XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Чаще всего применяются металлопластинчатые линзыс повышенной фазовой скоростью. Такие линзы выполняются из параллельных металлических пластин расположенных на расстоянии а одна от другой и образующих вогнутую поверхность. Вектор напряженности электрического поля Е, возбуждаемого облучателем расположенным в фокусе линзы, должен быть параллелен пластинам.

Тогда пространство между двумя соседними пластинами представляет волновод, в котором распространяется волна типа Н₁₀ с фазовой скоростью    .

Т.О., возникает среда с эффективным коэффициентом преломления.

(1).

Расстояние между пластинами а должно удовлетворять неравенствам l/2 <a<l, для того чтобы между пластинами могла распространятся только волна типа Н₁₀. Следовательно, коэффициент преломления ускоряющей линзы находится в пре делах

0<n<   .

Уравнение профиля линзы можно получить с помощью построений, показанных на рисунке. Луч, падающий из фокуса F в точку р освещенной поверхности линзы, преломляется по закону геометрической оптики sina=nsinb. Оптическая длина пути FQ должна быть равна оптической длине пути FP', т.е. FQ=FP+nPP'. Это условие приводит к формуле r=(n-1)f/(ncosQ-1) для профиля линзы, однако, при n<1 формула представляет уравнение эллипса. Толщина профиля линзы дается формулой

   ,

где 2Q_max - угол раскрыва линзы; D_л-размер раскрыва.

Ускоряющая линза собранная из профилированных по эллипсу одинаковых пластин, фокусирует излучение в плоскости вектора Е. Если же ускоряющая линза собрана из прямоугольных пластин разной толщины d так, что они также образуют эллиптический профиль, то она фокусирует излучение в плоскости вектора Н. В этом случае на освещенной поверхности линзы угол преломления луча не зависит от коэффициента преломления n и направление преломленных лучей при любом n задается направлением волноводных каналов между пластинами. Линзы с таким свойством называются линзами с принудительным направлением распространения. Для фокусировки излучения одновременно в плоскостях Е и Н линза должна быть собрана из профилированных пластин разной толщины.

Металлопластинчатые линзы небольших и средних размеров конструктивно очень просты. Металлопластинчатые линзы сравнительно узкополосны, так как коэффициент преломления согласно формуле (1), зависит от длины волны. Расчеты показывают, что если принять коэффициент преломления на средней частоте равным 0,5 и допустить квадратичные фазовые искажения   на крайних частотах, то рабочая полоса частот (в %) 2Df/f₀=33l₀/d.

Зеркальные параболические антенны. Конструкции антенн, выбор параметров параболической антенны. Точность изготовления зеркала, виды облучателей. Двухзеркальная антенна Кассегрена, двухзеркальная антенна Грегори, квазипараболическая двухзеркальная антенна.

Зеркальные параболические антенны являются наиболее распространенными остронаправленными антеннами. Их широкое применение в самых разнообразных радиосистемах объясняется простотой конструкции, возможностью получения разнообразных видов ДН, высоким КПД, малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т.д.

Классическими являются параболические антенны, которые могут выполняться в виде параболоида вращения, параболического цилиндра или закрытой конструкции, ограниченной параллельными проводящими плоскостями.

Параболоид вращения возбуждается слабонаправленным облучателем (например, рупором), помещенным в фокусе зеркала, и преобразует сферический фронт волны в плоский. В этих антеннах так же как и в линзах, используются оптические свойства радиоволн. Геометрические свойства параболы таковы, что лучи, направляемые из фокуса и отражаемые от параболы, становятся параллельными её оси. Длина пути от фокуса до параболы и затем до линии раскрыва, проходящей через края параболы, одинакова для любого угла Q.

Таким образом, в раскрыве параболической антенны образуется синфазная поверхность, и излучение антенны становится остронаправленным. В декартовой системе координат параболоид вращения определяется уравнением (начало координат совпадает с вершиной параболоида) х²+у²=4fz, а в сферической системе координат (начало координат совпадает с фокусом параболоида) - уравнением r(Q)=2f/(1+cosQ).

Различают длиннофокусные и коротко фокусные параболические антенны. В длиннофокусной антенне фокус находится вне антенны f>D_a/4 и угол раскрыва 2Q_MAX, под которым зеркала видны из фокуса, удовлетворяет условию 2Q_MAX<p. В короткофокусной антенне фокус находится внутри объема между зеркалом и его раскрывом, т.е. f<D_a/4 и 2Q_MAX<p.

Для расчета излучения параболических антенн традиционно используется метод эквивалентных поверхностных электрических и магнитных токов. Применяются два способа записи интегралов излучения:

1) с интегрированием по поверхности плоского раскрыва и по теневой (тыльной) стороне параболоида;

2) с интегрированием по криволинейной поверхности, которая проходит по освещенной и теневой сторонам параболоида.

О выборе параметров параболической антенны. При расчете параболической антенны апертурным методом обычно предполагают, что ДН облучателя F(Q) обладает симметрией вращения относительно оси зеркала. По известной ДН облучателя находят амплитудное распределение в раскрыве с помощью формул:

Здесь R-радиальная координата в плоскости раскрыва, Q-угол между осью параболоида и направлением из фокуса в текущую точку отражения на параболоиде. Найденное амплитудное распределение апроксимируется по формуле:

   

т.е. находится подходящее значение показателя степени n и величины (1-D) - уровня поля на краю раскрыва. Последующие вычисления по формуле

 ,

где y = b a sinQ – угловая переменна, и их анализ позволяют определить ширину луча антенны и уровень боковых лепестков. Аппертурный К_ипа, учитывающий неравномерность амплитудного распределения, опреде ляют по формуле

или по таблице апертурных распределений из справочника.

Выполняя несложное интегрирование можно определить эффективность облучателя К_{ип обл}, т.е. долю его мощности излучения, попадающую на зеркало:

 . (3)

Этой величиной учитывается бесполезная потеря мощности облучателя за счет "переливания" ее через края зеркала. Найденные значения параметров антенной системы оказываются зависящими от относительного фокусного расстояния f/D₃, т.е. от угла раскрыва зеркала 2Q_max. Существует оптимальное значение относительно фокусного расстояния (f/D₃)_opt, при котором достигается максимум результирующего КИП. Установлено, что f/D₃=0,38, уровень возбуждения на краю раскрыва в оптимальном случае составляет примерно 0,33 (или -10 дБ), результирующий КИП при этом равен 0,83.

Рассмотренный способ приближенного расчета применяется на этапе эскизного проектирования недорогих зеркальных антенн небольших размеров (D₃»2¸3 м на сантиметровых волнах). В этом случае небольшая потеря КИП из-за не оптимальности конструкции облучателя легко компенсируется некоторым увеличением размеров раскрыва. Однако стоимость изготовления зеркал больших размеров при возрастании диаметра очень быстро увеличивается. Поэтому для крупной зеркальной антенны вопрос получения максимального КИП приобретает особую важность. В этом случае оптимизация всей конструкции зеркальной антенны и ее облучателя должна производится на основании более точных расчетов с учетом возможно большего числа факторов.

Наиболее важные факторы, влияющие на общий КИП зеркальной антенны:

1. Вид амплитудного распределения в раскрыве и соответствующий К_{ип а};

2. Эффективность облучателя К_{ип обл}, определяемая формулой (3)

3. Затенение части поверхности раскрыва облучателем и поддерживающими его конструкциями;

4. Ответвление электрических токов на теневую поверхность зеркала, приводящее к росту дальних боковых лепестков.

5. Появление кроссполяризации, учитываемой отдельным множителем К_{ип м}.

6. Фазовые ошибки распределения эквивалентных поверхностных токов в раскрыве (систематические и случайные);

7. Омические потери мощности из-за конечной проводимости отражающих поверхностей, наличия неидеальных диэлектриков, антикоррозионных покрытий и т.д.;

8. Влияния радиопрозрачного укрытия антенны (если оно используется), создающего дополнительные фазовые ошибки в распределении токов в эквивалентном раскрыве.

Виды облучателей. Вибраторные облучатели.Состоят из активного вибратора и контррефлектора в виде диска или пассивного вибратора. Для питания активного вибратора может использоватся коаксиальная линия или прямоугольный волновод. Ширина луча оказывается одинаковой в плоскостях Е и Н и составляет примерно 130° по уровню -10 дБ. Облучатель обеспечивает К_ИП»0,65 и способен работать в полосе частот около 12% при КСВ не более 1,5.

Щелевой облучатель. При небольших мощностях излучения на сантиметровых волнах удобен двухщелевой облучатель Катлера. Изогнутая форма и взаимное расположение щелей прорезанных в ближнем к зеркалу торце цилиндрического резонатора, а также диаметр круглого экрана подбираются таким образом, чтобы получить одинаковую ширину ДН в плоскостях Е и Н (около 130°) по уровню поля -10 дБ. Для согласования облучателя используют плавный переход за счет сужения узких стенок волновода и настроечный штырь, ввертываемый в дальнюю от зеркала торцовую стенку резонатора. Облучатель позволяет получить аппертурный КИП зеркала примерно 0,57 (с учетом потерь на "переливание" мощности). Недостатком облучателя Катлера является узкая полоса рабочих частот (около 3%).

Волноводные и рупорные облучатели. Просты по конструкции, широкополосны и позволяют в широких пределах подбирать нужную ширину ДН.Обычно волноводные или рупорные облучатели с рабочим типом волны Н₁₀ в прямоугольном и Н₁₁ в круглом волноводе в настоящее время применяются редко, так как не обеспечивают осевой симметрии ДН, а искривленность силовых линий электрического и магнитного полей в их раскрыве приводит к возникновению значительных кроссополяризационных составляющих поля излучения. Наиболее совершенными в настоящее время считаются рупорные волноводные излучатели с внутренней гофрированной поверхностью.

Линейные облучатели. Для зеркальных антенн в виде параболических цилиндров требуются облучатели линейных антенн с длиной, равной длине образующей зеркала. В плоскости xOz ДН таких облучателей должны обеспечивать необходимое амплитудное распределение в раскрыве параболического цилиндра. Кроме того, в раскрыве облучателя должно формироваться специальное амплитудно-фазовое распределение возбуждения вдоль оси У, обеспечивающее требуемую форму ДН всей антенны в плоскости yOz. В качестве линейных облучателей могут использоваться волноводные многощелевые решетки, секториальные рупоры, микро полосковые линейные решетки и др.

Двухзеркальная антенна Кассегрена.В этой антенне для получения синфазного распределения поля в раскрыве, используются две отражающие поверхности: вогнутое главное (большое) параболическое зеркало 1 и выпуклое вспомогательное (малое) зеркало 2, в виде гиперболоида вращения. Один из фокусов F₁ вспомогательного гиперболического зеркала совмещается с фокусом главного зеркала. Во втором фокусе F₂ находится фазовый центр облучателя 3, и вследствие этого лучи, отраженные от зеркала 2, можно рассматривать как идущие из расположенного за ним "виртуального облучателя" 4 в точке F₁. Изображение виртуального облучателя строится по правилам геометрической оптики и оказывается уменьшенным.

Двухзеркальная антенна Кассегрена отличается от однозеркальной рядом положительных качеств. Она дает возможность укоротить тракт СВЧ и разместить основную часть конструкции облучателя за зеркалом, что особенно удобно в моноимпульсных радиолокаторах. Уменьшение фокусного расстояния главного зеракала, а также малое расстояние поля облучателя в заданную полусферу главного зеркала способствуют уменьшению шумовой температуры. Недостатками двухзеркальной антенны являются обратная реакция малого зеркала на облучатель и увеличенное затенение раскрыва по сравнению с однозеркальной антенной.

 Двухзеркальная антенна Грегори. Здесь используется два вогнутых зеркала: главное зеркало с параболической формой поверхности и вспомогательное с эллептической поверхности. Один из фокусов вспомогательного эллептического зеркала F₁ совмещается с фокусом главного зеркала. Во второй фокус эллипса F₂ помещается фазовый центр облучателя. Волны от облучателя попадают на вспомогательное зеркало, фокусируются им в точке F₁ и следуют далее на главное зеркало, создавая синфазный фронт волны в его раскрыве.

Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, общий КИП двухзеркальной антенны Грегори получается несколько выше, чем в антенне Кассегрена, и схему Грегори предпочитают при строительстве крупных полноповоротных антенн.

Квазипараболические двухзеркальные антенны. Классические параболическая и эллиптическая формы главного и вспомогательного рефлекторов двухзеркальной антенны Грегори могут быть модифицированы таким образом, чтобы при сохранении синфазности поля в раскрыве главного зеркала, улучшить равномерность амплитудного распределения, и тем самым увеличить общий КИП антенны. Следует обратить внимание на отсутствие общей точки пересечения лучей после отражения от малого зеркала, а также на сгущение лучей к краям раскрыва основного зеркала, вызывающее подъем амплитудного распределения на краях.

Литература:

1. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. 147 с.

2. Стариков В.Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. М.: Сов.радио. 1972. 144 с.

3. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. 312 с.

4. Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 376 с.

5. Оглоблин Г.В. Опыты со звуковыми и электромагнитными волными: Учебное пособие. – Комсомольск на Амуре: Изд-во Комсом. н/А гос. Пед. Ун-та, 2001.-92 с.

Код для цитирования: Скопировать