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 PDF

Info

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
Application number
RU2011115901/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Сергеевич Архипов (RU)
Николай Сергеевич Архипов
Сергей Николаевич Архипов (RU)
Сергей Николаевич Архипов
Иван Сергеевич Полянский (RU)
Иван Сергеевич Полянский
Георгий Александрович Ермишин (RU)
Георгий Александрович Ермишин
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России)
Priority to RU2011115901/07A priority Critical patent/RU2461929C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2461929C1 publication Critical patent/RU2461929C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: the following actions are performed: there confirmed is a size of constriction area of ray-optical field that is the sum of ray-optical beams reflected from collimating surface with radiator aperture; there set is a single-beam character of ray-optical field with simultaneous approaching of ray-optical beams distribution density in the area of confirmation to Gauss distribution; the number of slanting beams in radiator is minimised at its excitation from collimating surface by minimising the distance from radiator main section surface to deflection plain of random ray-optical beam.
EFFECT: increase of antenna directivity factor for each of partial beams and isolation value between partial beams.
6 dwg

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, H01Q 19/18, No. 1137548, H01Q 19/18, No. 1596420, H01Q 25/00, No. 1647708, H01Q 3 / 26, No. 1517080, H01Q 3/24, No. 1665443, H01Q 25/00, No. 218519, H01Q 19/18, H01Q 19/185, No. 2336615, H01Q 15/00, US Pat. No. 2624398, H01Q 3/26, US Pat. No. 4044361, H01Q 3/00, No. 4516130, H01Q 19/19, No. 3914768, H01Q 3/24) describes various technical solutions for generating several rejected radiation patterns - "partial rays" or scanning a radiation pattern with a beam at a given angular sector with various methods of placement and orientation of the irradiating array and irradiators on n d.

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, H01Q 19/18, H01Q 19/185, which proposes an algorithm for placing emitters forming a spherical phase front of the emitted wave in the region corresponding to the maximum concentration of the radiation ( in the geometrical optical representation) of the stream reflected from the main and additional reflectors of the incoming wave with a flat phase front, the direction of arrival of which coincides with the orientation of the maximum of the diag Amma orientation, wherein the phase center of each radiator is aligned with the preceding partial phase center of the reflector, defined as the center of gravity of the mass points inhomogeneous emitter aperture plane figure bounded by rays (in the geometrical optics representation) reflected from the preceding edge of the mirror.

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, H01Q 19/18, H01Q 19/185;

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, H01Q 19/18, H01Q 19/185;

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

Figure 00000001
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
Figure 00000001
reflected from the CLP at the point M (x j , y j , z j ), is written as

Figure 00000002
где
Figure 00000003
- условие направляющих коэффициентов.
Figure 00000002
Where
Figure 00000003
- 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

Figure 00000004
Figure 00000004

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:

Figure 00000005
Figure 00000005

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:

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

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]

Figure 00000008
Figure 00000008

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 w 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 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:

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

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

Figure 00000011
Figure 00000011

где

Figure 00000012
- общая "масса" σ-системы материальных точек в области согласования;Where
Figure 00000012
- 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:

Figure 00000013
Figure 00000013

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

Figure 00000014
Figure 00000014

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:

Figure 00000015
Figure 00000015

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]

Figure 00000016
Figure 00000016

а Гауссово распределение на раскрыве излучателяa Gaussian distribution at the aperture of the emitter

Figure 00000017
Figure 00000017

где

Figure 00000018
.Where
Figure 00000018
.

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

Figure 00000019
Figure 00000019

при ограничении

Figure 00000020
, т.е. задаче программирования с ограничениями типа неравенств.while limiting
Figure 00000020
, 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

Figure 00000021
Figure 00000021

где

Figure 00000022
Figure 00000023
Figure 00000024
Figure 00000025
Where
Figure 00000022
Figure 00000023
Figure 00000024
Figure 00000025

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:

Figure 00000026
Figure 00000026

где

Figure 00000027
Figure 00000028
Figure 00000029
Figure 00000030
Figure 00000031
Figure 00000032
Figure 00000033
Where
Figure 00000027
Figure 00000028
Figure 00000029
Figure 00000030
Figure 00000031
Figure 00000032
Figure 00000033

Задаем ориентацию осей

Figure 00000034
Figure 00000035
относительно системы координат КЛП и определяем точки пересечения j-x ГО-лучей с плоскостью апертуры излучателя:Set axis orientation
Figure 00000034
Figure 00000035
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:

Figure 00000036
Figure 00000036

где

Figure 00000037
Where
Figure 00000037

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]

Figure 00000038
Figure 00000038

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

Figure 00000039
к поверхности апертуры ОС и вектором отраженного от КЛП2 луча
Figure 00000040
);Ψ 0 - angle of incidence (angle between the normal of the normal
Figure 00000039
to the surface of the aperture of the OS and the vector of the beam reflected from the CLP 2
Figure 00000040
);

Ψ2 - угол преломления (угол между ортом

Figure 00000041
и
Figure 00000042
).Ψ 2 - angle of refraction (angle between the unit vector
Figure 00000041
and
Figure 00000042
)

Определяем направляющие косинусы

Figure 00000043
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
Figure 00000043
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 )

Figure 00000044
Figure 00000044

где производные

Figure 00000045
,
Figure 00000046
берутся по поверхности апертуры излучателя.where are the derivatives
Figure 00000045
,
Figure 00000046
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:

Figure 00000047
Figure 00000047

где

Figure 00000048
;Where
Figure 00000048
;

Figure 00000049
;
Figure 00000049
;

Figure 00000050
Figure 00000050

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:

Figure 00000051
Figure 00000051

где

Figure 00000052
Where
Figure 00000052

Из (21) легко определяются направляющие косинусы вектора

Figure 00000053
, принадлежащего только данной плоскости
Figure 00000054
гдеFrom (21), the direction cosines of the vector are easily determined
Figure 00000053
belonging only to this plane
Figure 00000054
Where

Figure 00000055
Figure 00000055

Требование

Figure 00000056
, где соотношениеDemand
Figure 00000056
where the ratio

Figure 00000057
приводит к решению задачи безусловной оптимизации вида (3)
Figure 00000057
leads to solving the problem of unconditional optimization of the form (3)

Figure 00000058
Figure 00000058

а следовательно, и системе линейных алгебраических уравнений (4) с соответствующей заменой (xф, yф, zф) на (xc, yc, zc) и

Figure 00000059
на
Figure 00000060
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
Figure 00000059
on
Figure 00000060
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, H01Q 19/18, H01Q 19/185, the result of calculating the distribution of the radiation flux reflected from the reflector on the surface of the emitter is shown in Fig.3.

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)

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, 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 согласования размеров области перетяжки геометрооптического поля, являющегося совокупностью геометрооптических лучей, отраженных от коллимирующей поверхности, и апертуры излучателя; задания однолучевого характера геометрооптического поля с одновременным приближением плотности распределения геометрооптических 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 геометрооптического луча. 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 corresponding to the maximum concentration and geo-optical 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 emitter aperture, limited by the rays reflected from the collimating surface, in the general coordinate system of the collimating surface is determined by coordinating the size of the region constrictions of the geo-optical field, which is a combination of geo-optical rays reflected from the collimating surface, and the aperture of teacher assigning the single-beam nature of the geo-optical field with the simultaneous approximation of the distribution density of geo-optical 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 section of the emitter to the plane of refraction of an arbitrary geometrical optical beam.
RU2011115901/07A 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 RU2461929C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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