Апертурні антени

При незмінній потужності передавача збільшення інтенсивності випромінювання потребує звуження головної пелюстки ДС. У діапазоні сантиметрових та більш коротких хвиль таку задачу можна вирішити шляхом застосування апертурних антен. Апертурою зветься розкрив угнутої провідникової поверхні, на якій під впливом спеціального випромінювача (наприклад, спірального)

збуджуються електричні струми густиною j_s (рис.1.15). Ці струми є вторинними джерелами хвиль в апертурі антени, що забезпечує

випромінювання лише „вперед”. Для формування односпрямованого випромінювання необхідно забезпечити синфазне функціонування усіх елементів Гюйгенса в апертурі. Для цього криволінійна поверхня апертури повинна мати спеціальну форму та особливе місце розташування збуджувача (опромінювача). Розподіл амплітуд поля в апертурі антени впливає на форму ДС, а розподіл фаз поля визначає просторове положення її пелюсток.

Найпростішою апертурною антеною можна вважати відкритий торець хвилеводу, в якому збуджена, наприклад, хвиля типу H₁₀. На рис. 1.16 зображено фрагменти структури електромагнітного поля такої антени та діаграма спрямованості у площині векторів та у площині векторів . Якщо поперечні розміри хвилеводу є оптимальними ( ), то коефіцієнт її спрямованої дії є не дуже високим і дорівнює D = 2,3. ДС такої антени оказується відносно широкою. Крім того, хвилевід не є узгоджений із навколишнім простором за величиною вихідного імпедансу. Характеристичний опір хвилеводу з хвилею типу Н₁₀ перевищує хвилевий опір вільного простору в = 1,41 рази [1], тобто сягає 531 Ом. Тому в хвилеводі значна частина енергії утримується в режимі стоячих хвиль і потужність випромінювання зменшується.. Для звуження ДС та забезпечення умов узгодження антени з навколишнім простором необхідно плавно збільшувати поперечні розміри хвилеводу, при цьому його торець набуватиме форми секторних або пірамідальних рупорів (рис. 1.17). Якщо через l позначити найкоротшу відстань від основи (апертури) рупору до умовної точки сходження його ребер, то існують оптимальні розміри розкриву рупора a_р та b_р, при яких він стає узгодженим із простором.

а)б)

в) г)

Рис.1.17

В таких умовах забезпечуються максимальні значення коефіцієнту спрямованої дії D для H-секторного (рис.1.17, а), Е-секторного (рис.1.17, б) і пірамідального (рис.1.17, в) рупорів. Крім прямокутних, існують й конічні рупорні антени, які створюються на основі циліндричних хвилеводів (рис.1.17, г).,

Таблиця 1.2

Тип ру-пора   Параметр	Н-секторі-альний	Е-секторі-альний	Пірамідальний	Конічний
ap		a
bp	b		0,8ap
D
, град
, град

Рупорні антени є найбільш широкосмуговими серед апертурних антен, прості за конструкцією, характеризуються високим значенням ККД. Ширина головної пелюстки ДС рупорних антен становить від 10^о до 20^о. Основні їхні параметри надані в табл. 1.2. Вони застосовуються як самостійні антени та як збуджувачі більш складних апертурних антен, наприклад, таких, як дзеркальні.

Дзеркальні антени (рис.1.18) формують ДС із шириною головної пелюстки, що дорівнює одиницям градусів і менше – при дуже великих площинах апертури відносно квадрату довжини хвилі. Тому їх застосовують у радіолокації, радіонавігації, радіотелеметрії, радіоастрономії.

Дзеркальна антена складається з первісного джерела хвилі – опромінювача 1 [1] та відбивача 2. Відбивач формує вторинне поле, він є основним елементом такої антени і називається дзеркалом. Його профіль, як правило, має форму параболи, для якої оптичні шляхи від деякої точки фокусу F до апертури однакові, . При цьому рівняння параболи має наступний вигляд: , де – радіус параболи, f – фокусна відстань, – кут між оптичною віссю і радіусом (рис.1.18, а).

а)б) в)

Опромінювач розташовується в фокусі параболи і формує сферичну хвилю. Дзеркало антени перетворює її на пласку хвилю. В будь-якій точці апертури дзеркала фази вторинної хвилі однакові внаслідок рівності оптичних шляхів, а широка ДС опромінювала перетворюється на вузьку ДС параболічного дзеркала.

Співвідношення для основних показників дзеркальної антени із круговою апретурою наведені в табл. 1.3. Якщо глибина дзеркала h більша за фокусну відстань f, то дзеркало є короткофокусним, а в іншому разі – довгофокусним. Оскільки діаметр розкриву d_Р значно більший за , то антена стає гостроспрямованою вісесиметричною із веретеноподібною ДС. Обмеження контуру дзеркальної антени овальною або прямокутною лінією (рис.1.18, б, в) дозволяє отримати листоподібну ДС, у якої ширина пелюстки в одній площині менша, ніж в другій. На наданому рисунку ДС уздовж великої осі параболічного циліндру вужча, ніж уздовж його малої осі.

Таблиця 1.3

Параметри антени	Кругова апертура	Циліндрична апертура
D
, град
, град

Збуджувачом параболічного циліндричного дзеркала може бути й система точкових випромінювачів, що розподілені здовж його фокальної осі паралельно осі OY. Якщо опромінювач антени з точки F зсунути, наприклад, на величину у точку , то оптичні шляхи будуть неоднаковими (рис.1.17, в). При фази хвиль в окремих точках апертури антени стають різними, що буде супроводжуватись відхиленням пелюстки ДС від оптичної осі в бік, протилежний зсуву опромінювача на кут

.

Конструктивно дзеркала параболічних антен можуть бути суцільними або решітковими. В обох випадках до точності їхнього виготовлення висуваються високі вимоги.

Менш жорсткі вимоги до точності виготовлення характерні для діелектричних лінзових антен (рис.1.19), які до цього ж припускають спрощену систему управління просторовим положенням пелюстки ДС. Лінза – це пристрій, що здатний фокусувати паралельні промені. Саме ця властивість лінз застосовується для створення гостроспрямованих антен із робочими частотами, більшими за 3 ГГц. Система складається з опромінювача і лінзи (оптичної або радіопрозорої). Опромінювач [1] розташовується в фокусі вигнутої або угнутої лінзи (рис.1.19, а, б). Поверхня лінзи з боку опромінювача є освітленою, протилежна – тіньовою. Радіус параболічної лінзи (рівняння її профілю) визначається такою формулою: ,де – коефіцієнт заломлення речовини лінзи (n = 0,5…2).

а) б)

Оскільки величина n не залежить від частоти, то діелектричні лінзові апертурні антени є широкосмуговими й, до цього ж, нечутливими до зміни поляризації хвиль. Такі антени мають веретеноподібну діаграму спрямованості, що дозволяє використовувати їх у вирішенні специфічних практичних задач. Технічним різновидом вигнутої лінзи, для якої фазова швидкість хвилі менша за швидкість світла, є металодіелектрична лінза (діелектрик із металевим напиленням), для якої (рис.1.19, в). Різновидом угнутої лінзи, що створює хвилю із фазовою швидкістю, більшою за швидкість світла, є метало пластинчаста лінза (рис. 1.19, г). З метою зменшення товщини лінзи її зонують – усувають зайві об’ємні фрагменти речовини – матеріалу, з якого їх виготовлено.

Основними перевагами апертурних лінзових антен є таке:

–менш жорсткі вимоги до точності виготовлення профілю лінз;

–більша порівняно із дзеркальними антенами ефективна площа апертури, оскільки відсутня її затінення опромінювачем.

Недоліком лінзових антен є низький порівняно із апертурними антенами ККД та коефіцієнт підсилення (табл. 1.1).