Зонированные линзы и их диапазонность

Коэффициент усиления линзовых антенн, прямо пропорционален площади линзы и об­ратно пропорционален квадрату длины волны. Поэтому для увеличения направленных свойств стремятся укоротить волну или, если это по каким-либо причинам невозможно, увеличить площадь линзы.

Однако с увеличением площади поперечного сечения линзы при неизменном фокусном расстоянии f (которое нерационально увеличивать из-за сильного возрастания габа­ритных размеров антенной системы) толщина линзы сильно увеличивается, что утяжеляет антенну.

Для уменьшения веса линзу делают ступенчатой или как говорят, зонированной за счет изъятия частей объема, на которых изменение оптического пути луча равно целому числу длин волн. Сечение линзы при этом приобре­тает вид, показанный на рис. 60 а.

Начиная с крайней точки А толщина линзы плавно уве­личивается по мере приближения к оси до тех пор, пока разность фаз между крайним лучом SA и лучом, прошедшим через диэлектрик линзы, не станет равной 2p.

В этой точке толщина диэлектрика вновь может быть сделана равной нулю при сохранении неизменным фронта волны на выходе линзы, так как из синусоидального закона изменения поля отклонения фазы на 2p (360°) никакого влияния не окажет.

Указанная точка будет служить началом следующей сту­пени, толщина которой вновь увеличивается до того места линзы, где длина оптического пути вновь может быть умень­шена еще на одну длину волны, и т. д.

Так как длина волны в диэлектрике в п раз меньше, чем в воздухе, то толщина изымаемого диэлектрика при образовании каждой ступени должна быть равной

При этом на практике при образовании ступенек тол-шину линзы доводят не до нуля, а до некоторой минималь­ной величины х, выбираемой из соображений механической прочности линзы. Зонирование линзы, показанное на рис. 60 а, произведено за счет вырезания ступенчатых зон со стороны непреломляющей поверхности. Вырезание таких зон обеспечивает уменьшение веса линзы, но не изменяет ее максимальную толщину d.

Зонирование может быть произведено и за счет образо­вания ступенек со стороны преломляющей поверхности линзы, как это показано на рис. 60 б. Существенным отли­чием этой линзы является не только сокращение объема ди­электрика, но и уменьшение толщины линзы. Однако нали­чие ступенек на преломляющей поверхности приводит к образованию областей тени на границах ступенек. Обра­зование теневых зон можно проиллюстрировать, рассматри­вая ход двух смежных лучей, падающих на границу двух соседних зон (рис. 60,6). Луч 1, падая на линзу слева на­право, проходит через диэлектрик и попадает в фокус S по пути 1', а луч - 2, смежный с лучом 1, но проходящий уже че­рез следующую ступеньку, попадает в точку S по пути 2'. В пространстве же между 1' и 2' поля нет. При работе на передачу доля энергии от облучателя, заключенная в секто­рах тени, рассеивается ступеньками и до выхода линзы не доходит.

Наличие таких теневых областей приводит не только к уменьшению коэф­фициента усиления линзы, но и к воз­растанию уровня бо­ковых лепестков, что часто недопустимо. Зонированными делаются не только замедляющие линзы но и волноводные.

Схематически раз­рез ступенчатой волноводной линзы при­веден на рис. 61. На рис. 62 показан вид сзади на антенную систему с зонированной ускоряющей линзой от радиолокационной станции, работающей на волне 1,25 см. Рис. 63 воспроизводит фотографию участка подоб­ной волноводной линзы ступенчатой конструкции.

Следует заметить, что разбивка линз на зоны справед­лива лишь для заданной частоты, поэтому у зонированных замедляющих линз появляется зависимость их параметров от частоты, обусловленная нарушением условия синфазности лучей в раскрыве (выходном отверстии) линзы.

Обычно допускают отклонение фронта волны в раскрыве антенн не более чем на 0,125l₀. В этих условиях рабочая полоса частот зонированной замедляющей линзы Df оказы­вается равной

Df ≈ % (40)

где k — полное число зон.

У ускоряющих же линз, в отличие от замедляющих, зо­нирование увеличивает диапазонность антенны. Объясняется это тем, что у волноводных линз коэффициент преломле­ния п довольно сильно зависит от частоты. Придание же линзе ступенчатой конструкции уменьшает длину пути лучей в частотно-зависимой среде и увеличивает тем самым диа­пазонность антенны. Так, например, принимая допустимым изменение оптического пути лучей в 0,125l₀, мы получаем следующие зависимости, определяющие рабочую ширину полосы частот Df :

Df = % (41)

для незонированной волноводной линзы и

Df ≈ 25 %(42)

для зонированной линзы.

В приведенных формулах n₀ — коэффициент преломленияна расчетной длине волны; d — толщина линзы; l₀ — рас­четная длина волны; k — число зон.

При n₀ ≈ 0,5 и большом числе зон рабочая полоса частот зонированной линзы примерно в 3 раза шире, чем у эквивалентной незонированной линзы.

Питание линзовых антенн

Как и в антеннах с параболическими зеркалами, в каче­стве облучателей ускоряющих и замедляющих линз жела­тельно применение таких антенн, все излучение которых падало бы только на линзу. Наиболее полно эта задача ре­шается в рупорно - линзовыхантеннах, представляющих собой рупор, в выходном отверстии которого для созда­ния плоской волны размещается линза. Наличие у рупорно - линзовых антенн металлических стенок, идущих от питаю­щего волновода до краев линзы, исключает возможность распространения радиоволн во внешнее пространство по­мимо линзы.

О том, насколько эффективны подобные антенны, можно судить по такому примеру: секторный рупор с шириной зева в 40 длин волн и длиной в 800 волн эквивалентен по уси­лению и своим направленным свойствам антенне, состоящей из секторного рупора с теми же размерами зева и цилин­дрической линзы, но имеющего длину лишь в 38 волн, т. е. рупор получается почти в 20 раз более коротким.

Рупорно-линзовые антенны обладают большим весом, неудобны в транспортировке, поэтому применяются в основ­ном лишь на стационарных объектах.

Чаще всего в качестве облучателей линз применяют не­большие рупорные антенны, выбирая параметры последних так, чтобы интенсивность их излучения в направлениях на края линзы составляла 10—20% от интенсивности облуче­ния центра линзы. В этом случае площадь линзовой антенны используется еще достаточно эффективно, а уровень до­полнительных лепестков, возникающих за счет излучения че­рез края линзы, получается не слишком высоким.

При создании линзовых антенн с большими коэффициен­тами усиления конструкторам аппаратуры приходится сталкиваться с таким фактом: у передающих линзовых антенн радиоволны, достигнув передней (внешней) поверхности линзы, отражаются от нее и возвращаются обратно в облу­чатель. Это приводит не только к нарушению согласования облучателя с питающей его линией передачи, но и снижает усиление антенны.

У приемных линзовых антенн электромагнитные волны также испытывают частичное отражение от границы раздела воздух — диэлектрик линзы. Из-за этого, пользуясь терми­нологией оптики, линза несколько теряет свою «прозрач­ность», т. е. коэффициент усиления антенны снижается.

Интенсивность отраженных волн оказывается тем выше, чем больше разница в коэффициентах преломления воздуха и материала линзы.

Однако, если поверхность диэлектрика покрыта слоем другого диэлектрика e₂с проницаемостью, равной среднему геометрическому (e₂= ) из диэлектрической про­ницаемости воздуха e_в = 1 и диэлектрической проницаемости среды e₁, от которой ранее происходили отражения, то указанные отражения могут быть полностью устранены, если толщина слоя диэлектрика e₂будет равна четверти длины волны.

Это объясняется тем, что после применения такого согла­сующего диэлектрического слоя отражения будут происхо­дить как на границе воздух — пленка, так и на границе пленка — диэлектрик. Причем скачок диэлектрической про­ницаемости на каждой из этих границ будет одним и тем же (e_в: e₂ = e₂:e₁), поэтому волны, отраженные от каждой из границ, будут равны по амплитуде. Но так как толщина со­гласующей пленки равна четверти волны, то падающая волна при прохождении через пленку из воздуха изменит свою фазу на 90°, а при обратном движении, после отраже­ния от второй границы, изменит фазу еще на 90^э. В итоге волны, отраженные от первой и второй границ, оказываются равными по амплитуде, но противоположными по фазе. Вследствие этого они взаимно гасят друг друга.

Согласующий слой в основном применяется у линзовых антенн из искусственного диэлектрика, поскольку у последнего легко может быть осуществлена требуемая диэлектрическая проницаемость e₂ = .У волноводных линз для устранения попадания отраженных волн в облучатель практикуют либо небольшой наклон линзы, либо разрезают линзу на две симметричные половинки и смещают их одну относительно другой вдоль оптической оси на четверть волны.

В первом случае облучатель оказывается как бы вынесенным из фокуса, поэтому отраженные от поверхности I линзы лучи концентрируются в точках, лежащих вне облу­чателя (рис. 64).

Во втором случае происходит примерно то же, что и в линзе с согласующей пленкой: отраженные от обеих полови­нок линзы волны, попадая в облучатель, оказываются рав­ными по амплитуде, но противоположными по фазе.

Заканчивая на этом рассмотрение линзовых антенн, сле­дует указать, что в ряде случаев их предпочитают парабо­лическим, так как допуски на изготовление линзовых антенн менее жестки, чем на изготовление параболических зеркал. Достоинством линзовых антенн является и то, что у них об­лучатель не оказывает искажающего влияния на поле в раскрыве антенны, поскольку питающее устройство не находится в поле излучения, как, например, у большинства параболи­ческих антенн.

В ряде конструкций линзы применяются в сочетании с зеркалами для построения антенн с широким сектором ка­чания луча.

Диэлектрические антенны

Диэлектрические антенны представляют собой сплошные стержни или трубки из диэлектрика длиной в несколько волн и с поперечными размерами, сравнимыми с волной.

Диэлектрические антенны, как и линзовые, основаны на использовании особенностей распространения радиоволн в диэлектрических средах. Однако принцип их действия совер­шенно иной.

Известно, что при переходе электромагнитных волн из среды с одной диэлектрической проницаемостью в среду с другой проницаемостью на поверхности раздела сред появ­ляются заряды и токи (так называемые поляризационные токи). Такие заряды и токи возникают и на поверхности стержней при распространении вдоль них электромагнитных волн, причем фаза и амплитуда зарядов в каждой точке по­верхности стержня зависят от скорости распространения волны. Электромагнитное поле в любой точке пространства вне стержня, создаваемое зарядами и токами, зависит от закона их распределения на поверхности стержня.

Если размеры стержня и его материал подобрать так, чтобы скорость распространения радиоволн вдоль диэлектри­ческой антенны была близка к скорости света, то максималь­ное излучение антенны будет направлено вдоль оси стержня в сторону движения волны.

Здесь мы имеем аналогию с антенной типа «волновой канал», в которой директоры также обеспечивают запазды­вание фазы волны в направлении от активного вибратора в сторону максимального излучения. В директорных антеннах нужное распределение фаз и амплитуд токов подбирается за счет выбора местоположения и длины вибраторов. В диэлек­трических же антеннах это достигается за счет выбора их размеров.

Когда диаметр стержня велик по сравнению с волной, то скорость распространения радиоволн вдоль стержня близка к скорости распространения радиоволн в диэлектрике, рав­ной , где с — скорость света, а e_Д — диэлектрическая проницаемость материала стержня.

При уменьшении диаметра стержня скорость распростра­нения приближается к скорости света с.

Экспериментальные исследования показывают, что наилучшими направленными свойствами обладают такие стержни, площадь поперечного сечения которых S не превышает S_max = , но не меньше S_min= , где l₀ — длина рабочей волны в воздухе.

При этих размерах скорость распространения радиоволн вдоль стержня оказывается весьма близкой к скорости света.

Увеличение поперечного сечения стержня сверх значения Smax приводит к увеличению уровня боковых лепестков и не повышает усиления антенны. Снижение поперечного сече­ния против значения S_min очень быстро приводит к расши­рению главного лепестка диаграммы направленности, сле­довательно, и к снижению коэффициента усиления антенны.

Длину диэлектрических стержневых антенн выбирают в пределах от 2 до 6 волн в зависимости от требуемого коэф­фициента усиления.

Если антенна в виде одного единственного стержня не обеспечивает нужной направленности, то в этом случае идут не по пути увеличения ее длины, а по пути применения си­стем из нескольких однотипных диэлектрических стержней, питаемых синфазно. Делается это потому, что дальнейшее увеличение длины диэлектрической антенны свыше 6 волн заметного выигрыша уже не дает.

На рис. 65 представлена диэлектрическая антенна из че­тырех полистироловых стержней, расположенных в один ряд, и приведены диаграммы направленности этой антенны. Так как от­дельные диэлектриче­ские стержни доста­точно диапазонны в си­лу некритичности их размеров, то при вы­полнении системы пи­тания отдельных стерж­ней по параллельной схеме, показанной на рис. 65, антенная си­стема в целом также со­храняет свои свойства в широком диапазоне волн.

Часто диэлектрические стержни делают конусообразными с сужением в сторону максимального излучения. При этом стремятся не к уменьшению веса, а к улучшению направлен­ных свойств, так как придание стержню небольшой конусно­сти снижает интенсивность побочных лепестков диаграммы направленности.

Для уменьшения поперечного сечения диэлектрические стержни изготовляют из материалов с высокой диэлектриче­ской проницаемостью, обращая при этом внимание на вели­чину потерь в этом диэлектрике, так как применение мате­риала с высоким значением диэлектрической проницаемости и большим углом потерь влечет резкое ухудшение коэффи­циента полезного действия антенны.

Возбуждение (питание) диэлектрических антенн осуще­ствляется либо вибратором, перпендикулярным оси стержня, либо волноводом, несущим основную поперечную магнитную волну. В первом случае вибратор для устранения тыльного излучения помещается в металлическую коробку, в откры­тый конец которой заделывается диэлектрический стержень (см. рис. 65). Такая коробка по существу является коротким волноводом.

Направленные свойства диэлектрических стержневых антенн практически не зависят от формы их поперечного се­чения, которое может быть круглым, квадратным и т. д. По­следнее обстоятельство весьма удобно в конструктивном от­ношении, так как сечению стержня может быть придана конфигурация питающего волновода, а сам стержень, будучи заделанным в волновод, автоматически разрешает задачу герметизации его внутренней полости.

Для наглядного представления о направленных свойствах диэлектрических антенн на рис. 66 они сопоставлены с ан­теннами, эквивалентными им по характеристике направлен­ности и коэффициенту усиления.

Диэлектрические антенны эквивалентны:

стержень длиной в 1,8 волны — плоскостной синфазной антенне, состоящей из восьми полуволновых вибраторов с рефлектором;

стержни длиной в 3,3 волны — коническому рупору длиной в 5 волн и диаметром зева в две волны;

антенная система из четырех стержней — коническому рупору, имеющему в два раза большую длину и площадь поперечного сечения.

Кроме стержневых, применяются антенны в виде полых диэлектрических трубок диаметром около волны, возбуждае­мых аналогично сплошным стержневым излучателем. Тол­щина стенок таких трубок берется в соответствии с диэлек­трической проницаемостью материала трубки, но никогда не превосходит 0,1 рабочей длины волны. Антенны из ди­электрических полых трубок часто называют оболочечными.

Оболочечные диэлектрические антенны получаются несколько более громоздкими, но они обладают меньшим весом, а в силу больших поперечных размеров — и более узкими диаграммами направленности, чем стержневые антенны тойже длины. На рис. 67 для сравнения приведены диа­граммы направленности волновода, сплошного диэлектриче­ского стержня и диэлектрической оболочечной системы.

Диэлектрические антенны применяются как в качестве самостоятельных антенн, так и облучателей, заменяя с успе­хом рупорные антенны. Вес диэлектрических антенн пропор­ционален кубу рабочей волны, что делает нерациональным их применение на волнах, превышающих 10—25 см. На бо­лее же коротких волнах диэлектрические стержневые и обо­лочечные излучатели имеют целый ряд преимуществ, к ко­торым следует отнести малые размеры при хорошей направ­ленности, возможность их использования в весьма широком диапазоне волн, малый вес и небольшую парусность.

К недостаткам диэлектрических антенн относятся слож­ность системы питания (когда антенна состоит из ряда син­фазных элементов) и наличие диэлектрических потерь, могу­щих значительно снизить к. п. д. антенны.