книги из ГПНТБ / Зелкин Е.Г. Линзовые антенны

Е. Г. З е л к и н , Р. А. П е т р о в а

ЛИНЗОВЫЕ АНТЕННЫ

Предисловие

Предлагаемая книга посвящена весьма важному раз­ делу антенной техники — теории и расчету линзовых антенн.

Теория линзовых антенн рассматривается во многих трудах, главным образом в общих курсах по теории антенн СВЧ. Это накладывает на изложение материала соответствующий отпечаток. В курсах излагаются только основные вопросы теории, носящие общий характер. Спе­ циальных книг, в которых подробно, систематически из­ лагалась бы теория линзовых антенн и методы их прак­

нение этого пробела. Авторы систематизировали имею­ щийся в литературе материал по теории линзовых антенн

ласти СВЧ антенн, студентов старших курсов радиотех­ нических факультетов и аспирантов.

Авторы считают своим приятным долгом выразить признательность докторам технических наук Я. Ы. Фельду, Г. i l \ Бубнову за внимательный просмотр рукописи и ряд ценных замечаний.

Введение

В радиотехнических системах СВЧ диапазона приме­ няются самые разнообразные типы антенн. Отличаются они друг от друга как по своим радиотехническим пара­ метрам, так и принципом действия. Особое место среди них занимают так называемые антенны оптического ти­ па. К ним относятся главным образом зеркальные и лин­ зовые антенны. Первые благодаря своим высоким конст-

3

руктивным и технологическим данным получили повсе­ местное распространение. В настоящее время наряду с зеркальными антеннами начали применяться и линзо­ вые антенны.

Линзовые антенны, как известно, обладают многими замечательными свойствами. В них сравнительно легко создать такое распределение поля по раскрыву, которое обеспечит диаграмму направленности с малым уровнем боковых лепестков (—30 дБ и ниже). Линзы нетрудно сделать апланатическими, что позволит осуществить ка­ чание диаграммы направленности в пределах большого сектора углов. Линзы без перестройки работают в широ­ кой полосе частот. С их помощью нетрудно создать диа­ грамму направленности заданной формы (косекансной, столообразной, широконаправленной и др.). Линзы оди­ наково хорошо работают как на линейно-поляризованной волне, так и на волне с круговой поляризацией.

Линзы имеют еще то преимущество перед зеркаль­ ными антеннами, что при их изготовлении требуется меньшая точность. Кроме того, поскольку облучатель не экранирует излучение антенны, конструкция его крепле­ ния может быть самой различной. И, наконец, фазовые ошибки у зеркальной антенны максимальны в центре раскрыва, а у линзы — на краю, и, следовательно, ска­ зываются значительно меньше.

Мы кратко коснулись лишь некоторых достоинств линзовых антенн, но и это уже достаточно ясно показы­ вает, что линзовые антенны могут найти широкое приме­ нение.

Применяются линзовые антенны самых разнообраз­ ных систем и конструкций. Ориентировочная классифи­ кация их приведена в табл. В.1.

Прежде всего следует различать линзы из однород­ ного и неоднородного диэлектрика. В первой группе линз выполнение основного их назначения — преобразование сферически расходящейся волны, излучаемой облучате­ лем, в волну с заданной формой фазового фронта—до­ стигается только за счет придания поверхности линзы того или иного профиля.

В линзах из неоднородного диэлектрика форма про­ филя линзы имеет меньшее значение. Здесь доминирую­ щую роль играет правильный выбор закона изменения коэффициента преломления п, обеспечивающего выпол­ нение основного назначения линзы. Естественно, изготов-

4

ление линз из неоднородного диэлектрика представляет задачу более трудную, чем из однородного диэлектрика. Однако их достоинства настолько значительны, что во многих случаях практики им отдают предпочтение.

Как показывает опыт, при работе линзы в радиодиа­ пазоне нет необходимости в точном выполнении требуе­ мого закона изменения коэффициента преломления. До­ статочно его выполнить с некоторым приближением, практически не ухудшающим радиотехнические парамет­ ры линзы. Можно даже выполнить линзу из слоеного диэлектрика с постоянным коэффициентом преломления в каждом слое, дискретно меняющимся от слоя к слою. Благодаря тому, что к точности коэффициента прелом­ ления не предъявляются жесткие требования, оказалось возможным практическое осуществление линз из неод­ нородного диэлектрика.

Линзовые антенны можно изготавливать не только из естественного диэлектрика. Среду, в которой электро­ магнитная волна распространяется с фазовой скоростью, отличной от фазовой скорости в свободном пространстве, можно получить различными способами. Так, например, замедляющую среду можно создать, если в обычный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице, вкрапливаются металлические или диэлек­ трические элементы (металлический порошок, металли­ ческие или диэлектрические с диэлектрической прони­ цаемостью е > 1 шарики, диски, полоски и др.). Фазовая скорость волны, распространяющейся в такой среде, бу­ дет ниже, чем в свободном пространстве. Подбирая фор­ му вкрапливаемых элементов и их плотность, можно создать среду с любым, наперед заданным коэффици­ ентом преломления и любым законом его изменения. Такую среду в дальнейшем будем называть искусствен­ ным диэлектриком.

Расчет линз из искусственного диэлектрика ничем не отличается от расчета линз из естественного диэлек­ трика.

Известно, что фазовая скорость волны, распростра­ няющейся в волноводе, выше, чем в свободном простран­ стве. Следовательно, блок из параллельно расположен­ ных волноводов представляет собой среду с показателем преломления п < 1 , и такой блок можно использовать для изготовления линз. Однако фазовая скорость в такой среде зависит от частоты электромагнитного поля, и по-

6

тому волноводные линзы, как правило, работают в узкой полосе частот.

Но, если создать блок >из параллельно расположен­ ных гофрированных металлических листов, то получится среда с п>\. Причем, если вектор электрического поля перпендикулярен поверхности листов, то хотя фазовая скорость волны, распространяющейся между листами, не отличается от фазовой скорости волны в свободном пространстве, общий эффект получается такой, как буд­ то бы среда имеет /г>1. Действительно, волна, распро­ страняясь между листами, из-за наличия гофров пройдет более длинный путь, чем если бы она прошла то же рас­ стояние через свободное пространство. Следовательно, волна получает замедление.

Если размеры гофров на листах сделать одинаковы­ ми, получим «среду», эквивалентную однородной диэлек­ трической среде, если же высоту гофров сделать различ­ ной на различных участках листов, то получим «среду», эквивалентную неоднородному диэлектрику.

Большое распространение получили линзы, выполнен­ ные из двух параллельных проводящих поверхностей, изогнутых так, что сферическая волна облучателя, поме­ щенного между поверхностями, преобразовывается в плоскую. Такие линзы получили название металловоздушных. Они, как правило, используются в качестве ли­ нейных излучателей.

в работах Брауна и некоторых других авторов различа­ ют линзы с игольчатой и веерной диаграммами, линзы

линзы и т. д.

Табл. В.1 не является исчерпывающей. В ней не отра­ жен ряд других линз, например линзы из диэлектриче­ ских стержней, из перфорированных металлических ли­ стов и др. Эти линзы не нашли широкого применения, теория их недостаточно хорошо разработана. В таблицу в основном включены те линзы, теория и расчет которых в той или иной степени рассмотрены в данной книге.

Литература по линзовым антеннам довольно обшир­ ная. Линзам из однородного диэлектрика посвящены

7

слоеного диэлектрика, т. е. там, где методы геометри­

расчета линз будут применены только методы геометри­ ческой оптики. Лишь в отдельных случаях, когда усло­

приводятся результаты, полученные строгими методами электродинамики.

Основы теории геометрической оптики в объеме, не­ обходимом для понимания дальнейшего изложения, при­ ведены в гл. 1. В гл. 2 и 3 рассмотрены линзы из одно­ родного диэлектрика неапланатические и аплаиатические. К линзам из однородного диэлектрика отнесены волноводные линзы, линзы из наклонных пластин и дру­ гие, коэффициент преломления которых равен некоторой постоянной величине, большей или меньшей единицы. Апланатическими линзами мы называем линзы, позво­ ляющие путем выноса облучателя из фокуса отклонять диаграмму направленности без практических заметных искажений ее формы. К аплаиатическим линзам причис­ лены бифокальные линзы, а также линзы с тремя точка­ ми идеальной фокусировки, так как в этих линзах при перемещении облучателя из одного фокуса в другой диаграмма направленности отклоняется и ее форма при этом практически мало изменяется.

Гл. 4 и 5 посвящены линзам из неоднородного ди­ электрика. Здесь систематизирован и изложен с единой точки зрения материал, разбросанный по различным журналам. Ряд вопросов рассмотрен впервые. Это отно­ сится в первую очередь к линзам, расчет которых выпол­ нен методом конформных преобразований. Этот метод является весьма мощным аппаратом, позволяющим рас­ считывать линзы с заданными параметрами, в том числе и остронаправленные. Получен класс фокусирующих линз, частным случаем которых является известная лин­ за Максвелла. Рассчитаны широконаправленные линзы с пучком расходящихся лучей в любом заданном сек­ торе. Для них рассчитаны законы изменения коэффици­ ента преломления, траектории лучей, амплитудное рас­ пределение в раскрыве, а для некоторых линз и диаграм­ мы направленности. Расчет диаграммы направленности по найденному амплитудному распределению выполнен

9