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.
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.
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