Исследование антенны с электрическим сканированием лучом

Н.А.Бей, В.Н. Митрохин, В.Л. Хандамиров

Учебное пособие по курсам «Антенны и устройства СВЧ» и «Антенные системы »

АННОТАЦИЯ

Рассматриваются принципы построения и расчет сканирующих антенн с управляемыми линзами. Наряду со структурной схемой дается описание используемых материалов. Приводятся расчетные соотношения для выполнения инженерных расчетов характеристик линз. Даются методические указания по выполнению лабораторной работы студентами 3‑го курса и исследовательской работы студентами 5‑го курса.

1.Принципы построения и расчет сканирующих антенн с управляемыми линзами

1.1.Структурная схема и принцип работы антенны с управляемой линзой

Возможности построения антенн с электрическим сканированием, работающих в нескольких частотных диапазонах, определяются характеристиками соответствующих фазирующих устройств и излучателей. Ряд преимуществ по сравнению с двумернопериодическими многоэлементными фазированными решетками имеют линзы с электрически управляемым показателем преломления, применение которых позволяет значительно упростить конструкцию и технологию изготовления антенн миллиметрового диапазона волн с электрическим сканированием лучом в широком секторе углов [1].

Управляемые линзы строятся на основе сред с электрически изменяемым показателем преломления, например ферритов и взвесей. Создание таких антенн требует решения целого ряда сложных задач как в области теории, так и в технологии производства новых в антенной технике элементов и узлов. В ряде случаев управляемые линзы имеют много общего с широко применяемыми в оптических системах дефлекторами. В рассматриваемых радиолинзах, как и в оптических дефлекторах Брэгга, формируется дифракционная решетка с соответствующими заданному углу отклонения луча параметрами, основным из которых является период изменения показателя преломления в направлении, ортогональном направлению распространяющейся в линзе электромагнитной волны. Особенностью рассматриваемых излучающих систем является наличие сильной распределенной связи по высокочастотному электромагнитному полю между областями линзы, отличающимися показателем преломления. Такая распределенная связь в значительной степени определяет характеристики управляемых сред и выполненных на их основе излучающих систем с управляемыми линзами.

В общем случае неоднородная управляемая линза должна выполнять два основных преобразования проходящей через нее волны: преобразовывать излучаемую облучателем волну в волну с плоским фазовым фронтом (т.е. осуществлять фокусировку) и затем изменять наклон плоского фазового фронта на требуемый угол. При этом обе поверхности управляемой линзы могут быть плоскими и сама линза в этом случае представляет собой слой неоднородного диэлектрика. С целью упрощения управления, для фокусировки может использоваться обычная неуправляемая линза.

На рисунке 1 изображена структурная схема антенны с управляемой линзой. Антенна состоит из облучателя 1, фазового корректора 2 и линзы с управляемым показателем преломления 3. Облучатель обеспечивает требуемое амплитудное распределение. Фазовый корректор преобразует выпуклый волновой фронт в плоский. Управляемая линза изменяет наклон волнового фронта в соответствии с управляющими командами, отклоняя тем самым луч на требуемый угол _о.

О тклонение луча достигается путем формирования линейной зависимости коэффициента преломления линзы в поперечном направлении. Для получения приемлемой толщины линзы L_z применяют фазирование со сбросом фазы на 2, для чего изменяют показатель преломления по пилообразному закону с периодом, зависящим от угла отклонения луча _о.

Рассмотрим преобразования плоской однородной волны I₀ в волну с наклонным фазовым фронтом I_+i на примере двухслойной линзы бесконечных поперечных размеров (рис.2).

Функциональное назначение слоёв двухслойной линзы поясняется следующим образом. Плоская однородная волна I₀ распространяющаяся вдоль оси линзы, трансформируется в волну с наклонным фазовым фронтом в два этапа: сначала с помощью слоя 1 в две плоские однородные волны, распространяющиеся под одинаковыми по модулю и отличающиеся знаком углами относительно продольной оси (совокупность этих волн на границе раздела слоёв 1 и 2 даёт переменно-фазовую волну), а затем с помощью слоя 2, выполняющего роль дефлектора Брегга, изменяется направление излучения (только знак угла) одной из таких волн. Указанные преобразования плоских волн соответствуют схеме: I₀  I_+i+ I-_i. Необходимое условие таких преобразований: период изменения показателя преломления в первом слое должен быть в два раза больше периода изменения показателя во втором слое. Порядок расположения слоёв имеет принципиальное значение. При пилообразном законе изменения показателя преломления относительное расположение скачков показателя преломления в слоях 1 и 2 зависит от соотношения между величинами I-_i и I_+i и изменяется при изменении угла отклонения луча.

В общем случае линза рассеивает падающую волну по множеству плоских волн, т.е. на выходе электромагнитное поле имеет сложный спектральный состав пространственных гармоник. Линза тем более эффективна, чем меньшая часть энергии возбуждающего поля приходится на паразитные спектральные составляющие. Этот критерий и является определяющим при оптимизации линзы, заключающейся в выборе числа слоев и законов изменения показателя преломления. Число продольно-однородных слоёв определяется в зависимости от сектора сканирования луча и обобщенного параметра С/Р (отношение характеризующих среду коэффициента распределённой связи С к "активности" Р).