Классификация антенн (стр. 5 )

Расчет рупорных антенн.

Основной задачей расчета рупорных антенн является определение главных размеров рупора Исходными данными обычно являются и в плоскостях и - , .

Порядок расчета следующий:

1)  По заданной определяют размеры раскрыва рупора и .

Если заданы в градусах, то

а) для рупора

б) для рупора

в) для пирамидального рупора

Определив размеры находим оптимальные размеры рупора и .

Для пирамидальных рупоров эти размеры могут быть различными и несовместимыми. В этом случае берется наибольшее значение с тем, чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых.

Способы уменьшения длины рупора.

Существенным недостатком рупорных антенн является сравнительно большая длина рупоров. Длина рупора пропорциональна квадрату одного из размеров раскрыва. Это накладывает некоторые ограничения на использования рупоров в качестве остронаправленных антенн.

Существует два пути решения задачи уменьшения длины рупора. Первый заключается в применение многорупорной антенны. Идея метода состоит в том, что требующийся большой размер раскрыва однорупорной антенны разбивают на число рупоров, образующих многорупорную антенну. Тогда длина каждого рупора может быть уменьшена в раз по сравнению с длиной однорупорной антенны.

Рис. 53. Схема многорупорной антенны.

Недостатком многорупорной антенны является трудность обеспечения точной синфазности возбуждения всех рупоров и усложнения конструкции.

Другой путь уменьшения длины рупорной антенны состоит в применении специальных устройств, корректирующих фазовые искажения в раскрыве рупора.

Существует много методов коррекции.

Рис. 54. Один из методов выравнивания фаз поля в раскрыве рупора.

Одни из них основаны на том, что искусственно выравниваются длина пути, проходимого электромагнитной волной от вершины рупора до всех точек раскрыва. В других используется различные типы линз, помещаемых в раскрыве и выравнивающих фазовый фронт волны.

На рис.54 показан один из методов выравнивания длины пути. Секториальный рупор изогнут таким образом, что длина пути луча 1, идущего по средней линии рупора от его вершины до раскрыва, равна длине пути любого другого луча, идущего от вершины рупора к любой точке раскрыва. Кривая , по которой растянуты стенки согнутого рупора, должна иметь форму параболы, для того, чтобы поле в раскрыве было синфазным, должно выполняться равенство

откуда

- уравнение параболы.

На рис.55 показана рупорная антенна с помещенной в ее раскрыве линзой.

Рис. 55. Рупорная антенна с линзой, помещенной в ее раскрыве:

а – ускоряющая линза, б – замедляющая линза

Применение рупорных антенн.

В качестве самостоятельных антенн рупорные антенны используются в тех случаях, когда не требуется очень узкая диаграмма направленности и когда антенная должна быть достаточно диапазонной (широкополосной).

Рупорные антенны могут работать в широком диапазоне частот.

Рис. 56. Изменение КНД пирамидальных и конических рупоров с частотой.

При помощи рупора можно перекрыть приблизительно двойной диапазон волн. Собственно говоря, диапазонность рупорной антенны ограничивается не рупором, а питающим его волноводом.

Большая диапазонность рупорных антенн и простота конструкции является существенными достоинствами этого типа антенн СВЧ, благодаря которым они находят широкое применение в технике антенных измерений и измерений характеристик электромагнитного поля.

Рупорные антенны широко применяются в качестве облучателей боле сложных антенных устройств. Например, для облучателей зеркальных и линзовых антенн.

Линзовые антенны.

Назначение и принцип действия линзовых антенн.

Линзовой антенной называют совокупность электромагнитной линзы и облучателя. Линза представляет собой радиопрозрачное тело с определенной формой поверхности, имеющее коэффициент преломления, отличной от нуля.

Линза предназначена для трансформации соответствующим образом фронта волны, создаваемого облучателем.

Принципиально линзовые антенны можно использовать для формирования различных диаграмм направленности. Однако на практике линзовые антенны подобно оптическим линзам применяются, главным образом, для превращения расходящегося пучка лучей в параллельный, т. е. для превращения криволинейной (сферической или цилиндрической) волновой поверхности в плоскую.

Рис. 57. Линзовые антенны:

а – ускоряющая волноводная линза; б – замедляющая диэлектрическая линза;

в – иллюстрация принципа действия линз

Всякая линзовая антенная состоит из двух основных частей: облучателя и собственно линзы. Облучателем может быть любой однонаправленный излучатель. Важно, чтобы возможно большая часть энергии излучения попадала на линзу, а не рассеивалась в других направлениях и чтобы у поверхности линзы, обращенной к облучателю, фронт волны был близок к сферическому или цилиндрическому. Выполнение последнего условия позволит рассматривать облучатель либо как точечный, либо как линейный источник электромагнитных волн.

В качестве облучателя могут быть использованы небольшой рупор, открытый конец волновода, вибратор с пассивным рефлектором. Облучатель обычно располагают так, чтобы его фазовый центр совпадал с фокусом сферической линзы или с фокальной осью цилиндрической линзы. Поверхность линзы обращенной к облучателю, называется освещенной стороной. Противоположная (“теневая”) сторона линзы образует ее раскрыв. Прямая , проходящая через фокус и центр раскрыва, называется осью линзы. Точка пересечения оси линзы с освещенной стороной называется вершиной линзы. Линия пересечения освещенной стороны линзы продольной осевой плоскостью называется профилем линзы. Профиль может быть вогнутым и выпуклым. Раскрыв линзы, как правило, делается плоским. Форма раскрыва может быть круглой или прямоугольной.

Принцип действия линзы основан на том, что линза представляет собой среду, в которой фазовая скорость распространения электромагнитных волн либо больше скорости света , либо меньше ее. В соответствии с эти линзы разделяются на ускоряющие и замедляющие .

В ускоряющих линзах выравнивание фазового фронта происходит за счет того, что участки волновой поверхности часть своего пути проходят в линзе с повышенной фазовой скоростью. Эти участки пути различны для разных лучей. Чем сильнее луч отклонен от оси линзы, тем больший участок он проходит с повышенной фазовой скоростью внутри линзы. Таким образом, профиль ускоряющей линзы должен быть вогнутым.

В замедляющих линзах, наоборот, выравнивание фазового фронта происходит не за счет убыстрения движения периферийных участков волновой поверхности, а за счет замедления движения середины этой поверхности. Следовательно, профиль замедляющей линзы должен быть выпуклым.

Принцип действия линзы можно рассматривать не только с точки зрения движения фазового фронта, но также с точки зрения преломления лучей.

Поперечные размеры раскрыва линз обычно много больше длины рабочей волны. Вследствие этого к линзе могут быть применены законы геометрической оптики. Учитывая, что отношение скорости света к фазовой скорости есть коэффициент преломления среды

линзу можно рассматривать как радиопрозрачное тело с коэффициентом преломления . У замедляющей линзы , ускоряющая линза имеет .

На границе раздела воздух-поверхность линзы лучи будут преломляться. Угол преломления согласно законам геометрической оптики будет связан с углом падения известны равенством.

Профиль линзы должен быть выбран таким, чтобы все преломленные лучи были параллельными. Это равносильно условию чтобы оптическая длина пути всех лучей до раскрыва была одинаковой.

Рис. 58. Преобразование расходящегося пучка лучей в параллельный

в результате преломления их линзой.

Рассмотрение принципа действия линзы как с одной точки зрения так и с другой приемлемо и приводит к одним и тем же результатам.

Уравнение профилей линзы.

Введем прямоугольную систему координат xOy с центром в вершине линзы. Условием синфазности поля в раскрыве линз является равенство длины оптического пути для всех лучей, выходящих из фокуса линзы и идущих до ее раскрыва.

Ускоряющая линза.

Рис. 59. Ускоряющая линза.

– фокусное расстояние, – показатель преломления.

Условие равенства 1-го и 2-го оптических лучей

– уравнение эллипса

записанное в прямоугольной системе координат.

В полярной системе координат. Это равенство по электрической длине (по равенству фаз)

– уравнение эллипса

в полярной системе координат.

Замедляющая линза.

Рис. 60. Замедляющая линза.

откуда

– это уравнение гиперболы,

оно определяет профиль замедляющей линзы.

Уравнение в полярной системе координат

, находим

.

Ускоряющие металлические линзы.

или . Среду с такими параметрами легко создать. Мы уже рассматривали – прямоугольный волновод.

Если на пути электромагнитной волны поставить параллельно вектору ряд металлических пластин, отстоящих друг от друга на расстоянии а, больше, чем , то фазовая скорость распространения волны как и для волновода, определяется выражением

Коэффициент преломления равен

Пределы изменения . Одинаково во избежание появления высших типов волн , таким образом .

С другой стороны при фиксированном а, можно менять ширину пластин , изменяя тем самым отрезок пути, пройденный волной с повышенным .

Рис. 61. Линзы из параллельных металлических пластин.

Ширина может меняться как от пластины к пластине, так и вдоль самой пластины.

В первом случае все пластины прямоугольны, но различной ширины, во втором случае они одинаковые, но имеют профиль как на рис. 00.

Рис. 62. Первый случай. Н – линза. Рис. 63. Второй случай. Е – линза.

Такие линзы называются металлопластинчатой или металлической.

Если профиль линзы расположен в плоскости Н электромагнитного поля, то эта линза Н, если в плоскости Е, то ее называют Е – линзой.

Эти обе линзы трансформируют цилиндрическую волну в плоскую. Профиль обеих линз описывается одним и тем же уравнением для ускоряющих линз.

В общем случае, когда необходимо трансформировать сферическую волну в плоскую, профиль линзы должен иметь форму части поверхности эллипсоида вращения, образованного вращением эллипса вокруг оси х.

Для Н – линзы можно.

a – соnst, b – var или b – const, a – var

n – const, b – var b – const, a – var

Выбор фокусного расстояния и коэффициента преломления металлических линз.

Из формул следует, что зависит от , , . Связь между ними найдем, подставив в уравнение значения , и решив относительно , получим

или

Рис. 64. Зависимость относительной величины фокусного расстояния от относительной толщины металлической линзы при различных коэффициентах преломления.

Для уменьшения отражения необходимо чтобы .

Кривые имеют минимум. Для каждого п существует такое , что ни при какой толщине оно не может быть меньше.

С уменьшением увеличивается , так как при конструировании стремятся сделать минимальным, то вопрос решается компромиссом.

При заданном по графикам находят и наиболее приемлемые для данного случая.

Из графика видно, что при меньших получается меньшее . Если будет сильно отличаться от 1, то возникнут заметные отражения от обеих поверхностей линз, из-за большого различия электрических параметров двух сред (воздух-линза). По этой причине вопрос о выборе решение также компромиссно, между обеспечением малого коэффициента отражения и малыми габаритами.

Выбирают , что составляет

Зонирование линз.

Зонирование приводит к появлению необлученных вблизи ступенек частей поверхности линзы.

Рис. 65. Вредные зоны в зонированной линзе

Они уменьшают коэффициент поверхностного раскрыва линзы, то есть уменьшают эффективную поверхность и вызывают увеличение УБЛ. Другими словами существует проблема и ее надо решить. Один из путей решения этой проблемы.

Рис. 66. Зонированная линза, не имеющая вредных зон

– пр-во металлопластиковой линзы

– воздух более плотная оптическая среда

Т. к. лучи падают нормально окружностям, преломление лучей в т. 1,2,3. Для того чтобы 1 и 2 были параллельными при данных и кривая теневой стороны линзы должна иметь профиль гиперболы. Таким образом, вредные зоны устраняются.

Полоса пропускания линзовых антенн.

Металлопластиковые линзы принципиально являются узкополосными антеннами. Это связано с тем, что коэффициент преломления линзы сильно зависит от рабочей длины волны .

Эта зависимость имеет вид.

Рис. 67. Зависимость коэффициента преломления п от длины волны

При отклонении от рассчитанного изменяется, вследствие чего в раскрыве появляются фазовые искажения.

Относительная в % гладкой линзы выражаются формулой

Здесь индекс нуль означает, что соответствующие величины берутся на расчетной частоте .

Обычно максимально допустимые фазовые искажения ()на краю линзы принимаются равными . Тогда

Для зонирования линзы, положив, имеем

Здесь – ширина последней ступени, приближенно равная , а – число ступеней.

Рис. 68. Зависимость относительной полосы пропускания от относительной толщины гладкой линзы (сплошная кривая) и от числа ступеней зонированной линзы (пунктир).

Поле в раскрыве и поле излучения ускоряющей линзы.

Для того чтобы найти поле излучения, необходимо найти поле в раскрыве линзы. Поле в раскрыве получается синфазным. Необходимо выяснить вопрос о распределении амплитуд в раскрыве. Для этого обратимся к рисунку

Рис. 69. К нахождению распределение амплитуд поля в раскрыве металлической линзы

Здесь и .

Облучатель считается ненаправленным, то в одинаковых секциях будет сосредоточено одинаковое количество энергии.

После преломления она будет распределяться в различных секторах, разного сечения и, следовательно, плотность потока электромагнитной энергии будет повышаться к краям линзы по мере увеличения угла .

Найдем количественные соотношения, определяющие указанное возрастание потока к краям линзы. Возьмем для рассмотрения цилиндрическую линзу в ней распределение энергии будет изменятся обратно пропорционально изменению величины .

Перейдя к пределу, находим, что плотность потока мощности будет изменяться обратно пропорционально производной .

Из рисунка видно, что и учтя, что мы получим ;

Плотность потока мощности обратно пропорциональна и определяется выражением

– коэффициент не зависящий от

– волновое сопротивление фронта

; где

С учетом направленных свойств облучателя, распределение амплитуды поля в раскрыве линзы будет

– ДН облучателя

Рис. 70. Распределение амплитуд поля в раскрыве цилиндрической линзы:

а – ненаправленный излучатель; б – направленный излучатель с ДН , где , и ослаблением первичного поля на краях линзы на 10 дБ

Линзы с широкоугольным сканированием луча в пространстве.

В ряде случаев требуется обеспечить качение главного лепестка ДН в широком угле.

Для этой цели можно:

1.  перемещать всю линзовую антенну на требуемые углы

2.  перемещать облучатель относительно линзы перпендикулярно оси линзы

Пункт 2. Позволяет перемещать ДН в пространстве без искажений в области углов . При дальнейшем отклонении луча в пространстве луч отклоняется, но очень сильно искажается. Для того чтобы эти искажения были минимальными применяются специальные линзы.

Цилиндрическая линза.

Сферическая и цилиндрическая линза Люнеберга.

1944г. Люнеберг предложил линзу, которая представляет собой сферу из радиопрозрачного материала с переменным коэффициентом преломления. Облучатель (обычно небольшой рупор) располагается на поверхности сферы. Коэффициент преломления такой линзы должен изменятся по закону

– радиус сферы

– расстояние от центра сферы до точки наблюдения в сфере

когда т. е. линза согласована с внешним пространством

В радиальном направлении коэффициент преломления изменяется, повышаясь до значения в центре сферы.

Рис. 71. Сферическая линза: а – линза, образованная из шаровых сегментов; б – траектория лучей в линзе.

Расчет поля излучения сферической линзы производится как для синфазной круглой площадки с . Распределение в таком эквивалентном отверстии амплитуд близко к равномерному.

Рассмотренная линза обладает сферической симметрией. Перемещая облучатель по поверхности линзы можно обеспечить поворот неискаженной ДН на любой угол.

Кроме шаровых, возможны также цилиндрические линзы с переменным коэффициентом преломления (п). Для этих линз коэффициент преломления должен изменится по закону

– расстояние от оси цилиндра

– радиус цилиндра

Рис. 72. Продольное сечение одного из образцов цилиндрической линзы

Цилиндрическая линза состоит из двух круглых металлических пластин, образующих основания цилиндра, пространство между которыми заполняется диэлектриком. Линза возбуждается прямоугольным волноводом с волной типа , причем электрический вектор параллелен пластинам.

Изменение п по радиусу достигается путем изменения «b». Зависимость «b» от может быть найдена следующим образом

;

Приравнивая

находим

Раскрывом цилиндрической линзы Люнеберга является часть боковой поверхности цилиндра, противоположная точке облучения, имеющая ширину b и длину .

Рис. 73. Сферическая линза

Применение линзовых антенн.

Линзовые антенны, несмотря на ряд ценных качеств (возможность получения высокой направленности излучения при малом уровне побочных лепестков), пока еще находят ограниченное применение. В настоящее время они применяются, главным образом, в радиорелейных линиях связи.

Основным недостатком являются их высокая стоимость, связанная с высокой точностью изготовления и относительная сложность конструкции.

Однако они представляют большой принципиальный интерес. Не исключена возможность, что в дальнейшем они найдут более широкое применение.

Зеркальные антенны. Общие сведения и принципы действия.

Зеркальными антеннами называются антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального профиля.

Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем.

Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготавливается из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым.

Наиболее распространенным является зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специальной формы.

Рис. 74. Основные типы зеркальных антенн

Рис. 75.

Рассмотрим принцип действия зеркальных антенн. Электромагнитная волна, излученная, достигнув проводящей поверхности зеркала, наводит на ней токи, которые создают вторичные поля, обычно называемые полями отраженной волны.

Для того чтобы на зеркало попала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу, в направлении зеркала, то есть должен быть однонаправленным.