ТРАНСРЕФЛЕКТОР

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использована в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн, например, в двухзеркальных антеннах с поворотом плоскости поляризации.
0
Известен трансрефлектор [1], представляющий собой диэлектрическую поверхность параболической формы, на внутренней стороне которой расположены с периодом , где λ - длина волны в свободном пространстве, и шириной W<S параллельные друг другу металлические полоски.
Недостатком этого трансрефлектора является сложность его изготовления, обусловленная криволинейной поверхностью и жесткими требованиями к ее профилю, а также большой объем, занимаемый трансрефлектором.
0
д
д
Наиболее близким по назначению, количеству совпадающих признаков к заявленному устройству является трансрефлектор [2], выбранный в качестве прототипа. Устройство - прототип состоит из системы параллельных металлических проводников с периодом , где λ - длина волны в свободном пространстве, расположенных на плоской диэлектрической подложке толщиной , где λ - длина волны в диэлектрике, образующих полупрозрачную решетку. На противоположной стороне диэлектрической подложки расположена система из последовательно чередующихся полупрозрачных и радиопрозрачных кольцевых зон, ограниченных концентрическими окружностями, при этом ориентация металлических проводников, ширина W и период расположения проводников S полупрозрачных кольцевых зон и решетки, расположенных на противоположных сторонах плоской диэлектрической поверхности, одинаковы. С наружной стороны полупрозрачной решетки расположен слой диэлектрического материала толщиной равной , где n=1, 3, 5…, λ - длина волны в диэлектрике.
Основным недостатком устройства - прототипа является низкая фазовая эффективность, не превышающая значение 0.41, обусловленная высокой величиной дискретизации фазовой задержки, равной 180°, формируемого плоского фронта, отраженного от зонной поверхности устройства при падении на нее сферической электромагнитной волны.
Технический результат от использования заявленной полезной модели заключается в повышении фазовой эффективности, обуславливающей повышение коэффициента направленного действия и снижение уровня боковых лепестков.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом трансрефлекторе, содержащем систему из полноволновых кольцевых зон, включающую ограниченные концентрическими окружностями радиопрозрачные и полупрозрачные кольцевые зоны, расположенные на диэлектрической подложке и имеющие одинаковую ориентацию, ширину W и период расположения S металлических полосок полупрозрачных кольцевых зон, в отличие от прототипа, каждая полноволновая кольцевая зона является полупрозрачной кольцевой зоной, состоящей из полупрозрачных кольцевых подзон, максимальное количество которых в одной полноволновой зоне равно параметру дискретизации фазы М=3,4…, причем внутренний радиус концентрической окружности, ограничивающей полупрозрачную кольцевую подзону, является внешним радиусом концентрической окружности предыдущей кольцевой подзоны. При этом полупрозрачные кольцевые подзоны расположены не менее чем на М-1 параллельных плотно прилегающих друг к другу диэлектрических подложках толщиной
,
0
где: λ - длина волны в свободном пространстве;
М=3, 4… - параметр дискретизации фазы;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки;
p=1, 2, 3… - номер диэлектрической подложки;
Σ
q=0, 1, 2… - коэффициент толщины p-ой диэлектрической подложки, так, что полупрозрачная кольцевая подзона отражает электромагнитную волну с фазовой задержкой равной , где  - длина волны в диэлектрической подложке, по отношению к полупрозрачным кольцевым подзонам, расположенным на соседних диэлектрических подложках, при этом суммарная толщина h всех диэлектрических слоев соответствует условию , где u=1, 2, 3… - коэффициент пропорциональности.
p
Выбор толщины h диэлектрических подложек определяется требованиями к прочности и жесткости трансрефлектора. Подложки могут быть как минимальными по толщине и равными , при q=0, например, в сантиметровом диапазоне длин волн, так и разными по толщине , например, в миллиметровом диапазоне волн. Расположение полупрозрачных кольцевых подзон и выбранная толщина подложек обеспечивают фазовую задержку, равную  при параметре дискретизации фазы электромагнитной волны, равном M.
Величина фазовой задержки выбирается исходя из оптимальной аппроксимации падающего сферического фазового фронта от облучателя, расположенного в фокусе трансрефлектора, преобразуемого в дискретный плоский фазовый фронт.
Параметр дискретизации фазы М=3,4… определяет степень приближения отраженной от трансрефлектора дискретной электромагнитной волны к монотонной линии и выбирается наиболее оптимальным для повышения фазовой эффективности за счет снижения фазовых ошибок.
Σ
Для обеспечения наилучшего прохождения электромагнитной волны через трансрефлектор и уменьшения искажений диаграммы направленности паразитными отражениями волны от границ раздела двух сред (воздух-диэлектрик и диэлектрик-воздух) должно выполняться условие равенства суммарной толщины h всех диэлектрических подложек (диэлектрических слоев) трансрефлектора величине , что приводит к снижению потерь при прохождении сигала и уменьшению боковых лепестков диаграммы направленности.
Σ
При этом, если количество диэлектрических подложек, каждая из которых имеет толщину , равно М, то их суммарная толщина h всегда будет удовлетворять условию .
Если количество диэлектрических подложек не равно величине М, например, при расположении полупрозрачных кольцевых подзон с обеих сторон диэлектрической подложки, необходимо дополнить трансрефлектор диэлектрическим слоем с диэлектрической проницаемостью, равной диэлектрической проницаемости подложек и толщиной, равной , где q=0, 1, 2… - коэффициент толщины дополнительного слоя диэлектрического материала.
Возможна модификация заявляемого трансрефлектора, в которой для уменьшения паразитных отражений от границы раздела воздух-трансрефлектор, трансрефлектор-воздух с внешних сторон заявляемого трансрефлектора установлены согласующие диэлектрические пластины из однородного диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью ,
где:
согл
ε - диэлектрическая проницаемость согласующей пластины;
0
ε - диэлектрическая проницаемость воздушного пространства;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрических подложек,
и толщиной равной .
Предложенная совокупность существенных признаков обеспечивает уменьшение фазовых ошибок, что приводит к повышению фазовой эффективности трансрефлектора, обуславливающей повышение коэффициента направленного действия и снижение уровня боковых лепестков.
Сущность технического решения поясняется приведенными рисунками и диаграммами:
Фиг. 1 - схематическое изображение плоского многослойного трансрефлектора;
Фиг. 2 - схематическое изображение трансрефлектора с согласующими диэлектрическими пластинами;
Фиг. 3 - схематическое изображение трансрефлектора с параметром дискретизации фазы М=4;
Фиг. 4 - диаграммы направленности в E - плоскости при работе трансрефлектора в режиме отражения падающей сферической электромагнитной волны от устройства-прототипа (Сплошная линия) и от заявляемого трансрефлектора (Фиг. 1) (Штриховая линия);
Фиг. 5 - диаграммы направленности в H - плоскости при работе трансрефлектора в режиме отражения падающей сферической электромагнитной волны от устройства-прототипа (Сплошная линия) и от заявляемого трансрефлектора (Фиг. 1) (Штриховая линия);
Фиг. 6 - диаграммы направленности в E - плоскости при работе трансрефлектора в режиме прохождения падающей сферической электромагнитной волны через устройство-прототип (Сплошная линия) и через заявляемый трансрефлектор (Фиг. 1) (Штриховая линия);
Фиг. 7 - диаграммы направленности в Н - плоскости при работе трансрефлектора в режиме прохождения падающей сферической электромагнитной волны через устройство - прототип (Сплошная линия) и через заявляемый трансрефлектор (Фиг. 1) (Штриховая линия).
Заявляемый трансрефлектор (Фиг. 1), выполненный в виде многослойной структуры 1 с полноволновыми кольцевыми зонами, включает ограниченные концентрическими окружностями радиопрозрачные и полупрозрачные кольцевые зоны, имеющие одинаковую ориентацию, ширину W и период расположения S металлических полосок полупрозрачных кольцевых зон. Каждая i-я полноволновая кольцевая зона является полупрозрачной кольцевой зоной, где i=0, 1, 2… - номер полноволновой полупрозрачной кольцевой зоны, состоящей из полупрозрачных кольцевых подзон Френеля 2, 3, 4… с номером подзоны j=1, 2, 3…М, максимальное количество которых в одной полноволновой зоне равно параметру дискретизации фазы М=3,4…
Внутренний радиус концентрической окружности, ограничивающей полупрозрачную кольцевую подзону с номером j, является внешним радиусом концентрической окружности предыдущей кольцевой подзоны с номером j-1, например, внутренний радиус концентрической окружности, ограничивающей полупрозрачную кольцевую подзону 3 с номером j=2, является внешним радиусом концентрической окружности предыдущей кольцевой подзоны 2 с номером j=l, соответственно, внутренний радиус кольцевой подзоны 4 с номером j=3, является внешним радиусом предыдущей кольцевой подзоны 3 с номером j=2.
Полупрозрачные кольцевые подзоны 2, 3, 4… с номером подзоны j=1, 2, 3…M расположены не менее чем на М-1 параллельных плотно прилегающих друг к другу диэлектрических подложках 5, 6, 7,…М-1, толщиной
0
где: λ - длина волны в свободном пространстве;
М=3, 4… - параметр дискретизации фазы;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической подложки;
p=1, 2, 3… - номер диэлектрической подложки;
q=0, 1, 2… - коэффициент толщины p-ой диэлектрической подложки. При этом все кольцевые подзоны с одинаковыми номерами j, входящие в состав любой полноволновой полупрозрачной кольцевой зоны i, расположены на одной соответствующей диэлектрической подложке с номером p и разделены между собой радиопрозрачными зонами. Например, кольцевые подзоны 3 с номером j=2 во всех полноволновых полупрозрачных кольцевых зонах i расположены на одной стороне диэлектрической подложки 5 с номером p=1, соответственно, кольцевые подзоны 4 с номером j=3 во всех полноволновых полупрозрачных кольцевых зонах i расположены на соответствующей подложке 6 номером p=2.
Полупрозрачные кольцевые подзоны 2, 3, 4… с номером подзоны j=1, 2, 3…M выполнены с возможностью отражать электромагнитную волну с фазовой задержкой, равной , где  - длина волны в диэлектрической подложке, по отношению к полупрозрачным кольцевым подзонам, расположенным на соседних диэлектрических подложках.
д
При падении и отражении электромагнитной волны полупрозрачные кольцевые подзоны 3 с номером j=2, расположенные на диэлектрической подложке 5 с номером p=1, обеспечивают фазовые задержки, равные , где λ - длина волны в диэлектрической подложке, М=3,4… - параметр дискретизации фазы, по отношению к полупрозрачным кольцевым подзонам 2 с номером j=1, принятым за опорные, а полупрозрачные кольцевые подзоны 4 с номером j=3, расположенные на диэлектрической подложке 6 с номером p=2, обеспечивают фазовую задержку  по отношению к полупрозрачным кольцевым подзонам 2 с номером j=l, полупрозрачные кольцевые подзоны с номером j=M, расположенные на М-1 диэлектрической подложке, обеспечивают фазовую задержку  по отношению к полупрозрачным кольцевым подзонам 2 с номером j=1.
Полупрозрачные кольцевые подзоны образуют в апертуре трансрефлектора I=i+1 полноволновых полупрозрачных кольцевых зон (Фиг. 1). Количество I полноволновых полупрозрачных кольцевых зон определяется диаметром D трансрефлектора и фокусным расстоянием F и равно: ,
ij
при этом радиусы r полупрозрачных кольцевых подзон равны [3]:
.
Трансрефлектор может содержать дополнительный слой диэлектрического материала 8, прилегающий к полупрозрачным кольцевым подзонам 2, принятым за опорные. Дополнительный слой диэлектрического материала 8 имеет диэлектрическую проницаемость, равную диэлектрической проницаемости диэлектрических подложек 5, 6, 7,…М-1, а его толщина составляет , где q=0, 1, 2… - коэффициент толщины дополнительного слоя диэлектрического материала.
Σ
Σ
Суммарная толщина h всех диэлектрических подложек 5, 6, 7,…М-1 без использования дополнительного слоя диэлектрического материала 8 соответствует условию  где u=1, 2, 3… - коэффициент пропорциональности. В случае использования дополнительного слоя 8 суммарная толщина h всех диэлектрических слоев 8, 5, 6, 7, …М-1 также соответствует условию .
Одним из вариантов исполнения является трансрефлектор с согласующими пластинами 9 и 10, установленными с его внешних сторон (Фиг. 2). Согласующие пластины 9, 10 выполнены из однородного диэлектрического материала с диэлектрической проницаемостью ,
где:
согл
ε - диэлектрическая проницаемость согласующей пластины;
0
ε - диэлектрическая проницаемость воздушного пространства;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрических подложек, и толщиной равной .
Рассмотрим работу трансрефлектора применительно к двухзеркальной антенне с поворотом плоскости поляризации и параметром дискретизации фазы М=4, что соответствует дискретным значениям фаз 0°, 90°, 180°, 270°.
д
Для случая М=4 трансрефлектор (Фиг. 3) содержит четыре полупрозрачные кольцевые подзоны 2, 3, 4, j, расположенные на трех диэлектрических подложках 5, 6, 7, толщиной  где λ - длина волны в диэлектрике, и дополнительный слой диэлектрического материала 8 толщиной , при коэффициенте толщины диэлектрика q=0.
При работе трансрефлектора (Фиг. 3) в режиме «отражения» излучаемая первичным облучателем (например, рупором), расположенным в фокусе «О», сферическая электромагнитная волна с поляризацией вектора Е электрического поля, совпадающей с ориентацией металлических полосок полупрозрачных кольцевых подзон 2, 3, 4, j, расположенных на диэлектрических подложках 5, 6, 7, через радиопрозрачные зоны достигает различных полупрозрачных кольцевых подзон с разными фазовыми задержками. При этом луч, совпадающий с фокальной осью OA трансрефлектора, имеет наименьшую фазовую задержку в свободном пространстве, принимаемую в качестве опорной, а на краю апертуры (крайняя полупрозрачная кольцевая подзона j) радиусом R - максимальную фазовую задержку, равную
,
где:
- постоянная распространения в свободном пространстве;
F - фокусное расстояние;
0
λ - длина волны в свободном пространстве.
°
°
max
max
Промежуточные точки апертуры имеют монотонные, плавно изменяющиеся значения фазовых задержек от 0° до φ . Поэтому трансрефлектор для формирования отраженной плоской электромагнитной волны должен обеспечить фазовые задержки, которые изменяются от 0° на краю трансрефлектора до φ  в его центре. Необходимая коррекция фазовой задержки обеспечивается изменением длины путей лучей, падающих и отраженных от полупрозрачных кольцевых подзон 2, 3, 4, j. Так, лучи электромагнитной волны, падающие и отраженные от полупрозрачных кольцевых подзон 3, расположенных на диэлектрической подложке 5 толщиной  где  - длина волны в диэлектрике, имеют разность длины путей относительно полупрозрачных кольцевых подзон 2, принятых за опорные, равную , т.е. обеспечивают фазовую задержку 90°. Аналогично лучи электромагнитной волны, падающие и отраженные от полупрозрачных кольцевых подзон 4 и j, расположенных на диэлектрических подложках 6, 7, имеют разность длины путей относительно полупрозрачных кольцевых подзон 2, равную  и , соответственно, т.е. фазовые задержки 180° и 270°. Таким образом, каждая диэлектрическая подложка с расположенными на ней полупрозрачными кольцевыми подзонами выполняет роль фиксированного фазовращателя с дискретным фазовым сдвигом 90°, что обеспечивает формирование фазового плоского фронта переотраженной от трансрефлектора электромагнитной волны.
д
При падении на трансрефлектор от первичного облучателя электромагнитной волны с поляризацией вектора Е электрического поля, перпендикулярной ориентации металлических полосок полупрозрачных кольцевых подзон, коэффициент прохождения электромагнитной волны близок к 1. Электромагнитная волна последовательно проходит через радиопрозрачные зоны и полупрозрачные кольцевые подзоны j, 4, 3, 2, расположенные на диэлектрических подложках 7, 6, 5, и дополнительный слой диэлектрического материала 8 толщиной  и излучается в свободное пространство. При этом суммарная толщина диэлектрических подложек 5, 6, 7 и дополнительного слоя 8 равна половине длины волны в диэлектрике , где λ - длина волны в диэлектрике, которая вносит минимальные потери электромагнитной энергии при прохождении через трансрефлектор [4].
0
При наличии в трансрефлекторе согласующих диэлектрических пластин 9 и 10 (Фиг. 2) электромагнитная волна с поляризацией вектора Е электрического поля, перпендикулярной ориентации металлических полосок полупрозрачных кольцевых подзон, последовательно проходит свободное пространство с диэлектрической проницаемостью ε, через первую согласующую диэлектрическую пластину 10, имеющую диэлектрическую проницаемость , и поступает на трансрефлектор, проходит через диэлектрические подложки 7, 6, 5 с расположенными на них полупрозрачными кольцевыми подзонами j, 4, 3, 2, дополнительный слой диэлектрического материала 8, вторую согласующую диэлектрическую пластину 9 с диэлектрической проницаемостью  и выходит в свободное пространство. Согласующие диэлектрические пластин 9 и 10 позволяют снизить потери электромагнитной энергии при прохождении волны через трансрефлектор.
Компьютерное моделирование заявляемого трансрефлектора диаметром ⌀80 мм, с фокусным расстоянием F=40 мм, параметром дискретизации фазы М=4, выполненного из диэлектрического материала типа R/T Duroid 5870, имеющего диэлектрическую проницаемость ε=2.33 и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ=0.0012, проведенное для рабочей частоты 94 ГГц, показало следующие результаты:
- При падении на трансрефлектор (Фиг. 3) от первичного облучателя сферической электромагнитной волны с поляризацией вектора Е электрического поля, совпадающей с ориентацией металлических полосок полупрозрачных кольцевых подзон, сформированная отраженная диаграмма направленности в Е и Н плоскостях (Фиг. 4, Фиг. 5 - Сплошная линия) от заявляемого трансрефлектора, по сравнению с аналогичной диаграммой направленности, сформированной устройством - прототипом (Фиг. 4, Фиг. 5 - Штриховая линия), имеет на 1,87 дБ выше коэффициент направленного действия, от -2 до -5 дБ ниже уровень 1-го бокового лепестка и значительное снижение уровня 2-го и 3-го боковых лепестков;
- При падении на трансрефлектор (Фиг. 3) от первичного облучателя сферической электромагнитной волны с поляризацией вектора Е электрического поля, перпендикулярной ориентации металлических полосок, диаграммы направленности в Е и Н плоскостях после прохождения электромагнитной волны через заявляемый трансрефлектор (Фиг. 6, Фиг. 7 - Сплошная линия) и через устройство - прототип (Фиг. 6, Фиг. 7 - Штриховая линия) практически совпадают, за исключением нулевого направления, в котором заявляемый трансрефлектор сгладил нежелательный выброс.
- Согласующие диэлектрические пластины, установленные на заявляемый трансрефлектор (Фиг. 2) позволили снизить коэффициент отражения от границы раздела свободное пространство - трансрефлектор на 15 дБ.
Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает повышение фазовой эффективности, обуславливающей повышение коэффициента направленного действия и снижение уровня боковых лепестков.
Источники информации
1. Бахрах Л.Д., Галимов Г.К. «Зеркальные сканирующие антенны: Теория и методы расчета», изд-во «Наука», г. Москва 1981 г., стр. 258÷259
2. Патент №2439757, Российская Федерация, МПК H01Q 15/24 (2006.01), опубл. 10.01.2012, Трансрефлектор/ Кузьмин А.А., Погребняков A.M.
3. Y.J. Guo, «A High-Efficiency Quarter-Wave Zone Reflector» IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol.2, №12, December1992, стр. 470÷471
4. Пригода Б.А., Кокунько B.C. «Обтекатели антенн летательных аппаратов», изд-во «Машиностроение», г. Москва 1970 г., стр. 51