Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про линзовые антенны, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое линзовые антенны, линзовая антенна , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

линзовые антенны . Классификация. Особенности построения. Основные характеристики.

линзовая антенна — антенна с линзой, подобной оптической. Состоит из облучателя, линзы, КВП (коаксиально-волноводный переход. ) и элементов крепления.

Линза обеспечивает перевод фронта электромагнитной волны из сферического или цилиндрического в плоский.

1 Линзовые антенны.

Линзовая антенна представляет собой направленную антенну , в которой используется фигурный кусок материала, прозрачного для микроволн , для изгиба и фокусировки микроволн за счет преломления , как это делает оптическая линза для света. Обычно он состоит из небольшой фидерной антенны, такой как патч-антенна или рупорная антенна , которая излучает радиоволны, с куском диэлектрического или композитного материала впереди, который действует как собирающая линза для коллимации радиоволн в луч. И наоборот, при полученииантенна линза фокусирует поступающие радиоволны на фидерную антенну, которая преобразует их в электрические токи, которые доставляются на радиоприемник . Они также могут получать питание от массива фидерных антенн, называемого массивом фокальной плоскости (FPA), для создания более сложных диаграмм направленности.

Для генерации узких лучей линза должна быть намного больше, чем длина волны радиоволн, поэтому линзовые антенны в основном используются в высокочастотном конце радиоспектра , с микроволнами и миллиметровыми волнами , малые длины волн которых позволяют антенне быть управляемый размер. Линза может быть изготовлена ​​из диэлектрического материала, такого как пластик, или из композитной конструкции из металлических пластин или волноводов Его принцип работы такой же, как у оптической линзы: микроволны имеют другую скорость ( фазовая скорость) в материале линзы, чем в воздухе, так что различная толщина линзы задерживает микроволны, проходящие через нее, на разную величину, изменяя форму волнового фронта и направление волн. Линзовые антенны можно разделить на два типа: линзовые антенны с задержкой , в которых микроволны распространяются медленнее в материале линзы, чем в воздухе, и быстрые линзовые антенны , в которых микроволны распространяются быстрее в материале линзы. Как и в случае с оптическими линзами, геометрическая оптика используется для проектирования линзовых антенн, а различные формы линз, используемых в обычной оптике, имеют аналоги в микроволновых линзах.

Линзовые антенны имеют сходство с параболическими антеннами и используются в аналогичных приложениях. В обоих случаях микроволны, излучаемые небольшой фидерной антенной, преобразуются большой оптической поверхностью в желаемую конечную форму луча. Они используются реже, чем параболические антенны, из-за хроматической аберрации и поглощения микроволновой мощности материалом линзы, их большего веса и габаритов, а также сложности изготовления и монтажа. Они используются в качестве коллимирующих элементов в микроволновых системах с высоким коэффициентом усиления, таких как спутниковые антенны , радиотелескопы и радары миллиметрового диапазона, и устанавливаются в апертурах рупорных антенн для увеличенияполучить .

E-образная пластинчатая линзовая антенна радара сопровождения цели для зенитной ракеты Nike Ajax ВВС США , 1954 г.

Диэлектрическая линза / рупорная антенна в радиотелескопе Atacama Millimeter Array

2 Классификация. линзовых антенн

Зонированная волноводная линза

рупорно-линзовая антенна

Микроволновые линзы можно разделить на два типа по скорости распространения радиоволн в материале линзы:

• Линза задержки (линза замедления волны) : в этом типе радиоволны распространяются медленнее в среде линзы, чем в свободном пространстве; показатель преломления больше единицы, поэтому длина пути увеличивается за счет прохождения через линзу среды. Это похоже на действие обычной оптической линзы на свет. Поскольку более толстые части линзы увеличивают длину пути , выпуклая линза является собирающей линзой, которая фокусирует радиоволны, а вогнутая линза является рассеивающей линзой, которая рассеивает радиоволны, как и в обычных линзах. Линзы задержки состоят из

• Диэлектрические материалы
• Пластинчатые конструкции H-плоскости

• Быстрая линза (быстроволновая линза) : в этом типе радиоволны распространяются быстрее в среде линзы, чем в свободном пространстве, поэтому показатель преломления меньше единицы, поэтому длина оптического пути уменьшается при прохождении через среду линзы. Этот тип не имеет аналога в обычных оптических материалах, он возникает из-за того, что фазовая скорость радиоволн в волноводах может быть больше скорости света. Поскольку более толстые части линзы уменьшают длину пути, вогнутая линза является собирающей линзой, которая фокусирует радиоволны, а выпуклая линза является рассеивающей линзой, противоположной обычным оптическим линзам. Светосильные линзы состоят из

• Конструкции пластин E-плоскости
• Метаматериалы с отрицательным индексом

Основные типы конструкции линз:

• Линза из натурального диэлектрика - линза из куска диэлектрического материала. Из-за большей длины волны микроволновые линзы имеют гораздо большие допуски на форму поверхности, чем оптические линзы. Часто используютсямягкие термопласты, такие как полистирол , полиэтилен и оргстекло , которым можно придать форму или придать им необходимую форму. Большинство диэлектрических материалов имеют значительное затухание и дисперсию на микроволновых частотах.
• Искусственная диэлектрическая линза - имитирует свойства диэлектрика в микроволновом диапазоне с помощью трехмерного массива небольших металлических проводников, таких как сферы, полоски, диски или кольца, подвешенные в непроводящей опорной среде.

Метаматериал , состоящий из множества разрезных колец, для преломления микроволн .

• Ограниченная линза - линза, состоящая из металлических листов, каналов или других структур, которые контролируют направление микроволн. Они используются с линейно поляризованными микроволнами.

• E-плоскостная металлическая пластинчатая линза — линза из близко расположенных металлических пластин, параллельных плоскости электрического или Е-поля . Это светосильный объектив.
• H-плоскостная металлическая пластинчатая линза — линза из близко расположенных металлических пластин, параллельных плоскости магнитного или H-поля . Это линза задержки.
• Волноводная линза - линза из коротких отрезков волновода разной длины.

• Линза зоны Френеля — плоскаяпластина зоны Френеля, состоящая из концентрических кольцевых колец из листового металла, блокирующих чередующиесязоны Френеля. Его можно легко изготовить из медной фольги напечатной плате. Этот объектив работает за счетдифракции, а непреломления. Микроволны, проходящие через пространство между пластинами,конструктивно интерферируютв фокальной плоскости. Он имеет большуюхроматическую аберрациюи поэтому зависит от частоты.
• Линза Люнебурга - сферическая диэлектрическая линза со ступенчатым или градуированным показателем преломления, увеличивающимся к центру. Линзовые антенны Люнебурга имеют несколько уникальных особенностей:фокусная точкаи облучающая антенна расположены на поверхности линзы, поэтому она фокусирует все излучение от облучателя под широким углом. Его можно использовать с несколькими облучающими антеннами для создания нескольких лучей.

Зонированная линза . Микроволновые линзы, особенно конструкции с короткими длинами волн, имеют тенденцию быть чрезмерно толстыми. Это увеличивает вес, объем и потери мощности в диэлектрических линзах. Для уменьшения толщины линзы часто изготавливают с зональной геометрией, аналогичной линзе Френеля . Линзу обрезают до одинаковой толщины концентрическими кольцевыми (круговыми) ступенями, сохраняя одинаковый угол наклона поверхности. Чтобы микроволны, проходящие через разные ступени, находились в фазе, разница высот между ступенями должна быть целым кратным длины волны. По этой причине зонированная линза должна быть изготовлена ​​для определенной частоты.

Конструкции антенн и линз , КВП

В антеннах применяют линзы с показателем преломления больше и меньше единицы. Линзы бывают в виде фигуры вращения и цилиндрические. Соответственно облучатели применяются точечные (рупоры) и линейные (щелевые облучатели).

Для уменьшения массы и объема линзы антенны применяется зонирование ее поверхностей, позволяющее также значительно уменьшить толщину антенны.

Линзы бывают из естественного и искусственного диэлектрика.

• Естественный диэлектрик: полистирол, тефлон, полиэтилен, вспененный пенопласт и др.
• Искусственный диэлектрик: конструкция из кусков металла и воздушных промежутков между ними.

Линзы разделяются на ускоряющие и замедляющие — в зависимости от показателя преломления:

• показатель преломления меньше единицы — ускоряющие линзы
• показатель преломления больше единицы — замедляющие линзы

КВП - коаксиально-волноводный переход. С помощью КВП происходит передача энергии электромагнитной волны от кабеля к волноводу или наоборот. КВП состоит из отрезка волновода, волноводного фланца, кабельного соединителя, четвертьволнового возбудителя волны в волноводе. КВП различаются в зависимости от используемой длины волны. КВП широко используются в технике СВЧ, в спутниковых антеннах.

16.3. Принцип действия линзовых антенн и уравнение профиля линзы.

Линзовой антенной называется совокупность электромагнитной линзы и облучателя (рис. 16.1).

В остронаправленных линзовых антеннах линза служит для

преобразования сферического(или цилиндрического) фронта волны, падающей от слабонаправленного облучателя, в плоский фронт после линзы.

Электромагнитная линза представляет собой среду, в которой фазовая скорость распространения электромагнитных волн ( υф ) отличается от скорости света C. Если υф < c ,то линза называется замедляющей. При υф > c линза называется ускоряющей.

Отношение скорости света к фазовой скорости волны в линзе называется коэффициентом преломления

линзы и обозначается через . Поверхность линзы, обращенная к облучателю, называется освещенной стороной, противоположная (теневая) поверхность линзы называется раскрывом. Различают линзы с одной преломляющей поверхностью (рис. 16.2, а, б, в, г), когдапреобразование фронта волны, падающей на линзу от облучателя, происходит только на теневой или освещенной поверхности линзы и двухповерхностные, линзы в которых фокусировка поляпроизводится как освещенной, так и теневой поверхностями (рис. 16.2, д, е). Раскрыв линзы в общем случае может быть образован поверхностью произвольной формы. Линзы с плоскимраскрывом (рис. 16.2 а, б) осуществляют преломление падающего на них поля на освещенной поверхности, линзы со сферической освещенной поверхностью имеют криволинейную теневуюпреломляющую поверхность (рис.16.2 в, г). В дальнейшем, если не оговорено особо, будем рассматривать одноповерхностные линзы с плоским излучающим раскрывом. По форме раскрывлинзы может быть круглым (в линзах, представляющих собой тело вращения относительно фокальной оси, рис. 16.1, а), или прямоугольным (в цилиндрических линзах, (рис.16.1, б)).

Освещенная поверхность линзы является выпуклой для замедляющей (рис.16.2, а) и вогнутой (рис.16.2, б) дляускоряющейлинзы. Это вытекает из следующихрассуждений.

В замедляющей линзе выравнивание фазового фронта происходит за счет замедления движения отдельных участков фронта. Как следует из рис. 16.2, а, центральные участки фронта волныдолжны замедляться больше по сравнению с периферийными. В ускоряющей же линзе -спрямление фазового фронта происходит за счет ускорения движения тех участков, которые проходятчерез линзу. Такими участками (см. рис.16.2, б) в большей степени должныявлятьсяпериферийныеучастки фронта.

Рис. 16.2 — Типы линз : а — замедляющая с освещенной преломляющей поверхностью; б — ускоряющаяс освещенной преломляющей поверхностью; в — замедляющая с теневойпреломляющей поверхностью; г — ускоряющаяс теневой преломляющейповерхностью; д,е — двухповерхностные замедляющие иускоряющие линзы.

Облучатель сферической линзовой антенны располагают таким образом, чтобы его фазовый центр совпадал с фокусом линзы F. При этом условии сферический фронт волны, излучаемыйоблучателем, как бы исходит из фокуса линзы. В цилиндрических линзовых антеннах облучатель является линейной антенной, излучающей цилиндрическую волну. Ось этой цилиндрическойволны должна совпадать с фокальной линией АВ цилиндрической линзы (рис.16.1, б).

К облучателю линзовой антенны предъявляются следующие требования:

1. Облучатель должен иметь фазовый центр (в противном случае фронт волны облучателя не будет чисто сферическим или цилиндрическим и в раскрыве линзы появятся фазовыеошибки);
2. Амплитудная диаграмма направленности облучателя должна быть таковой, чтобы, с одной стороны, энергия от облучателя не проходила мимо линзы, а с другой стороны, чтобы впределах раскрыва линзы облучатель создавал требуемое амплитудное распределение поля по раскрыву линзы.

В качестве облучателя в линзовых антеннах могут применяться: открытый конец волновода, небольшой рупор, вибратор с рефлектором или ряд других слабонаправленных облучателей,удовлетворяющие выше перечисленные требования.

Уравнение профиля линзы. Принцип действия линзы можно пояснить, используя законы геометрической оптики: луч, падающий на освещенную поверхность линзы с коэффициентомпреломления n под углом (фи), преломляется и распространяется далее под углом (бетта) (рис.16.2, а), определяемым из соотношения:

Для получения остронаправленного излучения лучи, расходящиеся из фокуса по радиусу, после преломления линзой должны быть параллельны. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Таким образом профиль линзы выбираетсяиз условия, чтобы сферический фронт волны, исходящий из фокуса линзы, можно было трансформировать в плоский фронт после прохождения линзы. С позиции фазовых соотношений враскрыве это означает, что электрическая длина пути от фокуса линзы до произвольной точки N на раскрыве должна быть одной и той же. При этом в плоском раскрыве линзы формируетсясинфазное поле.

Обратимся к рис.16.2, а, б, на которых показаны профили ускоряющей и замедляющей линз и введены соответствующие обозначения. Рассмотрим две точки O и N на раскрыве ускоряющей линзы. Точка O лежит на фокальной оси линзы, точка N — произвольная. В точку O волна попадает из фокуса F по прямой FO; в точку N — по ломаной FMN. Условие равенстваэлектрических длин FO и FMN имеет вид:

(16.1)

где через — обозначена длина волны в свободном пространстве;

л — длина волны в линзе.

Введем обозначения (f — фокусное расстояние).

Тогда При этом (16.1) можно записать в виде

Учитываячтокоэффициентпреломления: , (16.2)

окончательно получаем:

. (16.3)

При n<1 уравнение (16.56) есть уравнение эллипса в полярной системе координат. Совершенноаналогично для двух точек O'и N в раскрыве замедляющей линзы равенство электрических длин путей имеет вид:

или

Откуда получаем следующееуравнение для профиля замедляющей линзы

. (16.4)

Уравнение (16.4), есть уравнение гиперболы в полярной системе координат. Для одноповерхностных линз сосвещенной сферической поверхностью (для осесимметричных линз) (рис. 16.2, в) или круговой цилиндрической поверхностью (для цилиндрических линз) (рис. 16.2, г) уравнивание профиля теневой поверхности имеет следующий вид: n1

(16.5)

При n>1 уравнение (16.5) является уравнением эллипса, а при n<1- уравнением гиперболы. Замедляющиелинзы выполняются из диэлектрика с малыми потерями.

Коэффициент преломления таких линз полностью определяется относительной диэлектрической

проницаемостью материала линзы єд и равен Так как єд практически не зависит от частоты в очень широком диапазоне частот, то как следует из уравнения (16.3), профиль замедляющей линзы не зависит от частоты и, следовательно, диэлектрические линзовые антенны относятся к классу широкополосных остронаправленных антенн. Их полоса ограничивается рабочейполосой частот облучателя.

Ускоряющие линзы представляют набор тонких металлических пластин (рис. 16.3), расположенных параллельно вектору электрического поля E, падающему от облучателя.

Рис. 16.3 — Металлопластинчатые ускоряющие линзы: а – с H- секториальным рупором;

б – с E- секториальным рупором.

Пространство между пластинами образует плоский волновод. Если ширина этого волновода a выбрана изусловия:

, (16.6)

то в плоском волноводе может распространяться волна типа H10, а все остальные волнынаходятсявзакритическом режиме. Фазовая скорость волны

H10 равна:

поэтому коэффициент преломления металлопластинчатой линзы определяется
соотношением

(16.7)

Неравенство (16.6) накладывает следующее теоретическое ограничение на диапазон выбора коэффициента преломления: 0

Металлопластинчатые линзы чаще всего используются в совокупности с рупорными антеннами для компенсации фазовых ошибок в раскрыве рупора. В H-секториальных рупорахиспользуется линза из прямоугольных пластин равной толщины d. Торцы пластин внутри рупора расположены по поверхности эллиптического цилиндра (рис. 16.3, a). В Eсекториальныхрупорах применяется линза из профилированных по эллипсу одинаковых пластин (рис. 16.3, б). Для выравнивания фазового фронта в пирамидальном рупоре линзу собирают изпрофилированных пластин разной толщины, осуществляющих фокусирование одновременно в E и H плоскостях.

Выбор фокусного расстояния и толщины линзы. Зонирование линз. Толщина линзы d (рис. 16.2, а, б) зависит от фокусного расстояния f и ширины раскрыва dр. С помощью выражения(16.4) для замедляющей линзы получаем:

(16.8)

Соответственно, используя (16.3), для ускоряющей линзы имеем:

. (16.9)

Подставляя в (16.61) и (16.62) выражение косинуса угла раскрыва линзы через ширину раскрыва

2 после несложных преобразований получаем следующие выражения длятолщинылинзы: dp 2 2

для замедляющей линзы (16.10)

для ускоряющей линзы . (16.11)

Из соотношений (16.10) и (16.11) следует, что для замедляющей линзы d>0 при любых параметрах n>1,dри f ; дляускоряющейлинзы d<0 лишьпри условии:

. (16.12)

Это означает, что замедляющая длина может быть сконструирована при любых соотношениях междуn, dри f ; ускоряющая же линза не может иметь фокусное расстояние

меньше, чем правая часть выражения (16.12).

Совершенно аналогично можно показать, что для одноповерхностных линз с теневой преломляющей поверхностью толщина линзы определяется следующим образом:

(16.13)

При n>1, т.е. для замедляющей линзы с теневой преломляющей поверхностью, имеется ограничение (16.12) на соотношение между параметрами линзы.

Заметим, что реальная толщина ускоряющих линз всегда больше толщины d , определяемой соотношениями (16.11), (16.13), на конструктивную толщину d (рис. 16.2, б, г).

На рис. 16.4 показаны графики зависимости относительной толщины линзы с плоским раскрывом от коэффициента преломления, построенные по соотношениям (16.10), (16.11). Из этихграфиков видно, что при заданной ширине раскрыва толщина линзы тем меньше, чем большефокусное расстояние и чем больше коэффициент преломления отличается от 1.

Рис. 16.4 — Зависимость относительной толщины d / dp замедляющей (а)

и ускоряющей (б) линз от коэффициента преломления n

Увеличение фокусного расстояния связанно с увеличением продольного размера, антенны, а более резкое отличие коэффициента преломления от 1 приводит к возрастанию отраженияэнергии от поверхности линзы. Поэтому на практике, учитывая взаимосвязь параметров, коэффициент преломления выбирают в интервале n=(1,3…1,6) — для замедляющих и в интервале n=(0,5…0,7) — для ускоряющих линз, а фокусное расстояние выбирается приблизительно равным ширине раскрыва линзы( f прмерно равна dp ). При этом толщина

линзы составляет несколько десятков процентов от ширины раскрыва, причем ускоряющие линзы имеют гораздо большую толщину, чем замедляющие. Для уменьшения толщины линзприменяют специальный способ, называемый зонированием линз. Сущность его заключается в том, что освещенную часть линзы делают ступенчатой (рис. 16.5). Поверхность линзы междусоседними ступеньками называют зоной. Глубина ступенек t выбирается такой, чтобы электрические длины пути от фокуса линзы до двух произвольных точек в раскрыве линзы,характеризующихся тем, что лучи попадают в них, проходя через соседние зоны, отличались на 2п радиан. При этом синфазность поля в раскрыве линзы не нарушается.

Рис. 16.5 — Зонированные ускоряющие (а) и замедляющие (б) линзы

Уравнение поверхности каждой m-ой зоны можно записать в виде (16.3) или (16.4) с той лишьразницей, что фокусноерасстояние fm длякаждой m-ойзонывыбираетсясвое , (16.14)

где , (16.15)

причем знак "+" берется при n<1, а знак "–" при n>1. Зонирование приводит, наряду с положительным эффектом уменьшения толщинылинзы d1, и к ряду отрицательных эффектов. Во-первых, в зонированных линзах появляются или необлучаемые участки (заштрихованные на рис. 16.5, а), в которых волна скользит вдоль ступеньки, или расфазированные участкив угловом секторе, показанном пунктирными линиями на рис. 16.5, б. Это приводит к некоторому уменьшению коэффициента направленного действия (КНД) линзовых антенн и к возрастаниюуровня боковых лепестков. Во-вторых, глубина ступеньки, как это следует из (16.15), зависит от длинны волны. Поэтому зонирование в диэлектрических линзах приводит к уменьшениюотносительной рабочей полосы частот

до величины (16.16)

где М — число зон; f0 — средняячастота; 2 дельта f — абсолютная полоса частот.

Ускоряющие металлопластинчатые линзы являются принципиально узкополосными изза зависимости коэффициента преломления от частоты. Так, рабочая полоса частот этих линз

при допустимых фазовых ошибках и при n=0,5 на среднейчастоте равна

, (16.17)

а в зонированных металлопластинчатых линзах рабочая полоса частот при тех же ограничениях определяется соотношением:

(16.18)

Из сравнения (16.17) и (16.18) следует, что в металлопластинчатых линзах зонирование позволяет даже расширить рабочую полосу частот.

Диаграмма направленности линзовых антенн. Так как рассмотренные линзовые антенны относятся к классу апертурных антенн с синфазным раскрывом, то для расчета их диаграммнаправленности достаточно определить амплитудное распределение поля в раскрывеипонему рассчитатьдиаграммунаправленности.

Амплитудное распределение в раскрыве линзовой антенны в первую очередь определяется формой амплитудной диаграммы направленности облучателя Fобл(пси ), атакже свойствами линзы, и может быть представлено в виде:

, (16.19)

где M(r,d) или M(x,y) - точка на раскрыве осесимметричной или цилиндрической линзы, соответствующая лучу,

попадающему на раскрыв припадении его на освещенную поверхность линзыподуглом , аугол определяетсяизуравнения:

для осесимметричных линз, , (16.20)

для цилиндрических линз. Коэффициенты , входящие в соотношение (16.19), обязаны

123 перераспределению мощности в раскрыве линзы из-за рефракции, отражения от поверхности линзы и потерь в линзе.

Для анализа влияния рефракции на форму амплитудного распределения обратимся к рис. 16.6, на котором показаны два пучка лучей, имеющие одинаковые угловые секторы

Рис. 16.6 — К пояснению рефракции в замедляющих (а) и ускоряющих (б) линзах

При ненаправленном облучателе в этих секторах будет распространяться одинаковое количество энергии от облучателя. После преломления линзой энергия будет распределяться в пучкахразного сечения. Это явление называется рефракцией. Для ускоряющих линз , для замедляющих наоборот. Поэтому из-за рефракции плотность потока энергии, а следовательно, и амплитуда поля в раскрыве будет увеличиваться к краям ускоряющей линзы и уменьшаться к краям замедляющей линзы. Количественное изменение амплитудного распределения из-за рефракции можно вычислить по следующим соотношениям:

для цилиндрической линзы

для сферической линзы

(16.21)

На рис.16.7 показаны зависимости коэффициентов C1(пси) для сферических (рис. 16.7, а) и цилиндрических (рис. 16.7, б) ускоряющих и замедляющих линз при различных значенияхкоэффициентовпреломления n.

Рис. 16.7 — Зависимость С1(пси ) для осесимметричной (а) и цилиндрической (б) линзовых антенн

Влияние отражения на амплитудное распределение в раскрыве проанализируем на примере диэлектрической линзы. Коэффициент отражения Г от освещенной поверхности зависит отполяризации падающего поляи приближенно можетбыть определенпо формулам для коэффициента отражения отплоскойграницывоздух-диэлектрик.

Поэтому:

(16.22)

для параллельной поляризации (вектор электрического поля Е параллелен плоскости падения),

(16.23)

для перпендикулярной поляризации (вектор электрического поля Е перпендикулярен плоскости падения). В формулах (16.22), (16.23)  — угол паденияволны на поверхность линзы, отсчитываемый от нормали к поверхности в точке падения. Коэффициент отражения аот плоской теневой поверхностилинзы не зависит от поляризации и равен:

(16.24)

Волны, отраженные от освещенной и теневой поверхностей линзы, слабо взаимодействуют между собой, т.е. энергия первой волны довольно равномерно рассеивается в пространстве, аэнергия второй фокусируется в фокусе линзы, создавая дополнительные отражения в фидерном тракте облучателя линзы.

Поэтому на амплитудное распределение в раскрыве линзы оказывает влияние в основном отражение от освещенной поверхности линзы и множитель C2(пси) приближенно равен:

, (16.25)

где Г(пси) в зависимости от поляризации вычисляется по (16.22) или (16.23).

Для перпендикулярной поляризации С2 (пси) дает спадающее к краям линзы амплитудное распределение; для параллельной поляризации множитель С2 (пси ) сначала дает возрастание амплитудного распределения при движении точки наблюдения от центра плоского раскрыва к краю, а затем -уменьшение.

Множитель С3 (пси)в (16.19) зависит от влияния активных потерь в линзе на форму амплитудного распределения в раскрыве. Для диэлектрических линз график С3 (пси)имеет несколькоприподнятый к краям раскрыва вид, т.к. в центре потери больше (из-за большей толщины линзы), чем на краю. Зависимость множителя для диэлектрических

линзовых антенн имеет вид:

, (16.26)

где tg (зета)— тангенс угла потерь в диэлектрике; t — текущая толщина линзы, соответствующая направлению (пси) падения волны на линзу.

В первом приближении для линз из диэлектрика с малыми потерям можно считать постоянной величиной Такая же ситуация имеет место и дляметаллопластинчатых линз.

Форма сомножителя зависит от свойств выбранного облучателя. Если же линзовая антенна располагается в раскрыве рупора, то амплитудное распределение в падающем на линзуполе приблизительно совпадает с амплитудным распределением

основного волноводного типа волны в рупоре. Так, для пирамидального рупора с волной типа — вплоскости E и — вплоскости H.

После определения Е(М) по формулам (16.19) — (16.26) найденное амплитудное распределение в раскрыве осесимметричной или цилиндрической линзы можно аппроксимироватьоднойиз подходящих функций.

В осесимметричных линзовых антеннах с диаметром раскрыва dp удобной аппроксимирующей функцией является функция:

(16.27)

где Emax — максимальное значение на раскрыве; m =1, 2, 3, ... – целое число;

— произвольный параметр.

Значения m и дельта подбирается из условия наилучшей

аппроксимации Е(r,альфа). При этом диаграмма направленности антенны записывается в следующем виде:

(16.28)

где Лm(U) — лямбда-функция m-ого порядка;

— обобщенная угловая

2 координата. В цилиндрических линзовых антеннах с размером апертуры dpl возможна следующая аппроксимация амплитудного распределения:

, (16.29)

где дельта 1 дельта 2 — подбираемые параметры, лежащие в интервале [0, 1]. При этом диаграмма направленности записывается в виде:

, (16.30)

где

— угловые координаты сферической системы координат, ось OZ которой перпендикулярна раскрыву антенны.

На КПД линзовых антенн влияют отражение от поверхности линзы, активные потери в линзе, а также то обстоятельство, что часть мощности облучателя проходит мимо линзы. Сделаемоценку этих потерь. Средний КПД, обязанный потерям мощности на отражение р , равен

. (16.31)

Для уменьшения отражений от линзы на ее поверхность наносится согласующий слой

д

другого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью д  n и толщиной . Этот

4 слой выполняет функции четвертьволнового согласующего трансформатора. Однослойное покрытиеобеспечивает хорошее «просветление» линзы в относительно узкой полосе частот в несколько процентов. Для расширения полосы частот применяют многослойные согласующие покрытия.

КПД, обязанный активным потерям в линзе, зависит от угла диэлектрических потерь  следующим образом:

, (16.32)

где через t — обозначена средняя длина пути луча в линзе. КПД облучателя л можно

можно определить через его диаграмму направленности. Предполагая, что обл F симметрична
относительно оси линзы, получаем:
.

Полный КПД линзовой антенны равен:

Расчеты показывают, что полный КПД диэлектрических линзовых антенн зависит от качества применяемых диэлектриков и при правильном конструировании линзы лежит примерно винтервале 0,7…0,9.

В таблице 16.1 приведены характеристики ряда диэлектриков, которые могут быть использованы для изготовления радиолинз.

В СВЧ-диапазоне также применяются линзы из искусственного диэлектрика, имеющего малые потери и вес. Искусственный диэлектрик обычно состоит из пенистого

г/см3

полистирола (с плотностью (0,03…0,1) и относительной диэлектрической

проницаемостью близкой к единице ( єд =(1,03…,10)) с расположенными в нем небольшими металлическими частицами, изолированными друг от друга ( металлические частицы могут иметьформу шариков, дисков, пластин, лент). Линейные размеры этих частиц, параллельные вектору электрического поля, выбираются малыми по сравнению с рабочей длиной волны. Такие линзы,образованные из искусственных диэлектриков, называют металлодиэлектрическими линзами. Коэффициент преломления n металлодиэлектрических линз зависит от размеров и формыметаллических частиц и от их количества в единице объема. Величина n обычно выбирается в пределах 1,5…1,6, как и для обычных диэлектрическихлинз.

Специальные типы линзовых антенн. В рассмотренных выше линзовых антеннах произвольное изменение положения луча в пространстве возможно лишь при механическом вращениивсей антенны. Небольшое отклонение максимума диаграммы направленности от фокальной оси одноповерхностных линзовых антенн возможно при смещении облучателя из фокуса вперпендикулярном к оси линзы направлении. При этом максимальный угол отклонения, определяемый из условия ограничения возникающий в раскрыве

кубической фазовой ошибки величиной , равен:

. (16.35)

Таблица 16.1 — Параметры диэлектриков

Для часто используемых значений f, n и d yгол отклонения, не превышает двух — трех ширин диаграммы направленности. Существуют линзовые антенны, в которых изменениенаправления луча в ограниченном и даже в широком угловом секторе можно осуществлять только за счет перемещения облучателя. К числу таких антенн относятся линзовые антенны сапланатической и бифокальными линзами, а также сферическая и цилиндрическая линзы Люнеберга.

Апланатические и бифокальные линзы относятся к числу двухповерхностных преломляющих линз (см. рис. 16.2, д, е). Дополнительная степень свободы, связанная с выбором второйпреломляющей поверхности, позволяет выбрать эту поверхность из условия обеспечения максимального сектора малоискаженного сканирования максимумом диаграммы направленности засчетперемещения облучателя.

Бифокальные линзы имеют два фокуса, расположенных симметрично по обе стороны от оси линзы, и поэтому обладают большими возможностями по расширению сектора сканирования,чем однофокусные линзы. Методика расчета апланатических и бифокальных линз достаточно громоздка.

Сферическая линза Люнеберга представляет собой шар радиуса R, выполненный из материала с коэффициентом преломления, зависящий от радиальной координаты r (рис. 16.8) позакону:

. (16.36)

Рис. 16.8 — К пояснению принципа действия линзы Люнеберга

При расположении фазового центра облучателя 1 на сферической поверхности S линзы Люнеберга все лучи, выходящие из линзы, оказываются параллельными, причем направление лучейсовпадает с направлением диаметра, проведенного из точки размещения фазового центра облучателя. Таким образом, линза Люнеберга преобразовывает сферическую фронт волны,расходящийся от точки, расположенной на ее поверхности, в плоский фронт 2 итем самым формируетостронаправленную диаграмму направленности 3.

В силу сферической симметрии линзы при перемещении облучателя по ее поверхности осуществляется безискаженное двухмерное сканирование лучом антенны в телесном угле 4стерадиан.

В качестве облучателя в линзе Люнеберга может использоваться открытый конец волновода или небольшой рупор. Располагая несколькоm 1,, M таких облучателей по поверхностилинзы, получаем так называемую многолучевую антенную систему, в которой каждому облучателю соответствует свое направление диаграммы направленности. Это, в свою очередь, позволяетосуществлять одновременный (параллельный) обзор значительного сектора пространства с помощью остронаправленных диаграмм.

Необходимое изменение коэффициента преломления (16.36) можно получить путем использования пенистого полистирола, плотность которого увеличивается в радиальном направлении.

Диаграмма направленности сферической линзы близка к диаграмме направленности круглой синфазнойапертурырадиуса R с равномерным амплитудным распределением.

Аналогом одномерно сканирующей линзы Люнеберга, является цилиндрическая линза круглого сечения, коэффициентпреломления которой меняетсяпо закону:

, (16.37)

где р — радиус цилиндра; r — расстояние от оси цилиндра.

Цилиндрическая линза обычно выполняется из двух круглых соосных металлических пластин, пространство между которыми заполнено диэлектриком (рис. 16.9).

Рис. 16.9 — Цилиндрическая линза

Линза возбуждается прямоугольным волноводом или рупором с волной H10, причем вектор электрического поля параллелен пластинам. Фазовая скорость волны между пластинкамизависит от расстояния а (как в плоско параллельном волноводе). Поэтому необходимое изменение коэффициента преломления (16.90) может быть получено за счет соответствующего выбораа(r) позакону:

(16.38)

Одним из конструктивных недостатков остронаправленной линзы Люнеберга является вращение при сканировании лучом облучателя по поверхности большого радиуса. Этот недостатокчастично устранен в модифицированной линзе Люнеберга, представляющей собой шарили цилиндр радиуса с коэффициентом преломления, изменяющимся по закону:

(16.39)

где r — расстояние отцентра цилиндра.

Облучатель в такой линзе должен располагаться на расстоянии f от центра линзы. Пример выполнения цилиндрической линзы Люнеберга показан на pис. 16.10.

Рис. 16.10 — Модифицированная цилиндрическая линза Люнеберга

Изменение расстояния между пластинами должно подчиняться следующему закону:

(16.40)

Диэлектрические линзовые антенны с плоским излучающим раскрывом в качестве остонаправленных антенн находят ограниченное применение, т.к. по габаритно-весовым и стоимостнымхарактеристикам они уступают зеркальным антеннам. Более перспективными являются линзы Люнеберга, в которых возможно осуществление широкоугольного электрического сканированиялучом и широкополосный режим работы. Однако и эти антенны обладают сравнительно большими габаритами и стоимостью и предназначены в основном дляназемных и отчасти корабельныхрадиосистем.

Металлопластинчатые линзы в качестве самостоятельных антенн тоже применяются довольно редко, зато широко используются в совокупности с остронаправленными рупорнымиантеннами. Металлопластинчатые линзы позволяют значительно уменьшить длину остронаправленных рупорных антенн и повысить их коэффициент усиления. Различной формы небольшиедиэлектрические линзы применяются также при проектирование рупорных облучателей зеркальных антенн. Использование в таких облучателях корректирующих линз позволяет сформироватьтребуемую диаграмму направленности облучателя.

История

Первые эксперименты с использованием линз для преломления и фокусировки радиоволн произошли во время самых ранних исследований радиоволн в 1890-х годах. В 1873 году физик-математик Джеймс Клерк Максвелл в своей электромагнитной теории, ныне называемой уравнениями Максвелла , предсказал существование электромагнитных волн и предположил, что свет состоит из электромагнитных волн очень короткой длины . В 1887 году Генрих Герц открыл радиоволны, электромагнитные волны большей длины волны. Ранние ученые думали о радиоволнах как о форме «невидимого света». Чтобы проверить теорию Максвелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны, эти исследователи сосредоточились на воспроизведении классической оптики .эксперименты с коротковолновыми радиоволнами, преломляя их на проволочных дифракционных решетках и преломляя их диэлектрическими призмами и линзами из парафина , смолы и серы . Герц впервые продемонстрировал преломление радиоволн на частоте 450 МГц (66 см) в 1887 году с использованием призмы с шагом 6 футов. Эти эксперименты среди прочего подтвердили, что свет и радиоволны состоят из электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, отличающихся только частотой.

Возможность концентрации радиоволн путем их фокусировки в пучок наподобие световых волн интересовала многих исследователей того времени. В 1889 году Оливер Лодж и Джеймс Л. Ховард попытались преломить волны частотой 300 МГц (1 метр) с помощью цилиндрических линз, сделанных из смолы , но не смогли найти эффект фокусировки, поскольку устройство было меньше длины волны. В 1894 году Лодж успешно сфокусировал микроволны с частотой 4 ГГц (7,5 см) с помощью стеклянной линзы диаметром 23 см. ^[12] В том же году индийский физик Джагадиш Чандра Бозе в своих знаковых микроволновых экспериментах на частоте 6–60 ГГц (50–5 мм), возможно, первым сконструировал линзовые антенны, используя 2,5-сантиметровую цилиндрическую серную линзу вволновод для коллимации микроволнового луча от его искрового генератора ^[13] и патентование приемной антенны, состоящей из стеклянной линзы, фокусирующей микроволны на детекторе из кристалла галенита . ^[10] Также в 1894 году Аугусто Риги в своих микроволновых экспериментах в Болонском университете сфокусировал волны 12 ГГц (2,5 см) с помощью 32-сантиметровых линз из парафина и серы .

Однако микроволны были ограничены распространением в пределах прямой видимости и не могли выходить за горизонт, а используемые маломощные искровые микроволновые передатчики имели очень малый радиус действия. Так что практическое развитие радио после 1897 года использовало гораздо более низкие частоты, для которых линзовые антенны не подходили.

Разработка современных линзовых антенн произошла во время большого расширения исследований в области микроволновых технологий во время Второй мировой войны для разработки военных радаров . В 1946 году Р. К. Люнебург изобрел линзу Люнебурга .

Применение

Использование линзовых антенн ограничено в связи со сложностью изготовления и настройки параметров.

Линзовые антенны используются и в качестве элементов антенных решеток, а также в облучателях зеркальных антенн.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• антенны
• радиоволный
• виды антенн
• линза

Статью про линзовые антенны я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое линзовые антенны, линзовая антенна и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны