МНОГОСЛОЙНАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТОРОИДАЛЬНАЯ АНТЕННА
MULTILAYERED DIELECTRIC TOROIDAL ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к антенной технике, и может быть использовано при создании малогабаритных антенн средств связи и радиолокации сантиметрового (СМВ) и миллиметрового (ММВ) диапазонов волн.
Функциональное назначение антенны - излучение и прием электромагнитных волн.
Для осуществления приема-передачи электромагнитных волн одновременно в нескольких направлениях могут использоваться устройства для фокусировки типа линза, представляющие собой сферическую либо цилиндрическую линзы из диэлектрика, в которых диэлектрическая проницаемость ε является переменной и изменяется по следующему закону [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. - М.: Советское радио, 1974, 280 с.]:
где r - расстояние от центра линзы; R - радиус сферы.
Известна сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая однородную тороидальную линзу, образованную вращением вокруг оси неапланатического фокусирующего геометрического профиля, и облучатель, состоящий из системы переключаемых излучателей, расположенных на фокальной окружности линзы. (Патент RU 2147150 С1, заявка №98109732/09 от 26.05.1998, МПК: H01Q 15/08 - прототип).
Основным недостатком указанного решения является определенная трудность в точности изготовления направленных излучателей, расположенных на фокальной окружности линзы, значительная масса антенны, а также сложность согласования в широком диапазоне частот подобной антенны с приемо-передающим устройством. Кроме того, саму конструкцию довольно проблематично закрепить на антенной мачте.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение коэффициента усиления, уменьшение массы, сокращение количества активных элементов антенны и упрощение согласования с приемопередающим устройством.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенной многослойной диэлектрической тороидальной антенне, содержащей многослойную тороидальную диэлектрическую линзу с излучателем, расположенным в центре линзы. Линза выполнена из N>2 диэлектрических профилированных эквидистантных элементов с плоской нижней частью, установленных концентрически с зазорами по отношению друг к другу, а поверхность этих элементов образована вращением нелинейных коаксиальных эквидистантных поверхностей вокруг оси, отстоящей от внутренней части профиля, и которая образует центральную профилированную полость линзы, при этом вертикальная ось профилированной полости линзы совпадает с осью вращения нелинейных коаксиальных эквидистантных поверхностей, излучатель установлен на заданном расстоянии над плоской нижней частью диэлектрических профилированных эквидистантных элементов так, что его ось совпадает с осью вращения нелинейных коаксиальных эквидистантных поверхностей.
В варианте исполнения, толщина стенок диэлектрических профилированных эквидистантных элементов линзы дискретно уменьшается от центра к периферии, а зазор между стенками дискретно увеличивается.
В варианте исполнения, поверхность диэлектрических профилированных эквидистантных элементов образована вращением концентрических полуокружностей разного диаметра вокруг оси, перпендикулярной к диаметру полуокружностей, причем диаметр полуокружностей дискретно уменьшается от периферии к центру.
В варианте исполнения, диэлектрические профилированные эквидистантные элементы установлены на круглую металлическую подложку, диаметр которой равен внешнему диаметру диэлектрических профилированных эквидистантных элементов.
В варианте исполнения, излучатель выполнен в виде несимметричного вибратора, расположенного на оси вращения диэлектрических профилированных эквидистантных элементов.
Применение для образования полноазимутальной многослойной диэлектрической тороидальной антенны усеченного фокусирующего геометрического профиля в виде многослойной полуокружности вместо окружности и использование многослойной структуры с переменной толщиной слоев и переменного воздушного зазора между ними по сравнению с окружностью при той же площади сечения профиля позволяет уменьшить объем и, следовательно, массу линзы. Медная подложка выступает в роли области нулевого потенциала и участвует в формировании электромагнитного поля антенны, а также позволяет снизить взаимное влияние металлических элементов антенно-мачтового устройства или элементов крепежа (при размещении на подвижных носителях). Наличие одного активного элемента значительно упрощает конструкцию антенны и облегчает согласование с трактом приемо-передачи.
Основным отличительным признаком заявляемой антенны от антенны-прототипа является профиль тороидальной линзы, а именно: многослойная полуокружность, образованная из окружностей разного диаметра отсечением нижних их частей части прямой горизонтальной линией, проходящей через центр окружности. В качестве активного антенного элемента применяется несимметричный излучатель - вибратор различной формы, в то время как в прототипе применен излучатель, состоящий из системы переключаемых излучателей, расположенных на фокальной окружности линзы.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана предложенная структура антенны на основе усеченного многослойного диэлектрического тороида, на фиг. 2 - вид сбоку полноазимутальной антенны на основе усеченного многослойного диэлектрического тороида, на фиг. 3 - поперечный разрез полноазимутальной антенны на основе усеченного многослойного диэлектрического тороида, на фиг. 4 - прохождение электромагнитной волны сквозь усеченный многослойный тороид.
Предложенная многослойная диэлектрическая тороидальная антенна представляет собой набор коаксиальных полукруглых осесимметричных диэлектрических элементов 1 переменной толщины и переменного диаметра, установленных на медной подложке 2 и образованных вращением вокруг вертикальной оси излучателя несимметричного вибратора 3, при этом набор коаксиальных диэлектрических элементов 1 установлен с зазорами 4 друг по отношению к другу. Диаметр и толщина стенок упомянутых элементов 1 определены в соответствии с распределением эффективной диэлектрической проницаемости, характерной для линзы Люнеберга цилиндрической формы. Толщина стенок диэлектрических элементов 1 линзы дискретно убывает от центра к периферии, а зазор 4 между стенками диэлектрических элементов 1 дискретно увеличивается. Медная подложка 2 выступает в роли области нулевого потенциала и участвует в формировании электромагнитного поля, а также уменьшает взаимное влияние металлических элементов крепежа.
Предложенная многослойная диэлектрическая тороидальная антенна работает следующим образом.
Электромагнитная волна на границе раздела двух сред «свободное пространство - однородный диэлектрик» преломляется и внутри однородного диэлектрика (усеченного тора) движется прямолинейно по новой траектории. Далее, на границе «однородный диэлектрик - свободное пространство, во внутренней полости тороида, вновь преломляется и распространяется вдоль другой прямой, под некоторым углом относительно предыдущей траектории. Размеры каждого слоя усеченного тороида подбираются таким образом, чтобы внутри полости линзы электромагнитная волна фокусировалась в одну точку, лежащую на вертикальной оси усеченного многослойного тороида, вдоль которой располагается несимметричный вибратор.
Таким образом, заявленное антенное устройство обеспечивает фокусировку электромагнитной волны при ее прохождении через тело линзы (фиг. 4). В предложенном антенном устройстве роль активного элемента играет несимметричный вибратор 3 различной формы.
Выбор конструктивных параметров несимметричного вибратора 3 зависит от выбора рабочего диапазона частот, что отражается и на требовании к размеру усеченного многослойного тороида.
Предложенное устройство может быть собрано на медной подложке, которая также является средством закрепления тороида в антенном устройстве.
Использование предложенного технического решения позволит создать многослойную диэлектрическую тороидальную антенну на основе усеченного многослойного диэлектрического тороида, применение которой позволит обеспечить полноазимутальный режим (360 градусов) излучения и приема сигналов с высоким коэффициентом усиления и реализует режим согласования с приемо-передающим трактом в широкой полосе частот, при значительном удешевлении стоимости ее изготовления.