asyan.org
добавить свой файл
1

Лекція № 16: “Апертурні антени”



1. Основні поняття та визначення апертурних антен
За незмінної потужності передавача збільшення інтенсивності випромінювання потребує звуження головної пелюстки ДС. У діапа­зоні сантиметрових та коротших хвиль таку задачу можна розв'язати шляхом застосуван­ня апертурних антен.
Апертурою називають розкрив угнутої провідникової поверхні, на якій під впливом спеціального випромінювача збуджуються елект­ричні струми густиною (рис. 1). Ці струми є вторинними джерелами хвиль в апе­ртурі антени, що забезпечує випромінювання лише «вперед».
Для формування односпрямованого випромінювання слід забезпечити синфазне функціону­вання всіх елементів Гюйгенса в апертурі. Для цього криволінійній поверхні апертури потрібно надати спеціальної форми та в особли­вий спосіб розташувати збуджувач, або опромінювач.
Розподіл амп­літуд поля в апертурі антени впливає на форму ДС, а розподіл фаз поля визначає просторове положення її пелюсток. Найпростішою апертурною антеною можна вважати відкритий торець хвилеводу, в якому збуджено, наприклад, хвилю типу .
На рис.2 зображено фрагменти структури електромагнітного поля такої антени та діаг­раму спрямованості F() у площині век­торів і у площині векторів .

Якщо поперечні розміри хвилеводу опти­мальні для хвилі основного типу (a = 0,71λ, b = 0,32λ) , то коефіцієнт спрямованої дії не дуже високий, стано­вить не більше як . Тому її ДС виявляється доволі широкою. Крім того, хвилевід не є узгодженим із навко­лишнім середовищем за значенням вихідного імпедансу.


Рис. 1 Апертура антени



Рис. 2 Відкритий торець хвилеводу

Характеристичний опір хвилеводу з хвилею типу перевищує хвильовий опір вільного простору в  рази, тобто досягає 531 Ом. ТОМУ В ХВИЛЕВОДІ ЗНАЧНА ЧАСТИНА ЕНЕР­ГІЇ ПЕРЕБУВАЄ В РЕЖИМІ СТОЯЧИХ ХВИЛЬ, А ПОТУЖНІСТЬ ВИПРОМІНЮВАННЯ ЗМЕНШУЄТЬСЯ. ДЛЯ ЗВУЖЕННЯ ДС ТА ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ УМОВ УЗГОДЖЕННЯ АНТЕНИ З НАВКОЛИШНІМ ПРОСТОРОМ НЕОБХІДНО ПЛАВНО ЗБІЛЬШУВАТИ ПО­ПЕРЕЧНІ РОЗМІРИ ХВИЛЕВОДУ, ПРИ ЦЬОМУ ЙОГО ТОРЕЦЬ НАБИРАТИМЕ ФО­РМИ СЕКТОРНИХ АБО ПІРАМІДАЛЬНИХ РУПОРІВ (рис.3). Якщо через ℓ позначити найкоротшу відстань від основи (апертури) рупора до умовної точки сходження його ребер, то існують оптимальні розмі­ри розкриву рупора aρ та bρ, при яких він стає узгодженим із просто­ром.



Рис.3 Рупорні антени
За таких умов забезпечуються максимальні значення коефіцієнта D спрямованої дії для H-секторного (див. рис. 2, а), E-секторного (див. рис.2, б) і пірамідального (див. рис.2, в) рупорів. Крім прямокутних існують і конічні рупорні антени, які створюються на основі циліндричних хвилеводів (рис.2, г). Рупорні антени є най­більш широкосмуговими серед апертурних антен, прості за конст­рукцією, характеризуються високим значенням ККД. Ширина го­ловної пелюстки ДС рупорних антен становить від 10 до 20°. Осно­вні їхні параметри подано в табл. 1

Таблиця 1


ПАРАМЕТРИ РУПОРНИХ АНТЕН

Тип рупора

Параметр

Н-секторіальний

Е-секторіальний

Пірамідальний

Конічний

ap



a





bp

b



0,8ap



D

8( ap b /λ2)

8( a bp2)

6,2(ap bp / λ2)

5(dp / λ)2




80(λ / ap)

68(λ / a)

80,2(λ / ap)

70,3(λ / dp)




51(λ / b)

53(λ / bp)

53,3(λ / bp)

60(λ / dp)



ДЗЕРКАЛЬНІ АНТЕНИ (рис. 4) формують ДС із шириною головної пелюстки, що дорівнює одиницям градусів, або меншою у разі дуже великих площ апертури порівняно з квадратом довжини хвилі. Тому їх застосовують у радіолокації, радіонавігації, радіотелеметрії, ра­діоастрономії.

Рис.4 Дзеркальні антени

Дзеркальна антена складається з первинного джерела хвилі — опромінювача 1 [1] та рефлектора 2. Рефлектор формує вторинне поле, він є основним елементом такої антени і називається дзерка­лом. Його профіль, як правило, має форму параболи, для якої оптич­ні шляхи від деякої точки фокуса F до апертури однакові:


Рівняння параболи має вигляд

ρ = 2f /cosφ,
де ρ — радіус параболи;

f — фокусна відстань;

φ — кут між оптичною віссю і радіусом (рис.4, а).
ОПРОМІНЮВАЧ РОЗТАШОВУЄТЬСЯ У ФОКУСІ ПАРАБО­ЛИ І ФОРМУЄ СФЕРИЧНУ ХВИЛЮ. ДЗЕРКАЛО АНТЕНИ ПЕРЕТВОРЮЄ ЇЇ НА ПЛОСКУ ХВИЛЮ. У БУДЬ-ЯКІЙ ТОЧЦІ АПЕРТУРИ ДЗЕРКАЛА ФАЗИ ВТОРИННОЇ ХВИЛІ ОД­НАКОВІ ВНАСЛІДОК РІВНОСТІ ОПТИЧНИХ ШЛЯХІВ, А ШИРОКА ДС ОПРОМІНЮВАЧА ПЕРЕТВОРЮЄТЬСЯ НА ВУЗЬКУ ДС ПАРАБОЛІЧНОГО ДЗЕРКАЛА.
Співвідношення для основних показників дзеркальної антени із круговою апертурою наведено в табл.2.
Якщо глибина дзеркала h більша за фокусну відстань f, то дзеркало є короткофокусним, а в протилежному — довгофокусним.
Оскільки діаметр розкриву dρ знач­но більший за λ, то антена стає гостроспрямованою осьосиметричною із веретеноподібною ДС. Обмеження контуру дзеркальної ан­тени овальною або прямокутною лінією (рис.4, б, в) дає змогу отримати листкоподібну ДС, в якої ширина пелюстки в одній пло­щині менша, ніж в іншій.

Таблиця2

ПАРАМЕТРИ ДЗЕРКАЛЬНИХ АНТЕН

Параметри антени

Кругова апертура

Цілиндрична апертура

dp



ρ

2ƒ / (1 + cos Ф)

D

5,5(dp / λ)2

10(ap dp / λ2)




69(λ / dp)

51(λ / ap)





74,5(λ /dp)


73(λ / dp)


На рис.4 ДС уздовж великої осі параболічного циліндра вуж­ча, ніж уздовж його малої осі. Збуджувачем параболічного цилінд­ричного дзеркала може бути й система точкових випромінювачів, розподілених уздовж його фокальної осі паралельно вісі .
Якщо опромінювач антени з точки F зсунути, наприклад, на відстань Δx у точку , то оптичні шляхи стають неоднаковими (рис.4 , б). При цьому фази хвиль в окремих точках апертури антени стають різни­ми, що буде супроводжуватись відхиленням пелюстки ДС від оп­тичної осі в бік, протилежний зсуву опромінювача.
Конструктивно дзеркала параболічних антен можуть бути суцільними або решітковими. В обох випадках до точності їх виготов­лення висуваються високі вимоги.
Менш жорсткі вимоги до точності виготовлення стосуються діе­лектричних лінзових антен (рис.5), які до того ж характеризу­ються спрощеною системою керування просторовим положенням пелюстки ДС.
Лінза — це пристрій, здатний фокусувати паралельні промені. Саме ця властивість лінз застосовується для створення гостроспрямованих антен із робочими частотами понад 3 ГГц. Система склада­ється з опромінювача і лінзи (оптичної або радіопрозорої).
Опромі­нювач розташовується у фокусі опуклої (ρ ≥ ρ0) або угнутої(ρ ≤ ρ0) лінзи (рис.5, а, б). Поверхня лінзи з боку опромінювача освітлена, протилежна- тіньова.


Радіус параболічної лінзи (рів­няння її профілю) визначається такою формулою:


де — коефіцієнт приломлення речовини лінзи (п = 0,5.. .2).



Рис.5 Діелектричні лінзові антени
Оскільки величина п не залежить від частоти, то діелектричні лі­нзові апертурні антени є широкосмуговими й до того ж нечутливи­ми до зміни поляризації хвиль. Такі антени мають веретеноподібну діаграму спрямованості, що дає змогу використовувати їх у розв'язанні специфічних практичних завдань.
Технічним різновидом опуклої лінзи, ДЛЯ ЯКОЇ ФАЗОВА ШВИДКІСТЬ ХВИЛІ МЕНША ЗА ШВИДКІСТЬ СВІТЛА, Є МЕТАЛОДІЕЛЕКТРИЧНА ЛІНЗА (діелектрик із металевим напи­ленням), для якої n ≥ 1 (рис.5, в)

Різновидом угнутої лінзи, ЩО СТВОРЮЄ ХВИЛЮ З ФАЗОВОЮ ШВИДКІСТЮ, БІЛЬШОЮ ЗА ШВИДКІСТЬ СВІТЛА, Є МЕТАЛОПЛАСТИНЧАСТА ЛІНЗА (рис.5, г). З метою зменшення тов­щини лінзи її зонують - усувають зайві об'ємні фрагменти речови­ни — матеріалу, з якого їх виготовлено.
Основні переваги апертурних лінзових антен такі:

менш жорсткі вимоги до точності виготовлення профілю лінз;
більша порівняно із дзеркальними антенами ефективна площа апертури, оскільки вона не затінюється опромінювачем.
Недоліком лінзових антен є низький порівняно із апертурними антенами ККД та невисокий коефіцієнт підсилення .