Антенны на ускоряющих линзах

В сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн нашли применение ускоряющие металлопластинчатые линзы. Они выполняются из набора тонких параллельных металлических пластин, расположенных на расстоянии а друг от друга и образующих на срезах вогнутую поверхность (рис. 8.5, а). Пластины должны быть параллельны вектору напряженности электрического поля падающей волны.

h

α

R

a₁



d_p

f_а

а

б

Рис. 8.5  Металлопластинчатая линза (а) и ход лучей в ней (б)

Пространство между пластинами можно рассматривать как плоские волноводы, размер узких стенок которых (высота) значительно больше расстояния между пластинами а. Эти волноводы имеют эффективный показатель преломления

(8.34)

и предполагается, что в них распространяется волна основного типа Н₁₀ . Чтобы существовала только эта волна, расстояние между пластинами должно быть в пределах /2 < а < .

Уравнение профиля ускоряющей линзы также находится из условия постоянства оптического пути луча к поверхности равных фаз по любому направлению, проведенному из точки фокуса. В результате снова приходим к уравнению (8.29), но в котором уже n < 1. Приn < 1 это уравнение является уравнением эллипса.

Толщина линзы d (см. рис. 8.5,б) находится из соотношения

. (8.35)

где D_л – диаметр линзы,

_р– угол между осью линзы и направлением из фокуса на край.

Для металлопластинчатой линзы допуски на отклонение профиля от теоретической кривой и на точность установки облучателя в фокусе (в направлении оси линзы) определяются по формулам

. (8.36)

Такая линза фокусирует излучение в плоскости Е. Если толщина линзы d будет также переменной и иметь эллиптический профиль, то линза будет фокусировать излучение и в плоскости Н.

Металлопластинчатые линзы узкополосны, так как показатель преломления (8.34) зависит от . КИП у них может достигать значений 0,8…0,85.

Металлопластинчатые линзы конструктивно просты. Их применение в рупорных антеннах позволяет существенно уменьшить длину рупора. Однако конструкции большеразмерных антенн на ускоряющих линзах оказываются громоздкими и в этом смысле они уступают, например, зеркальным антеннам.

Антенны на неоднородных линзах

Применяя неоднородные среды с переменной диэлектрической проницаемостью, можно построить семейство линз, у которых фокусировка осуществляется за счет изменения коэффициента преломления. Для получения синфазного раскрыва коэффициент преломления среды внутри линзы должен убывать от центра к ее краю. Из семейства неоднородных линз наиболее известна линза Люнеберга.

Линза Люнеберга с центральной симметрией имеет форму сферы (рис. 8.6, а). Ее коэффициент преломления меняется по закону

, (8.37)

гдеа – радиус сферы, r – текущий радиус точки внутри сферы. Сферический фазовый фронт сосредоточенного источника, расположенного на поверхности линзы, она преобразует в плоский волновой фронт. В конструктивном отношении линза может представлять набор однородных концентрических слоев из радиочастотной пенокерамики. Плотность слоев должна

Рис. 8.6 Сферическая линза Люнеберга (а) и сканирование ДН в антенной системе на основе такой линзы (б)

уменьшаться от центра к периферии, чтобы обеспечить требуемый профиль коэффициента преломления ( n = в центре линзы и n = 1 на ее поверхности). Так как коэффициент преломления на поверхности линзы равен коэффициенту преломления окружающей среды, это обеспечивает ее хорошее согласование с пространством.

У линз Люнеберга излучающий раскрыв имеет вид полукольца. Для расчета ДН в плоскости фокусировки (например, в горизонтальной плоскости) излучающий раскрыв заменяется эквивалентной синфазной ЛНС. В вертикальной плоскости раскрыв линзы заменяют эквивалентной ЛНС с бегущей волной. Уровень боковых лепестков в обеих плоскостях лежит в пределах минус (13…18) дБ. Эти линзы удобны для применения в антенных системах со сканированием (без искажений) ДН. Сканирование осуществляется посредством простого перемещения облучателя по поверхности сферы (рис. 8.6, б). Если на поверхности сферы разместить несколько неподвижных облучателей, то получится многолучевая антенная система.