Принцип действия и назначение линзовых антенн

Линзовая антенна состоит из электромагнитной линзы и облучателя. Линза представляет собой радиопрозрачное тело, имеющее коэффициент преломле­ния, отличный от единицы. Назначение линзы трансформировать фронт воины, создаваемый облучателем, в плоский и сформировать требуемую диаграмму направленности (ДН). Принципиально линзовые антенны можно использовать для формирования самых различных диаграмм направленности.

Принцип работы линзовых антенн основан на разности скоростей фазового фронта электромагнитной волны в свободном пространстве и непосредствен­но в теле линзы. Фазовая скорость распространения волны в линзе ν_φ может быть больше или меньше скорости света с. В соответствии с этим, линзы под­разделяются на ускоряющие и замедляющие.

Линза, в которой выполняется условие ν_φ > с, называется ускоряющей. Она может быть выполнена в виде набора металлических пластин, отстоящих друг от друга на расстоянии и и параллельных вектору К создаваемой облучателем электромагнитной волны (рис. 1, а, б).

Рис.1. Линзовые антенны, состоящие: а – из ускоряющей металлопластинчатой линзы с круглым плоским излучающим раскрывом и облучателя в виде пирамидального рупора; б – из ускоряющей металлопластинчатой линзы с прямоугольным излучающим раскрывом и линейного облучателя.

Если при этом расстояние между металлическими пластинами а выбрать исходя из условия: 1/2< а < l, где l – длина волны излучения, то фазовая ско­рость распространяющейся между пластинами воины, также как и для волновода, будет определяться выражением

откуда видно, что ν_φ > с. Коэффициент преломления n таких линз лежит обыч­но в пределах: 0< n< 0,86.

В ускоряющих линзах (рис. 1) выравнивание фазового фронта волны проис­ходит за счет того, что участки волновой поверхности часть своего пути прохо­дят в линзе с повышенной фазовой скоростью. Эти участки пути различны для разных лучей. Чем сильнее луч отклонен от оси линзы, тем больший участок пути он проходит с повышенной фазовой скоростью внутри линзы. Таким обра­зом, профиль ускоряющей линзы должен быть вогнутым по отношению к фрон­ту падающей волны. Выходной раскрыв линзы, как правило, делается плоским.

В зависимости от требуемой формы диаграммы направленности выходной излучающий раскрыв линзы может быть круглой или прямоугольной формы, а сама линза в этом случае будет либо сферическая (рис. 1, а), либо цилиндрическая (рис, 1, б). Сферическая линзовая антенна с круглым выходным раскрывом используется для формирования очень узкой (игольчатой) ДН с одинаковой шириной луча главных плоскостях. В качестве облучателей сферических линзовых антенн могут использоваться различные виды однонаправленных излучателей: различные рупоры, открытые концы волноводов, вибраторы е пассивным рефлектором и т.п. Если требуется сформировать веерообразную ДН с разной шириной луча в главных плоскостях, то используют цилиндрическую линзовую антенну, имеющую прямоугольный выходной раскрыв. В этом случае облучатель может быть выполнен в виде линейной системы элементарных синфазных излучателей (щелей, вибраторов), питаемых прямоугольным волноводом. При этом цилиндрическая линза формирует ДН только в одной плоскости, в другой плоскости ДН формирует линейный облучатель. Облучатель обычно располагается так, чтобы его фазовый центр совпадал с фокусом сфе­рической линзы или с фокальной осью цилиндрической линзы. Важно, чтобы возможно большая часть энергии излучения попадала на линзу, а не рассеива­лась в других направлениях и чтобы у поверхности линзы, обращенной к облуча­телю, фронт волны был близок к сферическому или цилиндрическому. Выполнение этого условия позволяет рассматривать облучатель либо как точечный, либо как линейный источник электромагнитных волн.

Поскольку линзовые антенны принципиально позволяют формировать диаг­раммы направленности любой формы, то возможности их применения в технике СВЧ весьма разнообразны. Так, например, линзовые антенны, формирующие уз­кий игольчатый луч ДН, широко применяются в качестве антенных систем радио­локационных станций (РЛС) обнаружения и сопровождения. Цилиндрические лин­зовые антенны, позволяющие формировать веерную ДН, могут использоваться в допплеровских измерителях скорости и сноса (ДИСС) бортовых РЛС, а также в системах картографирования местности. Линзовые антенны с облучателями в виде решетки элементарных излучателей способны формировать многолуче­вые ДН. Такие антенны находят применение в бортовых системах искусствен­ных спутников Земли (ИСЗ) и обеспечивают их связь с наземными станциями, позволяя осуществлять разделение каналов связи.
^