Материал: 736

110

и предполагается, что в них распространяется волна основного типа Н10 . Чтобы существовала только эта волна, расстояние между пластинами должно быть в пределах λ/2 < а < λ .

Уравнение профиля ускоряющей линзы также находится из условия постоянства оптического пути луча к поверхности равных фаз по любому направлению, проведенному из точки фокуса. В результате снова приходим к к уравнению (4.29), но в котором уже n < 1. При n < 1 это уравнение является уравнением эллипса.

Толщина линзы d (см. рис. 4.5,б) находится из соотношения

будет также переменной и иметь эллиптический профиль, то линза будет фокусировать излучение и в плоскости Н.

Для металлопластинчатой линзы допуски на отклонение профиля от теоретической кривой и на точность установки облучателя в фокусе (в направлении оси линзы) определяются по формулам (4.33).

Металлопластинчатые линзы узкополосны, так как показатель преломления (4.34) зависит от λ. КИП у них может достигать значений 0,8…0,85. Металлопластинчатые линзы конструктивно просты. Их применение в рупорных антеннах позволяет существенно уменьшить длину рупора. Однако конструкции большеразмерных антенн на ускоряющих линзах оказываются громоздкими и в этом смысле они уступают, например, зеркальным антеннам.

Антенны на неоднородных линзах

Применяя неоднородные среды с переменной диэлектрической проницаемостью, можно построить семейство линз, у которых фокусировка осуществляется за счет изменения коэффициента преломления. Для получения синфазного раскрыва коэффициент преломления среды внутри линзы должен убывать от центра к ее краю. Из семейства неоднородных линз наиболее известна линза Люнеберга.

Линза Люнеберга с центральной симметрией имеет форму сферы (рис. 4.6, а). Ее коэффициент преломления меняется по закону

где а – радиус сферы, r – текущий радиус точки внутри сферы. Сферический фазовый фронт сосредоточенного источника, расположенного на поверхности линзы, она преобразует в плоский волновой фронт. В конструктивном отношении линза может представлять набор однородных концентрических слоев из радиочастотной пенокерамики. Плотность слоев должна

111

уменьшаться от центра к периферии, чтобы обеспечить требуемый профиль коэффициента преломления ( n = 2 в центре линзы и n = 1 на ее поверх-

Рис. 4.6. Сферическая линза Люнеберга (а) и сканирование ДН в антенной системе на основе такой линзы (б)

ности). Так как коэффициент преломления на поверхности линзы равен коэффициенту преломления окружающей среды, это обеспечивает ее хорошее согласование с пространством.

У линз Люнеберга излучающий раскрыв имеет вид полукольца. Для расчета ДН в плоскости фокусировки (например, в горизонтальной плоскости) излучающий раскрыв заменяется эквивалентной синфазной ЛНС. В вертикальной плоскости раскрыв линзы заменяют эквивалентной ЛНС с бегущей волной. Уровень боковых лепестков в обеих плоскостях лежит в пределах минус (13…18) дБ. Эти линзы удобны для применения в антенных системах со сканированием (без искажений) ДН. Сканирование осуществляется посредством простого перемещения облучателя по поверхности сферы (рис. 4.6,б). Если на поверхности сферы разместить несколько неподвижных облучателей, то получится многолучевая антенная система.

4.4. Зеркальные антенны

Во многих областях радиотехники, особенно в радиолокации, радиоастрономии, в радиорелейной связи, связи и телевещании с использованием искусственных спутников Земли широкое применение нашли зеркальные антенны. Зеркальными антеннами называют антенны, формирующие ДН путем отражения электромагнитных волн от металлического зеркала (рефлектора) определенного профиля. Первичным источником электромагнитных волн служит какая-либо слабонаправленная антенна, называемая облучателем. Зеркало (одно или несколько) и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны. Наиболее распространенными являются осесимметричные зеркала в виде параболоида вращения. Антенны с параболическими зеркалами называют параболическими зеркальными антеннами

(ПЗА).

112

Принцип действия ПЗА основан на известном из оптики свойстве параболических зеркал преобразовывать в плоский сферический фронт падающей на них (из точки фокуса) волны. При этом на излучающем раскрыве большого размера создается синфазное распределение поля, формирующее так называемую игольчатую ДН. По направленности, эффективности, простоте конструкции зеркальные антенны являются лучшими среди остронаправленных антенн СВЧ диапазона.

Существуют различные технологии производства зеркал. Современная технология позволяет зеркала с диаметром не более 3м выполнять цельными холоднокатаными из листового проката сплавов на основе алюминия. Зеркала большего диаметра выполняют сборными с периферийной частью в виде отдельных секций, что требует дополнительной крепежной арматуры и подгонки, а это резко удорожает стоимость. Очень точные зеркала малых размеров получают при вращении жидкого расплава пластмассы до ее затвердевания, а затем поверхность полученного по такой технологии зеркала металлизируется.

Однозеркальные антенны

Осесимметричные параболические зеркальные антенны часто возбуждаются полуволновым вибратором с рефлектором или пирамидальным рупором, фазовые центры которых должны находиться в фокусе параболоида

(рис. 4.7).

R Раскрыв

Вершина

F

dp

z

ψ

2ψр

Рис. 4.7. Профиль параболического зеркала

Уравнение профиля осесимметричного параболического зеркала в декартовой системе координат определяется формулой

точку на поверхности зеркала; fa – фокусное расстояние (расстояние от вершины зеркала до фокуса).

В инженерной практике расчет поля излучения зеркальных антенн проводится апертурным методом. В рамках этого метода задачу решают в два этапа.

Первый этап – решение внутренней задачи об определении распределения поля на раскрыве зеркала.

Второй этап – решение внешней задачи, т.е. определение поля излучения антенны в дальней зоне по найденному распределению поля в раскрыве.

Решение внутренней задачи при заданных геометрических параметрах зеркала и известной ДН облучателя обычно проводится приближенно при следующих допущениях:

∙размеры зеркала и радиус кривизны в любой точке его поверхности считают значительно больше длины волны, что при отражении электромагнитных волн от зеркала позволяет применять законы геометрической оптики;

∙токи и касательные составляющие электрического поля на неосвещенной стороне зеркала принимаются равными нулю;

∙дифракция волн на краю зеркала не учитывается;

∙принимается, что внутренняя поверхность зеркала находится в дальней зоне облучателя.

Нормированное распределение амплитуды поля на раскрыве параболи-

ческого зеркала по известной ДН облучателя, имеющего точечный фазовый центр, в приближении геометрической оптики вычисляется по формуле

где ϕ – полярная координата в плоскости раскрыва зеркала; F0 (θ ,ϕ ) – нормированная амплитудная ДН облучателя.

Фаза поля на раскрыве зеркала при облучателе, находящимся в фокусе, считается постоянной.

Облучатели зеркальных антенн определяют характеристики всей антенной системы. В качестве облучателей параболических зеркал применяются различные слабонаправленные антенны: вибраторные с рефлектором, волноводные, рупорные, спиральные и т. д. К ним предъявляются следующие требования:

∙ДН облучателя должна быть близкой к осесимметричной, а уровень боковых лепестков – минимальным;

∙фронт волны, создаваемой облучателем, вблизи поверхности зеркала должен быть близким к сферическому, т. е. облучатель должен иметь точечный фазовый центр;

114

∙облучатель должен иметь небольшие размеры, чтобы меньше затенять раскрыв зеркала;

∙облучатель должен иметь нужную поляризацию, обеспечивать требуемую электрическую прочность и необходимую полосу пропускания;

∙конструкция облучателя должна обеспечивать защиту от метеоусловий

и допускать возможность герметизации тракта.

Поляризация излучения зеркальных антенн определяется поляризацией облучателя. При этом необходимо учитывать, что в случае круговой поляризации при отражении от металлического зеркала направление вращения плоскости поляризации меняется на противоположное. В случае линейной поляризации её характер при отражении не меняется.

Отклонение фронта волны от сферического приводит к искажению фазового распределения в раскрыве зеркала, что ухудшает характеристики излучения антенны. Затенение облучателем части раскрыва зеркала вызывает рассеяние энергии на облучателе, уменьшение КНД антенны и увеличение уровня боковых лепестков.

Наиболее перспективным являются волноводные и рупорные облучатели с внутренней ребристой поверхностью, имеющие осевую симметрию. Кольцевые канавки обычно имеют глубину не более λ/4 и шаг меньше 0,1λ. Ребристая структура поддерживает гибридную волну НЕ11. У такого облучателя симметричная ДН и низкий уровень кроссполяризации. При 50% -ном изменении частоты ширина ДН меняется на 3…7%. Однако ребристый рупор имеет большой раскрыв. Установка диэлектрической линзы в его раскрыв уменьшает размеры рупора, герметизирует его и позволяет довести КИП до

0,9.

В направлении зеркала нормированная амплитудная ДН облучателя приближенно может быть описана выражением

Для полуволнового вибратора с линейным рефлектором m =1; для вибратора с дисковым рефлектором m = 2; для рупорных облучателей m ³ 3.

Оптимальное фокусное расстояние зеркала fопт , обеспечивающее при за-

данном диаметре раскрыва dp = 2ар и заданной ДН облучателя Fобл (ψ) наи-

большее значение КНД антенны, зависит от диаметра раскрыва зеркала и ДН облучателя. Значения fопт / dp для разных m приведены в табл. 4.1.