Замедляющие линзовые антенны

Почти всем известно свойство оптических «увеличитель­ных стекол» собирать перехватываемый ими параллельный пучок лучей в одной точке — фокусе линзы, лежащем на ее оптической оси. Известно также иобратное явление — обра­зование с помощью линзы параллельного пучка лучей при размещении в ее фокусе точечного источника света.

Совершенно аналогичные явления происходят и в ди­электрических радиолинзах, которые при работе в качестве приемных антенн направляют перехватываемую ими энер­гию в облучатель, а при работе в качестве передающих антенн превращают сферические волны, в плоские, исходящие из облу­чателя.

Это выравнивание фронта волны, схематически показан­ное на рис. 54, объясняется уменьшением скорости ее рас­пространения в диэлектрике (обладающем коэффициентом преломления п > 1) по сравнению со скоростью распростра­нения в окружающем пространстве (с).

Лучи, проходящие через центральную, более толстую часть линзы, получают большее замедление, чем лучи, иду­щие через более близкие к ее краям части.

У линзы, показанной на рис. 54, одна поверхность сде­лана плоской и совмещена с плоскостью раскрыва антенны, поэтому лучи, падающие перпендикулярно к этой поверх­ности, проходят через нее без преломления и преломляются лишь на криволинейной поверхности. Подобные линзы назы­вают «одноповерхностными» в соответствии с числом поверх­ностей преломления.

Форма второй поверхности у линзы, на рис. 54, определяется из условия равенства оптических путей луча 1, идущего через центральную часть линзы, и произвольного луча 2. Это требование означает, что фаза радиоволн при распространении вдоль любого луча от источника к передней (плоской) поверхности линзы, должна быть одной и той же,

т. е. j₁ = 2pf₀ j₂= 2pf₀ , где f₀ – частота в герцах. Так как коэффициент преломления п равен отношению скорости света с к фазовой скорости радиоволн n_ф в данной среде (n = c/n_ф ), то (SA) + (AB) n = (SC) + (ОС) п. Учитывая, что ВА = ОА', и используя полярные координаты (rθ), для произвольной точки А получим r = f + n (r cosθ — 1), или

r = f× . (36)

У всех реальных диэлектриков коэффициент преломле­ния п больше единицы, поэтому уравнение — уравнение гиперболы. Таким образом, одноповерхностная диэлектри­ческая линза должна быть ограничена с одной стороны плоской, а с другой стороны, ближайшей к облучателю,— гиперболической поверхностью.

Линзовые антенны на сверхвысоких частотах состоят из собственно линзы и облучателя, размещенного в ее фокусе. Причем в отличие от оптики линза в антенне может быть непрозрачной для световых волн. Важно лишь, чтобы в ра­бочей полосе частот потери энергии в ней были малы.

Замедляющие линзы из реальных диэлектриков, как правило, применяются на самых коротких волнах (от 3 см и короче), так как на более длинных волнах вес линзы боль­ших размеров получается очень большим; возрастают при этом и технологические трудности изготовления замедляю­щих линз.

Искусственный диэлектрик в подобных линзах изготов­ляется из металлических элементов в виде плоских дисков, ленточек, цилиндриков и т. п., размещенных определенным образом в объеме линзы и воспроизводящих решетку реаль­ных диэлектриков по принципу подобия. Для закрепления этих металлических элементов в линзе применяются листы из пенополистирола, обладающего малым удельным весом и достаточной механической прочностью; сами металличе­ские элементы при этом либо приклеиваются к листам, либо наносятся на них путем распыления проводящего слоя через специальные трафареты.

Конструкция подобной линзы схематически показана на рис. 55. Линзы из искусственного диэлектрика просты в из­готовлении, имеют малый вес и обладают незначительными потерями.

К замедляющим линзам также относятся жалюзиобразные линзы, состоящие из наклонных (рис. 56) или гофриро­ванных (рис. 57) металлических пластин. В линзах первого типа лучи, падающие на центральную часть линзы, испыты­вают дополнительное замедление за счет увеличения длины проходимого ими пути между наклонными пластинами. Ка­жущийся коэффициент преломления п у этих линз равен косекансу угла наклона пластин:

n = cosec β. (37)

Недостатком жалюзиобразных линз из наклонных пластин является некоторая несимметричность их диаграмм направ­ленности, возникающая из-за неравномерного распределения амплитуд поля в раскрыве антенны (рис, 56). Это явление может быть скомпенсировано лишь за счет несимметричного искажения диаграммы направленности облучателя, что, безусловно, усложняет конструкцию последнего.

При гофрированных пластинах указанного недостатка нет, так как лучи, падающие на центральную часть линзы, после прохождения через нее не смещаются от центра (рис. 57), как у линз первого типа (рис. 56).

Кажущийся коэффициент преломления линз из гофриро­ванных пластин равен отношению электрического пути волны к тому пути, который бы она прошла при отсутствии пластин:

n = l₁/l₀ (38)

Контуры жалюзиобрззных линз выбираются из тех же соображений, что и линз из диэлектрика, т. е. уравнение (37) остается справедливым и в этом случае.