1.3.2. Линзовые отражатели

На практике очень часто используются так называемые линзовые отражатели, которые содержат в качестве основных элементов диэлектрические линзы различных типов. Зачем это нужно, почему не удовлетворяют решению ряда задач простые отражатели типа пластин, цилиндров, уголковых отражателей? Дело в том , что для всех них характерно то , что при небольшом отклонении от направления максимального отражения ( у уголков оно больше) происходит резкое падение их ЭПР, при дальнейшем увеличении отклонения наблюдается рост , а затем вновь уменьшение. Такая неустойчивость затрудняет работу с этими целями, требует точной установки и юстировки. ОТ названного недостатка свободны те или иные модификации линзы Люнеберга , которые выполняются в виде цилиндрических или сферических поверхностей. Их основная особенность состоит в том, что диэлектрическая проницаемость в их толще плавно изменяется вдоль радиуса от значения 1 на поверхности до значения, равного 2 в центре. Такой закон обеспечивает, что всякий луч ( рис. 1.18) , проходя тело линзы, обязательно попадает в точку F , лежащую на противоположенной стороне на диаметре, параллельном падающему лучу.

Более того, оптические пути всех лучей, отсчитанных от плоскости MN в точке F j окажутся одинаковыми, что означает фокусировку этих лучей. Если по поверхности около точки F поставить отражающий экран, то в силу принципа взаимности отраженное поле будет представлять собой плоскую волну. Это позволяет воспользоваться формулой ( 1.17) и записать выражение для ЭПР сферической линзы радиусом

Ширина ДОР зависит от размеров отражающего экрана. Так , при экране, занимающем 90 ДОР равномерна в пределах 45 . Дальнейшее увеличение экрана повышает зону равномерности, но обычно не больше, чем на 20.

Другим типом линзовых отражателей является цилиндрический отражатель Итона, представляющий собой цилиндр из диэлектрика без потерь , диэлектрическая проницаемость которого плавно изменяется вдоль радиуса от значения 1 на поверхности цилиндра до очень высокой величины на оси цилиндра. Ход лучей в линзе Итона показан на рис 1.19. откуда видно , что луч после прохождения выходит параллельно падающему, но является смещенным по отношению к нему по высоте.

Цилиндрическая линза Итона сама по себе без всякой металлизации представляет собой отражатель с круговой направленностью в горизонтальной плоскости.

Идеальный отражатель Итона, строго говоря, практически не осуществим, поскольку в центре линзы требуется бесконечная диэлектрическая проницаемость Е. В реальных условиях получить что уменьшает ЭПР линзы длины Е, рассчитываемой по формуле:

Примерно на 2 дБ.

При изготовлении линзы Итона, как и линзы Люнеберга, прибегают к ступенчатой аппроксимации законов изменения Е и делают линзу многослойной.

1.3.3. Отражателя –антенны.

Общим признаком отражателей –антенн является то, что по своему устройству они представляют собой обычные антенны, но используемые в необычном режиме переизлучения принимаемых сигналов. Указанный режим достигается коротким замыканием антенны в точке подключения волноводного тракта или фидера. В такой антенне, если она изготовлена из идеального проводника или диэлектрика без потерь, вся принимаемая энергия переизлучается и создает рассеянное поле. Рассмотрим, прежде всего, простейшую антенну – тонкий цилиндрический вибратор. Основыне расчетные соотношения уже были получены в п. 1.2.3, где рассматривались соотношения, относящиеся к круговому тонкому цилиндру, Из формул ( 1.26) и (1. 27) непосредственно вытекает, что для тонкого вибратора, радиус которого r много меньше длины l , максимальное значение ЭПР будет :

При наблюдении вибратора под углом его ЭПр, очевидно, будет представлять собой произведение определенное при помощи равенств( 1.43) или (1.44), на квадрат диаграммы направленности по мощности, которая для полуволнового вибратора, как известно, равна:

Если считать, что при наблюдении вибратора его положения в пространстве равновероятно, то для среднего значения ЭПР полуволнового вибратора получим:

Формулы (1.44) и (1.45) относятся к случаю, когда l/r имеет величину порядка 200. Для произвольных отношений имеет место формула:

Перейдем к рассмотрению направленных антенн СВЧ, для которых, как известно, их коэффициент усиления G может быть с достаточной для практики точностью раccчитан по формуле:

Где S – площадь раскрыва антенны, а произведение (0.8…0.9) S будет представлять собой площадь эквивалентной синфазной апертуры.

Сказанное определяет возможность непосредственного расчета ЭПР короткозамкнутой антенны СВЧ по формуле ( 1.17), которая дает :

Абсолютные значения ЭПР таких антенн оказываются весьма большими. Например, для параболической антенны с радиусом, равным 50 см в сантиметровом диапазоне волн, ЭПР таких целей , как самолеты, имеет величину десятков сотен , а кораблей сотен тысяч. Ясно , что столь большое значение ЭПР будет наблюдаться, когда измерения проводятся в пределах области пространства, ограниченной главным лепестком диаграммы направленности, на входе из которой ЭПР будет резко уменьшаться .

Если рассматриваемая антенна СВЧ будет закорочена на согласованную нагрузку , то ее ЭПР , очевидно ,станет равной нулю. При отсутствии согласования, т.е. когда сопротивление нагрузки антенны Z не равно волновому сопротивлению, линию Z ЭПР, определяемую по формуле ( 1.46), следует умножить на коэффициент отражения по мощности

Для короткозамкнутой оптимальной рупорной антенны с помощью раскрыва S ЭПР можно применить формулу:

А для короткозамкнутой диэлектрической стержневой, имеющей оптимальную длину

Формулу:

Среди отражателей -антенн особое место занимает решетка Ван-Атта, действие которой основано не на коротком замыкании, а на попарном соединении антенн волноводными или фидерными линиями. На практике решетки чаще всего составляют из полуволновых диполей , рупорных или диэлектрических антенн. Схема такой решетки показана на рис .1.20. Волна, принимаемая вибратором 8, будет переизлучаться вибратором 1, а приниматься вибратором 7, - вибратором 2 и т.д. Фаза переизлученных колебаний вибратором 1 на плоскости MN будет равна:

Очевидно , что для каждого из вибраторов на плоскости MN такие будет создаваться колебания с той же фазой, если набег фаз в каждом из кабелей или волноводов будет одинаков, что легко реализовать, если их длины сделать одинаковыми. Таким образом, на плоскости MN будет иметь место синфазное распределение волны , распространяющейся в строго обратном направлении. В этой связи решетка Ван-Атта напоминает уголковый отражатель.