Линзовые антенны

Рефлекторе

Внутренняя поверхность зеркала должна обладать максималь­но возможной проводимостью. Для уменьшения парусности и массы зеркала его иногда изготовляют не сплошным, а сетчатым или из пер­форированных листов. Размеры отверстий подбираются такими, что­бы через них просачивалось не более 1... 2% мощности волн, падаю­щих на зеркало.

Приведенные выше рассуждения применимы и для профиля зеркала, преобра­зующего цилиндрическую волну в плоскую. Очевидно, в этом случае поверхность зеркала должна быть не параболоидом вращения, а параболическим цилиндром и линейный облучатель, являющийся источником цилиндрической волны, должен располагаться вдоль фокальной линии (рисунок 7.8, в).

Существенное влияние на ширину ДН оказывает неравномерность распределения амплитуды поля в раскрыве рефлектора. Одна из причин это­го состоит в том, что от облучателя до рефлектора распространяются сферические (в случае параболоида) или цилиндрические (в случае параболического цилиндра) волны, а после отражения от рефлектора – плоские волны. В сферической волне амплитуда напряженности поля изменяется обратно пропорционально расстоянию от излучате­ля, в цилиндрической – обратно пропорционально корню квадрат­ному из этого расстояния, а в плоской амплитуда напряженности поля остается постоянной. По мере отклонения от оси антенны пути сфери­ческих (цилиндрических) волн, идущих от облучателя до рефлектора, удлиняются и, следовательно, амплитуда этих волн уменьшается. Вто­рая причина: указанное ослабление поля от центра раскрыва к его границе усиливается тем, что в этом направлении плотность потока мощности облучателя уменьшается.

С уменьшением угла раскрыва большая часть энергии облучателя теряется за пределами рефлектора, но сам рефлектор облу­чается более равномерно. Рассеивание энергии понижает КПД антен­ны _А, а равномерность облучения рефлектора способствует повышению коэффициента использования поверхности , но так как коэффициент усиления антенны

(7.23)

прямо пропорционален произведению _А , то существует наиболее выгодное значение угла раскрыва рефлектора.

Обычно используют длиннофокусные параболоиды (2ξ₀<π).

Максимальный коэффи­циент усиления получается при та­ком значении 2ξ₀, при котором поле на краях раскрыва согласно ДН об­лучателя составляет примерно 0,3 по амплитуде и 0,1 по мощности от по­ля в центре раскрыва. Тогда произведение _А = 0,45... 0,65, угол раскрыва 2ξ₀ = 120... 140 градусов, шири­на главного лепестка ДН

2θ_О,5⁰ = (65... 70)°λ/d (7.24)

и уровень первого бокового лепестка – (22... 24) дБ.

Основными требованиями, предъявляемыми к облучателям рефлекторных антенн, являются:

1. Энергия от облучателя не должна, по возможности, выходить за пределы рефлектора; в частности, нужно исключить обратное излу­чение облучателя.

2. Если уровень боковых лепестков ДН антенны не имеет решаю­щего значения, то облучатель должен создавать равномерное по ампли­туде поле Е_т в раскрыве рефлектора.

3. Нужно свести к минимуму попадание волн, отраженных от зер­кала в облучатель, а через него в фидер. Такая реакция зеркала на облучатель вредна тем, что искажает ДН антенны и повышает k_св фидера.

4. Облучатель должен быть механически прочным, безотказно ра­ботать при излучении волн максимальной мощности, на которую рассчитывается вся антенная система.

5. Облучатель должен быть согласован во всей рабочей полосе частот как с фидером, так и с рефлектором.

Питание к облучателю параболической антенны подводят по коак­сиальному фидеру или волноводу с теневой или с освещен­ной части рефлектора.

В диапазоне дециметровых и более длинных волн применяются вибра­торные облучатели; на сантиметровых и миллиметровых волнах применяются волноводно –рупорные, щелевые облучатели [7]. Например,

волноводно – рупорные облучатели представляют собой либо открытый конец волновода, либо небольшой рупор, присоединенный к концу волновода.

Рисунок 7.10 – Возбуждение параболоида волноводно - рупориыми

облучате­лями

Приме­няются волноводы как прямоугольного сечения, так и круглою. Расположение волноводно – рупорных облучателей у зеркала показано на рисунке 7.10.

Линзовой называется такая апертурная антенна, кото­рая состоит из облучателя и радиочастотной линзы (рефрактора).

Основное назначение линзы, как и рефлектора, заключается в преобразовании слабонаправленных сферических волн облучателя в остронаправлен­ные плоские, но в данном случае для этого используется не отражение волн зеркалом, а преломление волн линзой.

Линзовые антенны классифицируются по следующим признакам:

1. Известно, что преломление волн происходит на границе раздела двух сред с различными показателями преломления п= с/υ_ф. Радиочастотная линза окружена воздухом, где электромаг­нитные волны распространяются с фазовой скоростью υ_ф,равной ско­рости света с (п = 1). Следовательно, линза должна иметь показатель преломления п ≠ 1 (υ_ф ≠ с).

Если п > 1, то линза называется замедляющей, а если п < 1, то ускоряющей.

2.Тело линзы ограничивается двумя поверхностями: освещенной, т. е. обращенной к облучателю, и теневой. Линзы с преломлением волн на обеих поверхностях называются двухповерхностными, а с преломле­нием на одной из них – одноповерхностными.

Наибольшее применение получили одноповерхностные линзы с преломляющей освещенной поверхностью, которая, как будет показа­но, выпуклая в замедляющих линзах (рисунок 7.11, а, б) и вогнутая в ускоряющих (рисунок 7.11, в, г ). Раскрыв в этих линзах плоский.

3. Линзовые антенны с точечными облучателями называются осесимметричными, а с линейными облучателями - цилиндрическими. В первом случае (рисунок 7.11, а, в)фазовый центр облучателя совме­щается с фокусом F преломляющей поверхности линзы, которая образуется вращением соответствующей кривой вокруг оси Fx. Во втором (рисунок 7.11, б, г)ось линейного облучателя совмещают с фокальной осью.

Рисунок 7.11. Линзовые антенны: а – замедляющая осесимметричпая; б – за­медляющая цилиндрическая; в – ускоряю­щая осесимметричная; г – ускоряющая ци­линдрическая (преломляющей поверхности придают форму цилиндра, образующие которого параллельны линии F'F”)

4. Линзовые антенны бывают с однородными и неоднородными лин­зами. В первых показатель преломления по всей линзе одинаковый, а во вторых – переменный.

5. По роду и структуре преломляющейсреды линзовые антенны разделяются на диэлектрические, металлопластинчатые (волноводные) и металлодиэлектрические (из искусственного диэлектрика).

Диэлектрические линзы изготавливаются из высокочастотных диэлектриков с относительной диэлектрической проницаемостью ε >1, которой соответствует показатель преломления п = > 1. Как видно, диэлектрические линзы – замедляющие.

В продольном сечении осесимметричный диэлектрической линзы (рисунок 7.12, а) отмечены характерные точки и углы: фокус F и вершина О, интервал между которыми FO= f называется фокусным расстоянием линзы; угол раскрыва 2ξ₀, под которым из фокуса F видны края L, М линзы.

В качестве облучателей линзовых антенн используются такие же облучатели, что и для зеркальных антенн. Облучатель помещается в фокусе линзы. Возбуждаемые то­чечным облучателем сферические волны достигают линзы сначала в ее вершине О, а к остальным точкам преломляющей поверхности они проходят тем больший путь, чем больше удалены эти точки oт оси FOO'. Задача заключается в том, чтобы преломленные волны пересе­кали плоскость раскрыва LO'M с одинаковой фазой, и тогда можно добиться наименьшей ширины луча антенны.

Рисунок 7.12 - Преломление волн замедляющей линзой

Зна­чит, нужно задержать в линзе падающие на нее волны тем больше, чем раньше они ее достигли, т. е. сделать одноповерхностную замедляю­щую линзу плоско - выпуклой. Тогда сферические волны облучателя пре­образуются линзой в плоские (рисунок 7.12, б), преломленные лучи кото­рых перпендикулярны апертуре линзы. При этом профиль преломляю­щей поверхности линзы удовлетворяет известному соотношению между углами падения α_пад и преломления α_пр

(7.25)

Условием преобразования сферической волны в плоскую является равенство оптического пути лучей от облучателя до любой точки плоскости раскрыва, в частности для осевого F00"0' и произвольного FAA' лучей. При этом

преломляющая поверхность замедляющей линзы должна иметь гиперболический профиль с толщиной

. (7.26)

Согласно этой формуле толщина линзы тем меньше, чем меньше ширина ее раскрыва d, больше фокусное расстояние f и показатель пре­ломления п материала, из которого она изготовлена.

Из конструктив­ных соображений желательно уменьшать как толщину линзы, так и фокусное расстояние, определяющее положение облучателя. Эти противоречивые требования можно совместить, если уменьшить раз­меры раскрыва антенны и увеличить показатель преломления. Однако первое приводит к снижению направленности антенны, а второе – к увеличению отражения от линзы и, как следствие, к уменьшению КПД и соответственно коэффициента усиления антенны.

Диэлектрические линзы изготавливают из высокочастотных диэлектриков с малыми потерями и показателем преломления, немногим больше единицы. Так,

например, широко применяемые для этого полистирол и фторопласт (тефлон) имеют соответственно: ε = 2,3...... 2,6, tgδ = 10^-4…10^-3 и ε = 2,0, tgδ = 10^-4 [8].

Обыч­но f = d. Но даже при таких оптимальных размерах и параметрах диэлектрические линзы имеют большую массу. Поэтому они применяются только там, где не требуется высокая направленность и можно использовать линзы небольших размеров.

Металлопластинчатая линза состоит из нескольких металлических пластин, расположенных друг от друга на расстоянии а, которое меньше λ, но больше λ/2 (рисунок 7.13). Возбуж­даемые облучателем F'F" волны с составляющей электрического поля Е, параллельной поверхности пластин, проходят между пластинами.

Рисунок 7.13 – Металлопластинчатая Н-плоскостная цилиндрическая

Дата добавления: 2017-02-01