УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ
DEVICE FOR ANTENNA SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для перенаправления электромагнитного поля, принимаемого антенной, или пучков, образуемых антенной. Более конкретно, но не исключительно, оно относится к устройству для расщепления электромагнитного поля, принимаемого в антенной системе, на множество сегментов, соответствующих отдельным пучкам, и перенаправления сегментов, что позволяет обнаруживать их на расстоянии от фокальной области антенной системы.
Предпосылки создания изобретения
В обычных зеркальных антенных системах узкие диаграммы направленности в дальнем поле отражателя сводят в фокус, где помещают единственный рупорный облучатель или группу рупорных облучателей для захвата или взятия выборки отраженной энергии из системы. Для взятия выборки поля из различных положений рупорный облучатель или группу рупорных облучателей можно перемещать в фокальной плоскости антенной системы с тем, чтобы сканировать антенные пучки. Положения пучков в дальнем поле перемещаются, находясь в номинальной линейной зависимости от сдвига положения облучателя (для малых углов).
Для улучшения характеристик времени регистрации данных и инструментальной чувствительности предпочтительно иметь неподвижную решетку рупорных облучателей в фокальной плоскости вместо одного или нескольких перемещающихся рупорных облучателей. К сожалению, количество получаемой информации ограничивается плотностью сканируемых пучков, которая, в свою очередь, ограничивается размерами рупорных облучателей. Для применений в технике связи размеры рупорных облучателей являются относительно небольшими (в диаметре от 1 до 2 длин волн) и можно брать выборки из плотно скомпонованных пучков. Однако при радиометрических применениях налагаемые на облучатель требования относительно образования гауссовых пучков с небольшим уровнем боковых лепестков приводят к использованию рупорных облучателей, которые имеют намного больший диаметр (от 6 до 10 длин волн). Когда рупоры размещают друг за другом, пучки, из которых берутся выборки, не скомпонованы достаточного плотно. Например, в некоторых областях применения субмиллиметровых волн желательно брать выборки из пучков, разнесенных на 3 мм. Однако рупорные облучатели имеют ширину 10 мм, что делает невозможным размещение рупорных облучателей с интервалом 3 мм.
Кроме того, каждый рупорный облучатель снабжен компонентами обработки сигналов, такими как малошумящие усилители и смесители. Эти компоненты могут не быть достаточно малыми, позволяющими размещать рупорные облучатели достаточно близко друг к другу для взятия выборок из пучков, которые скомпонованы достаточно плотно.
Изобретение направлено на разрешение этих проблем.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с изобретением предложено устройство для антенной системы, содержащее один или несколько ножей (разделителей) для расщепления электромагнитного поля, принимаемого антенной, на множество сегментов, соответствующих отдельным пучкам, и перенаправления упомянутого множества сегментов для обнаружения множеством детекторов.
Каждый из одного или нескольких ножей может перенаправлять сегмент поля в направлении, основанном на области падения этого сегмента поля на нож. Нож может содержать первую и вторую поверхности и нож может расщеплять поле, перенаправляя сегмент поля, падающего на первую поверхность, в первом направлении и сегмент поля, падающего на вторую поверхность, во втором направлении, отличном от первого направления.
Устройство может содержать множество ножей для расщепления электромагнитного поля на последовательные меньшие и меньшие сегменты.
Следовательно, изобретение позволяет разделять или усекать в свободном пространстве гауссовы пучки, что дает возможность иметь разделенные близкие пучки, расположенные с меньшими интервалами, чем при использовании типичных гауссовых облучателей. Изобретение позволяет располагать рупорные облучатели на расстояниях от фокальной области. Следовательно, рупорные облучатели, слишком большие для образования требуемых пучков, можно использовать для взятия выборок из плотно скомпонованных пучков.
Один или несколько ножей могут содержать призменный нож. Один или несколько ножей могут дополнительно или как вариант содержать отражающий нож. Отражающий нож может содержать две отражающие поверхности, соединенные под углом.
Один или несколько ножей могут содержать по меньшей мере два ножа, при этом один из ножей содержит упомянутые две отражающие поверхности и упомянутые две отражающие поверхности являются профилированными для искажения множества сегментов поля, что позволяет другому ножу из по меньшей мере двух ножей более эффективно разделять множество сегментов. Две отражающие поверхности могут быть профилированными для вытягивания поперечных сегментов пучков, соответствующих сегментам поля.
Две отражающие поверхности могут быть профилированными для фокусировки одного из множества сегментов поля в направлении детектора. Как вариант или дополнительно устройство может содержать по меньшей мере два ножа, при этом один из ножей содержит упомянутые две отражающие поверхности и упомянутые две отражающие поверхности являются профилированными для фокусировки одного из множества сегментов поля к другому ножу. Две отражающие поверхности могут содержать цилиндрические зеркала.
Устройство может дополнительно содержать предыскажающее зеркало для отражения множества сегментов поля на один или несколько ножей, при этом предыскажающее зеркало выполнено с возможностью вытягивания поперечных сегментов пучков, соответствующих множеству сегментов поля, что позволяет получить разделяемые пучки плотно скомпонованными.
Один или несколько ножей могут содержать по меньшей мере два ножа, а устройство может дополнительно содержать фокусирующее средство для фокусировки одного из множества сегментов поля от одного из ножей на другой нож. Как вариант или дополнительно устройство может также содержать фокусирующее средство для фокусировки одного из множества сегментов поля на детектор. Средство для фокусировки множества сегментов поля может быть выполнено с возможностью изменения форм множества сегментов поля до круговых пучков. Средство для фокусировки перенаправленного множества сегментов поля может содержать зеркало и/или линзу.
В одном осуществлении один или несколько ножей могут содержать множество металлических отражающих ножей, средство для фокусировки может содержать множество металлических отражающих зеркал и множество ножей и множество зеркал могут быть вырезаны из цельного блока металла. При изготовлении устройства в виде единого узла или в виде небольшого количества отдельных узлов уменьшается количество компонентов, необходимых для разделения и обнаружения поля, что делает конструкцию более устойчивой механически.
В соответствии с изобретением также предложен прибор, содержащий множество слоев, при этом каждый слой содержит устройство по любому одному из пунктов формулы изобретения и отверстие для приема излучения, устройство дополнительно содержит средство для разделения приходящего излучения на множество частей на основании по меньшей мере одного параметра излучения и перенаправления каждой части из множества частей излучения в отдельные слои через упомянутые отверстия.
По меньшей мере один параметр может содержать поляризацию излучения. По меньшей мере один параметр может также содержать частоту излучения.
Кроме того, в соответствии с изобретением предложена антенная система, содержащая устройство, описанное выше, и множество рупорных облучателей для приема перенаправляемых сегментов поля.
Кроме того, в соответствии с изобретением предложена антенная система, содержащая множество рупорных облучателей для образования множества пучков; и множество элементов для перенаправления упомянутых пучков в направлении фокальной области антенной системы для формирования группы плотно скомпонованных пучков для излучения антенной системой.
Множество элементов может содержать элемент, выполненный с возможностью отражения или преломления множества падающих пучков для образования набора прилегающих пучков. Антенная система может дополнительно содержать фокусирующий элемент для фокусировки набора прилегающих пучков на еще один элемент из множества элементов.
Множество элементов может содержать множество отражающих ножей или призменных ножей.
Краткое описание чертежей
Осуществления изобретения далее описаны только для примера со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичное представление антенной системы, содержащей разделитель пучка согласно одному осуществлению изобретения;
Фиг. 2 - более детальный вид разделителя пучка из фиг. 1;
Фиг. 3 - иллюстрация варианта элемента разделителя пучка;
Фиг. 4 - иллюстрация варианта еще одного элемента разделителя пучка;
Фиг. 5 - иллюстрация части разделителя пучка согласно другому осуществлению изобретения;
Фиг. 6 - иллюстрация части разделителя пучка согласно еще одному осуществлению изобретения;
Фиг. 7 - схематичная иллюстрация падения поля на элемент разделителя пучка из фиг. 6;
Фиг. с 8(а) по 8(d) - иллюстрация форм пучков, проходящих через разделитель пучка из фиг. 6;
Фиг. 9 - вид дальнейших вариантов элементов разделителя пучка;
Фиг. 10 - вид разделителя пучка, выполненного в виде единого узла из металла;
Фиг. 11 - вид сбоку разделителя пучка из фиг. 9; и
Фиг. 12 - иллюстрация возможного последовательного размещения разделителей пучка.
Подробное описание
Что касается фиг. 1, то зеркальная антенная система содержит основной отражатель 2 и вспомогательный отражатель 3 для приема и фокусировки приходящего излучения, разделитель 4 пучка для расщепления ближнего поля в фокальной области системы, множество рупорных облучателей 5 со связанными с ними блоками 6 обработки, процессор 7 сигналов, контроллер 8 и запоминающее устройство 9. Зеркальную антенную систему можно использовать, например, в радиометрии, радиоастрономии или при дистанционном зондировании Земли. При таких применениях приходящее излучение обычно представляет собой субмиллиметровое или микроволновое излучение. Частота излучения может быть от 50 ГГц до 3 ТГц, но не ограничена этим. Зеркальную антенную систему также можно использовать в системе связи.
Основной отражатель 2 может быть вогнутым параболическим отражателем, а вспомогательный отражатель 3 может быть выпуклым гиперболическим отражателем с двумя фокусами. Конечно, также возможны другие формы отражателей для фокусировки приходящей энергии. Основной отражатель 2 отражает все приходящие лучи или энергию параллельно оси симметрии в фокус, который также является одним из двух фокусов вспомогательного отражателя 3. Далее вспомогательный отражатель 3 отражает лучи или энергию от основного отражателя в свой второй фокус, где расположен разделитель 4 пучка.
Разделитель 4 пучка представляет собой квазиоптическое устройство, которое расщепляет приходящее излучение на множество частей и перенаправляет энергию на места, где соответствующие рупорные облучатели 5 размещены для формирования требуемых сканируемых пучков. Следовательно, разделитель пучка заменяет линейную решетку рупоров в фокальной области, предназначенную для образования сканируемых диаграмм излучения в дальнем поле отражателя. Следует заметить, что до тех пор, пока рупорный облучатель не размещен в фокальной области вспомогательного отражателя, пучки в дальнем поле антенны обычно не существуют. Вместо этого в фокусе существует ближнее поле и имеется возможность формирования пучков. В изобретении используется разделитель пучка для взятия выборок из этого поля вместо использования рупоров, помещенных в него.
Рупоры 5 имеют довольно большой диаметр, чтобы получать требуемые гауссовы пучки с низким уровнем боковых лепестков. Диаметр может быть порядка от 6 до 10 длин волн, который для сигнала частотой 250 ГГц может означать диаметр 10 мм. Рупоры могут быть гофрированными рупорами или рупорами Поттера со ступенчатым изменением диаметра. Каждый рупорный облучатель имеет связанный с ним блок 6 обработки, содержащий, например, малошумящий усилитель, который усиливает сигнал, и смеситель, который преобразует с понижением частоты высокочастотный сигнал в низкочастотный. Преобразованные сигналы подаются на центральный процессор 7 сигналов для дальнейшей обработки сигналов. Понятно, что, хотя центральный процессор 7 сигналов показан на фиг. 1 как один компонент, он может содержать множество отдельных компонентов. Контроллер 8 управляет приемом и сохранением данных в запоминающем устройстве 9. Кроме того, контроллер 8 может управлять процессором 7 сигналов. Запоминающее устройство 9 может принимать данные с процессора 7 сигналов или с наземной станции. Зеркальная антенная система 1 может также содержать передающую антенну для передачи принимаемых данных на наземную станцию. Кроме того, она может содержать еще одну приемную антенную систему для приема инструкций с наземной станции.
Одно осуществление разделителя 4 пучка согласно изобретению показано более подробно на фиг. 2. Разделитель 4 пучка из фиг. 2 расщепляет энергию в электромагнитном поле, принимаемом антенной, на шесть различных пучков, обнаруживаемых шестью различными рупорными облучателями 5a-5f. Разделитель пучка имеет множество разделяющих поле элементов для последовательного разделения ближнего поля на меньшие и меньшие сегменты. Кроме того, разделитель 4 пучка может иметь множество отдельных фокусирующих элементов для фокусировки энергии в поле после того, как поле разделено. На фиг. 2 разделяющие поле элементы и фокусирующие элементы собраны в одной и той же плоскости. Все элементы разделителя пучка могут быть расположены в корпусе. Понятно, что разделяющие поле элементы не разделяют поле на две копии одинаковой информации, а разделяют поле на два сегмента различной информации. Разделяющий поле элемент расщепляет поле на основании точки падения на разделяющий поле элемент. По аналогии их можно рассматривать как две половины одного и того же изображения.
На фиг. 2 разделяющие поле элементы предусмотрены в виде отражающих ножей 10а-10f, а фокусирующие элементы предусмотрены в виде линз 11a-11j. Первый отражающий нож 10а расположен в фокальной области системы, где потенциальные пучки дальнего поля сконцентрированы в небольшой области. Он расщепляет ближнее поле на два сегмента А, В. Первый сегмент А повторно фокусируется первой полевой линзой 11а и затем расщепляется вторым ножом 10b на сегменты А1 и А2. Один из сегментов, А1, повторно фокусируется второй полевой линзой 11b и обнаруживается рупором 5а. Другой сегмент далее расщепляется ножом 10с на два сегмента А2' и А2", которые повторно фокусируются соответствующими полевыми линзами 11d и 11е и обнаруживаются соответствующими рупорами 5d и 5с. Аналогичным образом второй сегмент В ближнего поля повторно фокусируется полевой линзой 11f и расщепляется четвертым ножом 10d на два сегмента В1 и В2. Один из сегментов, В1, повторно фокусируется и далее расщепляется ножом 10е на два сегмента В1' и В1", которые повторно фокусируются полевыми линзами 11h и 11i и обнаруживаются рупорами 5d и 5е. Другой сегмент В2 повторно фокусируется линзой 11j и обнаруживается рупором 5f без дальнейшего разделения.
Понятно, что угловая зависимость падающего поля приводит к распределенному полю в фокусе зеркальной антенной системы. Распределенное поле разделяется первым ножом 10а. После первого ножа отражения и коррекции пучков изменяют угловую зависимость всех пучков независимо от того, как они обработаны, в группах или индивидуально, и позволяют дальнейшее разделение пучков.
Каждый нож с 10а по 10е состоит из двух отражающих поверхностей, таких как два зеркала, соединенных на протяжении кромок, обращенных к излучению. Пучки, падающие на первую из двух отражающих поверхностей ножа (например, верхнюю поверхность ножа 10а из фиг. 2), отражаются первой из двух отражающих поверхностей и поэтому перенаправляются в первом направлении (к верхней области разделителя 4 пучка из фиг. 2), а пучки, падающие на вторую из двух отражающих поверхностей ножа (например, нижнюю поверхность ножа 10b из фиг. 2), отражаются второй из двух отражающих поверхностей и поэтому перенаправляются во втором направлении (к нижней области разделителя 4 пучка из фиг. 2), которое отличается от первого направления. Угол между двумя отражающими поверхностями и ориентация двух отражающих поверхностей относительно приходящего излучения определяют направления, в которые пучки отражаются. Получающиеся разделенные пучки соответствуют различным сегментам исходного поля и поэтому также различной информации в исходном поле. Излучение фокусируется несколько впереди или позади кромки. Отражающие поверхности снабжены радиочастотным проводящим материалом. Например, нож может быть изготовлен из металла, в том числе из алюминия, но без ограничения им. Более подробно, нож может быть изготовлен из выгнутого листа металла или сплошного блока металла. Поверхности могут быть, например, полированными, покрытыми серебром или покрытыми золотом. Кроме того, ножи могут быть изготовлены из пластика или любого другого подходящего материала и могут иметь отражающее покрытие.
Чтобы не создавать излишнюю дифракцию и не ухудшать пучки, передняя кромка ножа является острой. Например, кромка может быть около сотой части длины волны или около 0,01 мм. Угол θ между двумя отражающими поверхностями ножа может быть от 10 до 45°. Однако точный угол зависит от применения. Кроме того, угол может быть больше 45°, если он является подходящим. При применении в субмиллиметровом диапазоне волн длина каждой отражающей поверхности ножа может быть порядка 20 мм. Ножи наклонены так, что отраженная или преломленная энергия направляется преимущественно к следующему ножу или фокусирующему элементу. Нет необходимости в том, чтобы ножи разделяли поле на две равные части. Например, ножи 10b и 10d могут разделять поле так, что сегменты А1 и В2 будут содержать такую же долю первоначального поля, как и сегменты А2', А2", В1' и В1".
Линзы можно изготавливать из пластика, например политетрафторэтилена. Как вариант линзы можно изготавливать из стекла. В одном осуществлении линзы могут иметь гиперболическую форму с концентрическими канавками для повышения эффективности прохождения поля через линзу. Линзы повторно фокусируют энергию в область возле лезвия следующего ножа или в фокальную область рупорного облучателя. Фокальная область рупорного облучателя обычно лежит внутри рупора, несколько позади апертуры рупорного облучателя. Понятно, что не всегда необходимо повторно фокусировать поле до разделения его еще раз или до обнаружения рупорным облучателем. В зависимости от конкретной конструкции разделителя пучка линзу размещают между двумя ножами или между ножом и рупорным облучателем.
Чтобы получать круговые пучки, с учетом эффективности пучка в качестве рупорных облучателей с 5а по 5f обычно следует выбирать цилиндрические рупоры. Однако следует заметить, что также можно иметь гофрированные рупоры с эллиптической апертурой или прямоугольные рупоры, которые формируют эллиптические пучки. Разделение поля изменяет форму пучков до более эллиптической формы. Электромагнитное поле содержит составляющие, которые имеют протяженность в угле, и когда поле разделяют, происходит некоторая потеря угловых составляющих высокого порядка, которые блокируются вследствие присутствия ножа. Поэтому получающаяся форма является эллиптической. По этой причине качество диаграммы направленности в дальнем поле, формируемой по очень близким пучкам, ухудшается при приближении к ножу. Поэтому некоторые из этих пучков необходимо перепрофилировать для лучшего согласования с цилиндрическим рупором. Используя подходящие линзы определенной формы, такие как анаморфотные линзы, пучки можно перепрофилировать, а качество повышать.
На фиг. 3 для разделяющих поле элементов показана альтернатива отражающим ножам из фиг. 2. В этом случае разделяющий поле элемент образован с использованием призменного ножа 12. При использовании призмы разделение пучков осуществляется благодаря преломлению, а не благодаря отражению. Энергия фокусируется линзой 11а на призменный нож 12 и преломляется в два пучка. Пучки, падающие на первую поверхность призмы, преломляются в первом направлении, а пучки, падающие на вторую поверхность призмы, преломляются во втором направлении. Как показано на фиг. 3, пучки пересекаются в призме. Каждый из двух пучков повторно фокусируется соответствующей линзой 11b, 11c в соответствующий рупор 5a, 5b. В призме может происходить внутреннее отражение, и металлическая фольга (непоказанная) может быть введена ниже центральной линии призмы для обеспечения изоляции между пучками. И в этом случае угол поверхностей призмы, обращенных к падающему излучению, может быть от 10 до 45°. Однако точный угол зависит от применения. Кроме того, угол может быть больше 45°, если он является подходящим.
На фиг. 4 показана альтернатива линзам для фокусирующих элементов из фиг. 2. В этом осуществлении фокусирующие элементы вместо полевых линз снабжены зеркалами 13. Энергия фокусируется линзой 11а на нож 10 и преломляется в два пучка. Далее каждый пучок отражается соответствующим зеркалом 13a, 13b к рупору 5a, 5b. Как показано, при использовании зеркал пучки пересекаются при подаче в рупоры. Зеркала можно изготавливать из металла, такого как полированный алюминий, но без ограничения им.
В некоторых осуществлениях разделителя пучка разделяющий поле элемент и фокусирующий элемент могут быть объединены в единый элемент. Вместо разделяющего поле элемента, образованного из двух плоских зеркал, соединенных на протяжении кромок, два зеркала могут быть профилированными зеркалами. Кривизна зеркал вдоль соединительной кромки может быть небольшой, чтобы сохранялась примерно равномерная толщина вдоль кромки и тем самым снижалась дифракция на соединительной кромке. Разделяющий поле элемент повторно фокусирует расщепленное поле и управляет охватом получающихся пучков. Следовательно, разделяющий поле элемент расщепляет поле и повторно фокусирует энергию. Профилированные зеркала могут быть, например, цилиндрическими зеркалами, соединенными на протяжении острых кромок вдоль линии, параллельной оси цилиндра каждого из зеркал. Такой нож повторно фокусирует пучок в одной плоскости. Кроме того, профилированные зеркала могут иметь форму, соответствующую любому другому коническому сечению, такую как эллиптическая или гиперболическая форма, или произвольную форму, выбираемую для оптимизации диаграммы направленности.
Понятно, что комбинацию отражающих ножей 10, призм 12, линз 11 и зеркал 13 можно использовать для образования разделителя 4 пучка. На фиг. 5 показана одна половина разделителя 4 пучка, который образует 8 срезов ближнего поля. Разделитель пучка содержит призменный нож 12 и отражающий нож 10 для разделения поля. Показан путь единственного луча на протяжении разделителя 4 пучка. Входящая энергия отражается зеркалом 14 на первый отражающий нож 10а, который осуществляет разделение поля первого уровня. Разделение второго уровня выполняется другим отражающим ножом 10b, создающим две группы из двух пучков. Первая пара пучков подразделяется дополнительным отражающим ножом 10с, тогда как остальные пучки разделяются призменным ножом 12. Получающиеся пучки повторно фокусируются для приема рупорными облучателями с 5а по 5d. Между каждым из разделений поля повторно фокусируются на следующий нож или в рупор посредством простых полевых линз 11a-11g. Понятно, что вместо линз можно использовать зеркала.
В некоторых осуществлениях изобретения предыскажение вносят в форму пучков, соответствующих сегментам поля, до разделения поля, чтобы улучшать разделение пучков. Искажение пучка можно создавать смещенным зеркалом 15, помещаемым, как показано на фиг. 6, на пути поля до разделяющего поле элемента 12. Смещенное предыскажающее зеркало 15 предназначено для вытягивания поля в плоскости, параллельной кромке ножа, что позволяет более близко придвигать нож к пучку без чрезмерного рассеяния и разделять пучки, которые находятся близко друг к другу. При некоторых углах падения на предыскажающее зеркало поперечные сечения частей поля, соответствующие пучкам, вытягиваются с образованием формы, напоминающей сплющенный эллипс с большой осью, параллельной кромке ножа, обращенной к излучению. Смещенное предыскажающее зеркало 15 может быть смещенным зеркалом конического сечения. Например, зеркало может иметь форму части эллипсоида или сферы.
Как также показано на фиг. 6, при наличии соответствующих параметров смещения для предыскажающего зеркала 15 может быть предусмотрено корректирующее зеркало 16 для отражения разделенного поля. Второе зеркало 16 корректирует искажение, вносимое первым зеркалом 15. Кроме того, оно может фокусировать отраженный пучок. Например, корректирующее зеркало 16 может возвращать поперечному сечению пучка желательную круговую форму для согласования с рупором. Степень искажения пучка, вносимого предыскажающим зеркалом, зависит от угла падения поля и поэтому изменяется от одного угла расходимости пучка к другому.
Что касается также фиг. 6, то искажающее зеркало 15 расположено для того, чтобы поле могло подойти к зеркалу под большим углом падения (от нормали к поверхности). В результате поведение пучка во второй фокальной области зеркала будет иметь характер каустики с резким очертанием поля по направлению к поверхности отражателя. Уровень искажения пучка зависит от угла отражения на поверхности зеркала. Чем больше угол падения, от нормали к поверхности, тем больше искажение пучка. Если пучок, падающий на предыскажающее зеркало, является наклонным к поверхности зеркала, пучок искажается больше, чем в случае, когда поле падает под углом, нормальным к поверхности зеркала. Иначе говоря, если падающий пучок подходит к зеркалу в отдалении от первого фокуса зеркала, искажения больше.
Когда пучок перемещается от зеркала, поперечное сечение пучка становится вытянутым в плоскости, ортогональной к падающему полю и параллельной кромке ножа 10 разделяющего поле элемента. Нож 10 можно помещать на место, где поле вытягивается в линию (каустика), чтобы использовать преимущества общей геометрии поля и ножа (обоих профилей) и эффективно разделять поле. Искажение формы пучка позволяет разделять поле при меньшей энергии, проходящей к обратной стороне ножа, что повышает эффективность разделения. В дополнение к этому область каустики между предыскажающим зеркалом 15 и последующими ножом 10 и отражателем ослабляет поле пучка на задних кромках ножа 10, вследствие чего уменьшаются дифракционные эффекты между этими двумя кромками ножа 10. На фиг. 6 показан отражающий нож 10, но разделяющим поле лезвием также может быть призменный нож 12.
Как показано на фиг. 6, один из пучков отделяется от других пучков разделяющим поле элементом 10, тогда как другие пучки отражаются от ножа к корректирующему зеркалу 16, по пути пересекаясь друг с другом. Корректирующее зеркало корректирует поперечное сечение до кругового поперечного сечения. Далее пучки могут быть дополнительно отражены или перенаправлены к рупорам или еще раз разделены дополнительными разделяющими поле элементами 10, 12 (непоказанными). Пучок, который отделяется на ноже 10, показанном на фиг. 6, должен корректироваться другим корректирующим зеркалом (непоказанным) для получения лучшего согласования с рупорным облучателем.
Форма пучков в изображениях с 1 по 4, показанных на фиг. 6, будет описана более подробно ниже со ссылками на фиг. 8(а)-8(d).
В некоторых осуществлениях корректирующее зеркало 16 может быть объединено с зеркалами 13, описанными относительно фиг. 4, для фокусировки частей поля. Офсетное эллипсоидальное зеркало, расположенное так, что пучки падают на него под большим углом, может корректировать пучок при любом искажении и повторно фокусировать пучок до получения подходящей формы для рупорного облучателя. Кроме того, в некоторых осуществлениях линза (непоказанная) может использоваться для наложения падающих пучков на первый фокус первого офсетного зеркала.
На фиг. 7 схематично показано падение искаженных пучков на нож. Поперечные сечения пучков имеют форму сплющенных эллипсов на одной стороне пучка. Поперечные сечения пучков вытянуты в направлении, параллельном передней кромке ножа 10. Поскольку уровень искажения пучка зависит от угла отражения от поверхности зеркала, и при этом чем ближе падающий пучок к поверхности зеркала, тем больше искажение, то пучки, которые находятся дальше от фронта кромки ножа, являются менее сплющенными, чем пучки вблизи фронта кромки ножа. На фиг. 7 искажение пучков является в некоторой степени преувеличенным. Пучки при небольших углах падения могут быть менее искаженными, чем пучки, показанные на фиг. 7.
-2
На фиг. 8а-8d показан результат моделирования действия предыскажающего и корректирующего зеркал в разделителе пучка из фиг. 6. На чертежах показан пучок (когерентного излучения) с интенсивностью в ваттах на квадратный метр (Вт·м) в областях размером 10 мм × 10 мм на четырех различных этапах пути пучка. Диапазон интенсивности пучка соответствует диапазону от 0 до -50 дБ. Как видно на фиг. 8(а), поле начинается с четырех плотно скомпонованных пучков (изображение 1 на фиг. 6). На фиг. 8(b) показана форма четырех пучков непосредственно перед отражением от разделяющего поле элемента 10 (изображение 2 на фиг. 6) и на фиг. 8(с) показана форма трех оставшихся пучков сразу после отражения разделяющим элементом к корректирующему зеркалу (изображение 3 на фиг. 6). Непосредственно перед разделяющим элементом 10 и сразу после него пучки можно видеть разделенными, а форма некоторых из пучков искажена по вертикали. Форма зависит от угла падения на предыскажающее зеркало 15 и положения изображения на пути поля. На фиг. 8(d) показана форма пучков после коррекции поля (изображение 4 на фиг. 6). Как показано, после коррекции самый ближайший к оси пучок теперь стал почти круговым. Другие пучки будут круговыми на несколько иных местах вдоль оси.
Понятно, что в разделителе пучка, в котором вносится искажение для более эффективного разделения поля, не требуется корректирующее зеркало после каждого разделяющего поле элемента 10. Если ориентация поля относительно ножа является удовлетворительной (в достаточной степени параллельной), то и в этом случае поле может быть разделено без коррекции. Когда конкретный пучок выделен, корректирующее зеркало можно использовать перед рупорным облучателем, чтобы корректировать пучок до кругового профиля для согласования с рупорным облучателем.
Что касается фиг. 9, то в некоторых осуществлениях эффект предыскажения, эффект коррекции и эффект фокусировки обеспечиваются самими ножами. На фиг. 9 показан единственный пучок, отражающийся между тремя ножами 10а', 10b' и 10 к рупору 5. Первый нож 10а' и последний нож 10b' имеют криволинейные передние поверхности. В одном осуществлении кривизна соответствует кривизне сферы, но другие формы также являются возможными. Второй нож представляет собой плоский нож. Криволинейная передняя поверхность первого ножа 10а' рассчитана на искажение пучка, а криволинейная поверхность последнего ножа 10b' рассчитана на обеспечение соответствующей коррекции пучка и на фокусировку пучка с образованием круглого пучка. Плоский второй нож 10 предусмотрен для перехвата поля между двумя криволинейными зеркалами и также для сокращения пути поля.
Как показано на фиг. 9, пучок падает на первый нож 10а' и отражается им. Первый нож также фокусирует и искажает пучок, чтобы пучок можно было легче выделить на следующем ноже. Иначе говоря, разделение и предыскажение для следующего ножа выполняются сразу первым ножом. Далее пучок отражается от боковой поверхности плоского второго ножа 10, корректируется и повторно фокусируется криволинейным последним ножом 10b' и подводится в рупор 5. На пучок, показанный на фиг. 9, плоский нож 10 действует только как отражатель. Следовательно, в случае конкретного применения и при наличии приходящего поля плоский нож 10 можно заменять зеркалом.
Однако в зависимости от угловой ориентации плоского ножа 10 и места на первом криволинейном ноже, на которое падает поле, плоский нож можно также использовать в качестве разделяющего пучок элемента. Аналогично этому на пучок, показанный на фиг. 9, последний криволинейный нож 10b' также действует как отражатель, но изменив его угловую ориентацию, криволинейный нож 10b' можно использовать для дальнейшего разделения пучка. При использовании криволинейных ножей дифракция между различными пучками минимизируется и поле разделяется более эффективно. Пучки, более отдаленные от оси криволинейного ножа, не искажаются столь же сильно, как более близкие к оси пучки, и их можно повторно разделять тем же средством, то есть другим криволинейным ножом. Следовательно, в некоторых осуществлениях плоский нож может быть заменен третьим криволинейным ножом или, как упоминалось выше, угловая ориентация последнего криволинейного ножа может быть видоизменена для дальнейшего разделения поля. Следует осознавать, что криволинейные ножи могут иметь различную кривизну на каждой стороне для компенсации различий в формах пучков, падающих на различные места ножа.
Ради ясности на фиг. 3, 4, 5, 6 и 9 не показаны блоки 6 обработки, содержащие, например, усилители и смесители. Однако понятно, что каждый рупорный облучатель может быть соединен с различными компонентами обработки сигналов. Кроме того, понятно, что линии и плоскости, показанные вблизи ножей на фиг. 3-6, перпендикулярные к излучению, падающему на отражающие ножи, и параллельные излучению, падающему на отражающие ножи, являются схематичными линиями поля, а не частью ножей.
На фиг. 10 и 11 показано осуществление разделителя 4 пучка, содержащего разделяющие поле элементы 10, 12, снабженные металлическими ножами, и фокусирующие элементы, снабженные офсетными металлическими зеркалами. При условии выбора металлических ножей и зеркал можно полностью изготавливать из металла разделитель пучка или по меньшей мере большую часть компонентов разделителя пучка. В осуществлении по фиг. 10 и 11 разделитель 4 пучка выполнен в виде единого узла 17, изготовленного из цельного, обработанного на станке блока металла 18 и снабженного крышкой 19. Как вариант разделитель 4 пучка можно создавать из множества компонентов, образующих узел, подобный получаемому резанием из цельного блока металла. Узел может иметь щели для приема любых отдельных компонентов, таких как, например, любые необходимые пластиковые линзы или анаморфотные зеркала, изготовляемые отдельно. Ножи могут быть плоскими или криволинейными ножами. Конструкция является компактной, имеет компоненты в одной плоскости, и в ней предоставляется много места для рупорных облучателей и связанных с ними детекторных компонентов, например, смесительных блоков и малошумящих усилителей 6.
Как показано на фиг. 10, излучение принимается через отверстие 20 в блоке для фокусировки внутри блока в области, составляющей от 3 до 5 мм. Нож 10а первого уровня предусмотрен в области фокусировки для расщепления излучения на два сечения. Пара ножей 10b, 10c второго уровня предусмотрена для разделения каждого из двух сегментов на два среза для образования двух наборов из двух срезов. В этом осуществлении между ножами первого уровня и второго уровня отдельные зеркала не используются. Отражающие покрытия ножа первого уровня могут быть плоскими зеркалами или они могут быть цилиндрическими или сферическими зеркалами, которые также повторно фокусируют энергию в направлении второго ножа. Стенки внутри блока обрабатывают на станке и полируют, чтобы они действовали как зеркала для отражения и повторной фокусировки поля к другому ножу или рупорному облучателю. Кроме того, стенки могут быть посеребренными или позолоченными. Два набора из двух срезов отражаются на ножи 10d-10g третьего уровня, которые расщепляют излучение на восемь срезов, которые, в свою очередь, обнаруживаются рупорами.
Как упоминалось выше, один несколько ножей с 10е по 10g из фиг. 10 могут также иметь криволинейные поверхности для внесения искажения или обеспечения соответствующей коррекции, чтобы обеспечивать, как описано со ссылкой на фиг. 9, более тесно скомпонованные разделенные пучки. Как вариант или дополнительно, хотя это и не показано на фиг. 10, единственный узел 17 также можно спроектировать с включением предыскажающего зеркала 15 и/или корректирующего зеркала 16, описанных со ссылкой на фиг. 6, для дальнейшего повышения эффективности разделения.
На фиг. 11 показан сбоку блок 17 разделения пучка без рупорных облучателей. Вдоль боковой поверхности разделителя пучка расположены отверстия 21a-21d для приема рупорных облучателей 5а-5d из фиг. 10. Для примера, в случае применения при наличии излучения 300 ГГц высота блока, включая крышку, может быть около 20 мм.
Два или большее количество блоков 17, описанных со ссылкой на фиг. 10 и 11, можно располагать друг над другом, чтобы получать двойную линейную поляризацию и дополнительные полосы рабочих частот. Схематичное представление четырехблочного узла разделения пучка показано на фиг. 12. В области фокуса антенной системы предусмотрена поляризационная пластинка 22 для разделения ближнего поля на поля с двумя различными поляризациями. Далее каждая часть энергии ближнего поля расщепляется, например, частотно-избирательной поверхностью или дихроичным фильтром 23a, 23b на две различные частоты, представляющие две группы из двух частей поля. Далее получающиеся части поля фокусируются с использованием зеркал 24a, 24b, если это необходимо, на первый нож каждого блока 17a-17d и затем разделяются и перенаправляются на рупорные облучатели (не показанные на фиг. 12). Если в каждом блоке создаются 8 пучков, то в узле будет создаваться несканирующая решетка с 8 пучками, при этом с совпадающими по частоте и поляризацией пучками. Конечно, можно предусматривать дополнительные частотно-избирательные поверхности для разделения поля на меньшие элементы разрешения по частоте. Понятно, что разделения, основанные на поляризации и частоте, являются только примерами, и также можно рассматривать разделения, основанные на других характеристиках излучения.
Хотя на фиг. 10, 11 и 12 компоненты каждого блока разделения пучка показаны в одной плоскости, должно быть понятно, что, если требуется при применении, компоненты каждого блока разделения пучка могут быть установлены в различных плоскостях в компактном трехмерном пространстве.
Кроме того, понятно, что ножи и фокусирующие элементы также могут использоваться в передающей антенне для получения совокупности плотно скомпонованных пучков для излучения антенной. В таком случае вместо разделителя 4 пучка должен быть предусмотрен объединитель пучков. В передающей антенне рупорные облучатели создают различные пучки, которые излучаются к разделяющим элементам. Каждый из разделяющих элементов 10, 12 отражает или преломляет множество падающих пучков для образования набора плотно скомпонованных прилегающих пучков. Фокусирующие элементы 11, 13 повторно фокусируют и повторно профилируют набор плотно скомпонованных пучков. Разделяющие элементы, ближайшие к рупорным облучателям, отражают или преломляют два пучка с образованием набора из двух прилегающих пучков, тогда как разделяющие элементы, более отдаленные от рупорных облучателей, отражают два набора прилегающих пучков или один набор прилегающих пучков и единственный пучок с образованием нового набора прилегающих пучков. Разделяющие элементы размещают так, что по меньшей мере два пучка падают на разделяющий элемент с двух различных направлений, но отражаются или преломляются в по существу одном и том же направлении. Как описано со ссылкой на фиг. 6-9, разделяющие элементы можно проектировать с криволинейными поверхностями для искажения и коррекции пучков, чтобы формировать более плотно скомпонованные пучки. Как вариант или в дополнение к этому можно вводить искажающее зеркало 15 и корректирующее зеркало 16 для дальнейшего повышения эффективности объединения пучков. Объединитель пучков можно использовать, например, в радиолокационной станции или передающих системах связи, в которых требуются плотно скомпонованные пучки. В передающей системе рупорные облучатели следует располагать вне фокальной области, а ножи, зеркала и линзы должны перенаправлять пучки от рупорных облучателей в фокальную область для излучения антенной системой, что сделает возможным образование более плотно скомпонованных пучков, чем в случае, когда рупорные облучатели расположены в фокальной области. В зависимости от компоновки отражателей в передающей антенне фокальная область будет соответствовать фокусу единственного отражателя или фокусу вспомогательного отражателя.
Передающая антенна может иметь такую же компоновку компонентов, как описанная со ссылкой на фиг. 1-12 для приемной антенны, но, конечно, направление излучения должно быть противоположным направлению, описанному применительно к чертежам, упомянутым выше. Например, что касается фиг. 2, то пучки должны создаваться рупорными облучателями с 6а по 6f, фокусироваться линзами 11b, 11d, 11e, 11b, 11i и 11j и последовательно объединяться ножами с 10а по 10j для формирования набора плотно скомпонованных пучков. Далее, что касается фиг. 1, то набор пучков должен отражаться дополнительными отражателями 3 к основному отражателю 2 и на расстояние от антенной системы 1.
Хотя были описаны конкретные примеры изобретения, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и не ограничен примерами. Поэтому, как должно быть понятно специалистам в данной области техники, изобретение можно осуществлять другими способами.
Например, хотя некоторые компоненты разделителя пучка отнесены к категории зеркал, а другие компоненты отнесены к категории ножей, должно быть понятно, что ножи можно использовать для отражения и разделения поля. Поэтому зеркала можно заменять ножами, а ножи, которые обеспечивают только функцию отражения, можно заменять зеркалами. Кроме того, количество ножей, используемых в разделителе пучка, зависит от применения. В некоторых осуществлениях используется единственный нож, тогда как в других осуществлениях используется множество ножей.
Кроме того, несмотря на то что описанный разделитель пучка предназначен для разделения ближнего поля антенной системы, должно быть понятно, что разделение электромагнитного поля разделителем пучка не ограничено ближним полем антенны. Разделитель пучка можно использовать для разделения любого электромагнитного поля. Электромагнитное поле может быть дальним полем некоторого компонента в системе и в таком случае разделитель пучка может использоваться для расщепления дальнего поля этого компонента. Кроме того, хотя антенная система из фиг. 1 описана как имеющая конкретную конфигурацию основного и вспомогательного отражателей для приема входящего излучения или передачи исходящего излучения, антенная система может иметь любую подходящую компоновку отражателей.