Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое линзовые антенны, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое линзовые антенны, линза люнеберга, линза ротмана , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
линзовые антенны – это апертурные антенны оптического типа. Как свидетельствует само название, основным элементом в этих антеннах является линза, которая преобразует пучок лучей, расходящийся из фокуса, в котором находится источник излучения (при работе в режиме передачи), в пучок параллельных лучей на раскрыве линзы. И наоборот, пучок параллельных лучей, падающих на раскрыв линзы, сходится в ее фокусе (в режиме приема), где улавливается рупором, открытым концом волновода, вибратором и т.д.
Модельное представление линзовых систем осуществляется в, основном когерентном приближении. Тем не менее, и в когерентном и некогерентном приближениях теоретические аспекты описания оптических и радиотехнических линз аналогичны, поскольку строятся на основе моделей распространения электромагнитного излучения.
В линзовых антеннах (далее, линзы), такие же как и в зеркальных, используются облучатели. Для линзовой антенны ширина диаграммы направленности и КНД (Коэффициент Направленного Действия) рассчитываются исходя из размеров апертуры в долях волны. Положения фокальных плоскостей определяются так же, как и в геометрической оптике. Во всех случаях, модельное представление радиотехнических линз аналогично моделированию линз оптических. Аналогичным образом строится модельное представление фазированных антенных решеток. Линзовые антенны разделяются на замедляющие и ускоряющие.
В замедляющих линзах фазовая скорость меньше скорости света (аналогично оптическим стеклянным линзам). Замедляющие линзы выполняют из высокочастотного диэлектрика или из более легкого и имеющего меньшие потери искусственного диэлектрика, представляющего собой систему из небольших металлических дисков, шариков и пр., укрепленных на диэлектрическом каркасе или вкрапленных в пенополистироле или другом диэлектрике с малыми потерями и малой диэлектрической проницаемостью.
В ускоряющих линзах фазовая скорость больше скорости света (как в волноводе). Ускоряющие линзы изготавливают в виде системы параллельных металлических пластин (металлопластинчатые линзы) или секций прямоугольных волноводов, оси которых параллельны оси антенны. Пример ускоряющей линзы приведен на рис. 1.
Преимущество линзовых антенн перед зеркальными (классические антенны РЛС) состоит в том, что у них облучатель не затеняет раскрыва и не искажает распределения в апертуре. Имеется несколько типов линзовых антенн, позволяющих обеспечить широкий сектор качания (сканирования) луча. Таким свойством, например, обладают сферическая и цилиндрическая линзы Люнеберга. В линзе Люнеберга со сферической симметрией показатель преломления должен изменяться по ходу лучей. Аналогичным образом выполняются градиентные линзы (граданы) в оптике.
Источник излучения (облучатель), расположенный на периферии линзы (рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 2), создает пучок параллельных лучей на ее апертуре. Перемещение облучателя по сфере приводит к качанию диаграммы направленности линзы по любым направлениям. Обычно сферическую линзу Люнеберга возбуждают решеткой облучателей, и тогда каждому из облучателей соответствует своя неподвижная остронаправленная диаграмма направленности. Вся система облучателей с линзой образует многолучевую антенную систему, способную одновременно обслуживать широкий сектор углов, осуществляя в нем непрерывный радиолокационный контроль пространства, а также вести направленную радиосвязь одновременно с различными корреспондентами, находящимися в разных направлениях.
Линза Люнеберга — линза, в которой показатель преломления не является постоянным, а изменяется по некоторому закону в зависимости от расстояния от центра в сферических или от оси в цилиндрических линзах. Обычно закон изменения показателя преломления подбирается таким образом, чтобы при прохождении линзы параллельные лучи фокусировались в одной точке на поверхности линзы, а испущенные точечным источником на поверхности — формировали параллельный пучок.
Подобная конструкция линз была впервые предложена немецким/американским математиком Рудольфом Люнебергом.
Линза Люнеберга, частично покрытая токопроводящим материалом, обладает огромной (относительно истинных размеров) эффективной площадью рассеяния в широких углах облучения. Максимальная достижимая ЭПР сферической линзы Люнеберга определяется как
где 
— радиус линзы, а 
— длина волны .
Линзы Люнеберга широко используются в СВЧ-технике. Одним из таких использований является создание сильно отражающих радиоволны объектов. В частности, линзы Люнеберга используются в ракетах-мишенях для имитации эффективной площади рассеяния реальных целей с бо́льшими размерами (например, боевых самолетов) .
Использованию подобных линз в оптической технике препятствуют технические сложности изготовления линз с переменным показателем преломления, что определяет их высокую стоимость. Иногда для упрощения технологии производства подобные линзы собирают из дискретных элементов — небольших кубиков с различными показателями преломления.
Линза Люнеберга долгое время оставалась не более чем математическим курьезом, пока в начале 1960-х годов не была использована в качестве формирователя луча в американском радаре AN/SPG-59.
Радар AN/SPG-59 был одним из первых в мире радаров с фазированной антенной решеткой (ФАР). В отличие от современных радаров с ФАР, где пространственная картина луча формируется с помощью управляемых фазовращателей, в радаре AN/SPG-59 использовалась линза Люнеберга, расположенная в надстройке корабля. Выбор этой технологии был обусловлен отсутствием в 1960-х годах компактных и надежных фазовращателей C-диапазона.
На поверхности линзы располагалось несколько тысяч приемных и передающих элементов. Когда один из передающих элементов формировал на поверхности линзы сферическую радиоволну, линза преобразовывала ее в волну с плоскопараллельными фронтами, фазовая картина которой снималась приемными элементами и транслировалась на сферический излучатель, расположенный на вершине колоколообразной надстройки. Таким образом, сферический излучатель формировал в пространстве луч, направление которого соответствовало положению на линзе излучающего элемента.
Отраженная волна принималась тремя сферическими приемниками, расположенными по периметру надстройки и отстоящими друг от друга на 120° по азимуту. Сигналы с нескольких тысяч приемников трех антенн совмещались и подавались на линзу Люнеберга, которая фокусировала сигнал на одном из приемных элементов, положение которого на поверхности линзы соответствовало положению цели в пространстве.
Тестовая версия радара испытывалась на опытовом судне AVM-1 «Нортон-Саунд» с июня 1964 года по июль 1966 года. Испытания выявили низкую надежность оборудования, высокие потери мощности в линзе и низкое качество преобразования сферической волны в плоскую (высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности). В дальнейшем разработка радара была прекращена в связи со свертыванием работ по проекту «Typhon».
К многолучевым линзовым антеннам кроме линзы Люнеберга следует отнести линзу Ротмана и линзу R-2R. Принцип действия линзы Ротмана основан на том, что линза в своем простейшем исполнении состоит из области между параллельными пластинами, питаемой коаксиальными зондами с двух противоположных сторон. Зонды с правой стороны линзы (входы излучающих элементов) соединены высокочастотным кабелем определенной длины с отдельными излучающими элементами антенной решетки на раскрыве линзы. Зонды, расположенные с левой стороны линзы (входы лучей), распределены вдоль фокальной дуги таким образом, что каждый из них соответствует определенному направлению луча в пространстве.
Различные фокусные расстояния, как показано на рис. 1 а ). Если размер волновода с параллельными пластинами сделать больше, сеть линий задержки станет короче. Мы используем новую схему маршрутизации, состоящую из ряда прямых и дуг окружности. Эта сеть обычно меньше, чем обычная, и вызывает меньшие радиационные потери из-за большего радиуса дуг (сравните рис. 1b ).
а) Примеры линз Ротмана для различных применений автомобильных радаров; б) Принципы построения сети с линиями задержки.
Благодаря беспроводной связи в воздух попадает много энергии, и ученым пришлось очень сильно постараться, чтобы собрать эту энергию в одном месте. Сегодня существуют разработки, позволяющие преобразовывать сигналы Wi-Fi ближнего действия в энергию. Также исследователи экспериментируют с радиоволнами — они создали "ловушку", в которую попадают радиоволны, генерируемые смартфоном, затем преобразовывает их в энергию и питает батарею этого же смартфона. Таким образом аккумулятор устройства работает на 30% больше.
По словам исследователей, сбор энергии миллиметрового диапазона был возможен в течение некоторого времени, но во многих случаях это было непрактично, потому что сбор энергии на больших расстояниях, как правило, требует больших выпрямляющих антенн (ректенн), и чем больше становятся ректенны, тем больше сужается область их действия. В итоге, вы должны держать ректенну направленной прямо на источник энергии волны, чтобы она работала корректно.
Решение проблемы — линза Ротмана. Команда решила эту проблему с помощью компонента, называемого линзой Ротмана — остроконечной пластины в центре ректенны (см. фото). Линзы Ротмана применяются в качестве инструмента, формирующего лучи и превращающего одиночный, большой, узкоугольный антенный луч с высоким коэффициентом усиления в серию антенных лучей, покрывающих гораздо более широкий угол. Например, такие линзы позволяют радиолокационным системам видеть цели в нескольких направлениях без необходимости поворачивать или перемещать сам радар.
Добавив линзу Ротмана к ректенне, команда получила гибкую систему сбора энергии, которая не зависит от направления, получает энергию с любого направления и способна накапливать в 21 раз больше энергии, чем любые существующие на сегодняшний день аналоги.
Команда говорит, что ректенна способна собирать около 6 микроватт, находясь на расстоянии около 180 м от 5G-передатчика. Этого будет более чем достаточно для питания ряда небольших датчиков и устройств, особенно если речь идет об Интернете вещей. Подключенные друг к другу устройства смогут питать сами себя просто за счет сбора энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую. А тот факт, что новый дизайн ректенны пригоден для печати на 3D-принтере, гибок и хорошо работает даже в изогнутом состоянии, означает, что он может быть использован и в носимых устройствах.
Данная статья про линзовые антенны подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое линзовые антенны, линза люнеберга, линза ротмана 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
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны