|
| |
|
Слаботочка Книги 3. Пригода Б. А., Коган В. Ф., Маркин А. С. Метод многоступенчатого этало-нирова ия Тезисы докл. 3-й Всес. коиф. Метрологическое обеспечение антенных измерений . ВКАИ-3. - Еревая, 1984. - С. 43-45. 4. Гостюхин В. Л., Нечаев Е. Е., Пригода Б. А. Методы расчета слабонаправленных антенн Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники.-1986. - Вып. 5.- С. 20-25. 5. Докуков И. А., Пригода Б. А., Рунов А. В. Цилиндрическая спиральная ан- тенна с управляемыми характеристиками направленностн Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники.- 1984. - Вып. 1. 6. Калашников И. В., Пригода Б. А., Рунов А. В. Анализ цилиндрической спиральной антенны с экраном сложной формы Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. - 1985. - Вып. 2. 7. Пригода Б. А. Некоторые проблемы построения остронаправленных антенн космических аппаратов. - В кн.: Аппаратура для космических исследований. - М.: Наука, 1972. 8. Валиев X. В., Мотории Е. Н. и др. СВЧ разряд в газе, вызванный синфазным током Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика. - 1987. - Т. 30, № 6. - С. 801-802. ГЛАВА 12. СКАНИРУЮЩИЕ АНТЕННЫ ИЛ ОСНОВЕ ЛИНЗ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ Н. А. БЕЙ 12.1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН Линзовые антенны, часто называемые антеннами оптического типа, всегда привлекали внимание разработчиков простотой конструкции, широкими возможностями формирования ДН различного вида, в том числе многолучевых, и постоянством характеристик в относительно широком диапазоне частот [1]. В последнее время интерес к линзовым антеннам объясняется также актуальностью задач создания радиосистем для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Очевидно, что преимущества линзовых антенн по мере увеличения рабочей частоты становятся все более существенными. Однако электрическое управление ДН таких антенн наталкивается на значительные трудности, не позволяющие добиться желаемых результатов, например применение облучателей с управляемыми ДН. Следует отметить, что .целесообразность применения тех или иных антенн оптического типа с электрически управляемыми ДН определяется результатами сопоставления их характеристик с соответствующими характеристиками ФАР. Основной особенностью ФАР, определяющей широкие возможности управления формой ДН и направлением луча (сканирования лучом), является практически независимое электрическое управление фазами (иногда и амплитудами) сигналов в каналах излучателей. Однако указанное преимущество ФАР по сравнению с имеющими непрерывный раскрыв антеннами (линзовыми, зеркальными, рупорными и т. д.) достигается весьма дорогой ценой, определяемой не только конструктивными и технологическими трудностями построения антенны, но и практически неустранимыми потерями при делении сигнала на ряд каналов в распределительном устройстве и при суммировании а излучающей стороне решетки. Серьезные трудности возникают при создании ФАР в миллиметровом диапазоне волн. Высокая стоимость ФАР является одной из главных причин, препятствующих расширению их применения. Указанные обстоятельства стимулируют поиск и разработку иных по сравнению с ФАР технических решений и средств электрического управления ДН остронаправлениых антенн СВЧ диапазоне. Одним из таких решений является построение имеющих непрерывный раскрыв антенн на основе линз с электрически управляемым показателем преломления. Линзовые антенны являются апертурными антеннами оптического типа. Линзы преобразуют волну с неплоским (например, сферическим) фазовым фронтом в волну с плоским фазовым фронтом или наоборот. Такие линзы называют фокусирующими. Применяются также линзы со сложной формой поверхности, формирующие ДН специального вида. Линзовая антенна состоит из облучателя и линзы. Облучатель должен иметь диаграмму, обеспечивающую требуемое амплитудное распределение на излучающей поверхности и минимум потерь энергии на переливание за края линзы. В качестве облучателей применяют пирамидальные рупоры, вибраторы с рефлекторами, спиральные антенны и другие слабонаправленные излучатели. В радиодиапазоне используются замедляющие и ускоряющие линзы. Бели фазовая скорость V{ волн в линзе меньше, чем в окружающей среде V, линза называется замедляющей; если больше-ускоряющей. Линза, показатель преломления n = v/Vi во всем объеме которой одинаков, называется однородной. В противном случае линза называется неоднородной. Если показатель преломления линзы изменяется во времени под действием каких-либо управляющих сигналов, то линза называется управляемой (или линзой с электрически управляемым показателем преломления). Управляемые линзы также разделяются на однородные и неоднородные. Преломляющие (но не фокусирующие) устройства с управляемым показателем преломления, называемые дефлекторами, уже сравнительно давно используются в оптике [2]. В призменных дефлекторах под воздействием внешнего электрического поля показатель преломления изменяется одновременно во всем объеме призмы, а в брэгговских дефлекторах показатель преломления под воздействием ультразвука изменяется по гармоническому закону и таким образом образуется дифракционная решетка. Представляется весьма заманчивым использование для управления радиолучом принципов, заложенных в указанных относительно простых по конструкции и технологичных оптических устройствах. Однако подобные устройства в случае необходимости электрического сканирования лучом в широком секторе углов имели бы в радио- диапазоне неприемлемо большие размеры, в чем нетрудно убедиться, проведя элементарные расчеты. Имеется и ряд других причин, обусловленных прежде всего характеристиками используемых в радиодиапазоне диэлектриков, по которым непосредственное перенесение принципов управления оптическим лучом в радиодиапазон не представляется возможным. Как будет показано, продольные размеры управляемых радиолинз можно сделать достаточно малыми, если использовать специальные законы изменения показателя преломления, реализовать которые в оптических устройствах, к сожалению, невозможно. Но главной исходной предпосылкой, определяющей возможности создания управляемых радиолинз, является наличие сред с управляемым в достаточно широких пределах показателем преломления. 12.2. СРЕДЫ С УПРАВЛЯЕМЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ К сплошным средам с управляемым показателем преломления, используемым в диапазоне СВЧ, относятся ферриты, сегнетоэлектрики и полупроводники. Для построения линз в настоящее время используются главным образом ферриты. Изменение показателя преломления ферритовой среды происходит под действием магнитного поля. Известно, что при продольном намагничивании в такой среде наблюдается эффект вращения плоскости поляризации (эффект Фа-радея), в связи с чем ферритовые линзы с продольным намагничиванием (вдоль оптической оси линзы) работают на волнах с круговой поляризацией. При поперечном относительно направления распространения электромагнитной волны намагничивании также возможно управление показателем преломления если распространяющаяся СВЧ волна поляризована в плоскости, ортогональной направлению намагничивания. Линзы иа основе сплошных ферритовых сред весьма громоздки и поэтому применяются лишь в миллиметровом диапазоне воли. На более длинных волнах используют искусственные диэлектрики, выполненные в виде периодической системы из ферритовых пластин или стержней (рис. 12.1). Как и в сплошных средах, управление показателем преломления без поляризационных иска-  Рис. 12.1 жений в среде из продольно намагниченных ферритовых элементов возможно только при круговой поляризации электромагнитной волны. С помощью сред из поперечно намагниченных ферритовых элементов можно управлять линейно поляризованными волнами обоих направлений поляризации, а при использовании круглых азимутально намагниченных стержней (рис. 12.1,а) - волнами с произвольной поляризацией. Среды, представляющие собой периодические системы из двухслойных встречно намагничиваемых ферритовых пластин (рис. 12.1,6), позволяют управлять фазовыми скоростями воли, поляризованных в параллельной пластинам плоскости. Эффективное значение показателя преломления сегнетоэлектрика изменяется нод действием электростатического поля. Линзы нз этого материала могут быть выполнены как в виде сплошных тел, так и в виде периодических структур из стержней или пластин. Основным недостатком таких устройств являются нестабильность их характеристик в диапазоне температур, технологические трудности обеспечения требуемой воспроизводимости свойств и необходимость применения высоких управляющих напряжений. Возможности использования сплошных сред иа основе полупроводников в настоящее время еще не исследованы. Управлять показателем преломления искусственного диэлектрика, выполненного в виде периодических систем из проводников или сеток, можно изменением геометрических размеров образующих их элементов с помощью коммутаторов (например, с помощью полупроводниковых диодов) [4]. На рис. 12.1,в изображен искусственный диэлектрик, представляющий собой периодическую систему из сплошных проводников и проводников с последовательно включенными коммутирующими диодами. При открытых диодах показатель преломления ориентировочно может быть рассчитан по тем же соотношениям, что и для системы из сплошных проводников. При закрытых диодах проводники, в которые они включены, могут рассматриваться как коллинеарно расположенные диполи (вибраторы), характеристики которых определяются их длиной 2/г, т. е. периодом включения диодов. В [5] описаны искусственные диэлектрики иа основе жидкостей со взвешенными мельчайшими металлическими частицами. Для рабочих частот, соответствующих миллиметровому диапазону воли, в качестве жидкого диэлектрика используются ноиан, гексан, гептан и другие подобные вещества. Металлические частицы имеют форму вытянутых эллипсоидов. В отсутствие каких-либо внешних воздействий они ориентированы хаотически и эффективная диэлектрическая проницаемость такого искусственного диэлектрика близка к диэлектрической проницаемости жидкости (е 2). Ориентация металлических частиц достигается с помощью внешнего электрического поля. Если большинство частиц ориентировано большой осью в направлении вектора электрического поля СВЧ волиы, то эффективная диэлектрическая проницаемость возрастает. Предполагается, что показателем преломления можно управлять с помощью системы пронизывающих диэлектрик проводников. Для предотвращения слипания металлических частиц жидкость должна циркулировать, а управляющее напряжение должно быть переменным. В качестве обобщенных параметров, характеризующих управляемую среду, используются [9] коэффициент связи С=уч-7ы; активность Д7=7+ч-У~ч. Здесь обозначено: 7, и ун-замедления фазовых скоростей основных типов воли ( четной и нечетной ) в управляемой среде с одинаковым во всем объеме значением показателя преломления, равным среднему значению при периодическом в поперечном направлении изменении характеристик управляемой среды. Под четной волной понимается волиа со сдвигом фазы i)=0 на периоде системы d; нечетной волне соответствует 1]з = я. Замедления у определяются отношениями фазовых скоростей волн в рассматриваемой среде к фазовой скорости волиы во внешней области. Для сплошной однородной среды с относительной диэлектрической проницаемостью 8 в соответствии с введенным определением замедление фазовой скорости плоской однородной ( четной ) волны численно равно показателю преломления {уч=Уе = п), а замедление переменно-фазовой ( нечетной ) волны Yh= T/i=r Для сред с электрически управляемой диэлектрической проиицаемостьк при расчетах уч и ув используется среднее значение диэлектрической проницаемости ecp = 0,5(emin-l-emax). Для ферритовых сред расчет ведется исходя из величины диэлектрической проницаемости размагниченного феррита еф. Коэффициент связи характеризует степень - взаимодействия по электромагнитным полям между соседними областями среды, отличающимися показателем преломления. Чем сильнее связь (т. е. чем больше коэффициент С), тем сложнее закон изменения показателя преломления внутри лиизы, обеспечивающий требуемый наклон фазового фронта волиы на выходе и, следовательно, направление излучения. В соотношении, определяющем активность среды, у+ч и уч - предельные значения (максимальное и минимальное) замедлений фазовых скоростей вол низшего типа при двух крайних состояниях управляемой среды, соответствующих, например, двум направлениям намагничивания ферритовых элементов илв двум положениям ключей (замкнутому и разомкнутому) в средах из управляемых проволочных структур. Поскольку у+ц и у-ц соответствуют максимальному и минимальному значениям показателя преломления; то значение Ау= Расчет характеристик сред из ферритовых стержней и пластин проводится с использованием строгих методов электродинамики. Алгоритмы расчета замедлений фазовых скоростей собственных волн двумерно-периодических решеток из продольно- и поперечно-намагниченных ферритовых стержней описаны в [7, 8]. Там же приведены графики, характеризующие фазовые скорости основных волн решеток из ферритовых стержней и позволяющие определить величины С и Ау. Численный анализ характеристик сред из ферритовых стержней показывает, что максимальные значения активности Ду достигаются при диаметрах поперечно-намагниченных стержней 2а= (0,25 ... 0,28) V Характерной особенностью рассматриваемых управляемых сред является также и то, что с уменьшением расстояния между стержнями {d<iO,6K) при поперечном намагничивании активность быстро уменьшается. Резкое уменьшение активности при уменьшении диаметра стержней или периода системы совпадает с началом быстрого возрастания коэффициента связи. В системе ферритовых пластин активность уменьшается и коэффициент связи возрастает как при увеличении, так и пр уменьшении их поперечных размеров по отношению к значению, которое соответствует максимальному Ду уединенного волновода. Для систем из ферритовых стержней в области малых диаметров 2а и периодов d коэффициент связи существенно зависит от поляризации волны. 0,1*
О,/2 0,08 0,1*5 0,6 0,75 Рис. 12.2 На рис. 12.2 приведены значения Ду <сплошные линии) и С (штриховые) в диапазоне частот для периодической системы из ферритовых пластин (а) и из поперечно-намагниченных ферритовых стержней (б). Анализ зависимостей, характеризующих в широком диапазоне длин волн активность сред типа периодических систем с различными геометрическими параметрами, показывает, что в области £(> (0,6 ... 0,7)Х, значение Лу изменяется в сравнительно небольших пределах (рис. 12.2). Это создает предпосылки для построения на основе таких сред широкодиапазонных управляемых линз [9]. Величины С и Ду практически одинаковы при распололении стержней в узлах прямоугольной и гексагональной сеток, если равны коэффициенты заполнения Кз, определяемые соотношениями k = nalQl,8d\, где и - расстояния между осями стержней в прямоугольной и гексагональной сетках. Закон изменения показателя преломления в средах типа периодических систем из ферритовых элементов примерно соответствует закону изменения -намагниченности, если коэффициент связи относительно мал (С<0,1). Намагниченность ферритовых элементов характеризуется величиной недиагонального компонента тензора магнитной проницаемости феррита . Таки.м образом, закон изменения х от элемента к элементу определяет изменение показателя преломления. В [5] приведены результаты экспериментальных исследований жидких диэлектриков со взвешенными металлическими частицами. На частоте /=95 ГГц такой диэлектрик характеризуется величинами Л7=1,1 и С = 0,4; потери в нем не превышают 0,5 дБ/см. Кроме рассмотренных управляемых сред могут применяться также полупроводниковые материалы со свободными носителями заряда, плазма газового разряда, полярные жидкости. Однако их свойства в диапазоне СВЧ еще требуют изучения для определения возможностей использования в управляемых линзах. 12.3. СТРУКТУРА АНТЕННЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЛИНЗОЙ На основе рассмотренных управляемых сред в принципе возможно создание как неоднородных, так и однородных управляемых линз. Однако последние, как нетрудно убедиться, не обеспечивают сканирование лучом в широком секторе углов, весьма громоздки и нетехнологичны. Неоднородные управляемые линзы свободны от перечисленных недостатков. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 [44] 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |