ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА Российский патент 2007 года по МПК H01Q15/08 H01Q19/06 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к линзовым антеннам.

В статье «Линзовые антенны на основе однородного диэлектрического шара: характеристики и потенциальные возможности» (Ю.Я.Харланов, журнал «Антенны», 2004, вып.2 (81), с.36-37) приведена оценка характеристик и размеров линзовых антенн на основе однородного диэлектрического шара для некоторых практически важных типов диэлектриков. Таких, как полиэтилен, полистирол, темплен + рутил, кварцевое стекло, ситалл. Однако полиэтилен и полистирол имеют ограниченную теплостойкость (до +100°С и +70°С соответственно). Кроме этого полистирол имеет низкую морозостойкость (-30°С -50°С). Темплен в настоящее время в России не выпускается. Кварцевое стекло и ситалл имеют диэлектрическую проницаемость 3,5.

В статье «Полифокальные диэлектрические линзовые антенны: результаты исследований и перспективы применения» (Е.В.Захаров, О.Я.Харланов, журнал «Радиотехника и электроника», 2005, том 50, №5, с.581-582) рассмотрены дисковые линзы, изготовленные из различных типов диэлектриков (фторопласт, полиэтилен, полиэтилен, наполненный двуокисью титана, ФЛАН-3,8). Недостатком фторопласта является большой удельный вес и хладотекучесть, ФЛАН-3,8 и полиэтилен, наполненный двуокисью титана, имеют общий недостаток - возможную неоднородность, зависящую от качества смешения исходных компонентов и технологии формования, в результате чего в линзе, изготовленной из этих материалов, возможна неравномерная диэлектрическая проницаемость и, как следствие, потери энергии и возрастание уровня боковых лепестков.

Все это резко сужает область диэлектриков, которые могут работать в реальных конструкциях самолетных малоразмерных линзовых антенн.

По типу применяемого диэлектрического материала известна диэлектрическая линза из плексигласа (органического стекла) (А.И.Скородумов, д.т.н. Г.И.Трошин, к.т.н. Ю.Я.Харланов «Диэлектрические линзовые антенны КВЧ и СВЧ-диапазонов», журнал «Зарубежная радиоэлектроника», 1990, №5, с.62-63). Однако плексиглас (органическое стекло) с диэлектрической проницаемостью 2,57 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0065 был использован только для изготовления модели диэлектрического шара при исследовании характеристик облучателя и теоретического расчета.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является цилиндрическая линза Люнеберга, расположенная между двумя металлическими пластинами, в которой изменение коэффициента преломления достигается путем изменения толщины сплошного диэлектрика (М.С.Жук, Ю.Б.Молочков «Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств», М.: Энергия, 1973, с.57-60, рис.1-23в).

В такой линзе фазовая скорость на вертикальной поляризации зависит только от эффективного коэффициента преломления диэлектрика, в то время как на горизонтальной поляризации фазовая скорость зависит и от коэффициента преломления диэлектрика и от расстояния между металлическими пластинами, что приводит к искажению необходимого закона изменения коэффициента преломления и сужению диапазонности линзы.

Следовательно, недостатком таких антенн является ограниченная возможность обеспечения одновременной работы на вертикальной и горизонтальной поляризациях в широкой полосе частот.

Современная техника требует максимально возможного увеличения полосы частот в пределах одной антенны, без установки дополнительных антенн, так как последние увеличивают ее весовые и габаритные характеристики, увеличивают аэродинамическое сопротивление летательного аппарата, уменьшают возможность размещения другого бортового оборудования.

Кроме того, требует решения вопрос обеспечения технологичности и работоспособности антенн при воздействии вибрационных нагрузок, повышенной влажности в интервале температур от -60°С до +120°С в условиях самолетного применения.

Целью изобретения является увеличение рабочей полосы частот (перекрытие 4,5:1) линзовой антенны при приеме сигналов на вертикальной и горизонтальной поляризациях при сохранении расширенной области рабочих углов в плоскости, перпендикулярной к цилиндрической линзе, наряду с обеспечением технологичности и работоспособности антенны при воздействии вибрационных нагрузок, повышенной влажности в интервале температур от -60°С до +120°С в условиях самолетного применения.

Указанная цель достигается тем, что антенна содержит металлический корпус, выполненный в виде верхней и нижней половин, между которыми установлена цилиндрическая линза, выполненная из листового авиационного органического стекла механической обработкой, систему облучателей и размещенный между металлическим корпусом и линзой, поглощающий материал. При этом в передней части, составляющей половину антенны, сверху и снизу линза и корпус снабжены симметричными уклонами, сходящими от общей цилиндрической части, и образованными половиной поверхности усеченных конусов с радиусами верхнего и нижнего оснований конуса, выполненных в отношении 0,5, а высота задней цилиндрической части линзы и передней конической части линзы выполнены в отношении 1,7:1.

На чертеже изображена цилиндрическая диэлектрическая линза, где:

r - радиус усеченной вершины половины конуса;

R - радиус линзы;

М, N - симметричные уклоны сверху и снизу, образованные половиной поверхности усеченных конусов;

А - передняя коническая часть линзы (1/2 круга);

Б - задняя цилиндрическая часть линзы (1/2 круга).

a/a₁=1,7:1 r/R=0,5

Основным элементом антенны является линза. Для изготовления линзы использовано листовое авиационное органическое стекло, в дополнение к действующим ТУ, на которое экспериментально определены его диэлектрические характеристики. Установлено, что выбранное листовое авиационное органическое стекло имеет диэлектрическую проницаемость ε=2,55, коэффициент преломления n=1,6, тангенс угла диэлектрических потерь 0,008.

Линза на вертикальной и горизонтальной поляризациях работает по разным принципам. На вертикальной поляризации за счет диэлектрической проницаемости листового авиационного органического стекла ε=2,55 на выходе линзы получается фазовый фронт, близкий к плоскому при расположении облучателя на окружности линзы. На горизонтальной поляризации необходимый закон изменения расстояния между металлическими пластинами экрана осуществляется за счет профиля передней половины линзы этого же однородного диэлектрического материала, как показано на чертеже.

Цилиндрическая диэлектрическая линза, профилированная в вертикальной плоскости, из однородного диэлектрика позволяет качать диаграмму направленности в широком секторе углов без искажения начальной формы диаграммы, что является ее ценным свойством. В такой линзе отсутствует кома, но не устранена сферическая аберрация, т.е. в ней при любом положении облучателя на оси линзы невозможно создать в раскрыве плоский фронт. Можно получить фазовый фронт, близкий к плоскому, на некоторой части раскрыва путем выбора оптимальной диэлектрической проницаемости диэлектрика и положения облучателя линзы.

Применение поглощающего материала, расположенного между линзой и металлическим корпусом, позволяет уменьшить уровень боковых лепестков, уменьшить ошибки по уходу равносигнального направления и улучшить форму диаграмм направленности.

Измерения диаграмм направленности линзовой антенны в плоскости пеленгации (азимутальная плоскость) показали, что изменения ширины диаграммы направленности в частотном диапазоне составляет ˜2,5 раза при теоретически ожидаемом изменении в 4 раза, т.е. антенна проявляет принципы квазиширокополоскости. Это является ценным качеством при разработке системы и позволяет получить более стабильные характеристики системы. При диаметре линзы 1,5λ ниж. антенна формирует число лучей, равное количеству облучателей, имеет ширину диаграммы направленности в плоскости пеленгации от 10,5 до 26° каждого луча, работает в углах по азимуту 60° и по наклону ±30°, боковые лепестки не более 10%, уровень пересечения диаграмм направленности меняется в частотном диапазоне от 0,15 Р_МАХ до 0,78 Р_МАХ, уход равносигнального направления при всех изменениях частоты на вертикальной и горизонтальной поляризациях составляет в 0°, плоскости по наклону величину не более ±6°, КСВ антенны не более 3,5.

Линзовые антенны прошли следующие типовые испытания:

1. проверка радиотехнических характеристик антенн в нормальных условиях на соответствие ТУ на изделие.

2. испытание на воздействие циклического изменения температур при температуре -60°С - 2 ч, +85°С - 2 ч, всего 3 цикла,

3. испытание на устойчивость при воздействии случайной вибрации на диапазоне частот 5-2000 Гц с ускорением 12 g,

4. испытание на вибропрочность и виброустойчивость в диапазоне частот 10-2000 Гц с продолжительностью испытаний по 9 ч (оси x, у, z),

5. испытание на воздействие повышенной влажности 96+100% при температуре 35-55°С в течение 10 суток,

6. испытание на воздействие повышенной температуры +70°С - 1,5 ч, +120°С - 3 мин,

7. испытание на воздействие пониженной температуры -60°С - 2 ч.

После каждого вида испытаний производилась проверка радиотехнических характеристик линзовых антенн, измерение КСВН.

Таким образом, достигнут технический результат изобретения, т.к. антенна соответствует всем основным физическим требованиям и ограничениям, которые предъявляются к современным антеннам бортовых систем, а именно достигнуто увеличение рабочей полосы частот (перекрытие 4,5:1) линзовой цилиндрической антенны при приеме сигналов на вертикальной и горизонтальной поляризациях при сохранении расширенной области рабочих углов в плоскости, перпендикулярной к цилиндрической линзе, наряду с обеспечением работоспособности антенны при воздействии вибрационных нагрузок, повышенной влажности в интервале температур от -60°С до +120°С, а также простота, технологичность, повторяемость характеристик, возможность массового производства линзовых антенн.

Использование изобретения позволило без установки дополнительных антенн расширить рабочую полосу антенны, уменьшить аэродинамическое сопротивление и эффективную поверхность рассеивания летательного аппарата.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к линзовым антеннам. Антенна содержит металлический корпус, выполненный в виде верхней и нижней половин, между которыми установлена цилиндрическая линза, выполненная в виде диска из однородного диэлектрического материала, систему облучателей и размещенный между корпусом и линзой поглощающий материал. В передней части, составляющей половину антенны, сверху и снизу линза и корпус снабжены симметричными уклонами, сходящими от общей цилиндрической части, и образованными половиной поверхности усеченных конусов с радиусами верхнего и нижнего оснований конуса, выполненных в отношении 0,5. Высота задней цилиндрической части линзы и передней конической части линзы выполнены в отношении 1,7:1. Для изготовления линзы использовано листовое авиационное органическое стекло, имеющее диэлектрическую проницаемость ε=2,55, коэффициент преломления n=1,6. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Линзовая антенна, содержащая облучатель, металлический корпус, выполненный в виде верхней и нижней половин, между которыми установлена цилиндрическая линза из однородного диэлектрического материала, отличающаяся тем, что в передней части, составляющей половину антенны, сверху и снизу линза и металлический корпус снабжены симметричными уклонами, сходящими от общей цилиндрической части и образованными половиной поверхности усеченных конусов с радиусами верхнего и нижнего оснований конуса, выполненных в отношении 0,5, а высоты задней цилиндрической части линзы и передней конической части линзы выполнены в соотношении 1,7:1.2. Линзовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности металлического корпуса размещен слой радиопоглощающего материала.3. Линзовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что в качестве однородного диэлектрического материала линзы использовано листовое авиационное органическое стекло.