РЕФЛЕКТОРНАЯ АНТЕННА ФРЕНЕЛЯ
FRESNEL REFLECTOR ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в радиолокационных станциях различного назначения, станциях радиосвязи, использующих два далеко разнесенных частотных диапазона, например сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн.
Известна малозаметная СВЧ антенна, состоящая из плоского отражателя с пазами квадратного сечения различной глубины и первичного облучателя (Журнал «Информация и безопасность», 2005 г., №2 стр.161÷163). Недостатками такой антенны являются работа только на одной фиксированной частоте и большая трудоемкость изготовления, обусловленная механообработкой большого количества пазов и необходимостью выполнения пазов с высокой точностью.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой антенне является рефлекторная антенна Френеля (Патент Германии №DE 3801301 А1, H01Q 15/23), выбранная в качестве прототипа.
Антенна-прототип содержит зонную поверхность, образованную последовательно расположенными непрозрачными (отражающими) и прозрачными (пропускающими) для электромагнитной волны кольцевыми зонами, ограниченными концентрическими окружностями, радиусы которых определяются из соотношения
<mrow><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>*</mo><mi>f</mi><mo>*</mo><mi>n</mi><mo>*</mo><mfrac><mi>λ</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>*</mo><mfrac><mi>λ</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
n
д
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
где r - радиус n-й окружности, f - фокусное расстояние, λ - рабочая длина волны в свободном пространстве, при этом зонная поверхность расположена на одной стороне диэлектрического слоя толщиной приблизительно
, где λ - длина волны в диэлектрическом слое, на другой стороне которого расположен металлический экран, на фокусном расстоянии f расположен первичный облучатель, формирующий сферический фронт электромагнитной волны в направлении на зонную поверхность.
Недостатком прототипа является невозможность его работы на двух существенно разнесенных частотных диапазонах.
Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в возможности работы рефлекторной антенны Френеля в двух существенно разнесенных частотных диапазонах волн (например, в сантиметровом и коротковолновой части миллиметрового диапазонов волн) при использовании одного излучающего раскрыва и в обеспечении в обоих частотных диапазонах волн характеристик диаграмм направленности, близких к предельным.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>д</mi><mtext> </mtext><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>д</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
д
дв
дн
Указанный технический результат достигается тем, что в рефлекторную антенну Френеля, содержащую так же, как и прототип, первичный облучатель, зонную поверхность, состоящую из непрозрачных (отражающих) и прозрачных (пропускающих) кольцевых зон, диэлектрический слои толщиной равной приблизительно
, где λ - длина волны в диэлектрическом слое, и металлический экран, в отличие от прототипа первичный облучатель формирует сферические электромагнитные волны на двух существенно разнесенных частотных диапазонах волн, причем направление векторов электрического поля для нижней
и для верхней
разнесенных частот ортогонально, введен второй диэлектрический слой, при этом толщина первого диэлектрического слоя равна приблизительно
, где λ - длина волны в диэлектрическом слое, соответствующая верхней рабочей частоте, толщина второго диэлектрического слоя равна приблизительно
, где λ - длина волны в диэлектрическом слое, соответствующая нижней рабочей частоте, в зонную поверхность, расположенную на стороне первого диэлектрического слоя, облучаемой сферической электромагнитной волной, излучаемой первичным облучателем, дополнительно введены полупрозрачные кольцевые зоны, состоящие из набора параллельных проводников и ограниченных концентрическими окружностями, причем общее количество непрозрачных (отражающих), полупрозрачных и прозрачных (пропускающих) кольцевых зон и их ширина (разность радиусов соседних концентрических окружностей) равны количеству и ширине кольцевых зон, определенных для верхней рабочей частоты, при этом одна часть полупрозрачных кольцевых зон имеет направление проводников, совпадающее с направлением вектора
сферической электромагнитной волны нижней рабочей частоты, другая часть полупрозрачных кольцевых зон имеет направление проводников, совпадающее с направлением вектора
сферической электромагнитной волны верхней рабочей частоты, на другой стороне первого диэлектрического слоя установлена полупрозрачная решетка, образованная набором параллельно расположенных проводников, причем направление проводников полупрозрачной решетки совпадает с направлением вектора
электромагнитной волны, излучаемой первичным облучателем верхней рабочей частоты, между полупрозрачной решеткой и экраном расположен второй диэлектрический слой.
Из известного уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого технического решения.
Поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
Фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемой рефлекторной антенны Френеля для случая, когда вектор электрического поля
имеет горизонтальную поляризацию,
- вертикальную,
Фиг.2 представлено схематическое изображение зонной поверхности прототипа для нижней рабочей частоты,
Фиг.3 представлено схематическое изображение зонной поверхности прототипа для верхней рабочей частоты,
Фиг.4а приведены расчетные диаграммы направленности в Н-плоскости при работе рефлекторной антенны Френеля на нижней частоте рабочего диапазона волн прототипа (зеленая линия) и предлагаемого устройства (красная линия),
Фиг.4б приведены расчетные диаграммы направленности в Е-плоскости при работе рефлекторной антенны Френеля на нижней частоте рабочего диапазона волн прототипа (зеленая линия) и предлагаемого устройства (красная линия),
Фиг.5а приведены расчетные диаграммы направленности в Н- плоскости при работе рефлекторной антенны Френеля на верхней частоте рабочего диапазона волн - прототипа (зеленая линия) и предлагаемого устройства (красная линия),
Фиг.5б приведены расчетные диаграммы направленности в Е-плоскости при работе рефлекторной антенны Френеля на верхней частоте рабочего диапазона волн прототипа (зеленая линия) и предлагаемого устройства (красная линия).
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>д</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>д</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
дв
2
дн
Предлагаемая рефлекторная антенна Френеля (Фиг.1) содержит первичный облучатель 1, формирующий сферические электромагнитные волны на двух существенно разнесенных частотных диапазонах волн, причем направление векторов электрического поля для нижней
и для верхней
рабочих частот ортогонально, зонную поверхность 2, образованную набором непрозрачных (отражающих) кольцевых зон 7, 9, 11, 13, 15, полупрозрачных кольцевых зон 8, 10, 12, 14, 16, 17, 19, 21 и прозрачных (пропускающих) кольцевых зон 18, 20, 22, причем направление проводников полупрозрачных кольцевых зон 8, 10, 12, 14, 16 совпадает с направлением вектора электрического поля
для нижней рабочей частоты, а направление проводников полупрозрачных зон 17,19,21 совпадает с направлением вектора электрического поля
для верхней рабочей частоты, при этом общее количество зон равно количеству кольцевых зон, определенных для верхней рабочей частоты, и расположенную на стороне диэлектрического слоя 3, облучаемой сферической электромагнитной волной, излучаемой первичным облучателем 1, толщиной приблизительно равной
, где λ - длина волны в диэлектрике, соответствующая верхней рабочей частоте, на другой стороне диэлектрического слоя 3 расположена полупрозрачная решетка 4, состоящая из набора параллельно расположенных проводников, причем направление проводников полупрозрачной решетки 4 совпадает с направлением вектора
излучаемой первичным облучателем 1 электромагнитной волны, соответствующей верхней рабочей частоте, второй диэлектрический слой 5, расположенный между полупрозрачной решеткой 4 и металлическим экраном 6, при этом толщина h диэлектрического слоя 5 равна приблизительно
, где λ - длина волны в диэлектрике, соответствующая нижней рабочей частоте.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
1
2
1
Предлагаемая рефлекторная антенна Френеля работает следующим образом. При падении сферической электромагнитной волны от расположенного в фокусе О первичного облучателя 1 на нижней рабочей частоте (например, сантиметрового диапазона) с линейной, например горизонтальной, поляризацией вектора электрического поля
на зонную поверхность 2 (Фиг.1) полупрозрачные кольцевые зоны 8, 10, 12, 14, 16, направление проводников которых совпадает с направлением поляризации вектора
, работают в режиме почти полного отражения падающей электромагнитной волны [3] и создают с непрозрачными кольцевыми зонами 7, 9, 11, 13, 15 суммарную непрозрачную (отражающую) кольцевую зону, ограниченную радиусом R (Фиг.2), соответствующую размеру первой зоны Френеля для нижней рабочей частоты, при этом падающая электромагнитная волна отражается в сторону первичного облучателя 1, полупрозрачные кольцевые зоны 17, 19, 21, направление проводников которых ортогонально направлению вектора
, работают в режиме почти полного пропускания падающей электромагнитной волны [3] и создают совместно с прозрачными кольцевыми зонами 18, 20, 22 единую прозрачную кольцевую зону, шириной зоны равной R-R, размер которой соответствует размеру второй зоны Френеля для нижней рабочей частоты (Фиг.2), при этом падающая электромагнитная волна проходит через радиопрозрачные кольцевые зоны 18, 20, 22, радиопрозрачные части периода Т расположения проводников кольцевых зон 17, 19, 21 равными T-W, где W - ширина проводников кольцевых зон 17, 19, 21, диэлектрический слой 3, полупрозрачный экран 4, диэлектрический слой 5, падает на экран 6, отражается от экрана 6 и проходит в обратном направлении через диэлектрический слой 5, полупрозрачную решетку 4, диэлектрический слой 3, кольцевые зоны 17, 18, 19, 20, 21, 22 и излучается в сторону первичного облучателя 1 с отставанием по фазе почти на 180° относительно отраженной волны от кольцевых зон 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, при этом падающий на зонную поверхность 2 сферический фронт электромагнитной волны преобразуется в отраженный плоский фронт, формируя, тем самым, диаграмму направленности на нижней рабочей частоте.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
1
2
1
15
16
При работе предлагаемой рефлекторной антенны Френеля на верхней рабочей частоте (например, в миллиметровом диапазоне волн) сферическая электромагнитная волна с вертикальной поляризацией вектора электромагнитного поля
излучаемая первичным облучателем 1, падает на зонную поверхность 2, при этом полупрозрачные кольцевые зоны 8, 10, 12, 14, 16, направление проводников которых ортогонально направлению вектора
падающей электромагнитной волны, работают в режиме радиопрозрачности, а полупрозрачные кольцевые зоны 17, 19, 21 и полупрозрачная решетка 4, имеющие направление проводников ,совпадающее с направлением вектора
, работают в режиме отражения падающей электромагнитной волны, при этом совместно с непрозрачными (отражающими) кольцевыми зонами 7, 9, 11, 13, 15 и прозрачными кольцевыми зонами 18, 20, 22 создается зонная поверхность из последовательно расположенных отражающих и радиопрозрачных кольцевых зон (Фиг.3), ширина r; r-r, … r-r которых соответствует размерам, определенным для верхней рабочей частоты, причем одна часть падающей электромагнитной волны отражается от кольцевых зон 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21 в сторону первичного облучателя, другая часть проходит через кольцевые зоны 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, диэлектрический слой 3, отражается от полупрозрачной решетки 4 и проходит в обратном направлении через диэлектрический слой 3, кольцевые зоны 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 и излучается также в сторону первичного облучателя 1, при этом между отраженными полями соседних кольцевых зон создается разность фаз равная ~ 180°, и падающий на зонную поверхность 2 (Фиг.1) сферический фронт электромагнитной волны преобразуется в отраженный плоский фронт, формируя диаграмму направленности рефлекторной антенны Френеля на верхней рабочей частоте.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>н</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover><mi>в</mi></msub></mrow>
При необходимости создания предлагаемой рефлекторной антенны Френеля с формированием диаграмм направленности на нижней частоте с вертикальной поляризации вектора
и, соответственно, с горизонтальной поляризацией вектора
на верхней частоте, проводники полупрозрачных кольцевых зон 8, 10, 12, 14, 16 должны иметь вертикальную ориентацию, а проводники полупрозрачных кольцевых зон 17, 19, 21 и полупрозрачной решетки 4 должны быть ориентированы горизонтально, при этом принцип действия антенны будет аналогичен описанному выше.
<mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover>
Вычислительный эксперимент, проведенный с заявленной рефлекторной антенной Френеля, обеспечивающей формирование диаграмм направленности на нижней рабочей частоте равной 9,375 ГГц (трехсантиметровый диапазон волн), и на верхней рабочей частоте равной 93,75 ГГц (трехмиллиметровый диапазон волн), с диаметром зонной поверхности 150 мм, фокусным расстоянием - f=100 мм, и поляризацией вектора электрического поля
сферической электромагнитной волны, излучаемой первичным облучателем, для частоты 9,375 ГГц - горизонтальной, для частоты 93,75 ГГц - вертикальной, показал следующее:
- при работе рефлекторной антенны Френеля (Фиг.1) на частоте 9,375 ГГц диаграммы направленности в Е и Н плоскостях (красные линии) (Фиг.4а, б) заявленной антенны в области главного луча практически совпадают с диаграммами направленности, соответственно, в Е и Н плоскостях (зеленые линии) прототипа, соответствующего случаю Фиг.2. Отличия в диаграммах направленности наблюдаются только в области боковых лепестков на уровне ниже -14 дБ,
- при работе рефлекторной антенны Френеля (Фиг.1) на частоте 93,75 ГГц диаграммы направленности в Е и Н плоскостях (красные линии Фиг.5а, б) заявленной антенны в области главного луча совпадают с диаграммами направленности, соответственно, в Е и Н плоскостях (зеленные линии Фиг.5а, б) прототипа, соответствующего случаю Фиг.3. Отличия имеют место в области боковых лепестков на уровне ниже -22 дБ
Таким образом, технический результат от использования заявленной рефлекторной антенны Френеля по сравнению с прототипом заключается в обеспечении ее работы в двух существенно разнесенных частотных диапазонах волн при использовании одного излучающего раскрыва, при этом достигаются значения высокочастотных характеристик, близких к предельным.
Источники информации
1. Журнал «Информация и безопасность» ,2005 г., №2 стр.161÷163.
2. Патент Германии №DE 3801301 А1, H01Q 15/23 - прототип.
3. В.П. Шестопалов, А.А. Кириленко и др. «Резонансное рассеяние волн», том.1 «Дифракционные решетки», изд-во «Наукова думка», г.Киев 1985 г., стр.39, 58.