Облучатель параболической антенны Российский патент 2022 года по МПК H01Q19/06 

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться в качестве облучателя однозеркальных параболических антенн спутникового телевидения и космических аппаратов.

В настоящее время параболические антенны, работающие в СВЧ и КВЧ диапазонах, оснащаются, как правило, облучателями в виде рупоров или открытых концов волноводов (М.С. Жуков, Ю.Б. Молочков. Проектирование линзовых, сканирующих, широкополосных антенн и фидерных устройств. М. Энергия, 1973 г., с. 306-310).

Известен облучатель параболической антенны (патент РФ №2071155, H01Q 13/02). Облучатель состоит из круглого волновода, заканчивающегося коническим рупором. На внутренней поверхности рупора выполнены три круглые концентрические канавки. Часть рупора, примыкающая к волноводу, представляет собой усеченный конус, малое основание которого присоединено к открытому концу волновода, а большое расположено спереди от открытого конца волновода.

Известна волноводная антенна (патент РФ № 2500057), содержащая круглый металлический волновод, а к открытому концу волновода гальванически присоединен экран в виде проводящего усеченного обратного конуса, на внешнюю коническую поверхность которого нанесено полимерное покрытие, параметры которого зависят от условий размещения антенны, при этом круглый металлический волновод установлен в отверстии внутри экрана соосно с ним так, что плоскость малого основания экрана совпадает с плоскостью открытого конца волновода, большое же основание экрана расположено сзади от открытого конца волновода, а диаметр отверстия в проводящем усеченном обратном конусе равен внешнему диаметру волновода.

Известны конструкции антенн, которые могут быть использованы в качестве облучателей параболических антенн (патенты США N 3434166 и N 4636798, кл. 343 753). Эти облучатели представляют собой открытый конец круглого волновода с фланцем.

Известна конструкция облучателя (патент США N 4636798), которая представляет собой открытый конец круглого волновода с импедансным фланцем, в апертуре волновода установлена диэлектрическая линза в форме полутора. Диэлектрическая линза расширяет диаграмму направленности (ДН), что позволяет использовать ее в качестве облучателя зеркальных антенн с укороченным фокусным расстоянием.

Все известные облучатели оптимизированы для облучения параболической антенны, повышения коэффициента использования поверхности зеркала.

Недостатком известных облучателей является несогласованность приемного устройства с облучателем, ведущая к низкой чувствительности приемного устройства на основе зеркальной антенны.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является конструкция облучателя параболической антенны (патент РФ N 2092941 прототип), которая представляет собой открытый конец круглого волновода с фланцем и диэлектрической линзой, в виде тела вращения, диэлектрическая линза установлена с возможностью ее перемещения вдоль оси, а теневая поверхность линзы расположена внутри круглого волновода.

Недостатком облучателя параболической антенны является низкая чувствительность к приему падающего электромагнитного излучения.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание облучателя параболической антенны с высокой чувствительностью к приему падающего излучения.

Указанная задача решена благодаря тому, что в облучателе параболической антенны, содержащем открытый конец круглого волновода с фланцем и диэлектрической линзой с продолжением внутри волновода, в виде тела вращения, диэлектрическая линза установлена с возможностью ее перемещения вдоль оси, новым является то, что диэлектрическая линза выполнена из материала с показателем преломления находящимся в диапазоне от 1,4 до 2, длина продолжения диэлектрической линзы равна примерно кратной величине длины волны используемого излучения в свободном пространстве, а расстояние от теневой границы диэлектрической линзы до чувствительного элемента к электромагнитному излучению СВЧ приемника выбирается не более длины волны излучения.

Технический результат – повышение чувствительности приемного устройства с зеркальной антенной.

На фиг.1 изображен предлагаемый облучатель.

Обозначения: 1 – падающее электромагнитное излучение, 2 - параболическая зеркальная антенна, 3 – круглый волновод, 4 - металлический фланец, 5 – диэлектрическая линза с продолжением 6 внутри волновода, 7 - область повышенной концентрации электромагнитной энергии с поперечными размерами менее дифракционного предела, 8 – чувствительный элемент СВЧ приемника.

Облучатель параболической антенны состоит из круглого волновода 3 с волной H₁₁, металлического фланца 4, который может иметь как плоскую, так и импедансную поверхность, и диэлектрической линзы 5, которая имеет продолжение 6 внутри волновода 3, 8 – чувствительный элемент СВЧ приемника, например, смесительный СВЧ диод.

В данной конструкции используется явление формирования непосредственно у теневой границы раздела диэлектрик - внешняя среда области с повышенной концентрацией электромагнитной энергии, которая характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокусировки, при этом достижимо пространственное разрешение ниже дифракционного предела.

В оптическом диапазоне длин волн это явление известно как «фотонная струя». Фотонная струя это область повышенной концентрации электромагнитной энергии, возникающая непосредственно у границы диэлектрической мезомасштабной частицы с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью от λ до 10λ (Minin I.V., Minin О.V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit \\ Springer, 2016 75p. ISBN: 978 3 319 24251 4; Chen Ζ., Taflove Α., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visiblelight ultramicroscopy technique // Optics Express, 12, №7, pp. 1214-1220, 2004; И.В. Минин, O.B. Минин Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015, 163 с.), где λ длина волны излучения в свободном пространстве.

Диэлектрические частицы, формирующие фотонную струю, могут иметь различную форму поверхности, например, сферическую, усеченную сферическую, цилиндрическую, коническую, кубическую и т.д. (Boris S. Luk’yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017); Z. G. Chen, A. Taflove, and V. Backman. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, vol. 12, pp. 1214-1220, Apr 2004; Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin), 1–7 (2015)).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Электромагнитное излучение 1 освещает параболическую зеркальную антенну 2 и фокусируется ею на диэлектрическую линзу 5. Далее электромагнитное излучение распространяется по диэлектрическому продолжению 6 линзы 5. В результате дифракции и интерференции волн на диэлектрическом продолжении 6 линзы 5, на теневой поверхности диэлектрического продолжения 6 формируется область с повышенной интенсивностью электромагнитного излучения и малыми поперечными размерами 7, в области которой размещается чувствительный элемент СВЧ приемника 8.

Диэлектрическая линза с продолжением в волноводе имеет возможность перемещаться вдоль оси волновода, что позволяет разместить чувствительный элемент СВЧ приёмника в максимуме интенсивности излучения 7.

Протяженность области повышенной концентрации электромагнитной энергии с поперечными размерами менее дифракционного предела зависит от относительного показателя преломления материала диэлектрической линзы и окружающей среды. С увеличением величины относительного показателя преломления протяженность области концентрации электромагнитной энергии уменьшается и может стать менее длины волны излучения.

Известно, что коэффициент преломления структуры составленной из круглых волноводов менее 1 и равняется (Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ / Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. – 380 с.):

,

где должно выполняться условие λ< 3,42а, а - величина сечения круглого волновода.

В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у диэлектрического продолжения в форме цилиндра и конуса начинается с величины их диаметров порядка равного длине волны используемого излучения.

Установлено, что при выполнении диэлектрической линзы с продолжением из материала с показателем преломления менее примерно 1,4 и более 2 увеличение сигнала на чувствительном элементе СВЧ приемника не происходит.

Длину продолжения диэлектрической линзы целесообразно выбирать минимальной величины для уменьшения потерь микроволнового излучения в материале линзы и для формирования области повышенной интенсивности излучения на теневой поверхности диэлектрического продолжения она должна быть равна примерно кратной величине длины волны используемого излучения в свободном пространстве.

Такое выполнение облучателя параболической антенны позволяет более эффективно собрать и направить электромагнитное излучение на приемный элемент, уменьшить размеры приемного элемента, уменьшить шум и повысить чувствительность приемного элемента.

Экспериментально установлено, что использование предложенного устройства облучателя повышает сигнал на приемном устройстве на 5-7 дБ.

Вышеупомянутые варианты осуществления изобретения не являются исчерпывающими и приведены только с целью пояснения изобретения и подтверждения его промышленной применимости и специалисты в данной области техники способны создавать альтернативные варианты его осуществления без отрыва от объема приложенной формулы, но в пределах сущности изобретения отраженной в описании.

Изобретение относится к антенной технике и служит в качестве облучателя однозеркальных параболических антенн спутникового телевидения и космических аппаратов. Технический результат - создание облучателя параболической антенны с высокой чувствительностью к приему падающего излучения. Технический результат достигается тем, что облучатель параболической антенны, содержащий открытый конец круглого волновода с фланцем и диэлектрической линзой с продолжением внутри волновода, в виде тела вращения, диэлектрическая линза установлена с возможностью ее перемещения вдоль оси, отличается тем, что диэлектрическая линза выполнена из материала с показателем преломления, находящимся в диапазоне от 1,4 до 2, длина продолжения диэлектрической линзы равна примерно кратной величине длины волны используемого излучения в свободном пространстве, а расстояние от теневой границы диэлектрической линзы до чувствительного элемента к электромагнитному излучению СВЧ приемника выбирается не более длины волны излучения. 1 ил.

Облучатель параболической антенны, содержащий открытый конец круглого волновода с фланцем и диэлектрической линзой с продолжением внутри волновода, в виде тела вращения, диэлектрическая линза установлена с возможностью ее перемещения вдоль оси, отличающийся тем, что диэлектрическая линза выполнена из материала с показателем преломления, находящимся в диапазоне от 1,4 до 2, длина продолжения диэлектрической линзы равна примерно кратной величине длины волны используемого излучения в свободном пространстве, а расстояние от теневой границы диэлектрической линзы до чувствительного элемента к электромагнитному излучению СВЧ приемника выбирается не более длины волны излучения.