книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны

стоты на оптическую длину пути волн в антенне и расширяется ее полоса пропускания.

Зонирование ускоряющих линз связано с появлением теневой области (M PLN на рис. 6.38), границы которой определяются лу­ чами волн, отраженных от крайних точек ступенек. Теневая область уменьшает коэффициент направленного действия антенны и несколь­ ко искажает диаграмму направленности.

При выборе показателя преломления ускоряющих линз руковод­ ствуются тем, что при малом значении п условия распространения волн на границе линзы резко изменяются и увеличенное отражение

Рис. 6.38. Профиль зонированной ускоряю­ щей линзы.

волн снижает к.п.д. антенны. С другой стороны, уменьшение п уси­ ливает преломление в линзе и позволяет сократить ее толщину. Наиболее выгодным значением показателя преломления является п » 0,5.

При расчете диаграмм направленности линзовых антенн сле­ дует учитывать размеры раскрыва линзы и равномерность его воз­ буждения по амплитуде и фазе. В раскрыве замедляющих линз наблюдается значительная неравномерность амплитуды поля. Это объясняется двумя обстоятельствами: расстояние от облучателя до преломляющей поверхности линзы увеличивается по мере удаления от оси линзы (см. рис. 6.33); в том же направлении интенсивность облучения линзы уменьшается вследствие направленных свойств облучателя. Ускоряющие линзовые антенны позволяют компенси­ ровать эти свойства облучателя тем, что в них длина пути от облу­ чателя к линзе уменьшается с удалением от оси линзы (см рис. 6.37). В результате получается, что для замедляющей линзы неравномер­ ность распределения амплитуды больше, а коэффициент направлен­ ного действия меньше, чем для ускоряющей линзы.

Обобщим данные о линзовых антеннах разного вида. С точки зрения потерь в антенне металлопластинчатые линзы более совер­ шенны, чем линзы из естественного и искусственного диэлектрика.

По диапазонным свойствам наиболее совершенны незонированные диэлектрические линзы и наименее совершенны незонированные ускоряющие.

Наименьшим весом и простотой изготовления отличаются линзы из искусственного диэлектрика; с этой точки зрения наименее ка­ чественны диэлектрические незонированные линзы.

В настоящее время применяют главным образом замедляющие линзы из искусственного диэлектрика и ускоряющие металлоплас­ тинчатые. Большой эффект дает использование линз в качестве вставок в рупоры.

Рис. 6.39. Усовершенствованные рупорные антенны:

а —с линзовой вставкой; б —с согнутым рупором.

Рупорно-линзовые антенны. Получению высокой направлен­ ности в рупорной антенне препятствует то обстоятельство, что если длина рупора не очень велика, то поле в раскрыве имеет весьма зна­ чительное расхождение по фазе. Если же в раскрыве рупора по­ местить линзовую вставку, как показано на рис. 6.39, а, то линза устраняет эту несинфазность, вследствие чего уменьшается ши­ рина угла главного лепестка, резко понижается интенсивность бо­ ковых лепестков и увеличивается коэффициент усиления антенны. Последнее достигается также тем, что при помощи рупора вся энер­ гия сосредоточивается на линзе. В преимуществах рупора с линзовой вставкой можно убедиться, сравнивая диаграмму направленности замедляющей линзы, облучаемой небольшим рупором, который на­ ходится в фокусе линзы, с диаграммой той же линзы, расположен­ ной в раскрыве пирамидального рупора (рис. 6.40).

На рис. 6.39, б показан секториальиый рупор, согнутый по па­ раболической кривой. Такую антенну называют иногда рупором с металловоздушной линзой. Работа этой линзы заключается в том, что благодаря соответствующему изгибу рупора длина любого луча от фазового центра до раскрыва рупора получается одинаковой,

аэто обеспечивает синфазность поля на выходе антенны,

в32

только одни раз: при прохождении (преломлении) волн через осве­ щенную поверхность линзы.

Во-вторых, в линзовых антеннах облучатель не экранирует лучи линзы, а в параболических он находится перед рефлектором, уменьшая этим эффективную поверхность антенны и усиливая бо­ ковые лепестки в диаграмме направленности.

Рис. 6.41. Влияние положения фазового центра облуча­ теля на направленность параболической антенны.

Существенным преимуществом линзовых антенн является и то, что они более успешно, чем параболические, позволяют управлять диаграммой направленности. На рис. 6.41 показано, как влияет на диаграмму направленности антенны смещение облучателя из фокуса вдоль оси параболического рефлектора (а) и перпендикуляр­ но этой оси (б). Если фазовый центр облучателя находится в фокусе F, то лучи (зпад) после отражения (sOTP) идут параллельно оси реф­ лектора, благодаря чему максимум излучения Пмакс совпадает

с этой осью, а фронт волны Ф представляет собой плоскость, пер­ пендикулярную той же оси. Теперь сместим фазовый центр облу­ чателя по оси рефлектора из фокуса F в точку F' и определим направ­

ление отраженных лучей (s0Tp), имея в виду, что в любом положении облучателя должно соблюдаться равенство углов падения и отра­

линдрическим), но направление максимального излучения Пмакс остается тем же. Следовательно, смещение фазового центра облу­ чателя по оси параболической антенны приводит к расширению ее диаграммы направленности.

Аналогично доказывается, что смещение фазового центра об­ лучателя перпендикулярно оси рефлектора (рис. 6.41, б) вызывает

наклон отраженных лучей (sOTp), а следовательно, и наклон макси­

граммы направленности б равен углу смещения облучателя относи­ тельно оси рефлектора, можно записать

фокуса рефлектора диаграмма направленности не только поворачи­ вается, но и изменяется по форме: расширяется основной лепесток и увеличиваются боковые лепестки, уменьшая коэффициент уси­ ления антенны. Это сказывается тем больше, чем меньше фокусное расстояние. В линзовой антенне осевое и поперечное смещения об­ лучателя из фокуса производят такой же эффект, как в параболи­ ческой.

В параболических антеннах диаграммой направленности управ­ ляют качанием рефлектора или вращением облучателя, смещенного из фокуса в направлении, перпендикулярном оси зеркала. Первый способ связан с усложнением конструкции антенны, гак как для качания диаграммы направленности в больших пределах без ее искажения необходимо удались облучатель на большое расстояние от зеркала (увеличить фокусное расстояние) Поэтому таким спо­ собом обычно удается получить угол качания луча, который не превышает ширину луча более, чем в 2—3 раза.

В этом отношении линзовые антенны более совершенны. При­ мером тому может служить линза, предложенная Люнебергом. Она представляет собой сферу, изготовленную из диэлектрика с по­ казателем преломления, уменьшающимся непрерывно (или ди­ скретно) от центра к периферии (рис. 6.42, а) по закону

где п — показатель преломления в точке сферы, удаленной от центра ее на расстояние г; d — диаметр сферы

Из формулы видно, что пределы изменения п следующие: в цент­

ре сферы (г = 0) показатель преломления п = у 2, а на ее поверх­ ности (г = d/2) п = 1, как в воздухе, что обеспечивает согласование линзы со свободным пространством. П| имерно такой же закон изме­ нения п может быть получен, если сферу изготовить из пенистого полистирола, плотность которого возрастает в направлении к цент­ ру сферы. Наименее плотный слой имеет п = 1,015 что весьма близ­ ко к требуемому показателю преломления наружной поверхности линзы.

Облучатель линзы Р желательно иметь точечным на практике это небольшой рупор. Из точки Р лучи входят в линзу под различ­ ными углами и потому в разной мере преломляются. Луч, проходя­ щий через центр сферы 0 прямолинейный, а остальные при соблю­ дении условия (144) искривляются таким образом что они выходят из линзы параллельно центральному лучу Р0 и волна во всей плос­ кости АВ имеет одинаковую фазу. Иначе говоря, сферическая волна преобразовалась в плоскую.

Теперь повернем рупор вокруг центра сферы из положения 1 (рис. 6.42, б) в положение 2, а затем в 3. Фронт волны последова­ тельно займет положение А ’В ' , А"В", А ’"В "' перпендикулярное линии Р0. Диаграмма направленности 2', 3' будет перемещаться в пространстве на такой же угол, что и облучатель, сохраняя при этом свою форму. Так как качание облучателя вокруг центра линзы осуществляется легко, то можно обеспечить качание диаграммы на­ правленности антенны вокруг той же точки 0 в любых пределах.

Линзы Люнеберга, как и другие, могут быть не только сфери­ ческими, но и цилиндрическими. В последнем случае облучатель должен быть линейным.

Основным недостатком линзовых антенн по сравнению с пара­ болическими является более низкий к.п.д. и соответственно более низкий коэффициент усиления, обусловленный потерями на отра­ жение и поглощение энергии в линзе.

48. Облучатели антенн сверхвысоких частот

Требования, предъявляемые к облучателям антенн. Эти тре­ бования следующие.

Энергия от облучателя должна концентрироваться на рефлек­ торе или линзе, не выходя, по возможности, за их пределы; в част­ ности, не должно быть обратного излучения облучателя.

Если уровень боковых лепестков диаграммы антенны не имеет решающего значения, то облучатель должен создавать равномерные по амплитуде поля в раскрыве рефлектора или линзы; если же весьма важно ослабить боковые лепестки, то амплитуда поля в раскрыве должна спадать к его краям в определенных пределах.

Для получения синфазных полей в раскрыве антенны фазовый центр облучателя не должен быть размытым и должен располагать­ ся на фокусе рефлектора или линзы.

Облучатель рефлектора не должен, по возможности, затемнять его во избежание искажения диаграммы направленности антенны; это тем более важно, что отраженная от рефлектора энергия в таких условиях частично попадает в облучатель, а затем в фидер, образуя в нем стоячие волны.

верхность фидера через отверстие и некоторая несимметричность вибратора имеется. Фазовый центр облучателя, который располо­ жен между вибратором 3 и контррефлектором 4, оказывается сме­ щенным относительно оси параболоида. В данной конструкции это и требуется: головка облучателя вращается вместе с коаксиаль­ ным фидером, следовательно, вращается и смещенный фазовый центр. В результате получается конический обзор пространства.

Диаграмма направленности описанного облучателя в плоско­ сти Е выражается функцией

F(cp) = cos2cp

где угол ф отсчитывается от оси рефлектора.

Рис. 6.45. Облучатель в форме полуволнового вибратора, возбуждаемого через волновод.

В конструкции, показанной на рис. 6.44, обеспечивается сим­ метричное питание вибратора благодаря дополнительному отвер­ стию в коаксиальном фидере. При таком облучателе параболическая антенна имеет игольчатую диаграмму направленности с максимумом излучения, направленным по оси рефлектора.

На волнах длиной X < 10 см питание к антенне подводится по волноводу и тогда вибраторные облучатели имеют иную конструк­ цию (рис. 6.45). Собственно облучатель представляет собой полу­ волновый вибратор /, закрепленный на тонкой металлической пла­ стине 2, которую вставляют в отверстие волновода 3 и припаивают к нему по краям. Вследствие того, что пластина расположена пер­ пендикулярно линиям электрического поля, а вибратор параллелен этим линиям, пластина незначительно изменяет структуру поля в волноводе и вибратор возбуждается полем волновода. В качестве контррефлектора используется другой вибратор 4, прикрепленный к пластине 2. Для ослабления излучения из открытого конца волнопода и согласования с ним облучателя волновод сужается в направ­ лении к активному вибратору. В какой-то степени на согласование влияет глубина погружения пластины в волновод. Диаграмма на­ правленности облучателя такого вида близка к кардиоидной.

Волноводные и рупорные облучатели. Облучателем может слу­ жить и открытый конец волновода. Малые размеры отверстия вол­ новода по сравнению с длиной волны и неравномерное распределе­ ние поля в этом отверстии определяют сравнительно большую ши-