Большая Советская Энциклопедия (АН) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" (книги бесплатно без регистрации .txt) 📗
Применяемая на СВЧ линзовая антенна (рис. 13) по принципу действия идентична оптической линзе и состоит из собственно линзы и облучателя, установленного в её фокусе F. Линза трансформирует сферический или цилиндрический фронт волны облучателя в плоский. Таким образом на выходе линзы получается плоская поверхность, возбуждённая синфазным электромагнитным полем. Частный случай линзовой А. — рупорно-линзовая А., состоящая из рупора с большим углом раствора (60—70°) и вставленной на его выходе линзы, трансформирующей сферический или цилиндрический фронт волны в рупоре в плоский. При смещении облучателя линзы из фокуса в плоскости, проходящей через фокус и перпендикулярной оси линзы, фронт волны на её выходе поворачивается на определённый угол. Соответственно поворачивается направление максимального излучения. Это свойство линзовой А. используется в радиолокаторах при сканировании диаграммы направленности («качании» направления максимального излучения). В обычных линзовых А. угол поворота направления максимального излучения ограничен вследствие того, что с его увеличением снижается коэффициент использования поверхности. Исключение представляют апланатические линзовые А., отличающиеся тем, что в пределах широкого сектора поворот направления максимального излучения (смещением облучателя) не сопровождается существенным снижением коэффициента использования поверхности. Высококачественные линзовые А. имеют коэффициент использования поверхности 0,5—0,6.
Исключительно большое распространение в области СВЧ получили зеркальные антенны, состоящие из металлического зеркала с профилем параболоида и облучателя. Последний устанавливается в фокусе F параболоида (рис. 14). Параболическое зеркало трансформирует сферический фронт волны облучателя в плоский фронт в раскрыве (на плоской поверхности, ограниченной кромкой зеркала). Тем самым образуется плоская поверхность, возбуждённая синфазным электромагнитным полем. В качестве облучателя применяются слабо направленные А. (рупоры, вибраторы с небольшим рефлектором, спирали и др.). Так же, как и в линзовой А., смещение облучателя из фокуса в плоскости, перпендикулярной оси А., сопровождается поворотом направления максимального излучения. Это свойство также используется в радиолокаторах при сканировании диаграммы направленности. В обычной параболической А. (рис. 14) облучатель находится в поле волн, отражённых от зеркала, что вызывает искажение диаграммы направленности и уменьшение КНД. Такой же отрицательный эффект вызывают конструктивные элементы, поддерживающие облучатель. Во избежание этого часто применяют параболические А. с вынесенным облучателем; в качестве отражателя используется «вырезка» из параболоида вращения, в фокусе F которой устанавливается облучатель (рис. 15). При этом поток электромагнитной энергии, отражённый от зеркала, проходит мимо облучателя и поддерживающих его конструктивных элементов. В радиорелейной связи широкое применение получила рупорно-параболическая А. (рис. 16), являющаяся одним из вариантов зеркальной А. с вынесенным облучателем. В этой А. облучающий рупор и параболическое зеркало составляют единое целое, что практически устраняет утечку энергии за края зеркала. В 60-х гг. 20 в. в радиорелейной связи, космической радиосвязи, радиоастрономии и др. получили широкое распространение двухзеркальные А. (рис. 17), состоящие из основного параболического зеркала, вспомогательного малого зеркала и облучателя. Электромагнитная энергия подводится к облучателю, устанавливаемому у вершины параболоида, и излучается на малое зеркало, после отражения от которого направляется на основное зеркало. Применение вспомогательного зеркала облегчает получение оптимального распределения электромагнитного поля в раскрыве основного зеркала, что обеспечивает максимальное КНД и позволяет уменьшить длину линии, подводящей энергию к облучателю. Существенный вклад в разработку теории и техники двухзеркальной А. сделан советским учёным Л. Д. Бахрахом. Коэффициент использования поверхности хорошо выполненных зеркальных А. равен 0,5—0,7.
Кроме металлических зеркал с профилем параболоида, применяются зеркала с профилем параболического цилиндра, сферы (сферическая А.) и др. Характерная особенность сферической А. — возможность управления направлением максимального излучения в широком секторе углов без существенного уменьшения КНД. Советскими учёными С. Э. Хайкиным и Н. Л. Кайдановским предложена оригинальная зеркальная А. для применения в качестве радиотелескопа. Такой радиотелескоп сооружен в Пулковской обсерватории. Он состоит из передвижного облучателя и набора плоских перемещающихся зеркал, располагаемых по ломаной линии, аппроксимирующей параболу. Путём передвижения облучателя и перестановки зеркал можно в широких пределах управлять направлением максимального излучения.
Одна из характерных А. СВЧ диапазона — щелевая А. в виде замкнутого полого металлического короба с прорезанными в нём щелями. Внутрь короба вводится электромагнитная энергия, излучаемая через щели (щелевые вибраторы) во внешнее пространство. Большое распространение получила синфазная антенная решётка из таких вибраторов. Часто она выполняется в виде радиоволноводапрямоугольного или круглого сечения (рис. 18), в одной из стенок которого прорезаются щели длиной 1/2l, размещаемые таким образом, что они возбуждаются синфазно. КНД таких А. приближённо равен утроенному числу щелей. Щелевые вибраторы не выступают над металлической поверхностью. Поэтому они широко используются в тех случаях, когда это свойство является важным, например на летательных аппаратах.
Большой вклад в развитие теории щелевых А. внесли советские учёные М. С. Нейман, А. А. Пистолькорс, Я. Н. Фельд и др.
Наряду с синфазной А. в диапазоне СВЧ применяют А. бегущей волны, состоящую из системы излучателей, возбуждённых по закону бегущей волны, и имеющую максимальное излучение в направлении её распространения. К А. такого типа относятся спиральная антенна, А. типа «волновой канал», диэлектрическая антенна, А. поверхностной волны (импедансная А.) и др. Импедансная А. обычно состоит из ребристой поверхности и возбудителя. В А., показанной на рис. 19, возбудителем служит рупор. При высоте рёбер меньше 1/4 λ вдоль ребристой поверхности образуется бегущая волна, распространяющаяся со скоростью меньше скорости света. Такая А., как и щелевая, легко может быть сделана невыступающей. КНД А. бегущей волны, применяемых на СВЧ, обычно не превышает 100. В развитии теории и техники импедансных А. существ, роль сыграли работы советских учёных Л. Д. Бахраха, Л. Д. Дерюгина, М. А. Миллера, В. И. Таланова, О. Н. Терешина и др., американского учёного Г. Больяна и др.
В 50—60-е гг. 20 в. в диапазонах коротких, метровых и сантиметровых волн получили распространение частотно-независимые антенны. Эти А. отличаются от А. других типов тем, что они в широком диапазоне (10—20-кратном и более) имеют почти неизменные характеристики (форму диаграммы направленности, КНД, входное сопротивление и др.). Одним из распространённых типов частотно-независимой А. является логопериодическая А., вариант которой показан на рис. 20. Подводимая к А. электромагнитная энергия возбуждает большие токи только в 3—5 вибраторах, имеющих длину, близкую к половине длины рабочей волны. Эта группа вибраторов образует так называемую «активную область» А. С изменением длины рабочей волны соответственно перемещается «активная область» А. Таким образом, отношение линейных размеров этой части А. к длине рабочей волны не изменяется с изменением частоты. Это и является причиной слабой зависимости электрических характеристик А. от частоты. КНД логопериодических А. равно 30—50.
Перспективы развития А. В 60-е гг. 20 в. наметился ряд перспективных направлений развития теории и техники А. Наиболее важные из них: 1) создание антенных решёток из большого числа излучающих элементов (электрических вибраторов, рупоров и др.), каждый из которых подведён к отдельному выходному блоку передатчика, имеющему регулируемый фазовращатель. Управляя соотношением фаз полей в отдельных излучающих элементах, можно быстро менять направление максимального излучения, а также форму диаграммы направленности А. Идентичным образом создаются приёмные антенные решётки из большого числа слабонаправленных А., подключаемых к отдельным входным блокам приёмника. 2) Создание А., основанных на методе апертурного синтеза, заключающегося, в частности, в перемещении одной или нескольких небольших по размерам А. с последовательной фиксацией в запоминающем устройстве амплитуды и фазы принятых сигналов. Соответствующим суммированием этих сигналов можно получить такой же эффект, как от большей А. с линейными размерами, равными длинам путей перемещения малых А. 3) Создание экономичных, легко устанавливаемых А. (зеркальных А., антенн-башен и антенн-мачт и др.) на основе использования металлизированных плёнок, с применением пневматики для придания А. необходимой конфигурации. 4) Широкое внедрение строгих методов анализа и синтеза (проектирование по заданным характеристикам) А. на основе применения электронных вычислительных машин. 5) Развитие статистических методов анализа А.
