RU2461929C1 - Method for optimal location and orientation of receiving/transmitting radiator in form of coaxially located dielectrics of cylindrical form in focal area of used collimating surfaces - Google Patents
Method for optimal location and orientation of receiving/transmitting radiator in form of coaxially located dielectrics of cylindrical form in focal area of used collimating surfaces Download PDFInfo
- Publication number
- RU2461929C1 RU2461929C1 RU2011115901/07A RU2011115901A RU2461929C1 RU 2461929 C1 RU2461929 C1 RU 2461929C1 RU 2011115901/07 A RU2011115901/07 A RU 2011115901/07A RU 2011115901 A RU2011115901 A RU 2011115901A RU 2461929 C1 RU2461929 C1 RU 2461929C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emitter
- optical
- plane
- rays
- orientation
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенным системам (АС), обеспечивающим формирование многолучевого пучка диаграмм направленности, с излучателями типа диэлектрический волновод или световод, расположенными на облучающей решетке (ОР) и использующими коллимирующие поверхности (КЛП) различного профиля (параболического, эллиптического, сферического). Способ, описанный в изобретении, предложен для использования в системах радиосвязи, радиопеленга и радиотехнических системах наблюдения за объектами, оптических устройствах мультиплексирования/демультиплексирования.The invention relates to radio engineering, namely to antenna systems (AS), providing the formation of a multi-beam beam pattern with emitters such as a dielectric waveguide or optical fiber located on the irradiating array (OR) and using collimating surfaces (CLP) of various profiles (parabolic, elliptical, spherical). The method described in the invention is proposed for use in radio communication systems, radio direction finding and radio engineering systems for monitoring objects, optical multiplexing / demultiplexing devices.
В известных конструкциях многолучевых зеркальных антенн (А.С. СССР №148630, H01Q 15/20, №1181020, H01Q 19/18, №1137548, H01Q 19/18, №1596420, H01Q 25/00, №1647708, H01Q 3/26, №1517080, H01Q 3/24, №1665443, H01Q 25/00, №218519, H01Q 19/18, H01Q 19/185, №2336615, H01Q 15/00, пат. ФРГ №2624398, H01Q 3/26, пат. США №4044361, H01Q 3/00, №4516130, H01Q 19/19, №3914768, H01Q 3/24) описаны различные технические решения по формированию нескольких отклоненных диаграмм направленности - "парциальных лучей" или сканированию лучом диаграммы направленности в заданном угловом секторе с различными способами размещения и ориентации облучающей решетки и облучателей на ней.In the known designs of multi-beam mirror antennas (AS USSR No. 148630, H01Q 15/20, No. 1181020,
Однако эффективность подобных технических решений снижается из-за наличия фазовых искажений, возникающих при неточном размещении и ориентации приемного/передающего излучателя на используемую КЛП.However, the effectiveness of such technical solutions is reduced due to the presence of phase distortions arising from inaccurate placement and orientation of the receiving / transmitting emitter to the used LPC.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция многолучевой неапланатической зеркальной антенны, описанная в патенте RU №2181519, H01Q 19/18, H01Q 19/185, в котором предложен алгоритм размещения излучателей, формирующих сферический фазовый фронт излучаемой волны, в области соответствующей максимальной концентрации лучевого (в геометрооптическом представлении) потока отраженной от основного и дополнительного рефлекторов приходящей волны с плоским фазовым фронтом, направление прихода которой совпадает с ориентацией максимума диаграммы направленности, при этом фазовый центр каждого излучателя совмещен с частичным фазовым центром предшествующего рефлектора, определяемого как центр тяжести масс точек неоднородной плоской фигуры раскрыва излучателя, ограниченной лучами (в геометрооптическом представлении), отраженными от кромки предшествующего зеркала.The closest in technical essence is the design of a multi-beam neaplanatic mirror antenna described in patent RU No. 2181519,
К недостаткам конструкции следует отнести снижение уровня электромагнитного поля в режиме приема отклоненного "парциального" луча и увеличение потерь в режиме передачи при формировании отклоненных "парциальных" лучей из-за нарушения условий согласования электромагнитного поля приходящей от КЛП волны с полем излучателя в виде коаксиально-расположенных диэлектриков цилиндрического вида. Следствием этого является снижение коэффициента направленного действия антенны для каждого из парциальных лучей и уменьшение величины развязки между парциальными лучами. Поэтому эффективность данного технического решения снижается.The design flaws include a decrease in the electromagnetic field level in the reception mode of the rejected "partial" beam and an increase in losses in the transmission mode during the formation of rejected "partial" rays due to violation of the conditions for matching the electromagnetic field of the wave coming from the CLP with the emitter field in the form of coaxially arranged dielectrics of a cylindrical form. The consequence of this is a decrease in the directional coefficient of the antenna for each of the partial rays and a decrease in the isolation between the partial rays. Therefore, the effectiveness of this technical solution is reduced.
Задачей изобретения является создание способа оптимального размещения и ориентации приемного/передающего излучателя в виде коаксиально-расположенных диэлектриков цилиндрической формы в фокальной области используемых коллимирующих поверхностей для увеличения коэффициента направленного действия антенны [Заикин И.П., Тонкий А.В., Абрамов С.К., Лукин В.В. Основы теории антенн. - Харьков, 2005 г., с.10] для каждого из парциальных лучей и величины развязки между парциальными лучами.The objective of the invention is to provide a method for the optimal placement and orientation of the receiving / transmitting emitter in the form of coaxially arranged cylindrical dielectrics in the focal region of the used collimating surfaces to increase the directional coefficient of the antenna [Zaikin I.P., Tonky A.V., Abramov S.K. ., Lukin V.V. Fundamentals of the theory of antennas. - Kharkov, 2005, p.10] for each of the partial rays and the magnitude of the isolation between the partial rays.
Эта задача решается тем, что способ оптимального размещения и ориентации приемного/передающего излучателя в виде коаксиально-расположенных диэлектриков цилиндрической формы в фокальной области используемых коллимирующих поверхностей, заключающийся в размещении и ориентации излучателей, формирующих сферический фазовый фронт излучаемой волны, в общей системе координат коллимирующей поверхности для произвольного направления прихода плоской волны, отличающийся тем, что углы ориентации излучателя, расположенного в точке, соответствующей максимальной концентрации геометрооптических лучей (ГО-лучей), отраженных от коллимирующей поверхности в режиме приема/передачи для заданного направления прихода плоской волны и определяемой как центр масс точек неоднородной плоской фигуры раскрыва излучателя, ограниченной лучами, отраженными от коллимирующей поверхности, в общей системе координат коллимирующей поверхности определяют путем решения задач согласования размеров области перетяжки геометрооптического поля (ГО-поля), являющегося совокупностью ГО-лучей, отраженных от коллимирующей поверхности, и апертуры излучателя; задания однолучевого характера ГО-поля с одновременным приближением плотности распределения ГО-лучей в области согласования к Гауссовому распределению; минимизации количества "косых" лучей в излучателе при его возбуждении от коллимирующей поверхности путем минимизации расстояния от плоскости главного сечения излучателя до плоскости преломления произвольного ГО-луча.This problem is solved in that the method of optimal placement and orientation of the receiving / transmitting emitter in the form of coaxially arranged cylindrical dielectrics in the focal region of the used collimating surfaces, which consists in placing and orienting the emitters forming the spherical phase front of the emitted wave in the general coordinate system of the collimating surface for an arbitrary direction of arrival of a plane wave, characterized in that the orientation angles of the emitter located at a point correspond to the maximum concentration of geometrical optical rays (GO rays) reflected from the collimating surface in the transmit / receive mode for a given direction of arrival of the plane wave and defined as the center of mass of the points of the inhomogeneous plane shape of the emitter’s aperture bounded by the rays reflected from the collimating surface in the general coordinate system the collimating surface is determined by solving the problems of matching the dimensions of the waist region of the geo-optical field (GO field), which is a set of GO rays reflected about t collimating surface, and the aperture of the emitter; assigning the single-beam character of the GO field with the simultaneous approximation of the distribution density of the GO rays in the matching region to the Gaussian distribution; minimize the number of "oblique" rays in the emitter when it is excited from the collimating surface by minimizing the distance from the plane of the main cross section of the emitter to the plane of refraction of an arbitrary GO ray.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает увеличение коэффициента направленного действия антенны для каждого из парциальных лучей и величины развязки между парциальными лучами.The listed new set of essential features provides an increase in the directional coefficient of the antenna for each of the partial rays and the magnitude of the isolation between the partial rays.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности "новизна".The analysis of the prior art made it possible to establish that analogues that are characterized by a combination of features that are identical to all the features of the claimed technical solution are absent, which indicates compliance of the invention with the condition of patentability "novelty".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".Search results for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the claimed object from the prototype showed that they do not follow explicitly from the prior art. The prior art also did not reveal the popularity of the impact provided by the essential features of the claimed invention, the transformations on the achievement of the specified technical result. Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "inventive step".
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:The claimed method is illustrated by drawings, which show:
на фиг.1 - геометрия решения задачи по оптимальному размещению и ориентации приемного/передающего излучателя;figure 1 - geometry of the solution to the problem of the optimal placement and orientation of the receiving / transmitting emitter;
на фиг.2 - блок-схема алгоритма размещения и ориентации приемного/передающего излучателя в виде коаксиально-расположенных диэлектриков цилиндрической формы в фокальной области используемых коллимирующих поверхностей;figure 2 is a block diagram of an algorithm for the placement and orientation of the receiving / transmitting emitter in the form of coaxially arranged cylindrical dielectrics in the focal region of the used collimating surfaces;
на фиг.3 - распределение лучевого потока, отраженного от рефлектора на поверхности излучателя, в случае программной реализации способа размещения и ориентации, описанном в патенте RU №2181519, H01Q 19/18, H01Q 19/185;figure 3 - distribution of the radiation flux reflected from the reflector on the surface of the emitter, in the case of software implementation of the method of placement and orientation described in patent RU No. 2181519,
на фиг.4 - спектральная плотность распределения отраженных от рефлектора лучей на поверхности излучателя в случае программной реализации способа размещения и ориентации, описанном в патенте RU №2181519, H01Q 19/18, H01Q 19/185;figure 4 - spectral density distribution of the rays reflected from the reflector on the surface of the emitter in the case of software implementation of the method of placement and orientation described in patent RU No. 2181519,
на фиг.5 - распределение лучевого потока, отраженного от рефлектора на поверхности излучателя, в случае программной реализации заявленного способа;figure 5 - distribution of the radiation flux reflected from the reflector on the surface of the emitter, in the case of software implementation of the inventive method;
на фиг.6 - спектральная плотность распределения отраженных от рефлектора лучей на поверхности излучателя в случае программной реализации заявленного способа.Fig.6 is the spectral density of the distribution of the rays reflected from the reflector on the surface of the emitter in the case of software implementation of the inventive method.
В общем случае решение задачи сводится к оптимальному размещению и ориентации плоскости излучателя (1) (система координат O”X”Y”Z”) (см. фиг.1) в общей системе координат XYZ КЛП (2) для произвольного направления (θm, ξm) прихода плоской волны (3). Процедура выполнения алгоритма поиска оптимального размещения излучателя в системе "КЛП - излучатель" сведена к следующим этапам.In the general case, the solution of the problem is reduced to the optimal placement and orientation of the emitter plane (1) (coordinate system O ”X” Y ”Z”) (see FIG. 1) in the general coordinate system XYZ of the CLP (2) for an arbitrary direction (θ m , ξ m ) of arrival of a plane wave (3). The procedure for performing the search algorithm for the optimal placement of the emitter in the "KLP - emitter" system is reduced to the following steps.
Первый этап - решение задачи по определению точки максимальной концентрации ГО-лучей (точка O”(xф, yф, zф)) для произвольного направления (θm, ξm) прихода плоской волны.The first stage is to solve the problem of determining the point of maximum concentration of GO rays (point O ”(x f , y f , z f )) for an arbitrary direction (θ m , ξ m ) of arrival of a plane wave.
В фокальной области КЛП задана точка O”(хф, yф, zф). Тогда квадрат расстояния от этой точки до произвольного луча с направляющими коэффициентами отраженного от КЛП в точке M(xj, yj, zj), записывается в видеIn the focal region of the CLP, the point O ”(x f , y f , z f ) is given. Then the square of the distance from this point to an arbitrary ray with guide coefficients reflected from the CLP at the point M (x j , y j , z j ), is written as
где - условие направляющих коэффициентов. Where - the condition of the guide coefficients.
Плотность лучей в фокальной области пропорциональна d2 и определится выражениемThe density of rays in the focal region is proportional to d 2 and is determined by the expression
где n - число лучей в приближении геометрической оптики, отраженных от рефлектора КЛП в точках (xj; yj; zj), j=1…n. Максимуму плотности лучей отвечает минимум суммы квадратов расстояний от точки O”(xф, yф, zф) до всех отраженных от рефлектора лучей. Последнее соответствует системе уравнений:where n is the number of rays in the geometric optics approximation reflected from the LPC reflector at the points (x j ; y j ; z j ), j = 1 ... n. The maximum density of rays corresponds to the minimum of the sum of the squares of the distances from the point O ”(x f , y f , z f ) to all rays reflected from the reflector. The latter corresponds to the system of equations:
Подставляя (1) и (2) в (3), после выполнения преобразований получим неособенную систему алгебраических уравнений вида Ан=b:Substituting (1) and (2) into (3), after performing the transformations, we obtain a non-singular system of algebraic equations of the form An = b:
nx=∂z/∂x; ny=∂z/∂y.n x = ∂z / ∂x; n y = ∂z / ∂y.
Решение (4) в виде н=А-1b позволяет определить координаты точки O”(хф, yф, zф) в системе координат (O, x, y, z) для каждого отдельного угла (θm, ξm) прихода плоской электромагнитной волны, определяемого длиной волны.Solution (4) in the form n = A -1 b allows you to determine the coordinates of the point O ”(x f , y f , z f ) in the coordinate system (O, x, y, z) for each individual angle (θ m , ξ m ) the arrival of a plane electromagnetic wave, determined by the wavelength.
Второй этап - обеспечивает согласование размеров области перетяжки ГО-поля КЛП и апертуры излучателя, а также однолучевой характер данного поля с одновременным приближением плотности распределения ГО-лучей в области согласования к Гауссовому распределению. Введем параметр существования поля основной моды в излучателе коаксиального типа или световоде [Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. - М.: Изд. Мир, 1980 г.]The second stage provides coordination of the sizes of the waist region of the CL field of the CLP and the aperture of the emitter, as well as the single-beam nature of this field with the simultaneous approximation of the distribution density of GO rays in the matching region to the Gaussian distribution. We introduce the parameter of the existence of the fundamental mode field in a coaxial type emitter or fiber [Unger H.-G. Planar and fiber optical waveguides. - M.: Publishing. World, 1980]
где а - радиус излучателя;where a is the radius of the emitter;
v2 - коэффициент преломления на оси излучателя;v 2 is the refractive index on the axis of the emitter;
k=2π/λ - волновой параметр в свободном пространстве;k = 2π / λ is the wave parameter in free space;
Δ - относительная разность показателей преломления излучателя.Δ is the relative difference in the refractive indices of the emitter.
Параметр woс определяет радиус согласования. Поперечное распределение поля основной моды опишем функцией Гаусса Ψ(w)=exp(-a2/2w2), что обеспечивает отсутствие боковых лепестков в характеристике (диаграмме) излучения излучателя, а следовательно, и снижает эффект взаимного влияния рядом расположенных излучателя в АС с использованием КЛП. Таким образом, для достижения цели второго этапа алгоритма оптимизации необходимо выполнение следующих условий:The parameter w oс determines the radius of coordination. We describe the transverse distribution of the field of the main mode by the Gaussian function Ψ (w) = exp (-a 2 / 2w 2 ), which ensures the absence of side lobes in the characteristic (diagram) of the emitter radiation, and, therefore, reduces the effect of mutual influence of adjacent emitters in the speakers with using KLP. Thus, to achieve the goal of the second stage of the optimization algorithm, the following conditions must be met:
где wgo, woc - радиус зоны перетяжки ГО-лучей КЛП и радиус пятна согласования излучателя соответственно;where w go , w oc is the radius of the waist zone of the G-rays of the CLP and the radius of the spot matching the emitter, respectively;
|S(wgo)|, |Ψ(woc)| - распределение спектральной плотности ГО-лучей в области перетяжки КЛП и Гауссово распределение на раскрыве излучателя соответственно. Поскольку геометрические размеры раскрыва излучателя и их физические параметры, как правило, известны или могут быть заданы, то определение woc не представляет проблем. Совместное решение (7) и (8) может быть достигнуто при переходе к барицентрической системе координат или Б-координатам [Балк М.Б., Болтянский В.Г. Геометрия масс.- М.: Изд. Наука, 1987 г., с.76], при этом условие (7) принимает вид| S (w go ) |, | Ψ (w oc ) | - distribution of the spectral density of GO rays in the region of the KLP waist and the Gaussian distribution at the emitter aperture, respectively. Since the geometrical dimensions of the aperture of the emitter and their physical parameters are, as a rule, known or can be specified, the determination of w oc is not a problem. A joint solution of (7) and (8) can be achieved by passing to a barycentric coordinate system or B-coordinates [Balk MB, Boltyanskiy V.G. Geometry mass.- M .: Izd. Science, 1987, p.76], while condition (7) takes the form
где - общая "масса" σ-системы материальных точек в области согласования;Where - the total "mass" of the σ-system of material points in the field of coordination;
(JK(σ), Jф(σ)) - моменты инерции σ-системы относительно выбранных точек Kj(xП, yП, zП) и Ф(xф, yф, zф)⇔O”(xф, yф, zф), определяющих размеры области перетяжки или согласования.(J K (σ), J f (σ)) are the moments of inertia of the σ-system relative to the selected points K j (x П , y П , z П ) and Ф (x ф , y ф , z ф ) ⇔ O ”( x f , y f , z f ) defining the dimensions of the hauling or matching region.
Определим "массы" точек σ-системы, принадлежащих wgo, wос по плотности их расположения относительно друг друга и представим их в виде спектральных распределений |S(wgo)|, |Ψ(woc)|.We determine the "masses" of the points of the σ-system that belong to w go , w oc from the density of their arrangement relative to each other and represent them in the form of spectral distributions | S (w go ) |, | Ψ (w oc ) |.
Введем евклидово расстояние между некоторой k-й материальной точкой в N-мерном пространстве и другими точками этого же пространства:We introduce the Euclidean distance between some kth material point in the N-dimensional space and other points of the same space:
где j - индекс проверяемых материальных точек N-мерного пространства, (rk-rj)2=(xk-xj)2+(yk-yj)2+(zk-zj)2.where j is the index of the tested material points of the N-dimensional space, (r k -r j ) 2 = (x k -x j ) 2 + (y k -y j ) 2 + (z k -z j ) 2 .
Нормированное значение "массы" каждой из k-x материальных точек в N-мерном пространстве получим в видеThe normalized value of the "mass" of each of the k-x material points in the N-dimensional space will be obtained in the form
Моменты инерции σ-системы относительно выбранных точек Kj(xП, yП, zП) и Ф(xф, yф, zф)⇔O”(xф, yф, zф) в N-мерном пространстве записываются в виде:Moments of inertia of the σ-system relative to the selected points K j (x П , y П , z П ) and Ф (x ф , y ф , z ф ) ⇔O ”(x ф , y ф , z ф ) in the N-dimensional space are written as:
Поскольку сумма расстояний от произвольной точки области согласования до всех ГО-лучей будет характеризовать их плотность в окрестности этой точки, то распределение спектральной плотности ГО-лучей в области перетяжки КЛП определяется выражением [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Изд. Наука, 1973 г., с.265]Since the sum of the distances from an arbitrary point of the matching region to all GO rays will characterize their density in the vicinity of this point, the distribution of the spectral density of GO rays in the region of the CLP constriction is determined by the expression [Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. - M.: Publishing. Science, 1973, p.265]
а Гауссово распределение на раскрыве излучателяa Gaussian distribution at the aperture of the emitter
где .Where .
Таким образом, достижение (7) и (8) сводится к последовательному выполнению операций: расчет "масс" всех k∈j…N точек пересечения ГО-лучей с плоскостью сечения области перетяжки (согласования) по (11); расчет координат центра "масс" совокупности названных выше точек (координаты точки Ф(xф, yф, zф)⇔O”(xф, yф, zф)); задание "масс" полученных точек в соответствии с распределением Гаусса по (14); определение значений JK(σ) и JФ(σ) по (12); решение задачи о поиске (хk, yk, zk), доставляющих минимумThus, the achievement of (7) and (8) is reduced to the sequential execution of the operations: calculating the "masses" of all k∈j ... N points of intersection of the GO rays with the section plane of the waist region (matching) according to (11); calculation of the coordinates of the center of mass of the totality of the above points (the coordinates of the point Ф (x ф , y ф , z ф ) ⇔O ”(x ф , y ф , z ф )); setting the "masses" of the obtained points in accordance with the Gaussian distribution according to (14); determination of the values of J K (σ) and J Ф (σ) according to (12); solving the search problem (x k , y k , z k ) that deliver a minimum
при ограничении , т.е. задаче программирования с ограничениями типа неравенств.while limiting , i.e. a programming problem with inequality constraints.
Третий этап - направлен на решение задачи минимизации количества "косых" лучей в излучателе при его возбуждении от КЛП. Из приведенной на фиг.1 геометрии решения задачи очевидно, что при пересечении j-го ГО-луча, приходящего от j-й точки на поверхности зеркала КЛП в плоскости апертуры излучателя образуется некоторая точка Kj(xП, yП, zП), которая одновременно принадлежит двум плоскостям, а именно плоскости падения/преломления - Qj, проходящей через приходящий отраженный j-й ГО-луч и нормаль к поверхности апертуры ОС и меридиональной плоскости излучателя - Фj, проходящей через точки O”(xф, yф, zф), Kj(xП, yП, zП) и ось излучателя, задаваемую вектором МcО”. Вводя плоскость преломления Qj для каждого j-го ГО-луча, можем определить точку Тj(xq, yq, zq) - пересечения перпендикуляра, опущенного из точки Mc(xc, yc, zc), по определению принадлежащей меридиональной плоскости Фj, с плоскостью Qj. В свою очередь, зная точку Tj(xq, yq, zq), которая по условию решения принадлежит плоскости Qj, можем задать вектор (KT)j. Расстояние ρj=|McTj| от введенной точки Мc(xc, yc, zc) до переменного вектора (KT)j характеризует величину углового отклонения плоскости преломления от меридиональной плоскости, а следовательно, минимум суммы квадратов расстояний ρj=|McTj| для всех ГО-лучей и будет соответствовать такому положению точки Mc(xc, yc, zc), при котором минимизируется общее количество "косых" лучей или пространственных мод в излучателе.The third stage is aimed at solving the problem of minimizing the number of "oblique" rays in the emitter when it is excited from the CLP. From the geometry of the solution to the problem shown in FIG. 1, it is obvious that at the intersection of the j-th GO ray coming from the j-th point on the surface of the LPC mirror, a certain point K j (x П , y П , z П ) is formed in the plane of the radiator aperture , which simultaneously belongs to two planes, namely, the plane of incidence / refraction - Q j passing through the incoming reflected j-th GO ray and normal to the surface of the aperture of the OS and the meridional plane of the emitter - Ф j passing through the points O ”(x f , y f , z f ), K j (x P , y P , z P ) and the emitter axis defined by the vector M c O ”. Introducing the refraction plane Q j for each j-th GO ray, we can determine the point T j (x q , y q , z q ) - the intersection of the perpendicular dropped from the point M c (x c , y c , z c ), by determination of the belonging to the meridional plane Ф j , with the plane Q j . In turn, knowing the point T j (x q , y q , z q ), which, by the condition of the solution, belongs to the plane Q j , we can set the vector (KT) j . The distance ρ j = | M c T j | from the entered point M c (x c , y c , z c ) to the variable vector (KT) j characterizes the angular deviation of the plane of refraction from the meridional plane, and therefore, the minimum sum of the squares of the distances ρ j = | M c T j | for all GO rays, and will correspond to the position of the point M c (x c , y c , z c ) at which the total number of oblique rays or spatial modes in the emitter is minimized.
Процедура решения третьего этапа алгоритма сведена к следующей последовательности. Из решения (8) определено положение точки O”(хф, yф, zф), тогда, задавая координаты точки N(xk, yk, zk), находим направляющий векторThe procedure for solving the third stage of the algorithm is reduced to the following sequence. From the solution (8), the position of the point O ”(x f , y f , z f ) is determined, then, setting the coordinates of the point N (x k , y k , z k ), we find the direction vector
где Where
Определяем положение главных плоскостей (O”X”Z”) и (O”Y”Z”) "пучка" меридиональных плоскостей излучателя:We determine the position of the main planes (O ”X” Z ”) and (O” Y ”Z”) of the “beam” of the meridional planes of the emitter:
где Where
Задаем ориентацию осей относительно системы координат КЛП и определяем точки пересечения j-x ГО-лучей с плоскостью апертуры излучателя:Set axis orientation relative to the KLP coordinate system and determine the intersection points jx of the GO rays with the plane of the aperture of the emitter:
где Where
В соответствии с законом преломления [Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. - М.: Связь, 1978 г., с.13]In accordance with the law of refraction [Borovikov V.A., Kinber B.E. The geometric theory of diffraction. - M .: Communication, 1978, p.13]
где ν - отношение показателей преломления сред;where ν is the ratio of the refractive indices of the media;
Ψ0 - угол падения (угол между ортом нормали к поверхности апертуры ОС и вектором отраженного от КЛП2 луча );Ψ 0 - angle of incidence (angle between the normal of the normal to the surface of the aperture of the OS and the vector of the beam reflected from the CLP 2 );
Ψ2 - угол преломления (угол между ортом и ).Ψ 2 - angle of refraction (angle between the unit vector and )
Определяем направляющие косинусы преломленного j-го ГО-луча с учетом орта внешней нормали к плоскости апертуры ОС в каждой ее точке с координатами Kj(xП, yП, zП)Determine the direction cosines refracted j-th GO ray, taking into account the unit vector of the outer normal to the plane of the OS aperture at each point with coordinates K j (x П , y П , z П )
где производные , берутся по поверхности апертуры излучателя.where are the derivatives , taken over the surface of the aperture of the emitter.
Уравнение плоскости преломления записываем в виде:The equation of the plane of refraction is written as:
где ;Where ;
; ;
Координаты точки пересечения перпендикуляра, опущенного из точки Мc(xc, yc, zc) на данную плоскость, запишем в виде:The coordinates of the intersection point of the perpendicular dropped from the point M c (x c , y c , z c ) to this plane, we write in the form:
где Where
Из (21) легко определяются направляющие косинусы вектора , принадлежащего только данной плоскости гдеFrom (21), the direction cosines of the vector are easily determined belonging only to this plane Where
Требование , где соотношениеDemand where the ratio
приводит к решению задачи безусловной оптимизации вида (3) leads to solving the problem of unconditional optimization of the form (3)
а следовательно, и системе линейных алгебраических уравнений (4) с соответствующей заменой (xф, yф, zф) на (xc, yc, zc) и на Решение (23) определяет положение оси излучателя относительно апертуры, а следовательно, и угол среза торца излучателя для конкретного положения в пространстве.and therefore, the system of linear algebraic equations (4) with the corresponding replacement (x f , y f , z f ) by (x c , y c , z c ) and on Solution (23) determines the position of the axis of the emitter relative to the aperture, and therefore the cutting angle of the end of the emitter for a specific position in space.
Блок-схема алгоритма размещения и ориентации приемного/передающего излучателя в виде коаксиально-расположенных диэлектриков цилиндрической формы в фокальной области используемых коллимирующих поверхностей представлена на фиг.2.The block diagram of the algorithm for the placement and orientation of the receiving / transmitting emitter in the form of coaxially arranged cylindrical dielectrics in the focal region of the used collimating surfaces is shown in FIG. 2.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа на ЭВМ на примере выбора оптимального места положения и ориентации одномодового излучателя диаметром dν=3,7 мкм в системе координат осинесимметричного КЛП в виде вырезки из параболоида вращения с диаметром рефлектора da=0,2 мм и фокусным расстоянием fa=0,4 мм, длина волны λ=1300 нм, а направление прихода плоской волны определяется координатами θm=5° и ξm=0°. В случае программной реализации способом размещения и ориентации, описанном в патенте RU №2181519, H01Q 19/18, H01Q 19/185, результат расчета распределения лучевого потока, отраженного от рефлектора на поверхности излучателя, представлен фиг.3.Consider the implementation of the proposed method on a computer using the example of choosing the optimal position and orientation of a single-mode radiator with a diameter d ν = 3.7 μm in the coordinate system of an axisymmetric LPC in the form of a cut from a rotation paraboloid with a reflector diameter d a = 0.2 mm and focal length f a = 0.4 mm, wavelength λ = 1300 nm, and the plane wave arrival direction is determined by the coordinates θ m = 5 ° and ξ m = 0 °. In the case of software implementation by the method of placement and orientation described in patent RU No. 2181519,
Спектральная плотность распределения отраженных от рефлектора лучей представлена на фиг.4.The spectral distribution density of the rays reflected from the reflector is shown in Fig.4.
В случае программной реализации заявленного способа при аналогичных исходных данных результат расчета распределения лучевого потока, отраженного от рефлектора на поверхности излучателя представлен фиг.5.In the case of software implementation of the inventive method with the same initial data, the result of calculating the distribution of the radiation flux reflected from the reflector on the surface of the emitter is presented in Fig.5.
Спектральная плотность распределения отраженных от рефлектора лучей представлена на фиг.6.The spectral distribution density of the rays reflected from the reflector is shown in Fig.6.
Таким образом, предлагаемый способ оптимального размещения и ориентации приемного/передающего излучателя в виде коаксиально-расположенных диэлектриков цилиндрической формы в фокальной области используемых коллимирующих поверхностей можно рассматривать как новый способ выбора оптимальных мест расположения излучателей и их ориентации в пространстве. Кроме того, использование в качестве КЛП вырезки из любой иной поверхности не накладывает ограничения на предложенный способ, т.е. заявленное решение является общим любых КЛП, формирующих многолучевую диаграмму направленности или предназначенных для обеспечения сканирования путем попеременной коммутации лучей как в СВЧ-КВЧ, так и в оптическом диапазонах.Thus, the proposed method for the optimal placement and orientation of the receiving / transmitting emitter in the form of coaxially arranged cylindrical dielectrics in the focal region of the used collimating surfaces can be considered as a new way of choosing the optimal emitter locations and their spatial orientation. In addition, the use as a CLP of cutting from any other surface does not impose restrictions on the proposed method, i.e. The claimed solution is a common one of any LPCs forming a multi-beam radiation pattern or designed to provide scanning by alternating switching of beams both in the microwave-high-frequency and in the optical ranges.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011115901/07A RU2461929C1 (en) | 2011-04-21 | 2011-04-21 | Method for optimal location and orientation of receiving/transmitting radiator in form of coaxially located dielectrics of cylindrical form in focal area of used collimating surfaces |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011115901/07A RU2461929C1 (en) | 2011-04-21 | 2011-04-21 | Method for optimal location and orientation of receiving/transmitting radiator in form of coaxially located dielectrics of cylindrical form in focal area of used collimating surfaces |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2461929C1 true RU2461929C1 (en) | 2012-09-20 |
Family
ID=47077605
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011115901/07A RU2461929C1 (en) | 2011-04-21 | 2011-04-21 | Method for optimal location and orientation of receiving/transmitting radiator in form of coaxially located dielectrics of cylindrical form in focal area of used collimating surfaces |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2461929C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2624008C2 (en) * | 2015-11-25 | 2017-06-30 | Акционерное общество "Концерн "Гранит-Электрон" | Monopulse pelengator with combined antenna device |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5057842A (en) * | 1989-04-24 | 1991-10-15 | Vegla Vereinigte Glaswerke Gmbh | Outer wall of a structure located near a radar station |
RU2173496C1 (en) * | 2000-07-10 | 2001-09-10 | ВЕЙВФРОНТИЕР Ко., Лтд. | Mirror antenna |
RU2181519C1 (en) * | 2001-05-14 | 2002-04-20 | Академия ФАПСИ при Президенте Российской Федерации | Hybrid multiple-beam non-atlantic mirror antenna |
RU2342748C1 (en) * | 2007-04-16 | 2008-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт "Градиент" | Broadband multi-beam dish antenna |
RU2355082C2 (en) * | 2004-12-17 | 2009-05-10 | Сергей Ренальдович Лопатин | Mirror antenna |
-
2011
- 2011-04-21 RU RU2011115901/07A patent/RU2461929C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5057842A (en) * | 1989-04-24 | 1991-10-15 | Vegla Vereinigte Glaswerke Gmbh | Outer wall of a structure located near a radar station |
RU2173496C1 (en) * | 2000-07-10 | 2001-09-10 | ВЕЙВФРОНТИЕР Ко., Лтд. | Mirror antenna |
RU2181519C1 (en) * | 2001-05-14 | 2002-04-20 | Академия ФАПСИ при Президенте Российской Федерации | Hybrid multiple-beam non-atlantic mirror antenna |
RU2355082C2 (en) * | 2004-12-17 | 2009-05-10 | Сергей Ренальдович Лопатин | Mirror antenna |
RU2342748C1 (en) * | 2007-04-16 | 2008-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт "Градиент" | Broadband multi-beam dish antenna |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2624008C2 (en) * | 2015-11-25 | 2017-06-30 | Акционерное общество "Концерн "Гранит-Электрон" | Monopulse pelengator with combined antenna device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11699858B2 (en) | Lens arrays configurations for improved signal performance | |
US9583840B1 (en) | Microwave zoom antenna using metal plate lenses | |
US20110309987A1 (en) | Reflector antenna including radome | |
CN109557028B (en) | Multi-pass tank with dense light spot patterns | |
TW201135213A (en) | Multi-channel optical cell | |
CN112099023B (en) | Multi-line laser radar | |
Hasselmann et al. | Asymptotic analysis of parabolic reflector antennas | |
CN109407310B (en) | Design method of multi-pass tank | |
RU2461929C1 (en) | Method for optimal location and orientation of receiving/transmitting radiator in form of coaxially located dielectrics of cylindrical form in focal area of used collimating surfaces | |
CN110687680B (en) | Method for optimizing lens | |
CN106443638A (en) | Analysis method, verification system and verification method of laser echo transmission characteristic | |
WO2018121174A1 (en) | Method for constructing constitutive parameter of metamaterial based on transformation optics | |
CN107046182A (en) | Curved sensor array for improved angular resolution | |
RU2181519C1 (en) | Hybrid multiple-beam non-atlantic mirror antenna | |
CN112380643B (en) | Near-field electromagnetic scattering modeling method for plasma coated target | |
US20180159242A1 (en) | Apparatus for reducing scattering and methods of using and making same | |
CN113849953A (en) | Design optimization method of micro focal spot device for space X-ray communication | |
Xu | Collimation lens design using AI-GA technique for gaussian radiators with arbitrary aperture field distribution | |
KR20220140764A (en) | Improved beam director with improved optical properties | |
Yu et al. | Production of THz pseudo-Bessel beams with uniform axial intensity using irregular binary axicons | |
CN219915934U (en) | Laser ranging device and electronic equipment | |
Chou | Near-field finite-zone focused radiation from reflector antenna with continuously tapered ellipsoidal surface curvatures | |
Rojo et al. | Design of an ellipsoidal mirror for freewave characterization of materials at microwave frequencies | |
CN113866992B (en) | Spherical harmonic cone lens for generating non-diffraction light beams in terahertz wave band | |
CN109346849B (en) | Device for generating millimeter wave Bessel wave beam |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130422 |