Тороидальная линзовая антенна с электронным сканированием в двух плоскостях
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 и сантиметрового диапазонов волн. Функциональное назначение антенн - круговое сканирование лучом. В состав объекта-устройства входят: однородная тороидальная диэлектрическая линза, образованная вращением вокруг оси апланатического фокусирующего геометрического профиля; волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения на фокальной окружности линзы и соосных окружностях; короткозамыкатель в виде управляемого отражательного фазовращателя. Техническим результатом является обеспечение электронного сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях. Сканирование осуществляется поочередным электронным переключением щелей при помощи переключательных диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления. Число щелей в азимутальной плоскости соответствует числу дискретных положений ДН антенны в азимутальной плоскости, а число рядов щелей соответствует числу дискретных положений ДН антенны в угломестной плоскости. Включением щели на излучение и одновременной установкой фазовращателем максимума пучности волны в волноводе по центру щели достигается максимальное излучение электромагнитной энергии из щели и, следовательно, максимальный коэффициент усиления антенны. 4 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. Функциональное назначение антенн - круговое сканирование лучом.
Известна сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси идеально фокусирующего профиля - окружности с изменяющейся в ее плоскости относительной диэлектрической проницаемостью 
по закону Люнеберга [1]. При вращении профиля его фокус образует вокруг оси непрерывную фокальную окружность. Сканирование лучом антенны является круговым в плоскости фокальной окружности линзы и обеспечивается тем, что облучатель антенны состоит либо из излучателя, механически перемещаемого по фокальной окружности линзы, либо из множества излучателей, расположенных на фокальной окружности. В последнем случае сканирование лучом достигается поочередным электронным переключением излучателей. Изготовление неоднородной тороидальной линзы осуществляется сборкой из множества отдельных частей. Это обусловливает значительную технологическую сложность и высокую стоимость изготовления линз и делает их практически непригодными для работы в диапазоне ММВ вследствие возрастания требований к точности обеспечения требуемой зависимости диэлектрической проницаемости, идентичности составляющих частей и точности их стыковки, а также из-за роста потерь на клеевых соединениях.
Существенно более простая конструкция тороидальной линзовой антенны реализуется при использовании однородного диэлектрика. Сканирующая тороидальная линзовая антенна с однородной диэлектрической линзой, образованной вращением окружности вокруг оси, и кольцевым облучателем с электронно переключаемыми излучателями предложена в [2, 3]. Одним из недостатков антенны является то обстоятельство, что при одних и тех же размерах антенн масса однородной линзы существенно больше, чем неоднородной. Другим недостатком антенны является ограничение ее усиления при увеличении относительных размеров линзы в сравнении с длиной волны. Причина ограничения - неидеальные фокусирующие свойства линзы из однородного диэлектрика с круговым профилем, вызванные наличием сферической аберрации, присущей таким конструкциям.
Указанные недостатки устраняются при использовании сканирующей тороидальной линзовой антенны [4], содержащей однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси неапланатического фокусирующего геометрического профиля, и волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода с короткозамыкателем в виде металлической пластины и полуволновых резонансных щелей, включаемых на излучение с помощью pin-диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления. Щели, каждая из которых является отдельным излучателем, расположены на фокальной окружности тороидальной линзы. Возможны также другие конструктивные варианты построения облучателя, например, на основе рупорных или микрополосковых излучателей. Дополнительное снижение массы линзы достигается тем, что ее профиль является зонированным. Описанная антенна наиболее близка заявляемой по уровню техники и принята за прототип.
Недостатком антенны-прототипа является то обстоятельство, что ее конструкция позволяет осуществлять сканирование только в плоскости фокальной окружности линзы (азимутальной плоскости). Вместе с тем многие реальные системы связи и радиолокации диапазонов ММВ и СМВ предполагают не только круговое сканирование в азимутальной плоскости, но и функционирование антенн в достаточно широком секторе углов в ортогональной (угломестной) плоскости [5].
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение электронного сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях.
С этой целью сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси фокусирующего геометрического профиля, и волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения, отличается тем, что тороидальная линза антенны образована вращением вокруг оси апланатического фокусирующего геометрического профиля, щели облучателя расположены на фокальной окружности линзы и соосных окружностях, а короткозамыкатель выполнен в виде управляемого отражательного фазовращателя.
Принцип работы заявляемой антенны и антенны-прототипа одинаков. Открытая щель облучает фокусирующую тороидальную диэлектрическую линзу, формирующую диаграмму направленности (ДН) антенны. Сканирование осуществляется поочередным электронным переключением щелей при помощи переключательных диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления. В то же время заявляемая антенна имеет апланатический фокусирующий геометрический профиль, что позволяет путем смещения облучателя относительно фокуса отклонять ДН без практически заметных искажений ее формы. Волноводно-щелевой облучатель имеет несколько рядов щелей, расположенных на фокальной окружности линзы, как в антенне-прототипе, и на соосных окружностях, а короткозамыкатель на конце отрезка круглого волновода выполнен в виде управляемого отражательного фазовращателя. Число щелей в азимутальной плоскости соответствует числу дискретных положений ДН антенны в азимутальной плоскости, а число рядов щелей соответствует числу дискретных положений ДН антенны в угломестной плоскости. Открывая щель и одновременно устанавливая фазовращателем максимум пучности волны в волноводе по центру щели, достигаем максимального излучения щели и, следовательно, максимального коэффициента усиления антенны.
Использование однородной тороидальной диэлектрической линзы, образованной вращением вокруг оси фокусирующего геометрического профиля, и волноводно-щелевого облучателя, состоящего из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения, являются общими существенными признаками заявляемой антенны и антенны-прототипа. Апланатический фокусирующий геометрический профиль однородной тороидальной диэлектрической линзы заявляемой антенны, расположение переключаемых щелей в круглом волноводе как на фокальной окружности линзы, так и на соосных окружностях, а также использование в качестве короткозамыкателя управляемого отражательного фазовращателя 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 тороидальных линзовых антенн, а именно тем, что однородная тороидальная диэлектрическая линза имеет апланатический фокусирующий геометрический профиль; систему переключаемых щелей в круглом волноводе, расположенных как на фокальной окружности линзы, как в антенне-прототипе, так и на соосных окружностях, и короткозамыкатель в виде управляемого отражательного фазовращателя. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения “новизна”.
Сравнение заявляемого решения с антенной-прототипом показывает, что конструкция заявляемой антенны имеет принципиальные отличия от конструкции антенны-прототипа, что обеспечивает достижение цели изобретения, а именно электронного сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны в угломестной плоскости при сохранении электронного кругового сканирования в азимутальной плоскости. Достигнутое новое качество дает возможность установки таких антенн на существенно более мобильные мачтовые устройства станций диапазонов ММВ и СМВ, чем в случае антенны-прототипа, поскольку снижаются требования к отклонению вершины ствола мачты при воздействии ветровых нагрузок. Кроме того, применение антенн предложенной конструкции на мачтах позволяет устранить потери сигнала, связанные со случайным характером перепадов высот антенн при расположении станций на пересеченной местности. И, наконец, в значительной степени устраняются проблемы при использовании антенн с круговым сканированием на движущихся объектах (автомобили, самолеты и т.д.), которые связаны со скоростью и амплитудой колебаний транспортной базы (крен, тангаж, рыскание). Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения “изобретательский уровень”.
Применение однородных тороидальных диэлектрических линз с фокусирующим геометрическим профилем, отличным от окружности, и волноводно-щелевых облучателей, состоящих из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и полуволновых резонансных щелей, включаемых на излучение с помощью переключательных диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления, известно [4], а отражательные фазовращатели широко используются в технике СВЧ. Это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения. Возможность технической реализации и удовлетворение заявляемой антенной функциональным требованиям, предъявляемых к сканирующим тороидальным линзовым антеннам для техники связи и радиолокации диапазонов ММВ и СМВ, позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения “промышленная применимость”.
Ниже предлагаемое изобретение описано более подробно со ссылками на чертежи. На фиг.1 и фиг.2 представлен общий вид соответственно антенны-прототипа и заявляемой антенны. На фиг.3 приведен вариант апланатического фокусирующего профиля. На фиг.4 приведен вариант зонированного апланатического фокусирующего профиля.
Изображенная в общем виде на фиг.1 антенна-прототип включает однородную тороидальную диэлектрическую линзу 1. Линза образована вращением неапланатического профиля 2 с одной (гиперболической) преломляющей поверхностью. В локальном разрезе линзы показан волноводно-щелевой облучатель 3, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода 4 (короткозамыкатель 5 в виде металлической пластины) и полуволновых резонансных щелей 6, включаемых на излучение при помощи pin-диодов 7, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления 8.
В изображенном на фиг.2 общем виде заявляемой антенны приняты те же обозначения элементов, что и на фиг.1. Диэлектрическая тороидальная линза 1 заявляемой антенны образована вращением апланатического фокусирующего геометрического профиля 2. В локальном разрезе линзы показан волноводно-щелевой облучатель 3, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода 4 (короткозамыкатель 5 выполнен в виде управляемого отражательного фазовращателя) и нескольких рядов полуволновых резонансных щелей 6, расположенных на фокальной окружности линзы и соосных окружностях, включаемых на излучение при помощи переключательных диодов 7, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления 8.
Апланатическая линза заявляемой антенны на фиг.2 имеет плосковыпуклый фокусирующий геометрический профиль [6]. Аналогичный вид будут иметь линзы заявляемой антенны с апланатическим фокусирующим геометрическим профилем других вариантов. В частности, это могут быть бифокальные линзы (фиг.3) или линзы с тремя точками фокусировки [6, 7]. Траектории лучей, выходящих из источников, расположенных в фокусах А и A1 бифокальной линзы, показаны на фиг.3. Такие линзы обеспечивают практически безыскаженное сканирование в широком секторе углов; который может достигать 10 ширин ДН антенны и более [7]. Снижение массы линзы, как и в антенне-прототипе, может быть достигнуто зонированием геометрического профиля линзы (фиг.4).
Источники информации
1. Robert L. Horst et al. Non-uniform dielectric toroidal lensis: US patent, №3255453, кл. 343-754, 1966.
2. Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. Исследование линзовой антенны на основе диэлектрического тора // Конференция по приборам, технике и распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн (Харьков, июнь 1992, ИРЭ АН УР): Тез. докл. - Харьков, 1992. - С. 25.
3. Захаров Е.В., Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. Исследование и оптимизация характеристик тороидальных линзовых антенн // Радиотехника и электроника. - 1998. - Т. 43.- №5. - С. 571-573.
4. Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. Сканирующая тороидальная линзовая антенна - Патент РФ RU 2147150 C1, 26.05.1998, опубл. 27.03.2000, кл. 7 H 01 Q 15/08.
5. Харланов Ю.Я. Результаты исследований и перспективы применения линзовых антенн в средствах связи диапазонов ММВ и СМВ // XLIX Научн. сесс., посвящ. Дню радио, Москва, 1994.: Тез. докл., Ч.1/Рос.НТО радиотехн., электрон. и связи. - М., 1994. - С. 39-40.
6. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. - М.: Советское радио, 1974. - 280 с.
7. Brown R.M. Dielectric bifocal lenses // IRE Cov. Rec. - 1956. - V.4 - №1.
Формула изобретения
Сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси фокусирующего геометрического профиля, и волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения, отличающаяся тем, что тороидальная линза антенны образована вращением вокруг оси апланатического фокусирующего геометрического профиля, щели облучателя расположены на фокальной окружности линзы и соосных окружностях, а короткозамыкатель является управляемым отражательным фазовращателем.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
