антенна с управляемой купольной линзой

Формула изобретения

Купольная линзовая антенна, содержащая плоскую круглую антенную решетку и купольную линзу, представляющую собой оболочку из однородного материала с утолщениями к краям, имеющую гладкую внешнюю поверхность вращения, ограниченную плоскостью, с центральной осью, являющейся нормалью к плоскости антенной решетки и проходящей через ее центр, и гладкую внутреннюю поверхность вращения с той же центральной осью, пространственно расположенную под внешней поверхностью и ограниченную той же плоскостью, что и внешняя поверхность, отличающаяся тем, что купольная линза выполнена из феррита, что позволяет управлять ее коэффициентом преломления, основание купольной линзы закреплено на кольцевой канавке цилиндрического магнитопровода с той же центральной осью, что и купольная линза, внешний диаметр которого превышает внешний диаметр основания купольной линзы, причем на внутренней и внешней стенках кольцевой канавки цилиндрического магнитопровода и на внешней кольцевой поверхности цилиндрического магнитопровода расположены кольцевые обмотки электромагнита, а между элементами антенной решетки расположена стержни магнитопровода, не выступающие за ее плоскость.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники и, 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.

Известна купольная линзовая антенна с широкоугольным электрическим сканированием [1] , состоящая из пассивной рассеивающей линзы, плоской круглой фазированной антенной решетки (ФАР), которая облучает линзу, и устройства управления лучом. Линза, обычно в виде полусферической оболочки (купола) постоянной толщины, состоит из проходных элементов, включающих внутренние и наружные излучатели и соединяющие их волноводы с неуправляемыми фазовращателями, создающими фиксированные фазовые сдвиги. Эти фазовые сдвиги рассчитываются таким образом, что главный максимум диаграммы направленности (ДН) получает дополнительное отклонение от оси симметрии (нормали к плоскости ФАР), а сектор сканирования может быть расширен до полусферы и более. Главным достоинством антенны является более низкая стоимость, чем стоимость многогранных и конформных ФАР с полусферическим обзором. Тем не менее, линза имеет значительную стоимость и массу, узкую полосу рабочих частот и весьма сложна в настройке.

Существенно более простую конструкцию имеет линзовая антенна с широкоугольным электрическим сканированием [2], содержащая купольную рассеивающую диэлектрическую линзу, имеющую утолщения к краям, и облучающую плоскую круглую антенную решетку, расположенную в плоскости, параллельной основанию линзы. Линза представляет собой купол из однородного диэлектрического материала, имеющий внешнюю поверхность в форме ограниченной плоскостью сферы с центральной осью, являющейся нормалью к плоскости и проходящей через центр сферы и центр антенной решетки, и внутреннюю поверхность, пространственно расположенную под внешней поверхностью, в виде ограниченной плоскостью сферы со вторым центром, расположенным на оси, проходящей через первый вышеупомянутый центр. Такая конструкция линзы позволяет расширить сектор сканирования антенной решетки до полусферы и более и защитить ее от внешних воздействий. Линза обеспечивает работу в достаточно большом диапазоне частот, причем использование линзы из однородного диэлектрика снижает стоимость купольной антенны в 2 раза по сравнению с рассмотренной выше конструкцией. Выбором соотношений геометрических размеров линзы и диэлектрической проницаемости материала можно получить ту или иную диаграмму сканирования (зависимость коэффициента усиления антенны от угла сканирования). Для достижения широкого сектора сканирования и уменьшения толщины линзы выбирают достаточно высокие значения относительной диэлектрической проницаемости , которые могут достигать нескольких десятков. Для уменьшения массы линзы ее можно также зонировать. Использование сферических преломляющих поверхностей не является принципиальным. Возможно использование и других поверхностей вращения, например, параболических. В целом, описанная антенна наиболее близка к заявляемой по уровню техники и принята за прототип.

Недостатком антенны-прототипа является то обстоятельство, что расширение сектора сканирования в сравнении с сектором сканирования облучающей ФАР сопровождается снижением коэффициента усиления (КУ) антенны в сравнении с КУ ФАР. В зависимости от ширины требуемого сектора сканирования, угла сканирования, соотношений геометрических размеров линзы и диэлектрической проницаемости материала, из которого она изготовлена, снижение КУ может достигать 10...15 дБ и более. Кроме того, отсутствует возможность изменения при необходимости диаграммы сканирования антенны, поскольку геометрические размеры линзы и диэлектрическая проницаемость материала, из которого она изготовлена, неизменны.

Целью изобретения является увеличение коэффициента усиления купольной диэлектрической линзовой антенны при сканировании в широком секторе углов и достижение возможности изменения ее диаграммы сканирования.

С этой целью купольная линзовая антенна, содержащая плоскую круглую антенную решетку и линзу, представляющую собой оболочку из однородного материала с утолщениями к краям, имеющую гладкую внешнюю поверхность вращения, ограниченную плоскостью, с центральной осью, являющейся нормалью к плоскости антенной решетки и проходящей через ее центр, и гладкую внутреннюю поверхность вращения с той же центральной осью, пространственно расположенную под внешней поверхностью и ограниченную той же плоскостью, что и внешняя поверхность, отличающаяся тем, что линза выполнена из феррита, что позволяет управлять ее коэффициентом преломления, основание линзы закреплено на кольцевой канавке цилиндрического магнитопровода с той же центральной осью, что и линза, внешний диаметр которого превышает внешний диаметр основания линзы, причем на внутренней и внешней стенках канавки магнитопровода и на внешней кольцевой поверхности магнитопровода расположены кольцевые обмотки электромагнита, а между элементами антенной решетки расположены стержни магнитопровода, не выступающие за ее плоскость.

Принцип работы заявляемой антенны заключается в следующем. ФАР формирует первичную диаграмму направленности, обеспечивая электрическое сканирование в некотором секторе углов. Ферритовая линза, представляющую собой оболочку из феррита с утолщениями к краям, играет роль преломляющей призмы, увеличивая сектор сканирования. Такое увеличение сопровождается уменьшением КУ антенны в сравнении с ФАР, причем степень уменьшения зависит от угла сканирования. При пропускании тока через обмотки электромагнита феррит намагничивается, что приводит к изменению его показателя преломления и, следовательно, изменению характеристики сканирования антенны. При этом изменение показателя преломления может быть осуществлено таким образом, чтобы обеспечить минимальное для данной конструкции линзы (геометрических размеров и типа магнитодиэлектрика) снижение КУ купольной антенны в направлении сканирования в сравнении с облучающей ФАР.

Использование плоской круглой антенной решетки и купольной рассеивающей линзы, представляющей собой оболочку из однородного материала с утолщениями к краям, имеющую гладкую внешнюю поверхность вращения, ограниченную плоскостью, с центральной осью, являющейся нормалью к плоскости антенной решетки и проходящей через ее центр, и гладкую внутреннюю поверхность вращения с той же центральной осью, пространственно расположенную под внешней поверхностью и ограниченную той же плоскостью, что и внешняя поверхность, являются общими существенными признаками заявляемой антенны и антенны-прототипа. Изготовление линзы из феррита и размещение линзы на цилиндрическом управляемом соленоиде являются частными существенными признаками заявляемой антенны.

Сопоставительный анализ заявляемой антенны с антенной-прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается наличием технического решения, ранее не использовавшегося в классе сканирующих купольных линзовых антенн, а именно тем, что купольная рассеивающая линза выполнена из феррита и размещена на цилиндрическом управляемом соленоиде. Таким образом заявляемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с антенной-прототипом показывает, что конструкция линзы заявляемой антенны имеет принципиальные отличия от конструкции линзы антенны-прототипа, что обеспечивает достижение цели изобретения, а именно увеличение коэффициента усиления купольной линзовой антенны при сканировании в широком секторе углов и достижение возможности изменения ее диаграммы сканирования. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Поскольку применение купольных линз с двумя преломляющими поверхностями известно [2] и известно также применение управляемых соленоидов для изменения коэффициента преломления ферритов [3], то это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения. Возможность технической реализации и удовлетворение заявляемой антенной предъявляемых функциональных требований к классу сканирующих купольных линзовых антенн для техники связи и радиолокации диапазонов ММВ и СМВ позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения "промышленная применимость".

На фиг. 1 представлена конструкция антенны-прототипа. На фиг.2 представлена конструкция заявляемой антенны. На фиг.3 приведены диаграммы сканирования антенны-прототипа и заявляемой антенны.

На фиг.1 представлена конструкция антенны-прототипа, содержащая плоскую круглую антенную решетку 1 и купольную рассеивающую линзу 2, представляющую собой оболочку из однородного диэлектрического материала с утолщениями к краям, имеющую внешнюю поверхность 3 в форме ограниченной плоскостью 4 сферы с центральной осью 5, являющейся нормалью к плоскости 4 и проходящей через центр сферы 3, и внутреннюю поверхность 6, пространственно расположенную под внешней поверхностью 3, в виде ограниченной плоскостью 4 сферы со вторым центром, расположенным на оси 5, проходящей через первый вышеупомянутый центр. На фиг. 1 показаны также обозначения геометрических размеров антенны-прототипа: D₀ - наружный диаметр линзы; D - внутренний диаметр линзы; Н - внешняя высота линзы; h - внутренняя высота линзы; D_ap - диаметр облучающей антенной решетки.

На фиг.2 изображена конструкция заявляемой антенны. Приняты те же обозначения элементов, что и у антенны-прототипа. Заявляемая антенна содержит плоскую круглую антенную решетку 1 и купольную рассеивающую линзу 2, представляющую собой оболочку из феррита с утолщениями к краям, имеющую гладкую внешнюю поверхность вращения 3, ограниченную плоскостью 4, с центральной осью 5, являющейся нормалью к плоскости антенной решетки и проходящей через ее центр, и гладкую внутреннюю поверхность вращения 6 с той же центральной осью 5, пространственно расположенную под внешней поверхностью 3 и ограниченную той же плоскостью 4, что и внешняя поверхность. Основание 7 линзы закреплено на кольцевой канавке 8 цилиндрического магнитопровода 9 с той же центральной осью 5, что и линза, внешний диаметр которого превышает внешний диаметр основания линзы, причем на внутренней 10 и внешней 11 стенках канавки магнитопровода и на внешней кольцевой поверхности 12 магнитопровода расположены кольцевые обмотки электромагнита 13, 14, 15, а между элементами 16 антенной решетки расположены стержни магнитопровода 17, не выступающие за ее плоскость. Для закрепления линзы на магнитопроводе могут быть использованы различные способы, например размещение в кольцевой канавке магнитопровода диэлектрического кольца (на фиг.2 не показано).

В качестве примера для оценки увеличения коэффициента усиления купольной диэлектрической линзовой антенны при сканировании в широком секторе углов и достижения возможности изменения ее диаграммы сканирования авторами проведены расчеты диаграмм сканирования купольных линзовых антенн с параболическими поверхностями, характеризуемыми равными относительными геометрическими размерами: D₀/D_ap= 3,0; D/D_ap=2,0; Н/D_ар=1,0; h/D_ap=0,9165 и параметрами материала линзы: коэффициент преломления n=3; тангенс угла потерь tg=10^-3. Для заявляемой антенны коэффициент преломления материала линзы изменялся от n=3 до n=4. Принятые параметры феррита и диэлектрика близки к справочным значениям для высокочастотных ферритов и ситаллов в диапазонах СМВ и ММВ [4, 5]. При проведении расчетов использовался комплекс программ, реализующий алгоритм, описанный в [6].

Результаты расчетов приведены на фиг.3. Кривая 1 соответствует диаграмме сканирования антенны-прототипа и начальной диаграмме сканирования заявляемой антенны при отсутствии намагничивания феррита (n=3). Остальные кривые соответствуют диаграммам сканирования заявляемой антенны при соответствующих значениях коэффициента преломления материала линзы в процессе намагничивания. Как следует из рисунка, изменение коэффициента преломления феррита под воздействием намагничивания приводит к существенным изменениям диаграммы сканирования, сдвигу максимума КУ от угла сканирования 70^o до угла сканирования 105^o, а увеличение КУ купольной линзовой антенны при одновременном изменении угла сканирования и коэффициента преломления материала линзы достигает 4 дБ.

Таким образом, исследования заявляемой антенны и антенны-прототипа подтверждают, что использование купольной рассеивающей линзы из феррита, расположенной на цилиндрическом управляемом соленоиде, позволяет увеличить коэффициент усиления купольной диэлектрической линзовой антенны при сканировании в широком секторе углов и обеспечивает возможность управления ее диаграммой сканирования.

Источники информации

[1] РЛС SDR с купольной антенной. // Радиоэлектроника за рубежом. - 1980 - 2 - С. 17.

[2] Yung L. Chow, Sujeet K. Radome-lens ENF antenna development//US patent 4872019, H 01 Q 15/08, H 01 Q 1/42, 1989.

[3] Авдеев С.М., Бей Н.А., Морозов А.Н. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности. - М.: Радио и связь, 1987, -128 с.

[4] Мериакри В. В., Никитин И.П., Чигряй Е.Е. Диэлектрические свойства материалов в околомиллиметровом диапазоне волн // Радиотехника. - 1995 - 6 - С. 88-95.

[5] Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.

[6] Кашин С.В. Расчет линз из однородного диэлектрика//Радиотехника. - 1990.- l. - C. 87.