Антенна с управляемой купольной линзой

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации с широкоугольным электрическим сканированием. Технический результат заключается в увеличении коэффициента усиления при сканировании в широком секторе углов. Сущность изобретения заключается в том, что линза выполнена из феррита с утолщениями к краям и установлена над плоской круглой антенной решеткой. Основание линзы закреплено в кольцевой канавке цилиндрического магнитопровода с той же центральной осью, что и у линзы. Внешний диаметр магнитопровода превышает диаметр основания линзы. На стенках кольцевой канавки и на внешней поверхности. цилиндрического магнитопровода расположены кольцевые обмотки электромагнита. Между элементами антенной решетки расположены стержни магнитопровода. 3 ил.

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 ε, 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 tgδ=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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3