|
| |
|
Слаботочка Книги в общем .случае неоднородная управляемая линза должна выполнять два основных преобразования проходящей через нее волны; преобразовывать излучаемую облучателем волну в волну с плоским фазовым фронтом (т. е. осуществлять фокусировку) и затем изменять наклон плоского фазового фронта на требуемый угол. В соответствии с такой последовательностью преобразований волнового франта управляемую линзу можно выполнить в виде двух последовательно расположенных элементов: фокусирующей неуправляемой линзы и управляемого элемента, с помощью которого осуществляется электрическое сканиройание лучом. Схематично такая линза показана на рис. 12.3,а, где обозначнено: / - облучатель; 2 - фокусирующая линза с постоянным показателем преломления; 3 - линза с управляемым показателем преломления. Следует заметить, что разделение линзы на два элемента не является обязательным. Функции фокусировки и управления лучом может выполнять управляемый элемент, но закон изменения показателя преломления не будет периодическим. Для упрощения дальнейших рассуждений следует придерживаться схемы, изображенной на рис. 12.3, и называть управляемый элемент линзой с управляемым показателем преломления, полагая, однако, что линза только изменяет наклон фазового фронта плоской волны. Учитывая это, ограничивающие управляемую линзу поверхности целесообразно сделать плоскими. Количественную оценку свойств линзы удобно производить, если использовать разложение поля на выходе в ряд Фурье по пространственным гармоникам. Спектры гармоник на входе и выходе условно показаны на рис. 12.3,6,0. Амплитуды пространственных гармоник углового спектра поля на выходе линзы обозначим 1т, где индекс т принимает значения 0; ±1; ±2... и соответствует индексу в обозначениях углов 9т. Эти  о в о . в яения соответствуют плоским волнам, распространяющимся под углами em = arcsin(2nm/ ;Z)), где т = 0, ±1, dz2, ...; D - период изменения показателя преломления в поперечном направлении. Задача состоит в отыскании таких параметров слоев, при которых падающее на линзу поле, имеющее нулевую спектральную составляющую /о, преобразовывается в электромагнитное поле с одной спектральной составляющей, сдвинутой на определенный угол. В общем случае линза рассеивает падающую волну /о по множеству плоских волн, т. е. на выходе электромагнитное поле имеет сложный спектральный состав (см. рис. 12.3). Линза тем более эффективна, чем меньшая часть энергии возбуждающего поля приходится на паразитные спектральные составляющие. Управляемые линзы с плоскими поверхностями разделяют по законам изменения показателя преломления на две основные группы: продольно-однородные и продольно-неоднородные. Предполагается, что в обеих группах показатель преломления в поперечном относительно распространяющейся волны направлении изменяется по периодическому закону. Конструктивно проще реализуется линза, в которой в продольном направлении показатель преломления изменяется скачком при переходе от одного слоя к другому (многослойная линза). В результате аналитических и численных исследований основных закономерностей, свойственных управляемым линзам, установлено, что для эффективного отклонения луча на большие углы линза должна содержать по меньшей мере два продольно-однородных слоя [9], функциональное назначение которых поясняется рис. 12.4. Трансформация плоской однородной волны, распространяющейся вдоль оси Z системы, в волну с наклонным фазовым  фронтом осуществляется в два этапа: сначала волна преобразовывается в две плоские однородные волны, распространяющиеся в разных направлениях под одинаковыми углами относительно оси Z (совокупность этих волн на границе раздела слоев 1 и 2 дает переменно-фазовую волну, условно изображенную на рисунке волнистой линией), а затем с помощью слоя 2, выполняющего роль дефлектора Брэгга [2], компенсируется поле излучения одной из этих волн. Указанные преобразования плоских волн соответствуют следующей схеме: /o->-/-i-i--/-i->-/+i. Необходимым условием таких преобразований является вдвое больший период изменения показателя преломления в первом слое линзы по сравнению с периодом изменения показателя преломления во втором слое. В большинстве случаев целесообразно в первом слое изменять показатель преломления по закону меандра, а во втором - по Пилообразному закону (см. рис. 12.4). В однослойных линзах близким к оптимальному является пилообразный закон изменения показателя преломления. Толщина слоев двухслойной линзы должна быть выбрана такой, чтобы максимальный управляемый набег фазы равнялся я. Это значение должно определяться с учетом закона изменения показателя преломления по результатам строгого электродинамического анализа или экспериментально. Численный анализ характеристик управляемой линзы показал также, что скачки показателя преломления в слоях линзы желательно сдвинуть друг относительно друга на значение, равное 0,U при малых углах отклонения луча [9]. В однослойной линзе максимальный управляемый фазовый сдвиг должен составлять при периодическом законе изменения показателя преломления, как и в ФАР, не менее 2я. Наиболее близким к оптимальному при малых углах отклонения луча является пилообразный закон изменения величины показателя преломления, обеспечивающий достаточно высокую линейность фазового распределения в рас- град 60 в =т sin \1д  Однослойная линза 1 L 0,25 0,5 Рис. 12.5 0,75 1,0 С/ЛГ крыве линзы. Двухслойные линзы сложнее однослойных, поэтому их применяют только в случае, когда управляемая среда характеризуется большим значением коэффициента распределенной связи, вследствие чего однослойные линзы неэффективны из-за искажений поля на выходе при больших углах отклонения луча. На рис. 12.5 показаны границы между областями / и 2, в которых достаточно эффективно работают однослойные (/) и двухслойные (2) линзы. Границы соответствуют предельному уменьшению КНД линзы из-за искажений поля в ее раскрыве примерно на 1... 1,5 дБ. Толщины слоев управляемой линзы ориентировочно могут быть определены с помощью соотношений: однослойная линза л; 1,5 А,/Ду; fL,i; 0,4VAy, двухслойная линза I ,---- [L,2 0,75?1/ 2р sinЭгл/Аулср, где X - длина волны в окружающей линзу среде; Пср - среднее значение показателя преломления в слое линзы. Переход при изменении угла отклонения луча в область, где эффективна линза с меньшим числом слоев, означает, что один из слоев становится неуправляемым или два соседних слоя управляются идентично. Период изменения показателя преломления в слоях линзы (см. рис. 12.5) определяется углом отклонения луча, и если сброс фазы происходит по достижении значения 2я, то /)5!п9гл = А,. Если управляемая среда представляет собой периодическую систему, например, из ферритовых стержней, то период расположения последних выбирается так же, как и период расположения излучателей в ФАР. Это обусловлено необходимостью исключения возможности появления побочных дифракционных максимумов в ДН из-за наличия неизбежной модуляции амплитудного распределения поля в раскрыве линзы с периодом, равным периоду расположения элементов управляемой среды. Линза с возбуждающим устройством и со свободным пространством согласуется или с помощью системы согласующих конусов (если управляемая среда представляет собой периодическую систему из линий поверхностных волн), или четвертьволновыми слоями, параметры которых определяются исходя из значения ср для слоя управляемой среды. 12.4. ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙ АНТЕНН С УПРАВЛЯЕМЫМИ ЛИНЗАМИ В [6, 9] приведено описание ФАР из рупорных излучателей с управляемыми ферритовыми линзами. Раскрыв каждого из рупоров имеет размер в несколько длин волн. Конструктивно излучатели представляют собой усеченные пирамиды, боковые поверхности которых металлизированы. Продольное намагничивание ферритовых пирамид (линз) осуществляется с помощью внешних соленоидов, примыкающих к боковым поверхностям пирамид торцами своих магнитопроводов. Закон изменения намагниченности феррита в поперечном направлении должен быть близок к линейному с тем, чтобы и показатель преломления линзы изменялся по линейному закону. Антенна работает на волнах с круговой поляризацией. Описан пятиэлементный макет такой ФАР, и приведены результаты его испытаний на частоте 70 ГГц. Луч в секторе 50° отклоняется за 50 мс. Ширина главного лепестка ДН составляет 2°, уровень боковых лепестков -9,5 дБ, коэффициент эллиптичности поляризации поля не превышает 1 дБ. Такой антенне свойственны недостатки, обусловленные значительными искажениями поля в раскрыве при отклонении луча. Искажения поля обусловлены не только трудностями обеспечения требуемого закона изменения намагниченности ферритовой линзы в поперечном направлении, но и тем, что энергия проходящей через такую неоднородную линзу волны концентрируется в области с большим показателем преломления. Этот недостаток свойственен всем линзам, в которых показатель преломления изменяется непрерывно в поперечном направлении. Ферритовые линзы такого типа получили название линз с градиентным изменением показателя преломления. Характер искажений фаз и амплитуд в раскрыве таких линз исследован в [9]. В [3] приведены результаты разработки антенны с электрическим сканированием лучом в плоскости вектора Е. Антенна представляет собой -плоскостной рупор с корректирующей фазовый фронт диэлектрической линзой. В раскрыве рупора установлена квазиоптическая линза с электрически управляемым показателем преломления, выполненная в виде отрезка прямоугольного волновода, внутри которого расположена ферритовая пластина. Пластина прижата к стенке волновода из тонкой алюминиевой фольги. С обратной стороны к этой стенке примыкает магнитопровод, в пазах которого расположены управляющие проводники. Тонкая металлическая фольга имеет малое магнитное сопротивление, и вокруг проводника образуется замкнутый магнитопровод. В такой конструкции в результате пропускания тока через проводник участок ферритовой пластины, близлежащий к проводнику, оказывается намагниченным пропорционально величине тока. По принципу работы такая антенна аналогична излучателю, описанному выше. Испытания макета антенны проводились на частоте 10 ГГц. Толщина ферритовой пластины равнялась 3,8 мм при диэлектрической проницаемости феррита еф=12; высота волновода 19,7 мм; толщина линзы 153 мм. При ширине раскрыва 5Х было осуществлено сканирование лучом в секторе 30°. Потери в линзе достигали 3 дБ, и при отклонении луча наблюдались значительные искажения амплитудного распределения поля в раскрыве. Следует учитывать, что увеличение размеров излучающего раскрыва таких линз вряд ли возможно из-за необходимости одновременного увеличения продольного размера ферритовой пластины, вследствие чего возрастут потери и искажения поля в раскрыве. Можно уменьшить искажения поля в раскрыве и расширить сектор сканирования, если применить рассмотренные выше двухслойные линзы с более сложными законами изменения показателя преломления [9]. Такие законы использовались при управлении лучом линзы на основе взвеси металлических частиц в жидком диэлектрике [10]. Антенна с управляемой линзой на основе взвеси металлических частиц в жидком диэлектрике изображена на рис. 12.6. Управляемая линза выполнена в виде широкой в Я-плоскости полости/с диэлектрическими стенками, заполняемой взвесью. Полость устанавливается перед раскрывом Я-секториального рупора 2 и выполняет функции фокусирующей линзы и сканирующего устройства одновременно. Для управления диэлектрической проницаемостью взвеси на верхней и нижней широких стенках линзы методами печатной технологии наносятся матрицы управляющих электродов 6, соединенных с системой управления разъемом 5. Управление законом изменения показателя преломления в такой линзе осуществляется подачей переменного напряжения с постоянной амплитудой на соответствующие (в зависимости от требуемого закона) электроды. Линза экранирована нанесенным поверх электродов и на боковые стенки слоем металлизации 7 и согласована со свободным пространством с помощью диэлектрического трансформатора 3. Для предотвращения оседания металлических частиц помимо использования переменного управляющего напряжения осуществляется постоянная прокачка взвести через штуцеры 4. В изготовленном и испытанном макете линзы управляющие электроды располагались группами с периодом 0,65А, и образовывали три ряда (три слоя), позволяющих дискретно изменять фазу на я; 0,5я и 0,25я. Слой, изменяющий фазу на я, был размещен ближе к возбудителю. Антенна обеспечивала сканирование лучом в секторе ±25° в длинно- и средневолновой частях миллиметрового диапазона. Испытаны подобные описанному макеты антенн, работающие в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн. На рис. 12.7 схематично изображена рупорно-линзовая антенна с ферритовой линзой [9]. Линза состоит из ферритовой пластины /, согласованной четвертьволновыми трансфор.маторами 3, и рупора 4. Фазорегулирующие области линзы намагничиваются азимутально е помощью пронизывающих ферритовую пластину   Рис. 12.6 Рис. 12.7 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 |