Главное меню

Проектирование линзовых антенн

Линзовой антенной называют совокупность электромагнитной линзы и облучателя. Они относятся к антеннам оптического типа и используются, как правило, в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн для создания достаточно узких диаграмм направленности. В некоторых случаях линзовая антенна может использоваться в качестве вспомогательного элемента какой-либо антенны, улучшающего ее характеристики (например, для выравнивания фазы в раскрыве рупорной антенны). Линзовая антенна представляет собой прозрачное для радиоволн ограниченное обычно двумя поверхностями тело, коэффициент преломления которого отличен от коэффициента преломления окружающей среды.

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, то есть для превращения криволинейной (сферической или цилиндрической) волновой поверхности.

В линзовых антеннах сантиметрового диапазона используются оптические свойства электромагнитных волн, поскольку геометрические размеры и радиусы кривизны поверхности линзовых антенн обычно оказываются намного больше длины волны. Антенны-линзы характерны тем, что в них цилиндрический или сферический фронт волны преобразуется в плоский.

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 этим линзы разделяются на ускоряющие () и замедляющие ().

Рисунок 1 - К пояснению вида ускоряющих и замедляющих линз

В ускоряющих линзах выравнивание фазового фронта волны 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.

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.

Рисунок 2 - Диэлектрическая линза

На рис. 2 показана диэлектрическая линза, на которую от источника F падает сферическая волна длиной . Благодаря выпуклой форме освещенной поверхности линзы сферический фронт волны в линзе преобразуется в плоский с длиной волны . Выходная поверхность линзы является плоской, и при выходе из линзы фронт остаётся плоским . Поскольку размеры выходной поверхности линзы велики по сравнению с длиной волны, излучение её оказывается остронаправленным.

В данной работе требуется рассчитать антенну, предназначенную для измерительной установки. Имеется особое требование: использование линзовой антенны.

Так как ширина ДН значительно отличается в главных плоскостях, то целесообразно выбрать в качестве зеркала симметрично усеченный параболоид или параболический цилиндр. Они имеют прямоугольную форму раскрыва.

Обратимся теперь к рис. 3 и определим профиль линзы.

Рисунок 3 - К расчёту профиля замедляющей линзы

Пусть луч из точки F падает в точку Р поверхности линзы и пусть α является углом падения луча, а β - углом преломления. Тогда , где - коэффициент преломления диэлектрика.

Для дальнейших расчётов в качестве материала линзы будет использоваться полистирол с относительной диэлектрической проницаемостью ε=2.55 и коэффициентом преломления

Обычно n выбирают в пределах от 1.3-1.6. Однако увеличение коэффициента n нежелательно, так как это приводит к значительному увеличению коэффициента отражения на границе «воздух-диэлектрик».

Уравнение профиля линзы определяется из условия, что длина оптического пути от преобразуемой к преобразованной поверхности равных фаз по любому направлению должна быть постоянной: . Отсюда получаем:

или

(уравнение гиперболы)

где f - фокусное расстояние (расстояние от фокуса F до вершины Q) , Θ - угол между осью линзы и лучом, ρ - расстояние от фокуса до текущей точки поверхности линзы.

Таким образом, выпуклая поверхность линзы должна иметь гиперболическую форму.

Поскольку выходная поверхность линзы является синфазной поверхностью, она может рассматриваться как плоский излучающий раскрыв. Сама линза и облучающий источник играют роль распределителя.

Толщина замедляющей диэлектрической линзы определяется по следующей формуле:

При известных D и f определяют угол раскрыва линзы:

Стоит отметить, что фокусные расстояния линз отличаются от принятых в математике определений фокусных расстояний, образующих преломляющую поверхность гипербол и эллипсов. Фокусы линз совпадают с дальними фокусами соответствующих кривых.

Форма преломляющей поверхности оказывает существенное влияние на амплитудное распределение поля по раскрыву линзы. Что следует учитывать при выборе типа линзы.

Так как в соответствии с техническим заданием ширина ДН в главных плоскостях неодинакова, то линза имеет прямоугольный раскрыв.

Выберем фокусное расстояние f для линзы. На рис.4 приведены зависимости толщины линзы d от фокусного расстояния f, нормированные к размеру излучающего раскрыва D

Рисунок 4 - Зависимости толщины линзы d от фокусного расстояния f

Поэтому можно сделать вывод: чем тоньше линза, тем больше должно быть фокусное расстояние. Увеличение фокусного расстояния f приводит к уменьшению угла раскрыва линзы, что требует использование облучателей с осторонаправленной ДН, что, в свою очередь, приводит к увеличению геометрических размеров облучателя.

Для радиолинз фокальное число может находиться в пределах 0,7…1,6, но чтобы не увеличивать габариты линзы, фокусное расстояние чаще всего принимают равным большей ширине раскрыва линзы: f = d . Фокусное расстояние будет рассчитано позже.

Другое по теме:

Исследование работы технологии IP-телефонии при передаче голоса и видеоизображения
Цель работы -реализация сценария IP-телефонии " компьютер-компьютер "; -получение навыков при исследовании работы технологии IP-телефонии при передаче голоса; -получение навыков исследования работы технологии I ...

Copyright © www.techproof.ru