книги из ГПНТБ / Молодов Б.И. Антенны (учебное пособие)

В плоскости YZ за счет спадания амплитуд источников к краям по синусоидальному закону ширина диаграммы получается отно­ сительно большей:

Сравнивая формулы (5.6) и (5.7) для. определения ширины диаграммы, следует заметить, что переход от равномерного рас­ пределения амплитуд к распределению, при котором амплитуда спадает к краям до нуля, вызвал относительно небольшое измене-

X X

ние множителя перед отношениями — и

Таким образом, изменение распределения амплитуд сравнитель­ но мало влияет на ширину диаграммы линейной синфазной антен­ ны. Основную роль во всех случаях играет величина отношения длины волны X к размеру антенны L. Это замечание относится практически к антеннам любой конструкции.

Коэффициент направленного действия волноводного излучате­ ля рассчитывается по приближенной формуле:

Волноводные излучатели используются в качестве облучателей линз и параболоидов.

Достоинствами их являются относительно широкая полоса про­ пускания и большая допустимая мощность излучения.

Вследствие относительно малых размеров отверстия; через кото­ рое излучаются радиоволны, волноводные излучатели имеют малую направленность.

С целью увеличения направленности применяют рупорные антенны. Рупором называется конечный отрезок волновода с рас­ ширяющимися стенками (рис. 5-19).

При прямоугольном волноводе могут расширяться либо только узкие стенки (рис. 5-19, а), в этом случае рупор называется секториальным с расширением в плоскости Н, либо только широкие стенки (рис. 5-19,6), когда расширение происходит в плоскости электрического вектора, и рупор называется секториальным с рас­ ширением в Е плоскости.

воде. Так, например, в пределах выходного отверстия секториального и пирамидального рупоров ориентировка и характер распре-

130

деления электрического поля будут такими же, как в сечении вол­ новода с волной #oi (см. рис. 5-16).

Высшие типы волн, возникающие в месте присоединения волно­ вода к рупору, быстро затухают и в конце рупора практически отсутствуют.

Фо

8)

Рис. 5-19. Рупоры:

а—секториальный рупор с расширением в И плоскости: б—секториальный рупор с расширением в Е плоскости;

• « — пирамидальный; г —конический

Диаграммы направленности рупорных антенн рассчитываются так же, как диаграмма волноводного излучателя. В соответствии

ричные источники, затем поле в удаленной точке определяется как

раскрыва рупора не является синфазным, так как вследствие рас­ ширения стенок волновой фронт оказывается цилиндрическим в секториальных рупорах и сферическим в пирамидальном и кони­ ческом рупорах (см. рис. 5-19).

Вследствие искривления волнового фронта поле на краях отвер­ стия отстает от поля в центре тем больше, чем больше угол расши­ рения стенок рупора Ф0 (см. рис. 5-19, а).

Разность фаз поля в центре рупора и на его краях можно опре­ делить. из геометрических соображений.

На рис. 5-20 показано сечение секториального рупора с расши­ рением в, Я плоскости. Пунктиром показан фронт волны, представ­ ляющий собой окружность с центром в точке пересечения боковых стенок.

131

Рис. 5-20. К определению фазового сдвига поля на краях риюра

Запаздывание по фазе поля в плоскости раскрыва на краях рупора относительно поля в центре будет:

R ~

(5.9)

нию диаграммы и уменьшению поля в главном направлении, поэто­

и ширину диаграммы для секториальных и пирамидальных рупоров можно определять по формулам:

"В

132

За счет несйнфазности полей в раскрыве коэффициент исполь­ зования площади пирамидального рупора меньше, чем для откры­ того конца волновода, и к.н.д. определяется выражением:

(5.12)

где А и В — размеры раскрыва пирамидального рупора.

Рупоры могут применяться как самостоятельные антенны и как облучатели зеркал или линз. Отличительной особенностью рупор­ ных антенн является слабая зависимость от частоты их входного сопротивления и диаграммы направленности.

С целью уменьшения длины рупора в его раскрыве можно уста­ новить линзу для выравнивания фазового фронта. В этом случае длина рупора приблизительно равна наибольшему размеру выход­ ного отверстия.

4. Линзовые антенны

На сантиметровых волнах для направленного излучения при­ меняются антенны, состоящие из слабо направленного излучателя, создающего волну со сферическим или цилиндрическим волновым фронтом, и линзы, преобразующей фронт волны в плоский

1рис. 5-21).

Линза

В результате прохождения волн через линзу, при соответству­ ющем профиле ее сечения, на выходе линзы поле оказыцацтся еин-

1.33,

фазным на плоской поверхности больших размеров, эквивалентной плоской синфазной решетке. Вследствие этого обеспечивается остронаправленное излучение с максимумом в направлении норма­ ли к плоскости волнового фронта.

Линзы могут быть замедляющими или ускоряющими.

На рис. 5-22, а схематически показаны сечение плосковыпуклок линзы из диэлектрика и фронты волны, падающей на линзу и вы­ ходящей из линзы. Облучатель линзы, например волноводный излучатель, создает сферический волновой фронт, показанный

Дизлентри чеспая Замедляющая линза.

Фронт Волны облучателя Плоении пол­

Облучатель

нотой фронт

Я , < Я ,

Ускоряющая металле - пластинчатая линза

*

Плоский Li.n- ноВой фронт

Л» >Д»

Фронт Волны облучателя

\5)

Рис. 5-22. Изменение фронта волны при прохождении через линзу:

и —замедляющая диэлектрическая линза; • 6— ускоряющая металлопластннчатая линза

в виде дуг окружностей с общим центром в точке расположения облучателя. Скорость распространения волн в диэлектрике мень­ ше, чем в свободном пространстве, поэтому волны, проникающие в линзу, преломляются, причем движение центральной части вол­ нового фронта замедляется при проникновении в линзу по срав­ нению с участками волнового фронта на краях линзы проходящи­ ми большую часть пути в свободном пространстве.

Края волнового фронта как бы «нагоняют» его центральную часть, и при правильном выборе профиля линзы на ее плоской поверхности фазы полей во всех точках оказываются одинаковыми, т. е. фронт волны на выходе линзы становится плоским.

В случае ускоряющей плоско-вогнутой линзы (рис. 5-22,6) фа­ зовая скорость волн в линзе больше, чем в воздухе.

Крайние участки волно'вого фронта, проходя в среде с повы­ шенной фазовой скоростью, нагоняют центральные участки волно-

134

вой поверхности, проходящие свой путь в воздухе, вследствие чего на выходе правильно сконструированной линзы фронт волны также оказывается плоским.

В зависимости от структуры фронта волны, создаваемого облу­ чателем, линза может представлять собой либо тело вращения (обычно с круглым раскрывом) при сферическом волновом фронте, либо цилиндр при цилиндрическом фронте волн облучателя.

Как уже отмечалось, для получения на выходе линзы плоского фронта волны необходимо выбрать определенную форму сечения или профиль линзы.

Рассмотрим профиль замедляющей диэлектрической линзы в сечении, проходящем через ее центр (рис. 5-23).

Предположим, что облучатель, создающий сферическую волну, расположен в фокусе F линзы, находящемся на фокусном расстоя­ нии f от вершины линзы О, являющейся началом прямоугольной системы координат. Раскрыв линзы пусть параллелен оси У.

По величине диэлектрической проницаемости материала лин­ зы г можно определить коэффициент преломления линзы:

1 35

шариков, дисков или пластинок, равномерно расположенных в объеме линзы и образующих пространственную решетку.

В этих случаях линза изготовляется из пенистого полистирола, для которого п = 1, предназначенного только для крепления метал­ лических элементов, располагаемых в толще линзы.

Под действием волн, падающих на такую линзу, на противопо­ ложных концах металлических элементов возникают переменные заряды разного знака и электрическое поле, аналогичное полю, образующемуся при поляризации молекул диэлектрика. Достаточ­ но густо расположенные металлические элементы искусственного диэлектрика имитируют действие поляризующихся молекул есте­ ственного сплошного диэлектрика и обеспечивают необходимое изменение фазовой скорости в толще линзы.

Преимуществом линз из искусственного диэлектрика являются их малый вес и малые потери.

Ускоряющие линзы состоят из набора параллельных металличе­ ских пластин, расположенных в плоскости электрического вектора поля облучателя (рис. 5-24). Такие линзы называются металлопластннчатыми.

ОЫчатепь

Рис. 5-24. Металлопластинчатая линза

Если взять расстояние между пластинами а несколько боль­

пластин, как в волноводе, с фазовой скоростью, большей, чем в свободном пространстве.

137

Следовательно, набор параллельных металлических пластин будет эквивалентен-среде с коэффициентом преломления:

(5.15)

Как легко видеть, коэффициент преломления в этом случае меньше единицы и зависит от длины волны.

Ускоряющие линзы, как отмечалось выше, являются плосковогнутыми. В отличие от замедляющих линз профиль линзы оказы­ вается эллиптическим. Вывод уравнения профиля производится так же, как и для замедляющей линзы.

Расстояние между пластинами выбирается обычно в пределах (0,58 -f-0,7) X, исходя из ряда конструктивных соображений.

Недостатком металлопластинчатой линзы является ее узкополосность вследствие отмечавшегося выше изменения п с длиной волны.

При значительных отклонениях длины волны от расчетной фронт волны на выходе линзы искривляется, вследствие чего мо­ жет существенно измениться диаграмма и уменьшиться к.н.д. лин­ зовой антенны.

Металлопластинчатые линзы могут использоваться только при линейной поляризации волн облучателя, так как на волны, вектор которых перпендикулярен пластинам, линза совершенно не дей­ ствует, поскольку фазовая скорость волн с этой поляризацией между пластинами такая же, как в свободном пространстве.

Достоинствами металлопластинчатой линзы являются ее меха­ ническая прочность и простота конструкции.

Диаграммы направленности рассмотренных типов линз рассчи­ тываются примерно так же, как и рупорных антенн. Площадь раскрыва линзы в соответствии с принципом Гюйгенса— Френеля разбивается на элементарные площадки, и поле линзы определяет­ ся, как сумма полей вторичных источников.

Раскрыв линзы эквивалентен в отношении направленных свойств плоской синфазной решетке. Следует иметь в виду нерав­ номерность распределения амплитуды поля в раскрыве линзы за счет направленности облучателя. Поле в раскрыве к краям линзы спадает примерно до 0,3-J-0,2 от поля в центре линзы.

• Независимо от типа линзы ширину диаграммы можно прибли­ женно оценить по формуле:

0 Й« (70-т- 80)

где L — размер линзы в рассматриваемой плоскости.

138

Коэффициент направленного действия линзовых антенн опреде­ ляется по формуле:

где Кап для линзовых антенн берут 0,5-К 0,7.

Линзы могут применяться совместно с пирамидальными и секториальными рупорами для выравнивания фронта волны на выхо­ де рупора. Для этой цели могут быть применены как ускоряющая, так и замедляющая линзы различных конструкций, помещаемые непосредственно в раскрыве рупора (рис. 5-25, а).

Рис. 5-25. Рупорная антенна с линзой, помещенной в раскрыве:'

а —ускоряющая и замедляющая линзы; б — металло-воздушная линза, 1— парабола, 2 —линза, 3 —линейный раскрыв с синфазным полем, 4 — цилиндрический сгиб

Одной из конструкций линз, применяемых совместно с секториальными рупорами при создании линейных облучателей для параболических цилиндров, является металло-воздушная линза.

Она представляет собой растянутый по дуге сгиб секториального рупора (рис. 5-25,6).

В месте сгиба расстояние между металлическими стенками остается таким же, как и в секториальном рупоре, имеющем в дан­

139