Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Планшетная пластинчатая линзовая антенна РЛС сопровождения цели для зенитной ракеты Nike Ajax ВВС США , 1954 г.
Диэлектрическая линза / рупорной антенной в Массив Атакама миллиметрового радиотелескопа

Антенны объектива является СВЧ - антенной , которая использует фасонную часть СВЧ-прозрачный материал , чтобы согнуть и фокусировать радиоволны от преломления , как оптическая линза делает для света. [1] Как правило , она состоит из небольшой корма антенны , такие как патч - антенны или рупорной антенной , которая излучает радиоволны, с куском диэлектрика или композиционного материала , перед которым функционирует как сходящейся линзы для коллимации радиоволны в пучок. [2] И наоборот, при полученииАнтенна линза фокусирует поступающие радиоволны на питающую антенну, которая преобразует их в электрические токи, которые передаются на радиоприемник . Они также могут получать питание от решетки питающих антенн, называемой решеткой фокальной плоскости (FPA), для создания более сложных диаграмм направленности.

Чтобы генерировать узкие лучи, линза должна быть намного больше, чем длина волны радиоволн, поэтому линзовые антенны в основном используются на высокочастотном конце радиочастотного спектра , с микроволнами и миллиметровыми волнами , чьи небольшие длины волн позволяют антенне быть управляемый размер. Линза может быть изготовлена ​​из диэлектрического материала, такого как пластик, или представлять собой композитную структуру из металлических пластин или волноводов . [3] Его принцип действия такой же, как и у оптических линз: микроволны имеют разную скорость ( фазовая скорость) внутри материала линзы, чем в воздухе, так что разная толщина линзы задерживает проходящие через нее микроволны на разную величину, изменяя форму волнового фронта и направление волн. [2] Линзовые антенны можно разделить на два типа: линзовые антенны с задержкой, в которых микроволны распространяются медленнее в материале линз, чем в воздухе, и быстродействующие линзовые антенны, в которых микроволны быстрее распространяются в материале линз. Как и в случае с оптическими линзами, геометрическая оптика используется для проектирования линзовых антенн, а линзы различной формы, используемые в обычной оптике, имеют аналоги в микроволновых линзах.

Линзовые антенны похожи на параболические антенны и используются в аналогичных приложениях. В обоих случаях микроволны, излучаемые маленькой фидерной антенной, формируются большой оптической поверхностью в желаемую окончательную форму луча. [4] Они используются реже, чем параболические антенны из-за хроматической аберрации и поглощения микроволновой мощности материалом линз, их большего веса и размера, 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 отверстиях рупорных антенн для увеличенияусиление .

Типы [ править ]

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

  • Линза с задержкой (медленноволновая линза) : в этом типе радиоволны распространяются в среде линзы медленнее, 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 представляет собой собирающую линзу, которая фокусирует радиоволны, а вогнутая линза - это рассеивающая линза, которая рассеивает радиоволны, как в обычных линзах. Линзы с задержкой состоят из
  • Диэлектрические материалы
  • Пластинчатые конструкции в H-плоскости
  • Быстрая линза (быстроволновая линза) : в этом типе радиоволны распространяются быстрее в среде линзы, чем в свободном пространстве, поэтому показатель преломления меньше единицы, поэтому длина оптического пути уменьшается при прохождении через среду линзы. Этот тип не имеет аналогов в обычных оптических материалах, он возникает из-за того, что фазовая скорость радиоволн в волноводах может быть больше скорости света. Поскольку более толстые части линзы уменьшают длину пути, вогнутая линза представляет собой собирающую линзу, которая фокусирует радиоволны, а выпуклая линза - это рассеивающая линза, в отличие от обычных оптических линз. Светосильные линзы состоят из
  • Конструкции плиты E-plane
  • Метаматериалы с отрицательным индексом

Основные типы конструкции линз: [5] [6]

  • Естественная диэлектрическая линза - линза, сделанная из куска диэлектрического материала. Из-за большей длины волны микроволновые линзы имеют гораздо большие допуски по форме поверхности, чем оптические линзы. Часто используютсямягкие термопласты, такие как полистирол , полиэтилен и оргстекло , которые можно формовать или превращать в необходимую форму. Большинство диэлектрических материалов имеют значительное затухание и дисперсию на микроволновых частотах.
  • Искусственная диэлектрическая линза - Это имитирует свойство диэлектрика при длинах волн СВЧпомощью 3 мерного массива мелких металлических проводников, таких как сферы, полоски, диски или кольцавзвешенных в среде поддержки непроводящей
Метаматериал изготовлен из массива запорных колец, преломлять микроволны
  • Ограниченная линза - линза, состоящая из структур, контролирующих направление микроволн. Они используются смикроволнамис линейной поляризацией .
  • Е-плоскость линза металлической пластины - линза выполнены из близко расположенных металлических пластин параллельно к плоскости электрических или E полей . Это светосильный объектив.
  • Линза с металлической пластиной в H-плоскости - линза, состоящая из близко расположенных металлических пластин, параллельных плоскости магнитного или H-поля . Это линза задержки.
  • Волноводная линза - линза из коротких отрезков волновода разной длины.
  • Линза зоны Френеля - плоскаяпластина зоны Френеля, состоящая из концентрических кольцевых колец из листового металла, блокирующих чередующиесязоны Френеля. Он может быть легко изготовлен из медной фольги напечатной плате. Этот объектив работает за счетдифракции, а непреломления. Микроволны, проходящие через промежутки между пластинами,конструктивно интерферируютв фокальной плоскости. Он имеет большуюхроматическую аберрациюи поэтому зависит от частоты.
  • Линза Люнебурга - сферическая диэлектрическая линза со ступенчатым или ступенчатым показателем преломления, увеличивающимся к центру. [7] Люнебургские линзовые антенны обладают несколькими уникальными особенностями:фокусная точкаи фидерная антенна расположены на поверхности линзы, поэтому она фокусирует все излучение из фидера под широким углом. Его можно использовать с несколькими фидерными антеннами для создания нескольких лучей.

Зонированные линзы - линзы для микроволновых печей, особенно коротковолновые, имеют тенденцию быть слишком толстыми. Это увеличивает потери веса, объема и мощности в диэлектрических линзах. Чтобы уменьшить толщину, линзы часто делают с зональной геометрией, подобной линзе Френеля . Линза разрезается до однородной толщины концентрическими кольцевыми (круговыми) ступенями, сохраняя тот же угол поверхности. [8] [9] Чтобы микроволны проходили через разные ступени в фазе, разница в высоте между ступенями должна быть целым числом, кратным длине волны. По этой причине зонная линза должна быть сделана на определенную частоту.

История [ править ]

Эксперимент, демонстрирующий преломление микроволн с частотой 1,5 ГГц (20 см) парафиновой линзой, проведенный Джоном Амброузом Флемингом в 1897 году, повторяя более ранние эксперименты Бозе, Лоджа и Риги. Передатчик искрового промежутка ( ), состоящий из дипольной антенны , изготовленная из двух медных стержней с искровым промежутком между ними внутри открытого волновода, питание от индукционной катушки ( я ) генерирует луч микроволн , которая ориентирована на цилиндрическом парафиновом линзы ( L ) на дипольной приемной антенне в левом волноводе ( B ) и обнаруживается когерерным радиоприемником. (не показано), который звонил в колокол каждый раз, когда передатчик был импульсным. Флеминг продемонстрировал, что линза действительно фокусировала волны, показывая, что когда она была удалена из устройства, несфокусированные волны от передатчика были слишком слабыми, чтобы активировать приемник.

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

Возможность концентрировать радиоволны, фокусируя их в пучок, как световые волны, интересовала многих исследователей того времени. [10] В 1889 году Оливер Лодж и Джеймс Л. Ховард попытались преломить волны 300 МГц (1 метр) с помощью цилиндрических линз, сделанных из смолы , но не смогли найти эффект фокусировки, потому что устройство было меньше длины волны. В 1894 году Лодж успешно сфокусировал микроволны с частотой 4 ГГц (7,5 см) с помощью стеклянной линзы диаметром 23 см. [11] Начиная с того же года, индийский физик Джагадиш Чандра Бозе в своем знаменитом микроволновом диапазоне 6–60 ГГц (25–5 мм)Эксперименты , возможно, были первыми построить линзовые антенны, используя 2,5 см цилиндрической линзу серы в волноводе с коллимацией на микроволновый луче от его искрового генератора , [12] и патентование приемной антенны , состоящие из стеклянной линзы фокусировки микроволн на галенит кристалле детектор . [13] Также в 1894 году Аугусто Риги в своих микроволновых экспериментах в Болонском университете сфокусировал волны 12 ГГц (3 см) с помощью линз диаметром 32 см из парафина и серы . Однако микроволны были ограничены распространением в пределах прямой видимости.и не мог перемещаться за горизонт, а используемые маломощные искровые микроволновые передатчики имели очень малую дальность действия. Поэтому при практическом развитии радио после 1897 г. использовались гораздо более низкие частоты, для которых линзовые антенны не подходили.

Разработка современных линзовых антенн произошла во время значительного расширения исследований в области микроволновых технологий во время Второй мировой войны для разработки военных радаров . В 1946 году Р. К. Люнеберг изобрел линзу Люнеберга .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь по электронике, 7-е изд . Эльзевир. п. 420. ISBN 9780080511986.
  2. ^ a b c Кумар, Санджай; Шукла, Саураб (2015). Распространение волн и антенная техника . PHI Learning Pvt. Ltd. С. 357–359. ISBN 9788120351042.
  3. ^ a b Джонсон, Ричард С. (1993). Справочник по проектированию антенн, 3-е изд. (PDF) . Макгроу-Хилл. С. 16.2–16.3. ISBN  007032381X.
  4. Перейти ↑ Silver, Ed., Samuel (1984). Теория и конструкция СВЧ-антенн . Институт инженеров-электриков. п. 388. ISBN. 9780863410178.
  5. ^ Кумар и др., 2015, Распространение волн и антенная инженерия , стр. 359-368
  6. ^ Чаттерджи, Rajeswari (1996). Теория и практика антенн . Нью Эйдж Интернэшнл. С. 191–197. ISBN 9788122408812.
  7. ^ Чаттерджи, Rajeswari (1996). Теория и практика антенн . Нью Эйдж Интернэшнл. С. 198–199. ISBN 9788122408812.
  8. ^ Кумар и др., 2015, Распространение волн и антенная инженерия , стр. 358-359
  9. ^ Сильвер (1984) Теория и конструкция микроволновых антенн , стр. 393–397
  10. ^ Костенко, АА; Носич, А.И., Голдсмит, П.Ф., «Историческая справка и развитие советской квазиоптики на длинах волн около миллиметра и субмиллиметрового диапазона» в Саркаре, штат Техас ; Майлу, Роберт; Олинер, Артур А. (2006). История беспроводной связи . Джон Вили и сыновья. С. 481–482, 489. ISBN 978-0471783015.
  11. ^ Лодж, Оливер; Ховард, Джеймс Л. (1889). «О концентрации электрического излучения линзами». Природа . Макмиллан и Ко 40 : 94.
  12. ↑ Bose, Jagadish Chandra (январь 1897 г.). «О законченном аппарате для исследования свойств электрических волн» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал . 43 (5): 55–88. DOI : 10.1080 / 14786449708620959 . Проверено 30 января 2018 года .
  13. ^ Патент США 755840 Jagadis Chunder Bose, детектор для электрических помех , поданный: 30 сентября 1901 года, выданный 29 марта 1904