книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

(если антенна охлаждается до сверхпроводящего состоя­ ния) к чрезвычайно узким полосам рабочих частот. До­ статочно высокие к. п. д., представляющие интерес с точ­ ки зрения передачи мощности, получаются только при условии, что величина оказывается порядка единицы. В этом случае зоны Френеля двух антенн пе­ рекрываются и уравнениями (1)—(3) нельзя воспользо­ ваться. Тем не менее применение антенн со сверхуси­ лением в сверхпроводящем состоянии может оказаться заманчивым для уменьшения потерь рассеяния при пере­ даче непрерывной мощности, так как ширина полосы в этом случае не так существенна. Однако антенны со сверхусилением до сих пор не рассматривались примени­ тельно к задаче передачи СВЧ-энергии на расстояние.

В зоне Френеля к. п. д. передачи может достигать почти 100%. Эта особенность используется в квазиоптических волноводах (разд. 3.4), которые можно рассма­ тривать как совокупность секций, передающих пучок волн от точки к точке. Эти секции связаны между собой пассивными повторителями, периодически восстанавли­ вающими исходное распределение поля в пучке электро­ магнитных волн.

Поскольку генерация сверхвысокой мощности стала в последние годы вполне осуществимой, было предложено использовать эту мощность для энергообеспечения геликоптерных платформ и спутников, причем передача этой мощности реализуется именно посредством излучения, сфокусированного в узкий пучок. Хотя в настоящее вре­ мя применения такого рода не выглядят особенно прак­ тичными, обсуждение основных вопросов, связанных с этим типом передачи, представляет интерес.1

11. Диапазон и теоретический к. п. д. передачи

Для того чтобы определить теоретический к. п. д. передачи мощности в зоне Френеля, предположим идеа­ лизированную передающую антенну в виде излучающего отверстия с апертурой (раскрывом) в бесконечном пло­ ском металлическом экране (фиг. 1). Пусть экран распо­ ложен в плоскости 2 = 0 прямоугольной координатной системы. Кроме этого, предположим, что вся энергия,

проходящая через площадку $2, находящуюся в плоскости 2 = 1), принимается приемником; другими словами, 5 3 представляет собой апертуру идеальной приемной антен-

Плоскосгльпередатчика г=0 (металлический экран)

Составляющие Нх(х, у, 0) и Ех(лг, у} Э), а также Нт(л:, у, И) могут быть выражены через Ет(я, у, 0), которая однознач­ но задает поле во входном полупространстве г > 0.

Если поставить задачу отыскания такого распределе­

ния Ех(л:, у, 0), чтобы обеспечить максимум т), то можно обнаружить, что подобная вариационная задача не имеет решения, поскольку, как было отмечено выше, теория

Максвелла допускает антенны со сверхусилением. Если, однако, предположить, что Ех(л', у, 0) — медленно ме­ няющаяся функция, так что поле в полупространстве г > 0 может быть определено с использованием теории Френеля — Кирхгофа, что автоматически исключает ан­ тенны со сверхусилением, то из [2] следует

имеет действительные решения. Подставляя уравнения (5) в уравнение (4) и применяя обычный вариационный ме­

собственная функция однородного интегрального урав­ нения второго рода

о

где а = [/г(/?1/?2Д})]1/2- Первая собственная функция яв­ ляется решением, соответствующим наибольшему собст­ венному значению р0 уравнения (8). Квадрат этой вели­

чины соответствует максимуму к. п. д. передачи т]макс = = р$. Интегральное уравнение (8) было исследовано в связи с квазиоптическими волноводами и резонаторами Фабри — Перо (см. разд. 3.4).

Следует отметить, что поле с линейной поляризацией Ех(;с, у, 0) нарушается граничными условиями на краях апертуры антенны. Однако для очень больших апертур отклонение фактически существующего поля, которое имеет место в непосредственной близости с границей апер­ туры, от линейной поляризации оказывает малое влияние на поле, находящееся на больших расстояниях от антен­ ны.

Собственное значение р0 и собственную функцию Г 0(и) можно представить степенными рядами соответственно

уменьшается весьма быстро и для т > 6,0 идет по зако­ ну т~2 в соответствии с первым членом степенного ряда (9).

Для примера предположим, что радиус апертуры пере­

максимально достижимый к. п. д. передачи превышает 90%; для расстояний 28 км — 50% и для 70 км он может достигнуть лишь 10%.

На фиг. 3 показана зависимость собственной функции Р0(и), т. е. зависимость амплитуд поля в антенне при оптимальном распределении от и/а = р/Кг для различ­ ных величии параметра а. Фаза оптимального распределе­ ния поля изменяется в соответствии с выражением (7) пропорционально р2. Фазовые фронты волн сферические с центром кривизны в плоскости приемной антенны. Передающую систему с прямоугольными раскрывами антенн можно рассматривать, используя тот же подход,

то величина максимального к. п. д. передачи и'оптимальное распределение поля лишь незначительно должны от­ личаться от соответствующих значений для антенн с круглой апертурой; распределение поля в точности такое же, за исключением площади, затененной контр рефлек­ тором. Вследствие этого относительное изменение к. п. д. передачи пропорционально (/х/Ях)3.

Теория передачи мощности в зоне Френеля развива­ лась многими авторами [3, 4]. Хотя их подходы различ­ ны, результаты в основном хорошо согласуются с теорией, представленной выше.

III. Вопросы конструирования антенн

СВЧ-антенны для передачи высокого уровня мощности до сих пор не рассматривались в литературе. Поэтому общее рассмотрение, относящееся к конструированию таких антенн, может представлять интерес.

А.Передающие антенны. К. п. д. передачи системы

всвободном пространстве зависит во многом от распреде­ ления поля в плоскости апертуры передающей антенны. Это можно видеть из табл. 1 [3], в которой приведены сравнительные величины к. п. д. передачи для квадрат­ ных антенн с оптимальным и однородным распределениями поля.

В случае однородного распределения поля предпола­ гается, что возможны два варианта фокусировки апертур антенн: I — обе антенны сфокусированы на бесконеч­ ность и II — обе антенны сфокусированы друг на друга. Для сравнительно больших расстояний О, т. е. для 2п(Ь*/ХО) < 0,5, где Ь — линейный размер апертуры антенн, поля всех апертур имеют почти одинаковое рас­ пределение. Поэтому и к. п. д. передачи практически оди-

Тпблица 1

К- п. д. передачи мощности т] для квадрат­ ных антенн с длиной стороны 21 и расстоя­ нием Б для оптимального распределения по­

ля в апертуре передающей антенны (-г) макс) и для однородного распределения амплитуды

наковы (<10% ). В случае когда максимум к. п, д. пере­ дачи достигает 75%, т. е. при 2п(Ь2/ХО) > 2, потери пере­ дачи, связанные с оптимальным распределением поля, существенно ниже, чем те, которые связаны с однородным распределением. Следовательно, при конструировании эффективной передающей антенны для передачи, мощности в свободном пространстве следует стремиться к реализа­ ции оптимального распределения поля в апертуре ан­ тенны.

В качестве первого приближения решения этой задачи можно использовать метод синтеза, базирующийся на геометрической оптике. В работе [5] показано, что для антенн Кассегрейна в апертуре главного зеркала могут быть получены любые желаемые распределения амплиту­ ды и фазы поля, если форма обоих отражателей антенны (главного зеркала и контр рефлектор а) выбрана соответ­ ствующим образом. Приближение геометрической оптики дает тем более точные результаты, чем больше радиусы отражателей антенны по сравнению с длиной волны. Это требование во всех практических случаях удовлетворяется

по крайней мере для главного зеркала. Будет ли прибли­ жение геометрической оптики применимо или нет, можно оценить по рассеянию, обусловленному краем контр­ рефлектора, который наиболее сильно влияет на прояв­ ление дифракции в антенне Кассегрейна. Этот эффект исследовался в работе 16].

Более строго антенны можно рассчитывать, применяя теорию дифракции Френеля — Кирхгофа, если масштаб-

Линза3

Ф и г . 4. Расположение линз для правильного изображения амплитуды и фазы поля.

но уменьшенное изображение желаемого распределения поля может быть получено в апертуре относительно малой рупорной антенны. Так как функции, описывающие типы волн в коническом рупоре, образуют полную систему, можно получить любое желаемое распределение поля, используя суперпозицию этих типов. В работах [7] и [8] было показано, что распределение поля, требуемое для получения'большого к. п. д. передачи, может быть достигнуто с помощью круглых рупоров, имеющих очень малые углы раствора, при суперпозиции волн типов ТЕ1г и ТМП. Результирующее поле, будучи линейно-поляри- зовано, имеет аксиальную симметрию и монотонно убы­ вает в направлении от оси к краю рупора. Желательное

фазовое распределение может быть получено размеще­ нием линз в апертуре.

Распределение поля в раскрыве рупора можно тран­ сформировать в масштабно увеличенное распределение на произвольно большой площади апертуры за счет уве­ личительного эффекта, достигаемого путем включения двух линз (или изогнутых отражателей). Линза 2, как показано на фиг. 4 [9], расположенная в плоскости 2 = 0, проектирует амплитуду прямого изображения в пло­ скости объекта г = — (которая является плоскостью раскрыва рупора) на плоскости изображения г = Как и в геометрической оптике, расстояния между объек­ том и изображением связаны соотношением

где / — фокусное расстояние линзы 2. Коэффициент уве­ личения изображения для этого процесса равен й21йх. Линза 3, расположенная в плоскости изображения, вос­ производит фазовое распределение в предметной пло­ скости. Линза имеет фокусное расстояние, описываемое выражением

Диаметр линзы 3 равен диаметру рупора, умноженному на коэффициент увеличения <2,/^1» а диаметр линзы 2 должен быть достаточно большим для предотвращения дифракционных эффектов. Если фокусное расстояние линзы 1 выбрано таким образом, чтобы обеспечить сходя­ щийся пучок, имеющий минимум поперечного сечения в плоскости линзы 2, то диаметр линзы 2 может быть мень­ шим, чем следует из вышеприведенных соображений. Это, конечно, требует соответствующего изменения фокус­ ного расстояния динзы 3 для того, чтобы получить желае­ мое распределение фаз на выходе пучка.

Реализация таких антенн потребовала бы значитель­ ного объема работ. Линзы можно, естественно, заменять отражателями соответствующей кривизны, как это рас­ сматривалось в разд. 3.4 применительно к квазиоптическим волноводам. По-видимому, любые антенны, скон­ струированные таким образом, чтобы обеспечить опти­