Устройства СВЧ и Антенны (Д.И. Воскресенский и др) (561333), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Такая же ситуация имеет место и лля металлопластиичатых линз. ФоРма сомножителЯ Еа„(Ш) зависит от свойств выбРанного облУчатегш. Если же линзовая антенна располагается в раскрыве рупора, то амплитудное распрелелеиие е падающем на линзу поле приблизительно совпадает с амшппулным распределением основного волноводного типа волны в рупоре. Так, для пирамидального рупора с вол- нойтипаНШ Е „((к) 1 — вплоскостиЕн Е„,(уг)=созуг — вплоскостиН. После определения Е(8() по формулам (16.72) — (16.79) найденное амплитулное распределение в раскрыве осесиыметричной или цилиндрической линзы можно ап.
проксимировать одной изподходяших функций. В осесимметричных линзовых антеннах с диаметром раскрыла с(р удобной аппроксимирующей функцией является 274 (16 80) где Š— максимальное значение Е(г а) на раскрыве; я= 1„2,3,... — целое число; О< Ь я 1 — произвольный параметр (значения т и Ь подбирают из условна нанлучлгей аппроксимации Е(г,п)).
Прн этом выражение для диаграммы направленности Е(9) антенны записывают в виде (1- Ь) Л, (и) + — — Л „(и) те1 (1-Ь) -Ь(( +1)) (!6.81) где Л„(и) — лямбда-функция т-го порядка; и = — яо Π— обобщенная угловая коордн- Ы, 2 Е(х у)= Е Ь, +(! — Ь )соз — Ь,+(1-Ьг)соз —, Р (16.
82) где Ьь Ьг — подбираемые параметры, лежащие в интервале (О, !). При этом выражение для диаграммы направленности записывают в виде ! япи 2 сози, и л' 4и,~ г Е(ер)= Ь,— ""Ш-(1-Ь,) — ',' и, 1-— лг (!6.83) Ы, где и, = — э)пВЯпР; иг =.— 'ЯпВсозйм О,Р— Угловые кооРдинаты сфеРической сис- 2 2 темы координат, ось Ох которой перпендикулярна раскрыву антенны. Остальные возможные аппроксимирующие функции, а также зависимость характеристик направленности антенн от параметров аппроксимации приведены, например, в (27).
На КПД линзовых антенн влияют отражение от поверхности линзы, активные потери в линзе, а также то обстоятельство, что часть мощности облучателя прохолит мимо линзы. Сделаем оценку этих потерь. Средний КПД, обязанный потерям мощности на отражение ч -е.ее 1.-!г ш =10 (! 6.84) 278 ната. Зависимость ширины диаграммы направленности 2О'е г, уровня наибольшего бокового лепестка д и коэффициента использования поверхности и антенны от параметров т и Ь можно найти в табл.
15.2. В цилиндрических линзовых антеннах с размером апертуры г(гх! возможна следующая аппроксимация амплнтулного распределения: Дяя уменьшения отражений от линзы на ее поверхность наносится согласующий слой другого диэлектрика с диэлектрической проиицаемостью е =чэл и толщиной Л 14.
Этот слой выполняет функции четвертьволнового согласующего трансформатора. Однослойное покрытие обеспечивает хорошее епросветлеииев линзы а относительно узкой полосе частот в несколько процентов. Для расширения полосы частот приме. няют многослойные согласующие покрытия. Коэффициент полезного действия, обязанный активным потерям в линзе, зависит от угла диэлектрических потерь Б э =е (16.85) г ~рм„(зэ)но Оэл(г Чм= (16.86) ) Е -,„(Оэ) з1 л уэ й у о Полный КПД линзовой антенны э)=Че 0~ 0 (16 87) Расчетм показывжот, что полный КПД диэлектрических линзовых антенн зависит от качества применяемых диэлектриков и при правильном конструировании линзы лежит в интервале 0,7-0,9.
В табл. 16.2 приведены характеристики ряда диэлеатриков, которме могут быть использованы для изготовления рациолинз. Таблица 16.2 Л=Зсм Л=ЗОсм ,э.=05 мм Л = 10 см Наименование диэлектрика 4,7 10 ' Плексиглас 2 61 8 1О э 2.5 5 !О 2,55 0,45.!О ' 05!О' 1,0 10 ' 2,55 0,7!О' 3,80 1,7 10* Полистирол Кварц ллаалекныа 410 3,80 3,80 3,64 0.4 1О ' 2,26 0,5 10 ' 0,4.10 ' 2,28 Полаэтнлен 2,26 2 10 2,08 Дэ.зоч Фгороллвсг-4 2.0 2.10 Керамика стЕатитовая 55 1510' 3.10 5,2 Керамика я атовая 510 10 !О 5,8 5,8 5,8 Стекло С49-2 ЗС-5К 910' 53 0,122 где г, — средняя ллина пути луча а линзе. Коэффициент полезного действия облучателя Чьы можно определить через его диаграмму направленности. Полагая, что Р.е, симметрична опюсительио оси линзы, получаем В СВЧ-диапазоне также применяются линзы из искусственного диэлектрика, имеющего малые потери и вес.
Искусственный лизлектрик обычно состоит из пенистого полистирола ( с плотностью 0,03-0,1 ггсм' н относительной диэлектрической пронипаемостью, близкой к единипе (е' =1,03 — 1,10)) с расположеннымн в яем небольшими Металлическими частицами, изолированными друг от друга ( металлические частицы 'могут мчать форму шариков, дисков, пяастии, лент). Линейные размеры этих частиц, параллельные вектору электрического пою, выбирают малыми по сравнению с рабочей длиной волны.
Такие линзы, образованные нз искусственных диэлектриков, пазы. лают згсмаезозйгзяектрнчсскиии. Коэффициент преломления л металлодиэлектрическнх линз зависит от размеров и формы металлических частиц и от их количества в единице объема. Величину л обычно выбирают в пределах 1,5 — 1,6, как и лля обычных йэюлектрических линз. Сиецнатьлае типы линзовых лпвелн. В рассмотренных выше линзоаых аитенйах произвольное изменение положения луча в цространстве возможно лишь при мезшническом вращении всей антенны. Небольшое отклонение максимума диаграммы ,Ивправлешюстн от фокальной оси однопоеерхностных линзовых антенн аозможно при смещении облучатели из фокуса а перпендикулярном к оси линзы направлении.
Ирн етом максимальный угол отклонения бз , определяемый из условия ограничения .возникающей в раскрыве кубической фазовой ошибки величиной к ( 2, бз 2 „Гьи! (16. 88) з( 2лзз Для часто исполюуемых значений у, л н з( угол отклонения не превышает двух- трех ширин диаграммы направленности. Существуют линзовые антенны, а которых изменение направления луча е ограниченном и даже в широком угловом секторе можно осуцгествлять только за счет перемещения облучателя. К числу таких антенн отно'сятся линзовые антенны с аяианатнчссеой и бифовмьнымн линзами, а также сферическая и цилиндрическая линзы Люнеберга.
Апланатические и бифокальные линзы относятся к числу двухпоеерхностных преломляюших линз (рис. 16.26лйе). Дополнительная степень саобошс, связанная с выбором второй преломляюшей поверхности, позволяет выбрать эту поаерхность нз условия обеспечения максимального сектора малоискаженного сканирования максимумом диаграммы направленности за счет персис!ценил облучателя. Бнфокзльные линзы имеют два фокуса, расположенных симметрично по обе стороны от оси линзы, и поэтому обладают ббльшими возможностями по расширению сектора сканирования, чем однофокусные линзы. Методика расчета апланатических и бнфокальных линз довольно громоздка.
Сферическая линза Люнеберга представляет собой шар радиуса й,выполненный из материала с коэффициентом преломления,зависящим от радиальной координаты г (Рис. 16.32) по закону л(г) =Ч(з-(г(й) (16 80) Рнс. 16.32. К пояснению принципа действия линзы Люнеберге 277 При расположении фазового центра аблучатела 1 на сферической поверхности 9 линзы Люнеберга все лучи, выходящие из линзы, оказываются парюшельными, причем направление лучей совпадает с направлением диаметра, проведенного из точки размешениа фазового центра облучателе. Таким образом, линза Люнеберга преобразовывает сферический фронт волны, расходящийся от точки, расположенной на ее поверхности, в плоский фронт 2, и тем саммм формирует остронаправленную диаграмму направленности 3.
В силу сферической симметрии линзы при перемещении облучателя по ее по. церхнасти осуществляетса безыскаженное двухмерное сканирование лучом антенны в телесном угле 4 я стерадиан. В качестве облучателя в дннзе Люиеберга может использоваться открытый конец волновода или небольшой рупор. Располагая несколько (ю= 1,..., М ) таких облучателей по поверхности линзы, получаем так называемую многолучевую антенную систему, в которой каждому облучателю соответствует свое направление диаграммы направленности.
Эю, в свою очередь, позволяет осуществлять одновременный (парал. лельный) обзор значительного сектора пространства с помощью остронаправленных диаграмм. Необходимое юменение коэффициента преломления (16.39) можно получить путем использования пенистого полистирола, плотность которого увеличивается в радиальном направлении. Диаграмма направленности сферической линзы близка к диаграмме направленное~и круглой снифазной апертуры рациуса й с равномерным амплитудным распределением. Аналогом одномерно сканирующей линзы Люнеберга является цилиндрическая линза круглого сечеюш, коэффициент преломления которой меняется по закону п(г) =Ь)2-(г/р) (16.90) где р — радиус цилиндра; г- расстояние от осн цилиндра. Цилиндрическая линза обычно выполняется из двух круглых соосных металлических пластин, пространство между которыми запачнено диэлектриком (рис, 1633).
Линза возбУждаетсЯ пРЯмоУгольным волноводом или РУпоРом с волной Ни, пРичем вектор зле«трического поля параллелен ~лаР стинам. Фюовая скорость волны между лластивами зависит от расстояния а (как в плоскопараллельном волноводе). Поэтому необхаа(г пимов изменение коэффициента преломления (16,90) может быть получено за счет соответствующего выбора е(г) по закону 2 Рис. 16.33. Циенилрическая линза а(г) = (16.91) Люнегюрга 2 е„— 2е(г/р) Одним из конструктивных недостатков остронаправленной линзы люнеберго яв ляется вращение при сканировании лучом облучателя по поверхности большого радлу са. Этот недостаток частично устранен в модифицированной линзе Люнебергц пред ставляюшей собой шар или цилинщз радиуса р с коэффициентом преломления, изме.
няюшимся по закону Пб 92) где г — расстояние от цегпра цилиндра. Облучатель в такой линзе должен располагаться на расстоянии з от ее центра. Пример выполнения цилиндрической линзы Пюлеберга показан иа рис. 16.34. Изменение расстояния между пластинами должно подчиняться закону а1г) = . (! 6.93) Вращающаяся Чпч г~т-"(~гт Диэлектрические линзовые антенны с плоским излучающим раскрывом в качестве остонаправленных антенн находят ограниченное применение. так как по габаритно-весовым Врывающееся .и стоимостным характеристикам они уступают зеркальным антеннам. Более перспективными являются линзы Люнеберга, с помощью которых можно осуществлять широкоугольное Рис. 16.34. Модифицированная электрическое сканирование лучом и широко- цилиндрическая лииза Люиеберга полосный режим работы. Однако и эти антенны облалают сравнительно большими габаритами н стоимостью и предназначены в основном для наземных и отчасти корабельных радиосистем.
Мемаалошастннчамые линзы в качестве самостоятельных антенн тоже применяются ловольно редко, зато широко используются в совокупности с остронаправленными рупорными антеннами. Металлопластинчатые линзы позволяют значительно уменьшить длину остронаправленных рупорных антенн и повысить их коэффициент усиления. Небольшие диэлектрические линзы различной формы применяются также при проектирование рупорных облучателей зеркальных антенн. Использование в таких облучателях корректируюигнг линз позволяет сформировать требуемую диаграмму направленности облучателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
