Зонированные линзы и их диапазонность

⇐ ПредыдущаяСтр 17 из 20Следующая ⇒

Коэффициент усиления линзовых антенн, прямо пропорционален площади линзы и обратно пропорционален квадрату длины волны. Поэтому для увеличения направленных свойств стремятся укоротить волну или, если это по каким-либо причинам невозможно, увеличить площадь линзы.

Однако с увеличением площади поперечного сечения линзы при неизменном фокусном расстоянии f (которое нерационально увеличивать из-за сильного возрастания габаритных размеров антенной системы) толщина линзы сильно увеличивается, что утяжеляет антенну.

Для уменьшения веса линзу делают ступенчатой или как говорят, зонированной за счет изъятия частей объема, на которых изменение оптического пути луча равно целому числу длин волн. Сечение линзы при этом приобретает вид, показанный на рис. 60 а.

Начиная с крайней точки А толщина линзы плавно увеличивается по мере приближения к оси до тех пор, пока разность фаз между крайним лучом SA и лучом, прошедшим через диэлектрик линзы, не станет равной 2p.

В этой точке толщина диэлектрика вновь может быть сделана равной нулю при сохранении неизменным фронта волны на выходе линзы, так как из синусоидального закона изменения поля отклонения фазы на 2p (360°) никакого влияния не окажет.

Указанная точка будет служить началом следующей ступени, толщина которой вновь увеличивается до того места линзы, где длина оптического пути вновь может быть уменьшена еще на одну длину волны, и т. д.

Так как длина волны в диэлектрике в п раз меньше, чем в воздухе, то толщина изымаемого диэлектрика при образовании каждой ступени должна быть равной

При этом на практике при образовании ступенек тол-шину линзы доводят не до нуля, а до некоторой минимальной величины х, выбираемой из соображений механической прочности линзы. Зонирование линзы, показанное на рис. 60 а, произведено за счет вырезания ступенчатых зон со стороны непреломляющей поверхности. Вырезание таких зон обеспечивает уменьшение веса линзы, но не изменяет ее максимальную толщину d.

Зонирование может быть произведено и за счет образования ступенек со стороны преломляющей поверхности линзы, как это показано на рис. 60 б. Существенным отличием этой линзы является не только сокращение объема диэлектрика, но и уменьшение толщины линзы. Однако наличие ступенек на преломляющей поверхности приводит к образованию областей тени на границах ступенек. Образование теневых зон можно проиллюстрировать, рассматривая ход двух смежных лучей, падающих на границу двух соседних зон (рис. 60, 6). Луч 1, падая на линзу слева направо, проходит через диэлектрик и попадает в фокус S по пути 1', а луч - 2, смежный с лучом 1, но проходящий уже через следующую ступеньку, попадает в точку S по пути 2'. В пространстве же между 1' и 2' поля нет. При работе на передачу доля энергии от облучателя, заключенная в секторах тени, рассеивается ступеньками и до выхода линзы не доходит.

Наличие таких теневых областей приводит не только к уменьшению коэффициента усиления линзы, но и к возрастанию уровня боковых лепестков, что часто недопустимо. Зонированными делаются не только замедляющие линзы но и волноводные.

Схематически разрез ступенчатой волноводной линзы приведен на рис. 61. На рис. 62 показан вид сзади на антенную систему с зонированной ускоряющей линзой от радиолокационной станции, работающей на волне 1, 25 см. Рис. 63 воспроизводит фотографию участка подобной волноводной линзы ступенчатой конструкции.

Следует заметить, что разбивка линз на зоны справедлива лишь для заданной частоты, поэтому у зонированных замедляющих линз появляется зависимость их параметров от частоты, обусловленная нарушением условия синфазности лучей в раскрыве (выходном отверстии) линзы.

Обычно допускают отклонение фронта волны в раскрыве антенн не более чем на 0, 125l₀. В этих условиях рабочая полоса частот зонированной замедляющей линзы Df оказывается равной

Df ≈ % (40)

где k — полное число зон.

У ускоряющих же линз, в отличие от замедляющих, зонирование увеличивает диапазонность антенны. Объясняется это тем, что у волноводных линз коэффициент преломления п довольно сильно зависит от частоты. Придание же линзе ступенчатой конструкции уменьшает длину пути лучей в частотно-зависимой среде и увеличивает тем самым диапазонность антенны. Так, например, принимая допустимым изменение оптического пути лучей в 0, 125l₀, мы получаем следующие зависимости, определяющие рабочую ширину полосы частот Df:

Df = % (41)

для незонированной волноводной линзы и

Df ≈ 25 %(42)

для зонированной линзы.

В приведенных формулах n₀ — коэффициент преломленияна расчетной длине волны; d — толщина линзы; l₀— расчетная длина волны; k — число зон.

При n₀≈ 0, 5 и большом числе зон рабочая полоса частот зонированной линзы примерно в 3 раза шире, чем у эквивалентной незонированной линзы.

Питание линзовых антенн

Как и в антеннах с параболическими зеркалами, в качестве облучателей ускоряющих и замедляющих линз желательно применение таких антенн, все излучение которых падало бы только на линзу. Наиболее полно эта задача решается в рупорно - линзовых антеннах, представляющих собой рупор, в выходном отверстии которого для создания плоской волны размещается линза. Наличие у рупорно - линзовых антенн металлических стенок, идущих от питающего волновода до краев линзы, исключает возможность распространения радиоволн во внешнее пространство помимо линзы.

О том, насколько эффективны подобные антенны, можно судить по такому примеру: секторный рупор с шириной зева в 40 длин волн и длиной в 800 волн эквивалентен по усилению и своим направленным свойствам антенне, состоящей из секторного рупора с теми же размерами зева и цилиндрической линзы, но имеющего длину лишь в 38 волн, т. е. рупор получается почти в 20 раз более коротким.

Рупорно-линзовые антенны обладают большим весом, неудобны в транспортировке, поэтому применяются в основном лишь на стационарных объектах.

Чаще всего в качестве облучателей линз применяют небольшие рупорные антенны, выбирая параметры последних так, чтобы интенсивность их излучения в направлениях на края линзы составляла 10—20% от интенсивности облучения центра линзы. В этом случае площадь линзовой антенны используется еще достаточно эффективно, а уровень дополнительных лепестков, возникающих за счет излучения через края линзы, получается не слишком высоким.

При создании линзовых антенн с большими коэффициентами усиления конструкторам аппаратуры приходится сталкиваться с таким фактом: у передающих линзовых антенн радиоволны, достигнув передней (внешней) поверхности линзы, отражаются от нее и возвращаются обратно в облучатель. Это приводит не только к нарушению согласования облучателя с питающей его линией передачи, но и снижает усиление антенны.

У приемных линзовых антенн электромагнитные волны также испытывают частичное отражение от границы раздела воздух — диэлектрик линзы. Из-за этого, пользуясь терминологией оптики, линза несколько теряет свою «прозрачность», т. е. коэффициент усиления антенны снижается.

Интенсивность отраженных волн оказывается тем выше, чем больше разница в коэффициентах преломления воздуха и материала линзы.

Однако, если поверхность диэлектрика покрыта слоем другого диэлектрика e₂с проницаемостью, равной среднему геометрическому (e₂= ) из диэлектрической проницаемости воздуха e_в = 1 и диэлектрической проницаемости среды e₁, от которой ранее происходили отражения, то указанные отражения могут быть полностью устранены, если толщина слоя диэлектрика e₂будет равна четверти длины волны.

Это объясняется тем, что после применения такого согласующего диэлектрического слоя отражения будут происходить как на границе воздух — пленка, так и на границе пленка — диэлектрик. Причем скачок диэлектрической проницаемости на каждой из этих границ будет одним и тем же (e_в: e₂ = e₂: e₁), поэтому волны, отраженные от каждой из границ, будут равны по амплитуде. Но так как толщина согласующей пленки равна четверти волны, то падающая волна при прохождении через пленку из воздуха изменит свою фазу на 90°, а при обратном движении, после отражения от второй границы, изменит фазу еще на 90^э. В итоге волны, отраженные от первой и второй границ, оказываются равными по амплитуде, но противоположными по фазе. Вследствие этого они взаимно гасят друг друга.

Согласующий слой в основном применяется у линзовых антенн из искусственного диэлектрика, поскольку у последнего легко может быть осуществлена требуемая диэлектрическая проницаемость e₂ = .У волноводных линз для устранения попадания отраженных волн в облучатель практикуют либо небольшой наклон линзы, либо разрезают линзу на две симметричные половинки и смещают их одну относительно другой вдоль оптической оси на четверть волны.

В первом случае облучатель оказывается как бы вынесенным из фокуса, поэтому отраженные от поверхности I линзы лучи концентрируются в точках, лежащих вне облучателя (рис. 64).

Во втором случае происходит примерно то же, что и в линзе с согласующей пленкой: отраженные от обеих половинок линзы волны, попадая в облучатель, оказываются равными по амплитуде, но противоположными по фазе.

Заканчивая на этом рассмотрение линзовых антенн, следует указать, что в ряде случаев их предпочитают параболическим, так как допуски на изготовление линзовых антенн менее жестки, чем на изготовление параболических зеркал. Достоинством линзовых антенн является и то, что у них облучатель не оказывает искажающего влияния на поле в раскрыве антенны, поскольку питающее устройство не находится в поле излучения, как, например, у большинства параболических антенн.

В ряде конструкций линзы применяются в сочетании с зеркалами для построения антенн с широким сектором качания луча.

Диэлектрические антенны

Диэлектрические антенны представляют собой сплошные стержни или трубки из диэлектрика длиной в несколько волн и с поперечными размерами, сравнимыми с волной.

Диэлектрические антенны, как и линзовые, основаны на использовании особенностей распространения радиоволн в диэлектрических средах. Однако принцип их действия совершенно иной.

Известно, что при переходе электромагнитных волн из среды с одной диэлектрической проницаемостью в среду с другой проницаемостью на поверхности раздела сред появляются заряды и токи (так называемые поляризационные токи). Такие заряды и токи возникают и на поверхности стержней при распространении вдоль них электромагнитных волн, причем фаза и амплитуда зарядов в каждой точке поверхности стержня зависят от скорости распространения волны. Электромагнитное поле в любой точке пространства вне стержня, создаваемое зарядами и токами, зависит от закона их распределения на поверхности стержня.

Если размеры стержня и его материал подобрать так, чтобы скорость распространения радиоволн вдоль диэлектрической антенны была близка к скорости света, то максимальное излучение антенны будет направлено вдоль оси стержня в сторону движения волны.

Здесь мы имеем аналогию с антенной типа «волновой канал», в которой директоры также обеспечивают запаздывание фазы волны в направлении от активного вибратора в сторону максимального излучения. В директорных антеннах нужное распределение фаз и амплитуд токов подбирается за счет выбора местоположения и длины вибраторов. В диэлектрических же антеннах это достигается за счет выбора их размеров.

Когда диаметр стержня велик по сравнению с волной, то скорость распространения радиоволн вдоль стержня близка к скорости распространения радиоволн в диэлектрике, равной , где с — скорость света, а e_Д — диэлектрическая проницаемость материала стержня.

При уменьшении диаметра стержня скорость распространения приближается к скорости света с.

Экспериментальные исследования показывают, что наилучшими направленными свойствами обладают такие стержни, площадь поперечного сечения которых S не превышает S_max = , но не меньше S_min= , где l₀— длина рабочей волны в воздухе.

При этих размерах скорость распространения радиоволн вдоль стержня оказывается весьма близкой к скорости света.

Увеличение поперечного сечения стержня сверх значения Smax приводит к увеличению уровня боковых лепестков и не повышает усиления антенны. Снижение поперечного сечения против значения S_min очень быстро приводит к расширению главного лепестка диаграммы направленности, следовательно, и к снижению коэффициента усиления антенны.

Длину диэлектрических стержневых антенн выбирают в пределах от 2 до 6 волн в зависимости от требуемого коэффициента усиления.

Если антенна в виде одного единственного стержня не обеспечивает нужной направленности, то в этом случае идут не по пути увеличения ее длины, а по пути применения систем из нескольких однотипных диэлектрических стержней, питаемых синфазно. Делается это потому, что дальнейшее увеличение длины диэлектрической антенны свыше 6 волн заметного выигрыша уже не дает.

На рис. 65 представлена диэлектрическая антенна из четырех полистироловых стержней, расположенных в один ряд, и приведены диаграммы направленности этой антенны. Так как отдельные диэлектрические стержни достаточно диапазонны в силу некритичности их размеров, то при выполнении системы питания отдельных стержней по параллельной схеме, показанной на рис. 65, антенная система в целом также сохраняет свои свойства в широком диапазоне волн.

Часто диэлектрические стержни делают конусообразными с сужением в сторону максимального излучения. При этом стремятся не к уменьшению веса, а к улучшению направленных свойств, так как придание стержню небольшой конусности снижает интенсивность побочных лепестков диаграммы направленности.

Для уменьшения поперечного сечения диэлектрические стержни изготовляют из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, обращая при этом внимание на величину потерь в этом диэлектрике, так как применение материала с высоким значением диэлектрической проницаемости и большим углом потерь влечет резкое ухудшение коэффициента полезного действия антенны.

Возбуждение (питание) диэлектрических антенн осуществляется либо вибратором, перпендикулярным оси стержня, либо волноводом, несущим основную поперечную магнитную волну. В первом случае вибратор для устранения тыльного излучения помещается в металлическую коробку, в открытый конец которой заделывается диэлектрический стержень (см. рис. 65). Такая коробка по существу является коротким волноводом.

Направленные свойства диэлектрических стержневых антенн практически не зависят от формы их поперечного сечения, которое может быть круглым, квадратным и т. д. Последнее обстоятельство весьма удобно в конструктивном отношении, так как сечению стержня может быть придана конфигурация питающего волновода, а сам стержень, будучи заделанным в волновод, автоматически разрешает задачу герметизации его внутренней полости.

Для наглядного представления о направленных свойствах диэлектрических антенн на рис. 66 они сопоставлены с антеннами, эквивалентными им по характеристике направленности и коэффициенту усиления.

Диэлектрические антенны эквивалентны:

стержень длиной в 1, 8 волны — плоскостной синфазной антенне, состоящей из восьми полуволновых вибраторов с рефлектором;

стержни длиной в 3, 3 волны — коническому рупору длиной в 5 волн и диаметром зева в две волны;

антенная система из четырех стержней — коническому рупору, имеющему в два раза большую длину и площадь поперечного сечения.

Кроме стержневых, применяются антенны в виде полых диэлектрических трубок диаметром около волны, возбуждаемых аналогично сплошным стержневым излучателем. Толщина стенок таких трубок берется в соответствии с диэлектрической проницаемостью материала трубки, но никогда не превосходит 0, 1 рабочей длины волны. Антенны из диэлектрических полых трубок часто называют оболочечными.

Оболочечные диэлектрические антенны получаются несколько более громоздкими, но они обладают меньшим весом, а в силу больших поперечных размеров — и более узкими диаграммами направленности, чем стержневые антенны тойже длины. На рис. 67 для сравнения приведены диаграммы направленности волновода, сплошного диэлектрического стержня и диэлектрической оболочечной системы.

Диэлектрические антенны применяются как в качестве самостоятельных антенн, так и облучателей, заменяя с успехом рупорные антенны. Вес диэлектрических антенн пропорционален кубу рабочей волны, что делает нерациональным их применение на волнах, превышающих 10—25 см. На более же коротких волнах диэлектрические стержневые и оболочечные излучатели имеют целый ряд преимуществ, к которым следует отнести малые размеры при хорошей направленности, возможность их использования в весьма широком диапазоне волн, малый вес и небольшую парусность.

К недостаткам диэлектрических антенн относятся сложность системы питания (когда антенна состоит из ряда синфазных элементов) и наличие диэлектрических потерь, могущих значительно снизить к. п. д. антенны.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 15 161718 19 20 Следующая ⇒