Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция №18: Зеркальные и линзовые антенны
Назначение и принцип действия линзовых антенн.
Линзовой антенной называют совокупность электромагнитной линзы и облучателя. Линза представляет собой радиопрозрачное тело с определенной формой поверхности, имеющее коэффициент преломления, отличной от нуля.
Линза предназначена для трансформации соответствующим образом фронта волны, создаваемого облучателем.
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.
Рис. 1. Линзовые антенны:
а – ускоряющая волноводная линза; б – замедляющая диэлектрическая линза;
в – иллюстрация принципа действия линз
Всякая линзовая антенная состоит из двух основных частей: облучателя и собственно линзы. 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.
В качестве облучателя могут быть использованы небольшой рупор, открытый конец волновода, вибратор с пассивным рефлектором. Облучатель обычно располагают так, чтобы его фазовый центр совпадал с фокусом сферической линзы или с фокальной осью цилиндрической линзы. Поверхность линзы обращенной к облучателю, называется освещенной стороной. Противоположная (“теневая”) сторона линзы образует ее раскрыв. Прямая , проходящая через фокус и центр раскрыва, называется осью линзы. Точка пересечения оси линзы с освещенной стороной называется вершиной линзы. Линия пересечения освещенной стороны линзы продольной осевой плоскостью называется профилем линзы. Профиль может быть вогнутым и выпуклым. Раскрыв линзы, как правило, делается плоским. Форма раскрыва 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 , либо меньше ее. В соответствии с эти линзы разделяются на ускоряющие и замедляющие .
В ускоряющих линзах выравнивание фазового фронта 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 он проходит с повышенной фазовой скоростью внутри линзы. Таким образом, профиль ускоряющей линзы должен быть вогнутым.
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.
Принцип действия линзы можно рассматривать не только с точки зрения движения фазового фронта, но также 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 к фазовой скорости есть коэффициент преломления среды
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 согласно законам геометрической оптики будет связан с углом падения известны равенством.
Профиль линзы должен быть выбран таким, чтобы все преломленные лучи были параллельными. Это равносильно условию чтобы оптическая длина пути всех лучей до раскрыва была одинаковой.
Рис. 2. Преобразование расходящегося пучка лучей в параллельный
в результате преломления их линзой.
Рассмотрение принципа действия линзы как с одной точки зрения так и с другой приемлемо и приводит к одним и тем же результатам.
Уравнение профилей линзы.
Введем прямоугольную систему координат xOy с центром в вершине линзы. Условием синфазности поля в раскрыве линз является равенство длины оптического пути для всех лучей, выходящих из фокуса линзы и идущих до ее раскрыва.
Ускоряющая линза.
Рис. 3. Ускоряющая линза.
– фокусное расстояние, – показатель преломления.
Условие равенства 1-го и 2-го оптических лучей
– уравнение эллипса
записанное в прямоугольной системе координат.
В полярной системе координат. Это равенство по электрической длине (по равенству фаз)
– уравнение эллипса
в полярной системе координат.
Замедляющая линза.
Рис. 4. Замедляющая линза.
откуда
– это уравнение гиперболы,
оно определяет профиль замедляющей линзы.
Уравнение в полярной системе координат
, находим
.
Применение линзовых антенн.
Линзовые антенны, несмотря на ряд ценных качеств (возможность получения высокой направленности излучения при малом уровне побочных лепестков), пока еще находят ограниченное применение. В настоящее время они применяются, главным образом, в радиорелейных линиях связи.
Основным недостатком являются их высокая стоимость, связанная с высокой точностью изготовления и относительная сложность конструкции.
Однако они представляют большой принципиальный интерес. Не исключена возможность, что в дальнейшем они найдут более широкое применение.
Зеркальные антенны. Общие сведения и принципы действия.
Зеркальными антеннами называются антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального профиля.
Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем.
Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.
Зеркало обычно изготавливается из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым.
Наиболее распространенным является зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специальной формы.
Рис. 5. Основные типы зеркальных антенн
Рис. 6.
Рассмотрим принцип действия зеркальных антенн. Электромагнитная волна, излученная, достигнув проводящей поверхности зеркала, наводит на ней токи, которые создают вторичные поля, обычно называемые полями отраженной волны.
Для того чтобы на зеркало попала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу, в направлении зеркала, то есть должен быть однонаправленным.
В раскрыве антенны обычно имеет плоский фронт для получения острой ДН либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной формы (например, типа cosec). На и диаметром зеркала волна становится сферической.
– нормированная ДН сформированная зеркалом.
Преобразование сферической и цилиндрической волны в плоские при помощи зеркал.
Необходимо определить какую форму должно иметь зеркало для преобразования сферической и цилиндрической волны в плоскую.
Решение этой задачи приведем с использованием метода геометрической оптики.
Рис. 7. К выводу уравнения профиля зеркала
– Уравнение параболы в полярной системе координат
Следовательно, поверхность зеркала должна быть поверхностью параболоида вращения, образованного вращением параболы вокруг оси z.
Точеный источник сферической волны должен помещаться в фокусе F параболоида. Двойное фокусное расстояние 2f называют параметром параболоида. Обозначим . Тогда
Приведенные выкладки полностью применимы и для нахождения профиля зеркала, преобразующего цилиндрическую волну в плоскую.
Очевидно, в этом случае поверхность зеркала должна быть не параболоидом вращения, а параболическим цилиндром, и линейный облучатель, являющийся источником цилиндрической волны, должен располагаться вдоль фокальной плоскости зеркала.
Методы расчета поля излучения.
Расчет электромагнитного поля излучения зеркальных антенн может производится двумя методами.
1. Метод называемый апертурным: состоит в том, что первоначально находится поле в раскрыве зеркала (в апертуре), а затем, путем использования принципа эквивалентных токов, находится поле излучения, создаваемое этим раскрывом.
Поле в раскрыве находится с помощью законов геометрической оптики, т.е. на основе представлений о падающим и отраженном лучах.
Рис.8.
Этот метод берем если радиусы кривизны и радиусы раскрыва много больше длины волны.
2. Второй метод состоит в том, что первоначально находятся токи на освещенной поверхности зеркала. Эти токи определяются через поле, создаваемое отличителем по формуле
,
где - вектор плотности поверхостных токов,
- вектор направленности магнитного поля падающей волны у поверхности зеркала,
-орт внешней нормали к поверхности зеркала.
Формула верна лишь для случая падения плоской волны на бесконечно проводящую плоскость. Зеркало же является криволинейной поверхностью конечных размеров. Однако, если же выполняются условия, в первой задаче, то ошибка в расчетах будет мала, т.е. если радиусы кривизны и радиус раскрыва зеркала много больше длины волны.
Определив по формуле плотность электрических токов, находят поле излучения зеркальных антенн. Для этого нужно получить выражение для элемента поверхности зеркала и полученное выражении проинтегрировать по всей освещенной поверхности зеркала. Для упрощения расчетов излучением токов на теневой поверхности пренебрегают.
При практических расчетах наибольшее распространение получил первый метод как более простой.
Применение зеркальных антенн
Зеркальные антенны - антенны, в которых для фокусирования высокочастотной электромагнитной энергии используется явление зеркального отражения от криволинейных металлических поверхностей (зеркал). По размерам зеркало значительно превосходит длину волны. Основные модификации Зеркальные антенны определяются количеством отражателей: известны одно-, двух- и трёхзеркальные антенны. Конструктивно зеркальные антенны выполняют в виде металлических или металлизированных поверхностей различной формы. Для снижения массы зеркал и уменьшения давления ветра (парусности) на их поверхность зеркала нередко изготавливают не из сплошного материала, а из сетки проводов или параллельных пластин, а также из перфорированных металлических листов. Широкое применение зеркальных антенн объясняется простотой их конструкции, возможностью получения высокой направленности, сохранением направленных свойств в широкой полосе частот, малыми активными потерями, малой шумовой температурой.
Зеркальные антенны позволяют в широких пределах изменять ширину и форму диаграммы направленности (ДН), уровень боковых лепестков (УБЛ), вид поляризации; могут применяться для управления ДН в значительном угловом секторе; широко используются в технике радиолокации, радионавигации сверхвысоких частот (СВЧ), радиотелеуправлении, радиосвязи на УКВ (радиорелейные линии); являются наиболее распространенным типом антенн, и используемых для радиотелескопов и для космической связи.
Применяют зеркальные антенны следующих типов: параболические антенны, Кассегрена антенны, рупорно-параболические антенны, сферические антенны, перископические антенны, зеркальные апланатические антенны и другие.