Лекция 3: апертурни антени излъчване на апертурните антени Рупорни антени

Фиг. 5. Типове лещови антени.


а) б)

Фиг. 6. Профили на лещи: а – забавяща (n > 1), б - ускоряваща (n < 1).
Диелектричните лещи се характеризират с широколентност и независимост на фокусиращите свойства от поляризацията на полето, но и със значими загуби. Коефициентът на полезно действие може да изчисли по формулата , където dB/m е коефициентът на затихване; δ –ъгъл на загубите на диелектрика. За намаляване на загубите се използва диелектрик с малка стойност на произведението , (,) и неголяма стойност на диелектричната проницаемост ε<2.5. Първото условие осигурява малки топлинни загуби, а второто условие – малки загуби на отражение. Материалът, удовлетворяващ тези условия е полистирол.

В случай, че лещата се получи с голяма дебелина, се прилага зониране, което се състои в това, че лещата се разбива на зони (секторно отделяне на част от материала). За запазване на синфазността на полето в апертурата на лещата, оптическите пътища на лъчите, преминаващи през различни зони, се различават на цяло число дължини на вълните.

За намаляване на масата и загубите на лещите се реализират метало-диелектрични лещи, изграждащи се от металически и диелектрични компоненти. Метало-диелектрикът представлява среда, състояща се от метални частици, изолирани една от друга с пенопласт с диелетрично проницаемост . Обикновено, частиците имат форма на сфери (фиг. 5, в), тесни ленти или дискове.

Размерите на частиците в направление на вектора Е са малки в сравнение с дължината на вълната λ. При въздействие на електрическото поле в метало-диелектрика произтичат явления, аналогични на поляризацията в диелектрика. При това диелектричната проницаемост е равна на , където е броят на частиците в единица обем; - коефициент на поляризация на частиците; - диелектрична проницаемост на вакуума. Съществуващите в метала свободни електрони се изместват в направление, противоположно на вектора Е на външното поле, металните пластини се превръщат в електрически диполи, създаващи вторично поле, насочено против външното поле. По такъв начин напрегнатостта на резултантното електрическо поле в такава среда се намалява, което е еквивалентно на увеличение на диелектрическата проницаемост. Стойността на коефициента на пречупване на метало-диелектрик се определя от израза , където зависи от формата и размерите на частиците. Например, за кръгъл диск с радиус R коефициентът се определя от израза .

Ако условието за размера на металните частици не се изпълни, метало-диелктричната структура придобива дисперсни свойства. Метоладиелектричните лещи имат предимства пред диелектричните лещи като се отличават с малка маса, голям КПД и пред метало-пластинните лещи – със своята широколентност.

Ускоряващите метало-пластинни лещи се конструират на базата на свойствата на правоъгълните вълноводи, които представляват метални пластини, паралелни на електрическия вектор Е на СВЧ поле (фиг. 5, г). Пространството между двете пластини образуват вълновод, в който фазовата скорост на разпространение на вълната е равна на , а коефициентът на пречупване на пластинната среда е равен на , където а е широчината на вълновода (фиг. 5, д) .

В зависимост от това, в коя плоскост лещата е профилирана, т.е. тя извършва фокусировка, различават Н – плоскостна (фиг. 5, г) и Е - плоскостна (фиг. 5, д) цилиндрични лещи. При осесиметричната леща осветената повърхност образува част от въртящ се елипсоид (фиг. 5, е). Фокусиращите свойства на лещите зависят от поляризацията на вълната. В случай, че векторът на електрическата напрегнатост на СВЧ поле е перпендикулярен на пластините, то лещата не фокусира. Коефициентът на пречупване n зависи от дължината на вълната λ (дисперсия). Изменението на λ води до разфокусировка, т.е. лещите са тясно-лентови антенни устройства.

Геодезическите (металовъздушни лещи) се изграждат от паралелни метални листове, придаващи на траекторията на лъчите форма, необходима за изравняване на техните геометрически пътища. В съответствие с принципа на Ферма лъчите се разпространяват по най-кратките разстояния – геодезическите линии. Вариант на леща, използвана като линеен облъчвател на огледални антени е показан на фиг. 7.

Фиг. 7. Метало-въздушна леща. Фиг. 8. Ход на лъчите в лещата на Люнеберг.
Вълната от открития край на вълновода 6 се движи между пластините 1 и 2. Профилът 3 е избран така, че дължината на пътищата на всички лъчи се изравнява. В резултата, фронтът на вълната между пластините 4 и 5 е паралелен на апертурата.

Нееднородните лещи имат профил с проста форма (права линия, окръжност), а фокусировката се постига чрез избиране на закона на изменение на коефициента на пречупване n. Вариант на нееднородна леща е лещата на Люнеберг, характеризираща се с централна симетрия и закона на изменение на коефициента на пречупване , където е а е радиусът на лещата; ρ - разстоянието от центъра. Ако облъчвателят се намира в точка F, лъчите, освен средния, са криволинейни. Доказва се че лъчите, изходящи от лещата са паралелни. На повърхността на лещата n = 1, ето защо лъчите не се отразяват. Чрез завъртане на облъчвателя около цилиндричната (сферичната) леща, може да се осъществи едномерно (двумерно) сканиране на лъча на произволен ъгъл.

Лещовите антени се използват основно в диапазона на сантиметровите вълни. С помощта на лещовите антени могат да се реализират тесни диаграми на насоченост (с широчина до няколко градуса). Коефициентът на насочено действие може да се изчисли с израза (1) при коефициент на използване на повърхността К_и=0.5 – 0.65. При леща с кръгла апертура с диаметър с облъчвател във вид на полувълнов вибратор с рефлектор широчината на диаграмата на насоченост в плоскостта Е (векторът Е е насочен по оста х)

и в плоскостта Н (векторът Н е насочен по оста у)

,

където и .

Приведените формули са аналогични на изрази (42) и (43). Изработването на антените-лещи е сложно и скъпо и изисква висока точност. Независимо, че тези антени имат високи насочващи свойства, те се използват в изключителни случаи.

4. 
   Огледални антени
   

Огледалната антена се състои от два конструктивни елемента: слабо-насочена антена (облъчвател) диаграмо-формираща антена (метално огледало). Основни типове едно-огледални параболични антени са сферично-параболоидната (фиг. 9, а) и цилиндрично-параболоидната антени. Огледалата на тези антени преобразуват сферичната или цилиндричната вълна, излъчена от точков или, съответно линеен облъчвател, в плоска вълна (при излъчване –предаване) и обратно от плоска вълна в сферична или цилиндрична вълна при приемане.

За намаляване на загубите огледалото се изработва от метал с добри проводящи свойства. Огледалото може да бъде монолитно (плътно) или (за намаляване на масата и ветровия товар) немонолитно (неплътно) – решетъчно или перфорирано. При неплътните огледала преминаващата през него мощност, създаваща нежелателното задно излъчване не надвишава 0.01 – 0.02, което изисква решетката да бъде достатъчно гъста.

Облъчвателят е слабо-насочена антена, изпълняваща следните функции: а) формиране на сферичен или цилиндричен фронт на вълната; б) осигуряване на зададеното амплитудно разпределение на полето в апертурата на огледалото и по възможност слабо излъчване извън ъгъла на апертурата на огледалото (2Ф₀) (фиг. 9, в)

Уравнението на профила на огледалото се определя от условието за фокусировка, което се определя от равенството на оптическите пътища от намиращия се във фокуса на огледалото облъчвател (т. F – фиг. 9, в) до апертурата за централния лъч FOO’ и произволен лъч FAB. Оттук FO + ОО’ = FА + АB. Като се изразят тези отрязъци чрез фокусното разстояние f (от фокуса F до върха на огледалото О) и полярните координати ρ и Ф на точката на отражение А, се получава уравнението на парабола

(50) .

Използваната част от параболата е ограничена с размера на апертурата L. Оста на параболата Oz се нарича оптическа ос на огледалото.

Ако дълбочината на огледалото h > f, т.е Ф₀ > π/2, то се нарича дълбоко или късо-фокусно, а ако h < f, т.е Ф₀ < π/2, то се нарича – плитко или дълго-фокусно.

В правоъгълни координати уравнението на профила се записва във вида: . Като се отчете, че при z = h, координатата x = L/2, то може да се получи формулата . От израза (50) при Ф = Ф₀ се получава . Последните две формули свързват четири параметъра на огледалото. Неговата геометрия се дефинира с произволни два от тези четири параметъра.



а) б) в)
Фиг. 9. Сферично-параболоидна антена (а); цилиндрично-параболоидна (б)

и техният профил (в).

Изчислението на полето на излъчване на огледалните антени може да се извърши чрез метода на повърхностните токове или апретурния метода, които се прилагат при условие, че размерите на огледалото и радиусът на кривината на неговата повърхност е много по-голям от λ. Това позволява да се приложат законите на геометрическата оптика, като огледалото се разглежда като локално плоско. При изчислението се пренебрегват токовете на сенчестата страна на огледалото, дифракцията на неговия ръб засенчващото действие на облъчвателя, реакцията на огледалото на характеристиките и параметрите на облъчвателя.

Плътността на повърхностните токове на осветената страна на огледалото се определя от израза J = [2 n  H], където n е векторът на единичната нормала към повърхността на огледалото, H - магнитният вектор на вълната на облъчвателя на повърхността на огледалото.

При прилагане на апретурния метод се смята, че всеки елемент от сферично-параболичното огледало се намира в далечната зона на точковия облъчвател, напрегнатостта на полето на който намалява по закона 1/, а всеки елемент на цилиндрично-параболичното огледало се намира в квазидалечната зона на линейния облъчвател (на разстояние, по-малко от неговата дължина) и напрегнатостта на полето намалява по закона . Вълната, отразена от огледалото е плоска, а нейната напрегнатост на разстояние от повърхността на огледалото до неговата апертура не се изменя.



Фиг. 10. Цилиндрично-параболоидна антена със симетрично (а) и несиметрично огледало (б).
Цилиндрично-параболоидната антена със симетрично относително облъчвателя огледало (Фиг. 9, б и фиг. 10, а) има разделящо се симетрично разпределение на полето в апертурата, т.е. , където и са нормираните към единица амплитудни разпределения по координатите и . Разпределението и диаграмата на насоченост в плоскостта yOz при огледалото и линейния облъчвател са еднакви.

За определяне на амплитудното разпределение от уравнението на профила (50) и равенството се извежда диференциалното уравнение, свързващо ъгловите координати и линейните координати (фиг. 10, а)

(51) ,

От уравнение (51) и условието за съхранение на енергията в снопа от лъчи, се получава нормираното разпределение на полето

(52) ,

където е диаграмата на насоченост на облъчвателя, а връзката между и има вида .

За изчисляване на диаграмата на насоченост на антената могат да се използват изразите (39) (40). Коефициентът на насочено действие може да се изчисли от израза

,

където S е площта на антената.

Широчината на главния лист на ниво на половината мощност на излъчване се определя от израза

,

където а може да бъде размера на апертурата на огледалото по осите или (фиг. 9, б); коефициентът m зависи от амплитудното разпределение по съответната ос.

При изчисление на коефициента на усилване К_у трябва да се отчете, че мощността, съответстваща на защрихованата част на диаграмата на насоченост на облъчвателя , преминава покрай огледалото (фиг. 10, а) като загубна мощност. Тази част от мощността на облъчвателя, попадаща на огледалото, се отчита с коефициент на прехващане _п, определящ се от израза

(53) .

Оттук коефициентът на усилване се изчислява от израза К_уК_НД._п. При фиксиран ъгъл на апертурата 2Ф₀ и зададено фокусно разстояние f (фиг. 10, а) увеличаването на широчината на диаграмата на насоченост на облъчвателя води до нарастването на относителното ниво на облъчване по мощност S в краищата на огледалото, по-равномерно разпределението на полето по апертурата, нарастване на величината q, но намаляване на величината _п, тъй като значителна част от мощността преминава покрай огледалото. При определена величина S = S_опт произведението К_НД._п, а и коефициентът на усилване К_у получават максимална стойност (фиг. 11). За множество антени S_опт лежи в границите 0.1 – 0.2. По аналогичен начин може да се покаже, че при зададен облъчвател и при неизменен размер на апертурата съществува оптимален ъгъл на апертурата на огледалото, т.е. 2Ф_{0 опт} (т.е. оптимално фокусно разстояние), при който коефициентът на усилване е максимален. За типове облъчватели 2Ф_{0 опт} = 70⁰ - 90⁰. В дециметровия диапазон като линейни облъчватели се използва решетка от съосни полувълнови вибратори, а в сантиметровия диапазон – вълноводно-процепни антени и метало-въздушна леща.


Фиг. 11. Определяне на оптималните параметри на облъчване на

цилиндрично параболоидното огледало.

При симетрично огледало (фиг. 10, а) облъчвателят засенчва част от апертурата. Разсейването на отразените лъчи от облъчвателя води до намаляване на коефициента на усилване на антената и нарастването на страничните листа. Част от енергията попада във вълноводния тракт и нарушава съгласуването (реакция на огледалото). От този недостатък са лишени антените с несиметрично огледало (фиг. 10, б): ъгълът Ф₁ се избира така, че отразените лъчи преминават покрай облъчвателя. Цилиндрично-параболоидната антена се използва в радарните системи за формиране ветрило-образна диаграма на насоченост, чиято ширина в главните плоскости зависи от разпределението на полето в апертурата на антената и размерите й в тези плоскости.

Сферично-параболоидната антена обикновено формира осесиметрична диаграма на насоченост от игловиден тип, което изисква диаграмата на насоченост на облъчвателя също да бъде осесиметрична. Като облъчватели се използват система вибратор-рефлектор, възбуждан от коаксиален (фиг. 12, а) или правоъгълен вълновод (фиг. 12, в) и вибратор с дисков рефлектор (фиг. 12, б). Широко се използва дву-процепен облъчвател (фиг. 12, г), позволяващ да се получи осесиметрична диаграма на насоченост чрез подбор на разстоянието между процепите.



Фиг. 12. Варианти на точкови облъчватели за сферичния параболоидното огледало.
Като облъчватели могат да се използват пирамидален и коничен рупор, цилиндрично-спирална и диелетрично-стебловидна антени и други облъчватели.

Амплитудното разпределение на полето в апертурата на сферичния параболоид в полярна координатна система (фиг. 33) се определя от условието за запазване на енергията в снопа лъчи и изразите (50) и (51) (чрез замяна на с )

(54) ,

където е диаграма на насоченост на облъчвателя, а връзката между Ф и има вида .

Фиг. 13. Изчисление на сферично-параболоидната антена.
При симетрична диаграма на насоченост на облъчвателя амплитудното разпределение не зависи от координатата и изчислението на диаграма на насоченост се опростява.

Ширината на диаграмата на насоченост в главните плоскости се определя по формулата , където а е радиусът на кривината, при това m е толкова по-голямо колкото по стръмно полето спада към краищата на огледалото; m примерно е равно на 65...80⁰. Коефициентът на прехващане се изчислява по формулата

(55) .

Коефициентът на усилване достига максимум при облъчване на краищата на огледалото на ниво S_опт  0.1 или -10 dB. При това К_НД._п  0.83. Тази стойност е малко завишена, като за множеството реални антени е 1,4 - 1.6 пъти по-малка поради дифракция на краищата на огледалото, засенчващото действие на облъчвателя, изтичането на токовете към засенчената повърхност на огледалото и други фактори.

При сферичния параболоид освен излъчване с основна поляризация се наблюдава излъчване с ортогонална поляризация (крос-поляризация) (фиг.14). Това се обяснява с факта, че огледалото е с двойна кривина и протичащият по него повърхностен ток има в общия случай компоненти по трите оси.



Фиг. 14. Крос-поляризация при сферично-параболоидната антена.
На фиг. 14 са показани линиите на тока и компонентите J_x и J_y при облъчване на плитко огледало с дипол на Херц, паралелен на ос x. В главните плоскости (xOz и yOz) крос-поляризация отсъства в резултат на компенсацията на полетата на противофазните елементи. Най-силно излъчване с крос-поляризация е в диагоналните плоскостите, образуващи ъгъл 45⁰ с плоскостта xOz.

Антените с огледало във вид на отсечен сферичен параболоид (ротационен параболоид) се използва както за формиране на ветрило-образна диаграма на насоченост (симетрично отсичане, фиг. 15, а), така и за разполагане на облъчвателя извън снопа от лъчи, отразени от огледалото (несиметрично отсичане, фиг. 15, б). Предимство на тези антени в сравнение с цилиндрично-параболоидните антените (фиг. 10, а, б) се състои в малкия размер на облъчвателя, но коефициентът на усилване, при равна площ на апертурата, е по-малък.



а) б)
Фиг. 15. Ротационен параболоид, отсечен симетрично (а) и несиметрично (б).
Огледални антени с диаграма на насоченост със специална форма се характеризират с несинфазно разпределение на полето в апертурата. Това обуславя формирането на зададена диаграмата на насоченост.

Фиг. 16. Способи за формирани на косекансна диаграма на насоченост на антените.
На фиг. 16, а е представена антена, чиято долна част 1 на цилиндричното огледало има параболичен профил и формира главния лист на диаграмата на насоченост с широчина 2_0.5 (фиг. 16, б). Той плавно преминава към косекасен лист [f () = cosec ], формиращ се с горната част на огледалото 2, която е със специален профил. За снопа от лъчи законът за съхранение на енергията има вида p (Ф) dФ = p () d , където p е ъгловата плътност на мощността. Изменението на кривината на огледалото води до изменение на p () в сравнение с p(Ф). Това позволява профилът на огледалото да се подбере така, че да се получи зададената диаграма на насоченост. На фиг. 16, г е представена антена, единият облъчвател на която е разположен във фокуса на симетричен отрязък от сферичен параболоид, а останалите са изместени перпендикулярно на оптическата ос на огледалото. На всеки облъчвател съответства своя парциална диаграма на насоченост на антената (фиг. 16, в).

Чрез подбор на фазите на захранване на отделните облъчватели, разпределението на мощността и разстоянието между тях се получава необходимата сумарна диаграма на насоченост. Тази антена е по-проста по конструкция (използват се точкови облъчватели, а не линейни), но нейната диаграма на насоченост има дълбоки интерференционни минимуми (провали). Изместването на облъчвателя от фокуса,перпендикулярно на оптическата ос на параболичното огледало се използва за отклонение на максимума на диаграмата на насоченост. Ходът на лъчите на изнесения в точка F  облъчвател е показан на фиг. 17, а.

а) б)

Фиг. 17. Изместване на облъчвателя, перпендикулярно на оптическата ос.

Оптическите пътища на лъчите от точка F  до апертурата не са еднакви, ето защо фазата на полето в апертурата изостава в направление от точка С до точка А. Следователно, фазовият фронт ще се отклони от апертурата на някакъв ъгъл . Той примерно е равен на ъгъла на изместване на облъчвателя ₀. На същия ъгъл ще се завърти листът на диаграмата на насоченост (фиг. 17, б). При малки ъгли  фронтът е почти линеен (линия 1 на фиг. 17, б). С нарастването на  фронтът се изкривява (линия 2 на фиг. 17), поради кубически фазови грешки в апертурата, което се съпровожда с намаляване на коефициента на усилване К_у и нарастване на страничните листа. Анализ показва, че при антените с оптимално облъчване на края на огледалото (S_опт= -10 dB), допустимото 10% снижение на коефициента на усилване се наблюдава при сканиране на лъча не повече от две широчини на диаграмата на насоченост.

Двуогледалните антени формират плосък фазов фронт в апертурата с помощта на едно голямо 1 и едно малко 2 огледала. При зададен фронт на вълната на облъчвателя 3 може да се подбере безкраен брой от двойки повърхности на огледала, решаващи тази задача. Допълнителната в сравнение с едно-огледалната антена степен на свобода може да се използва за регулиране на амплитудното разпределение, намаляване на грешката при широко-ъгълното сканиране на лъча и т.н.

При двуогледалната антена облъчвателят се разполага в близост до голямото огледало. Ето защо осевият размер на антената и дължината на вълноводния тракт (следователно и шумовата температура) са по малки в сравнение с едно-огледалната антена. Недостатък на двуогледалните антени е засенчването на апертурата с малкото огледало, което предизвиква провал на амплитудното разпределение в центъра и намаляване на коефициента на насочено действие - К_НД. Коефициентът на насочено действие може приблизително да се оцени с формулата К _НД0 = К_НД0 [1 – 2 (а_м /а )²], където К _НД0 и К_НД0 са К_НД с отчитане и без отчитане на засенчването, а_м и а са радиусите на малкото и голямото огледало.

Двуогледалната антена на Коссегрейн (фиг. 18, а) се състои от параболоидно огледало 1 с фокус F₁ и хиперболоидно огледало 2, във фокуса F₂ на което е поместен облъчвателят. Амплитудното разпределение в апертурата на огледалото 1 и диаграмата на насоченост на антената без отчитане на засенчването са такива както при едноогледалната антена, която се състои от облъчвател 3 и еквивалентен параболоид 4, профилът на който е представен на фигурата. Двуогледалната антена на Коссегрейн с голямо сферическо огледало осигурява широкоъгълно сканиране на лъча, като фазовите изкривявания от непараболичния профил мога да се отстранят чрез корекция на профила на малкото огледало. Засенчването на малкото огледало 2 (фиг. 18, б) може да се отстрани като огледалото се изработи от гъста решетка от паралелни проводници, а голямото огледало 1 – във вид на отражател със завъртане на плоскостта на поляризация на 90⁰. Допуска се, че облъчвателят излъчва вълна с вертикална поляризация. Малкото огледало от вертикални проводници отразява тези вълни.



а б)

Фиг. 18. Двуогледална антена (а); отстраняване на засенчването на апертурата от малкото огледало (б).

След отразяване от голямото огледало вълната става с хоризонтална поляризация, за която малкото огледало е прозрачно.

а) б)
Фиг. 19. Отражател със завъртане на поляризацията на 90⁰.
Отражателят със завъртане на плоскостта на поляризация на 90⁰ (фиг. 19, а) се състои от плътен металически лист 1 и паралелни метални пластини с широчина /4, разположени на разстояние t = (0.12....0.25) един от друг и образуващи решетка от задгранични вълноводи.

Вълните с паралелна (на пластините) поляризация Е^II_п (фиг. 18, б), падащи на отражател, се отразяват от входната повърхност, почти съвпадаща с краищата на пластините, изпитващи при това изменение на фазата с  (Е^II_отр = -Е^II_п). Падащите вълни с перпендикулярна поляризация Е^_п свободно преминават между пластините и се отразяват от металния лист с дефазиране на  .Като се отчете двойното преминаване на вълната между пластините на разстояние /4 следва, че на входната повърхност отразената вълна Е^_отр е синфазна на падащата вълна (Е^I_отр = Е^II_п). От фиг. 18, б следва, че ако сумарният вектор на падащата вълна Е_п образува с пластините ъгъл 45⁰, сумарният вектор на отразената вълна Е_отр ще се завърти на 90⁰ по отношение на вектора Е_п.

Оптимизираната двуогледална антена се отличава от антената на Кассегрейн по профилите на огледалата. На разпределението на енергията, а следователно на амплитудното разпределение в апертурата на антената, основно влияние оказва формата на малкото огледало. При оптимизация неговият профил се подбира така, че да отсъства обратно излъчване към облъчвателя и амплитудното разпределение в апертурата на антената да е по възможност близко до равномерното. Тъй като профилът на малкото огледало се отличава от хиперболичния, то разпределението в апертурата става несинфазно. Чрез изменение на профила на голямото огледало, се отстранява несинфазността. При оптимизираната антена произведението К_НД._п може да достигне стойност 0.78, докато при антената на Кассегрен то не е по-голямо от 0.6. Задачата на оптимизация по същество е задача на синтез на оптимални профили на огледалото.

Каталог: tadmin -> upload -> storage
storage -> Литература на факта. Аналитизъм. Интерпретативни стратегии. Въпроси и задачи
storage -> Лекция №2 Същност на цифровите изображения Въпрос. Основни положения от теория на сигналите
storage -> Лекция 5 система за вторична радиолокация
storage -> Толерантност и етничност в медийния дискурс
storage -> Ethnicity and tolerance in media discourse revisited Desislava St. Cheshmedzhieva-Stoycheva abstract
storage -> Тест №1 Отбележете невярното твърдение за подчертаните думи
storage -> Лекции по Въведение в статистиката
storage -> Търсене на живот във вселената увод
storage -> Еп. Константинови четения – 2010 г някои аспекти на концептуализация на богатството в руски и турски език