RU2236727C1 - Conically scanning antenna (alternatives) - Google Patents
Conically scanning antenna (alternatives) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2236727C1 RU2236727C1 RU2003109479/09A RU2003109479A RU2236727C1 RU 2236727 C1 RU2236727 C1 RU 2236727C1 RU 2003109479/09 A RU2003109479/09 A RU 2003109479/09A RU 2003109479 A RU2003109479 A RU 2003109479A RU 2236727 C1 RU2236727 C1 RU 2236727C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hemisphere
- irradiator
- phase
- sections
- parabolic mirror
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к радиотехнике преимущественно сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн, а именно к СВЧ-антеннам с коническим сканированием диаграммы направленности (ДН), используемым в пассивных и активных системах автоматического сопровождения объектов по угловым координатам. Примером таких систем являются активные и пассивные головки самонаведения (ГСН), системы автосопровождения геостационарных телевизионных спутников по излучению транспондеров, установленные на подвижной платформе (палуба корабля, поезд и др.)The invention relates to radio engineering mainly centimeter and millimeter wavelength ranges, and in particular to microwave antennas with conical scanning of the radiation pattern (DD) used in passive and active systems for automatically tracking objects in angular coordinates. An example of such systems are active and passive homing heads (GOS), auto-tracking systems for geostationary television satellites by transponder radiation, mounted on a moving platform (ship deck, train, etc.)
Уровень техникиState of the art
Известны конструкции антенн с коническим сканированием ДН /1, 2, 3, 4/. Особенностью этих антенн является наличие в них вращающейся части или устройства, которое обеспечивает вращение вокруг оси антенны действительного или виртуального фазового центра облучателя. В зависимости от того, какая часть антенны вращается, можно условно поделить известные конструкции на категории, показанные в таблице. В первой категории антенн вращающейся частью является контррефлектор той или иной формы, наклон которого относительно оси антенны отличается от прямого угла, а облучатель и параболическое зеркало неподвижны. В следующих двух категориях антенн вращается облучатель самостоятельно либо вместе с контррефлектором при неподвижных остальных частях.Known designs of antennas with conical scanning DN / 1, 2, 3, 4 /. A feature of these antennas is the presence in them of a rotating part or device that provides rotation around the axis of the antenna of the actual or virtual phase center of the irradiator. Depending on which part of the antenna rotates, it is possible to conditionally divide known designs into categories shown in the table. In the first category of antennas, the rotating part is a counter-reflector of one form or another, the slope of which relative to the axis of the antenna differs from the right angle, and the irradiator and parabolic mirror are stationary. In the following two categories of antennas, the irradiator rotates independently or together with the counter-reflector with the remaining parts stationary.
Недостатком второй и третьей категорий является то обстоятельство, что вращение облучателя сопряжено с таким конструктивным усложнением антенны, как использование волноводных вращающихся соединений. Необходимость их использования связана с тем, что вместе с облучателем вращается часть волновода, подводящего к нему (отводящего от него) СВЧ-энергию, и для перехода к неподвижному волноводу, входящему в состав последующей аппаратуры, требуется вращающееся соединение. Помимо определенной конструктивной сложности, вращающиеся соединения характеризуются узкой полосой пропускания, которая достаточна для РЛС, но недостаточна, например, для приема программ с телевизионных спутников, занимающих 20-процентную полосу частот (см. таблицу).The disadvantage of the second and third categories is the fact that the rotation of the irradiator is associated with such a constructive complication of the antenna as the use of waveguide rotating joints. The need for their use is due to the fact that part of the waveguide that delivers microwave energy to it (removes from it) rotates with the irradiator, and a rotating connection is required to go to the stationary waveguide, which is part of the subsequent equipment. In addition to a certain structural complexity, rotating connections are characterized by a narrow bandwidth, which is sufficient for the radar, but insufficient, for example, to receive programs from television satellites occupying a 20 percent frequency band (see table).
Из таблицы видно, что в первых трех категориях антенн с коническим сканированием присутствует контррефлектор, что также является недостатком указанных антенн. Во-первых, диаметры контррефлекторов зависят от диаметра параболического зеркала, составляют 1/7-1/8 часть от последнего; такое затенение зеркала приводит к снижению коэффициента использования площади антенны (КИП) на 6-7% по сравнению с антенной с незатененным зеркалом /5/. Во-вторых, контррефлектор, как всякое металлическое зеркало, вносит дополнительные потери полезного сигнала сверх тех неизбежных потерь, которые имеют место при отражении СВЧ-волны от параболического зеркала. Имеются в виду не резистивные потери, а потери, связанные с преобразованием вида поляризации поля волны при отражении от металла. Известно /6/, что при таком отражении скачкообразно изменяется разность фаз Δ двух ортогональных составляющих вектора электрического поля волны, падающей на металл под углом падения θ. Разность Δ в отраженной волне принимает в зависимости от угла θ все значения от π до 0, включая значение π/2. Поэтому всегда, кроме случаев, когда угол θ равен π или 0, при отражении от металла в той или иной степени меняется вид поляризации. Например, линейная поляризация преобразуется в эллиптическую, т.е. возникает кроссполяризация, ослабляющая полезный сигнал. Степень эллиптичности или уровень кроссполяризации зависит, кроме угла θ, от азимутального угла α между плоскостью падения и направлением линейной поляризации в падающей волне. Угол α зависит от формы контррефлектора и направления прихода падающей волны. В худшем случае, когда θ=75° (при этом разность Δ в отраженной волне равна π/2) и α=45°, линейная поляризация преобразуется в круговую, кроссполяризация становится 100-процентной и полезный сигнал падает по мощности вдвое. Условие α=45° выполняется всегда, но не по всей поверхности осесимметричного контррефлектора, а в четырех его секторах, расположенных в виде креста с центром на оси. Условие θ=75° обычно не выполняется; угол θ зависит от геометрии контррефлектора и достигает наибольшего среди известных конструкций значения порядка 67° в случае плоского дискообразного контррефлектора. Можно считать, что потери сигнала за счет скачка разности фаз Δ при отражении от контррефлекторов разной конструкции составляет величину порядка 0,5-2 дБ.The table shows that in the first three categories of antennas with conical scanning there is a counter-reflector, which is also a disadvantage of these antennas. Firstly, the diameters of the counterreflectors depend on the diameter of the parabolic mirror, amounting to 1 / 7-1 / 8 of the latter; such shading of the mirror leads to a decrease in the antenna area utilization coefficient (IQF) by 6-7% compared to an antenna with an unshaded mirror / 5 /. Secondly, the counterreflector, like any metal mirror, introduces additional losses of the useful signal beyond those inevitable losses that occur when a microwave wave is reflected from a parabolic mirror. These are not resistive losses, but losses associated with the transformation of the form of polarization of the wave field upon reflection from the metal. It is known / 6 / that with this reflection, the phase difference Δ of the two orthogonal components of the vector of the electric field of the wave incident on the metal at the angle of incidence θ changes abruptly. The difference Δ in the reflected wave, depending on the angle θ, takes all values from π to 0, including the value of π / 2. Therefore, always, except when the angle θ is π or 0, when reflected from the metal, the form of polarization changes to one degree or another. For example, linear polarization is converted to elliptical, i.e. cross-polarization occurs, weakening the useful signal. The degree of ellipticity or the level of cross-polarization depends, except for the angle θ, on the azimuthal angle α between the plane of incidence and the direction of linear polarization in the incident wave. The angle α depends on the shape of the counterreflector and the direction of arrival of the incident wave. In the worst case, when θ = 75 ° (in this case, the difference Δ in the reflected wave is π / 2) and α = 45 °, the linear polarization is converted to circular, the cross-polarization becomes 100 percent and the useful signal halves in power. The condition α = 45 ° is always satisfied, but not over the entire surface of the axisymmetric counterreflector, but in its four sectors, arranged in the form of a cross centered on the axis. The condition θ = 75 ° is usually not satisfied; the angle θ depends on the geometry of the counterreflector and reaches the highest value among the known structures of the order of 67 ° in the case of a flat disk-shaped counterreflector. We can assume that the signal loss due to a jump in the phase difference Δ when reflected from counterreflectors of different designs is about 0.5-2 dB.
Антенна с коническим сканированием, отнесенная в таблице к четвертой категории, является прямым прототипом настоящего изобретения. В прототипе основные части антенны - облучатель, контррефлектор и параболическое зеркало остаются при сканировании неподвижными, а вращается фазосдвигающее устройство в виде диэлектрической призмы, расположенной в непосредственной близости от раскрыва рупора. Призма, имея переменную толщину вдоль раскрыва рупора, вносит в разные части волны разные сдвиги фазы, благодаря чему прошедшая через призму волна отклоняется от оси рупора на некоторый угол. Вращение призмы вокруг оси облучателя приводит к вращению вокруг этой оси отклоненного пучка, т.е. к коническому сканированию. Для того чтобы призма работала в параллельном пучке, в раскрыве рупора устанавливается фокусирующая линза, фокус которой совмещается с фазовым центром рупора. Эта антенна не требует использования вращающегося соединения и, кроме того, менее громоздка, чем антенны второй и третьей категорий.The conical scanning antenna, referred to in the fourth category in the table, is a direct prototype of the present invention. In the prototype, the main parts of the antenna — the irradiator, counterreflector, and parabolic mirror — remain motionless during scanning, and the phase-shifting device rotates in the form of a dielectric prism located in the immediate vicinity of the mouth of the horn. The prism, having a variable thickness along the mouth of the horn, introduces different phase shifts into different parts of the wave, so that the wave passing through the prism deviates from the axis of the horn by a certain angle. The rotation of the prism around the axis of the irradiator leads to the rotation of the deflected beam around this axis, i.e. to conical scanning. In order for the prism to work in a parallel beam, a focusing lens is installed in the mouth of the horn, the focus of which is aligned with the phase center of the horn. This antenna does not require the use of a rotating connection and, in addition, is less bulky than the antennas of the second and third categories.
Однако прототипу также свойственны рассмотренные выше недостатки, связанные с присутствием металлического контррефлектора с повышенным затенением параболического зеркала и с дополнительной потерей сигнала за счет кроссполяризации. Кроме того, в прототипе при сканировании имеет место либо перелив волны через края контррефлектора, либо при более узком пучке и отсутствии перелива - неэффективное использование площади параболического зеркала. Наконец, большое сомнение вызывает то обстоятельство, что в прототипе не учитывается факт расположения призмы в ближней зоне апертуры рупора, когда поведение волны при прохождении призмы нельзя рассматривать без учета граничных условий и дифракционных явлений.However, the prototype is also characterized by the disadvantages discussed above associated with the presence of a metal counterreflector with increased shading of the parabolic mirror and with additional signal loss due to cross-polarization. In addition, in the prototype during scanning, either a wave overflows over the edges of the counterreflector, or with a narrower beam and the absence of overflow - inefficient use of the area of the parabolic mirror. Finally, there is great doubt that the prototype does not take into account the fact that the prism is located in the near zone of the horn aperture, when the wave behavior during the passage of the prism cannot be considered without taking into account the boundary conditions and diffraction phenomena.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей изобретения является создание антенны, в которой вращающееся фазосдвигающее устройство, обеспечивающее коническое сканирование, отвечает следующим требованиям: во-первых, устройство широкополосно, работает во всей полосе облучателя и подводящего волновода и не требует применения вращающегося соединения; во-вторых, фазосдвигающее устройство и его расположение в антенне исключают дополнительные потери полезного сигнала, связанные с отражением волн от металлического контррефлектора; в-третьих, устройство меньше затеняет параболическое зеркало по сравнению с антенной, в которой используется контррефлектор; в-четвертых, устройство располагается на расстоянии от облучателя, достаточном, чтобы пренебрегать влиянием граничных условий и дифракционных явлений.The objective of the invention is to provide an antenna in which a rotating phase-shifting device providing conical scanning meets the following requirements: firstly, the device is broadband, operates in the entire band of the irradiator and the input waveguide and does not require the use of a rotating connection; secondly, the phase-shifting device and its location in the antenna eliminate the additional loss of the useful signal associated with the reflection of waves from a metal counterreflector; thirdly, the device shades the parabolic mirror less than the antenna, which uses a counter-reflector; fourthly, the device is located at a distance from the irradiator, sufficient to neglect the influence of boundary conditions and diffraction phenomena.
В первом варианте изобретения предлагается антенна с коническим сканированием диаграммы направленности, содержащая параболическое зеркало, облучатель в виде рупора и расположенное на одной оси с ним фазосдвигающее устройство из радиопрозрачного диэлектрического материала, выполненное с возможностью вращения вокруг этой оси. Фазосдвигающее устройство установлено между облучателем и параболическим зеркалом и выполнено в виде обращенной вогнутой стороной к облучателю полусферы, которая содержит, по крайней мере, пять рабочих секций разной радиальной толщины и две нерабочие секции, образующие основание полусферы. Секции соединены между собой боковыми гранями, образованными рассечением полусферы меридиональными плоскостями, проходящими под заданными углами к оси облучателя и через центр полусферы, совпадающий с фазовым центром - центром облучателя. Радиальные толщины hj рабочих секций выбраны из условийIn a first embodiment of the invention, there is provided an antenna with a conical scanning of a radiation pattern comprising a parabolic mirror, a feed in the form of a horn and a phase-shifting device made of radio-transparent dielectric material located on the same axis as rotational about this axis. A phase-shifting device is installed between the irradiator and the parabolic mirror and is made in the form of a hemisphere facing the irradiator with a concave side, which contains at least five working sections of different radial thickness and two inactive sections forming the hemisphere base. The sections are interconnected by lateral faces formed by the dissection of the hemisphere by meridional planes passing at given angles to the axis of the irradiator and through the center of the hemisphere, which coincides with the phase center - the center of the irradiator. The radial thickness h j of the working sections are selected from the conditions
hj=jγλ/16(n-1)+δh, j=N-1, γ=1-1,2,h j = jγλ / 16 (n-1) + δh, j = N-1, γ = 1-1,2,
где N - порядковый номер рабочих диэлектрических секций фазосдвигающего устройства, γ - параметр, зависящий от заданного угла при вершине конуса сканирования, λ - длина волны, n - показатель преломления диэлектрика, δh - радиальная толщина секции с N=1.where N is the serial number of the working dielectric sections of the phase shifter, γ is the parameter depending on the given angle at the top of the scan cone, λ is the wavelength, n is the refractive index of the dielectric, and δh is the radial thickness of the section with N = 1.
Во втором варианте изобретения предлагается антенна с коническим сканированием, содержащая параболическое зеркало, облучатель в виде рупора и расположенное на одной оси с ним фазосдвигающее устройство из радиопрозрачного диэлектрического материала, выполненное с возможностью вращения вокруг этой оси. Фазосдвигающее устройство установлено между облучателем и параболическим зеркалом и выполнено в виде обращенной вогнутой стороной к облучателю полусферы, которая содержит, по крайней мере, пять рабочих секций разной радиальной толщины и две нерабочие секции, образующие основание полусферы. Секции соединены между собой боковыми гранями, образованными рассечением полусферы меридиональными плоскостями, проходящими под заданными углами к оси облучателя и через центр полусферы, совпадающий с фазовым центром облучателя. Радиальные толщины hj рабочих секций выбраны из условийIn a second embodiment of the invention, there is provided a conical scanning antenna comprising a parabolic mirror, a feed in the form of a horn and a phase-shifting device made of radio-transparent dielectric material located on the same axis as rotatable around this axis. A phase-shifting device is installed between the irradiator and the parabolic mirror and is made in the form of a hemisphere facing the irradiator with a concave side, which contains at least five working sections of different radial thickness and two inactive sections forming the hemisphere base. The sections are interconnected by lateral faces formed by dissecting a hemisphere by meridional planes passing at given angles to the axis of the irradiator and through the center of the hemisphere, which coincides with the phase center of the irradiator. The radial thickness h j of the working sections are selected from the conditions
hj=jγλ/16(n-1), j=N-1, γ-1-1,2,h j = jγλ / 16 (n-1), j = N-1, γ-1-1,2,
где N - порядковый номер рабочих диэлектрических секций фазосдвигающего устройства, γ - параметр, зависящий от заданного угла при вершине конуса сканирования, λ - длина волны, n - показатель преломления диэлектрика, причем незаполненная диэлектриком часть полусферы, расположенная между рабочей секцией с N=2 и близлежащей нерабочей секцией, закрыта тонкой влаго- и пылезащитной пленкой толщиной 0,1-0,15 мм. В таком исполнении секция с N=1 имеет форму поверхности, отличную от сферической; однако это обстоятельство не влияет на ДН антенны благодаря ничтожно малому фазовому сдвигу сферической волны, производимому тонкой диэлектрической пленкой.where N is the serial number of the working dielectric sections of the phase shifter, γ is the parameter depending on the given angle at the top of the scan cone, λ is the wavelength, n is the refractive index of the dielectric, and the part of the hemisphere unfilled by the dielectric located between the working section with N = 2 and nearby non-working section, closed with a thin moisture and dust-proof film 0.1-0.15 mm thick. In this embodiment, the section with N = 1 has a surface shape different from spherical; however, this circumstance does not affect the antenna beam due to the negligible phase shift of the spherical wave produced by a thin dielectric film.
При этом в обоих вариантах изобретения оси параболического зеркала, фазосдвигающего устройства и облучателя совпадают и образуют общую ось антенны либо общая ось облучателя и фазосдвигающего устройства образует с осью параболического зеркала заданный угол, при котором облучатель и фазосдвигающее устройство расположены вне поля плоской волны, падающей на параболическое зеркало.Moreover, in both variants of the invention, the axes of the parabolic mirror, phase-shifting device and irradiator coincide and form the common axis of the antenna or the common axis of the irradiator and phase-shifting device forms a predetermined angle with the axis of the parabolic mirror, at which the irradiator and phase-shifting device are located outside the plane wave field incident on the parabolic mirror.
Фазосдвигающее устройство жестко скреплено с цилиндрическим опорным элементом, коаксиально окружающим облучатель и обеспечивающим вращение фазосдвигающего устройства вокруг общей с облучателем оси. Две нерабочие секции установлены друг против друга относительно общей оси полусферы и облучателя, образуют основание полусферы и расположены вне телесного угла с вершиной в фазовом центре облучателя, стягивающего края параболического зеркала и ограничивающего область, в которой распространяется сферическая волна и расположены рабочие секции. С целью устранения биений, резонансных явлений и обеспечения статической и динамической сбалансированности полусферы при ее вращении две нерабочие секции полусферы имеют заданные радиальные толщины и выборки в виде сквозных и/или глухих отверстий.The phase shifting device is rigidly bonded to the cylindrical supporting element coaxially surrounding the irradiator and providing rotation of the phase shifting device around a common axis with the irradiator. Two inoperative sections are set against each other relative to the common axis of the hemisphere and the irradiator, form the base of the hemisphere and are located outside the solid angle with a vertex in the phase center of the irradiator, tightening the edges of the parabolic mirror and limiting the region in which the spherical wave propagates and the working sections are located. In order to eliminate beats, resonance phenomena and ensure static and dynamic balance of the hemisphere during its rotation, two inactive sections of the hemisphere have predetermined radial thicknesses and samples in the form of through and / or blind holes.
Таким образом, предложенная в изобретении антенна с коническим сканированием широкополосна, поскольку в ней предусмотрено вращение полусферы, а не облучателя (рупора), и поэтому нет необходимости применять узкополосное вращающееся соединение; потери полезного сигнала в антенне, связанные с его деполяризацией, отсутствуют, т.к. в изобретении не предусмотрено использование металлического контррефлектора; потери сигнала, обусловленные затенением параболического зеркала полусферой, меньше, чем в случае с контррефлектором, т.к. диаметр полусферы меньше диаметра контррефлектора; наконец, расстояние между фазовым центром облучателя и диэлектрическими секциями полусферы составляет величину порядка нескольких длин волн, что позволяет при построении ДН не учитывать граничные условия на апертуре рупора и дифракционные явления на стыках секций полусферы.Thus, the conical scanning antenna proposed in the invention is broadband, since it provides for the rotation of the hemisphere, and not of the irradiator (horn), and therefore it is not necessary to use a narrow-band rotating connection; there are no losses of the useful signal in the antenna associated with its depolarization, because the invention does not provide for the use of a metal counterreflector; signal loss due to the shading of a parabolic mirror by a hemisphere is less than in the case of a counter-reflector, because the hemisphere diameter is less than the diameter of the counterreflector; finally, the distance between the phase center of the irradiator and the dielectric sections of the hemisphere is of the order of several wavelengths, which allows us to ignore the boundary conditions at the horn aperture and the diffraction phenomena at the junctions of the hemisphere sections when constructing the MD.
Перечень фигур чертежейList of drawings
Фиг.1а и 1б изображают вид поперечного осевого сечения антенны с коническим сканированием ДН согласно изобретению соответственно для пассивной и активной систем автосопровождения.Figa and 1b depict a cross-sectional axial sectional view of an antenna with conical scanning of radiation pathways according to the invention for passive and active auto tracking systems, respectively.
Фиг.2а и 2б изображают схематическое устройство фазосдвигающего узла антенны, обеспечивающего согласно первому и второму вариантам изобретения коническое сканирование.Figures 2a and 2b depict a schematic diagram of a phase-shifting antenna assembly providing conical scanning according to the first and second embodiments of the invention.
Фиг.3а и 3б иллюстрируют в разрезе и в плане теоретическое положение об однозначном соответствии эквифазных зон на поверхности диэлектрической полусферы и на апертуре раскрыва параболического зеркала; на этой апертуре показаны также форма и расположение 12 участков, по которым вычислялись интегралы Френеля-Кирхгофа /7/, определяющие электрическое поле волны в дальней зоне и в зоне Френеля.Figures 3a and 3b illustrate, in section and in plan, the theoretical position of the unique correspondence of equiphase zones on the surface of the dielectric hemisphere and on the aperture of the opening of a parabolic mirror; this aperture also shows the shape and location of 12 sections from which the Fresnel-Kirchhoff integrals / 7 / were calculated, which determine the electric field of the wave in the far zone and in the Fresnel zone.
Фиг.4 изображает вид расчетной ДН антенны с диэлектрической полусферой, обеспечивающей кусочно-линейное распределение фазы на апертуре раскрыва параболического зеркала, и вид расчетной ДН (пунктирная линия) той же антенны при отсутствии полусферы.Figure 4 depicts a view of the calculated antenna bottom with a dielectric hemisphere, providing a piecewise linear phase distribution at the aperture of the aperture of a parabolic mirror, and a view of the calculated antenna (dashed line) of the same antenna in the absence of a hemisphere.
Фиг.5 изображает расчетную зависимость угла отклонения ДН от оси антенны Δθ от параметра γ.Figure 5 depicts the calculated dependence of the angle of deviation of the beam from the axis of the antenna Δθ from parameter γ.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention
Антенна, изображенная на фиг.1а, содержит параболическое зеркало 1, многосекционную диэлектрическую радиопрозрачную полусферу 2 и облучатель 3, которые расположены последовательно вдоль общей оси АА. Облучатель и полусфера установлены на параболическом зеркале при помощи фланца 4 и распорок 5. Волноводный выход облучателя присоединен либо к малошумящему СВЧ-приемнику 6 в пассивных системах автосопровождения источников излучения (например, конвертор в случае телевизионного спутника), либо (как показано на фиг.1б) к коаксиально-волноводному переходу 7 и к приемно-передающему модулю РЛС в активных системах сопровождения. Полусфера содержит отдельные секции из диэлектрика типа фторопласта, толщина и размер которых определены расчетным путем. Основание полусферы с помощью цилиндрического опорного элемента 8 соединено с мотором с редуктором 9.The antenna depicted in figa, contains a
Фиг.2а изображает полусферу, состоящую из разнотолщинных диэлектрических рабочих секций под номерами N=1, 2, 3, 4 и 5 и нерабочих секций N=6 и 7. Смежные секции соединены (например, склеены) своими боковыми гранями, образуя полусферу с внешним радиусом R и радиусами r1, r2, r3, r4, r5 концентрических сфер, ограничивающих рабочие секции со стороны облучателя 3. Фиг.2б изображает полусферу при отсутствии секции с N=1 (δh=0); образовавшийся в полусфере разрез меридиональной формы закрывают тонкой радиопрозрачной пленкой толщиной 0.1-0.15 мм с малыми потерями на поглощение и на отражение, не вносящей заметного фазового сдвига в проходящую через пленку сферическую волну. Нерабочие секции с N=6 и 7 располагаются друг против друга относительно общей с облучателем оси полусферы и находятся за пределами телесного угла с углом ψ при вершине, совмещенной с фазовым центром облучателя. Указанный телесный угол стягивает края параболического зеркала и ограничивает область пространства, в котором распространяется сферическая волна и располагаются рабочие секции. Для типичного на практике случая, когда отношение фокусного расстояния параболического зеркала F к диаметру этого зеркала 2d равно 0.4, угол ψ/2 равен 64°; углы α1 и α2 характеризуют угловые размеры рабочих секций. Нерабочие секции с N=6 и 7 образуют основание полусферы, которое соосно и жестко скреплено с цилиндрическим опорным элементом 8, установленным с помощью подшипников 10 на волноводе облучателя. Для достижения статической и динамической сбалансированности вращающегося фазосдвигающего устройства нерабочие секции могут иметь заданные радиальные толщины и выборки в виде сквозных и/или глухих отверстий.Figure 2a depicts a hemisphere consisting of different thickness dielectric working sections numbered N = 1, 2, 3, 4, and 5 and non-working sections N = 6 and 7. Adjacent sections are connected (for example, glued) by their side faces, forming a hemisphere with an external radius R and radii r 1 , r 2 , r 3 , r 4 , r 5 of concentric spheres limiting the working sections from the side of the
Фиг.3а и 3б поясняют механизм конического сканирования и дают сведения, касающиеся расчета ДН антенны согласно изобретению. Анализ работы антенны проводился в приближении геометрической оптики, когда радиолучи считаются прямолинейными, а дифракцией на стыках диэлектрических секций можно пренебречь. Это положение справедливо при расстоянии от полусферы до облучателя порядка нескольких длин волн (зона Френеля), что соблюдается в изобретении.Figures 3a and 3b explain the conical scanning mechanism and provide information regarding the calculation of the antenna pattern according to the invention. The analysis of the antenna operation was carried out in the approximation of geometric optics, when the radio beams are considered straightforward, and the diffraction at the junctions of the dielectric sections can be neglected. This position is valid at a distance from the hemisphere to the irradiator of the order of several wavelengths (Fresnel zone), which is observed in the invention.
При прохождении сферической волны, исходящей из фазового центра облучателя, в каждой диэлектрической секции происходит сдвиг фазы, причем фаза изменяется только в той части волны, которая проходит через данную секцию, не влияя на фазу радиолучей, проходящих через соседние секции. Фаза волны, прошедшей через секцию толщиной hj, отличается от фазы волны в той же точке при отсутствии диэлектрика на величину сдвига фазы, равногоWhen a spherical wave emanating from the phase center of the irradiator passes through, a phase shift occurs in each dielectric section, and the phase changes only in that part of the wave that passes through this section, without affecting the phase of the radio beam passing through neighboring sections. The phase of the wave passing through the section of thickness h j differs from the phase of the wave at the same point in the absence of a dielectric by a phase shift equal to
Δφj=hj2π(n-1)/λ,Δφ j = h j 2π (n-1) / λ,
где соответствующие толщины секций равныwhere the corresponding section thicknesses are equal
hj=jγλ/16(n-1)+δh, j=N-1, γ=1-1,2,h j = jγλ / 16 (n-1) + δh, j = N-1, γ = 1-1,2,
где N - порядковый номер рабочих диэлектрических секций фазосдвигающего устройства, γ - параметр, зависящий от заданного угла при вершине конуса сканирования, λ - длина волны, n - показатель преломления диэлектрика, δh - радиальная толщина секции с N=1.where N is the serial number of the working dielectric sections of the phase shifter, γ is the parameter depending on the given angle at the top of the scan cone, λ is the wavelength, n is the refractive index of the dielectric, and δh is the radial thickness of the section with N = 1.
Фиг.3а иллюстрирует распределение сдвигов фаз Δφj в плоскости сечения антенны, соответствующей y=0. Сдвиги фаз разными секциями условно изображены в виде сферических слоев, лежащих на полусфере радиуса R, толщина которых пропорциональна сдвигам Δφj; на апертуре раскрыва те же сдвиги фаз показаны в виде прямоугольников, высота которых пропорциональна Δφj. Показаны меридиональные плоскости Fаб под углами α1 и α2 к оси антенны, с помощью которых ступенчатое распределение фаз на полусфере однозначно преобразуется в ступенчатое распределение фаз в плоскости раскрыва зеркала.Fig. 3a illustrates the distribution of phase shifts Δφ j in the plane of the antenna section corresponding to y = 0. The phase shifts by different sections are conventionally depicted as spherical layers lying on a hemisphere of radius R, the thickness of which is proportional to the shifts Δφ j ; at the aperture of the aperture, the same phase shifts are shown in the form of rectangles whose height is proportional to Δφ j . The meridional planes Fab are shown at angles α 1 and α 2 to the axis of the antenna, with the help of which the stepwise phase distribution in the hemisphere is uniquely converted into a stepwise phase distribution in the plane of the aperture of the mirror.
Фиг.3б изображает в плане форму и расположение в плоскости раскрыва зеркала эквифазных зон, соответствующих ступенчатому распределению фазы, показанному ранее в сечении y=0. Границы эквифазных зон, необходимые в расчетах ДН, определены выражениями:Fig.3b depicts in plan the shape and location in the plane of the aperture of the mirror of the equiphase zones corresponding to the step distribution of the phase shown earlier in the section y = 0. The boundaries of the equiphase zones required in the calculations of DN are defined by the expressions:
P(ψ,α)-2F(-1+(1+(tgα/cosψ))1/2,P (ψ, α) -2F (-1+ (1+ (tgα / cosψ)) 1/2 ,
ψ1,2(α)=arcos((4F2-d2)tgα1,2/4Fd.ψ 1,2 (α) = arcos ((4F 2 -d 2 ) tgα 1,2 / 4Fd.
Известно /7/, что монотонное изменение в выбранном направлении фазы поля волны на круглой апертуре сопровождается отклонением ДН от ее оси в направлении, в котором изменяется фаза. Приведенное на фиг.3а кусочно-линейное изменение фазы, являясь аппроксимацией линейного закона, также приводит к отклонению ДН от оси антенны. Примером реализации линейного закона по апертуре является фаза волны, прошедшей через диэлектрический клин, закрывающий круглую апертуру. Однако, как отмечалось ранее, использование клина для организации линейного закона изменения фазы в раскрыве параболической антенны является сомнительным по изложенным выше причинам; желаемый результат, т.е. коническое сканирование, удается осуществить с помощью диэлектрической полусферы с кусочно-линейным изменением фазы вдоль произвольной плоскости, проходящей через ось антенны, как описано в изобретении.It is known / 7 / that a monotonic change in the selected direction of the phase of the wave field on a circular aperture is accompanied by a deviation of the pattern from its axis in the direction in which the phase changes. The piecewise linear phase change shown in FIG. 3a, being an approximation of the linear law, also leads to a deviation of the beam pattern from the axis of the antenna. An example of the implementation of the linear law over the aperture is the phase of the wave that has passed through the dielectric wedge that covers the circular aperture. However, as noted earlier, the use of a wedge to organize the linear law of phase change in the aperture of a parabolic antenna is doubtful for the reasons stated above; desired result, i.e. conical scanning, it is possible to carry out using a dielectric hemisphere with a piecewise linear phase change along an arbitrary plane passing through the axis of the antenna, as described in the invention.
Таким образом, механизм конического сканирования согласно изобретению заключается в том, что излучаемая рупором сферическая волна, проходя через секции полусферы, приобретает в разных направлениях разные сдвиги фаз, которые после отражения волны от зеркала образуют в плоскости раскрыва кусочно-линейное распределение фазы, благодаря которому ось ДН отклоняется от оси антенны, а при вращении полусферы описывает конус с вершиной в фокусе параболического зеркала.Thus, the conical scanning mechanism according to the invention consists in the fact that the spherical wave emitted by the horn, passing through sections of the hemisphere, acquires different phase shifts in different directions, which, after the wave is reflected from the mirror, form a piecewise linear phase distribution in the opening plane, due to which the axis The beam deviates from the axis of the antenna, and when the hemisphere rotates, it describes a cone with a vertex in the focus of a parabolic mirror.
В процессе расчетов ДН определялась как квадрат суммы дифракционных интегралов Френеля-Кирхгофа, взятых по 12 участкам апертуры раскрыва, которые обозначены на фиг.3б римскими цифрами. Участок I, соответствующий j=1, которому соответствует секция с N=1, составляет первую эквифазную зону с нулевым сдвигом фазы (для упрощения расчетов предполагалось, что δh=0). Участки II, III и IV, соответствующие j=2, образуют эквифазную зону со сдвигом фазы, равным 0,25 (γπ/2); этой зоне соответствует диэлектрическая секция с N=2. Участки V, VI, VII и VIII образуют зону со сдвигом 0,5 (γπ/2), соответствующую секции с N=3. Участки IX, Х и XI образуют зону со сдвигом 0,75 (γπ/2), которой соответствует секция с N=4. Наконец, участок XII совпадает с зоной со сдвигом (γπ/2), равным сдвигу фазы секцией N=5, имеющей наибольшую толщину.In the process of calculating the DN, it was determined as the square of the sum of the Fresnel-Kirchhoff diffraction integrals taken over 12 sections of the aperture of the aperture, which are indicated in Roman numerals in Fig. 3b. Section I corresponding to j = 1, which corresponds to the section with N = 1, constitutes the first equiphase zone with zero phase shift (to simplify the calculations, it was assumed that δh = 0). Sections II, III, and IV corresponding to j = 2 form an equiphase zone with a phase shift of 0.25 (γπ / 2); this zone corresponds to a dielectric section with N = 2. Sections V, VI, VII and VIII form a zone with a shift of 0.5 (γπ / 2), corresponding to the section with N = 3. Sections IX, X, and XI form a zone with a shift of 0.75 (γπ / 2), which corresponds to a section with N = 4. Finally, section XII coincides with the zone with a shift (γπ / 2) equal to the phase shift by the section N = 5, which has the largest thickness.
Целью расчета является оптимизация параметров секций и их числа; критерий оптимизации: 1 - неизменность ширины ДН при ее отклонении на половину этой ширины; 2 - первые боковые лепестки ДН не должны возрастать при отклонении более чем на 1 дБ; 3 - число и толщина секций должны быть минимальными.The purpose of the calculation is to optimize the parameters of the sections and their number; optimization criterion: 1 - invariance of the width of the DN when it deviates by half of this width; 2 - the first side lobes of the DN should not increase with a deviation of more than 1 dB; 3 - the number and thickness of sections should be minimal.
Расчеты показали, что минимальное число секций, при котором выполняется критерий оптимизации, равно 5; оптимальными являются γ=1-1.2, α1=16° и α2=41°. Расчеты проводились при λ=2,5 см для частного случая антенны диаметром 2d=1,25 м и n=1,4 (фторопласт) и в предположении постоянства амплитуды поля на апертуре раскрыва. На фиг.4 представлены расчетная форма ДН антенны с оптимизированными секциями полусферы в плоскости наклона ДН и для сравнения форма ДН той же антенны при отсутствии полусферы (пунктирная линия). Как видно, при отклонении ДН уровень боковых лепестков и форма ДН практически не изменяются.The calculations showed that the minimum number of sections at which the optimization criterion is fulfilled is 5; optimal are γ = 1-1.2, α 1 = 16 ° and α 2 = 41 °. The calculations were carried out at λ = 2.5 cm for a special case of an antenna with a diameter of 2d = 1.25 m and n = 1.4 (fluoroplastic) and assuming a constant field amplitude at the aperture of the aperture. Figure 4 shows the calculated shape of the antenna bottom with optimized sections of the hemisphere in the plane of inclination of the beam and, for comparison, the shape of the bottom of the same antenna in the absence of a hemisphere (dashed line). As can be seen, with a deviation of the pattern, the level of the side lobes and the shape of the pattern are practically unchanged.
Фиг.5 изображает расчетную зависимость угла отклонения ДН от оси антенны Δθ от параметра γ.Figure 5 depicts the calculated dependence of the angle of deviation of the beam from the axis of the antenna Δθ from parameter γ.
Таким образом, предлагаемая антенна обладает следующими достоинствами:Thus, the proposed antenna has the following advantages:
- антенна не ограничивает рабочую полосу пропускания, поскольку не требует применения узкополосных вращающихся соединений;- the antenna does not limit the working bandwidth, since it does not require the use of narrow-band rotating joints;
- антенна, обеспечивая коническое сканирование, не вносит подобно аналогам дополнительных потерь полезного сигнала, связанных с отражением волн от металлического контррефлектора;- the antenna, providing conical scanning, does not, like analogs, introduce additional losses of the useful signal associated with the reflection of waves from a metal counterreflector;
- антенна вносит затенение параболического зеркала, значение которого меньше, чем у аналогов, и еще более снижается по мере увеличения диаметра зеркала свыше 1,25 м, так как размеры полусферы не зависят от размеров параболического зеркала;- the antenna shades a parabolic mirror, the value of which is less than that of analogues, and decreases even more with increasing diameter of the mirror over 1.25 m, since the size of the hemisphere does not depend on the size of the parabolic mirror;
- расчетные характеристики ДН при коническом сканировании следует считать достоверными, поскольку согласно изобретению диэлектрическая полусфера расположена на достаточном расстоянии от облучателя (зона Френеля), при котором влиянием граничных условий и дифракционных явлений можно пренебречь.- the calculated characteristics of the MD during conical scanning should be considered reliable, since according to the invention the dielectric hemisphere is located at a sufficient distance from the irradiator (Fresnel zone), in which the influence of boundary conditions and diffraction phenomena can be neglected.
Источники информацииSources of information
1. Сканирующая антенна. Япония. Заявка №50-15104. Публикация 02. VI. 1975 г. №6-378. Заявлено 29.X.1968 г. №43-78677. Заявитель - Ниппон дэнсия дэнва кося.1. The scanning antenna. Japan. Application No. 50-15104. Publication 02. VI. 1975, No. 6-378. Declared 29.X.1968, No. 43-78677. Applicant - Nippon Dancia Denva Mowing.
2. Conical scan antenna for tracking radar. Unitid State Patent 4338607. Jul. 6. 1982. Serge Drabowitch.2. Conical scan antenna for tracking radar. Unitid State Patent 4338607. Jul. 6.1982. Serge Drabowitch.
3. Antenna scanning apparatus. United States Patent 4010472. Mar. 1, 1977. Paul H. Mountcastle et al.3. Antenna scanning apparatus. United States Patent 4010472. Mar. 1, 1977. Paul H. Mountcastle et al.
4. Reference signal generating apparatus. Unitid States Patent 4173762 Nov.6, 1979. Vernal W. Thompson et al.4. Reference signal generating apparatus. Unitid States Patent 4173762 Nov.6, 1979. Vernal W. Thompson et al.
5. Антенны УКВ, часть 2. Издательство “Связь”, Москва 1977 г. Г.З.Айзеберг и др.5. VHF antennas,
6. Основы оптики. Перевод с английского под ред. Г.П.Мотулевич. Издательство “Наука”, Москва 1970 г. М.Борн, Э.Вольф.6. The basics of optics. Translation from English, ed. G.P. Motulevich. Publishing House "Science", Moscow 1970 M. Born, E. Wolf.
7. Справочник по радиолокации, редактор М.Скольник. Том 2. Радиолокационные антенные устройства. Перевод с английского под редакцией П.И.Дудника. Москва, “Советское радио”, 1977 г.7. Guide to radar, editor M.Skolnik.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003109479/09A RU2236727C1 (en) | 2003-04-04 | 2003-04-04 | Conically scanning antenna (alternatives) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003109479/09A RU2236727C1 (en) | 2003-04-04 | 2003-04-04 | Conically scanning antenna (alternatives) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2236727C1 true RU2236727C1 (en) | 2004-09-20 |
| RU2003109479A RU2003109479A (en) | 2004-12-20 |
Family
ID=33433722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003109479/09A RU2236727C1 (en) | 2003-04-04 | 2003-04-04 | Conically scanning antenna (alternatives) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2236727C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580461C2 (en) * | 2011-08-26 | 2016-04-10 | Нек Корпорейшн | Antenna device |
| GB2546309B (en) * | 2016-01-15 | 2020-03-18 | Cambridge Broadband Networks Ltd | An Antenna |
-
2003
- 2003-04-04 RU RU2003109479/09A patent/RU2236727C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580461C2 (en) * | 2011-08-26 | 2016-04-10 | Нек Корпорейшн | Antenna device |
| US9312606B2 (en) | 2011-08-26 | 2016-04-12 | Nec Corporation | Antenna device including reflector and primary radiator |
| GB2546309B (en) * | 2016-01-15 | 2020-03-18 | Cambridge Broadband Networks Ltd | An Antenna |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7576701B2 (en) | Rotating screen dual reflector antenna | |
| JP5679820B2 (en) | Subreflector of double reflector antenna | |
| US5952984A (en) | Lens antenna having an improved dielectric lens for reducing disturbances caused by internally reflected waves | |
| EP1976062B1 (en) | Radio frequency lens and method of suppressing side-lobes | |
| EP1883995B1 (en) | Variable inclination array antenna | |
| US4145695A (en) | Launcher reflectors for correcting for astigmatism in off-axis fed reflector antennas | |
| US5283591A (en) | Fixed-reflector antenna for plural telecommunication beams | |
| RU2708908C2 (en) | System, apparatus and method for tuning remote antenna | |
| JPS63502237A (en) | High-efficiency light-limited scanning antenna | |
| US5298909A (en) | Coaxial multiple-mode antenna system | |
| US4144535A (en) | Method and apparatus for substantially reducing cross polarized radiation in offset reflector antennas | |
| Ashmead et al. | The use of spherical reflectors as microwave scanning aerials | |
| RU2236727C1 (en) | Conically scanning antenna (alternatives) | |
| US2835891A (en) | Virtual image luneberg lens | |
| US4558324A (en) | Multibeam lens antennas | |
| JPS603210A (en) | Antenna in common use for multi-frequency band | |
| RU2181519C1 (en) | Hybrid multiple-beam non-atlantic mirror antenna | |
| Schell | The multiplate antenna | |
| US4847628A (en) | Frequency independent constant beamwidth directional lens antenna for very wideband and multi-channel electromagnetic communications | |
| US20240291164A1 (en) | Steerable High-Gain Wide-Angle Lens For Imaging Applications | |
| Ruiz-García et al. | Reflecting Luneburg Lens: Analytical Solution and Applications | |
| US4757325A (en) | Method for designing sector beam antennas | |
| SU1022246A1 (en) | Aperture aerial | |
| RU2065648C1 (en) | Antenna with extended aperture (its variants) | |
| Vogel | A new kind of planar waveguide Luneburg antenna for the mm-wave region |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160225 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190405 |