Формирующая антенная линза
Фокусирующая антенная линза предназначена для уменьшения ширины диаграммы направленности антенн СВЧ в ближней зоне и для повышения плотности потока мощности излучения СВЧ в ближней зоне. Фокусирующая антенная линза состоит из тонкостенной диэлектрической оболочки, заполненной сферическими диэлектрическими гранулами, причем, габариты внешнего контура оболочки равны или не более чем на две длины максимальной рабочей волны антенны превышают габариты контура раскрыва антенны, а сторона линзы, обращенная к раскрыву антенны, расположена от раскрыва на расстоянии не более одной длины максимальной рабочей волны антенны. Новым в устройстве является то, что антенная линза состоит из диэлектрической оболочки, заполненной гранулами диэлектрика.
Предлагаемая модель относится к антенной технике и может быть использована в экспериментальных установках для облучения сформированным энергетическим потоком сверхвысокочастотного электромагнитного поля биологических и иных объектов.
Генерируемое источником электромагнитное излучение по волноводному тракту поступает к излучателю-рупору и распространяется в окружающую среду сформированным рупором потоком. Распределение энергетической составляющей (плотность потока мощности - ППМ) по сечению, перпендикулярному потоку, как правило, имеет параболический вид. В центре - максимальное значение, на границе сечения - нулевое значение. Воздействие такого неоднородного энергетического потока на облучаемые образцы порождает неоднозначную их реакцию и при биологических исследованиях данным эффектом нельзя пренебрегать. Идеальный вариант - иметь по сечению равномерный профиль, в реальных условиях - участок, где энергетическое поле имеет плато, соизмеримое с размерами образца.
При этом исследуемые организмы должны находиться в естественных условиях - освещенности, влажности, геомагнитного и геоэлектрического полей. Эти условия не могут быть полностью обеспечены в экранированных камерах, в которых можно создавать с помощью мощных генераторов СВЧ необходимые уровни плотности потока мощности (ППМ) электромагнитных полей и в то же время обеспечивать достаточный уровень безопасности для обслуживающего персонала. Поэтому в лабораториях вынужденно используются маломощные генераторы электромагнитных полей СВЧ, а создание необходимых уровней ППМ достигается за счет использования рупорных или иной конструкции антенн, имеющих узкую диаграмму направленности (ДН). Это позволяет обеспечивать как электромагнитную безопасность персонала лаборатории, так и отсутствие электромагнитных полей в области расположения контрольных образцов.
Хорошо известны (см., например, Шпиндлер Э. «Практические конструкции антенн». М.: изд-во «Мир», 1989,448 с.) линзовые антенны, представляющие собой пирамидальные или конические рупоры, в открытом конце (раскрыве) которых установлены объемные профилированные диэлектрические вставки, контур и площадь которых соответствуют контуру и площади раскрыва рупора, одна сторона (как правило, внешняя) которых выполнена плоской, а сторона, обращенная внутрь рупора, имеет форму конуса, пирамиды или иной криволинейной поверхности. Симметричные относительно оси рупора конические или пирамидальные линзы предназначены для уменьшения ширины диаграммы направленности рупорной антенны (фокусирующие линзы), несимметричные - для придания диаграмме направленности заданной пространственной конфигурации, а линзы в виде усеченных конуса или пирамиды, боковая поверхность которых повторяет форму рупора, а меньшее основание выполнено в виде выемки сферической или иной формы являются рассеивающими и увеличивают ширину диаграммы направленности антенны.
Такие диэлектрические линзы не обеспечивают в ближней зоне равномерного энергетического потока по сечению, поскольку предназначены для формирования заданной диаграммы направленности (ДН) антенны в дальней зоне.
Как правило, диэлектрические линзы изготавливаются из твердых, достаточно прочных и устойчивых к воздействию внешних погодных условий, диэлектрических материалов, обладающих пониженными диэлектрическими потерями на сверхвысоких частотах.
Но линзы из твердых диэлектриков приходится изготавливать с применением достаточно точного металлообрабатывающего оборудования, которое не всегда доступно. Кроме того, в силу вышеперечисленных особенностей, облучение образцов организмов производится не в дальней, а в ближней зоне антенны, где влияние линзы на ДН сказывается в меньшей степени, чем в дальней зоне, к тому же математический аппарат для расчета ДН линзовой антенны в ближней зоне не разработан. Поэтому в значительной степени форму линзы приходится подбирать экспериментально, что, как понятно из вышесказанного, сопряжено с трудностями механической обработки диэлектриков.
Есть еще один недостаток линз из твердых диэлектриков - значительная часть падающей на поверхность линзы энергии отражается от границы раздела воздух - диэлектрик. Коэффициент отражения от поверхности раздела двух сред определяется по формулам Френеля, одна из которых в случае перпендикулярного падения волны на поверхность раздела выглядит так:
где n=(
2/1)½ - отношение коэффициентов преломления сред, поскольку известно, что коэффициент преломления среды n=½. Легко видеть, что r - коэффициент отражения - тем ниже, чем ниже е диэлектрика. Следовательно, чем выше е материала линзы, тем большая часть энергии, поступающей в антенну, отражается линзой обратно в тракт СВЧ и, следовательно, не излучается в пространство. Например, если линза изготовлена из фторопласта (=2), то коэффициент отражения от нее составит 0,12, а при использовании других диэлектриков коэффициент отражения будет существенно больше.
Следовательно, недостатком линз из твердых диэлектриков является, во-первых, необходимость их механической обработки, из-за чего линзовые антенны оказываются дороги, и, во-вторых, значительная величина относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, из-за чего снижается доля излучаемой антенной энергии.
Предлагаемая фокусирующая антенная линза, свободная от указанных недостатков.
Фокусирующая линза состоит из тонкостенной диэлектрической оболочки, заполненной сферическими диэлектрическими гранулами, причем, максимальный внешний контур оболочки в горизонтальной плоскости повторяет контур раскрыва антенны, габариты внешнего контура оболочки равны или не более чем на две длины максимальной рабочей волны антенны превышают габариты контура раскрыва антенны.
Соответствие предлагаемого устройства критерию "новизна" состоит в том, что антенная линза состоит из диэлектрической оболочки, заполненной гранулами диэлектрика, что позволяет путем формирования засыпки гранулами создавать по сечению проходящего потока необходимый профиль ППМ.
Например, для изготовления такой линзы можно использовать полистирол гранулированный вспенивающийся, гранулы которого имеют вид сфер диаметром около 2 мм. Полистирол имеет =2,5 и низкие диэлектрические потери. Хорошо известно, что собственный суммарный объем сфер при их плотной упаковке (естественная насыпь) составляет половину полного объема насыпи. Известно также (см., например, «Большой энциклопедический словарь» / Главный редактор A.M.Прохоров. М.: «Большая Российская энциклопедия». 1999. 944 с.), что относительную диэлектрическую проницаемость смеси двух диэлектриков в первом приближении можно вычислить либо по формуле Лихтенекера
либо по формуле Оделевского
где В=0,25*((3V1-1)*1+(3V2-1)*2).
В формулах (2) и (3) V1,2 - относительные объемы каждого диэлектрика, V1,2 - относительная диэлектрическая проницаемость каждого диэлектрика, a - относительная диэлектрическая проницаемость смеси.
Легко найти, что у смеси полистироловых гранул с воздухом (у воздуха =1) будет около 1,6, т.е., согласно формуле (1), коэффициент отражения от поверхности такой насыпи составит около 0,1. Но граница раздела такого насыпного диэлектрика представляет собой ряд соприкасающихся сфер диаметром менее 0,1 длины волны. Поэтому можно найти, что коэффициент отражения от такой размытой границы двух сред будет ниже, чем 0,05. Т.е., практически почти вся энергия электромагнитного поля антенны пройдет сквозь линзу.
Оболочку фокусирующей антенной линзы можно изготовить или из полиэтилена (=2,2-2,3) или из бумаги невысокой плотности ( около 2,5). Коэффициент отражения от границы раздела между засыпкой линзы и оболочкой составит менее 0,09. Таким образом, суммарный коэффициент отражения от предлагаемой линзы (около 0,1) окажется ниже, чем от линзы, изготовленной из фторопласта, не говоря уже об отражении от линз, изготовленных из любого другого диэлектрика.
Достигаемый применением полезной модели технический результат состоит в том, что для изготовления формирующей антенной линзы не требуется применять достаточно точное металлообрабатывающее оборудование (токарные и фрезерные станки), так как оболочку можно изготовить путем склеивания листовых элементов, благодаря чему легко изготовить несколько экземпляров с различной конфигурацией, а заполнение оболочки осуществляется засыпкой гранул. Кроме того, потери на отражение электромагнитной волны от такой линзы сведены к минимуму, что повышает ППМ в зоне облучаемого образца. Точную настройку линзы можно осуществлять, изменяя в небольших пределах (определяемых углом естественного откоса) форму насыпи в верхней части оболочки и проверяя распределение ППМ в плоскости расположения образца.
Один из вариантов схемы устройства фокусирующей антенной линзы для частного случая - пирамидальная рупорная линзовая антенна - показан на чертеже фиг.1. Под раскрывом установленного вертикально пирамидального рупора 1 расположена (вплотную к раскрыву либо на расстоянии не более длины волны от раскрыва) оболочка фокусирующей антенной линзы 2, выполненной в виде четырехгранной пирамиды, закрепленной вершиной вниз, во внутреннюю полость оболочки до верха засыпаны диэлектрические гранулы 3, так что плоская поверхность засыпки обращена к рупору и параллельна плоскости его раскрыва.
На чертеже не показаны элементы крепления рупора и линзы к каркасу и сам каркас, которые могут быть любого известного типа.
Предлагаемая модель соответствует критерию "промышленная применимость", так как устройство по предлагаемой полезной модели может быть изготовлено из существующих материалов. Например, оболочка может быть изготовлена из бумаги либо полиэтиленовой пленки (листа), а в качестве диэлектрических гранул можно использовать, например, полистирол гранулированный вспенивающийся.
Формирующая антенная линза, состоящая из тонкостенной диэлектрической оболочки, заполненной диэлектрическими гранулами, причем габариты внешнего контура оболочки равны или не более чем на две длины максимальной рабочей волны антенны превышают габариты контура раскрыва антенны, а сторона линзы, обращенная к раскрыву антенны, расположена от раскрыва на расстоянии не более одной длины максимальной рабочей волны антенны.
