МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ


RU (11) 2084059 (13) C1

(51) 6 H01Q15/08 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 94002353/09 
(22) Дата подачи заявки: 1994.01.24 
(45) Опубликовано: 1997.07.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. IEEE Grans on Antennas and Propagat т. АР-32, 1984, N 6, с. 611 - 617. 2. IEEE AP-S Intern symp, т. 2 1988, с. 486 - 489. 
(71) Заявитель(и): Акционерное общество открытого типа "Московский научно- исследовательский институт радиосвязи" 
(72) Автор(ы): Титов В.Н.; Самойлов Н.И.; Горбунова Е.В. 
(73) Патентообладатель(и): Акционерное общество открытого типа "Московский научно- исследовательский институт радиосвязи" 

(54) МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ 

Изобретение относится к антенной технике, в частности, к многолучевым антеннам сверхвысоких частот. Антенна содержит облучатели, число которых равно числу лучей, и осесимметричную диэлектрическую линзу, имеющую постоянный коэффициент преломления и две преломляющие поверхности. Линза преобразует сферический фронт волны от облучателя в сферический фронт волны с другим, существенно меньшим, угловым размером и удовлетворяет условию синусов Аббе. Координаты огибающих обеих поверхностей линзы связаны 4-мя соотношениями. В качестве материала линзы использованы блоки БПЭ-...М из модифицированного полиэтилена. Возможно зонирование линзы. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к антенной технике, в частности, к линзовым многолучевым антеннам сверхвысоких частот, в которых число облучателей равно числу лучей.

Известна одноапертурная многолучевая антенна, в которой линза преобразует сферический фронт волны от облучателя в плоский фронт волны /1,2/. Недостатками этой антенны являются: а) большие потери энергии (порядка 3 дБ) из-за "переливания" за края апертуры; б) высокий уровень боковых лепестков (-20 дБ и выше).

Имеются сообщения о многолучевой антенне, в которой линза преобразует сферический фронт волны (от облучателя) с одним угловым размером в сферический фронт волны с другим, существенно меньшим, угловым размером /3,4/. У этой антенны нет недостатков первой антенны. Однако воспроизвести подобную антенну невозможно, т.к. в этих сообщениях нет сведений о способах определения профилей обеих преломляющих поверхностей линзы и выбора линейных размеров антенны.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение создать одноапертурную многолучевую антенну, имеющую при высоком уровне пересечения соседних лучей (порядка 3 дБ) низкий уровень бокового излучения (ниже 20 дБ) и малые потери на переливание энергии (менее 1 дБ). Для работы антенны в условиях открытого космоса в качестве диэлектричекского материала линзы использованы блоки модифицированного полиэтилена с наполнителем (БПЭ-НП28-М, БПЭ-НП50-М) или без него (БПЭ-М) и обе поверхности линзы зонированы.

Предлагаемая одноапертурная многолучевая антенна содержит облучатели, число которых равно числу лучей антенны, и осесимметричную диэлектирческую линзу, имеющую постоянный коэффициент преломления. Обе поверхности линзы являются преломляющими. Облучатели располагаются в узлах гексагональной решетки.

На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая антенна (сечение через ось симметрии); на фиг. 2 часть сечения линзы, поясняющая ход лучей; на фиг. 3 и 4 профили двух линз, определенные согласно данному изобретению; на фиг. 5 построение хода лучей для зонированной линзы по данному изобретению.

Наличие в предлагаемой линзовой антенне двух преломляющих поверхностей позволяет предъявить к ней два требования:

1 линза должна преобразовывать без сферической аберрации гомоцентрический пучок лучей с одним угловым размером 2o на фиг. 1 в пучок с другим меньшим угловым размером 2o;

2 должно выполняться условие синусов Аббе

Msin=sin,

где M const параметр Аббе.

Второе условие позволяет устранить аберрацию комы при небольших выносах облучателей с оси симметрии антенны.

На фиг. 1 показан центральный облучатель 1 многолучевой антенны, размещенный на оси симметрии диэлектрической линзы 2 с постоянным коэффициентом преломления n. Облучатель 1 установлен в действительном фокусе F1 линзы 2. Второй, мнимый, фокус линзы находится в точке F2. Поверхность 3-0 с координатами r, является внутренней поверхностью линзы. Поверхность 4-0 с координатами R, g является внешней поверхностью. Пересечение поверхностей 3-0 и 4-0 с осью симметрии обозначены буквами Ao и Bo соответственно. Угол падения луча F1P на поверхность 3-9 обозначим b (фиг. 2), угол преломленного луча PQ относительно нормали UU к поверхности 3-0 в точке P обозначим как b1

Рассмотрим работу антенны в режиме излучения. Согласно первому требованию сферическая волна с угловым размером 2o выходящая из действительного фокуса F1, после прохождения линзы должна преобразоваться в сферическую волну с угловым размером 2o выходящую из мнимого фокуса F2. На фиг. 1 синфазный фронт этой волны обозначен как V. Радиус сферической волны V обозначим как Ra. Из условия отсутствия сферических аберраций можно записать (фиг. 1):

r+nt+Ro-R ro+nto (1)

Из геометрии фиг. 1 и 2 следует:



Из (3) и (4) имеем:



Подставив (4) и (5) в (1) и (2), получим:





Из фиг. 1 следует Ra a+ra+to

Из (7) и (8) имеем:

-rsin+Rsin(-+)= -asin(-) (9)

Отсюда следует



Вычитая (6) из (7) и проведя преобразования, получим:



Подставив (10) в (11) получаем



Обозначим



Из дифференциальной геометрии для поверхности 3-0 можно записать:



Из фиг. 2 следует

b1=- (15)

Из закона преломления имеем: sin=nsin1 (16)

Подставив (15) в (16), получаем после тригонометрических преобразований



Подстановка (17) в (14) дает:



Уравнения (12) и (18) однозначно определяют внутреннюю поверхность 3-0, учитывая, что углы и связаны условием синусов Аббе:

Msin=sin (19)

Внешняя поверхность 4-0 определяется уравнение (10) по полученным значениям r в функции от .

Для определения формы поверхностей 3-0 и 4-0 необходимо сначала задаться исходными данными. К ним относятся:

максимальный угол раскрыва линзы ao, где обе поверхности соприкасаются;

материал линзы, определяющий значение коэффициента преломления n;

параметр Аббе M, определяющий величину сужения линзой углового размера сферического фронта волны антенны по отношению к угловому размеру a сферического фронта волны от облучателя.

Кроме того, для определения линейных размеров антенны необходимо задаться шагом w гексагональной решетки, в узлах которой размещаются облучатели и угловым расстоянием qск между осями соседних лучей антенны.

Расчет начинается с точки No (фиг. 1), для которой угол =o, а расстояние от фокуса F1 r ro принимается равным единице, т.е. ro 1. В этом случае по "теореме синусов" из треугольника F1 F2 No (фиг. 1) следует, что межфокусное расстояние



Аналогично 

Вычитая (2) из (1) при =o, =o и t=0,

найдем выражение для толщины линзы на оси:



Значение угла находится из выражения (11). При этом для точки No в правой части этого выражения получается неопределенность вида "ноль, деленный на ноль". Для ее устранения применяется правило Лопиталя: числитель и знаменатель правой части выражения (11) дифференцируется по a В результате получаем



где



Далее используется итеративный метод Ньютона-Рафсона



где

функция F() имеет вид (13), а производная F() по 

Дифференциальное уравнение (18) решается численно методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Уравнение (18) может быть записано в виде



По методу Рунге-Кутта





где h шаг по углу , h=n+1-n.

Вычисление каждого k требует определения f(r,) для различных значений r и Это, в свою очередь, требует решения уравнения (11) для этих значений r и a, для чего многократно используется метод Ньютона-Рафсона.

Многолучевые антенны находят широкое применение на геостационарных спутниках связи. В этом случае материал антенны должен в течение длительного времени выдерживать воздействие ионизирующего излучения космического пространства и перепады температуры, обусловленные суточным и годовым вращением спутника относительно Солнца. Наиболее подходящим материалом для линз является полиэтилен, модифицированный для повышения его стойкости к воздействующим факторам космического пространства. Кроме того, для изменения фокусирующих свойств линзы желательно иметь возможность подбирать в некоторых пределах коэффициент преломления материала, из которого делается линза. Этим требованиям удовлетворяют блоки БПЭ-НП28-М, БПЭ-НП-50-М, БПЭ-М из модифицированного полиэтилена с наполнителем из кварца или без наполнителя. Коэффициент преломления n этих материалов в зависимости от процентного содержания наполнителя может составлять от 1,48 до 1,62.

На фиг. 3 показан профиль линзы, рассчитанный согласно данному изобретению для случая o=30 M=6; n=1,48. На фиг. 4 показан профиль при n=1,62.

Как следует из выражения (22) и наглядно видно на фиг. 3 и 4, толщина to линз на оси имеет значительную величину, доходящую до четверти ее диаметра. Это приводит к большой массе линзы. что при применении на спутнике является недостатком. Толщину линзы, а следовательно, и ее массу можно уменьшить, применив так называемое зонирование. При зонировании волновой фронт по всему раскрыву разбивается на кольцевые участки зоны, фазы в которых отличаются на целое число периодов.

=o-360<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/176.gif" ALIGN=BASELINE>K (27)

где k номер зоны, k 0, 1, 2, 3.

Изменение длины L оптического пути при переходе от периферийной, нулевой зоны к последующим определяется выражением

Lк=Ko (28)

где o длина волны в свободном пространстве на средней частоте заданного диапазона.

Рассмотрим фиг. 5, на которой изображена линза с двумя зонами. На фиг. 5 обозначено F2No Ro; F2Nk; F1No ro; F1Nк rк. Множество точек N, образованных пересечением продолжения падающих и преломленных лучей, лежат на окружности радиуса с центром в точке О.

Из геометрии зонирования следует

Lk (ro+lk)-tк (29)

lk Rk-Ro (30)

Согласно условию синусов Аббе



Из (19), (30), (31), (32) имеем

lк M(rк-ro)

Подставив (33) и (28) в (29) получим



Пусть радиус Ho раскрыва линзы задан в длинах волн:

Ho=mo (35)

Тогда 

Из (31) имеем 

Подставив (36) и (37) в (34), получаем



Для определения угла к запишем постоянные величины и через Ho. Согласно книге Б.В. Фефилова "Прикладная оптика" (формула (72) для апланатических точек F1 и F2 справедливы выражения



где



Из (39), (40) и (42) имеем



С учетом (18), (19) и (37) получаем:



Из (39) и (41) имеем



Теперь из треугольника F1 O Nк по трем его сторонам , и rк можно определить угол aк начала k-ой зоны поверхностей 3-k и 4-k:



Профили 3-k и 4-k к-ой зоны линзы определяются по полученным начальным значениям rk и к по ф-лам (12), (18), (19) и (10).

Следует отметить, что введение зонирования наряду с положительным эффектом снижением массы линзы имеет и отрицательные стороны: на сферическом фронте преломленной волны появляются на границах зон теневые кольца, которые приводят к некоторому снижению коэффициента усиления и небольшому росту боковых лепестков; так как продольный размер зон связан со средней длиной волны, то в зонированной линзе создаются частотные (хроматические) аберрации из-за отличия сдвига фаз в зонах с k0 от 360o на частотах, отличающихся от расчетной частоты.

Однако в ряде случаев с этими недостатками можно смириться ради снижения массы антенны. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Многолучевая антенна сверхвысоких частот, содержащая облучатели, число которых равно числу лучей, и осесимметричную диэлектрическую линзу из однородного диэлектрика, имеющую две преломляющие поверхности, отличающаяся тем, что координаты r, огибающей внутренней поверхности линзы и координаты R, g огибающей внешней поверхности линзы связаны соотношением





Msin = sin,



где , r - полярный угол и полярный радиус точек внутренней поверхности линзы в первой полярной системе координат с полюсом в точке F1, являющейся действительным фокусом линзы;

, R - полярный угол и полярный радиус точек внешней поверхности линзы во второй полярной системе координат с полярной осью, совпадающей по направлению с полярной осью первой полярной системы координат, и с полюсом в точке F2, являющейся местом расположения мнимого фокуса линзы;

- текущий угол между продолжением полярного радиуса r внутри линзы и соответствующим ему направлением преломленного луча в линзе;

n коэффициент преломления диэлектрического материала линзы;

а расстояние между полюсами F1 и F2 двух полярных систем координат, определяемое выражением



где o и o - полярные углы, под которыми виден край линзы из полюсов F1 и F2 соответственно;

М параметр Аббе, 

tо толщина линзы на оси, определяемая выражением



2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрического материала линзы использованы блоки модифицированного полиэтилена с наполнителем или без наполнителя.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что обе поверхности линзы имеют зонирование, причем координаты rk и k начальных точек зонирования равны





где k, rk - полярный угол и полярный радиус начальной точки N зоны k линзы в первой полярной системе координат;

k номер зоны, начиная с нулевой на краю линзы;

m количество длин волн , укладывающихся на радиусе Hо раскрыва линзы, Ho= rosino;

- длина волны на средней частоте рабочего диапазона частот антенны;

- радиус окружности, являющийся геометрическим местом точек пересечения продолжения падающих на линзу из апланатической точки F1 лучей и преломленных линзой продолжения лучей, исходящих из мнимого фокуса F2 - второй апланатической точки



- удаленность центра окружности радиуса от фокуса F1 в сторону линзы, D = /M;

p половина периметра треугольника, образованного сторонами (, rk, ).ы




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru