книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

поль, то в фокальной области помещается дополнительно еще один, небольшой отражатель цилиндрической фор­ мы, направляющий энергию излучения диполя в сто­ рону параболоида. Диполь запитывается по какой-либо симметричной линии.

Принцип Гюйгенса дает возможность в первом при­ ближении построить простую теорию параболической антенны, если представить, что в плоскости ее раскрыва расположены одинаковые, синхронно колеблющиеся

Рис. 55. Параболическая антенна с диполь­ ным излучателем.

источники вторичных волн. В этом случае плоскость раскрыва излучает как равномерно светящийся диск. Нормированная, т. е. приведенная к единице, ампли­ туда волны в направлении азимутального угла ср может быть вычислена с помощью соотношений

где D — диаметр раскрыва зеркала, а &\{х) — функция Бесселя 1-го порядка от аргумента х. Здесь получается не одно, а несколько направлений излучения, т. е. кроме основного лепестка выступают боковые; это законо­ мерно связано с волновым характером процесса. Остро­ та направленности определяется отношением D/Х. Если оно велико, т. е. диаметр раскрыва антенны много боль­ ше длины волны, то боковые лепестки малы и антенна

91

обладает хорошей направленностью. При этом боковые максимумы отстоят на малом угловом расстоянии. Их можно сделать еще меньше, если зеркало «освещать» неравномерно: облученность должна падать от центра к краям.

Далее, для достижения направленности имеет зна­ чение величина отношения фокусного расстояния к диа­ метру раскрыва. В качестве меры «глубины» зеркала используется величина

ское зеркало (</> 1) обладает, вообще говоря, хорошей направленностью; однако в этом случае слишком ве­ лики боковые лепестки. Вогнутое зеркало (7<1), на­ оборот, не обеспечивает такую хорошую направленность, но боковые максимумы здесь существенно ослаблены. Наилучшие данные получаются для значений q = 2 -ьЗ.

Известные трудности, встречающиеся на практике, связаны с тем, что излучение, отраженное от зеркала, частично попадает обратно в излучатель; при этом на­ рушается согласование и уменьшается широкополосность антенны. Фаза возвращающейся в излучатель волны может меняться тем быстрее, чем больше отно­ шение fJK. С помощью небольшой отражающей пла­ стины, помещенной в вершине параболоида, можно сде­ лать так, что одна часть возвращающегося излучения будет в противофазе с другой частью и согласование излучателя с питающей линией при этом улучшится. Эта мера, однако, уменьшает достижимые значения выигрыша антенны, приводя в то же время к возра­ станию боковых лепестков диаграммы направленности.

Для количественного определения возможного вы­ игрыша или достижимой ширины диаграммы направлен­ ности параболической антенны ее излучение сравнивают с изотропно (равномерно по всем направлениям) излу­ чающим «шаровым» источником. Если упомянутый источник излучает мощность Ро, то на расстоянии d от него через единицу поверхности проходит мощность P0/4nd2. С помощью отражателя мощность, излучаемая

92

ному значению мощности в направлении наибольшего излучения, т. е. на средней линии основного лепестка; при этом выигрыш антенны равен

(64)

Буквой А здесь обозначена эффективная или действую* щая поверхность антенны; она составляет примерно 0,7 от величины геометрической поверхности. Выражение (64) показывает, что для достижения высоких значений выигрыша антенны необходима большая величина отно­ шения эффективной, а соответственно и геометрической, поверхности антенны к длине волны. С точки зрения применения сверхвысоких частот в технике беспроводной связи это играет важную роль.

б) Рупорно-параболические антенны

Кроме обсуждавшихся, наиболее часто применяемых симметричных параболических антенн, существуют и их

Плоскость раснрыва

Рис. 56. Рупорно-параболическая антенна.

асимметричные разновидности. Такая антенна (рис. 56) состоит из элемента большого параболического зеркала, которое сбоку облучается находящимся в фокусе

93

облучателем (чаще всего рупором). В этом случае ис­ ключается попадание отраженной волны обратно в из­ лучатель. Если в качестве возбудителей использовать ру­ поры больших размеров, одна из боковых стенок кото­ рых смыкается с кромкой зеркала, то при этом из-за большой длины рупора обеспечивается хорошее согла­ сование в широкой полосе частот. В то же время в такой системе велико затухание отражаемых обратно волн. Рупорно-параболические антенны такого типа, ка­ кой показан на рис. 56, применяются в широкополосных радиорелейных линиях. В области частот от 3800 до 4200 Мгц при геометрических размерах излучающей поверхности около 8 м2 эти антенны дают по сравнению с изотропным излучателем выигрыш в 10000 раз.

в) Антенны типа Кассегрейна (двухзеркальные)

Эти антенны (рис. 57) состоят из основного зеркала (параболоид вращения) и вспомогательного отражателя,

Рис. 57. Симметричная антенна типа К ассегрейна.

который имеет форму гиперболоида вращения. Они рас­ положены так, что фокальные точки обеих лежат на оси параболоида. При этом одна фокальная точка ги­ перболоида совпадает с фокусом параболического зер­ кала, в то время как вторая лежит вблизи от вершины параболоида. В этой точке расположен оптический центр излучателя, направленного в сторону гиперболи­

94

ческого, «улавливающего» отражателя. Волна, вышед­ шая из излучателя и отразившаяся от улавливающего отражателя, падает на параболическое зеркало так, как если бы она испускалась из фокальной точки парабо­ лоида. Антенны этого типа отличаются тем, что для их возбуждения нужен короткий и прямолинейный тракт ввода энергии; в обычных параболоидных антеннах это сделать невозможно. Двухзеркальные антенны могут делаться и несимметричными.

3. Линзовые антенны

Как в случае с параболическими антеннами, опти­ ческие представления могут быть применены и к лин­ зовым антеннам. В то же время они являются приме­ ром того, что, несмотря на общность принципов, в сверхвысокочастотной технике приходится избирать не­ сколько иной путь, чем в оптике. Это различие связано с тем, что, в противоположность оптическому диапазону, длины волн в диапазоне СВЧ недостаточно малы по сравнению с размерами излучателей. Действие всех линзовых антенн основано на изменении фазовой ско­ рости волны по сравнению с ее значением в свободном пространстве. Это свойство при выборе соответствую­ щей формы линзы используется для того, чтобы либо замедлить скорость движения части фронта волны (за­ медляющие линзы), либо ускорить его (ускоряющие линзы).

а) Диэлектрические линзы

Профиль однородной диэлектрической линзы для сверхвысоких частот выбирается из тех же соображе­ ний, что и в геометрической оптике. Для создания линз применяются пластические материалы с малыми поте­ рями, например полистирол. Профиль линзы представ­ ляется, исходя из требования, чтобы вдоль всех лучей, выходящих из фокальной точки F, к точке выхода из линзы Р был бы равный набег фазы (рис. 58). Следо­ вательно, должно выполняться условие

95

материале, из которого сделана линза. Для диэлектри­ ческих линз показатель преломления всегда имеет зна­ чение п > 1. Профиль та­

кой линзы — гипербола. Для изготовления линз

вместо однородных ди­ электриков могут исполь­ зоваться диэлектрики, в которые вкраплены не­ большие металлические шарики, диски или штиф­ тики; они должны быть изолированы друг от дру­

га и расположены симметрично в пористом диэлектриче­ ском теле линзы (рис. 59). Под действием электромаг­ нитной волны в этих элементах возбуждаются колебания свободных электронов, т. е. они ведут себя как электри­ ческие диполи. Возбуждаемое ими вторичное излучение, взаимодействуя с падающим первичным излучением,

приводит к тому, что фа­ зовая скорость волны за­ медляется и ход лучей преломляется. Этот тип СВЧ-линз является подо­ бием оптических линз из материалов с кристалли­ ческой структурой, в ди­ электрическом теле кото­ рых вместо металличе­ ских частиц в определен­ ном порядке (решетка кристалла) расположены

молекулы. Физическая аналогия между этими сверхвы­ сокочастотными соответствующими оптическими линза­ ми приводит к выводу, что в обоих случаях показатель преломления или диэлектрическая проницаемость среды

96

бическом сантиметре и а — поляризуемость каждого ди­ поля. Для линзы с металлическими шариками радиуса а поляризуемость равна

Это соотношение является довольно грубым приближе­ нием. Возникающие в шариках вихревые токи влияют на ход магнитных силовых линий; это изменяет показа­ тель преломления. Точная формула для вычисления по­ казателя преломления такова:

Расстояние между шариками и радиусшарика предпо­ лагаются малыми по сравнению с длиной волны.

Для линзы, в которой замедляющими элементами служат тонкие металлические диски, плоскости которых ориентированы параллельно электрическому и магнит­ ному полям волны, поляризуемость равна

(iа — радиус диска).

Приведенные соотношения справедливы в предполо­ жении, что длина волны велика по сравнению с рас­ стоянием между диполями. Если частота падающей волны приближается к резонансной частоте дипольного момента, то, как и в оптике, возникает дисперсия; это значит, что показатель преломления становится зави­ сящим от частоты. При достаточно далеких резонансных частотах показатель преломления почти не зависит от частоты волны. Линзовые СВЧ-антенны таких типов в США применяются в широкополосных радиорелейных линиях. Они обладают большой широкополосностыо и

б) Линзы Люнеберга

К группе линзовых антенн относится также так на­ зываемая линза Люнеберга (рис. 60). Она имеет форму шара, показатель преломления которого

диус линзы). Таким образом, показатель преломления меняется от значения У 2 в центре линзы до значения 1

на поверхности г —а. Эта линза имеет такое свойство, что оптическое изображение каждой точки О на ее по­ верхности лежит в бесконечности, в направлении, диа­ метральном этой точке. Все лучи, которые исходят из точки О в линзе, выходят наружу параллельным пучком и наоборот. Чтобы излучение, возбуждаемое точечным источником в точке О на поверхности шара, проходя через линзу, превращалось в волну с плоским фронтом, необходимо равенство оптических длин для всех лучей

(а — угол, образуемый между направлением волны и направлением луча, вошедшего в линзу). В линзе Лю­ неберга это обеспечивается за счет того, что чем короче геометрический путь луча, тем больше показатель пре­ ломления среды, через которую он проходит. Поэтому

9 8

лучи OP, 0Q и OR проходят одинаковые по своей опти­ ческой длине пути; это значит, что оптическая длина не зависит от хода луча. Линзы такого типа в основном представляют интерес для радиолокации, где желатель­ но работать с быстро вращающимся пучком излучения. Они позволяют просматривать пространство в больших угловых пределах и к тому же не приводят к возникно­ вению «линзовых ошибок», связанных с аберрацией. К недостаткам этих антенн относится чрезвычайно слож­ ное их изготовление, и в основном поэтому антенны та­ кого типа до сих пор не находят широкого применения в радиолокационной технике.

в) Линзы из перфорированных пластин

Принцип действия этих линз основан на дифракции волн СВЧ на малых отверстиях в плоской металличе­ ской пластине. Превращение отдельных сферических волн в одну плоскую волну происходит здесь потому, что показатель преломления при постоянных размерах линзы зависит от радиуса, т. е. расстояния до центра линзы. Большие отверстия в центральных частях распо­ ложенных друг за другом металлических пластин влия­ ют на фазу проходящей через них волны в меньшей сте­ пени, чем отверстия малых размеров на периферии. Результатом этого является собирание излучения в пучок.

г) Волноводные линзы

Действие линз этого типа основано на известном в волноводной технике явлении увеличения фазовой ско­ рости волны в волноводе по сравнению со свободным пространством. Волноводные линзы состоят из большого числа параллельно расположенных металлических пла­ стин (рис. 61). Электрический вектор падающей волны направлен параллельно пластинам. Для того чтобы за­ дать волне правильные сдвиги фазы, профиль пластин должен иметь форму эллипса, т. е. удовлетворять урав­ нению

Такая линза с вогнутой эллиптической поверхностью действует на сверхвысоких частотах как собирающая

линза с заданной поляризацией. Для увеличения широкополосности эти линзы делаются ступенчатой формы. Длина пластин по мере удаления от середины линзы скачкообразно периодически уменьшается, в то время как ширина их (толщина линзы) возрастает; это соот­ ветствует уменьшению набега фаз волны, проходящей через периферийные области, по сравнению с измене­ нием фазы при прохождении через центр. Существуют и

п

Рис. 61. Волноводная линза с п < 1

другие разновидности линз этого типа, однако их мы не рассматриваем, поскольку в технике СВЧ они находят лишь случайное применение.

4. Спиральные антенны

Другую группу антенн образуют так называемые спи­ ральные (или винтовые) антенны. Такая антенна состоит из спирального проводника, который с одного конца за­ питывается электромагнитной энергией; здесь же рас­ полагается корректирующий рефлектор. Характерными размерами являются диаметр спирали D, шаг (расстоя­

(рис. 62). Между этими величинами существует взаимо­ связь:

(75)

Свойства спиральной антенны существенно зависят от отношения ее диаметра к длине волны.. Если длина волны в спирали больше длины одного витка, то заряды

103