книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны
.pdfФг^ЧЧКонтррефлектор обеспечивает одностороннее излучение облучателя. С уменьшением угла раскрыва большая часть энергии облучателя теряется за пределами рефлектора, но сам рефлектор облучается более равномерно. Рассеивание энергии понижает к.п.д. антенны т]а, а равномерность облучения рефлектора способствует повышению коэффициента использования поверхности антенны у . Значит, так как коэффициент усиления антенны
G — D X\A = -iy у S A т]д
прямо пропорционален произведению YTIA, то существует наиболее выгодное значение угла раскрыва рефлектора. Максимальный коэф фициент усиления получается при таком значении ф, когда ампли туда поля на краях раскрыва составляет примерно 0,3 от амплитуды поля в центре раскрыва. При этом у ^ 0,5 ~ 0,6.
Чтобы определить характеристики параболической антенны, необходимо по диаграмме направленности облучателя 3 найти наи более выгодный угол раскрыва параболоидаф, при котором поле
облучателя уменьшается до 0,3 по напряженности |
(или 0,1 по |
|||
мощности) от максимального. Исходя из |
заданного коэффициента |
|||
усиления, |
определяют диаметр рефлектора d и ф и |
вычисляют |
||
фокусное |
расстояние /. |
|
|
|
Если облучателем служит полуволновый вибратор с плоским |
||||
контррефлектором, то коэффициенту у ^ |
0,5 ~ 0,6 соответствует |
|||
угол раскрыва ф = 60 ч- 70°, а это согласно формуле |
|
|||
|
c tg i- |
= £ |
|
(132) |
дает оптимальное отношение d/f « |
2,6. |
|
|
|
Теперь коэффициент усиления при TJA = 1 равен |
|
|||
|
C = - £ YSA= § - (0 ,5 ч -0,6)SA= (6 4 - 8)% , |
(133) |
||
и ширины диаграмм направленности в электрической yz и магнит ной хг плоскостях соответственно равны
2 0 £ » (7 5 ^ )° 2 0 ;,» (7 0 -j)° . |
(134) |
Как видно из формул (134), параболоид вращения обладает несколько большей направленностью в плоскости Н по сравнению с плоскостью Е. Это связано с тем, что вибратор, используемый в качестве облучателя параболоида, не обладает направленным дей ствием в магнитной (экваториальной) плоскости и создает слабо направленное излучение в электрической (меридиональной) плоскости.
Направленные свойства параболического цилиндра. Раскрыв параболического цилиндра (см. рис. 6.27, б) представляет собой синфазную поверхность прямоугольной формы.
Диаграмма направленности параболического цилиндра в элек трической плоскости, проходящей через фокальную линию, опреде ляется отношением его длины а к длине волны X, а диаграмма на правленности в магнитной плоскости определяется отношением раз мера b рефлектора к той же длине волны. Так как а^> Ь, то ширина угла диаграммы направленности в электрической плоскости зна чительно меньше соответствующего угла в магнитной плоскости, т. е. антенна с параболическим цилиндром дает веерную диаграмму направленности.
Если контррефлектор отсутствует и облучатель в магнитной плоскости не имеет направленного действия, то целесообразно при
менять глубокие зеркала, |
имеющие |
большой |
угол |
раскрыва ф, |
с тем чтобы большая часть |
энергии облучателя |
попадала на реф |
||
лектор. |
|
угол раскрыва |
рефлектора |
|
При однонаправленном облучении |
||||
следует уменьшить до 60 При этом ширины основных лепестков диаграмм направленности в электрической и магнитной плоскостях
соответственно |
равны |
|
|
20£ = (56-г 68-^ У |
20„=(бО | ) ° |
(135) |
|
Большой |
разброс угла 20^ |
объясняется гем, |
что от качества |
облучателя в большой мере зависит равномерность распределения амплитуды в плоскости Е.
Сравнивая эти формулы с формулой (124) для равномерно об лучаемого прямоугольного отверстия, можно убедиться в том, что неравномерность распределения поля в раскрыве параболического цилиндра, как и в других поверхностных антеннах, вызывает уве личение ширины основного лепестка диаграммы направленности.
Основной недостаток антенн с параболическим цилиндром заключается в трудности создания линейного облучателя большой длины. Поэтому в качестве линейного облучателя часто используют несколько синфазных полуволновых вибраторов, а в качестве контр рефлектора — пассивные вибраторы, аналогичные активным вибра торам и удаленные от первых на расстояние, несколько меньшее, чем Х/4.
46. Линзовые антенны
Принцип действия линзовых антенн основан на свойстве линз изменять скорость, а соответственно и направление распростране ния электромагнитных волн, падающих на линзы. Линзовые антен ны, как и рефлекторы, преобразуют сферические или цилиндри ческие волны, возбуждаемые облучателем, в плоские. В рефлек торных антеннах этот процесс обусловлен отражением волн от зеркала, а в линзовых — преломлением волн в линзе.
22а
Обычно освещенная поверхность линзы, т. е. обращенная к об лучателю, имеет криволинейные контуры и создает требуемое пре ломление волн, а противоположная, теневая поверхность служит раскрывом линзы. Раскрыв, как правило, имеет вид плоской пря моугольной (рис. 6.32, а) или круглой (рис. 6.32, б) площадки. В зависимости от того, какую форму имеет преломляющая поверх ность, различают сферические и цилиндрические линзы.
Линия, перпендикулярная плоскости раскрыва и проходящая через его центр, называется осью линзы. Облучатель помещается на этой оси в точке Ft называемой фокусом линзы. Ближайшая к фо кусу точка линзы считается ее вершиной. Расстояние между фокусом и вершиной линзы называется фокусным расстоянием. Линия, пер-
Рис. 6.32. Линзовые антенны:
а —цилиндрическая с прямоугольным раскрывом; б —сферическая |
круглым |
раскрывом. |
|
пендикулярная оси линзы и проходящая через фокус, называется фокальной. Облучатель цилиндрической линзы располагается вдоль фокальной линии, а облучатель сферической линзы — в ее фокусе.
В зависимости от материала изготовления линзовые антенны разделяются на диэлектрические, металлопластинчатые и с искус ственным диэлектриком.
Диэлектрические линзы. Диэлектрические линзы имеют пока
затель преломления п = j/T, больший единицы, т. е. скорость рас пространения электромагнитных волн в них меньше скорости света в п раз.
На рис. 6.33 показано продольное осевое сечение диэлектри ческой линзы. Сферические волны, создаваемые точечным облу чателем, сначала достигают поверхности линзы в ее вершине 0, а к остальным точкам приходят тем позже, чем больше эти точки уда лены от вершины линзы. Вместе с тем время распространения волн в линзе увеличивается по мере приближения к ее оси. Поэтому при соответствующей форме преломляющей поверхности линзы AB0CD можно добиться того, чтобы в раскрыве линзы A' B'O'C'D' получи лась синфазная волна. Таким образом, сферическая волна превра щается в плоскую, что и требуется для остронаправленного излу-
нения. В цилиндрических линзах цилиндрические волны преобразуют ся в плоские.
Для определения профиля линзы, т. е. формы ее преломляющей поверхности, выберем на этой поверхности произвольную точку А с координатами х, у и сравним оптическую длину лучей, проходя щих от облучателя по оси линзы и от облучателя через точку А к раскрыву (рис. 6.34).
Для линзовой антенны условием преобразования сферической волны в плоскую является равенство оптической длины луча от облучателя до любой точки плоскости раскрыва. Отсюда следует, что можно приравнять оптическую длину лучей F00' и FAA'i
F0 + л(00" + (ГО') = FA 4- п(АА').
Рис. 6.33. Преломление волн диэлектрической линзой.
Так как 0*0' = А А ', то F0 + м(00") = FA, где F0 — f — фо
кусное расстояние линзы, 00" — х, FA — У (f + х)2 + у2 (из прямоугольного треугольника F0”A). Следовательно, / -f пх ==
= У (f+ х)2 + |
у2, откуда |
после возведения в квадрат обеих частей |
||||
равенства получаем |
/* + |
2fnx + пгх2 — f2 + |
2fx + |
х2 + у2. |
Это |
|
соответствует |
уравнению |
гиперболы |
|
|
|
|
|
(л * - |
1)* + 2(я — 1 )/* -0 » |
= О. |
|
(136) |
|
Таким образом, преломляющая поверхность диэлектрической |
||||||
линзы должна иметь гиперболическую форму. |
|
|
х — |
|||
Крайней точке профиля линзы L соответствуют координаты |
||||||
= т и у = d/2, где т — толщина линзы, d — ширина |
(прямоуголь |
|||||
ного) или диаметр (круглого) раскрыва линзы. |
|
|
||||
Подставив эти координаты в полученное уравнение гиперболы
(я2- 1)т*+ 2 (n- 1)fm - ( |- ) 2 = 0
и решив его относительно т, получим |
|
||
т — — 2 (П— 1) / |
±У 4 (п — 1)2 /* + 4 («* — 1)d'l4 |
||
|
|
2(л2 — 1) |
|
/ |
, l / 4 ( n - l ) s P |
. 4 ( n * - l ) d * |
|
„ 4 - 1 |
± К |
4 ( п г — 1)* |
' 4 ( я2— I ) 2 4 |
Рис. 6.34. Геометрические параметры диэлектрической линзы.
Знак минус перед радикалом опускаем, так как ему соответст вует отрицательное значение /и, что не имеет физического смысла. Итак, толщина линзы
т ~ ~ ~ п ^ У ~ \ ^ |
(л +I)2 + 4 (л2 — 1)* |
^137' |
Согласно формуле толщина линзы тем меньше, чем меньше ши рина ее раскрыва, больше фокусное расстояние и показатель пре ломления материала, из которого она изготовлена. Из конструктив ных соображений желательно уменьшать как толщину линзы, так и ее фокусное расстояние, от которого зависит положение облучателя. Эти противоречивые требования можно совместить, значительно уменьшая размеры раскрыва антенны и увеличивая показатель пре ломления линзы. Первое влечет за собой снижение направленного действия антенн, а второе — увеличение отражения от линзы, что косвенно также уменьшает коэффициент усиления антенны.
Диэлектрические линзы изготовляют из высокочастотных ди электриков с малыми потерями и показателем преломления, не многим больше единицы. Так, например, широко применяемые в
8В5
линзовых |
антеннах полиэтилен |
и полистирол |
имеют параметры: |
показатель |
преломления 1,5 и |
1,6, тангенс |
угла потерь 0,0003 |
и 0,0002 соответственно. |
|
|
|
Оптимальным значением фокусного расстояния является f = d. Для уменьшения толщины линзы применяют зонирование, ко торое основано на том, что скачкообразное изменение фазы поля в
Рис. 6.35. Диэлектрическая линза, зонированная со стороны ее гиперболической поверхности.
раскрыве линзы на 360° фактически не изменяет фазовых соотно шений в ней. Освещенная (рис. 6.35, а), а иногда и неосвещенная, поверхность зонированной линзы делается ступенчатой. В одно именные точки (С, Е, М ,...) различных зон волны от облучателя должны поступать с запаздыванием, отличающимся на целое Число периодов, т. е. сдвигом по фазе на 2л, 4л,.... Так как во всех зонах освещенная поверхность гиперболическая, то из этих точек волны идут параллельными лучами и при соблюдении указанного условия
226
зонирования они достигают плоскости раскрыва с одинаковыми фазами.
Поместим начало координат в вершине линзы 0, а линию AN располо жим параллельно оси у. Теперь определим ширину ступеньки т (рис. 6.35, б),
считая зону, пересекающую |
осевую линию, |
нулевой |
(k = |
0), |
а по |
следующие зоны — первой (k = |
1), второй (k = |
2), третьей |
(k = |
3) |
и т. д. |
Для нулевой зоны условием синфазности |
поля в раскрыве |
является |
|||
FQ -f п ((М) = FB
или
f + ПХ= У (7 + *)2 4- У2»
где хл у — координаты произвольной точки В на преломляющей поверхности нулевой зоны.
Согласно принципу зонирования линзы оптическая длина пути для
точек соседних зон с одинаковой |
координатой х отличается на А, а для соот |
||||||||
ветствующих |
точек нулевой |
и |
fe-й зон — на kk. |
Отсюда следует, что пре |
|||||
ломляющая поверхность |
/г-й |
зоны |
должна |
удовлетворять уравнению |
|||||
|
f + |
ПХ = У ( / |
+ х)г + |
у2 — k\. |
|
||||
Полагая |
у = 0, определяем |
координату |
х = х^ |
точки пересечения |
|||||
гиперболической поверхности |
/г-й |
зоны |
с осью |
абсцисс |
из уравнения |
||||
откуда |
|
/ + |
ПХк = |
f + |
xk — kl, |
|
|
||
|
|
|
|
|
k\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как вершина зонированной линзы расположена в начале координат, то это выражение определяет суммарную ширину ступенек всех k зон. Сле довательно, ширина каждой ступеньки
1xk\ _ |
X |
k |
(138) |
п — 1 |
Толщина линзы т должна быть больше пг на величину т", обеспечи вающую механическую прочность линзы:
т = т' + т".
Коэффициент преломления диэлектрических линз не зависит от частоты, а поэтому незонированные диэлектрические линзы не ограничивают полосу пропускания антенного устройства. Зониро ванные диэлектрические линзы таким свойством не обладают: при изменении длины волны ширина ступеньки не удовлетворяет ра венству (138) и нарушается синфазность поля в раскрыве линзы.
Если на средней волне Л0 разность длины пути от фокуса линзы до соответствующих точек нулевой и /г-й зон равна /гА0. то на крайней волне спектра А0 + ДА эта разность не равна k (А0 + ДА), а отличается от нее на величину Д1Х:
&Ао = |
k (Ао "b ДА,) — Д/^. |
|
|
Допускаем максимальный |
сдвиг |
по фазе в раскрыве линзы равным |
|
зх/2, т. е. величину Д/ у = А 0/4, |
и находим |
|
|
6А0 = k (А0 -(- ДА) — |
или &ДА= |
. |
|
Следовательно, полоса пропускания 2ДАД0, выраженная в процентах,
2ДХ |
2 |
50 |
(139) |
|
= 7 Г 100 = — %• |
||
|
4k |
k |
|
Формула показывает, что нем больше зон в диэлектрической лин зе, тем меньше ее полоса пропускания.
Зонированные линзы имеют и другой недостаток: часть энергии облучателя, попадающая на поверхность ступенек, рассеивается
ими и не излучается через |
плоскость раскрыва. Например, |
на |
|
рис. 6. 35, а показана область |
FPR волны |
облучателя, которая |
не |
создает излучения с раскрыва |
линзы. За |
счет дифракции, правда, |
|
некоторое излучение возникает и от такого рода лучей облучате ля, однако коэффициент усиления все равно снижается и в диа грамме направленности антенны появляются боковые лепестки. Незонированные диэлектрические линзы свободны от этих недо статков, но они громоздки, имеют большой вес и дороги в произво дстве, если рассчитаны на большое усиление.
Линзы из искусственного диэлектрика. Отличительным свой ством диэлектрика является поляризация его молекул в электри ческом поле. Поляризованные молекулы образуют электрические диполи. Их собственное поле направлено навстречу приложенному извне и чем больше диполи ослабляют результирующее электри ческое поле в диэлектрике, тем меньше его относительная диэлек трическая проницаемость е.
Если в воздухе расположить металлические частицы на рас стоянии, значительно меньшем длины волны, и воздействовать на них электрическим полем волны, то в частицах произойдет смеще ние электронов, равнозначное образованию электрических диполей. На этом принципе основаны искусственные диэлектрики, идея соз дания которых впервые высказана Н. А. Капцовым (1920 г.) При оритет в применении искусственного диэлектрика для изготовле ния линз и призм принадлежит М. А. Бонч-Бруевичу.
Для механического крепления элементов искусственного ди электрика проводящие частицы впрессовывают в изолятор, имею щий диэлектрическую проницаемость еа, близкую к диэлектри ческой проницаемости воздуха е0. Наиболее широко для этих целей применяется пенистый полистирол (е = 1,02).
Показатель преломления искусственного диэлектрика, так же как естественного, п > 1. Поэтому линзы с искусственным диэлек триком являются замедляющими и имеют гиперболическую прелом ляющую поверхность.
На рис. 6.36, а показана зонированная линза с проводящими дисками из фольги, закрепленными на листах из пенистого поли стирола, а на рис. 6.36, б — с металлическими элементами, нане сенными на пластины пенистого полистирола методом разбрызги вания через трафарет. Наиболее широко применяются линзы с дис ковыми или ленточными металлическими элементами. Коэффициент преломления таких линз может быть вычислен по формулам:
для дисковых линз
(14U:
n = Y l + T NR9'
где N — число дисков в каждой единице объема, R — радиус диска; для ленточных линз
(141)
где а — ширина ленты; N — количество лент на единице площади продольного сечения.
а) |
6) |
Рис. 6.36. Зонированные линзы из |
искусственного ди |
электрика. |
|
Эти формулы не учитывают взаимного влияния металлических частиц и зависимости от них магнитной проницаемости линзы. Коэф фициент преломления искусственных диэлектриков выбирают из тех же соображений, что и естественных, наиболее выгодное зна чение п = 1,5 -г- 1,6.
Благодаря тому, что пенистый полистирол имеет малый удель ный вес (0,03 -г- 0,1) и малый угол потерь [tg 6 = (1 -г- 2)10 3], линзы из искусственного диэлектрика отличаются малым весом, простотой изготовления и высоким к. п. д.
Ускоряющие линзы. Ускоряющие линзовые антенны состоят из нескольких металлических пластин, расположенных друг от друга на расстоянии а, которое меньше X, но больше Х/2. Между пластинами проходят волны, возбуждаемые облучателем, с состав ляющей электрического поля, параллельной поверхности пластин (рис; 6.37). В этом случае пластины линзы играют такую же роль, как узкие стенки прямоугольного волновода. Следовательно, в рас сматриваемой линзе возможно распространение лишь волны типа Нхо с фазовой скоростью
с с
V l-flA u p )* У 1 — (А/2а)3
которая больше скорости света. Из этой формулы можно определить коэффициент преломления металлопластинчатой линзы:
<|42)
Так как крайние значения а равны К/2 и Я., то показатель пре ломления колеблется от 0 до ]/0,75 = 0,856; такие линзы называют ся ускоряющими (л < И-
Рис. 6.37 Ускоряющая линза.
Очевидно, для того чтобы сферические или цилиндрические волны облучателя при помощи ускоряющей линзы преобразовались в плоские, толщина этой линзы на осевой линии должна быть ми нимальной и по мере удаления от оси увеличиваться (рис. 6.37).
Можно доказать, что преломляющая поверхность ускоряющей линзы имеет эллиптическую форму.
Профиль зонированной ускоряющей линзы показан Иа рис. 6.38. Зонирование ускоряющих линз позволяет расширить их полосу пропускания. Ускоряющая линза работает в узком Диапа зоне частот, ее коэффициент преломления, как видно из формулы
“-К Я !)'
значительно зависит от длины волны. В зонированных линзах элек тромагнитные волны проходят между пластинами меньший Пуль, чем в незонированных. Вследствие этого ослабляется влияние ча.
2ЗД