Материал: 736

105

дального рупора могут пересекаться в одной точке (LЕ = LН) и тогда его называют остроконечным. Если они пересекаются в разных точках

(LЕ ¹ LН), рупор называется клиновидным.

Структура поля внутри пирамидального рупора плавно меняется в обеих плоскостях и в нем распространяется волна с фазовым фронтом, близким к сферическому. АФР в раскрыве рупора разделяющееся. В плоскости Е амплитудное распределение почти постоянное, а в плоскости Н косинусоидальное. Фазовые распределения в обеих плоскостях квадратичные. В соответствии с этим ДН пирамидального рупора в главных плоскостях приближенно рассчитываются по формулам, полученным для соответствующих секториальных рупоров.

Для пирамидального рупора также существуют оптимальные размеры. Оптимальные соотношения длины рупора и его раскрыва в каждой плоскости определяются соответствующими соотношениями для секториальных рупоров. Размеры оптимального клиновидного рупора рассчитываются по формулам (4.17) и (4.19), а остроконечного – по формулам

Для правильного сопряжения горловины пирамидального рупора с волноводом должно выполняться соотношение

С целью уменьшения длины пирамидального рупора допускают фазовые искажения в каждой из плоскостей, соответствующие оптимальным секториальным рупорам. Ширина ДН оптимального пирамидального рупора в главных плоскостях определяется по формулам

2θ0H,5 80O λ / a p , 2θ 0E,5 53O λ / bp . (4.23)

Нормированные амплитудные ДН пирамидальной рупорной антенны при

Для оптимального пирамидального рупора КИП равен ν = 0,49.

Поскольку пирамидальный рупор в обеих плоскостях плавно трансформирует волноводную волну в пространственную, он хорошо согласован. Типичные значения КСВ для оптимальных пирамидальных рупоров состав-

ляют 1,04…1,15.

Конический рупор

Такой рупор образуется при плавном увеличении диаметра круглого волновода. При линейной поляризации поля в волноводе поляризация на выходе рупора неустойчива. Поэтому этот тип рупора используется редко, в основном как излучатель круговой или эллиптической поляризации. Структура

106

поля внутри рупора имеет характер сферической волны. При возбуждении рупора круглым волноводом с волной основного типа H11 амплитудное распределение в плоскости Н близко к косинусоидальному, а в плоскости Е оно почти постоянное. Фазовое распределение в обеих плоскостях квадратичное.

Размеры оптимального конического рупора связаны между собой соотношением

где Lопт , d p – оптимальная длина и диаметр раскрыва рупора.

Диаграммы направленности конических рупоров рассчитываются апертурным методом с использованием выражений для множителя направленности круглого раскрыва (2.55) и при тех же допущениях, которые были сделаны в случае пирамидального рупора. Ширина ДН оптимального конического рупора в главных плоскостях составляет

2θ0H,5 ≈ 70O λ / d p , 2θ0E,5 ≈ 60O λ / d p . (4.26)

КНД такой антенны в направлении максимума ДН определяется по формуле

линзовые антенны. Состоят они из электромагнитной линзы и облучателя, фазовый центр которого совмещен с фокусом линзы.

Электромагнитная линза – это радиопрозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями: освещенной криволинейного профиля и плоской поверхностью апертуры. К линзам предъявляются следующие основные требования: они должны иметь малые тепловые потери и быть хорошо согласованными с окружающим пространством.

Облучатель предназначен для создания нужного амплитудного распределения на раскрыве линзы. Он должен иметь точечный фазовый центр и обеспечивать требуемую поляризацию поля излучения. В качестве облучателей используются слабонаправленные антенны, такие как рупорные, открытые концы волноводов, вибраторы с рефлекторами и т. д.

В отличие от оптического диапазона линзы в радиодиапазоне могут быть как замедляющими, так и ускоряющими. На практике чаще всего используются диэлектрическая (замедляющая) и металлопластинчатая (ускоряющая, использующая волноводное распространение) линзы. Размеры раскрыва линзовых антенн обычно велики по сравнению с длиной волны, поэтому они относятся к остронаправленным антеннам и предназначены для формирования узких (2θ0,5 < 10°) ДН.

Принцип действия линзовых антенн заимствован из оптики и заключается в преобразовании расходящегося пучка лучей от слабонаправленного

107

источника в параллельный пучок лучей или в преобразовании сферического фронта волны облучателя в плоский волновой фронт на выходе линзы. Благодаря этому удается получить плоский синфазный раскрыв требуемого размера и сформировать узкую ДН.

Приближенная теория линзовых антенн строится на основании законов геометрической оптики. Их применение возможно, если диаметр линзы, ее фокусное расстояние и радиус кривизны поверхности линзы много больше длины волны. Так как обычно линзы имеют большие электрические размеры, эти условия выполняются. В случае неоднородной линзы изменение амплитуды поля и параметров материала в пределах расстояния порядка длины волны в линзе должны быть не велики. Уравнение профиля линзы находится из условия постоянства электрической длины или оптического пути луча к поверхности равных фаз по любому направлению, проведенному из точки фокуса.

При известном распределении возбуждающего поля в апертуре амплитудные ДН осесимметричных линзовых антенн рассчитываются апертурным методом по формуле (2.55), что и ДН круглых синфазных раскрывов. С целью уменьшения доли энергии, проходящей мимо линзы, и следовательно снижения уровня боковых лепестков, ДН облучателя выбирают такой, чтобы она обеспечивала спадающее к краям линзы амплитудное распределение. Уровень боковых лепестков у линзовых антенн составляет минус (15…25)

дБ.

В качестве облучателя линзовой антенны может использоваться укороченный пирамидальный рупор. Установив линзу в раскрыве этого рупора так, чтобы ее фокус был совмещен с фазовым центром рупора, можно сферическую волну, распространяющуюся в рупоре, преобразовать в плоскую и тем самым существенно уменьшить фазовые искажения в раскрыве. Такие антенны называются рупорно-линзовыми. Их амплитудные ДН рассчитываются по формулам для синфазных раскрывов с постоянным в одной плоскости и косинусоидальным в другой распределениями поля.

КНД линзовых антенн в направлении максимума ДН приближенно определяют по формуле

где S p – площадь раскрыва линзы.

С целью согласования линз с окружающим пространством их коэффи-

фидере облучателя линзовой антенны для диэлектрических линз равен 1/ n и n для металлопластинчатых линз. Ускоряющие линзы обычно толще.

Для уменьшения толщины линз их зонируют, делая профиль ступенчатым. Зонирование линзы основано на том факте, что синфазность раскрыва обеспечивается не только при равенстве оптических путей от фокуса до раскрыва, но и при отличии их на тλ , т = 0, ±1, ±2 .… Фазы оптических путей

108

при этом отличаются на 2πm. Зонированные линзы имеют более низкий КИП. Зонирование замедляющей линзы сужает ее полосу пропускания. Зонирование ускоряющей линзы, наоборот, расширяет ее диапазонность.

Антенны на замедляющих линзах

Схематично антенна на замедляющей линзе изображена на рис. 4.4,а. Уравнение профиля осесимметричной замедляющей диэлектрической линзы в сферической системе координат имеет вид

где ρ – расстояние из фокуса до произвольной точки на поверхности линзы, θ – угол между осью линзы и направлением из фокуса в произвольную

точку на поверхности линзы, f – фокусное расстояние,

n – коэффициент преломления диэлектрика.

Рис. 4.4. Диэлектрическая линза (а) и ход лучей в ней (б)

Уравнение (4.29) при n > 1 является уравнением гиперболы, т.е. освещенная поверхность линзы имеет гиперболический профиль. Толщина линзы d находится из геометрических соображений также (см. рис. 4.4,б):

Угол 2θр называют углом раскрыва линзы. Зная его, можно рассчитать или выбрать облучатель линзы, так как для достижения максимального КНД ширина ДН облучателя на уровне 0,1 по мощности должна быть равна углу раскрыва линзы.

Допуски на отклонение профиля диэлектрической линзы от теоретической кривой и на точность установки облучателя в фокусе (в направлении оси линзы) определяются по формулам

Диэлектрические линзы являются широкополосными, поскольку ε от частоты почти не зависит. Применяются в основном в миллиметровом и сантиметровом диапазонах длин волн, где имеют приемлемые массогабаритные параметры.

Антенны на ускоряющих линзах

В сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн нашли применение ускоряющие металлопластинчатые линзы. Они выполняются из набора тонких параллельных металлических пластин, расположенных на расстоянии а друг от друга и образующих на срезах вогнутую поверхность (рис. 4.5,а). Пластины должны быть параллельны вектору напряженности электрического поля падающей волны.

Рис. 4.5. Металлопластинчатая линза (а) и ход лучей в ней (б)

Пространство между пластинами можно рассматривать как плоские волноводы, размер узких стенок которых (высота) значительно больше расстояния между пластинами а. Эти волноводы имеют эффективный показатель преломления