Линзовые антенны

Линзовые антенны – это антенны, состоящие из облучателя и линзы, выполненной из материала с . Назначение линзы – трансформация сферической или цилиндрической волны, возбуждаемой облучателем, в плоскую, за счет преломления волны в линзе, так как плоский фронт обеспечивает наибольшую направленность. То есть линза в ЛА преобразует слабонаправленные волны облучателя в остронаправленные.

Требования к облучателю:

1. Вся энергия, излеченная облучателем, должна попадать на линзу, а не рассеиваться в других направлениях.

2. Фронт волны, излучаемой облучателем, должен быть близким.

При выполнении этих требований облучатель рассматривается как точечный или линейный источник ЭМВ.

В качестве облучателя используются:

1) небольшой рупор,

2) открытый конец волновода,

3) вибратор с пассивным рефлектором.

Облучатель располагается так, чтобы фокус линзы совпал с фазовым центром облучателя. Поверхность линзы, обращенная к облучателю, называемая освещенной, обычно имеет криволинейные контуры и создает требуемое преломление волн; противоположная поверхность линзы – плоская (теневая), называется раскрывом. Раскрыв может быть прямоугольный и круглый.

Принцип действия линзы основан на том, что линза представляет собой среду, в которой фазовая скорость распространения ЭМВ либо больше скорости света(), либо меньше ее (). Соответственно линзы разделяются на ускоряющие () и замедляющие ().

1. Ускоряющие линзы

Выравнивание фазового фронта волны происходит за счет того, что участки волновой поверхности часть своего пути проходят в линзе с повышенной фазовой скоростью. И эти участки различны для разных лучей: чем сильнее луч отклонен от оси линзы, тем больший участок пути он проходит с повышенной фазовой скоростью внутри линзы. Таким образом профиль ускоряющей линзы должен быть вогнутым.

2. Замедляющие линзы

В них выравнивание фазового фронта происходит за счет замедления середины волновой поверхности. Следовательно, профиль замедляющей линзы выпуклый.

Кроме того, преломление лучей должно быть таким, чтобы они шли параллельно оси линзы. То есть профиль линзы должен быть выбран таким образом, чтобы длина пути от источника (облучателя), до любой точки раскрыва была одинаковая.

По структуре преломляющей среды линзовые антенны разделяются на:

1) диэлектрические,

2) металлопластинчатые (волноводные),

3) металлодиэлектрические (из искусственного диэлектрика)

Диэлектрические линзы

Изготавливают из высокочастотных диэлектриков с , следовательно, диэлектрические линзы – замедляющие.

f – фокус линзы, - угол раскрыва.

Из условия равенства оптических путей лучей, проходящих через линзу, уравнение линзы:

- уравнение гиперболы

Толщина линзы: Следовательно, m тем меньше, чем меньше ширина раскрыва d, тем больше f и n. Из конструктивных соображений желательно уменьшать как m, так и f. Но это противоречит друг другу. Можно только уменьшить d и увеличить n, но первое приведет к снижению направленности линзы, а второе к увеличению отражения от линзы, следовательно, КПД уменьшится.

Поэтому диэлектрические линзы изготавливают из высокочастотных диэлектриков с малыми потерями и показателем преломления немного больше единицы: полистирол (, ) и фторопласт (, ), но даже и в этом случае линзы имеют большую ширину и массу, поэтому они применяются там, где не требуется высокая направленность и можно использовать линзы небольших размеров.

Металлопластинчатые линзы

Они состоят из нескольких металлических пластин, расположенных на расстоянии а: .

Возбуждаемые облучатели ЭМВ с электрическим полем параллельным поверхности пластин, проходят между пластинами: как через волновод (то есть пластины выполняют роль узких стенок прямоугольного волновода) и в линзе распространяется волна с

Так следовательно линза ускоряющая.

Уравнение поверхности аналогично уравнению диэлектрической линзы, только . В этом случае это уравнение эллипса.

Полная ширина линзы: m+m’ больше чем ширина замедляющей линзы, но масса ее меньше.

Металлодиэлектрические линзы

Они изготавливаются из диэлектрика с малым ε с впрессованными в него металлическими частицами, в которых под действием электрического поля возникает движение электронов, что вызывает вторичное ЭМ поле, которое запаздывает относительно первичного, следовательно фазовая скорость волны в диэлектрике замедляется: n> 1, следовательно, эти линзы замедляющие.

Эти линзы отличаются малым весом и высоким КПД.

Рупорно-линзовые антенны

А) с линзовой вставкой

В рупоре при малой его длине сильно нарушается синфазность поля в его раскрыве, что препятствует получению высокой направленности. Синфазное поле можно создать с помощью линзовой вставки. При этом уменьшается ширина ДН, снижается интенсивность боковых лепестков.

Б) рупор с металловоздушной линзой

Рупор изгибается таким образом, что длина любого луча от фазового центра до раскрыва рупора получается одинаковой, что обеспечивает синфазность поля на выходе антенны.

Сравнительная оценка линзовых антенн

А) направленность

Так как линзовые антенны апертурные, то их направленные свойства определяются амплитудно-фазовым распределением поля по раскрыву. У всех антенн оно может считаться синфазным и неравномерным по амплитуде (вследствие направленных свойств облучателя и увеличения расстояния от облучателя до преломляющей поверхности линзы. В ускоряющей линзе амплитудная неравномерность поля в раскрыве несколько компенсируется тем, что длина пути волны от облучателя до линзы уменьшается с удалением от оси линзы. Поэтому КНД у замедляющей меньше, чем у ускоряющей.

Б) Потери

Потери меньше в металлопластинчатых линзах

В) Диапазон работы

Больше диапазон у замедляющих линз.