многолучевая антенна сверхвысоких частот
Классы МПК: | H01Q15/08 выполненные из твердого диэлектрического материала |
Автор(ы): | Титов В.Н., Самойлов Н.И., Горбунова Е.В. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество открытого типа "Московский научно- исследовательский институт радиосвязи" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-01-24 публикация патента:
10.07.1997 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
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,![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-34t.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-35t.gif)
Msin
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-36t.gif)
где
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
n коэффициент преломления диэлектрического материала линзы;
а расстояние между полюсами F1 и F2 двух полярных систем координат, определяемое выражением
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-37t.gif)
где
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
М параметр Аббе,
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-38t.gif)
tо толщина линзы на оси, определяемая выражением
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-39t.gif)
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
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-40t.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-41t.gif)
где
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
k номер зоны, начиная с нулевой на краю линзы;
m количество длин волн
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084010/955.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084010/955.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/961.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-42t.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/916.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/961.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/961.gif)
p половина периметра треугольника, образованного сторонами (
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/961.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/916.gif)
Описание изобретения к патенту
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 2
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
2 должно выполняться условие синусов Аббе
M
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084014/183.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
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,
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
Рассмотрим работу антенны в режиме излучения. Согласно первому требованию сферическая волна с угловым размером 2
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
r+nt+Ro-R ro+nto (1)
Из геометрии фиг. 1 и 2 следует:
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-2t.gif)
Из (3) и (4) имеем:
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-3t.gif)
Подставив (4) и (5) в (1) и (2), получим:
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-4t.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-5t.gif)
Из фиг. 1 следует Ra a+ra+to
Из (7) и (8) имеем:
-rsin
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
Отсюда следует
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-6t.gif)
Вычитая (6) из (7) и проведя преобразования, получим:
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-7t.gif)
Подставив (10) в (11) получаем
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-8t.gif)
Обозначим
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-9t.gif)
Из дифференциальной геометрии для поверхности 3-0 можно записать:
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-10t.gif)
Из фиг. 2 следует
b1=
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/946.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
Из закона преломления имеем: sin
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/946.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/946.gif)
Подставив (15) в (16), получаем после тригонометрических преобразований
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-11t.gif)
Подстановка (17) в (14) дает:
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-12t.gif)
Уравнения (12) и (18) однозначно определяют внутреннюю поверхность 3-0, учитывая, что углы
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
Msin
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
Внешняя поверхность 4-0 определяется уравнение (10) по полученным значениям r в функции от
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
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
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-13t.gif)
Аналогично
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-14t.gif)
Вычитая (2) из (1) при
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084005/947.gif)
найдем выражение для толщины линзы на оси:
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-15t.gif)
Значение угла
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-16t.gif)
где
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-17t.gif)
Далее используется итеративный метод Ньютона-Рафсона
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-18t.gif)
где
функция F(
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-19t.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/920.gif)
Дифференциальное уравнение (18) решается численно методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Уравнение (18) может быть записано в виде
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-20t.gif)
По методу Рунге-Кутта
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-21t.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-22t.gif)
где h шаг по углу
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/176.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084014/981.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084014/981.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/176.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084014/981.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/176.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/176.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084014/183.gif)
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=K
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084014/183.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084010/955.gif)
где
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084010/955.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/961.gif)
Lk (ro+lk)-tк (29)
lk Rk-Ro (30)
Согласно условию синусов Аббе
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-23t.gif)
Из (19), (30), (31), (32) имеем
lк M(rк-ro)
Подставив (33) и (28) в (29) получим
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-24t.gif)
Пусть радиус Ho раскрыва линзы задан в длинах волн:
Ho=m
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084010/955.gif)
Тогда
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-25t.gif)
Из (31) имеем
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-26t.gif)
Подставив (36) и (37) в (34), получаем
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-27t.gif)
Для определения угла
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/916.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/961.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-28t.gif)
где
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-29t.gif)
Из (39), (40) и (42) имеем
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-30t.gif)
С учетом (18), (19) и (37) получаем:
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-31t.gif)
Из (39) и (41) имеем
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-32t.gif)
Теперь из треугольника F1 O Nк по трем его сторонам
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/916.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084034/961.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/2084059-33t.gif)
Профили 3-k и 4-k к-ой зоны линзы определяются по полученным начальным значениям rk и
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084004/945.gif)
![многолучевая антенна сверхвысоких частот, патент № 2084059](/images/patents/388/2084059/8800.gif)
Класс H01Q15/08 выполненные из твердого диэлектрического материала