Линзовые антенны

Принцип действия линзовых антенн основан на свойстве диэлектрических линз изменять скорость, а следовательно, и направление распространения ЭМВ, падающих на линзы. По существу, линзовые антенны, как и зеркальные, преобразуют сферические или цилиндрические волны от облучателя в плоские. В зеркальных антеннах процесс преобразования обусловлен отражением волн от зеркала, а в линзовых – преломлением лучей в линзе. Различают два вида линзовых антенн – с замедляющими и ускоряющими линзами.

а – замедляющая линза; б – ускоряющая линза

 

Рисунок 2.13 – Линзы с плоским раскрывом

 

Замедляющая линза имеет выпуклую форму, и в ней лучи, близкие к оси линзы z , замедляются сильнее, чем лучи, более удаленные от оси. Объясняется это тем, что луч проходит в теле линзы путь и чем луч дальше от оси, тем этот путь короче, а значит замедление слабее. Контур замедляющей линзы представляет собой гиперболу, уравнение которой имеет вид

(2.21)

где n – показатель (коэффициент) преломления материала линзы ;

m – толщина линзы;

F – фокусное расстояние.

Толщина линзы определяется по формуле

(2.22)

Из конструктивных соображений желательно иметь линзу меньшей толщины, что, кроме всего прочего, обеспечивает минимальные потери энергии. Обычно тангенс угла потерь () имеет значения порядка В то же время желательно иметь наименьшее фокусное расстояние F. Совместить эти противоречивые требования можно путем уменьшения величины раскрыва D и увеличения показателя преломления n. Сокращение диаметра D ведет к уменьшению КНД антенны, а рост n – к увеличению согласно формулам Френеля отражения от граней линзы, а значит, к снижению ее КУ. Широко используемые для изготовления линз материалы типа полиэтилена, полистирола и ряда других имеют

Ускоряющая линза имеет вогнутую грань. Контур такой линзы представляет эллипс.

На практике применяются линзовые антенны двух типов: с раскрывом прямоугольной и круглой форм. Иногда для широкополосного согласования линзы со свободным пространством на ее поверхность, формирующую плоскую ЭМВ, приходится накладывать многослойное согласующее покрытие. В оптике такие покрытия называются просветляющими.

Двояковыпуклая линза (рисунок 2.7) с показателем преломления, близким к единице, является основой квазиоптических линий передачи.

 

Диэлектрические антенны. На практике используются диэлектрические антенны (ДА) двух типов: короткая и протяженная. Короткая ДА имеет примерно одинаковые продольный и поперечный размеры и по существу представляет собой линзу. Протяженная ДА может быть выполнена в виде стержня постоянного диаметра или сужающегося к концу, полой диэлектрической трубки - отрезка диэлектрического волновода, составного стержня из отрезков стержней разного диаметра.

 

а - при большом замедлении и широкой ДН; б - при малом замедлении и узкой ДН; 1 - питающий волновод; 2 - согласующая вставка; 3 - антенна

Рисунок 2.8 - Схемы стержневых диэлектрических антенн

 

Принцип действия ДА основан на использовании свойств поверхностной волны, интенсивность которой убывает по радиальной координате r согласно экспоненциальному закону:

(2.17)

где число, характеризующее скорость убывания интенсивности по r. Распределение интенсивности поля по r показано на рисунке 2.8 штриховкой.

Падающая волна i, распространяющаяся по волноводу 1, через согласующую вставку 2 возбуждает в ДА поверхностную волну. При большом замедлении волны (рисунок 2.8, а) протяженность поля D₁ (по сути, апертура ДА) существенно меньше, чем при малом замедлении (рисунок 2.8, б): Это означает, что при малом замедлении ДН уже, т.е. разрешающая способность такой ДА выше.