Основные типы линзовых антенн

Линзовые антенны предназначены для формирования узких (2q_0,5<10°) диаграмм направленности игольчатой или веерной формы. Они являются апертурными антеннами оптического типа и используются в диапазоне сантиметровых волн и верхней части дециметрового диапазона. Линзовая антен-

Рис. 1.8

на состоит из двух частей – радиолинзы и облучателя (рис. 1.8). На рисунке использованы следующие обозначения: F – фокус линзы; f – фокусное расстояние; D=2a – диаметр раскрыва линзы; – угол раскрыва линзы. Радиолинза – радиопрозрачное тело с поперечником D>>l, ограниченное двумя поверхностями – освещенной

и излучающей (поверхностью раскрыва). В качестве облучателя используются те же типы излучателей, что и в зеркальных антеннах.

Принцип действия линзовой антенны, заимствованный из оптики, заключается в преобразовании расходящегося пучка лучей слабонаправленного точечного источника в параллельный пучок или в преобразовании сферического фронта волны в плоский.

Радиолинзы классифицируются по нескольким признакам (рис. 1.9):

1) по фазовой скорости –

замедляющие – (рис. 1.9, а, б);

ускоряющие – (рис. 1.9, в, г);

геодезические – (рис. 1.9, д);

неоднородные – (рис. 1.9, е);

2) по способам технической реализации –

диэлектрические – (рис. 1.9, а);

металлодиэлектрические – (рис. 1.9, б);

металлопластинчатые – (рис. 1.9, в, е);

Рис. 1.9

металлические дырчатые – (рис. 1.9, г);

металловоздушные – (рис. 1.9, д);

3) по количеству преломляющих поверхностей:

одно и двухповерхностные.

Замедляющие линзы

К замедляющим относятся линзы из естественного или искусственного диэлектрика, коэффициент преломления которого больше коэффициента преломления свободного пространства. В качестве материала для диэлектрических линз используется однородный диэлектрик – полистирол, фторопласт, тефлон и др. (см. рис. 1.8). В диэлектрике линзы , так как и относительная диэлектрическая проницаемость больше единицы.

Определим профиль замедляющей линзы в полярной системе координат , , начало которой поместим в фазовый центр облучателя F (рис. 1.10).

Рис. 1.10

Форма профиля должна быть такой, чтобы падающая на линзу сферическая волна внутри линзы превращалась в плоскую. Из условия равенства оптических длин путей луча, падающего на линзу в точку С, и луча, проходящего вдоль оси z до точки О¢, имеем: . (1.12) С другой стороны, из геометриии рисунка получаем второе урав-

нение:

. (1.13)

Исключая из (1.12) и (1.13) величину z, находим уравнение профиля линзы:

. (1.14)

Формула (1.14) при n>1 представляет собой уравнение гиперболы с фокусом в точке F и эксцентриситетом n.

Толщина такой линзы обычно составляет d=(0,15…0,3)D. Для обеспечения оптимальной стоимости линзы, уменьшения ее веса, а также сокращения потерь в ней желательно, чтобы толщина была минимальной. Этого можно достигнуть, увеличивая коэффициент преломления n, либо фокусное расстояние f.

Увеличение n в замедляющих линзах приводит к возрастанию коэффициента отражения от поверхности линзы. Поэтому обычно выбирают n=1,3…1,6.

Увеличение фокусного расстояния f также нежелательно, так как при этом возрастает продольный размер антенны. Как правило, считается приемлемым соотношение f»d.

Уменьшение толщины линзы при больших апертурах достигается путем ее зонирования (рис. 1.11), основаного на том, что уменьшение толщины линзы в пределах зоны не должно нарушать синфазности поля в раскрыве линзы, т.е. величина Df должна выбираться так, чтобы разность полей каждой зоны была кратной 2p. Можно показать, что эта величина определяется как

Рис. 1.11

, (1.15) где l – длина волны в свободном пространстве. Во всех зонах поверхность гиперболическая, поэтому лучи от них идут параллельно, а фаза отличается на 2pm, где m – номер зоны. Следовательно, на выходе получается равномерное распределение. Линза становится ступенчатой, а ее толщина мо-

жет быть значительно меньше толщины обычной линзы. Недостаток зонированных линз – появление так называемых "вредных зон" (см. рис. 1.11). Они обусловлены тем, что часть энергии от облучателя падает на ступеньки и отражается к источнику, что ведет к росту боковых лепестков и падению КНД антенны. Зонирование также уменьшает диапазонность антенны, так как ступеньки рассчитываются для определенной длины волны l.

Отражения, хотя и меньшие, происходят от незонированных линз. Для их устранения на поверхность наносят дополнительный (так называемый "просветляющий") слой диэлектрика. Его толщина и коэффициент преломления подбираются так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей слоя, были равны и сдвинуты по фазе на p. Уменьшения влияния отражений на режим в фидере можно также добиться за счет небольшого наклона линзы.

Достоинством диэлектрических линз является их широкополосность, некритичность к поляризации. К недостаткам относятся значительные потери в диэлектрике, а также сложности, связанные с изготовлением однородной линзы, и большой вес.

В линзах из искусственного диэлектрика (металлодиэлектрических) в качестве преломляющей среды используется диэлектрик с небольшим удельным весом, малыми потерями и коэффициентом преломления, близким к единице, в массу которого вкраплены металлические частицы – шарики, диски, полоски и т.д. (рис. 1.9, д). Размеры этих частиц в направлении, параллельном вектору падающей волны, малы по сравнению с длиной волны. Как известно, в обычном диэлектрике под действием электрического поля молекулы поляризуются за счет смещения связанных зарядов. Степень поляризации диэлектрика определяет его диэлектрическую проницаемость. В случае использования искусственного диэлектрика роль отдельных молекул играют металлические частицы, а поляризация обусловлена смещением свободных зарядов – электронов.

Достоинства металлодиэлектрических линз – некритичность к поляризации падающей волны (если вкраплены шарики или диски), диапазонность, сравнительно малый вес.

С конструктивной точки зрения, более удобными являются дырчатые структуры. В диэлектрической дырчатой линзе в качестве преломляющей среды используется набор пластин из диэлектрика с отверстиями, распределенными неравномерно. Эффективное значение коэффициента преломления такой структуры меньше коэффициента преломления сплошного диэлектрика и зависит от числа и величины отверстий в единице объема.

К замедляющим также относят геодезические (металловоздушные) линзы (рис. 1.9, д и е), для которых . Они могут представлять собой системы из параллельных плоских (рис. 1.12) или гофрированных металлических пластин. Формирование плоского фронта в раскрыве геодезических линз достигается за счет "геометрического замедления" – выравнивания геометрических путей различных лучей без изменения фазовой скорости. При этом (вектор Е перпендикулярен пластинам), однако общий ре-

Рис. 1.12

зультат получается таким же, в среде с . Недостатком конструкции, представленной на рис. 1.12, является асимметрия АФР в ее раскрыве, обусловленная наклоном пластин. Геодезические линзы диапазонны, не требуют высокой точности изготовления, имеют высокий КПД и хорошо согласуются с окружающим пространством и облучателем, чем обус-

ловлено их широкое применение в радиолокационной технике для получения веерных диаграмм направленности.

Ускоряющие линзы

Наиболее характерной разновидностью этого типа является металлопластинчатая линза, показанная на рис. 1.3, в. Она состоит из пластин, расстояние между которыми . Выбор такого расстояния обеспечивает распространение между пластинами только одного типа волны – Н₁₀. Металлические пластины, ориентированые параллельно вектору , как бы создают плоские волноводы. Фазовая скорость волны и коэффициент преломления такой среды определяется следующими выражениями:

, (1.16)

где а – расстояние между пластинами.

Можно показать, что преломляющая поверхность рассматриваемой линзы должна иметь эллиптическую форму. При этом центральные лучи проходят меньший участок в волноводе и ускоряются меньше, чем крайние лучи, проходящие больший участок с , что приводит к выпрямлению волнового фронта.

Если облучатель создает сферический фронт волны, то освещенная поверхность линзы должна представлять собой часть поверхности эллипсоида вращения. В случае использования линейного облучателя (цилиндрическая волна) – освещенная поверхность линзы будет являться частью эллиптического цилиндра. Металлопластинчатая линза такого типа, изображенная на рис. 1.9, в, фокусирует лучи в Е-плоскости (Е-плоскостная линза). Линза, фокусирующая лучи в Н-плоскости (Н-плоскостная линза), представляет собой набор пластин разной ширины, которые образуют эллиптический профиль.

Ускоряющие линзы по сравнению с диэлектрическими имеют меньший вес и меньшие потери. Однако, они узкодиапазонны, так как в данном случае коэффициент преломления n зависит от частоты. Кроме того, ускоряющие линзы характеризуются поляризационной избирательностью, поскольку не фокусируют волну, у которой вектор перпендикулярен пластине.

Рис. 1.13

Как и в замедляющем типе, для уменьшения толщины ускоряющей линзы применяют зонирование. Профиль ее имеет вид, показанный на рис. 1.13. При этом величина Df определяется из условия . (1.17) Вредные зоны несколько снижают коэффициент использования площади антенны и увеличивают уровень боковых ле-

пестков из-за рассеяния части мощности на ступеньках.

В отличие от диэлектрического типа зонирование металлопластинчатых линз приводит к увеличению их диапазонности, так как в этом случае волны проходят между пластинами меньший путь, чем в незонированных. Следовательно, при изменении длины волны возникающая несинфазность поля в раскрыве будет меньше. При большом числе зон полоса пропускания зонированной линзы в 2–3 раза больше, чем гладкой.

Металлопластинчатые линзы широко применяются в сантиметровом диапазоне волн. Их установка в раскрыве рупора позволяет значительно уменьшить его глубину.

В металлодырчатых ускоряющих линзах (см. рис. 1.9, г) в качестве преломляющей среды используется набор металлических пластин с отверстиями. Для расчета коэффициента преломления подобная структура может быть заменена волноводами с диафрагмами, имеющими круглые отверстия. Достоинством металлодырчатых линз является жесткость конструкции и пригодность их для произвольной поляризации.