Диэлектрическая отражательная линзовая антенна
DIELECTRIC REFLECTOR LENS ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве приемо-передающей антенны мобильных и стационарных устройств спутниковой связи.
Известна отражательная линзовая антенна, содержащая металлический рефлектор и размещенный на нем последовательно диэлектрический слой, представляющий собой линзу Френеля (Н.D. Hristov, Fresnel zones in wireless links, zone plate lenses and antennas, Artech House, 2000).
Недостатком такой антенны является необходимость обеспечения дополнительной климатической защиты для повышения эксплуатационной стабильности устройства, а также сложность изготовления поверхности указанной формы.
Известна линзовая антенна, содержащая плоскую пластину из однородного диэлектрика с отверстиями различной формы, размещенных таким образом, чтобы изменение средней диэлектрической проницаемости пластины относительно центра соответствовало эквивалентной линзе Френеля (Патент РФ RU 2223577 C2).
Недостатками данного устройства является усложнение его структуры и производства введением дополнительного слоя, представляющего собой силовой каркас, обеспечивающий повышение прочности конструкции, а также необходимость дополнительной климатической защиты для повышения эксплуатационной стабильности устройства.
Также известна линзовая антенна, содержащая пластину из набора колец из однородных диэлектриков, размещенных таким образом, чтобы изменение средней диэлектрической проницаемости пластины относительно центра соответствовало эквивалентной линзе Френеля (Shiyu Zhang. "3D printed dielectric Fresnel lens," 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Davos. 2016, pp. 1-3.).
Недостатком такого решения является высокая степень дискретности изменения средней диэлектрической проницаемости пластины относительно центра, что приводит к уменьшению эффективности антенны.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к предлагаемому устройству является диэлектрическая отражающая линзовая антенна, состоящая из металлического рефлектора и размещенного на нем последовательно диэлектрического слоя, представляющего собой пластину диэлектрика с переменной средней диэлектрической проницаемостью, определяемой структурой эквивалентной линзы Френеля для фокусировки поля облучения (A. Petosa, A. Ittipiboon and S. Thirakoune. "Investigation on arrays of perforated dielectric fresnel lenses." in IEE Proceedings - Microwaves, Antennas and Propagation, vol. 153, no. 3, pp. 270-276, June 2006.).
Преимуществами прототипа являются широкая полоса рабочих частот, простота в изготовлении, меньшая стоимость в сравнении с синтезом искусственного диэлектрика с переменной диэлектрической проницаемостью вдоль радиуса.
Недостатком прототипа является необходимость дополнительной климатической защиты для повышения эксплуатационной стабильности устройства.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является увеличение механической прочности в процессе эксплуатации, улучшение массогабаритных характеристик и эксплуатационной стабильности.
Поставленная задача решается за счет того, что заявляемое устройство, так же как и известное, состоит из металлического рефлектора и размещенного на нем последовательно диэлектрического слоя, представляющего собой пластину диэлектрика с переменной средней диэлектрической проницаемостью, определяемой структурой эквивалентной линзы Френеля для фокусировки поля облучения. Но, в отличие от известной, в предлагаемой диэлектрической отражательной линзовой антенне переменная средняя диэлектрическая проницаемость пластины обеспечивается выполнением внутренних полостей.
Достигаемым техническим результатом является увеличение механической прочности в процессе эксплуатации, улучшение массогабаритных характеристик и эксплуатационной стабильности.
Технический результат достигается за счет того, что внутренние полости в диэлектрике расположены таким образом, что переменная средняя диэлектрическая проницаемость определяется структурой эквивалентной линзы Френеля для фокусировки поля облучения. Возможный вариант реализации такого рода устройства - печать на 3Д принтере. Толщина диэлектрического слоя зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика, рабочей частоты, формы внутренних полостей и выбранном при проектировании расстояниями между полостями и поверхностями диэлектрической пластины и определяет направленные свойства отражательной линзовой антенны. Таким образом, антенное устройство состоит всего из двух деталей, требующих соединения друг с другом - диэлектрического слоя и металлического рефлектора. При этом полости надежно защищены от климатического воздействия или засорения за счет закрытости самой структуры и не требуют дополнительной климатической защиты, которая могла бы и увеличить массу конструкции.
Изобретение иллюстрируется 5 чертежами.
Фиг. 1. Поперечное сечение антенной системы
Фиг. 2. Продольное сечение антенной системы
Фиг. 3. Диаграммы направленности (ДН) на различных частотах.
Фиг. 4. Частотные зависимости коэффициента усиления (КУ) для разных сеток размещения полостей.
Фиг. 5. Частотные зависимости коэффициента усиления (КУ) для шагов решетки.
Антенна работает следующим образом. Для объяснения работы устройства, в его структуру дополнительно вводится облучатель 1. При работе антенны в режиме передачи, волна от облучателя 1 падает на диэлектрическую отражательную линзовую антенну, состоящую из диэлектрического слоя 2, содержащего в себе набор полостей, и металлического рефлектора 3. За счет того, что полости расположены таким образом, что изменение средней диэлектрической проницаемости пластины соответствует эквивалентной линзе Френеля для фокусировки поля облучения, то при отражении падающей волны от антенны (1-2) происходит преобразование сферического фронта волны от облучателя 1 в плоский фронт отраженной волны.
При работе антенны в приемном режиме, падающее поле от источника в дальней зоне после отражения от антенны фокусируется в точку, где расположен облучатель 1.
При этом может быть реализована как прямофокусная, так и офсетная схема размещения облучателя. В зависимости от требуемой формы диаграммы направленности и схемы размещения облучателя будет меняться и закон изменения средней диэлектрической проницаемости диэлектрической пластины, обеспечивающийся расположением полостей.
Для подтверждения работы устройства в качестве примера приводятся результаты численного моделирования прямофокусной отражательной линзовой антенны в миллиметровом диапазоне размерами 150×150 мм, с шагом гексагональной сетки расположения цилиндрических полостей 0.4 в долях длины волны на рабочей частоте и толщиной диэлектрической пластины 15 мм, из диэлектрика HIPS с диэлектрической проницаемостью 2.33 и тангенсом потерь 0.0025. Экспериментальный образец выполнен с применением технологии 3Д-печати модели диэлектрического слоя, предварительно рассчитанной по известной методике [Thornton J., Huang K.-С.Modern Lens Antennas for Communications Engineering. Wiley-IEEE Press, 2012. P. 272.], его ДН приводятся на фиг. 3. Синтез отражающего слоя проводится на основании зависимостей фазы отраженного поля от размеров полости, полученных из моделирования в ячейке Флоке.
В зависимости от типа сетки размещения полостей и ее шага возможен компромисс между точностью изготовления диэлектрической отражательной линзовой антенны и качеством ее характеристик (фиг. 4-5).