СВЧ АНТЕННА С ФОКУСИРУЮЩЕЙ ЗОННОЙ ПЛАСТИНКОЙ

h01Q19/00
СВЧ антенна с фокусирующей зонной пластинкой
Полезная модель относится к антеннам с первичным излучающим элементом и плоской отражающей поверхностью и может быть использована для направленной передачи и приема СВЧ сигналов.
В СВЧ технике для направленной передачи и приема сигналов широко используются зеркальные антенны с рефлекторами в виде сегментов параболоидов вращения. Сферическая волна, исходящая от первичного излучающего элемента (облучателя), помещенного в фокус параболоида, трансформируется в плоскую волну, распространяющуюся на значительное расстояние с небольшой расходимостью. Выполнение параболоидов является сложным техническим процессом, а сам параболический сегмент в силу своей выпуклости представляет собой громоздкую конструкцию, трудную в транспортировке и  подверженную опасности деформации. В связи с этим представляет интерес переход от объемной конструкции СВЧ антенны к плоской конструкции. Известен ряд вариантов таких конструкций, один из которых - фазированная антенная решетка (Воскресенский Д. И., Гостюхин В. Л., Максимов В. М., Пономарёв Л. И. Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д. И. Воскресенского. Учебник. - 2-е изд. - Москва: МАИ, 1993), другой - зонированная антенна, в которой параболический сегмент расчленен на фрагменты, привязанные к одной плоскости (А.И. Амосова Диапазонные свойства зонированного рефлектора. - Журнал  радиоэлектроники № 1, 2008. - URL http://jre.cplire.ru/jre/jan08/2/text.html ).
К недостаткам ФАР относится сложность равнофазного разветвления сигнала, подводимого к составляющим решетку элементам, а также дополнительные потери, вызванные затуханием в системе разветвления и ненулевыми фазовыми ошибками. К недостаткам зонированных антенн относятся повышенная техническая сложность и сохранение объемного характера фрагментов параболического сегмента.
В значительной степени указанные недостатки преодолены  в антеннах на основе зонной пластинки, которая изначально применялась для фокусировки оптических волн. Оптическая зонная пластинка является плоской структурой с выделенными границами чередующихся зон Френеля, при этом все четные (или напротив нечетные) зоны зачернены. Сложение волн, исходящих только от четных (или нечетных) зон происходит преимущественно синфазно, что и придает пластинке фокусирующие свойства.
http://www.telesputnik.ru/archive/32.html
С развитием техники СВЧ в нее были, в частности, успешно перенесены принципы создания фокусирующих антенн на основе зонных пластинок. При этом наряду с пластинками, работающими на пропускание, применение нашли пластинки, работающие на отражение. Типичным примером служит СВЧ антенна на основе фокусирующей зонной пластинки, используемая для приема сигналов спутникового телевидения (В.А. Никитин, В.В. Пясецкий.  Зональная антенна Френеля.  , с. 68). Выбрана в качестве прототипа полезной модели.
n
Известная СВЧ антенна с фокусирующей зонной пластинкой содержит плоскую радиопрозрачную пластину с нанесенными на ее лицевой стороне проводящими областями, расположенными в одной плоскости, а также расположенный перед пластиной  облучатель. Согласно концепции Френеля, границы проводящих областей определяют таким образом, чтобы отраженные от указанных областей волны складывались в облучателе синфазно, с фазовой ошибкой в пределах ±π/2. При этих условиях зонная пластинка эквивалентна фокусирующему зеркалу. Выполнение фокусирующего зеркала СВЧ антенны в виде зонной пластинки повышает технологичность и компактность изделия. Известные СВЧ антенны на основе зонной пластинки, в частности, прототип, выполняют в виде прямофокусных зеркальных антенн. В них фокус и соответственно облучатель находятся на перпендикулярной оси, проходящей через центр отражателя. Границы проводящих областей (зон Френеля) представляют собой окружности, радиусы которых r определяют в соответствии с формулой
(1),
где λ - длина волны, f -  фокусное расстояние, n = 1, 2, 3 …
В декартовых координатах (x,y) границы областей определяются из соотношения
(2).
Недостатком прототипа является низкий коэффициент направленного действия (КНД), обусловленный тем, что половина площади пластины не используется. Кроме того, недостатком является неудобство пользования, связанное с необходимостью ориентации пластины перпендикулярно направлению на источник излучения. Например, для приема спутниковых сигналов антенна должна быть установлена с углом возвышения, зависящим от координат места установки, и ввиду этого является практически такой же громоздкой, как и прямофокусная антенна с параболическим рефлектором.
Техническим результатом полезной модели является увеличение КНД и повышение удобства применения по сравнению с прототипом. Указанный результат достигается тем, что в известной СВЧ антенне с фокусирующей зонной пластинкой, содержащей плоскую радиопрозрачную пластину с нанесенными на ее лицевой стороне проводящими областями, расположенными в одной плоскости, а также расположенный перед ней облучатель, отличие состоит в том, антенна выполнена по офсетной схеме с отклонением направления падающей волны от нормали к поверхности пластины на произвольный угол , на обратную сторону пластины нанесено сплошное проводящее покрытие, электрическая толщина пластины выбрана равной четверти рабочей длины волны , а границы проводящих областей в декартовых координатах (x,y) заданы соотношением
,\tab\tab(3)
где f - фокусное расстояние, n =1, 2, 3 …
Достижение технического результата поясняется следующим.
Выполнение антенны по офсетной схеме с произвольным углом отклонения направления падающей волы от нормали обеспечивает возможность ориентации  радиопрозрачной пластины в произвольной плоскости, удобной для закрепления, например, на поверхности стены или крыши, так что она не вносит изменений в экстерьер объекта, на котором располагается. При этих обстоятельствах антенна не испытывает ветровых нагрузок и, кроме того может быть окрашена в цвет фона. Таким образом, офсетная схема обеспечивает максимальное удобство применения антенны.
Нанесение на обратную сторону радиопрозрачной пластины сплошного проводящего покрытия обеспечивает увеличение КНД за счет суммирования отражений от указанного покрытия с отражениями от проводящих областей на лицевой стороне пластины. Благодаря этому увеличивается коэффициент использования площади пластины. Выбор толщины пластины равной четверти длины волны обеспечивает синфазное сложение волн, отражаемых проводящими областями на лицевой стороне и проводящим покрытием на обратной стороне пластины, тем самым КНД антенны в данной конфигурации увеличивается до максимального значения.
Определение границ проводящих областей из соотношения (3) обеспечивает соответствие их формы зонам Френеля, чем достигается фокусирующее действие зонной пластинки.
Полезная модель поясняется иллюстрациями фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен типичный внешний вид известной прямофокусной СВЧ антенны с фокусирующей зонной пластинкой. На фиг. 2 изображена предлагаемая СВЧ антенна с фокусирующей зонной пластинкой, выполненная по офсетной схеме. На фиг. 3 изображены границы зон Френеля, построенные для фокусирующей зонной пластинки с углом отклонения направления падающей волны от нормали к поверхности, составляющим 30°.
СВЧ антенна с фокусирующей зонной пластинкой (фиг. 2) содержит плоскую радиопрозрачную пластину 1 с нанесенными на ее лицевой стороне проводящими областями 2, расположенными в одной плоскости. Перед  пластиной 1 расположен облучатель 3. Антенна выполнена по офсетной схеме с отклонением направления падающей волны AO от нормали OB к поверхности пластины 1 на произвольный угол . На обратную сторону пластины 1 нанесено сплошное проводящее покрытие. Электрическая толщина пластины 1 выбрана равной четверти рабочей длины волны . Границы проводящих областей в декартовых координатах (x,y) определены из соотношения
,
где f - фокусное расстояние. Фазовый центр облучателя 3 совмещен с фокусом зонной пластинки F.
Антенна работает следующим образом. Приходящая по направлению AO волна испытывает дифракцию на проводящих областях 2 и проводящем покрытии 4, которые, по концепции Френеля, служат источниками вторичных волн. Проводящие области 2 и участки проводящего покрытия 4 в просветах между проводящими областями 2 соответствуют четным и нечетным зонам Френеля. Благодаря тому, что электрическая толщина пластины 1 составляет четверть длины волны, суммарная задержка волн в ней при отражении от проводящего покрытия 4 составляет половину периода. Этим обеспечивается синфазное сложение в фокусе F вторичных волн от четных и нечетных зон Френеля, а, следовательно, увеличение КНД за счет полного использования площади пластины 1. Электрическая толщина пластины 1 равна произведению физической толщины на квадратный корень из диэлектрической проницаемости радиопрозрачного материала, из которого выполнена пластина. Границы зон Френеля по формуле (3) определены из условий кратности фазовых расстояний между фокусом и фронтом падающей волны величине . При этих условиях вторичные волны в пределах каждой зоны различаются по фазе не более чем на половину периода, что соответствует максимуму их суммарной амплитуды. Геометрически границы имеют эллиптическую форму. В частности при =0 эллипсы вырождаются в окружности, формула (3) переходит в формулу (2), антенна становится прямофокусной. Возможность произвольного выбора угла  позволяет ориентировать пластину 1 наиболее удобным образом, например, монтировать ее вплотную на вертикальную, горизонтальную или наклонную поверхность (стену, крышу и т.п.), что в значительной степени повышает удобство применения: снижает ветровую нагрузку, сохраняет внешний вид, особенно при окрашивании под фон.
Испытания подтвердили промышленную применимость полезной модели в соответствии с формулой изобретения. Экспериментальный образец СВЧ антенны с фокусирующей зонной пластинкой испытан в диапазоне длин волн 12,5 мм (частота 25 ГГц). В качестве материала для радиопрозрачной пластины был выбран металлизированный с двух сторон ФЛАН-10 с диэлектрической проницаемостью ε=10. Толщина материала составляла 1 мм, что соответствовало электрической толщине пластины порядка четверти длины волны для диапазона 25 ГГц. Угол  составлял 30°, размеры пластины 200х160 мм. Границы зон определялись по формуле (3) для фокусного расстояния 100 мм. Эскиз лицевой стороны зонной пластинки с границами проводящих областей приведен на фиг. 3. Металлизация на четных зонах удаляется. Координатная ось «y» располагается в плоскости AOF фиг. 2. Облучатель 3, помещаемый в фокусе F, представляет собой волноводный раскрыв конической формы, плавно переходящий в прямоугольный волновод. Измерение КНД офсетной СВЧ антенны с фокусирующей зонной пластинкой проводилось методом сравнения с коническим рупором диаметром 80 мм и длиной образующей 180 мм, а также с прямофокусной зеркальной параболической антенной диаметром 160 мм. Для этих антенн существуют достоверные методики расчета КНД [Родионов В. М. Линии передач и антенны СВЧ. Сборник номограмм. М.: Сов. радио, 1965. - 119 с.]. Согласно этим методикам конический рупор вышеуказанных размеров имеет КНД порядка 24 дБ, а параболическая антенна - порядка 30 дБ. Полученные сравнительные результаты свидетельствуют, что предложенная антенна имеет КНД порядка 28 дБ при ширине диаграммы направленности порядка 3°. При практически равных размерах апертуры с параболической антенной предложенная антенна проигрывает ей в КНД не более чем на 2 дБ. Для сравнения можно упомянуть пирамидальный рупор с таким же раскрывом, который при той же величине КНД 28 дБ должен иметь длину 600 мм. Полоса пропускания предложенной антенны по уровню -1 дБ составила 10%. Это свидетельствует об относительно малой критичности к точности выполнения антенны для конкретной частоты, как в отношении геометрии проводящих областей, так и в отношении толщины радиопрозрачной пластины.
Предложенная полезная модель может найти применение в радиосистемах с повышенными требованиями к надежности и механической устойчивости, в частности, в длинноволновой части диапазона. В отличие от параболических рефлекторов зонированный офсетный рефлектор может быть прикреплен к несущей поверхности по всей своей площади. Частным случаем радиопрозрачного материала можно считать воздух . В этом случае проводящими поверхностями могут служить металлические сетки или металлизированные пленки, натянутые на каркас типа обруча или рамы.