Линзовая антенна

Тогда пластины уподобляются узким стенкам прямоугольного волновода и в линзе распространяется волна Н₁₀ с фазовой скоростью

υ_ф=

Этой скорости соответствует показатель преломления

(7.27)

При подстановке а = 0,5λ... λполучаем п = 0... 0,866, но на практике а ~ (0,58... 0,71) λи n = 0,5... 0,7. Следовательно, метал­лопластинчатая линза ускоряющая. В ней синфазность раскрыва достигается тем, что луч, направленный по оси линзы, проходя через нее, испытывает наименьшее ускорение, а с увеличением угла раскрыва длительность распространения со скоростью υ_ф > с возрастает. Иначе говоря, ускоряющая линза должна быть плоско-вогнутой. Профиль ее преломляющей поверхности описывается уравненим эллипса.

При линейном облучателе используют­ся линзы в виде эллиптических цилиндров. Они способны трансформи­ровать цилиндрические волны в плоские, но трансформация (фоку­сировка) происходит только в Е – или Н – плоскости. Т.к. век­тор Е поля облучателя параллелен пластинам линзы, то на рисунке 7.13 показана Н – плоскостная линза, пластины которой имеют эллиптический профиль в горизонтальной Н – плоскости, а ось облу­чателя вертикальная. На рисунке 7.11, г показана Е – плоскостная линза, пластины которой имеют эллиптический профиль в вертикальной Е – плоскости, а ось облу­чателя горизонтальная.

Если облучатель точечный (рисунок 7.11, в) то эллиптическая кривая образует эллипсоид вращения вокруг оси Fх и линза получается сферической.

Металлопластинчатые линзы выгодно отличаются от диэлектрических меньшей массой, так как в них нет диэлектрического заполнения.

Для уменьшения толщины, а, следо­вательно, и массы линзы ее зонируют: освещенная (а иногда и неосвещенная) поверхность линзы делается ступенчатой. На рисунке 7.14 для примера показан профиль замедляющей зонированной линзы

Рисунок 7.14 - Профиль замедляющей зонированной линзы

В симметричные точки (А, В, С,.,.) различных зон волны от облучателя проходят пути, отличающиеся на целое число длин волн. Это вызываег скачок фазы на углы, кратные 360°, отчего синфазность поля в раскрыве линзы не нарушается. Можно показать [8], что и в замедляющих и в ускоряющих зонированных линзах ширина ступеньки т' = λ/| п — 1|, а общая ширина

т = т' + т” = λ/| п — 1|+ т". (7.28)

Здесь размер т" выбирается из расчета обеспечения механической прочности линзы.

Коэффициент преломления диэлектрических линз не зависит от частоты, апоэтому незонированные диэлектрические линзы не огра­ничивают полосу пропускания антенного устройства. Зонированные диэлектрические линзы таким свойством не обладают: при изменении длины волны ширина ступеньки не удовлетворяет равенству (7.28) и нарушается синфазность поля в раскрыве линзы. Чем больше зон в диэлектрической линзе, тем меньше ее полоса пропускания.

У линз из искусственного диэлектрика наблюдается поляризация его молекул в электриче­ском поле. Поляризованные молекулы образуют электрические ди­поли. Их собственное поле направлено навстречу приложенному из­вне, и чем больше диполи ослабляют результирующее электрическое поле в диэлектрике, тем меньше его относительная диэлектрическая проницаемость ε.

Показатель преломления искусственного диэлектрика, так же как естественного, n > 1. Поэтому линзы с искусственным диэлектриком являются замедляющими и имеют гиперболическую преломляющую поверхность.

Если в воздухе расположить металлические частицы на расстоя­нии, значительно меньшем длины волны, и воздействовать на них элек­трическим полем, то в частицах произойдет смещение электронов, рав­нозначное образованию электрических диполей. На этом принципе основаны искусственные диэлектрики. Для механического крепления элементов искусствен­ного диэлектрика проводящие частицы впрессовывают в изолятор, имеющий диэлектрическую проницаемость ε_а, близкую к диэлектричес­кой проницаемости воздуха ε₀. Наиболее широко для этих целей приме­няется пенистый полистирол (ε= 1,02).

На рисунке 7.15, а показана зонированная линза с проводящими дис­ками из фольги, закрепленными на листах из пенистого полистирола, а на рисунке 7.15, б – с металлическими элементами, нанесенными на пластины пенистого полистирола методом разбрызгивания через тра­фарет.

Рисунок 7.15 – Зонированные линзы из искус­ственного диэлектрика

Благодаря тому, что пенистый полистирол имеет малый удельный вес (0,03... 0,1) и малые потери (tgδ = (1... 2)10^-3), линзы из ис­кусственного диэлектрика отли­чаются малой массой и высоким КПД, но по конструкции и тех­нологии изготовления они сложнее других линзовых антенн.

Форма ДН линзовых антенн, поскольку они апертурные, зависит oт формы и электрических размеров раскрыва линзы и равномерности его возбуждения по фазе и амплитуде. Коэффициент усиления антенны и шири­ну главного лепестка ДН можно определить с использованием выражений (7.23) и (7.24).

Раскрыв линзы можно считать синфазным, но в нем наблюдается неравномерность амплитуды поля. Это особенно относится к замедляющим линзам: а) расстояние от облучателя до пре­ломляющей поверхности линзы увеличивается по мере удаления от оси линзы.В том же направлении интенсивность облуче­ния линзы уменьшается вследствие направленных свойств облучателя. Ускоряющие линзовые антенны позволяют компенсировать это свой­ство облучателя тем, что в них длина пути от облучателя к линзе уменьшается с удалением от оси линзы. В результате по­лучается, что в раскрыве замедляющей линзы неравномерность рас­пределения амплитуды больше, а коэффициент направленного действия меньше, чем в ускоряющей.

Потери в металлопластинчатых лин­зах меньше, чем в линзах из естественного и искусственного диэлектрика.

Лучшими диапазонными свойствами обладают незонированные диэлектрические линзы, худшими – незонированные ускоряющие.

Наименьшую массу имеют линзы из искусственного диэлектрика, а наибольшую - диэлектрические незонированные линзы. По кон­струкции и технологии изготовления металлопластинчатые линзы сложнее других, но в силу ряда преимуществ они находят в последние годы наибольшее применение.

Имеется несколько типов линзовых антенн, позволяющих обеспечить широкий сектор качания (сканирования) луча. Таким свойством, например, обладают сферическая и ци­линдрическая линзы Люнеберга [8]. Например, в линзе Люнеберга со сферической симмет­рией (рисунок 7.16) показатель преломления должен изменяться по формуле

, (7.29)

где п – показатель преломления;

r_сф – радиус сферической линзы;

r – теку­щий радиус точки внутри сферы.

Рисунок 7.16 – Сферическая линза Люнеберга: 1– облучатель, 2 –

линза, 3 – траектории лучей

Источник излучения (облучатель), расположенный на периферии линзы создает пучок параллельных лучей на ее апертуре. Перемещение облучателя по сфере приводит к качанию диаграммы направленности линзы по любым направлениям. Обычно сферическую линзу Люнеберга возбуждают ре­шеткой облучателей, и тогда каждому из облучателей соответствует своя не­подвижная остронанравленная диаграмма направленности (рисунок 7.17) [9].

Рисунок 7.17 – Система облуча­телей с линзой, образующая

Дата добавления: 2017-02-01