7.6.5 Линзовые антенны

Линзовой называется такая апертурная антенна, кото­рая состоит из облучателя и радиочастотной линзы (рефрактора).

Основное назначение линзы, как и рефлектора, заключается в преобразовании слабонаправленных сферических волн облучателя в остронаправлен­ные плоские, но в данном случае для этого используется не отражение волн зеркалом, а преломление волн линзой.

Линзовые антенны классифицируются по следующим признакам:

1. Известно, что преломление волн происходит на границе раздела двух сред с различными показателями преломления п=с/υ_ф. Радиочастотная линза окружена воздухом, где электромаг­нитные волны распространяются с фазовой скоростью υ_ф, равной ско­рости света с (п = 1). Следовательно, линза должна иметь показатель преломления п ≠ 1 (υ_ф≠ с).

Если п >1, то линза называется замедляющей, а если п< 1, то ускоряющей.

2.Тело линзы ограничивается двумя поверхностями: освещенной, т. е. обращенной к облучателю, и теневой. Линзы с преломлением волн на обеих поверхностях называются двухповерхностными, а с преломле­нием на одной из них – одноповерхностными.

Наибольшее применение получили одноповерхностные линзы с преломляющей освещенной поверхностью, которая, как будет показа­но, выпуклая в замедляющих линзах (рисунок 7.11, а, б) и вогнутая в ускоряющих (рисунок 7.11, в, г). Раскрыв в этих линзах плоский.

3. Линзовые антенны с точечными облучателями называются осесимметричными, а с линейными облучателями - цилиндрическими. В первом случае (рисунок 7.11, а, в) фазовый центр облучателя совме­щается с фокусом F преломляющей поверхности линзы, которая образуется вращением соответствующей кривой вокруг оси Fx. Во втором (рисунок 7.11, б, г) ось линейного облучателя совмещают с фокальной осью.

Рисунок 7.11. Линзовые антенны: а – замедляющая осесимметричпая; б – за­медляющая цилиндрическая; в – ускоряю­щая осесимметричная; г – ускоряющая ци­линдрическая (преломляющей поверхности придают форму цилиндра, образующие которого параллельны линии F'F”)

4. Линзовые антенны бывают с однородными и неоднородными лин­зами. В первых показатель преломления по всей линзе одинаковый, а во вторых – переменный.

5. По роду и структуре преломляющей среды линзовые антенны разделяются на диэлектрические, металлопластинчатые (волноводные) и металлодиэлектрические (из искусственного диэлектрика).

Диэлектрические линзы изготавливаются из высокочастотных диэлектриков с относительной диэлектрической проницаемостью ε >1, которой соответствует показатель преломления п = > 1. Как видно, диэлектрические линзы – замедляющие.

В продольном сечении осесимметричный диэлектрической линзы (рисунок 7.12, а) отмечены характерные точки и углы: фокус F и вершина О, интервал между которыми FO= f называется фокусным расстоянием линзы; угол раскрыва 2ξ₀, под которым из фокуса F видны края L, М линзы.

В качестве облучателей линзовых антенн используются такие же облучатели, что и для зеркальных антенн. Облучатель помещается в фокусе линзы. Возбуждаемые то­чечным облучателем сферические волны достигают линзы сначала в ее вершине О, а к остальным точкам преломляющей поверхности они проходят тем больший путь, чем больше удалены эти точки oт оси FOO'. Задача заключается в том, чтобы преломленные волны пересе­кали плоскость раскрыва LO'M с одинаковой фазой, и тогда можно добиться наименьшей ширины луча антенны.

Рисунок 7.12 - Преломление волн замедляющей линзой

Зна­чит, нужно задержать в линзе падающие на нее волны тем больше, чем раньше они ее достигли, т. е. сделать одноповерхностную замедляю­щую линзу плоско - выпуклой. Тогда сферические волны облучателя пре­образуются линзой в плоские (рисунок 7.12, б), преломленные лучи кото­рых перпендикулярны апертуре линзы. При этом профиль преломляю­щей поверхности линзы удовлетворяет известному соотношению между углами падения α_пад и преломления α_пр

(7.25)

Условием преобразования сферической волны в плоскую является равенство оптического пути лучей от облучателя до любой точки плоскости раскрыва, в частности для осевого F00"0' и произвольного FAA' лучей. При этом

преломляющая поверхность замедляющей линзы должна иметь гиперболический профиль с толщиной

. (7.26)

Согласно этой формуле толщина линзы тем меньше, чем меньше ширина ее раскрыва d, больше фокусное расстояние f и показатель пре­ломления п материала, из которого она изготовлена.

Из конструктив­ных соображений желательно уменьшать как толщину линзы, так и фокусное расстояние, определяющее положение облучателя. Эти противоречивые требования можно совместить, если уменьшить раз­меры раскрыва антенны и увеличить показатель преломления. Однако первое приводит к снижению направленности антенны, а второе – к увеличению отражения от линзы и, как следствие, к уменьшению КПД и соответственно коэффициента усиления антенны.

Диэлектрические линзы изготавливают из высокочастотных диэлектриков с малыми потерями и показателем преломления, немногим больше единицы. Так,

например, широко применяемые для этого полистирол и фторопласт (тефлон) имеют соответственно: ε = 2,3... ... 2,6, tgδ = 10^-4…10^-3 и ε = 2,0, tgδ = 10^-4 [8].

Обыч­но f = d. Но даже при таких оптимальных размерах и параметрах диэлектрические линзы имеют большую массу. Поэтому они применяются только там, где не требуется высокая направленность и можно использовать линзы небольших размеров.

Металлопластинчатая линза состоит из нескольких металлических пластин, расположенных друг от друга на расстоянии а, которое меньше λ, но больше λ/2 (рисунок 7.13). Возбуж­даемые облучателем F'F" волны с составляющей электрического поля Е, параллельной поверхности пластин, проходят между пластинами.

Рисунок 7.13 – Металлопластинчатая Н-плоскостная цилиндрическая

линзовая антенна

Тогда пластины уподобляются узким стенкам прямоугольного волновода и в линзе распространяется волна Н₁₀ с фазовой скоростью

υ_ф=

Этой скорости соответствует показатель преломления

(7.27)

При подстановке а = 0,5λ ... λ получаем п = 0 ... 0,866, но на практике а ~ (0,58 ... 0,71) λ и n = 0,5 ... 0,7. Следовательно, метал­лопластинчатая линза ускоряющая. В ней синфазность раскрыва достигается тем, что луч, направленный по оси линзы, проходя через нее, испытывает наименьшее ускорение, а с увеличением угла раскрыва длительность распространения со скоростью υ_ф > с возрастает. Иначе говоря, ускоряющая линза должна быть плоско-вогнутой. Профиль ее преломляющей поверхности описывается уравненим эллипса.

При линейном облучателе используют­ся линзы в виде эллиптических цилиндров. Они способны трансформи­ровать цилиндрические волны в плоские, но трансформация (фоку­сировка) происходит только в Е – или Н – плоскости. Т.к. век­тор Е поля облучателя параллелен пластинам линзы, то на рисунке 7.13 показана Н – плоскостная линза, пластины которой имеют эллиптический профиль в горизонтальной Н – плоскости, а ось облу­чателя вертикальная. На рисунке 7.11, г показана Е – плоскостная линза, пластины которой имеют эллиптический профиль в вертикальной Е – плоскости, а ось облу­чателя горизонтальная.

Если облучатель точечный (рисунок 7.11, в) то эллиптическая кривая образует эллипсоид вращения вокруг оси Fх и линза получается сферической.

Металлопластинчатые линзы выгодно отличаются от диэлектрических меньшей массой, так как в них нет диэлектрического заполнения.

Для уменьшения толщины, а, следо­вательно, и массы линзы ее зонируют: освещенная (а иногда и неосвещенная) поверхность линзы делается ступенчатой. На рисунке 7.14 для примера показан профиль замедляющей зонированной линзы

Рисунок 7.14 - Профиль замедляющей зонированной линзы

В симметричные точки (А, В, С, .,.) различных зон волны от облучателя проходят пути, отличающиеся на целое число длин волн. Это вызываег скачок фазы на углы, кратные 360°, отчего синфазность поля в раскрыве линзы не нарушается. Можно показать [8], что и в замедляющих и в ускоряющих зонированных линзах ширина ступеньки т' = λ/|п— 1|, а общая ширина

т = т' + т” = λ/|п— 1|+ т". (7.28)

Здесь размер т" выбирается из расчета обеспечения механической прочности линзы.

Коэффициент преломления диэлектрических линз не зависит от частоты, а поэтому незонированные диэлектрические линзы не огра­ничивают полосу пропускания антенного устройства. Зонированные диэлектрические линзы таким свойством не обладают: при изменении длины волны ширина ступеньки не удовлетворяет равенству (7.28) и нарушается синфазность поля в раскрыве линзы. Чем больше зон в диэлектрической линзе, тем меньше ее полоса пропускания.

У линз из искусственного диэлектрика наблюдается поляризация его молекул в электриче­ском поле. Поляризованные молекулы образуют электрические ди­поли. Их собственное поле направлено навстречу приложенному из­вне, и чем больше диполи ослабляют результирующее электрическое поле в диэлектрике, тем меньше его относительная диэлектрическая проницаемость ε.

Показатель преломления искусственного диэлектрика, так же как естественного, n > 1. Поэтому линзы с искусственным диэлектриком являются замедляющими и имеют гиперболическую преломляющую поверхность.

Если в воздухе расположить металлические частицы на расстоя­нии, значительно меньшем длины волны, и воздействовать на них элек­трическим полем, то в частицах произойдет смещение электронов, рав­нозначное образованию электрических диполей. На этом принципе основаны искусственные диэлектрики. Для механического крепления элементов искусствен­ного диэлектрика проводящие частицы впрессовывают в изолятор, имеющий диэлектрическую проницаемость ε_а, близкую к диэлектричес­кой проницаемости воздуха ε₀. Наиболее широко для этих целей приме­няется пенистый полистирол (ε= 1,02).

На рисунке 7.15, а показана зонированная линза с проводящими дис­ками из фольги, закрепленными на листах из пенистого полистирола, а на рисунке 7.15, б – с металлическими элементами, нанесенными на пластины пенистого полистирола методом разбрызгивания через тра­фарет.

Рисунок 7.15 – Зонированные линзы из искус­ственного диэлектрика

Благодаря тому, что пенистый полистирол имеет малый удельный вес (0,03 ... 0,1) и малые потери (tgδ = (1 ... 2)10^-3), линзы из ис­кусственного диэлектрика отли­чаются малой массой и высоким КПД, но по конструкции и тех­нологии изготовления они сложнее других линзовых антенн.

Форма ДН линзовых антенн, поскольку они апертурные, зависит oт формы и электрических размеров раскрыва линзы и равномерности его возбуждения по фазе и амплитуде. Коэффициент усиления антенны и шири­ну главного лепестка ДН можно определить с использованием выражений (7.23) и (7.24).

Раскрыв линзы можно считать синфазным, но в нем наблюдается неравномерность амплитуды поля. Это особенно относится к замедляющим линзам: а) расстояние от облучателя до пре­ломляющей поверхности линзы увеличивается по мере удаления от оси линзы. В том же направлении интенсивность облуче­ния линзы уменьшается вследствие направленных свойств облучателя. Ускоряющие линзовые антенны позволяют компенсировать это свой­ство облучателя тем, что в них длина пути от облучателя к линзе уменьшается с удалением от оси линзы. В результате по­лучается, что в раскрыве замедляющей линзы неравномерность рас­пределения амплитуды больше, а коэффициент направленного действия меньше, чем в ускоряющей.

Потери в металлопластинчатых лин­зах меньше, чем в линзах из естественного и искусственного диэлектрика.

Лучшими диапазонными свойствами обладают незонированные диэлектрические линзы, худшими – незонированные ускоряющие.

Наименьшую массу имеют линзы из искусственного диэлектрика, а наибольшую - диэлектрические незонированные линзы. По кон­струкции и технологии изготовления металлопластинчатые линзы сложнее других, но в силу ряда преимуществ они находят в последние годы наибольшее применение.

Имеется несколько типов линзовых антенн, позволяющих обеспечить широкий сектор качания (сканирования) луча. Таким свойством, например, обладают сферическая и ци­линдрическая линзы Люнеберга [8]. Например, в линзе Люнеберга со сферической симмет­рией (рисунок 7.16) показатель преломления должен изменяться по формуле

, (7.29)

где п – показатель преломления;

r_сф – радиус сферической линзы;

r – теку­щий радиус точки внутри сферы.

Рисунок 7.16 – Сферическая линза Люнеберга: 1– облучатель, 2 –

линза, 3 – траектории лучей

Источник излучения (облучатель), расположенный на периферии линзы создает пучок параллельных лучей на ее апертуре. Перемещение облучателя по сфере приводит к качанию диаграммы направленности линзы по любым направлениям. Обычно сферическую линзу Люнеберга возбуждают ре­шеткой облучателей, и тогда каждому из облучателей соответствует своя не­подвижная остронанравленная диаграмма направленности (рисунок 7.17) [9].

Рисунок 7.17 – Система облуча­телей с линзой, образующая

многолучевую антенную систему

Вся система облуча­телей с линзой образует многолучевую антенную систему, способную одновре­менно обслуживать широкий сектор углов, осуществляя в нем непрерывный радиолокационный контроль пространства, а также вести направленную радио­связь одновременно с различными корреспондентами, находящимися в разных направлениях.