Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 78
Текст из файла (страница 78)
вид чисто попереч- ной волны. Фазовая скорость приближенно определяется форму- с лой о= ., и вблизи раскрыва рупора приближается к тг! — [ь Г(2а))з скорости света, что приводит к уменьшению отражении волны от излучающей поверхности раскрцва. Если угол раствора рупора а, мал, то фронт волны в выходном отверстии близок плоскому и для расчета ДН в плоскости Н может быть использована формула (14.4).
Главный лепесток ДН сужается примерно во столько же раз, во сколько увеличивается размер а раскрыва л рупора по сравненью с размером широкой стенки прямоугольного волновода. При увеличении угла раствора рупора а„фронт вол- твв ны в раскрыве искривляется, а это приводит к расширению ДН. Фаза поля на краю раскрыва по сравнению с ее значением в ув середине раскрыва может быть определена по приближенной формуле, полученной из геометрических построений (рис.
14.3): В Хэ Фт = -(2п/Л) ЛИЧ= — паз/(4Лтт') = Рис 14.4. Зависимость КНД от размеров Н-сок- = - [ ДЗЛ)1 (а(аней), (14.5) ториального рупора где )( — длина рупора. Распределение фазы поля.в выходном отверстии рупора подчиняется квадратичному закону, Влияние квадратичных фазовых искажений на форму ДН линейной антенны исследовано в гл. 11, и графики ДН на рис. 114) оказываются применимыми в анализе рупорных антенн. Как показывают расчеты, КНД рупорной антенны при фиксированной длине рупора имеет характерную зависимость от размера раскрыва а/Л, показанную на рис. 14.4. Наличие максимума объясняется тем, что при увеличении угла раствора рупора, с одной стороны, увеличивается относительный размер раскрыва а(Л, что ведет к сужению ДН, с другой — согласно (14.5) быстро увеличивается квадратичная фазовая ошибка ~Фз~, ведущая к расширению ДН.
В результате действия двух этих факторов при определенном электрическом размере раскрыва имеет место максимальный КНД. Оказывается, что при любой длине рупора максимум 1(ОД получаетея при квадратичной фазовой ошибке на краю рупора, равной 135'. Н-секториальный рупор, удовлетворяющий этомУ Условию, принято называть оптимальным. Полный КИП оптимальйого Н-секториального рупора равен примерно 0,64 (0,81 — апертурный КИП, обусловленный спадающим до нуля на краях раскрыва амплитудным распределением; 0,79 — КИП, обусловленный квадратичной фазовой ошибкой). Наряду с Н-секториальными применяют Е-секториальные рупоры, расширяющиеся в плоскости вектора Е.
Ширина ДН в плоскости Н- Е-секториального рупора такая же, как и у открытого конца волновода, а в плоскости Е ширина луча с увеличением размера Ь уменьшается, если угол раствора ае взят достаточно малым В Е-секториальном рупоре амплитудное распределение поля в расхрыве приблизительно равномерное н квадратичная фазовая ошибка Фхж — пЬЦ(4ХК) на краю раскрыва, соответствующая опти- мальнолу рупору с наибольи4ии У КНД, составляет 90'. При 1Фз~ ( (45' ДН в плоскости Е может быть е рассчитана по формуле (14.3).
Снижение КИП в плоскости Е из-за квадратичной фазовой ошибки определяется по графику на рис. 11.10 .уиз Наиболее широко применя1отся ЧИ пирамидальные рупоры с прямоугольным поперечным сечением (рис. 14.5). Зги рупоры позволяют Рнс. 14.5: Пирамидальный рУпоР сужать ДН как в плоскости Н, так н в плоскости Е. В пирамидальном рупоре образуется сферическая волна, фазовая скорость которой является переменной н у открытого конца приближается к скорости света.
Вследствие этого отражение волны от раскрыва незначительно — рупор согласовывает волновод с открытым пространством. Фазовые искажения поля в раскрыве могут быть определены по формуле (14.5) в плоскости Н н по аналогичной формуле (прн замене а на Ь) в плоскости Е. При небольших фазовых искажениях (при 1фх~ (45') ДН пирамидального рупора мало отличаются от ДН синфазного прямоугольного раскрыва с соответствующим амплитудным распределением и поэтому могут быть рассчитаны по формулам (14.3) и (14.4). Для уменьшения длины рупора обычно допускается квадратичное искажение фазы поля в раскрыве ~ Фх~ =135' в плоскости Н и ) Фз( =90' в плоскости Е.
Такой рупор, как отмечалось, называется оптимальным, и его КИП грубо оценивается формулой К„„=К„„.(К„„е)х=081 "(08)э=052, где первый множитель учитывает неравномерность амплитудного распределения в плоскости Н, а второй — наличие квадратичных фазовых искажений в плоскостях Е и Н. Помимо рупоров прямоугольного поперечного сечения находят применение рупоры круглого сечения,а именно конические рупоры. Они образуются путем расширения открытого конца круглого волновода, возбуждаемого волной Ны.
Излучение конического рупора аналогично излучению пирамидального рупора, и он также имеет оптимальные размеры, которые можно рассматривать как средние между размерами оптимальных Е- и Н-плоскостных рупоров. Достоинствами рупорных антенн являются простота и неплохие диапазонные свойства. Практически все оптимальные и более длинные рупоры могут быть использованы во всей рабочей полосе частот питающего волновода. Самостоятельно рупорные антенны чаще всего применяются в измерительных установках, например как эталонные антенны с известным коэффициентом усиления. Кроме того, рупоры широко используются для облучения зеркальных и линзовых антенн, а также в конструкциях антенн других типов, например импедансных.
й $4.з. линзОВые Антенны В линзовых антеннах используются оптические свойства электромагнитных волн, поскольку размеры и радиусы кривизны поверхности линзовых антенн обычно много больше длины волны. Для антенн-линз характерно то, что в них цилиндрический яли сферический фронт волны преобразуется в плоский. На рис. 14.6 показана диэлектрическая линза, на которую от источника Р (облу- а) П Рнс. !4.6.
Диэлектрическая линза (а) и код луней в ней (6) чателя) падает сферическая волна. Преломляясь на выпуклой .освещенной поверхности линзы, сферический фронт волны преоб,разуется в ней в плоский при одновременном укорочении длины 4юлны в диэлектрике Х =Х9а. Выходная поверхность линзы является плоской, и по выходе из нее фронт волны остается плоским.
'-'Поскольку размеры выходной поверхности линзы велики по срав:нению с длиной волны, излучение ее оказывается остронаправлен;:вым. Определим форму профиля линзы. Пусть луч из точки Р па,''дает в точку Р поверхности линзы (рис. 14.6, б) и характеризуется 1лглом падения а и углом преломления )). Эти углы определяются ,:язр отношению к местной нормали к освещенной поверхности лин,,,'зы.
На основании закона преломления лучей з)п а=л з)п р, где а= :!е'й — коэффициент преломления диэлектрика. Уравнение профиля ,;:.'линзы можно найти из условия постоянства длины оптического лучателем, расположенным в фокусе линзы, должен быть параллелен пластинам. Тогда пространство между двумя соседними пластинами представляет волновод, в котором распространяется волна ,и,.
ф е р = ' .т ер 3'! — ! и2 а Р~ ФФ ФФи =н.=ут=~~~ьт! <1. (14.8) Расстояние между пластинами а должно удовлетворить неравенствам Д2и а()., для того чтобы между пластинами могла рас- Рнс. !4.7. Металлояластинчатая линза (а) и хол лучей и ней (б) йространяться только волна типа Н о. Следовательно, коэффициент преломления ускоряющей линзы находится в пределах О()х <" 3/0,75. Уравнение профиля линзы можно получить с помощью построений, показанных на рис. 14.7, 6.
Луч, падающий из фокуса Р в точйу Р освещенной поверхности линзы, преломляется по закону геоМетрической оптики з)п а=л з(п р. Оптическая длина пути ГЯ должФа быть равна оптической длине пути РР', т. е. ГЯ= ГР+пРР'. Это условие вновь приводит к формуле (14.6) для профиля линзы, одна- )Ю при п(1 формула представляет уравнение эллипса. Толщина Фофиля линзы дается формулой ! ~. 0» ) Ме 28иах — угол раскрыва лизны; Ол — размер раскрыва. ::„-'",, Ускоряющая линза, собранная из профилированных по эллипсу .Лннаковых пластин, фокусирует излучение в плоскости вектора Е.
„.;.; и же ускоряющая линза собрана из прямоугольных пластин ной толщины д так, что они также образуют эллиптический єро., ль, то она фокусирует излучение в плоскости вектора Н. В этом ф$чае на освещенной поверхности линзы угол преломления луча Щ) Зависит от коэффициента преломления и и направление пре- ломленных лучей при любом и задается направлением волноводных каналов между пластинами. Линзы с таким свойством вазываются линзами с принудительным направлением распространения Для фокусировки излучения одновременно в плоскостях Е и Н линза должна быть собрана из профилированных пластин разной тол шины.
Металлопластинчатые линзы небольших и средних размеров конструктивно очень просты. Применение металлопласгинчатой рнс. (4.8, Зониронанные ускоряющая (а) и замелляющая (В) линзы линзы в сочетании с рупором позволяет значительно уменьшить его длину. Так, для получения оптимального рупора с размером раскрыва а=20Л нужно взять его длину )с=200).. В случае же применения линзы в выходном отверстии рупора длина его может быть того же порядка, что и размер раскрыва, т. е. Я=201.
Мегаллопластинчатые линзы сравнительно узкополосны, так как коэффициент преломления, согласно формуле (14.8), зависит от длины волны. Расчеты показывают, что если принять коэффициент преломления на средней частоте равным 0,5 и допустить квадратичные фазовые искажения )чая~ =и/2 на крайних частотах, то рабочая полоса частот (9ю) 2с))по=88М41. При д»ло рабочая полоса частот оказывается слишком узкой. Чтобы уменьшить толщину линзы с( и сделать антенну более широкополосной, а также конструктивно более простой, прибегают к зонированию (рис.
14.8). Освещенная облучателем часть линзы делается ступенчатой, причем глубина 1 ступенек выбирается такой, чтобы лучи, преломленные в соседних зонах линзы, приходили к раскрыву с фазовым сдвигом 2п. Каждая зона имеет свое фокусное расстояние, и уравнение профиля гп-й зоны р = (1 — и)(' /(!в — исоа 8), где 1 =1+(т — !) 1, т=1, 2, 3, .... Размер 1 выбирается из условия сннфазности поля в раскрыве на расчетной длине волны ()оа — роп1=2п, откуда получаем (=Ха/(1 — и).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
