Зонированные линзы и их диапазонность

Коэффициент усиления линзовых антенн, прямо пропорционален площади линзы и об­ратно пропорционален квадрату длины волны. Поэтому для увеличения направленных свойств стремятся укоротить волну или, если это по каким-либо причинам невозможно, увеличить площадь линзы.

Однако с увеличением площади поперечного сечения линзы при неизменном фокусном расстоянии f (которое нерационально увеличивать из-за сильного возрастания габа­ритных размеров антенной системы) толщина линзы сильно увеличивается, что утяжеляет антенну.

Для уменьшения веса линзу делают ступенчатой или как говорят, зонированной за счет изъятия частей объема, на которых изменение оптического пути луча равно целому числу длин волн. Сечение линзы при этом приобре­тает вид, показанный на рис. 60 а.

Начиная с крайней точки А толщина линзы плавно уве­личивается по мере приближения к оси до тех пор, пока разность фаз между крайним лучом SA и лучом, прошедшим через диэлектрик линзы, не станет равной 2p.

В этой точке толщина диэлектрика вновь может быть сделана равной нулю при сохранении неизменным фронта волны на выходе линзы, так как из синусоидального закона изменения поля отклонения фазы на 2p (360°) никакого влияния не окажет.

Указанная точка будет служить началом следующей сту­пени, толщина которой вновь увеличивается до того места линзы, где длина оптического пути вновь может быть умень­шена еще на одну длину волны, и т. д.

Так как длина волны в диэлектрике в п раз меньше, чем в воздухе, то толщина изымаемого диэлектрика при образовании каждой ступени должна быть равной

При этом на практике при образовании ступенек тол-шину линзы доводят не до нуля, а до некоторой минималь­ной величины х, выбираемой из соображений механической прочности линзы. Зонирование линзы, показанное на рис. 60 а, произведено за счет вырезания ступенчатых зон со стороны непреломляющей поверхности. Вырезание таких зон обеспечивает уменьшение веса линзы, но не изменяет ее максимальную толщину d.

Зонирование может быть произведено и за счет образо­вания ступенек со стороны преломляющей поверхности линзы, как это показано на рис. 60 б. Существенным отли­чием этой линзы является не только сокращение объема ди­электрика, но и уменьшение толщины линзы. Однако нали­чие ступенек на преломляющей поверхности приводит к образованию областей тени на границах ступенек. Обра­зование теневых зон можно проиллюстрировать, рассматри­вая ход двух смежных лучей, падающих на границу двух соседних зон (рис. 60,6). Луч 1, падая на линзу слева на­право, проходит через диэлектрик и попадает в фокус S по пути 1', а луч - 2, смежный с лучом 1, но проходящий уже че­рез следующую ступеньку, попадает в точку S по пути 2'. В пространстве же между 1' и 2' поля нет. При работе на передачу доля энергии от облучателя, заключенная в секто­рах тени, рассеивается ступеньками и до выхода линзы не доходит.

Наличие таких теневых областей приводит не только к уменьшению коэф­фициента усиления линзы, но и к воз­растанию уровня бо­ковых лепестков, что часто недопустимо. Зонированными делаются не только замедляющие линзы но и волноводные.

Схематически раз­рез ступенчатой волноводной линзы при­веден на рис. 61. На рис. 62 показан вид сзади на антенную систему с зонированной ускоряющей линзой от радиолокационной станции, работающей на волне 1,25 см. Рис. 63 воспроизводит фотографию участка подоб­ной волноводной линзы ступенчатой конструкции.

Следует заметить, что разбивка линз на зоны справед­лива лишь для заданной частоты, поэтому у зонированных замедляющих линз появляется зависимость их параметров от частоты, обусловленная нарушением условия синфазности лучей в раскрыве (выходном отверстии) линзы.

Обычно допускают отклонение фронта волны в раскрыве антенн не более чем на 0,125l₀. В этих условиях рабочая полоса частот зонированной замедляющей линзы Df оказы­вается равной

Df ≈ % (40)

где k — полное число зон.

У ускоряющих же линз, в отличие от замедляющих, зо­нирование увеличивает диапазонность антенны. Объясняется это тем, что у волноводных линз коэффициент преломле­ния п довольно сильно зависит от частоты. Придание же линзе ступенчатой конструкции уменьшает длину пути лучей в частотно-зависимой среде и увеличивает тем самым диа­пазонность антенны. Так, например, принимая допустимым изменение оптического пути лучей в 0,125l₀, мы получаем следующие зависимости, определяющие рабочую ширину полосы частот Df :

Df = % (41)

для незонированной волноводной линзы и

Df ≈ 25 %(42)

для зонированной линзы.

В приведенных формулах n₀ — коэффициент преломленияна расчетной длине волны; d — толщина линзы; l₀ — рас­четная длина волны; k — число зон.

При n₀ ≈ 0,5 и большом числе зон рабочая полоса частот зонированной линзы примерно в 3 раза шире, чем у эквивалентной незонированной линзы.