RU2127934C1

RU2127934C1 - Spherical laminated lens with loose superhigh and extremely-high frequency medium

Info

Publication number: RU2127934C1
Application number: RU98103179A
Authority: RU
Inventors: П.Н. Корженков; В.А. Макота; Л.А. Субботина; Б.С. Хмелевский; В.Я. Щербенков; М.А. Эпштейн
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Контур"
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 1999-03-20

Abstract

FIELD: antenna engineering; miscellaneous radio systems ensuring wide- angle scanning of space with undistorted beam. SUBSTANCE: lens has core with predetermined values of dielectric constant and at least one layer of loose dielectric medium. Medium particles are spherical in shape and equal in diameter for every loose-fill layer; particle size is much greater than wavelength. In addition, medium is vibration- packed and held at gage pressure relative to next layer or to external medium. EFFECT: improved radio engineering characteristics and operating stability. 13 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к антенной технике, а именно к линзовым антеннам, применяемым в разнообразных радиотехнических системах с широкоугольным обзором пространства неискаженным лучом. The present invention relates to antenna technology, namely to lens antennas used in a variety of radio systems with a wide-angle view of the space by an undistorted beam.

Уникальные свойства линз центральной симметрии из диэлектрика с переменным показателем преломления (линзы Люнеберга, Максвелла, Итона и др.), особенно их практически неограниченная широкоугольность сканирования лучом, многоканальность и широкополосность, предопределяют возможность их эффективного применения в одноканальных и многоканальных системах связи, телевидения и радиолокации, а также в качестве радиолокационных отражателей. The unique properties of central symmetry lenses from a dielectric with a variable refractive index (Luneberg, Maxwell, Eaton, etc. lenses), especially their practically unlimited wide-angle beam scanning, multichannel and broadband, determine the possibility of their effective use in single-channel and multi-channel communication systems, television and radar as well as radar reflectors.

Однако широкому использованию линз такого класса препятствует их высокая стоимость, поскольку существующие конструкции линз с переменным показателем преломления среды, в которых обеспечивается изменение диэлектрической проницаемости ε с высокой точностью соответствия заданному закону, требуют значительных объемов прецезионной технологической оснастки и оборудования и, кроме того, они весьма трудоемки в изготовлении. However, the widespread use of lenses of this class is hindered by their high cost, since existing lens designs with a variable refractive index of the medium, in which the dielectric constant ε is changed with high accuracy according to a given law, require significant amounts of precision tooling and equipment, and, moreover, they are very laborious to manufacture.

На практике наиболее распространенными конструкциями являются сферослоистые линзы с дискретно-переменным показателем преломления, содержащие сферические слои из однородного твердого диэлектрика, при этом ε и толщина каждого слоя выбираются такими, чтобы обеспечивать оптимальные для заданного числа слоев условия фокусировки, причем число слоев может задаваться от 2-х и более. Расчету многослойных линз центральной симметрии посвящен ряд известных работ, использующих геометро-оптическую теорию и строгий электродинамический анализ сферослоистых преломляющих сред. Среди первой группы работ, например: статья "Microwave stepped inbex Luneberg lenses", G.D.M.Peeler, N. P. Coleman, ("IRE Transactions-Antennas and Propagation"; 1985, v. AP-6, N 2); монография "Microwave Optics. The Optics of Microwave Antenna Design", S. Cornbleet, Academic Press, London, New York, San Francisco, 1976, (глава II, раздел 2.9); монография Е. Г. Зелкина и Н.А.Петровой "Линзовые антенны", Москва, "Советское радио", 1974 г., стр. 154-167. Вторая группа работ представлена статьей Д.М.Сазонова и Н.Я. Фролова "Электромагнитное возбуждение сферической слоисто-радиальной среды", ("Журнал технической физики", 1965, т. XXXV, выпуск 6, стр. 990-995). In practice, the most common designs are sphero-layered lenses with a discrete-variable refractive index containing spherical layers of a uniform solid dielectric, with ε and the thickness of each layer being chosen so as to provide optimal focusing conditions for a given number of layers, and the number of layers can be set from 2 and more. The calculation of multilayer lenses of central symmetry has been the subject of a number of well-known works using the geometric-optical theory and rigorous electrodynamic analysis of sphero-layered refractive media. Among the first group of works, for example: article "Microwave stepped inbex Luneberg lenses", G. D. M. Peeler, N. P. Coleman, ("IRE Transactions-Antennas and Propagation"; 1985, v. AP-6, N 2); monograph "Microwave Optics. The Optics of Microwave Antenna Design", S. Cornbleet, Academic Press, London, New York, San Francisco, 1976, (chapter II, section 2.9); monograph by E. G. Zelkin and N. A. Petrova "Lens antennas", Moscow, "Soviet Radio", 1974, pp. 154-167. The second group of works is presented by an article by D.M.Sazonov and N.Ya. Frolova "Electromagnetic excitation of a spherical layered-radial medium", (Journal of Technical Physics, 1965, vol. XXXV, issue 6, pp. 990-995).

Кроме фокусировки, взаимодействие электромагнитных волн с линзой сопровождается их отражением, поглощением и рассеиванием. Наличие отражений от первого слоя линзы на границе раздела "воздух-диэлектрик" приводит в основном к ухудшению согласования облучателя с трактом, увеличению уровней заднего и бокового излучений линзы и искажению поля в раскрыве облучателя, а наличие многократных отражений между слоистыми поверхностями внутри линзы, особенно в случае наличия воздушных зазоров, - к увеличению потерь на рассеяние и поглощение. Потери на отражение от внешнего слоя линзы можно минимизировать, применяя однослойные и многослойные согласованные оболочки - укрытия, как, например, показано в монографии S. Cornbleet (глава II, часть II) и статья Ю. Я.Харланова "Исследование и оптимизация сферических линзовых антенн с согласующими слоями", ("Радиотехника и электроника", 1997, том 42, N 6, стр. 691-693). In addition to focusing, the interaction of electromagnetic waves with the lens is accompanied by their reflection, absorption and scattering. The presence of reflections from the first layer of the lens at the air-insulator interface mainly leads to a deterioration in the matching of the irradiator with the path, an increase in the levels of the rear and side radiation of the lens and distortion of the field in the aperture of the irradiator, and the presence of multiple reflections between the layered surfaces inside the lens, especially in in the case of air gaps, to an increase in losses due to scattering and absorption. Loss of reflection from the outer layer of the lens can be minimized by using single-layer and multi-layer matched shells - shelters, as, for example, shown in the monograph S. Cornbleet (chapter II, part II) and the article by Yu. Y. Kharlanov “Research and optimization of spherical lens antennas with matching layers ", (" Radio Engineering and Electronics ", 1997, Volume 42, N 6, pp. 691-693).

Омические потери на поглощение уменьшаются путем использования диэлектриков с малым значением тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.
Степень рассеяния энергии зависит от однородности диэлектрика слоев линзы, требования к которой повышаются с ростом частоты.Ohmic absorption losses are reduced by using dielectrics with a small dielectric loss tangent tanδ.
The degree of energy dissipation depends on the uniformity of the dielectric of the lens layers, the requirements for which increase with increasing frequency.

Считается, что влиянием неоднородностей с относительным размером не более λ/8 ( λ рабочая длина волны) можно пренебречь (см. например, монографию "Antenna Engineering Handbook - McGrow - Hill Book Co.", New York, 1984 г.). It is believed that the influence of inhomogeneities with a relative size of not more than λ / 8 (λ operating wavelength) can be neglected (see, for example, the monograph Antenna Engineering Handbook - McGrow - Hill Book Co., New York, 1984).

Таким образом, только созданием высокооднородных диэлектрических слоев и отсутствием воздушных зазоров между ними можно избежать значительных потерь на рассеяние и отражение электромагнитных волн в сферослоистых линзах, работающих в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн. Thus, only the creation of highly homogeneous dielectric layers and the absence of air gaps between them can avoid significant losses due to scattering and reflection of electromagnetic waves in sphero-layered lenses operating in the millimeter and centimeter wavelength ranges.

Это условие существенно усложняет процесс изготовления линз и увеличивает их стоимость, так как беззазорное примыкание сферических поверхностей твердых диэлектрических слоев является сложной технологической задачей и требует предельно высоких точностей изготовления этих поверхностей. This condition significantly complicates the process of manufacturing lenses and increases their cost, since the gap-free adjacency of the spherical surfaces of solid dielectric layers is a complex technological task and requires extremely high precision manufacturing of these surfaces.

Не менее сложной задачей является получение высокооднородных по ε сферических слоев из твердых диэлектриков, согласованных в ансамбле по величине ε и по коэффициентам объемного температурного расширения. An equally challenging task is to obtain spherical layers highly uniform in ε from solid dielectrics that are matched in the ensemble in terms of ε and volumetric thermal expansion coefficients.

Кроме того, линзы с твердой диэлектрической средой обладают еще одним существенным недостатком - невозможностью эффективного отвода тепла из тела линзы при использовании ее в передающей антенне, так как все высококачественные диэлектрические материалы, применяемые для изготовления линз, обладают высокими теплоизоляционными свойствами, что резко ограничивает уровень излучаемой средней мощности единицами Ватт из-за локальных перегревов диэлектрической среды внутри линзы (см., например, статью S.P. Morgan "СВЧ нагревание линзы Люнеберга", (Bell System Tecnical Journal, 1964, III, vol. 43, N 2, pp. 669-678). In addition, lenses with a solid dielectric medium have another significant drawback - the inability to efficiently remove heat from the lens body when used in a transmitting antenna, since all high-quality dielectric materials used for the manufacture of lenses have high thermal insulation properties, which sharply limits the level of radiated average power by Watt units due to local overheating of the dielectric medium inside the lens (see, for example, SP Morgan's article “Microwave Heating of a Luneberg Lens”, (Bell System Tecnical Journal, 1964, III, vol. 43, No. 2, pp. 669-678).

Известны однослойные линзы из однородного диэлектрика с насыпной диэлектрической средой, например, из патентной заявки Великобритании GB N 2233503 A или с жидкой диэлектрической средой, например, из патента США N 3145382. Однако такие линзы, даже при наличии просветляющего слоя, обладают приемлемой эффективностью только при электрических размерах D/λ ≤ 30, где D - диаметр линзы, λ - длина волны. Так, при увеличении D/λ с 21 до 40, коэффициент использования площади апертуры (КИП или α ) однослойной линзовой антенны падает с 0,56 до 0,45 (см., например, статью А.Л.Эпштейна, В.Я.Щербенкова, С.А.Ганина, Н.Я. Фролова, Б.С.Хмелевского и П.Н.Корженкова "Сверхширокоугольный прием - передача сигналов связи и телевидения одновременно от(ко) многих(м) корреспондентов(ам) с помощью одной многолучевой антенны в весьма широком спектре частот", (Proceeding of the III International Conference, volume 1, pp. 91-101, "Antennas, Radiocommunication Systems and means" (ICARSM' 97), Voronezh - Nay - 97), а также вышеупомянутую статью Ю. Я.Харланова). Single-layer lenses of a uniform dielectric with a bulk dielectric medium are known, for example, from GB Patent Application No. 2,233,503 A or with a liquid dielectric medium, for example, from US Pat. No. 3,145,382. However, such lenses, even in the presence of an antireflection layer, have acceptable efficiency only when electrical dimensions D / λ ≤ 30, where D is the diameter of the lens, λ is the wavelength. So, with an increase in D / λ from 21 to 40, the utilization of the aperture area (instrumentation or α) of a single-layer lens antenna decreases from 0.56 to 0.45 (see, for example, the article by A. L. Epstein, V. Ya. Shcherbenkova, S.A. Ganina, N.Ya. Frolov, B.S. Khmelevsky and P.N.Korzhenkov "Ultra-wide-angle reception - transmission of communication and television signals simultaneously from (co) many (m) correspondents (s) using one multipath antenna in a very wide spectrum of frequencies ", (Proceeding of the III International Conference, volume 1, pp. 91-101," Antennas, Radiocommunication Systems and means "(ICARSM '97), Voronezh - Nay - 97), as well as the aforementioned article by Yu. Ya. Harlanova).

Поэтому для повышения эффективности линзовых антенн с электрическими размерами D/λ > 30 необходимо применять многослойные (начиная с 2-х слоев) конструкции с дискретно-переменным показателем преломления. Therefore, to increase the efficiency of lens antennas with electric dimensions D / λ> 30, it is necessary to use multilayer (starting from 2 layers) structures with a discrete-variable refractive index.

Прототипом изобретения является сферослоистая линза, описанная в патентной заявке PCT/EP 92/02384, МКИ: H 01 Q 19/06,5 /08, опубл. в ИСМ, 1994 г, NN 10-12, стр.39, где для образования слоев используются насыпные диэлектрические среды с различными значениями ε, разделяемые друг от друга оболочками хотя бы на время производства. Частицы диэлектрических сред имеют размер много меньше длины волны. Изменение результирующей диэлектрической проницаемости достигается вариацией размеров и формы частиц и (или) тем, что частицы изготавливаются из материалов с различными значениями ε.
Существенной особенностью данной линзы, не позволяющей использовать ее в миллиметровом и коротковолновой части сантиметрового диапазонов волн является то, что частицы насыпной среды отличаются друг от друга формой, размерами и весом. Упаковка таких насыпных сред с частицами разных размеров и отличающихся по форме будет нерегулярной, сопровождающейся местными колебаниями плотности, а, следовательно, диэлектрические характеристики такой среды будут также изменяться во всем ее объеме.The prototype of the invention is a spherical lens described in patent application PCT / EP 92/02384, MKI: H 01 Q 19 / 06,5 / 08, publ. in ISM, 1994, NN 10-12, p. 39, where bulk dielectric media with different values of ε are used to form layers, separated by shells at least for the duration of production. Particles of dielectric media are much smaller than the wavelength. The change in the resulting dielectric constant is achieved by varying the size and shape of the particles and / or the fact that the particles are made of materials with different values of ε.
An essential feature of this lens that does not allow its use in the millimeter and shortwave parts of the centimeter wave ranges is that the particles of the bulk medium differ from each other in shape, size and weight. The packaging of such bulk media with particles of different sizes and different in shape will be irregular, accompanied by local density fluctuations, and, therefore, the dielectric characteristics of such a medium will also change in its entire volume.

Даже если частицы имеют размеры много меньше длины волны, области неравномерной плотности из-за нерегулярной упаковки этих частиц будут соизмеримы или превышать по размерам длину волны, что обусловит значительные потери на рассеяние энергии электромагнитных волн при использовании таких сред в линзовых антеннах, особенно в диапазоне миллиметровых волн. Even if the particles are much smaller than the wavelength, the areas of uneven density due to irregular packing of these particles will be comparable or exceed the wavelength in size, which will cause significant losses in the energy dissipation of electromagnetic waves when using such media in lens antennas, especially in the millimeter range waves.

Кроме того, недостатком известной линзы является то, что частицы насыпной среды не уплотнены и, поэтому при транспортной тряске, а также в период эксплуатации такие среды подвержены расслоению по плотности и размерам: наиболее тяжелые и/или мелкие частицы будут стремиться опуститься вниз, а более легкие и/или крупные частицы будут стремиться подняться вверх, причем это расслоение может начаться уже в процессе засыпки в формообразующий сосуд. In addition, the disadvantage of the known lens is that the particles of the bulk medium are not densified and, therefore, during transport shaking, as well as during operation, such media are subject to separation by density and size: the heaviest and / or smallest particles tend to fall down, and more light and / or large particles will tend to rise upward, and this stratification can begin already in the process of filling into the shaping vessel.

Применение связующих материалов (например эпоксидных смол, силиконовой резины, винилацетатных полимеров и др.) для фиксации частиц насыпных сред (заявка GB 2233503A и патент США N 2943358) после полимеризации и отверждения связующих предотвращает расслоение насыпных сред, но никак не устраняет неравномерную упаковку частиц среды. Кроме того, все связующие материалы имеют на порядок больший tdδ, чем основной материал среды, и потери на поглощение энергии электромагнитных волн существенно возрастают, особенно в диапазоне миллиметровых волн. Поэтому авторы патентной заявки PCT/EP 92/02384 указывают на возможность применения предлагаемой или антенны в диапазоне до 12.75 ГГц, но нигде не приводят расчетный или экспериментально полученный коэффициент использования площади апертуры такой антенны. The use of binders (for example, epoxy resins, silicone rubber, vinyl acetate polymers, etc.) for fixing bulk particles (application GB 2233503A and US patent N 2943358) after polymerization and curing of binders prevents the separation of bulk media, but does not eliminate uneven packing of particles of the medium . In addition, all binder materials have an order of magnitude greater tdδ than the main material of the medium, and the loss in absorption of energy of electromagnetic waves increases significantly, especially in the range of millimeter waves. Therefore, the authors of patent application PCT / EP 92/02384 indicate the possibility of using the proposed or antenna in the range up to 12.75 GHz, but nowhere do they give the calculated or experimentally obtained coefficient of use of the aperture area of such an antenna.

В основу настоящего изобретения положена задача создания сферослоистой линзы с насыпной диэлектрической средой миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн с конструктивным выполнением, позволяющим устранить воздушные зазоры между слоями с одновременным улучшением радиотехнических параметров за счет повышения однородности и эксплуатационной стабильности диэлектрической среды в слоях линзы, а также получить возможность эффективно отводить тепло из тела линзы и, при необходимости, производить сборку линз больших габаритов непосредственно на месте монтажа. The basis of the present invention is the creation of a spherical lens with a bulk dielectric medium of the millimeter and centimeter wave ranges with a design that allows you to eliminate air gaps between the layers while improving the radio parameters by increasing the uniformity and operational stability of the dielectric medium in the lens layers, as well as to be able to effectively remove heat from the lens body and, if necessary, assemble lenses of large dimensions directly at the installation site.

Поставленная задача решается тем, что в сферослоистой линзе с насыпной диэлектрической средой миллиметрового и сантиметрового диапазонов волн, содержащей выполненные с заданными значениями диэлектрической проницаемости ядро и по меньшей мере один слой, при этом ядро и/или указанные слои выполнены из насыпной диэлектрической среды, частицы которой имеют размер много меньше длины волны, согласно изобретению, насыпная диэлектрическая среда ядра и каждого насыпного слоя вибрационно уплотнена и находится под избыточным давлением относительно следующего слоя или внешней среды, а частицы насыпной диэлектрической среды имеют форму шара одинакового для каждого насыпного слоя диаметра. The problem is solved in that in a spherically laminated lens with a bulk dielectric medium of the millimeter and centimeter wave ranges, containing the core and at least one layer made with given values of the dielectric constant, the core and / or these layers are made of a bulk dielectric medium, particles of which have a size much smaller than the wavelength, according to the invention, the bulk dielectric medium of the core and each bulk layer is vibrationally sealed and is under excess pressure the next layer or the external medium, and the particles of the bulk dielectric medium have the shape of a ball of the same diameter for each bulk layer.

Именно среды из шаров одинакового размера и веса имеют наиболее устойчивую к условиям эксплуатации упаковку со стабильным коэффициентом заполнения, а следовательно и наибольшую однородность по плотности во всем объеме среды. It is media from balls of the same size and weight that have the most stable packaging with a stable fill factor, and therefore the greatest uniformity in density in the entire volume of the medium.

Так как шары, образующие среду, имеют между собой только точечные контакты, то такая среда обладает большей упругостью, чем твердая среда из такого же материала, что существенно расширяет диапазон упругих деформаций насыпной среды в линзе при перепадах рабочих температур. Since the balls forming the medium have only point contacts between themselves, such a medium has greater elasticity than a solid medium of the same material, which significantly expands the range of elastic deformations of the bulk medium in the lens at operating temperature differences.

В то же время внутреннее трение между частицами в виде шариков мало и такие среды легко и равномерно заполняют предназначенный для них объем, особенно при вибрационном уплотнении среды с некоторым избыточным давлением. At the same time, the internal friction between the particles in the form of balls is small and such media easily and uniformly fill the volume intended for them, especially with vibrational compaction of the medium with some excess pressure.

Благодаря воздействию избыточного давления, частицы среды линзы постоянно находятся в контакте между собой и лишены возможности перемещаться друг относительно друга при вибрациях, тряске или ударах, что обеспечивает стабильную однородность насыпных сред в линзе в условиях эксплуатации. Величина избыточного давления определяется исходя из заданных условий эксплуатации. Такая насыпная диэлектрическая среда сохраняет стабильность своих характеристик, не уплотняется, не расслаивается на тяжелые и легкие фракции и не образовывает пустот, кроме того, изменения температуры в эксплуатационных пределах не приводят к созданию условий разрыва или потери устойчивости защитной оболочки линзы из-за тепловых деформаций насыпной среды и оболочки. Due to the effect of excess pressure, the particles of the lens medium are constantly in contact with each other and are unable to move relative to each other during vibration, shaking or shock, which ensures stable uniformity of bulk media in the lens under operating conditions. The amount of overpressure is determined based on the specified operating conditions. Such a bulk dielectric medium maintains the stability of its characteristics, does not condense, does not separate into heavy and light fractions and does not form voids; in addition, temperature changes in the operating limits do not create conditions for rupture or loss of stability of the lens protective shell due to thermal deformations of the bulk environment and shell.

Так как частицы среды из шариков одинаковых размеров при самой плотной упаковке занимают не более 72% объема, а остальное место занимает воздух, который может проходить между частицами, то в такой линзе реализуется возможность принудительной вентиляции ее внутреннего объема, когда выделяемое в теле линзы тепло отбирается от каждой частицы среды воздухом (или другим газом), продуваемым сквозь линзу через множество вентиляционных отверстий малых размеров. Since medium particles from balls of the same size with the most dense packing occupy no more than 72% of the volume, and the rest is air that can pass between the particles, then such a lens can be forced to ventilate its internal volume when the heat released in the lens body is taken from each particle of the medium with air (or another gas), blown through the lens through many small ventilation holes.

В качестве частиц - шариков для насыпных сред наиболее удобно использовать дозировано предвспененные гранулы пенополистирола, пенополиэтилена и других пенодиэлектриков. As particles - balls for bulk media, it is most convenient to use dosed pre-expanded granules of expanded polystyrene, polyethylene foam and other foam dielectrics.

Для разделения слоев служат тонкие диэлектрические оболочки или слои из твердого диэлектрика, концентрично закрепленные в теле линзы. Thin dielectric shells or layers of solid dielectric concentrically fixed in the body of the lens serve to separate the layers.

Избыточное давление может создаваться встроенными в оболочки или в твердые слои поджимными устройствами типа упругих мембран или резьбовых пробок. Overpressure can be created by means of compression devices such as resilient membranes or screw plugs that are built into the shells or hard layers.

При тепловых воздействиях окружающей среды на наружный слой или оболочку линзы, упругость среды и упругое подвижное устройство предотвращают разрушение оболочки или образование пустот в насыпной среде. When thermal influences of the environment on the outer layer or shell of the lens, the elasticity of the medium and the elastic movable device prevent the destruction of the shell or the formation of voids in the bulk medium.

Для этих целей поджимное устройство наружной оболочки (или наружного слоя) выполнено из металла и имеет гофрированную мембрану, регулирующую пружину и компенсационную емкость. For these purposes, the clamping device of the outer shell (or outer layer) is made of metal and has a corrugated membrane that regulates the spring and the compensation capacity.

Кроме того, ядро линзы или один из слоев линзы, находящийся между твердыми слоями или оболочками может заполняться жидким диэлектриком, например, кремнеорганической жидкостью, ε который будет соответствовать расчетному значению для данной линзы. In addition, the lens core or one of the lens layers located between the solid layers or shells can be filled with a liquid dielectric, for example, organosilicon liquid, ε which will correspond to the calculated value for this lens.

Для охлаждения среды линзы при излучении особо высоких уровней мощности эта диэлектрическая жидкость, прокачиваемая через эту среду, может использоваться в качестве охлаждающей. In order to cool the lens medium during emission of particularly high power levels, this dielectric fluid pumped through this medium can be used as a cooling medium.

В этом случае плотность материала насыпных сред должна быть такова, чтобы при заполнении охлаждающей жидкостью пустот между частицами результирующая ε среды соответствовала бы расчетному значению, а ядро линзы целиком состояло бы из охлаждающей жидкости. In this case, the density of the material of the bulk media should be such that, when the voids between the particles are filled with cooling fluid, the resulting ε of the medium would correspond to the calculated value, and the lens core would consist entirely of coolant.

Так, полиэтилсилоксановая жидкость ПЭС-3 имеет ε = 2,4 и tgδ = (2^oC6)•10^-4. Применение жидких диэлектриков целесообразно для малослойных линз с большими расчетными значениями ε.
Изобретение поясняется подробным описанием конкретных примеров выполнения сферослоистых линз с насыпной диэлектрической средой со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает разрез собранной четырехслойной линзы;
фиг. 2 - разрез трехслойной линзы, охлаждаемой воздухом;
фиг. 3- разрез двухслойной линзы с использованием жидкого диэлектрика в качестве ядра и для охлаждения линзы.So, the polyethylsiloxane liquid PES-3 has ε = 2.4 and tanδ = (2 ^° C6) • 10 ^-4 . The use of liquid dielectrics is advisable for small-layer lenses with large calculated values of ε.
The invention is illustrated by a detailed description of specific examples of the implementation of sphero-layered lenses with bulk dielectric medium with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 is a sectional view of an assembled four-layer lens;
FIG. 2 - section of a three-layer lens, cooled by air;
FIG. 3- section of a two-layer lens using a liquid dielectric as a core and for cooling the lens.

На фиг. 1 представлена четырехслойная сферическая линза, которая содержит наружный слой 1 из твердого диэлектрика с ε₁= 1,4, два промежуточных слоя 2 и 3, один из которых примыкает к наружному слою 1 и выполнен из насыпной среды с ε₂= 1,5, а другой слой 3 выполнен из твердого диэлектрика с ε₃= 1,58, и центральный слой 4 в виде ядра из насыпной среды с ε₄= 1,65.In FIG. 1 shows a four-layer spherical lens that contains an outer layer 1 of a solid dielectric with ε ₁ = 1.4, two intermediate layers 2 and 3, one of which is adjacent to the outer layer 1 and is made of a bulk medium with ε ₂ = 1.5, and the other layer 3 is made of a solid dielectric with ε ₃ = 1.58, and the central layer 4 in the form of a core from a bulk medium with ε ₄ = 1.65.

Относительные внешние радиусы слоев 1, 2, 3, 4 равны соответственно 1,000; 0,720; 0,565 и 0,386. Половинки твердых слоев 1 и 3 соединены между собой с помощью диэлектрических штифтов 5 и 6, ε которых равна ε слоя 3 или 1, в котором они находятся. The relative external radii of the layers 1, 2, 3, 4 are respectively 1,000; 0.720; 0.565 and 0.386. The halves of the solid layers 1 and 3 are interconnected using dielectric pins 5 and 6, ε of which is equal to ε of layer 3 or 1, in which they are located.

Каждая из половинок твердых слоев 1 и 3 имеет поджимные устройства в виде диаметрально расположенных резьбовых пробок 7 и 8, вворачиваемых в резьбовые отверстия 9 и 10 твердых слоев 3 и 1. Одновременно резьбовые пробки и резьбовые отверстия используются для заполнения полостей линзы насыпными средами. Each of the halves of the hard layers 1 and 3 has clamping devices in the form of diametrically located screw plugs 7 and 8, screwed into the screw holes 9 and 10 of the hard layers 3 and 1. At the same time, screw plugs and screw holes are used to fill the lens cavities with bulk media.

Резьбовые пробки 7 и 8 изготавливаются из материалов с ε равной ε слоя, в который они завинчиваются. Screw plugs 7 and 8 are made of materials with ε equal to ε of the layer into which they are screwed.

Наибольшая опасность разрушения от тепловых деформаций возникает для наружного слоя 1, когда при резких суточных или сезонных понижениях температуры охлаждающийся наружный слой 1 будет оказывать давление на неохлажденный насыпной слой 2. Для предотвращения возникновения разрушающих напряжений в наружном слое 1 служит подвижное устройство 11, которое имеет компенсационную емкость 12, сообщающуюся с насыпным слоем 2 каналом 13 и ограниченную гофрированной мембраной 14. Давление мембраны 14 на среду задается регулирующей пружиной 15. The greatest risk of destruction from thermal deformations arises for the outer layer 1, when, with sharp daily or seasonal drops in temperature, the cooling outer layer 1 will exert pressure on the uncooled bulk layer 2. To prevent breaking stresses in the outer layer 1, a movable device 11, which has a compensation a container 12 communicating with the bulk layer 2 by a channel 13 and limited by a corrugated membrane 14. The pressure of the membrane 14 on the medium is set by a control spring 15.

Это поджимное устройство 11 может одновременно служить крепежным фланцем для линзы. Детали поджимного устройства 11 могут изготавливаться из металла. This pinch device 11 can simultaneously serve as a mounting flange for the lens. Details of the squeezing device 11 can be made of metal.

Концентричность установки слоя 3 относительно наружного слоя 1 обеспечивается диэлектрическими центрирующими стойками 16, ε которых равна ε слоя 2 и которые установлены в глухих резьбовых отверстиях 17 наружного слоя 1. The concentricity of the installation of layer 3 relative to the outer layer 1 is provided by dielectric centering posts 16, ε of which is equal to ε of layer 2 and which are installed in blind threaded holes 17 of the outer layer 1.

Сборка четырехслойной линзы производится в следующей последовательности:
1) верхняя и нижняя половинки слоя 3 соединяются между собой с помощью штифтов 5;
2) в нижнее резьбовое отверстие 9 слоя 3 вворачивается резьбовая пробка 7, а через верхнее резьбовое отверстие 9 засыпается мерное количество гранул диэлектрической среды ядра 4 линзы, в конце засыпки среда уплотняется на виброплощадке и дозированно сжимается путем многократного ввертывания резьбовой пробки 7;
3) в резьбовые отверстия 17 обеих половинок наружного слоя 1 ввертываются центрирующие стойки 16;
4) в нижнюю половинку слоя 1 вкладывается слой 3, затем устанавливается верхняя половинка слоя 1, соединяется штифтами 6 с нижней половинкой, затем устанавливается подвижное устройство 11;
5) через верхнее резьбовое отверстие 10 в слое 1 засыпается мерное количество гранул диэлектрической среды слоя 2, далее линза устанавливается на виброплощадку и среда уплотняется. После этого верхняя пробка 8 завинчивается и с помощью регулирующей пружины 15 задается необходимое избыточное давление среды слоя 2.The four-layer lens assembly is performed in the following sequence:
1) the upper and lower halves of the layer 3 are interconnected using pins 5;
2) a screw plug 7 is screwed into the lower threaded hole 9 of layer 3, and a measured number of granules of the dielectric medium of the lens 4 is poured through the upper threaded hole 9, at the end of the filling, the medium is densified on a vibrating plate and metered in by screwing the screw plug 7 repeatedly;
3) centering posts 16 are screwed into the threaded holes 17 of both halves of the outer layer 1;
4) layer 3 is inserted into the lower half of layer 1, then the upper half of layer 1 is installed, connected with pins 6 to the lower half, then the movable device 11 is installed;
5) through the upper threaded hole 10 in layer 1, a measured amount of granules of the dielectric medium of layer 2 is filled, then the lens is mounted on a vibrating plate and the medium is compacted. After that, the upper plug 8 is screwed and using the control spring 15 sets the required excess pressure of the medium layer 2.

Операции по сборке линз больших размеров могут выполняться непосредственно на месте монтажа. Large lens assembly operations can be performed directly at the installation site.

После сборки все стыки герметизируются тонкой клейкой лентой или герметиком. After assembly, all joints are sealed with a thin adhesive tape or sealant.

На фиг. 2 показана трехслойная линза для излучения высоких уровней мощности, в которой охлаждение насыпных диэлектрических слоев 18, 19 и 20 осуществляется путем принудительной вентиляции через наружные поджимные устройства 21, которые отличаются от поджимного устройства 11 (фиг. 1) только наличием в мембранах 22 множества отверстий 23, размеры которых меньше размеров частиц среды. Наружные поджимные устройства 21 герметично вмонтированы в отверстия наружной оболочки 24 линзы. In FIG. 2 shows a three-layer lens for emitting high power levels, in which the bulk dielectric layers 18, 19 and 20 are cooled by forced ventilation through external clamping devices 21, which differ from the clamping device 11 (Fig. 1) only by the presence of many holes 23 in the membranes 22 whose sizes are smaller than the size of the particles of the medium. The outer pressing devices 21 are hermetically mounted in the openings of the outer shell 24 of the lens.

Диэлектрические насыпные слои 18, 19, 20 разделяются друг от друга тонкими эластичными сферическими оболочками 25 из диэлектрика, в которых имеются расположенные в районе полюсов линзы сетчатые окна 26 из диэлектрика для прохода вентиляционных потоков внутрь оболочек. Потоки охлаждающего газа показаны на фиг. 2 стрелками. The dielectric bulk layers 18, 19, 20 are separated from each other by thin elastic spherical shells 25 of a dielectric, in which there are mesh windows 26 of a dielectric located in the vicinity of the lens poles for the passage of ventilation flows into the shells. Coolant gas flows are shown in FIG. 2 arrows.

Уплотнение диэлектрических сред внутренних слоев 19, 20 происходит за счет упругости тонких эластичных сферических оболочек 25. The sealing of the dielectric media of the inner layers 19, 20 occurs due to the elasticity of thin elastic spherical shells 25.

На фиг. 3 показана двухслойная линза для излучения особо высоких уровней мощности, в которой ядро 28 линзы образовано из диэлектрической жидкости, а наружный слой 29 - из частиц пенодиэлектрика, а заполняет пустоты между частицами таже диэлектрическая жидкость. Частицы наружного слоя 29 заключены между двумя тонкими оболочками 30 из пенодиэлектрика. Устойчивость формы оболочек 30 обеспечивается избыточным давлением жидкости, подводимой через штуцера 31. In FIG. Figure 3 shows a two-layer lens for radiation of particularly high power levels, in which the lens core 28 is formed of a dielectric fluid, and the outer layer 29 is made of foam particles, and the dielectric fluid also fills the voids between the particles. Particles of the outer layer 29 are enclosed between two thin shells 30 of foam. The shape stability of the shells 30 is provided by excess pressure of the fluid supplied through the nozzle 31.

Описанные выше принципы конструктивного и технологического построения линз на основе насыпных сред позволили авторам разработать и создать две сферослоистые линзы внешним диаметром 285 мм для миллиметрового диапазона волн. Первая линза - двухслойная с относительным фокусным расстоянием F/R= 1,89 с параметрами: ε₁= 2,27, ε₂= 1,84, r₁ = 1,000, r₂ = 0,695, (где 1-ый слой - внешний, из твердого диэлектрика, 2-ой слой - внутренний из насыпной среды, а r₁ и r₂ - нормированные относительные радиусы слоев), имеет измеренный в диапазоне частот (28 ^oC 39) ГГц коэффициент использования площади апертуры не менее 0,55 при расчетной величине ~ 0,65.The principles of constructive and technological construction of lenses based on bulk media described above allowed the authors to develop and create two sphero-layered lenses with an external diameter of 285 mm for the millimeter wavelength range. The first lens is a two-layer lens with a relative focal length F / R = 1.89 with parameters: ε ₁ = 2.27, ε ₂ = 1.84, r ₁ = 1,000, r ₂ = 0.695, (where the first layer is the outer , from a solid dielectric, the 2nd layer is internal from the bulk medium, and r ₁ and r ₂ are the normalized relative radii of the layers), has an aperture area utilization factor of at least 0.55 measured in the frequency range (28 ^o C 39) GHz at the estimated value of ~ 0.65.

Вторая линза - четырехслойная (см. фиг. 1) с относительным фокусным расстоянием F/R=1,49 и с параметрами слоев, приведенные на стр. 7, имеет расчетный коэффициент использования поверхности ~ 0,72 в этом же диапазоне частот. Достигнутые значения КИП в миллиметровом диапазоне волн свидетельствуют о хорошей центральной симметрии этих линз и высокой степени однородности реализованных насыпных сред и дают основание утверждать, что в сантиметровом диапазоне волн линзы аналогичной конструкции будут иметь заведомо более высокие значения КИП. The second lens is a four-layer lens (see Fig. 1) with a relative focal length of F / R = 1.49 and with the layer parameters given on page 7, has a calculated surface utilization coefficient of ~ 0.72 in the same frequency range. The achieved instrumentation values in the millimeter wave range indicate good central symmetry of these lenses and a high degree of homogeneity of the bulk materials realized and suggest that in the centimeter wavelength range lenses of a similar design will have deliberately higher instrumentation values.

Claims

1. A spherical lens with a bulk dielectric medium of the millimeter and centimeter wave ranges, containing a core and at least one layer made with a given dielectric constant, and the core and / or these layers are made of a bulk dielectric medium whose particles are much smaller than the length waves, characterized in that the bulk dielectric medium of the core and each layer is vibrationally sealed and is under excess pressure relative to the next layer or external medium, and particles Bulk dielectric medium have the shape of a ball of the same diameter for each layer.

2. The lens according to claim 1, characterized in that the particles of the bulk dielectric medium are made of a metered pre-foamed foam dielectric with a density necessary to obtain a given dielectric constant of the layer.

3. The lens according to claim 1, characterized in that the core and each layer of the bulk dielectric medium are separated from each other by a thin elastic spherical shell made of foam dielectric with permittivities close to the permittivities of the separated media.

4. The lens according to claim 1, characterized in that the layers and / or core of the bulk dielectric medium are separated from each other or from the external environment by spherical layers of solid dielectric, concentrically fixed using centering posts made of a dielectric having a dielectric constant of the medium equal to the dielectric constant of the medium in which they are placed.

5. The lens according to claim 3, characterized in that in each thin elastic spherical shell there is a pinch device designed to seal the bulk dielectric medium by creating excess pressure relative to the outer layer surrounding the bulk dielectric medium, while the pinch device is made of a dielectric having a dielectric permeability of the medium in which it is located.

6. The lens according to claim 4, characterized in that in each spherical layer of solid dielectric there is a pinch device designed to seal the bulk dielectric medium by creating excess pressure relative to the outer layer surrounding the bulk dielectric medium, while the pinch device is made of a dielectric having dielectric constant of the medium in which it is located.

7. The lens according to claim 5, characterized in that the clamping device of a thin elastic spherical shell, which is external, is made of metal and contains a corrugated membrane that regulates the spring and the compensation capacity.

8. The lens according to claim 6, characterized in that the clamping device of the spherical layer, which is external, is made of metal and contains a corrugated membrane that regulates the spring and the compensation capacity.

9. A lens according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it contains at least one layer filled with a liquid dielectric with a dielectric constant corresponding to the calculated dielectric constant of this lens layer.

10. The lens according to claim 9, characterized in that the core filled with a liquid dielectric is a core and / or one of the layers located between the spherical layers of a solid dielectric.

11. The lens according to claim 5 or 6, characterized in that the pinch device is made with many ventilation holes that are designed to cool the lens and each of which is smaller than the particle size of the bulk dielectric medium.

12. The lens according to claim 11, characterized in that air or another gas inert to the dielectric medium is used as the cooling medium.

13. The lens according to claim 11, characterized in that a dielectric fluid inert with respect to the dielectric medium is used as a cooling medium.