книги из ГПНТБ / Зелкин Е.Г. Линзовые антенны

ними, так как фазовая скорость' волны между пластина­ ми такая же, как и в свободном пространстве. Если же эти пластины изогнуть волнообразно, то фазовая ско­ рость волны между пластинами не изменится, но путь прохождения волны станет длиннее, чем в свободном пространстве. Меняя длину изогнутых пластин и склады­ вая их так, чтобы более длинные пластины находились в середине, а более короткие—по краям (см. рис. 2.8,6),

Рис. 2.8. Линзы из наклонных и волнообразно изогнутых пластин.

можно получить различный путь - прохождения волны между пластинами. Такие пластаны будут работать как линзы с коэффициентом преломления больше единицы.

Точно такую же линзу можно получить, наклонив па­ раллельные плоские пластины на некоторый У Г О Л 9 кнаправлению движения волны (см. рис. 2.8,а). В этом слу­ чае волна проходит между пластинами больший путь из-за наклона их. чем в свободном пространстве. Про­ филь пластин ACG обеспечивает одпнаков\г ю длину П У Т И

Так как в обоих случаях коэффициент преломления постоянен и больше единицы, то расчет профиля линз проводится точно так же, как в случае диэлектрических линз из однородного диэлектрика с одной преломляю»

40

в противном случае между пластинами могут возникнуть высшие типы волн. Сплошные металлические пластины могут быть заменены полосками или проводниками, при­ чем, для того чтобы они работали аналогично сплошным листам, расстояние между ними должно быть значитель­ но меньше половины длины волны. Основными преиму­ ществами этих линз являются: а) независимость коэф­ фициента преломления от частоты в широком диапазоне; б) отсутствие жестких допусков на изготозление; в) про­ стота конструкции и изготовления.

Независимость коэффициента преломления линзы от частоты очевидна, ибо вектор электрического поля пер­ пендикулярен поверхности пластин, и коэффициент пре­ ломления не зависит от расстояния между ними. Он за­ висит только от угла наклона пластин относительно оси круговой симметрии линзы или же от степени изгиба пластин. Поэтому наличие неодинаковых расстояний между пластинами, неровность пластин и т. п. не влияют на коэффициент преломления.

Основным недостатком линз из наклонных пластин является неравномерность амплитудного распределения в раскрыве линзы в вертикальной плоскости. Это вызы­ вает увеличение боковых лепестков в этой плоскости. В линзах, выполненных на основе волнообразно изогну­ тых пластин, этот недостаток отсутствует.

2.5. Зонированные линзы

Как следует из формулы (2.5), при больших разме­ рах раскрыва линзы ее толщина достигает значительных величин. Поэтому линзы из сплошного диэлектрика име­ ют, как правило, большой вес и обладают большими по­ терями. Уменьшить толщину можно, увеличив коэффи­ циент преломления диэлектрика, из которого изготавли­ вается линза. Однако при этом увеличиваются отражения от поверхностей линзы и ухудшается согласование. По­ этому эти недостатки устраняют другим путем. Линзу можно сделать значительно тоньше, если выполнить ее зонированной. Действительно, требуемая синфазность

41

В случае, когда зонирование производится на непреломляющей поверхности линзы, форма ее преломляю­ щей поверхности не меняется и рассчитывается по фор­ муле (2.3). Если же зонирование выполнено на прелом­ ляющей поверхности, то расчет ее может быть проведен по следующей формуле:

дифракционные явления, вызывающие некоторое изме­ нение амплитудного и фазового распределения и, следо­ вательно, падение КНД линзы. Кроме того, поскольку зонированная линза рассчитывается на заданной длине волны, она будет удовлетворительно работать только в узком диапазоне длин волн. При изменении частоты условие равенства оптических путей во всех зонах на­ рушится, поле в раскрыве уже не будет синфазным. Зо­ нирование линзы приводит также к изменению ампли­ тудного распределения. Как видно из рис. 2.9,6, у гра­ ницы каждой зоны часть лучей попадает на ступеньки и рассеивается. Рассеивающие участки невелики вблизи оси

рассеивающие участки, однако явления дифракции и ча­ стотная зависимость сохраняются.

Металлопластинчатые и волноводные линзы можно также выполнить зонированными. На рис. 2.9,г, д схема­ тично показано, как выполняется зонирование на пре­ ломляющей поверхности цилиндрических линз с естест­ венным и принудительным преломлением, изображенных на рис. 2.7, а также линз с осевой симметрией. Первая

43

центральная зона неизменна: она имеет форму эллипти­ ческого цилиндра (или эллипсоида вращения), рассчи­ танную по формуле (2.3). Вторая зона должна быть ограничена таким образом, чтобы оптическая длина пу­ ти FP'Q' в зонированной линзе отличалась на '2я от пути FPQ в незонированной линзе, показанной на рисунке пунктиром. Если обозначить путь FP через г, высоту ступеньки через t, а также положить PQ = l, P'Q' = l', то должно выполняться следующее равенство:

где к=2п/К. Так как —^cosa, то для высоты сту­ пеньки зоны получаем следующее значение:

Аналогичным образом получаются следующие зоны: каждая следующая зона по высоте отличается от преды­ дущей на величину, определяемую по формуле (2.15), а размер зоны по дуге АВ выбирается так, чтобы вы­ полнялось равенство (2.14). Как видно, зоны отличаются по высоте друг от друга, так как t является функцией угла а.

У зонированных металлопластинчатых и волноводных линз имеются те же недостатки, что у линз из сплошно­ го диэлектрика. Наличие «теневых» участков (рис. 2.9,(3) вызывает изменение амплитудного и фазового распре­ деления в раскрыве.

2.6. Потери энергии

Потери в линзе зависят от типа линзы, материала, из которого она изготовлена, а также от ее конструкции.

Первые два вида потерь зависят главным образом от вида материала, из которого изготавливаются линзы. Выбор материала в каждом конкретном случае опреде-

44

ляется требуемым коэффициентом преломления, макси­ мально допустимыми потерями на поглощение, требова­ ниями механической прочности, внешними условиями, при которых должна работать линза, и т. д. В случае применения естественного диэлектрика с л > 1 низкий коэффициент преломления приводит к значительной тол­ щине линзы, а следовательно, к повышению веса и по-' терь на поглощение. Высокий же коэффициент прелом­ ления вызывает значительные потерн на отражение. Тангенс угла потерь (lg6) у диэлектрика должен быть как можно меньше, чтобы свести к минимуму потери на

Постоянная потерь р в диэлектрике при распростра­ нении в нем электромагнитной энергии определяется следующей формулой:

где tg 5 — тангенс угла потерь диэлектрика на рабочей частоте, Хо — длина волны в свободном пространстве.

Зонирование линз уменьшает потери на поглощение благодаря уменьшению длины пути луча внутри линзы.

В зонированной линзе величина tmax (п—1) равна примерно одной длине волны, поэтому верхний предел затухания в линзе будет приближенно равен

Как показывают расчеты, диэлектрики, которые обычно используются при изготовлении линзовых антенн, обладают потерями, составляющими несколько десятых децибела.

Отражения от границы раздела между диэлектриком и свободным пространством характеризуются коэффи­ циентом отражения по мощности, определяемым по сле­ дующим формулам Френеля.

При перпендикулярной поляризации, когда вектор электрического поля перпендикулярен плоскости паде­ ния:

а при параллельной поляризации, когда вектор электри­ ческого поля лежит в плоскости падения:

45

фициента усиления и т. д. В ряде случаев эти параметры являются весьма важными. Следовательно, необходимо не только устранить отражения в облучатель, но и осу­ ществить согласование поверхностей со свободным про­ странством. Одним из способов уменьшения отражений является применение четвертьволнового согласующего слоя из материала с коэффициентом преломления, рав­ ным среднему геометрическому из коэффициентов пре­ ломления диэлектрика линзы и воздуха. Этот способ заимствован из оптики, где согласующие пли так назы­ ваемые «просветляющие слон» применяются довольно широко.

Полное отсутствие отражений при использовании чет­ вертьволнового согласующего слоя получается лишь при нормальном падении лучей. При падении волны под не­ которым углом к поверхности наличие четвертьволново­ го слоя лишь уменьшает отражения, полностью же их не устраняет. Величина отражения при этом будет за­ висеть от угла падения i. Однако согласующий слой можно выбрать так, чтобы согласование осуществлялось при всех углах падения. В приближении геометрической оптики, пользуясь законами отражения плоских волн от плоских границ, нетрудно показать, что толщина согла­ сующего слоя и его коэффициент преломления опреде­ ляются следующими выражениями:

при параллельной поляризации падающей волны.

Для луча, близкого к нормальному, формулы (2.24), (2.25) и (2.26) сводятся к хорошо известным соотноше­

48

Поскольку углы падения лучей на различные точки поверхности линзы известны, то, пользуясь формулами (2.24) — (2.26), можно рассчитывать толщину и диэлек­ трическую проницаемость согласующего слоя для раз­ личных точек поверхности линзы".

Рис. 2.10. Зависимость толщины согласующего слоя и его коэффи­ циента преломления от угла падения волны (электрический вектор перпендикулярен плоскости падения).

Известные в настоящее время пенистые диэлектри­ ческие структуры позволяют создать согласующие слои с практически любой диэлектрической проницаемостью. Для согласования же можно использовать непосредст­ венно материал самой линзы, если на ее поверхностном слое нарезать пазы, выступы или просто высверлить от­ верстия. В каждом случае для заданных частоты и угла падения луча согласование можно получить путем пра­ вильного выбора глубины выемки, ширины паза, разме­ ров выступа и т. д.

2.6.3. П О Т Е Р И В С Л Е Д С Т В И Е П Р О Х О Ж Д Е Н И Я Э Н Е Р Г И И З А К Р А Я Л И Н З Ы И Н Е Р А В Н О М Е Р Н О Г О А М П Л И Т У Д Н О Г О Р А С П Р Е Д Е Л Е Н И Я

Потери энергии из-за «перелива» энергии за края линзы могут быть довольно значительны. Эти потери можно снизить до минимума, правильно подобрав раз­ меры первичного облучателя.

Действительно, чем больше будут размеры облуча­ теля, тем уже его диаграмма направленности и тем меньше энергии будет проходить за края линзы. Но при