидальным линзовым антеннам для техники радиолокации и радиосвязи диапазонов ММВ и СМВ, позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения «промышленная применимость».

Ниже предлагаемое изобретение описано более подробно со ссылками на приложенные чертежи. На фиг.1 и 2 представлен общий вид соответственно антенны-прототипа и заявляемой антенны. На фиг.3 приведены варианты рассеивающего геометрического профиля линзы заявляемой антенны. На фиг.4 демонстрируются траектории лучей в угломестном сечении тороидальной линзы для варианта конструкции заявляемой антенны при угле сканирования 60°. На фиг.5 приведен вариант зонированного рассеивающего профиля линзы заявляемой антенны.

Изображенная в общем виде на фиг.1 антенна-прототип включает диэлектрическую тороидальную линзу 1, образованнную вращением апланатического фокусирующего геометрического профиля 2. В локальном разрезе линзы показан волноводно-щелевой облучатель 3, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода 4 (короткозамыкатель 5 выполнен в виде управляемого отражательного фазовращателя) и нескольких рядов полуволновых резонансных щелей 6, расположенных на фокальной окружности линзы и соосных окружностях, включаемых на излучение при помощи переключательных диодов 7, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления 8.

Изображенная в общем виде на фиг.2 заявляемая антенна включает однородную диэлектрическую тороидальную линзу 1, образованную вращением рассеивающего геометрического профиля 2 вокруг оси 3. В локальном разрезе линзы схематично показана цилиндрическая фазированная антенная решетка 4, ось симметрии которой совпадает с осью вращения 3, состоящая из множества парциальных излучателей 5, расположенных на поверхности цилиндра. Хотя на фиг.2 схематично изображена волноводная цилиндрическая ФАР, она может быть выполнена волноводно-щелевой, волноводно-рупорной, микрополосковой, вибраторной и т.п. Высота цилиндрической ФАР, изображенной на фиг.2, равна размеру внутренней образующей геометрического профиля. На практике высота цилиндрической ФАР может быть меньше этого размера [5].

Рассеивающий геометрический профиль линзы заявляемой антенны на фиг.2 может иметь различную форму, в частности, может быть образован из отрезков парабол (фиг.3а), окружностей (фиг.3б), гипербол (фиг.3в), эллипсов (фиг.3г) и др., а также их сочетаний. Так на фиг.3д изображен профиль с параболической внешней стороной и круговой внутренней.

На фиг.4 демонстрируются траектории лучей в угломестном сечении варианта конструкции заявляемой антенны, построенные в приближении геометрической оптики для угла сканирования 60° и относительной диэлектрической проницаемости материала линзы ε=38. Рассеивающий геометрический профиль образован из отрезков парабол. При расчетах использовался комплекс программ, описанный в [7]. При сканировании ДН в азимутальной плоскости будет сохраняться аналогичная картина.

Снижение массы линзы, как и в антенне-прототипе, может быть достигнуто зонированием геометрического профиля линзы. На фиг.5 приведен вариант зонированного рассеивающего профиля линзы, образованного из отрезков окружностей.

Таким образом, анализ и исследования заявляемой антенны и антенны-прототипа подтверждают, что использование однородной тороидальной диэлектрической линзы с рассеивающиим геометрическим профилем в угломестной плоскости типа «бивень» с утолщениями к краям линзы и облучающей цилиндрической ФАР позволяет расширить сектор электрического сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны вплоть до полного телесного угла и более.

Источники информации

[1] U.S. Patent №3255453, C1. 343-754. Non-uniform dielectric toroidal lenses /Robert L. Horst; Manheim Township; Lancaster County. - Ser. No.: 268, 156; Patented: June 7, 1966; Filed: Mar 26, 1963.

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

[3] Захаров Е.В., Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. Исследование и оптимизация характеристик тороидальных линзовых антенн // Радиотехника и электроника. - 1998. - Т.43. - №5. - С.571-573.

[4] Патент РФ №2147150, МКИ 7 H01Q 15/08. Сканирующая тороидальная линзовая антенна / Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. (Россия). - Заявлено 26.05.1998; Опубл. 27.03.2000.

[5] Патент РФ №223607, МКИ Н01Q 15/08. Тороидальная линзовая антенна с электронным сканированием в двух плоскостях / Захаров Е.В., Ильинский А.С., Медведев Ю.В., Скворчевская Е.И., Харланов Ю.Я. (Россия). - Приор. 09.09.2002; Опубл. 10.09.2004, Бюл. №25.

[6] Медведев Ю.В., Харланов Ю.Я. Характеристики сканирования купольных линзовых антенн для связи в движении // Антенны. - 2004. - №2 (81). - С.20-25.

[7] Кашин С.В. Расчет линз из однородного диэлектрика // Радиотехника. - 1990. - №1. - С.87-88.

Изобретение может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации с широкоугольным электрическим сканированием преимущественно миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн. Техническим результатом является обеспечение электрического сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны в секторе углов вплоть до полного телесного угла и более. Сущность изобретения состоит в том, что антенна имеет однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси рассеивающего геометрического профиля, например типа "бивень" с утолщениями к краям, и кольцевой облучатель в виде цилиндрической фазированной антенной решетки (ФАР), ось симметрии которой совпадает с осью вращения, состоящей из множества парциальных излучателей, расположенных на поверхности цилиндра. 9 ил.

Тороидальная линзовая антенна с электрическим сканированием, содержащая однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси геометрического профиля, и многоэлементный цилиндрический кольцевой облучатель, состоящий из управляемых излучателей, расположенных вокруг оси вращения, отличающаяся тем, что однородная тороидальная диэлектрическая линза образована вращением вокруг оси рассеивающего геометрического профиля, а в качестве многоэлементного цилиндрического кольцевого облучателя использована фазированная цилиндрическая антенная решетка.