Антенное устройство на основе линзы Люнеберга Российский патент 2018 года по МПК H01Q15/02 

Изобретение относится к области конструирования направленных антенн, а именно к конструированию устройств для фокусировки электромагнитных волн при приеме-передаче радиоволн дециметрового и сантиметрового диапазонов (УВЧ и СВЧ) и может быть использовано при создании малогабаритных антенн для фокусировки электромагнитной волны вдоль оси излучения, а также сканирования диаграммы направленности линзовой антенны.

Для осуществления приема-передачи электромагнитных волн одновременно в нескольких направлениях могут использоваться устройства для фокусировки типа линза Люнеберга, представляющие собой сферическую либо цилиндрическую линзы из диэлектрика, в которых диэлектрическая проницаемость ε является переменной и изменяется по следующему закону [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. - М.: Советское радио, 1974, 280 с.]:

,

где r - расстояние от центра линзы; R - радиус сферы.

Известно устройство для фокусировки типа линза Люнеберга, содержащее коаксиальный набор параллельных круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины, при этом каждый из элементов также симметричен и относительно плоскости, перпендикулярной оси, а диаметр и толщина элементов и соответственно распределение эффективной диэлектрической проницаемости внутри набора элементов такие, что соответствуют линзе Люнеберга сферического типа (Патент RU №2485646 С1, заявка №2012109411/08 от 12.03.2012, МПК: H01Q 15/02 - прототип).

Каждый из элементов указанного устройства также симметричен и относительно плоскости, перпендикулярной оси, а диаметр и толщина элементов и соответственно распределение эффективной диэлектрической проницаемости внутри набора элементов такие, что соответствуют линзе Люнеберга сферического типа.

Основным недостатком является значительная сложность обеспечения фокусировки луча в двух плоскостях, трудности согласования работы такой конструкции с фидерным трактом и приемопередающей аппаратурой, значительная сложность изготовления, что, в конечном итоге, ведет к увеличению стоимости ее изготовления и обслуживания.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такой конструкции линзовой антенны, в которой антенное устройство типа линза Люнеберга позволит обеспечить фокусировку луча в двух плоскостях, упростить согласование такой конструкции с фидерным трактом и приемопередающей аппаратурой, при этом производство которого было бы экономически целесообразным.

Решение указанной задачи достигается тем, что, в предложенном антенном устройстве на основе линзы Люнеберга, содержащем коаксиальный набор круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины и переменного диаметра, согласно изобретению набор диэлектрических элементов выполнен в виде коаксиальных цилиндров одной высоты, установленных с кольцевыми зазорами друг по отношению к другу, причем диаметр и толщина стенок упомянутых цилиндров определены в соответствии с распределением эффективной диэлектрической проницаемости, характерной для линзы Люнеберга цилиндрической формы, при этом толщина стенок цилиндров монотонно убывает от центра к периферии, а кольцевой зазор между стенками цилиндров монотонно увеличивается.

В варианте исполнения, предложенное антенное устройство дополнительно содержит полуволновой вибратор.

В варианте исполнения, полуволновой вибратор выполнен в виде двух сплошных полукругов, расположенных в одной плоскости и обращенных друг к другу своими хордами, и расположен в непосредственной близости от наружного коаксиального цилиндра упомянутого набора, причем хорды полукругов расположены перпендикулярно продольной оси устройства.

Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана предложенная коаксиальная цилиндрическая структура линзы Люнеберга, на фиг. 2 - поперечный разрез линзы Люнеберга, на фиг. 3 - фокусировка электромагнитной волны при ее прохождении через линзу Люнеберга.

Антенное устройство выполнено в виде коаксиальных цилиндров 1 одной высоты, установленных с кольцевыми зазорами 2 друг по отношению к другу, причем диаметр и толщина стенок упомянутых цилиндров определены в соответствии с распределением эффективной диэлектрической проницаемости, характерной для линзы Люнеберга цилиндрической формы. Толщина стенок цилиндров 1 монотонно убывает от центра к периферии, а кольцевой зазор 2 между стенками цилиндров монотонно увеличивается. Изготовление антенного устройства в виде полых коаксиальных цилиндров значительно упрощает технологический процесс и удешевляет производство.

В непосредственной близости от наружного коаксиального цилиндра упомянутого набора установлен полуволновой вибратор 3, выполненный из двух полукругов 4.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Чередование слоев диэлектрика и воздуха с различной диэлектрической проницаемостью изменяет направление распространения электромагнитной волны при ее прохождении через тело антенного устройства, при этом распределение эффективной диэлектрической проницаемости соответствует закону:

где r - расстояние от центра линзы;

R - внешний радиус антенны в соответствии с фиг. 2.

Таким образом, заявленное антенное устройство фокусирует электромагнитную волну в узкий пучок или луч (фиг. 3).

В предложенном антенном устройстве на основе линзы Люнеберга роль активного элемента играет полуволновой вибратор 3, выполненный из двух полукругов 4.

Выбор конструктивных параметров полуволнового вибратора 3 зависит от требуемых характеристик устройства для фокусировки, что первоначально выражается в требованиях к размеру апертуры и соответственно размеру устройства.

Коаксиальная цилиндрическая структура «линзы Люнеберга» обеспечивает фокусировку электромагнитной волны при ее прохождении через тело антенны, а полуволновой вибратор, выполненный из двух полукругов, облегчает согласование антенного устройства с приемопередающей аппаратурой.

Предложенное устройство может быть собрано на подложке из диэлектрического материала, которая также является средством закрепления линзы в антенном устройстве. Для обеспечения лучшей фокусировки элементы линзы Люнеберга необходимо изготавливать из диэлектрика с однородной плотностью, например пластика ABC.

Вследствие соответствующего распределения диэлектрической проницаемости, заявляемое антенное устройство осуществляет фокусировку электромагнитной волны вдоль оси излучения в двух перпендикулярных плоскостях таким образом, что луч параллельно падающего излучения может быть сфокусирован в точку, лежащую на прямой, перпендикулярной плоскости падения излучения. Вследствие цилиндрической формы линзы и применения полуволнового вибратора, выполненного из двух полукругов, антенное устройство позволяет осуществлять сканирование диаграммы направленности линзовой антенны, реализованной на основе данного изобретения, в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Дополнительным положительным эффектом, с технологической точки зрения, является то, что предложенная линза Люнеберга, в соответствии с техническим решением, может быть выполнена из материала одного типа для всего устройства, а также то, что для создания такого устройства необходимыми компонентами для элементов являются полые цилиндры различного диаметра и толщиной стенок.

Полуволновой вибратор, состоящий из двух полукругов, может быть выполнен по планарной технологии. Применение полуволнового вибратора, состоящего из двух полукругов позволяет упростить согласование антенного устройства с приемопередающей аппаратурой и позволяет производить сканирование диаграммы направленности по углу места от 0 до 40 градусов.

Использование предложенного технического решения позволит создать линзовую антенну на основе линзы Люнеберга, применение которой позволит обеспечить фокусировку луча в двух плоскостях и облегчит согласование такой конструкции с фидерным трактом и приемопередающей аппаратурой, при значительном удешевлении стоимости ее изготовления.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании малогабаритных антенн. Антенное устройство на основе линзы Люнеберга содержит коаксиальный набор круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины и переменного диаметра. Набор диэлектрических элементов выполнен в виде набора коаксиальных цилиндров одной высоты, установленных с кольцевыми зазорами друг по отношению к другу. Диаметр и толщина стенок упомянутых цилиндров определены в соответствии с распределением эффективной диэлектрической проницаемости, характерной для линзы Люнеберга цилиндрической формы. Толщина стенок цилиндров монотонно убывает от центра к периферии, а кольцевой зазор между стенками цилиндров монотонно увеличивается. В варианте исполнения антенное устройство содержит полуволновой вибратор, полуволновой вибратор выполнен в виде двух сплошных полукругов, расположенных в одной плоскости и обращенных друг к другу своими хордами, и расположен в непосредственной близости от наружного коаксиального цилиндра упомянутого набора, причем хорды полукругов расположены перпендикулярно продольной оси устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Антенное устройство на основе линзы Люнеберга, содержащее коаксиальный набор круглых осесимметричных диэлектрических элементов переменной толщины и переменного диаметра, отличающееся тем, что набор диэлектрических элементов выполнен в виде набора коаксиальных цилиндров одной высоты, установленных с кольцевыми зазорами друг по отношению к другу, причем диаметр и толщина стенок упомянутых цилиндров определены в соответствии с распределением эффективной диэлектрической проницаемости, характерной для линзы Люнеберга цилиндрической формы, при этом толщина стенок цилиндров монотонно убывает от центра к периферии, а кольцевой зазор между стенками цилиндров монотонно увеличивается.

2. Антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит полуволновой вибратор.

3. Антенное устройство по п. 2, отличающееся тем, что полуволновой вибратор выполнен в виде двух сплошных полукругов, расположенных в одной плоскости и обращенных друг к другу своими хордами, и расположен в непосредственной близости от наружного коаксиального цилиндра упомянутого набора, причем хорды полукругов расположены перпендикулярно продольной оси устройства.