ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
DIELECTRIC CONICAL RADIATOR

Изобретение относится к антенной технике микроволнового диапазона и может быть использовано в зондирующих устройствах диагностического оборудования при размерах объекта диагностики и диапазоне его перемещений в ближней и промежуточной области (область дифракции Френеля).
В этих условиях принципиально необходимо формирование излучения пучкового характера - волновых пучков гауссова (квазигауссова) типа, сохраняющего пучковые свойства в диапазоне перемещений объектов диагностики на расстояниях до десятков длин волн.
Наиболее перспективны для этих целей излучатели на основе диэлектрических волноведущих структур, торцы которых служат апертурой излучения, в связи с близостью амплитудного распределения волн волноведущей структуры гауссову распределению, описанные автором: Орехов Ю.И. Открытые волноводные и резонансные КВЧ устройства бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов в многокомпонентных средах, автореферат дисс.докт.техн.наук: 05.12.04-М.; МЭИ, 2007, 40 с.
Известны стержневые излучатели в виде усеченного конуса, возбуждаемые в одномодовом режиме со стороны большего сечения конуса, торец которого меньшего диаметра служит апертурой излучателя, описанные S.Kobayashi, R.Mittra, R.Lampe. Dielectric tapered-rod antennas for mm-wave applications. IEEE Trans. Antennas Propag., vol.AP-30, no.1, pp.54-58, Jan.,1982.
Такие излучатели предназначены для формирования осесимметричных диаграмм направленности в дальней зоне излучения. С точки зрения формирования излучения пучкового характера известные излучатели обладают недостатком - пучковые свойства излучения сохраняются только в непосредственной близости от апертуры, на расстояниях в единицы длин волн.
Известно рупорное антенное устройство, защищенное патентом РФ №2052876, кл. H01Q 13/02, опубл. 20.01.1996 г.
Рупорное антенное устройство состоит из полого металлического волновода круглого сечения, к одному концу которого присоединен полый металлический волновод в виде конического рупора и диэлектрического излучателя, выполненного в виде полого диэлектрического волновода круглого сечения, расположенного внутри полого металлического волновода и конического рупора, и диэлектрического рупора, расположенного внутри конического рупора. Диэлектрический рупор, угол раскрыва которого выбран равным углу раскрыва конического рупора, соединен с внешней поверхностью полого диэлектрического волновода круглого сечения в плоскости горловины конического рупора, при этом диаметр полого диэлектрического волновода круглого сечения выбран меньше диаметра раскрыва диэлектрического рупора в 1,8-2,2 раза, а длина выступающей части полого диэлектрического волновода круглого сечения относительно раскрыва диэлектрического рупора выбрана равной половине средней длины волны рабочего диапазона волн.
Недостатком известного диэлектрического излучателя является невозможность сформировать излучение в виде осесимметричного волнового пучка гауссова типа с требуемой шириной пучка, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн от апертуры излучателя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является диэлектрический конический излучатель, возбуждаемый со стороны его усеченной вершины одномодовым диэлектрическим волноводом, а основание конуса является излучающей апертурой, описанный авторами: Белов Ю.Г., Бударагин Р.В., Орехов Ю.И., Раевская Ю.В., Исследование антенной системы КВЧ-интерферометра, Антенны, изд-во «Радиотехника» №5, 2006, с.62-67.
Недостатками излучателя являются сохранение пучковых свойств расходящегося пучка на расстояниях не более единиц длин волн от апертуры и ограниченные возможности оптимизации амплитудного распределения волнового пучка (приближение к гауссову пучку) в связи с одномодовым режимом волн, распространяющихся в конусе излучателя.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в возможности излучения осесимметричного волнового пучка гауссова типа с требуемой шириной пучка, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн от апертуры излучателя.
0
Технический результат достигается тем, что в диэлектрическом коническом излучателе, возбуждаемом со стороны его усеченной вершины одномодовым диэлектрическим волноводом, а основание конуса является излучающей апертурой, угол наклона образующей конуса к его высоте должен быть не более 5°, а диаметр D основания конуса выбирается в зависимости от требуемой ширины d излучаемого волнового пучка на апертуре из соотношения
,
где λ - длина волны излучения и ε - относительная диэлектрическая проницаемость конуса, которая должна быть в пределах от 2,0 до 2,6, при этом минимальный диаметр основания конуса должен удовлетворять соотношению
,
а профиль направляющей конической поверхности от вершины до основания выполнен линейным.
На фиг.1 представлен диэлектрический конический излучатель, состоящий из возбуждающего одномодового диэлектрического волновода 1, плавно переходящий в сечении I в конус 2 с углом наклона образующей к его высоте α≤5°.
0
Диаметр основания конуса D (сечение II), а, следовательно, и усеченная высота конуса L, выбирается в зависимости от требуемой ширины излучаемого волнового пучка шириной d (по уровню 1/е) на основании конуса из соотношения
.
Профиль направляющей конической поверхности от вершины 0 конуса до основания - линейный.
Диэлектрический конический излучатель работает следующим образом.
11
Основная волна НЕ диэлектрического волновода 1 (фиг.1) распространяется в конической части 2 структуры, в силу плавности изменения сечения без изменения его симметрии.
Экспериментально при выборе угла α≤5° для излучателей, изготовленных из фторопласта-4 (ε=2,08) и полистирола (ε=2,56), достигается уровень излучения на резкой нерегулярности (сечение I фиг.1), практически не влияющий на амплитудное распределение излучаемого волнового пучка и отсутствие излучения с боковой поверхности конуса.
11
11
1n
По мере распространения волны НЕ в конической волноведущей структуре при возрастании поперечного сечения в силу плавной нерегулярности и симметрии поперечного сечения волноведущей структуры возможно частичное преобразование волны НЕ только в волны высшего типа HE, где n=3,5,…
11
11
13
13
11
13
При апертуре (основании конуса)  в конусе распространяется и излучается на апертуре только волна НЕ. В силу отличий амплитудного распределения волны НЕ от гауссова распределения, не удается оптимизировать гауссов пучок, сохраняющий свои свойства на расстояниях десятки длин волн. При  обеспечены условия возникновения волны НЕ и при коэффициентах возбуждения волны НЕ от 0,1 до 0,3 суммарное амплитудное распределение волн НЕ и НЕ практически совпадает с гауссовым пучком.
Это не противоречит теории нерегулярных открытых волноводов с медленно меняющимися параметрами и подтверждено экспериментальными исследованиями амплитудно-фазовых распределений (АФР) волновых пучков при диаметрах основания конуса (при α≤5°) в диапазоне от 6 мм до 30 мм при λ=3,2 мм и последующим разложением экспериментальных АФР в ряд Эрмито-Гауссовых пучков. При  в спектре Гауссова пучка преобладает гауссов пучок нулевого порядка, гауссовы пучки высших порядков практически не влияют на АФР пучка. При этом условии волновой пучок сохраняет свои свойства на расстояниях от апертуры до (30-40) λ.
Конический излучатель изготавливают на токарном станке с ЧТУ.
Таким образом, в предлагаемом диэлектрическом коническом излучателе реализована возможность излучения осесимметричного волнового пучка гауссова типа с требуемой шириной пучка, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн от апертуры излучателя.