Линзовая антенна

Микроволновая антенна

Линзовая антенна E-plane радара сопровождения целей для зенитной ракеты ВВС США Nike Ajax , 1954 г.

Диэлектрическая линзовая/рупорная антенна в радиотелескопе Atacama Millimeter Array

Линзовая антенна — это направленная антенна , которая использует сформированный кусок материала, прозрачного для микроволн , для преломления и фокусировки микроволн путем преломления , как оптическая линза делает для света. ^[1] Обычно она состоит из небольшой антенны-фидера, такой как патч-антенна или рупорная антенна, которая излучает радиоволны, с куском диэлектрика или композитного материала спереди, который функционирует как собирательная линза для коллимации радиоволн в луч. ^[2] И наоборот, в приемной антенне линза фокусирует входящие радиоволны на антенну-фидер, которая преобразует их в электрические токи, которые подаются на радиоприемник . Они также могут питаться от массива антенн-фидеров, называемого решеткой фокальной плоскости (FPA), для создания более сложных диаграмм направленности.

Для генерации узких лучей линза должна быть намного больше длины волны радиоволн, поэтому линзовые антенны в основном используются на высокочастотном конце радиоспектра , с микроволнами и миллиметровыми волнами , чьи малые длины волн позволяют антенне быть управляемого размера. Линза может быть изготовлена ​​из диэлектрического материала, такого как пластик, или из композитной структуры металлических пластин или волноводов . ^[3] Ее принцип работы такой же, как у оптической линзы: микроволны имеют разную скорость ( фазовую скорость ) внутри материала линзы, чем в воздухе, так что переменная толщина линзы задерживает микроволны, проходящие через нее, на разную величину, изменяя форму волнового фронта и направление волн. ^[2] Линзовые антенны можно разделить на два типа: задерживающие линзовые антенны , в которых микроволны распространяются медленнее в материале линзы, чем в воздухе, и быстрые линзовые антенны , в которых микроволны распространяются быстрее в материале линзы. Как и в случае с оптическими линзами, геометрическая оптика используется для проектирования линзовых антенн, и различные формы линз, используемых в обычной оптике, имеют аналоги в микроволновых линзах.

Линзовые антенны имеют сходство с параболическими антеннами и используются в аналогичных приложениях. В обоих случаях микроволны, излучаемые небольшой антенной-фидером, формируются большой оптической поверхностью в желаемую конечную форму луча. ^[4] Они используются реже, чем параболические антенны, из-за хроматической аберрации и поглощения микроволновой мощности материалом линзы, их большего веса и объема, а также сложности изготовления и монтажа. ^[3] Они используются в качестве коллимирующих элементов в микроволновых системах с высоким коэффициентом усиления, таких как спутниковые антенны , радиотелескопы и радары миллиметрового диапазона , и устанавливаются в апертурах рупорных антенн для увеличения коэффициента усиления .

Типы

Микроволновые линзы можно разделить на два типа по скорости распространения радиоволн в материале линзы: ^[2]

• Замедляющая линза (линза замедления волн) : в этом типе радиоволны распространяются медленнее в среде линзы, чем в свободном пространстве; показатель преломления больше единицы, поэтому длина пути увеличивается при прохождении через среду линзы. Это похоже на действие обычной оптической линзы на свет. Поскольку более толстые части линзы увеличивают длину пути , выпуклая линза является собирающей линзой, которая фокусирует радиоволны, а вогнутая линза является рассеивающей линзой, которая рассеивает радиоволны, как в обычных линзах. Замедляющие линзы состоят из

• Диэлектрические материалы
• Конструкции пластин H-плоскости

• Быстрая линза (быстроволновая линза) : в этом типе радиоволны распространяются в среде линзы быстрее, чем в свободном пространстве, поэтому показатель преломления меньше единицы, поэтому длина оптического пути уменьшается при прохождении через среду линзы. Этот тип не имеет аналога в обычных оптических материалах, это происходит потому, что фазовая скорость радиоволн в волноводах может быть больше скорости света. Поскольку более толстые части линзы уменьшают длину пути, вогнутая линза является собирающей линзой, которая фокусирует радиоволны, а выпуклая линза является рассеивающей линзой, противоположной обычным оптическим линзам. Быстрые линзы состоят из

• Конструкции пластин E-плоскости
• Метаматериалы с отрицательным показателем преломления

Основные типы конструкций линз: ^{[5] [6]}

• Естественная диэлектрическая линза — линза, изготовленная из куска диэлектрического материала. Из-за большей длины волны микроволновые линзы имеют гораздо большие допуски формы поверхности, чем оптические линзы. Часто используются мягкие термопластики, такие как полистирол , полиэтилен и оргстекло , которые можно формовать или поворачивать до нужной формы. Большинство диэлектрических материалов имеют значительное затухание и дисперсию на микроволновых частотах.
• Искусственная диэлектрическая линза — имитирует свойства диэлектрика в микроволновом диапазоне с помощью трехмерного массива небольших металлических проводников, таких как сферы, полоски, диски или кольца, подвешенных в непроводящей опорной среде.

Метаматериал , состоящий из массива разделенных колец, для преломления микроволн.

• Ограничительная линза - линза, состоящая из металлических листов, каналов или других структур, которые управляют направлением микроволн. Они используются с линейно поляризованными микроволнами.

• Металлическая пластинчатая линза в плоскости Е - линза, изготовленная из близко расположенных металлических пластин, параллельных плоскости электрического или поля Е. Это светосильная линза.
• Линза из металлической пластины в плоскости H - линза, изготовленная из близко расположенных металлических пластин, параллельных плоскости магнитного или поля H. Это линза задержки.
• Волноводная линза - линза, изготовленная из коротких отрезков волновода разной длины.

• Линза зоны Френеля - плоскаяпластина зоны Френеля, состоящая из концентрических кольцевых колец из листового металла, блокирующих чередующиесязоны Френеля. Ее можно легко изготовить из медной фольги напечатной плате. Эта линза работает за счетдифракции, а нерефракции. Микроволны, проходящие через промежутки между пластинами,конструктивно интерферируютв фокальной плоскости. Она имеет большуюхроматическую аберрациюи поэтому является частотно-специфичной.
• Линза Люнеберга — сферическая диэлектрическая линза со ступенчатым или градиентным показателем преломления, увеличивающимся к центру.^[7] Антенны с линзой Люнеберга обладают несколькими уникальными особенностями:фокусная точкаи антенна-фидер расположены на поверхности линзы, поэтому она фокусирует все излучение от фидера под широким углом. Ее можно использовать с несколькими антеннами-фидерами для создания нескольких лучей.

Зонированная линза - Микроволновые линзы, особенно коротковолновые конструкции, как правило, чрезмерно толстые. Это увеличивает вес, объем и потери мощности в диэлектрических линзах. Чтобы уменьшить толщину, линзы часто изготавливаются с зональной геометрией, похожей на линзу Френеля . Линза укорачивается до однородной толщины концентрическими кольцевыми (круговыми) ступенями, сохраняя тот же угол поверхности. ^{[8] [9]} Чтобы микроволны, проходящие через разные ступени, находились в фазе, разница высот между ступенями должна быть целым кратным длины волны. По этой причине зонированная линза должна быть изготовлена ​​для определенной частоты

История

Первые эксперименты с использованием линз для преломления и фокусировки радиоволн проводились во время самых ранних исследований радиоволн в 1890-х годах. В 1873 году физик-математик Джеймс Клерк Максвелл в своей электромагнитной теории, которая теперь называется уравнениями Максвелла , предсказал существование электромагнитных волн и предположил, что свет состоит из электромагнитных волн очень короткой длины волны . В 1887 году Генрих Герц открыл радиоволны, электромагнитные волны с большей длиной волны. Ранние ученые считали радиоволны формой «невидимого света». Чтобы проверить теорию Максвелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны, эти исследователи сосредоточились на дублировании классических оптических экспериментов с радиоволнами с короткой длиной волны, дифрагируя их с помощью проволочных дифракционных решеток и преломляя их с помощью диэлектрических призм и линз из парафина , смолы и серы . Герц впервые продемонстрировал преломление радиоволн с частотой 450 МГц (66 см) в 1887 году, используя 6-футовую призму смолы. Эти эксперименты, среди прочего, подтвердили, что свет и радиоволны представляют собой электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, отличающиеся только частотой.

Возможность концентрации радиоволн путем фокусировки их в пучок, подобный световым волнам, интересовала многих исследователей того времени. ^[11] В 1889 году Оливер Лодж и Джеймс Л. Говард попытались преломить волны частотой 300 МГц (1 метр) с помощью цилиндрических линз из пека , но не смогли обнаружить фокусирующий эффект, поскольку аппарат был меньше длины волны. В 1894 году Лодж успешно сфокусировал микроволны частотой 4 ГГц (7,5 см) с помощью стеклянной линзы диаметром 23 см. ^[12] Начиная с того же года, индийский физик Джагадиш Чандра Бозе в своих эпохальных экспериментах с микроволнами частотой 6–60 ГГц (50–5 мм) был, возможно, первым, кто построил линзовые антенны, используя цилиндрическую серную линзу диаметром 2,5 см в волноводе для коллимации микроволнового пучка от своего искрового генератора , ^[13] и запатентовав приемную антенну, состоящую из стеклянной линзы, фокусирующей микроволны на детекторе из кристалла галенита . ^[10] Также в 1894 году Аугусто Риги в своих микроволновых экспериментах в Болонском университете сфокусировал волны 12 ГГц (2,5 см) с помощью 32-сантиметровых линз из парафина и серы .

Однако микроволны были ограничены распространением в пределах прямой видимости и не могли выходить за пределы горизонта, а маломощные микроволновые искровые передатчики, которые использовались, имели очень короткий радиус действия. Поэтому практическое развитие радио после 1897 года использовало гораздо более низкие частоты, для которых линзовые антенны не подходили.

Разработка современных линзовых антенн произошла во время большого расширения исследований в области микроволновой технологии около Второй мировой войны для разработки военных радаров . В 1946 году Р. К. Люнебург изобрел линзу Люнебурга .

Ссылки

1. Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники, 7-е изд. Elsevier. стр. 420. ISBN 9780080511986.
2. Кумар, Санджай; Шукла, Саурабх (2015). Распространение волн и антенная инженерия. PHI Learning Pvt. Ltd. стр. 357–359. ISBN 9788120351042.
3. Джонсон, Ричард С. (1993). Справочник по антенной технике, 3-е изд. (PDF) . McGraw-Hill. стр. 16.2–16.3. ISBN 007032381X.
4. Silver, Ed., Samuel (1984). Теория и проектирование микроволновых антенн. Институт инженеров-электриков. стр. 388. ISBN 9780863410178.
5. Кумар и др., 2015, Распространение волн и антенная инженерия, стр. 359-368
6. Чаттерджи, Раджешвари (1996). Теория и практика антенн. New Age International. С. 191–197. ISBN 9788122408812.
7. Чаттерджи, Раджешвари (1996). Теория и практика антенн. New Age International. С. 198–199. ISBN 9788122408812.
8. Кумар и др., 2015, Распространение волн и антенная техника, стр. 358-359
9. Сильвер (1984) Теория и проектирование микроволновых антенн, стр. 393-397
10. Патент США 755,840 Джагадис Чандер Бозе, Детектор электрических помех , подан: 30 сентября 1901 г., выдан 29 марта 1904 г.
11. Костенко, А.А.; Носич, А.И., Голдсмит, П.Ф., «Исторический фон и развитие советской квазиоптики на околомиллиметровых и субмиллиметровых длинах волн» в Sarkar, TK ; Mailloux, Robert; Oliner, Arthur A. (2006). История беспроводной связи. John Wiley and Sons. стр. 481–482, 489. ISBN 978-0471783015.
12. Лодж, Оливер; Говард, Джеймс Л. (1889). «О концентрации электрического излучения линзами». Nature . 40. MacMillan and Co.: 94.
13. Бозе, Джагадиш Чандра (январь 1897 г.). «О полном аппарате для изучения свойств электрических волн». The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine . 43 (5): 55–88. doi :10.1080/14786449708620959 . Получено 30 января 2018 г.