Линзовые антенны.

В линзовых антеннах используются оптические свойства электромагнитных волн, поскольку размеры и радиусы кривизны поверхности линзовых антенн обычно много больше длины волны. Для антенн линз характерно, то, что в них цилиндрический или сферический фронт волны преобразуется в плоский.

На рисунке показана диэлектрическая линза, на которую от источника F (облучателя) падает сферическая волна.

Преломляясь на выпуклой освещенной поверхности линзы, сферический фронт волны преобразуется в ней в плоский при одновременном укорочении длины волны в диэлектрике . Выходная поверхность линзы является плоской, и по выходу из нее фронт волны остается плоским. Поскольку размеры выходной поверхности линзы велики по сравнению с длиной волны, излучение ее оказывается остронаправленным.

Определим форму профиля линзы. Пусть луч из точки F падает в точку Р поверхности линзы и характеризуется углом падения a и углом преломления b. Эти углы определяются по отношению к местной нормали к освещенной поверхности линзы. На основании закона преломления лучей

sina=nsinb,

где - коэффициент преломления диэлектрика.

Уравнение профиля линзы можно найти из условия постоянства длины оптического пути (электрической длины) от преобразуемой к преобразованной поверхности равных фаз по любому направлению, т.е. FР=FQ+nQQ'. Отсюда получаем r=f+n(rcosQ-f) или

r=(n-1)f/(ncosQ-1) (1),

где f-фокусное расстояние, т.е. расстояние от фокуса F до вершины линзы Q; Q-угол между осью линзы и лучом; r-расстояние от фокуса до текущей точки поверхности линзы.

Уравнение (1) представляет собой уравнение гиперболы. Таким образом, выпуклая поверхность диэлектрической линзы должна иметь гиперболическую форму. Толщина линзы d определяется по оптическрму пути и связана с её диаметром D_Л соотношением

, (2)

где Q_max - угол между осью линзы и направлением из фокуса в крайнюю точку профиля.

Угол 2Q_max , под которым из фокуса видны края линзы, часто называют углом раскрыва линзы. Формулы (1) и (2) позволяют рассчитать профиль и найти геометрические размеры линзы.

Диэлектрические линзы являются широкополосными, если коэффициент преломления не зависит от частоты на сантиметровых волнах эти линзы применяются редко из-за большой массы и трудности изготовления и трудности изготовления.

Линзы Люнеберга. Среди линзовых антенн уникальными свойствами обладают линзы из неоднородного диэлектрика со сферической симметрией, называемые по имени автора линзами Люнеберга. Установлено, что если показатель преломления в сферической линзе изменяется вдоль радиуса по закону :

(1),

гдеR_max – радиус сферы, R – текущий радиус точки внутри сферы,

то такая линза превращает сферический фронт волны точечного источника I,расположенного на поверхности сферы , в плоский фронт волны.

Перемещая первичный источник (например, открытый конец волновода или рупор)по поверхности сферы, можно перемещать луч антенны по всем направлениям без искажений формы ДН. Однако чаще сферическую линзу Люнеберга снабжают решеткой облучателей, каждому из которых соответствует своя неподвижная остронаправленная ДН. Возникает так называемая многолучевая антенная система, способная обслуживать одновременно и независимо несколько передатчиков или приемников. Возможно осуществлять непрерывный радиолокационный контроль окружающей обстановки в широком секторе углов, а также вести направленную радиосвязь с многими корреспондентами.

В конструктивном отношении линза Люнеберга может представлять собой набор однородных концентрических слоев и радиочастотной пенокерамики, причем плотность слоев должна уменьшатся от центра к периферии, чтобы обеспечить аппроксимацию закона изменения показателя преломления (1). Наряду со сферическими существуют и цилиндрические линзы Люнеберга, допускающие неискаженное перемещение луча только в одной плоскости.