Линзовая антенна

Пластинчатая линзовая антенна E-plane радара сопровождения цели для зенитной ракеты Nike Ajax ВВС США , 1954 год.

Диэлектрическая линза / рупорная антенна в Atacama Millimeter Array радиотелескопе

Линзовая антенна — это направленная антенна , в которой используется формованный кусок прозрачного для микроволнового излучения материала для изгиба и фокусировки микроволн за счет преломления , как это делает оптическая линза для света. Обычно он состоит из небольшой фидерной антенны, такой как патч-антенна или рупорная антенна , которая излучает радиоволны, с куском диэлектрика или композитного материала спереди, который действует как собирающая линза для коллимации радиоволн в луч. И наоборот, в приемной антенне линза фокусирует входящие радиоволны на облучающую антенну, которая преобразует их в электрические токи, которые доставляются в радиоприемник . Они также могут питаться от массива облучающих антенн, называемого решеткой в ​​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 радиоспектра , с микроволнами и миллиметровыми волнами , небольшие длины волн которых позволяют антенне быть управляемый размер. Линза может быть изготовлена ​​из диэлектрического материала, такого как пластик, или из составной конструкции из металлических пластин или волноводов . Его принцип работы такой же, как и у оптической линзы: микроволны имеют разную скорость ( фазовую скорость ) внутри материала линзы, чем в воздухе, поэтому изменяющаяся толщина линзы задерживает проходящие через нее микроволны на разную величину, изменяя форму линзы. волновой фронт и направление волн. Линзовые антенны можно разделить на два типа: антенны с линзой задержки , в которых микроволны распространяются в материале линзы медленнее, чем в воздухе, и антенны с быстрыми линзами , в которых микроволны распространяются в материале линзы быстрее. Как и в случае с оптическими линзами, геометрическая оптика для проектирования линзовых антенн применяется , а различные формы линз, применяемые в обычной оптике, имеют аналоги в линзах СВЧ.

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

Типы

Микроволновые линзы можно разделить на два типа по скорости распространения радиоволн в материале линз:

• Линза задержки (медленноволновая линза) : в этом типе радиоволны распространяются в среде линзы медленнее, чем в свободном пространстве; показатель преломления больше единицы, поэтому длина пути увеличивается за счет прохождения через среду линзы. Это похоже на действие обычной оптической линзы на свет. Поскольку более толстые части линзы увеличивают длину пути , выпуклая линза — это собирающая линза, фокусирующая радиоволны, а вогнутая линза — рассеивающая линза, рассеивающая радиоволны, как и в обычных линзах. Линзы задержки изготовлены из

• Диэлектрические материалы
• Плитные конструкции 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 аналога в обычных оптических материалах, он возникает потому, что фазовая скорость радиоволн в волноводах может превышать скорость света. Поскольку более толстые части линзы уменьшают длину пути, вогнутая линза представляет собой собирающую линзу, фокусирующую радиоволны, а выпуклая линза представляет собой рассеивающую линзу, в отличие от обычных оптических линз. Светосильные линзы состоят из

• Плитные конструкции E-плоскости
• Метаматериалы с отрицательным индексом

Основные типы конструкции линз:

• Линза из естественного диэлектрика – линза, изготовленная из куска диэлектрического материала. Из-за большей длины волны микроволновые линзы имеют гораздо большие допуски на форму поверхности, чем оптические линзы. мягкие термопласты, такие как полистирол , полиэтилен и оргстекло Часто используются , которым можно придать форму или придать необходимую форму. Большинство диэлектрических материалов имеют значительное затухание и дисперсию на микроволновых частотах.
• Искусственная диэлектрическая линза . Имитирует свойства диэлектрика на микроволновых волнах с помощью трехмерного массива небольших металлических проводников, таких как сферы, полосы, диски или кольца, подвешенные в непроводящей опорной среде.

Метаматериал , состоящий из множества разрезных колец, преломляющий микроволны.

• Ограниченная линза — линза, состоящая из металлических листьев, каналов или других конструкций, управляющих направлением микроволн. Они используются с линейно поляризованными микроволнами.

• Металлическая пластинчатая линза Е-плоскости — линза, изготовленная из близко расположенных металлических пластинок, параллельных плоскости электрического или Е поля . Это светосильный объектив.
• Металлическая пластинчатая линза H-плоскости — линза, изготовленная из близко расположенных металлических пластин, параллельных плоскости магнитного или H-поля . Это линза задержки.
• Волноводная линза - линза, состоящая из коротких отрезков волновода разной длины.

• Линза зоны Френеля — плоская зональная пластинка Френеля , состоящая из концентрических кольцевых колец из листового металла, блокирующих чередующиеся зоны Френеля . Его можно легко изготовить с помощью фигур из медной фольги на печатной плате . Эта линза работает за счет дифракции , а не преломления . Микроволны, проходящие через пространства между пластинами, конструктивно интерферируют в фокальной плоскости. Он имеет большую хроматическую аберрацию и поэтому зависит от частоты.
• Линза Люнебурга — сферическая диэлектрическая линза со ступенчатым или ступенчатым показателем преломления, увеличивающимся к центру. Линзовые антенны Люнебурга имеют несколько уникальных особенностей: фокусная точка и облучающая антенна расположены на поверхности линзы, поэтому она фокусирует все излучение облучателя под широким углом. Его можно использовать с несколькими фидерными антеннами для создания нескольких лучей.

Зональные линзы . Микроволновые линзы, особенно коротковолновые, имеют тенденцию быть чрезмерно толстыми. Это увеличивает вес, объем и потери мощности в диэлектрических линзах. Чтобы уменьшить толщину, линзы часто изготавливают с зональной геометрией, аналогичной линзе Френеля . Линза обрезается до одинаковой толщины концентрическими кольцевыми (круговыми) шагами, сохраняя одинаковый угол поверхности. Чтобы микроволны проходили через разные ступени в фазе, разница высот между ступенями должна быть целым кратным длине волны. По этой причине зональная линза должна быть изготовлена ​​для определенной частоты.

История

Приемная антенна с линзой миллиметрового диапазона Бозе из его патента 1901 года. Эта версия была намеренно создана так, чтобы выглядеть и функционировать как человеческое глазное яблоко со стеклянной линзой, фокусирующей миллиметровые волны на точечно-контактном детекторе галенита.

Эксперимент, демонстрирующий преломление микроволн 1,5 ГГц (20 см) парафиновой линзой, проведенный Джоном Амброузом Флемингом в 1897 году и повторяющий более ранние эксперименты Бозе, Лоджа и Риги. Передатчик с искровым разрядником ( А ), состоящий из дипольной антенны, состоящей из двух латунных стержней с искровым промежутком между ними внутри открытого волновода, питаемого от индукционной катушки ( I ), генерирует пучок микроволн, который фокусируется цилиндрической парафиновой линзой. ( L ) на дипольной приемной антенне в левом волноводе ( B ) и обнаруживается когерерным радиоприемником (не показан), который звонит каждый раз, когда передатчик подает импульс. Флеминг продемонстрировал, что линза действительно фокусирует волны, показав, что, когда ее вынимали из аппарата, несфокусированные волны от передатчика были слишком слабыми, чтобы активировать приемник.

Первые эксперименты с использованием линз для преломления и фокусировки радиоволн были проведены во время самых ранних исследований радиоволн в 1890-х годах. В 1873 году физик-математик Джеймс Клерк Максвелл в своей электромагнитной теории, ныне называемой 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 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 классических оптических экспериментов с коротковолновыми радиоволнами, преломляя 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 частотой 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, отличающихся только частотой.

Возможность концентрировать радиоволны путем фокусировки их в луч, подобный световым волнам, интересовала многих исследователей того времени. В 1889 году Оливер Лодж и Джеймс Л. Ховард попытались преломить волны частотой 300 МГц (1 метр) с помощью цилиндрических линз, сделанных из смолы , но не смогли обнаружить эффект фокусировки, поскольку размер устройства был меньше длины волны. частотой 4 ГГц (7,5 см) В 1894 году Лодж успешно сфокусировал микроволны с помощью стеклянной линзы диаметром 23 см. Начиная с того же года индийский физик Джагадиш Чандра Бозе экспериментах в диапазоне 6–60 ГГц (50–5 мм), в своих знаменательных микроволновых возможно, был первым, кто сконструировал линзовые антенны, используя цилиндрическую серную линзу диаметром 2,5 см в волноводе для коллимации микроволнового луча. от своего искрового генератора , и патентование приемной антенны, состоящей из стеклянной линзы, фокусирующей микроволны на галенита кристаллическом детекторе . Также в 1894 году Аугусто Риги в своих микроволновых экспериментах в Болонском университете сфокусировал волны частотой 12 ГГц (2,5 см) с помощью линз диаметром 32 см из парафина и серы .

Однако распространение микроволн было ограничено прямой видимостью и не могло выходить за горизонт, а используемые микроволновые искровые передатчики малой мощности имели очень малую дальность действия. Таким образом, при практическом развитии радио после 1897 года 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 с целью разработки военного радара . В 1946 году Р.К. Люнебург изобрел линзу Люнебурга .