RU2236073C2 - Тороидальная линзовая антенна с электронным сканированием в двух плоскостях - Google Patents
Тороидальная линзовая антенна с электронным сканированием в двух плоскостях Download PDFInfo
- Publication number
- RU2236073C2 RU2236073C2 RU2002124008/09A RU2002124008A RU2236073C2 RU 2236073 C2 RU2236073 C2 RU 2236073C2 RU 2002124008/09 A RU2002124008/09 A RU 2002124008/09A RU 2002124008 A RU2002124008 A RU 2002124008A RU 2236073 C2 RU2236073 C2 RU 2236073C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- lens
- slot
- toroidal
- slots
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к антенной технике и может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации с широкоугольным электрическим сканированием преимущественно миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн. Функциональное назначение антенн - круговое сканирование лучом. В состав объекта-устройства входят: однородная тороидальная диэлектрическая линза, образованная вращением вокруг оси апланатического фокусирующего геометрического профиля; волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения на фокальной окружности линзы и соосных окружностях; короткозамыкатель в виде управляемого отражательного фазовращателя. Техническим результатом является обеспечение электронного сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях. Сканирование осуществляется поочередным электронным переключением щелей при помощи переключательных диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления. Число щелей в азимутальной плоскости соответствует числу дискретных положений ДН антенны в азимутальной плоскости, а число рядов щелей соответствует числу дискретных положений ДН антенны в угломестной плоскости. Включением щели на излучение и одновременной установкой фазовращателем максимума пучности волны в волноводе по центру щели достигается максимальное излучение электромагнитной энергии из щели и, следовательно, максимальный коэффициент усиления антенны. 4 ил.
Description
Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к антенной технике и может быть использовано в антеннах средств связи и радиолокации с широкоугольным электрическим сканированием преимущественно миллиметрового (ММВ) и сантиметрового (СМВ) диапазонов волн. Функциональное назначение антенн - круговое сканирование лучом.
Известна сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси идеально фокусирующего профиля - окружности с изменяющейся в ее плоскости относительной диэлектрической проницаемостью ε по закону Люнеберга [1]. При вращении профиля его фокус образует вокруг оси непрерывную фокальную окружность. Сканирование лучом антенны является круговым в плоскости фокальной окружности линзы и обеспечивается тем, что облучатель антенны состоит либо из излучателя, механически перемещаемого по фокальной окружности линзы, либо из множества излучателей, расположенных на фокальной окружности. В последнем случае сканирование лучом достигается поочередным электронным переключением излучателей. Изготовление неоднородной тороидальной линзы осуществляется сборкой из множества отдельных частей. Это обусловливает значительную технологическую сложность и высокую стоимость изготовления линз и делает их практически непригодными для работы в диапазоне ММВ вследствие возрастания требований к точности обеспечения требуемой зависимости диэлектрической проницаемости, идентичности составляющих частей и точности их стыковки, а также из-за роста потерь на клеевых соединениях.
Существенно более простая конструкция тороидальной линзовой антенны реализуется при использовании однородного диэлектрика. Сканирующая тороидальная линзовая антенна с однородной диэлектрической линзой, образованной вращением окружности вокруг оси, и кольцевым облучателем с электронно переключаемыми излучателями предложена в [2, 3]. Одним из недостатков антенны является то обстоятельство, что при одних и тех же размерах антенн масса однородной линзы существенно больше, чем неоднородной. Другим недостатком антенны является ограничение ее усиления при увеличении относительных размеров линзы в сравнении с длиной волны. Причина ограничения - неидеальные фокусирующие свойства линзы из однородного диэлектрика с круговым профилем, вызванные наличием сферической аберрации, присущей таким конструкциям.
Указанные недостатки устраняются при использовании сканирующей тороидальной линзовой антенны [4], содержащей однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси неапланатического фокусирующего геометрического профиля, и волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода с короткозамыкателем в виде металлической пластины и полуволновых резонансных щелей, включаемых на излучение с помощью pin-диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления. Щели, каждая из которых является отдельным излучателем, расположены на фокальной окружности тороидальной линзы. Возможны также другие конструктивные варианты построения облучателя, например, на основе рупорных или микрополосковых излучателей. Дополнительное снижение массы линзы достигается тем, что ее профиль является зонированным. Описанная антенна наиболее близка заявляемой по уровню техники и принята за прототип.
Недостатком антенны-прототипа является то обстоятельство, что ее конструкция позволяет осуществлять сканирование только в плоскости фокальной окружности линзы (азимутальной плоскости). Вместе с тем многие реальные системы связи и радиолокации диапазонов ММВ и СМВ предполагают не только круговое сканирование в азимутальной плоскости, но и функционирование антенн в достаточно широком секторе углов в ортогональной (угломестной) плоскости [5].
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение электронного сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях.
С этой целью сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси фокусирующего геометрического профиля, и волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения, отличается тем, что тороидальная линза антенны образована вращением вокруг оси апланатического фокусирующего геометрического профиля, щели облучателя расположены на фокальной окружности линзы и соосных окружностях, а короткозамыкатель выполнен в виде управляемого отражательного фазовращателя.
Принцип работы заявляемой антенны и антенны-прототипа одинаков. Открытая щель облучает фокусирующую тороидальную диэлектрическую линзу, формирующую диаграмму направленности (ДН) антенны. Сканирование осуществляется поочередным электронным переключением щелей при помощи переключательных диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления. В то же время заявляемая антенна имеет апланатический фокусирующий геометрический профиль, что позволяет путем смещения облучателя относительно фокуса отклонять ДН без практически заметных искажений ее формы. Волноводно-щелевой облучатель имеет несколько рядов щелей, расположенных на фокальной окружности линзы, как в антенне-прототипе, и на соосных окружностях, а короткозамыкатель на конце отрезка круглого волновода выполнен в виде управляемого отражательного фазовращателя. Число щелей в азимутальной плоскости соответствует числу дискретных положений ДН антенны в азимутальной плоскости, а число рядов щелей соответствует числу дискретных положений ДН антенны в угломестной плоскости. Открывая щель и одновременно устанавливая фазовращателем максимум пучности волны в волноводе по центру щели, достигаем максимального излучения щели и, следовательно, максимального коэффициента усиления антенны.
Использование однородной тороидальной диэлектрической линзы, образованной вращением вокруг оси фокусирующего геометрического профиля, и волноводно-щелевого облучателя, состоящего из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения, являются общими существенными признаками заявляемой антенны и антенны-прототипа. Апланатический фокусирующий геометрический профиль однородной тороидальной диэлектрической линзы заявляемой антенны, расположение переключаемых щелей в круглом волноводе как на фокальной окружности линзы, так и на соосных окружностях, а также использование в качестве короткозамыкателя управляемого отражательного фазовращателя являются частными существенными признаками заявляемой антенны.
Сопоставительный анализ заявляемой антенны с антенной-прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается наличием технического решения, ранее не использовавшегося в классе тороидальных линзовых антенн, а именно тем, что однородная тороидальная диэлектрическая линза имеет апланатический фокусирующий геометрический профиль; систему переключаемых щелей в круглом волноводе, расположенных как на фокальной окружности линзы, как в антенне-прототипе, так и на соосных окружностях, и короткозамыкатель в виде управляемого отражательного фазовращателя. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения “новизна”.
Сравнение заявляемого решения с антенной-прототипом показывает, что конструкция заявляемой антенны имеет принципиальные отличия от конструкции антенны-прототипа, что обеспечивает достижение цели изобретения, а именно электронного сканирования лучом тороидальной диэлектрической линзовой антенны в угломестной плоскости при сохранении электронного кругового сканирования в азимутальной плоскости. Достигнутое новое качество дает возможность установки таких антенн на существенно более мобильные мачтовые устройства станций диапазонов ММВ и СМВ, чем в случае антенны-прототипа, поскольку снижаются требования к отклонению вершины ствола мачты при воздействии ветровых нагрузок. Кроме того, применение антенн предложенной конструкции на мачтах позволяет устранить потери сигнала, связанные со случайным характером перепадов высот антенн при расположении станций на пересеченной местности. И, наконец, в значительной степени устраняются проблемы при использовании антенн с круговым сканированием на движущихся объектах (автомобили, самолеты и т.д.), которые связаны со скоростью и амплитудой колебаний транспортной базы (крен, тангаж, рыскание). Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения “изобретательский уровень”.
Применение однородных тороидальных диэлектрических линз с фокусирующим геометрическим профилем, отличным от окружности, и волноводно-щелевых облучателей, состоящих из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и полуволновых резонансных щелей, включаемых на излучение с помощью переключательных диодов, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления, известно [4], а отражательные фазовращатели широко используются в технике СВЧ. Это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения. Возможность технической реализации и удовлетворение заявляемой антенной функциональным требованиям, предъявляемых к сканирующим тороидальным линзовым антеннам для техники связи и радиолокации диапазонов ММВ и СМВ, позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения “промышленная применимость”.
Ниже предлагаемое изобретение описано более подробно со ссылками на чертежи. На фиг.1 и фиг.2 представлен общий вид соответственно антенны-прототипа и заявляемой антенны. На фиг.3 приведен вариант апланатического фокусирующего профиля. На фиг.4 приведен вариант зонированного апланатического фокусирующего профиля.
Изображенная в общем виде на фиг.1 антенна-прототип включает однородную тороидальную диэлектрическую линзу 1. Линза образована вращением неапланатического профиля 2 с одной (гиперболической) преломляющей поверхностью. В локальном разрезе линзы показан волноводно-щелевой облучатель 3, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода 4 (короткозамыкатель 5 в виде металлической пластины) и полуволновых резонансных щелей 6, включаемых на излучение при помощи pin-диодов 7, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления 8.
В изображенном на фиг.2 общем виде заявляемой антенны приняты те же обозначения элементов, что и на фиг.1. Диэлектрическая тороидальная линза 1 заявляемой антенны образована вращением апланатического фокусирующего геометрического профиля 2. В локальном разрезе линзы показан волноводно-щелевой облучатель 3, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода 4 (короткозамыкатель 5 выполнен в виде управляемого отражательного фазовращателя) и нескольких рядов полуволновых резонансных щелей 6, расположенных на фокальной окружности линзы и соосных окружностях, включаемых на излучение при помощи переключательных диодов 7, управляющее напряжение на которые подается по линиям управления 8.
Апланатическая линза заявляемой антенны на фиг.2 имеет плосковыпуклый фокусирующий геометрический профиль [6]. Аналогичный вид будут иметь линзы заявляемой антенны с апланатическим фокусирующим геометрическим профилем других вариантов. В частности, это могут быть бифокальные линзы (фиг.3) или линзы с тремя точками фокусировки [6, 7]. Траектории лучей, выходящих из источников, расположенных в фокусах А и A1 бифокальной линзы, показаны на фиг.3. Такие линзы обеспечивают практически безыскаженное сканирование в широком секторе углов; который может достигать 10 ширин ДН антенны и более [7]. Снижение массы линзы, как и в антенне-прототипе, может быть достигнуто зонированием геометрического профиля линзы (фиг.4).
Источники информации
1. Robert L. Horst et al. Non-uniform dielectric toroidal lensis: US patent, №3255453, кл. 343-754, 1966.
2. Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. Исследование линзовой антенны на основе диэлектрического тора // Конференция по приборам, технике и распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн (Харьков, июнь 1992, ИРЭ АН УР): Тез. докл. - Харьков, 1992. - С. 25.
3. Захаров Е.В., Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. Исследование и оптимизация характеристик тороидальных линзовых антенн // Радиотехника и электроника. - 1998. - Т. 43.- №5. - С. 571-573.
4. Левченко С.Н., Харланов Ю.Я. Сканирующая тороидальная линзовая антенна - Патент РФ RU 2147150 C1, 26.05.1998, опубл. 27.03.2000, кл. 7 H 01 Q 15/08.
5. Харланов Ю.Я. Результаты исследований и перспективы применения линзовых антенн в средствах связи диапазонов ММВ и СМВ // XLIX Научн. сесс., посвящ. Дню радио, Москва, 1994.: Тез. докл., Ч.1/Рос.НТО радиотехн., электрон. и связи. - М., 1994. - С. 39-40.
6. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. - М.: Советское радио, 1974. - 280 с.
7. Brown R.M. Dielectric bifocal lenses // IRE Cov. Rec. - 1956. - V.4 - №1.
Claims (1)
- Сканирующая тороидальная линзовая антенна, содержащая однородную тороидальную диэлектрическую линзу, образованную вращением вокруг оси фокусирующего геометрического профиля, и волноводно-щелевой облучатель, состоящий из короткозамкнутого отрезка круглого волновода и переключаемых щелей в волноводе, расположенных вокруг оси вращения, отличающаяся тем, что тороидальная линза антенны образована вращением вокруг оси апланатического фокусирующего геометрического профиля, щели облучателя расположены на фокальной окружности линзы и соосных окружностях, а короткозамыкатель является управляемым отражательным фазовращателем.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002124008/09A RU2236073C2 (ru) | 2002-09-11 | 2002-09-11 | Тороидальная линзовая антенна с электронным сканированием в двух плоскостях |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002124008/09A RU2236073C2 (ru) | 2002-09-11 | 2002-09-11 | Тороидальная линзовая антенна с электронным сканированием в двух плоскостях |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002124008A RU2002124008A (ru) | 2004-03-20 |
RU2236073C2 true RU2236073C2 (ru) | 2004-09-10 |
Family
ID=33432982
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002124008/09A RU2236073C2 (ru) | 2002-09-11 | 2002-09-11 | Тороидальная линзовая антенна с электронным сканированием в двух плоскостях |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2236073C2 (ru) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006075437A1 (ja) * | 2005-01-17 | 2006-07-20 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | アンテナ装置,無線通信装置及びレーダ装置 |
RU2494506C1 (ru) * | 2012-07-10 | 2013-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" | Линзовая антенна с электронным сканированием луча |
RU2497243C2 (ru) * | 2008-03-18 | 2013-10-27 | Астриум Лимитед | Узел облучателей антенны |
RU2533636C2 (ru) * | 2013-01-22 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" | Рефлекторная антенна френеля |
RU2586023C2 (ru) * | 2011-05-23 | 2016-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" | Антенное устройство с электронным сканированием луча |
US9391688B2 (en) | 2011-10-20 | 2016-07-12 | Radio Gigabit | System and method of relay communication with electronic beam adjustment |
RU168082U1 (ru) * | 2016-09-14 | 2017-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Интегрированная линзовая антенна |
RU171359U1 (ru) * | 2016-12-12 | 2017-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Интегральная антенна |
US9768500B2 (en) | 2013-03-22 | 2017-09-19 | Limited Liability Company “Radio Gigabit” | Radio-relay communication system with beam-scanning antenna |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11552390B2 (en) * | 2018-09-11 | 2023-01-10 | Rogers Corporation | Dielectric resonator antenna system |
-
2002
- 2002-09-11 RU RU2002124008/09A patent/RU2236073C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006075437A1 (ja) * | 2005-01-17 | 2006-07-20 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | アンテナ装置,無線通信装置及びレーダ装置 |
RU2497243C2 (ru) * | 2008-03-18 | 2013-10-27 | Астриум Лимитед | Узел облучателей антенны |
RU2586023C2 (ru) * | 2011-05-23 | 2016-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" | Антенное устройство с электронным сканированием луча |
US9590300B2 (en) | 2011-05-23 | 2017-03-07 | Radio Gigabit, Llc | Electronically beam-steerable antenna device |
US9391688B2 (en) | 2011-10-20 | 2016-07-12 | Radio Gigabit | System and method of relay communication with electronic beam adjustment |
RU2494506C1 (ru) * | 2012-07-10 | 2013-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Радио Гигабит" | Линзовая антенна с электронным сканированием луча |
RU2533636C2 (ru) * | 2013-01-22 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" | Рефлекторная антенна френеля |
US9768500B2 (en) | 2013-03-22 | 2017-09-19 | Limited Liability Company “Radio Gigabit” | Radio-relay communication system with beam-scanning antenna |
RU168082U1 (ru) * | 2016-09-14 | 2017-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Интегрированная линзовая антенна |
RU171359U1 (ru) * | 2016-12-12 | 2017-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Интегральная антенна |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2002124008A (ru) | 2004-03-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Costa et al. | Compact beam-steerable lens antenna for 60-GHz wireless communications | |
US8284102B2 (en) | Displaced feed parallel plate antenna | |
US20090315794A1 (en) | Millimeter-wave chip-lens array antenna systems for wireless networks | |
Di Palma et al. | Radiation pattern synthesis for monopulse radar applications with a reconfigurable transmitarray antenna | |
CN110165403B (zh) | 基于阵列馈电的宽角扫描变形半球介质透镜天线 | |
RU2236073C2 (ru) | Тороидальная линзовая антенна с электронным сканированием в двух плоскостях | |
GB2564501A (en) | A surface array antenna | |
Pourahmadazar et al. | A millimeter-wave fresnel zone plate lens design using perforated 3D printing material | |
US7123205B2 (en) | Configurable omnidirectional antenna | |
Hill et al. | Cascaded Fresnel lens antenna for scan loss mitigation in millimeter-wave access points | |
WO1996017403A1 (en) | Reconfigurable, zoomable, turnable, elliptical-beam antenna | |
GB2559009A (en) | A frequency scanned array antenna | |
Ren et al. | A 3-D-printed wideband millimeter-wave fan-beam antenna with flat-top, sharp cutoff patterns, and beam-scanning capability | |
RU2297698C2 (ru) | Тороидальная линзовая антенна с электрическим сканированием в полном телесном угле | |
Muppala et al. | Dynamic dual-reflector antennas for high-resolution real-time SAR imaging | |
US11996617B2 (en) | Toroidal gradient index lens for omni and sector antennas | |
Shao et al. | Rotationally Reconfigurable Single-Element Prism for Enhancing Scanning Flexibility of Risley Prism Antenna System | |
Tcvetkova et al. | Scanning characteristics of metamirror antennas with subwavelength focal distance | |
Pivit et al. | Compact 60-GHz lens antenna with self-alignment feature for small cell backhaul | |
Marin et al. | Figure of merit for beam-steering antennas | |
Ströber et al. | Parallel-plate waveguide lens for mechanical beam scanning using gap waveguide feed system | |
Koul et al. | Other Beam-Scanning Techniques | |
Schäfer et al. | Optimum reflector shapes for anticollision radar at 76 GHz | |
Mitchell et al. | A multiple-beam multiple-frequency spherical lens antenna system providing hemispherical coverage | |
CN116914443B (zh) | 一种双频波束扫描透射阵天线 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040912 |