RU2300163C1

RU2300163C1 - Lens antenna

Info

Publication number: RU2300163C1
Application number: RU2005137975/09A
Authority: RU
Inventors: Герман Васильевич Коробейников (RU); Герман Васильевич Коробейников; Юрий Васильевич Егошин (RU); Юрий Васильевич Егошин; Нина Васильевна Зайцева (RU); Нина Васильевна Зайцева; Данил Данилович Кохнюк (RU); Данил Данилович Кохнюк
Original assignee: ФГУП "Центральное конструкторское бюро автоматики"
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-05-27

Abstract

FIELD: antenna engineering; lens antennas.

SUBSTANCE: proposed antenna has metal dome in the form of top and bottom parts with cylindrical lens in-between made in the form of disk of homogeneous dielectric material, set of feeds, and absorbing material fitted between dome and lens. Symmetrical slopes are disposed in front part constituting antenna half below and above lens and dome; they are converging from common cylindrical part and are formed by half of truncated-cone surfaces with radii of top and bottom cone bases being in 0.5 relationship. Height of rear cylindrical part of lens and that of its front conical part are in 1.7 to 1 ratio. Lens is made of aircraft organic sheet glass whose dielectric constant ε = 2.55, refractivity n = 1.6.

EFFECT: improved design.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, в частности к линзовым антеннам.The invention relates to antenna technology, in particular to lens antennas.

В статье «Линзовые антенны на основе однородного диэлектрического шара: характеристики и потенциальные возможности» (Ю.Я.Харланов, журнал «Антенны», 2004, вып.2 (81), с.36-37) приведена оценка характеристик и размеров линзовых антенн на основе однородного диэлектрического шара для некоторых практически важных типов диэлектриков. Таких, как полиэтилен, полистирол, темплен + рутил, кварцевое стекло, ситалл. Однако полиэтилен и полистирол имеют ограниченную теплостойкость (до +100°С и +70°С соответственно). Кроме этого полистирол имеет низкую морозостойкость (-30°С -50°С). Темплен в настоящее время в России не выпускается. Кварцевое стекло и ситалл имеют диэлектрическую проницаемость 3,5.The article “Lens antennas based on a homogeneous dielectric ball: characteristics and potential possibilities” (Yu.Ya. Kharlanov, Antennas magazine, 2004, issue 2 (81), pp. 36-37) provides an assessment of the characteristics and sizes of lens antennas based on a uniform dielectric ball for some practically important types of dielectrics. Such as polyethylene, polystyrene, templan + rutile, quartz glass, glass. However, polyethylene and polystyrene have limited heat resistance (up to + 100 ° C and + 70 ° C, respectively). In addition, polystyrene has low frost resistance (-30 ° C -50 ° C). Templin is currently not available in Russia. Quartz glass and glass metal have a dielectric constant of 3.5.

В статье «Полифокальные диэлектрические линзовые антенны: результаты исследований и перспективы применения» (Е.В.Захаров, О.Я.Харланов, журнал «Радиотехника и электроника», 2005, том 50, №5, с.581-582) рассмотрены дисковые линзы, изготовленные из различных типов диэлектриков (фторопласт, полиэтилен, полиэтилен, наполненный двуокисью титана, ФЛАН-3,8). Недостатком фторопласта является большой удельный вес и хладотекучесть, ФЛАН-3,8 и полиэтилен, наполненный двуокисью титана, имеют общий недостаток - возможную неоднородность, зависящую от качества смешения исходных компонентов и технологии формования, в результате чего в линзе, изготовленной из этих материалов, возможна неравномерная диэлектрическая проницаемость и, как следствие, потери энергии и возрастание уровня боковых лепестков.The article “Polyfocal dielectric lens antennas: research results and application prospects” (E.V. Zakharov, O.Ya. Kharlanov, journal “Radio engineering and electronics”, 2005, volume 50, No. 5, p. 581-582) considered disk lenses made from various types of dielectrics (fluoroplastic, polyethylene, polyethylene filled with titanium dioxide, FLAN-3.8). The disadvantage of fluoroplastic is its high specific gravity and cold flow, FLAN-3.8 and polyethylene filled with titanium dioxide have a common drawback - possible heterogeneity depending on the quality of mixing of the starting components and molding technology, as a result of which it is possible in a lens made of these materials uneven permittivity and, as a consequence, energy loss and an increase in the level of side lobes.

Все это резко сужает область диэлектриков, которые могут работать в реальных конструкциях самолетных малоразмерных линзовых антенн.All this drastically narrows the field of dielectrics that can work in real aircraft small-sized lens antenna designs.

По типу применяемого диэлектрического материала известна диэлектрическая линза из плексигласа (органического стекла) (А.И.Скородумов, д.т.н. Г.И.Трошин, к.т.н. Ю.Я.Харланов «Диэлектрические линзовые антенны КВЧ и СВЧ-диапазонов», журнал «Зарубежная радиоэлектроника», 1990, №5, с.62-63). Однако плексиглас (органическое стекло) с диэлектрической проницаемостью 2,57 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0065 был использован только для изготовления модели диэлектрического шара при исследовании характеристик облучателя и теоретического расчета.According to the type of dielectric material used, a dielectric lens made of plexiglass (organic glass) is known (A.I. Skorodumov, Doctor of Technical Sciences G.I. Troshin, Ph.D. Yu.Ya. Kharlanov “Dielectric Lens Antennas for EHF and Microwave bands ”, journal“ Foreign Radio Electronics ”, 1990, No. 5, pp. 62-63). However, a plexiglass (organic glass) with a dielectric constant of 2.57 and a dielectric loss tangent of 0.0065 was used only to make a model of the dielectric ball in studying the characteristics of the irradiator and theoretical calculation.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является цилиндрическая линза Люнеберга, расположенная между двумя металлическими пластинами, в которой изменение коэффициента преломления достигается путем изменения толщины сплошного диэлектрика (М.С.Жук, Ю.Б.Молочков «Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств», М.: Энергия, 1973, с.57-60, рис.1-23в).Closest to the proposed invention is a Luneberg cylindrical lens located between two metal plates, in which a change in the refractive index is achieved by changing the thickness of a solid dielectric (M.S. Zhuk, Yu.B. Molochkov "Design of lens, scanning, wide-range antennas and feeder devices ", M.: Energy, 1973, p. 57-60, Fig. 1-23c).

В такой линзе фазовая скорость на вертикальной поляризации зависит только от эффективного коэффициента преломления диэлектрика, в то время как на горизонтальной поляризации фазовая скорость зависит и от коэффициента преломления диэлектрика и от расстояния между металлическими пластинами, что приводит к искажению необходимого закона изменения коэффициента преломления и сужению диапазонности линзы.In such a lens, the phase velocity on the vertical polarization depends only on the effective refractive index of the dielectric, while on the horizontal polarization the phase velocity depends on the refractive index of the dielectric and on the distance between the metal plates, which leads to a distortion of the necessary law of variation of the refractive index and narrowing the range lenses.

Следовательно, недостатком таких антенн является ограниченная возможность обеспечения одновременной работы на вертикальной и горизонтальной поляризациях в широкой полосе частот.Therefore, the disadvantage of such antennas is the limited ability to provide simultaneous operation on vertical and horizontal polarizations in a wide frequency band.

Современная техника требует максимально возможного увеличения полосы частот в пределах одной антенны, без установки дополнительных антенн, так как последние увеличивают ее весовые и габаритные характеристики, увеличивают аэродинамическое сопротивление летательного аппарата, уменьшают возможность размещения другого бортового оборудования.Modern technology requires the maximum possible increase in the frequency band within one antenna, without installing additional antennas, since the latter increase its weight and overall characteristics, increase the aerodynamic drag of the aircraft, and reduce the possibility of placing other onboard equipment.

Кроме того, требует решения вопрос обеспечения технологичности и работоспособности антенн при воздействии вибрационных нагрузок, повышенной влажности в интервале температур от -60°С до +120°С в условиях самолетного применения.In addition, the solution to the problem of ensuring the manufacturability and operability of antennas when exposed to vibrational loads, high humidity in the temperature range from -60 ° C to + 120 ° C in aircraft applications requires a solution.

Целью изобретения является увеличение рабочей полосы частот (перекрытие 4,5:1) линзовой антенны при приеме сигналов на вертикальной и горизонтальной поляризациях при сохранении расширенной области рабочих углов в плоскости, перпендикулярной к цилиндрической линзе, наряду с обеспечением технологичности и работоспособности антенны при воздействии вибрационных нагрузок, повышенной влажности в интервале температур от -60°С до +120°С в условиях самолетного применения.The aim of the invention is to increase the working frequency band (overlap of 4.5: 1) of the lens antenna when receiving signals at vertical and horizontal polarizations while maintaining an expanded area of working angles in a plane perpendicular to the cylindrical lens, while ensuring the manufacturability and operability of the antenna when exposed to vibrational loads , increased humidity in the temperature range from -60 ° C to + 120 ° C in aircraft applications.

Указанная цель достигается тем, что антенна содержит металлический корпус, выполненный в виде верхней и нижней половин, между которыми установлена цилиндрическая линза, выполненная из листового авиационного органического стекла механической обработкой, систему облучателей и размещенный между металлическим корпусом и линзой, поглощающий материал. При этом в передней части, составляющей половину антенны, сверху и снизу линза и корпус снабжены симметричными уклонами, сходящими от общей цилиндрической части, и образованными половиной поверхности усеченных конусов с радиусами верхнего и нижнего оснований конуса, выполненных в отношении 0,5, а высота задней цилиндрической части линзы и передней конической части линзы выполнены в отношении 1,7:1.This goal is achieved by the fact that the antenna comprises a metal housing made in the form of upper and lower halves, between which a cylindrical lens is installed, made of sheet aircraft organic glass by mechanical processing, a system of irradiators and located between the metal housing and the lens, absorbing material. Moreover, in the front part, which is half the antenna, the lens and the housing are equipped with symmetrical slopes descending from the common cylindrical part and formed by half the surface of the truncated cones with radii of the upper and lower bases of the cone, made in relation to 0.5, and the height of the back the cylindrical part of the lens and the front conical part of the lens are made in a ratio of 1.7: 1.

На чертеже изображена цилиндрическая диэлектрическая линза, где:The drawing shows a cylindrical dielectric lens, where:

r - радиус усеченной вершины половины конуса;r is the radius of the truncated vertex of half of the cone;

R - радиус линзы;R is the radius of the lens;

М, N - симметричные уклоны сверху и снизу, образованные половиной поверхности усеченных конусов;M, N - symmetrical slopes above and below, formed by half the surface of the truncated cones;

А - передняя коническая часть линзы (1/2 круга);A - front conical part of the lens (1/2 circle);

Б - задняя цилиндрическая часть линзы (1/2 круга).B - the rear cylindrical part of the lens (1/2 circle).

a/a₁=1,7:1 r/R=0,5a / a ₁ = 1.7: 1 r / R = 0.5

Основным элементом антенны является линза. Для изготовления линзы использовано листовое авиационное органическое стекло, в дополнение к действующим ТУ, на которое экспериментально определены его диэлектрические характеристики. Установлено, что выбранное листовое авиационное органическое стекло имеет диэлектрическую проницаемость ε=2,55, коэффициент преломления n=1,6, тангенс угла диэлектрических потерь 0,008.The main element of the antenna is the lens. For the manufacture of the lens used sheet aircraft organic glass, in addition to the existing specifications, which experimentally determined its dielectric characteristics. It has been established that the selected aviation sheet organic glass has a dielectric constant of ε = 2.55, a refractive index of n = 1.6, and a dielectric loss tangent of 0.008.

Линза на вертикальной и горизонтальной поляризациях работает по разным принципам. На вертикальной поляризации за счет диэлектрической проницаемости листового авиационного органического стекла ε=2,55 на выходе линзы получается фазовый фронт, близкий к плоскому при расположении облучателя на окружности линзы. На горизонтальной поляризации необходимый закон изменения расстояния между металлическими пластинами экрана осуществляется за счет профиля передней половины линзы этого же однородного диэлектрического материала, как показано на чертеже.A lens with vertical and horizontal polarizations works according to different principles. On vertical polarization, due to the dielectric constant of sheet aviation organic glass ε = 2.55, a phase front is obtained at the lens exit, which is close to flat when the irradiator is located on the circumference of the lens. On horizontal polarization, the necessary law for changing the distance between the metal plates of the screen is carried out due to the profile of the front half of the lens of the same homogeneous dielectric material, as shown in the drawing.

Цилиндрическая диэлектрическая линза, профилированная в вертикальной плоскости, из однородного диэлектрика позволяет качать диаграмму направленности в широком секторе углов без искажения начальной формы диаграммы, что является ее ценным свойством. В такой линзе отсутствует кома, но не устранена сферическая аберрация, т.е. в ней при любом положении облучателя на оси линзы невозможно создать в раскрыве плоский фронт. Можно получить фазовый фронт, близкий к плоскому, на некоторой части раскрыва путем выбора оптимальной диэлектрической проницаемости диэлектрика и положения облучателя линзы.A cylindrical dielectric lens, profiled in a vertical plane, from a homogeneous dielectric allows you to swing the radiation pattern in a wide sector of angles without distorting the initial shape of the diagram, which is its valuable property. There is no coma in such a lens, but spherical aberration is not eliminated, i.e. in it, at any position of the irradiator on the axis of the lens, it is impossible to create a flat front in the aperture. It is possible to obtain a phase front close to flat on a certain part of the aperture by choosing the optimal dielectric constant of the dielectric and the position of the lens irradiator.

Применение поглощающего материала, расположенного между линзой и металлическим корпусом, позволяет уменьшить уровень боковых лепестков, уменьшить ошибки по уходу равносигнального направления и улучшить форму диаграмм направленности.The use of absorbent material located between the lens and the metal body allows to reduce the level of the side lobes, to reduce errors in the care of the equal-signal direction, and to improve the shape of the radiation patterns.

Измерения диаграмм направленности линзовой антенны в плоскости пеленгации (азимутальная плоскость) показали, что изменения ширины диаграммы направленности в частотном диапазоне составляет ~2,5 раза при теоретически ожидаемом изменении в 4 раза, т.е. антенна проявляет принципы квазиширокополоскости. Это является ценным качеством при разработке системы и позволяет получить более стабильные характеристики системы. При диаметре линзы 1,5λ ниж. антенна формирует число лучей, равное количеству облучателей, имеет ширину диаграммы направленности в плоскости пеленгации от 10,5 до 26° каждого луча, работает в углах по азимуту 60° и по наклону ±30°, боковые лепестки не более 10%, уровень пересечения диаграмм направленности меняется в частотном диапазоне от 0,15 Р_МАХ до 0,78 Р_МАХ, уход равносигнального направления при всех изменениях частоты на вертикальной и горизонтальной поляризациях составляет в 0°, плоскости по наклону величину не более ±6°, КСВ антенны не более 3,5.Measurements of the radiation patterns of the lens antenna in the direction-finding plane (azimuthal plane) showed that the variation in the width of the radiation pattern in the frequency range is ~ 2.5 times with the theoretically expected change of 4 times, i.e. the antenna exhibits the principles of quasi-wideband. This is a valuable quality in the development of the system and allows you to get more stable characteristics of the system. With a lens diameter of 1.5λ lower. the antenna generates the number of rays equal to the number of irradiators, has a beam width in the direction-finding plane from 10.5 to 26 ° of each beam, operates in angles of 60 ° and tilt ± 30 °, side lobes no more than 10%, the level of intersection of the diagrams directivity varies in the frequency range from 0.15 P _MAX to 0.78 P _MAX , the departure of the equal-signal direction with all frequency changes at the vertical and horizontal polarizations is 0 °, the slope of the plane is no more than ± 6 °, antenna SWR no more than 3 ,5.

Линзовые антенны прошли следующие типовые испытания:The lens antennas have passed the following type tests:

1. проверка радиотехнических характеристик антенн в нормальных условиях на соответствие ТУ на изделие.1. checking the radio characteristics of the antennas under normal conditions for compliance with the technical specifications for the product.

2. испытание на воздействие циклического изменения температур при температуре -60°С - 2 ч, +85°С - 2 ч, всего 3 цикла,2. the test for the effects of cyclic temperature changes at a temperature of -60 ° C - 2 hours, + 85 ° C - 2 hours, a total of 3 cycles,

3. испытание на устойчивость при воздействии случайной вибрации на диапазоне частот 5-2000 Гц с ускорением 12 g,3. stability test when exposed to random vibration in the frequency range 5-2000 Hz with an acceleration of 12 g,

4. испытание на вибропрочность и виброустойчивость в диапазоне частот 10-2000 Гц с продолжительностью испытаний по 9 ч (оси x, у, z),4. vibration test and vibration resistance in the frequency range of 10-2000 Hz with a test duration of 9 hours (x, y, z axis),

5. испытание на воздействие повышенной влажности 96+100% при температуре 35-55°С в течение 10 суток,5. the test for exposure to high humidity 96 + 100% at a temperature of 35-55 ° C for 10 days,

6. испытание на воздействие повышенной температуры +70°С - 1,5 ч, +120°С - 3 мин,6. test for exposure to elevated temperature + 70 ° С - 1.5 h, + 120 ° С - 3 min,

7. испытание на воздействие пониженной температуры -60°С - 2 ч.7. test for exposure to low temperature -60 ° C - 2 hours

После каждого вида испытаний производилась проверка радиотехнических характеристик линзовых антенн, измерение КСВН.After each type of test, the radio technical characteristics of the lens antennas were checked, and the VSWR measurement was performed.

Таким образом, достигнут технический результат изобретения, т.к. антенна соответствует всем основным физическим требованиям и ограничениям, которые предъявляются к современным антеннам бортовых систем, а именно достигнуто увеличение рабочей полосы частот (перекрытие 4,5:1) линзовой цилиндрической антенны при приеме сигналов на вертикальной и горизонтальной поляризациях при сохранении расширенной области рабочих углов в плоскости, перпендикулярной к цилиндрической линзе, наряду с обеспечением работоспособности антенны при воздействии вибрационных нагрузок, повышенной влажности в интервале температур от -60°С до +120°С, а также простота, технологичность, повторяемость характеристик, возможность массового производства линзовых антенн.Thus, the technical result of the invention is achieved, because the antenna meets all the basic physical requirements and restrictions that apply to modern antennas of on-board systems, namely, an increase in the working frequency band (overlap of 4.5: 1) of the lens cylindrical antenna is achieved when receiving signals at vertical and horizontal polarizations while maintaining an extended area of working angles in a plane perpendicular to the cylindrical lens, along with ensuring the operability of the antenna when exposed to vibrational loads, high humidity in the temperature range atur from -60 ° С to + 120 ° С, as well as simplicity, manufacturability, repeatability of characteristics, the possibility of mass production of lens antennas.

Использование изобретения позволило без установки дополнительных антенн расширить рабочую полосу антенны, уменьшить аэродинамическое сопротивление и эффективную поверхность рассеивания летательного аппарата.The use of the invention allowed without the installation of additional antennas to expand the working band of the antenna, to reduce aerodynamic drag and the effective dispersion surface of the aircraft.

Claims

1. A lens antenna containing an irradiator, a metal body made in the form of upper and lower halves, between which a cylindrical lens of homogeneous dielectric material is installed, characterized in that the front and bottom half of the antenna, the lens and the metal body are symmetrical at the top and bottom deviations from the common cylindrical part and formed by half the surface of the truncated cones with radii of the upper and lower bases of the cone, made in relation to 0.5, and the height of the rear of cylindrical portion of the lens and the front tapered portion of the lens formed in a ratio of 1.7: 1.

2. The lens antenna according to claim 1, characterized in that a layer of radar absorbing material is placed on the inner surface of the metal casing.

3. The lens antenna according to claim 1, characterized in that a sheet of aviation organic glass is used as a uniform dielectric material of the lens.