1.3. Антенны оптического типа

К антеннам оптического типа относятся зеркальные и линзовые антенны, имеющие много общего с зеркалами и линзами, применя­емыми в оптике.

Наиболее широ­ко применяемыми типами зеркал на с. в. ч. являются па­раболоид вращения и параболический ци­линдр. Как известно из геометрической оп­тики, зеркало в ви­де параболоида вра­щения преобразует пучок расходящихся лучей точечного ис­точника, помещенно­го в фокусе, в пу­чок лучей, параллельно оптической оси параболоида. Иными словами, зеркало яв­ляется трансформато­ром (преобразовате­лем) волны сфериче­ской формы в плос­кую волну в раскрыве зеркала. Раскрывом зер­кала называют про­екцию излучающего отверстия на плос­кость, перпендикулярно оптической оси. Зеркало в виде параболического ци­линдра трансформи­рует цилиндриче­скую волну линейно­го источника, расположенного вдоль фокальной линии, в плоскую волну. Диаграмма направленности в обоих случаях формируется участком плоской волны по законам дифракции на отверстии в непрозрачном экране.

Для качания главного максимума излучения в широком секторе иногда применяют сферическое зеркало. В пределах не­больших участков поверхность сферы мало отличается от поверх­ности параболоида вращения, фокусное расстояние которого равно половине радиуса сферы. Применяя облучатель с достаточно узкой диаграммой направленности, используют указанный малый участок сферического зеркала Перемещение облучателя по дуге окружности, радиус которой равен половине радиуса сферы, обеспечивает качание в широком секторе главного максимума излу­чения без искажения его ширины и формы.

Особенной простотой конструкции отличается уголковое зеркало, которое применяют для формирования диаграмм на­правленности с главным максимумом не хуже нескольких десятков гра­дусов. Уголковое зеркало состоит из двух плоских металлических листов шириной порядка длины волны, образующих угол 60 — 90˚. Высота зеркала - выбирается приблизительно равной длине системы вибраторов, размещаемых вдоль прямой линии на биссек­трисе угла и на расстоянии порядка (0.25 -:- 1.0) λ от его вершины.

Зеркальные антенны удобны для формирования диаграммы на­правленности заданной формы. Для этого часто используют цилин­дрическое зеркало специально рассчитанного профиля.

Для формирования заданной диаграммы направленности и для качания главного максимума излучения может быть использована также двух зеркальная система. Подбором формы малого зеркала можно в широких пределах изменять распределение ампли­туды и фазы поля, падающего на поверхность большого зеркала.

Благодаря простоте, легкости, механической прочности конструк­ции, диапазонности, возможности несложными способами создавать диаграммы направленности необходимой формы зеркальные антенны очень широко применяются, являясь основным типом антенн в ра­диолокационных станциях сантиметрового диапазона.

Зеркала изготовляются как из сплошных металлических листов так и из металлических сеток для уменьшения веса и парусности. В качестве облучателя зеркала может служить вибратор (или система вибраторов), который является обычно первичным источником радиоволн, либо открытый конец волновода, рупор, радиоволны к кото­рому канализируются по волноводу от первичного источника, воз­буждающего волновод.

На с. в. ч. могут быть использованы диэлектрические линзы из диэлектриков с малыми потерями, вполне аналогичные оптическим. Однако диэлектрические линзовые антенны больших размеров с вы­сокой направленностью имеют слишком большой вес и стоимость, поэтому вместо диэлектриков применяются искусственные прелом­ляющие среды.

Такие среды представляют собой решётки из металлических час­тиц, запрессованных и диэлектрик типа пенопласта, имеющий весьма малый удельный вес и потери и коэффициент преломления, близкий к единице. Если линейные размеры металлических частиц в направ­лении, параллельном вектору, меньше половины длины волны, то фазовая скорость распространения волны в такой среде меньше скорости в свободном пространстве. Среда является «искусственным диэлектриком», который был предложен в 1920 г. Н. А. Капцовым. Из «замедляющей» среды изготовляют линзы, подобные диэлектрическим, но имеющие меньший вес и более дешевые.

Замедляющей средой может служить также система гофрированных (или наклонных по отношению к оптической оси) металлических пластин, перпендикулярных плоскости поляризации облуча­тели. Эффект «замедления» вызывается тем, что длина кривошипного пути волны между гофрированными (или наклон­ными) пластинами больше, чем длина пути в свободном простран­стве.

Если размеры металлических частиц в направлении, параллельном вектору, происходят половину длины волны, то фазовая скорость волны в среде больше скорости в свободном пpocтранстве. В отличие от обычной для оптики выпуклой собирающей линзы, линза из од­нородной «ускоряющей» среды оказывается вогнутой. Таким образом, на с. в. ч.. в отличие от оптики, возможны не только «за­медляющие», но и «ускоряющие» линзы.

Ускоряющей средой может служить система металлических пла­стин с круглыми отверстиями диаметром порядка (0,6 - 0.8)λ при расстоянии между центрами порядка 0,8λ. Прошедшая через отверстие волна получает положительный сдвиг по фазе, ко­торый возрастает при уменьшении диаметра отверстия. Так как тол­щина рассматриваемой линзы всюду одинакова, то для ускорения лу­чей, падающих на ее края, по сравнению с центральными, диаметр отверстий постепенно уменьшают к краям линзы. Следовательно, коэффициент преломления изменяется внутри линзы, т. е. линза яв­ляется неоднородной.

В качестве ускоряющей среды используют также систему плоских металлических пластин, параллельных вектору . Если расстояние между пластинами удовлетворяет условию λ/2< а <λ, то фазовая скорость распространения радиоволн в такой среде равна скорости распространения в волноводе. Это легко понять, представив каждую пару пластин как волновод с основным типом волны, у которого стенки, перпендикулярные вектору, удалены в бесконечность. Металлопластинчатая ускоряющая линза. Как и зеркала, линзы являются трансформаторами формы волны облучателя и могут использоваться для создания не только узкого луча, но и диаграммы направленности необходимой формы. Часто линзовая антенна устанавливается в раскрыве рупора для корректи­ровки фазовых искажений, т. е. получения плоской волны.

Достоинствами линзовых антенн являются отсутствие элементов, затеняющих их раскрыв, что способствует снижению уровня боко­вых лепестков диаграммы направленности; наличие трех степеней свободы для формирования необходимой диаграммы направленно­сти— двух поверхностей (вместо одной — у зеркал) и коэффициен­та преломления; возможность создания антенн для качания луча в широком секторе. Общим недостатком всех типов линз по сравнению с зеркалами является большой вес и сложность конструкции.