Основные разделы

Антенны и устройства СВЧ

Линзовой антенной называют совокупность электромагнитной линзы и облучателя. Линза представляет собой радиопрозрачное тело с определенной формой поверхности, имеющее коэффициент преломления, отличный от единицы.

Назначение линзы состоит в том, чтобы трансформировать соответствующим образом фронт волны, создаваемый облучателем. Изменяя форму волновой поверхности, линза тем самым формирует некоторую диаграмму направленности.

Принципиально линзовые антенны можно использовать для формирования различных диаграмм направленности. Однако на практике линзовые антенны подобно оптическим линзам применяются, главным образом, для превращения расходящегося пучка лучей в параллельный, т. е. для превращения криволинейной (сферической или цилиндрической) волновой поверхности в плоскую.

Как известно, плоский фронт волны при его достаточной площади обеспечивает острую направленность излучения. С помощью линзовых антенн можно получить диаграмму направленности с углом раствора всего лишь в несколько угловых минут.

Возможно применение линз и для получения диаграмм направленности специальной формы (например, косекансной). Однако использование линз для такой цели является ограниченным.

Всякая линзовая антенна состоит из двух основных частей: облучателя и собственно линзы (рис. 1). Облучателем может быть любой однонаправленный излучатель. Важно, чтобы возможно большая часть энергии излучения попадала на линзу, а не рассеивалась в других направлениях и чтобы у поверхности линзы, обращенной к облучателю, фронт волны был близок к сферическому или цилиндрическому. Выполнение последнего условия позволит рассматривать облучатель либо как точечный, либо как линейный источник электромагнитных волн.

Рис. 1. Линзовые антенны:

а - ускоряющая волноводная линза; в - замедляющая диэлектрическая линза; б и г - иллюстрация принципа действия линз.

В качестве облучателя могут быть использованы небольшой рупор, открытый конец волновода, вибратор с пассивным рефлектором и т. п. Облучатель обычно располагается так, чтобы его фазовый центр совпадал с фокусом сферической линзы (точка F, рис. 1) или с фокальной осью цилиндрической линзы. Поверхность линзы, обращенная к облучателю, называется освещенной стороной. Противоположная ("теневая") сторона линзы образует ее раскрыв. Прямая FA, проходящая через фокус и центр раскрыва, называется осью линзы. Ось линзы нормальна к поверхности линзы в точках ее пересечения. Точка О пересечения оси линзы с освещенной стороной называется вершиной линзы. Линия ВОС пересечения освещенной стороны линзы продольной осевой плоскостью называется профилем линзы. На рис. 1 продольное сечение линзы заштриховано. Профиль может быть вогнутым (рис. 1, а) и выпуклым (рис. 1, в). Раскрыв линзы, как правило, делается плоским. Форма раскрыва (и линзы в целом) может быть круглой или прямоугольной.

Принцип действия линзы основан на том, что линза представляет собой среду, в которой фазовая скорость распространения электромагнитных волн либо больше скорости света (vф > с), либо меньше ее (vф < с). В соответствии с этим линзы разделяются на ускоряющие (vф > с) и замедляющие (vф < с).

В ускоряющих линзах выравнивание фазового фронта волны (пунктирные линии на pиc. 1, б и г) происходит за счет того, что участки волновой поверхности часть своего пути проходят в линзе с повышенной фазовой скоростью. Эти участки пути различны для разных лучей. Чем сильнее луч отклонен от оси линзы, тем больший участок пути он проходит с повышенной фазовой скоростью внутри линзы. Таким образом, профиль ускоряющей линзы должен быть вогнутым (рис. 1, а, б).

В замедляющих линзах, наоборот, выравнивание фазового фронта происходит не за счет убыстрения движения периферийных участков волновой поверхности, а за счет замедления движения середины этой поверхности. Следовательно, профиль замедляющей линзы должен быть выпуклым (рис. 1, б, г).

Принцип действия линзы можно рассматривать не только с точки зрения движения волновых поверхностей, но также и с точки зрения преломления лучей.

Поперечные размеры раскрыва линз обычно много больше длины рабочей волны. Вследствие этого к линзе могут быть применены законы геометрической оптики. Учитывая, что отношение скорости света с к фазовой скорости vф есть коэффициент преломления среды

, (1)

линзу можно рассматривать как радиопрозрачное тело с коэффициентом преломления . У замедляющей линзы , ускоряющая линза имеет . На границе раздела воздух-поверхность линзы лучи будут преломляться. Угол преломления ψ согласно законам геометрической оптики будет связан с углом падения ψ0 (рис. 2) известным равенством . Профиль линзы должен быть выбран таким, чтобы все преломленные лучи были параллельны. Это равносильно условию, чтобы оптическая длина пути от источника (облучателя), расположенного в фокусе линзы, до любой точки раскрыва была одинакова. В этом случае в раскрыве линзы будет плоская волна.

Рис. 2. Преобразование расходящегося пучка лучей в параллельный в результате преломления их линзой.

Очевидно, что рассмотрение принципа действия линзы как с точки зрения выравнивания волновых поверхностей, так и с точки зрения преломления лучей одинаково приемлемо и приводит к одним и тем же результатам.

Прочитайте еще и эти статьи:

Построение систем охранно-пожарной сигнализации на базе оборудования НПК Союзспецавтоматика
Одной из главных составляющих информационной безопасности является организация защиты информационных ресурсов предприятия на всех направлениях его деятельности. Проблемы организации информационной безопасности становятся все более сложными и пра ...

Разработка операционного устройства
Любой сложный преобразователь дискретный информации может быть представлен в виде совокупности операционных устройств (ОУ) и интерфейса (сопряжения этих устройств). Функцией ОУ является выполнение фиксированного множества операций F={f1, f2., ...