Вогнутая антенна зеркало для фокусировки радиоизлучения

Вогнутая антенна зеркало для фокусировки радиоизлучения

Изобретение относится к конструированию направленных антенн, а конкретно — к конструированию устройств для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона. Техническим результатом является простота, технологичность и дешевизна изготовления, повторяемость характеристик и возможность массового производства. Устройство содержит диэлектрические элементы, соединенные в шарообразную конструкцию, у которой распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции соответствует распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга. Внутренний элемент конструкции выполнен в виде шара, в отверстиях которого укреплены наружные элементы — радиально ориентированные штыри, образующие внешнюю часть конструкции. В вариантах реализации, имеющих практическое значение, все элементы конструкции выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола, при этом все элементы внешней части конструкции — радиально ориентированные штыри — имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2159487

Изобретение относится к области конструирования направленных антенн, а конкретно — к конструированию устройств для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона.

Как известно, процессы распространения (отражения, преломления, интерференции, дифракции) радиоволн в различных средах с приемлемой для практики точностью описываются законами линейной оптики, поскольку радиоволны и свет имеют одну и ту же физическую природу — представляют собой электромагнитное излучение, см. например [1, с. 37-48]. Это позволяет при конструировании устройств для фокусировки при приеме-передаче радиоволн использовать приемы и методы, широко используемые в оптике.

Так, широко известным устройством для фокусировки при приеме-передаче радиоволн является рефлектор (зеркало) параболической антенны [1, с. 74-75]. При этом для приема радиоволн от удаленного источника приемник электромагнитных излучений (сенсор) размещается в фокусе параболы, а ось параболы ориентируется на источник излучения. Соответственно, для направленного излучении радиоволн в фокусе параболы устанавливается источник излучения (например, вибратор), а ось параболы ориентируется на приемник излучения.

Параболические антенны получили широкое практическое применение в различных областях техники, в том числе в радиолокации, радиопеленгации и связи. Так, например, в [2, С.384-386, рис.6.4] описан радиоастрорадиопененгатор (радиосекстан), который имеет приемную антенну с параболоидным рефлектором, который разворачивается по горизонтали и вертикали с помощью соответствующих приводных механизмов. Основное назначение параболоидного рефлектора в такой антенне — фокусировка принимаемых колебаний, которые далее с помощью соответствующего приемника и волновода передаются в обрабатывающую систему.

Характерной особенностью устройств для фокусировки радиоволн, использующих параболические (параболоидные) рефлекторы, является то, что с помощью одного устройства можно осуществить прием (передачу) колебаний только в одном направлении.

Для обеспечения возможности осуществления приема-передачи радиоволн одновременно в нескольких направлениях используются устройства для фокусировки типа "линзы Люнеберга" ("Luneberg lens"), см., например [3], [4], [5], [6], представляющие собой сферические линзы из диэлектрика с переменным показателем преломления 8 вдоль радиуса линзы.

Устройство для фокусировки радиоволн типа "линзы Люнеберга" ("Luneberg-Lens construction"), см., например, [7], представляет собой шарообразную конструкцию из диэлектрического материала, например, из полистирола или полиэтилена, с распределенной структурой, обеспечивающей по всем радиальным направлениям (от центра шара к его внешней границе) определенное изменение диэлектрической проницаемости, см. например [7, формула (1)]. В такой конструкции любая точка вблизи внешней границы устройства может выступать в качестве одного из фокусов линзы, а линия, проходящая через фокус и центр линзы, — в качестве оптической оси устройства. Противоположный фокус при этом удален в бесконечность. Источник радиоволн, расположенный в одном из фокусов вблизи внешней границы устройства, формирует остронаправленный пучок радиоволн, распространяющихся вдоль данной оптической оси. Соответственно, приемник радиоволн, расположенный в одном из фокусов вблизи внешней границы устройства, принимает радиоволны, распространяющиеся вдоль соответствующей оптической оси. Таким образом устройство для фокусировки радиоволн типа "линзы Люнеберга" обеспечивает возможность одновременного приема-передачи радиоволн в различных направлениях. Такие уникальные свойства устройств для фокусировки типа "линзы Люнеберга" предопределяют возможность их эффективного применения в многоканальных системах связи, телевидения и радиолокации. (Далее под термином "линза Люнеберга" понимается именно этот класс сферических диэлектрических линз с переменным показателем преломления).

В устройствах для фокусировки радиоволн типа "линзы Люнеберга" размеры конструкции зависят от длины принимаемых (передаваемых) радиоволн, при этом возможности конструктивной реализации накладывают ограничения на возможный частотный диапазон для принимаемых и/или передаваемых радиоволн. Практически, устройства типа "линзы Люнеберга" проектируются и изготавливаются в настоящее время для работы в сантиметровом диапазоне радиоволн.

При практическом конструировании устройств для фокусировки типа "линзы Люнеберга" решается обратная задача — исходя из известного, например из [7, формула (1)], закона изменения диэлектрической проницаемости внутри конструкции определяются параметры элементов конструкции, формирующих в своей совокупности требуемое распределение диэлектрической проницаемости.

Характерными примерами конструктивной реализации устройств типа "линзы Люнеберга" являются конструкции, описанные в [8], [9]. Эти конструкции, представляющие собой сферические линзы с переменным показателем преломления, содержат набор оболочек однородного диэлектрика, при этом диэлектрическая проницаемость и толщина каждой оболочки подбираются такими, чтобы с максимальной точностью апроксимировать требуемое непрерывное изменение диэлектрической проницаемости вдоль радиуса линзы. Для таких линз с ростом рабочей частоты, наряду с необходимостью уменьшения абсолютной толщины слоев, повышаются требования к точности выполнения сферических поверхностей и ужесточаются допуски на отклонение величины диэлектрической проницаемости от требуемого значения, что существенно усложняет процесс изготовления линз и увеличивает их стоимость.

Работы в направлении упрощения конструкции и уменьшения стоимости сферических диэлектрических линз с переменным показателем преломления — устройств для фокусировки радиоволн типа "линз Люнеберга" — привели к созданию модульных конструкций, таких как, например, [10], [11], [12]. Эти конструкции содержат одинаковые по размерам кубические модули, за исключением наружных модулей, выполненные из однородного диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, размещенные в параллельных относительно друг друга горизонтальных слоях в соответствии с законом изменения диэлектрической проницаемости. Отличаются конструкции [10], [11], [12] способом скрепления модулей. Так, в [10] скрепление модулей осуществляется с помощью склеивающего адгезионного материала, а в [11] и [12] — с помощью продольных пазов и выступов, выполненных в каждом из модулей. При этом в [11] описаны конструкции, в которых на по меньшей мере двух гранях каждого модуля по всей их длине выполнены расширяющиеся вглубь модуля пазы и/или выступы, имеющие попарно одинаковое поперечное сечение, посредством которых модули соединены друг с другом с образованием сферической поверхности линзы, а в [12] описана конструкция, в которой в каждом кубическом модуле на одной паре противолежащих боковых граней выполнены один против другого продольные пазы, а на другой паре противолежащих боковых граней — продольные выступы, сечение которых соответствует сечению продольных пазов.

Конструкция модульной сферической диэлектрической линзы с переменным показателем преломления, описанная в [12], принята в качестве прототипа для заявляемого устройства для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона.

Устройство-прототип представляет собой шарообразную конструкцию, содержащую диэлектрические элементы — модули, выполненные в форме кубиков, взаимосцепленные между собой с помощью соответствующих средств сочленения — пазов и выступов, выполненных на боковых гранях модулей. Диэлектрические элементы-модули имеют различную диэлектрическую проницаемость и размещены в параллельных горизонтальных слоях в соответствии с заданным законом изменения диэлектрической проницаемости внутри конструкции, соответствующим распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга.

Изготовление устройства-прототипа осуществляется следующим образом. Вначале изготавливается набор диэлектрических элементов с нужными значениями диэлектрической проницаемости. Изготовленные элементы маркируются для идентификации их диэлектрической проницаемости. Затем, по определенному правилу, вытекающему из заданного закона распределения диэлектрической проницаемости в конструкции, элементы с определенной диэлектрической проницаемостью соединяются друг с другом посредством указанных выступов-соединителей и пазов. Соединение осуществляется послойно в последовательности, зафиксированной в технологических картах сборки. При этом собираются две полусферы на поддонах так, что обеспечивается взаимодополняющая ступенчатая структура экваториальных слоев полусфер. На этих же поддонах производится механическая обработка полусфер для получения наружной сферической поверхности заданных размеров. Затем полусферы заключаются в радиопрозрачные защитно-декоративные оболочки, после чего соединяются в сферу и скрепляются относительно друг друга соединительным поясом из стеклопластика. Изготовленное таким образом устройство, представляющее собой устройство для фокусировки при приеме-передаче радиоволн, устанавливается в соответствующем антенном устройстве.

Таким образом, характерной особенностью изготовления устройства-прототипа является необходимость использования большой номенклатуры разнородных элементов, отличающихся диэлектрической проницаемостью. Это, а также необходимость сборки разнородных элементов по определенному, достаточно сложному правилу, делает конструкцию устройства-прототипа сложной и дорогой для изготовления. При этом затруднена возможность проверки правильности сборки, что не гарантирует повторяемости характеристик при изготовлении устройств серийно. Все это затрудняет возможности массового производства и применения таких устройств.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции устройства для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазон типа "линзы Люнеберга", характеризующегося в отличие от прототипа простотой, технологичностью и дешевизной изготовления, повторяемостью характеристик и возможностью массового изготовления.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона, содержащем диэлектрические элементы, соединенные в шарообразную конструкцию, у которой распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции соответствует распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга, внутренний элемент конструкции выполнен в виде шара, в отверстиях которого закреплены наружные элементы — радиально ориентированные штыри, образующие внешнюю часть конструкции.

В наиболее распространенных случаях реализации устройства все элементы внутренней и внешней частей конструкции выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола, при этом все элементы внешней части конструкции — радиально ориентированные штыри имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной.

Сущность заявляемого устройства и возможность его практической реализации поясняются чертежами, представленными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлен схематический чертеж устройства;
на фиг. 2 — иллюстрация формы выполнения наружных элементов устройства — штырей сигарообразной формы.

Заявляемое устройство для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона содержит (фиг. 1) внутренний 1 и внешние 2 диэлектрические элементы. Внутренний элемент 1 выполнен в виде шара из диэлектрического материала с радиально ориентированными отверстиями 3. Отверстия 3 предназначены для закрепления наружных элементов 2 — радиально ориентированных диэлектрических штырей, которые образуют внешнюю часть конструкции, наружная граница которой представляет собой сферу.

В вариантах реализации, имеющих практическое применение, элемент 1 и все элементы 2 выполняются из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола, при этом все элементы 2 имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной (фиг.2).

В заявляемой конструкции, представляющей собой диэлектрический шар с закрепленными на нем радиально ориентированными диэлектрическими штырями сигарообразной формы, отделенными друг от друга воздушными промежутками, требуемое распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции (в соответствии с распределением диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга) обеспечивается за счет выбора конструктивных параметров элементов 1 и 2. При этом конкретные параметры конструкции (диаметр внешней границы конструкции, диаметр элемента 1, число элементов 2, размеры и форма профиля элементов 2) вычисляются путем решения обратной задачи — по заданному закону распределения диэлектрической проницаемости, известному, например, из [7, формула (1)] или из [II, фиг. 15], при заданной длине волны и выбранном диэлектрике определяются конкретные геометрические параметры элементов, входящих в состав конструкции.

Например, при практической реализации заявляемого устройства, обеспечивающего приемлемые для практики характеристики поглощения радиоволн с длиной волны 1,5 — 2,5 см, число наружных элементов 2 находится в пределах 5000 6000, диаметр внутреннего элемента 1 в пределах 70 — 80 мм, длина выступающей части элементов 2 находится в пределах 170 — 180 мм, а максимальная толщина элементов 2 — в пределах 6,0 — 6,7 мм.

На фиг.2 представлен чертеж, иллюстрирующий форму выполнения элементов 2 в варианте реализации, когда длина элемента 2 составляет 1 = 210 мм, а максимальный диметр d m = 6,05 мм. При этом изменение диаметра вдоль оси элемента 2 (через каждые 2,5 мм по его длине, начиная с конца, вставляемого в отверстие 3) характеризуется следующим рядом значений диаметра (в мм): 1,859; 1,972; 2,085; 2,198; 2,308; 2,42; 3,53; 2,638; 2,747; 2,855; 2,962; 3,069; 3,173; 3,278; 3,381; 3,483; 3,583; 3,684; 3,783; 3,882; 3,976; 4,073; 4,166; 4,258; 4,349; 4,439; 4,527; 4,611; 4,698; 4,779; 4,859; 4,938; 5,016; 5,088; 5,162; 5,231; 5,303; 5,368; 5,432; 5,494; 5,549; 5,608; 5,659; 5,708; 5,761; 5,80; 5,842; 5,883; 5,914; 5,943; 5,977; 6,0; 6,013; 6,031; 6,038; 6,05; 6,05; 6,046; 6,03; 6,019; 5,994; 5,974; 5,94; 5,891; 5,846; 5,796; 5,728; 5,654; 5,572; 5,482; 5,371; 5,263; 5,131; 4,987; 4,83; 4,64; 4,45; 4,221; 3,966; 3,655; 3,326; 2,91; 2,4; 1,715.

Устройство изготавливается следующим образом. Из выбранного диэлектрического материала, например из полистирола, любым из известных методов, например литьем под давлением, изготавливаются в нужном количестве элементы 2, а также шарообразная заготовка для элемента 1. В шарообразной заготовке для элемента 1 сверлятся радиально ориентированные отверстия 3. В отверстиях 3 закрепляются соответствующие концы элементов 2 (например, вставляются с натягом).

Возможны варианты изготовления устройства, при которых элемент 1 отливается сразу с отверстиями 3. Этот вариант, требующий более сложного технологического оборудования, целесообразен при массовом изготовлении.

Таким образом, при производстве заявляемого устройства вся номенклатура необходимых деталей сводится к двум деталям, а именно к элементам 1 и 2. Такое сужение номенклатуры деталей, по сравнению с прототипом, в совокупности с простотой их изготовления и сборки позволяет на несколько порядков удешевить устройство. Поскольку при сборке используются одинаковые элементы 2, то исключаются ошибки сборки и обеспечивается повторяемость характеристик, отсутствовавших в устройстве-прототипе. Все это предопределяет широкие перспективы для массового производства и применения заявляемого устройства.

Собранное таким образом устройство обеспечивает реализацию заданных характеристик по распределению диэлектрической проницаемости внутри конструкции.

При необходимости получения устройства с иными характеристиками распределения диэлектрической проницаемости изготавливают из того же диэлектрического материала элементы 2 новой конфигурации, соответствующей новым заданным характеристикам, после чего осуществляют сборку устройства аналогично рассмотренному выше. Технически это связано лишь с необходимостью изменения пресс-форм, в которых осуществляется изготовление элементов 2. Таким образом, заявляемое устройство может легко изготавливаться в любых необходимых модификациях, что выгодно отличает его от прототипа, где для получения устройства с новыми характеристиками необходимо использовать новые материалы с новыми значениями диэлектрической проницаемости.

Изготовленное таким образом устройство заключается в сферическую оболочку, выполненную из радиопрозрачного материала, обеспечивающую защиту конструкции от атмосферного воздействия (защитная оболочка и ее крепление с элементами устройства не показаны). Защитная оболочка оснащается средствами для закрепления в антенном устройстве. Вблизи защитной оболочки размещаются источники излучаемых радиосигналов и/или приемники радиосигналов. Ориентация устройства в процессе работы при приеме-передаче радиоволн осуществляется с помощью соответствующих приводов.

Из рассмотренного видно, что заявляемое устройство технически осуществимо, промышленно реализуемо и решает поставленную техническую задачу по созданию конструкции устройства для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона типа "линзы Люнеберга", характеризующегося в отличие от прототипа простотой, технологичностью и дешевизной изготовления, повторяемостью характеристик и возможностью массового изготовления в различных модификациях.

Источники информации
1. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Том 1, выпуск 3-4, М.: Мир, 1977.

2. В.И. Быков, Ю.И. Никитенко, Cудовые радионавигационные устройства. М. : Транспорт, 1976.

3. R.K. Luneberg. Mathematical Theory of Optics. Brown University Press, 1944, pp. 189-212.

4. J.S. Hollis, M.W. Long. A Luneberg Lens Scanning System. IRE Transactions on Antennas and Propagation, AP-15, January, 1957.

5. J. R. Sanford, M.A. Mitchell. Luneberg Lens Revival. Electronics and Wireless World, 95, May 1989, pp.456-460.

6. S. P. Morgan. General solution of Luneberg lens problem. Jour.Appl. Physics, 29(9), 1958, 1358.

7. H. Schrank, J. Sanford. A Luneberg-Lens Update. IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol.37, N.1, February 1995, pp.76-79.

8. Antenna Engineering Handbook. Me. Grow-Hill Book Co. New York, 1984.

9. Skolnik M. J. Introduction to radar Systems. Me. Grow-Hill Book Co. New York, 1980.

10. Schrank H. E. In. Proc. 7 th Electrical Insulation. Conf. New York, 1967, 15-19/X.

11. Патент РФ (RU) N 2099834 (C1l), H 01 Q 15/08, опубл. 20.12.97.

12. Патент РФ (RU) N 2054215 (C1), H 01 Q 15/02, опубл. 10.02.96. (прототип).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для фокусировки при приеме-передаче радиоволн сантиметрового диапазона, содержащее диэлектрические элементы, соединенные в шарообразную конструкцию, у которой распределение диэлектрической проницаемости внутри конструкции соответствует распределению диэлектрической проницаемости в линзе Люнеберга, отличающееся тем, что внутренний диэлектрический элемент конструкции выполнен в виде шара, в отверстиях которого закреплены наружные диэлектрические элементы — радиально ориентированные штыри, образующие внешнюю часть конструкции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний диэлектрический элемент и все наружные диэлектрические элементы конструкции выполнены из одного и того же диэлектрического материала, например полистирола.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все диэлектрические элементы внешней части конструкции — радиально ориентированные штыри — имеют идентичную форму, близкую к сигарообразной.

Стремление улучшить параболические зеркальные антенны, а также расширить их функции или добиться некоторых специальных эффектов привело к созданию целого ряда зеркальных антенн разных типов. Рассмотрим некоторые из них.

К числу зеркальных следует отнести рупорно-параболи-ческую антенну (рис.14а), которая образована частью поверх-ности параболоида вращения, соединенной с пирамидальным рупо-ром, так что его фазовый центр находится в фокусе зеркала. В этой конструкции осуществлено полное ‘вынесение облучателя из поля излучения зеркала и очень мало обратное излучение за края рас-крыва. Рупорно-параболическая антенна имеет коэффициент ис-пользования раскрыва порядка х=0,65ч0,75. Это — совершенная и сравнительно простая ‘конструктивно, но несколько громоздкая антенна: угол раскрыва рупора должен составлять 30ч45°, что при практически используемых размерах раскрыва приводит к зна-чительным размерам всей антенны

Основными достоинствами рупорно-параболической антенны являются широкий рабочий диапазон частот, в пределах которого обеспечивается весьма высокая степень согласования с питающей линией, и чрезвычайно низкий уровень бокового и обратного излу-чений. Рабочий диапазон рупорно-параболических антенн ограни-чивается снизу только размерами поперечного сечения питающего волновода, а сверху — точностью выполнения отражающего пара-болического зеркала. В настоящее время известны, например, рупорно-параболические антенны, используемые в диапазоне 3000 ч11 000 Мгц. Коэффициент отражения от входа антенны не превышает при этом 1,5-2%.

Низкий уровень задних лепестков рупорно-параболических антенн является весьма ценным качеством в условиях радиорелейной линии, где этим определяется хорошее «защитное действие» антенны. Например, при кнд порядка 40 дб уровень задних лепест-ков может быть около 70 дб. Следует подчеркнуть, что обычные параболические антенны при таком же кнд имеют задние лепестки порядка 50 дб. Благодаря низкому уровню боковых и задних лепестков переходное затухание между двумя соседними рупорно-параболическими антеннами очень велико.

На рис. 14б схематически изображена сегментно параболическая антенна в двух вариантах питания.

Антенна образована поверхностью параболического цилиндра и двумя близко расположенными плоскостями. Облучателем может слу-жить открытый конец волновода или вертикальный вибратор, сое-диненный с коаксиальной линией и снабженный контррефлекто-ром. Если электрический вектор перпендикулярен плоскостям, между ними возбуждается волна ТЕМ, а при параллельном пло-скостям электрическом поле — волна Н01.Чтобы высшие поля заведомо отсутствовали, расстояние между плоскостями в первом случае не должно превышать /2, а во втором — а. На рис.14в показано применение сегментно-параболической антенны в каче-стве облучателя зеркала в виде параболического цилиндра.

Зеркальные антенны применяются при построении так называе-мых перископических систем. У подножия мачты располагается параболическое зеркало, излучение которого на-правлено в зенит и отражается в горизонтальном направлении помещенным на мачте плоским зеркалом. Очевидно, что такая система может использоваться вместо того, чтобы помещать параболиче-ское зеркало на вершину мачты, для чего требуется вести туда длинный волноводный тракт.

При построении перископических систем находит также при-менение принцип фокусировки. Поскольку — в аспекте геометрической опти-ки такое зеркало обладает свойством концентрировать излуче-ние в одном из фокусов, когда в другом находится точечный ис-точник, то на практике один из фокусов совмещают с фазовым центром облучателя эллипсоида, а в области другого располагают переизлуча-тель. Благодаря фокусировке по-вышается кпд передачи от излу-чателя к переизлучателю (умень-шается «переливание» энергии за края переизлучателя), что ве-дет к возрастанию коэффициента усиления перископической системы. Принцип фокусировки может быть реализован и иным путем: «сужение» потока энергии в области переизлучателя достигается и при параболическом излучателе при вынесении первичного облу-чателя из фокуса параболоида. Дальнейшее улучшение перископи-ческой системы может быть достигнуто, если вместо плоского пере-излучающего зеркала взять параболическое.

В связи с проблемой качания луча в широком угле возрастает роль сферических зеркал. Сферическая поверхность в неко-торой части близка к параболической, так что при облучении ее близко расположенным источником формируется относительно узкий отраженный луч. На рис.15а показано два расположения облучателя вблизи сферической поверхности; направления форми-руемого луча обозначены стрелками. Вращение облучателя отно-сительно центра сферы вызывает поворот луча на тот же угол, причем в силу неизменности условий отражения (в пределах опре-деленного угла качания) ширина луча практически не меняется. Однако коэффициент использования поверхности зеркала оказы-вается низким.

Он зависит от вида характеристики направленно-сти облучателя (оптимальное расстояние которого от поверхности зеркала подбирается) и от угла качания.

Усовершенствование зеркаль-ной сферической антенны дости-гается на пути превращения ее в двухзеркальную антенну. В качестве облучателя берется зеркало специальной формы, об-лучаемое обычным «точечным» источником, характеристика на-правленности которого теперь уже не играет определяющей ро-ли, поскольку форма облучающе-го зеркала выбирается с тем рас-четом, чтобы при отражении от сферы формировался плоский фронт волны. Двухзеркальная сферическая антенна схематически изображена на рис. 15б

Различные двухзеркальные антенные системы в настоящее время играют важную роль. Используя принцип оптического телеско-па Кассегрэна, помещают перед параболическим зеркалом в каче-стве контррефлектора гиперболическое (рис. 16а). Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом гиперболы F, и вследствие этого лучи, отраженные от гиперболического зеркала, можно рассматривать как идущие из расположенного за ним «вир-туального фокуса» F’, который, как это понятно, должен совпадать с фокусом параболического зеркала. Облучатель (рис.15б) обыч-но представляет собой рупор, вмонтированный в основное зеркало. Если облучатель значительно больше длины волны, то по правилам геометрической оптики можно построить его изображение в гипер-болическом зеркале — «виртуальный облучатель», который показан на рис.15б пунктиром; изображение оказывается уменьшенным. Чтобы затенение пространства гиперболическим зеркалом было минимальным, размеры системы выбирают приблизительно так, что угол, под которым края облучателя видны из виртуального фокуса, близок к углу, под которым из центра параболического зеркала видны края гиперболического зеркала (в этом условии учитывается возможность затенения основного зеркала облучателем), рис.15в.

Двухзеркальная антенна типа Каесегрэна отличается рядом положительных качеств. Она удобна по конструкции и, в частности, дает возможность располагать подключаемую аппаратуру непо-средственно за зеркалом, избегая длинной линии передачи. Облу-чение зеркала производится сравнительно равномерно с быстрым спаданием интенсивности у краев, поскольку при отражении луча от облучающего гиперболического зеркала интенсивность умень-шается с ростом угла по отношению к оси системы. Таким образом, рассеяние сосредоточено, главным образом, в переднем полупро-странстве; уровень задних лепестков диаграммы невелик. Как уже отмечалось, это обстоятельство может быть важным ч в ряде применений, например в радиорелейных линиях. Приемная антен-на с малыми задними лепестками может быть «малошумящей» в результате малой чувствительности к излучению земли.

Выше рассмотрена лишь одна из распространенных двухзеркальных антенн типа Каесегрэна. Существуют различные модифи-кации таких антенн. Отметим, например, что вместо гиперболиче-ского контррефлектора может применяться плоский.

10.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН

Зеркальные антенны (ЗА) — это апертурные антенны, у которых ЭМП в раскрыве формируется в результате отражения ЭМВ первичного излучателя от металлической поверхности специальной формы, называемой зеркалом.

Зеркальные антенны используются в диапазоне СВЧ для формирования относительно узких ДН в одной или двух плоскостях, а также для получения ДН специального вида.

Конструктивно ЗА состоит из двух принципиально необходимых компонентов: облучателя и зеркала. Облучатель является первичным источником ЭМВ в зеркальной антенне и формирует ЭМВ со сферическим (точечный облучатель) или цилиндрическим (линейный облучатель) фазовым фронтом, обеспечивая требуемое амплитудное распределение в раскрыве зеркала. Зеркало должно полностью отражать падающую на него ЭМВ так, чтобы ЭМП в его раскрыве было бы синфазным с требуемым амплитудным распределением. Зеркало должно перехватывать как можно большую долю энергии ЭМВ, излученной облучателем. Для уменьшения потерь энергии на тепло его изготавливают из металлов с высокой проводимостью. Для уменьшения веса и парусности его выполняют в виде сетчатой структуры. При этом используют однолинейную (при линейной поляризации ЭМВ) или прямоугольную сетку в случае круговой поляризации. Расстояние между проводами сетки выбирают много меньше длины волны (как правило, меньше 0,1Л), так, чтобы сквозь нее проходило не более 3% энергии ЭМВ, падающей на поверхность зеркала.

Основные типы зеркал

Принцип действия ЗА. С помощью зеркала, имеющего определенную форму и профиль, ЭМВ облучателя с расходящимся фазовым фронтом (сферическим или цилиндрическим) преобразуется в раскрыве зеркала в ЭМВ с плоским фазовым фронтом. В результате этой трансформации фазового фронта ЭМВ облучателя КНД всей зеркальной антенны значительно увеличивается.

ЗА могут классифицироваться по нескольким основным признакам:

  • 1) в зависимости от формы зеркала (рис. 10.1):
  • • с зеркалом в виде параболоида вращения;
  • • с зеркалом в виде симметричной или несимметричной вырезки из параболоида вращения;
  • • с зеркалом в виде вырезки из параболического цилиндра;
  • 2) в зависимости от количества зеркал:
    • • однозеркальные;
    • • двухзеркальные;
    • 3) в зависимости от вида формируемой ДН:
      • • с осесимметричной игольчатой ДН;
      • • с диаграммой направленности специального вида.
      • Классы МПК: H01Q15/08 выполненные из твердого диэлектрического материала
        Автор(ы): Мешковский И.К. , Шанников Д.В.
        Патентообладатель(и): Мешковский Игорь Касьянович
        Приоритеты:
        Ссылка на основную публикацию
        Adblock detector