Материал: Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. Федоров А.И., Сидоров Б.Н

2.Антенны. Практическое руководство, Г. Миллер, изд. Наука и Техника, 2012 год, 304 стр.

3.В. П. Дьяконов: Генерация и генераторы сигналов, Москва 2009 г, 369 с

Воронежский государственный технический университет

66

УДК 621.396.677

Д.С. Погребной, А.С. Самодуров

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В АНТЕННАХ

СВЧ ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

Уже многие годы различные оптические элементы используются в области оптики и электромагнетизма. Например, линза может быть использована для концентрации, либо для рассеивания проходящего пучка электромагнитной энергии в зависимости от решаемой задачи. Такие оптические элементы чаще всего применяются на высоких частотах. На более низких частотах они обычно бывают очень большими и тяжёлыми. Зонирование может помочь уменьшить эту проблему (разбиение на зоны уменьшает размер линзы). Предлагается применить простейший дифракционный оптический элемент (амплитудную линзу Френеля) в качестве собирающей линзы совместно с ТЕМрупорной антенной. Приводятся сравнительные характеристики двух вариантов конструкции

К современным антеннам и антенным системам предъявляется множество различных часто взаимно противоречащих требований [1, 2]. Среди них можно выделить два наиболее важных: это направленность действия (распределение электромагнитной мощности по определенному закону в пространстве или реакция на приходящее излучение с определенного направления) и высокий КПД (т.е. фактически минимизация потерь на нагрев элементов антенны, как металлических, так и диэлектрических) [3, 4]. Без учета необходимости значительного превышения самой антенной длинны волны этим требованиям в достаточной степени соответствуют рупорные антенны. Пример такой конструкции в виде ТЕМрупора и ее характеристики приведены на рис.1 и в [5, 6].

67

Рис.1. Внешний вид рупора

Для повышения направленности используют рупор- но-линзовые антенны [7, 8]. Но предложенная конструкция отличается громоздкой и тяжелой диэлектрической линзой, что не улучшает ни массогабаритные показатели, ни электрические, такие как, например КПД [9]. Для уменьшения массы и одновременно улучшения электрических характеристик антенны предлагается попытаться применить принципы геометрической оптики и дифракционный оптический элемент в виде амплитудной линзы Френеля [10]. Зонная пластинка Френеля, как и обыкновенная линза, обладает свойством фокусировки параллельного луча в точку, называемую фокусом. Такая линза может представлять собой действительно тонкую плоскую деталь относительно малого веса и стоимости изготовления. В данном случае, вне оптического диапазона длин волн, это может быть, например пластиковая деталь малой толщины с металлическим напылением в виде непрозрачных колец закрывающих не нужные нам зоны Френеля, дающие отрицательный вклад в общую итоговую картину интерференции. По принципу электродинамического подобия, из которого вытекает и подобие оптическое можно применить такую линзу не только для фокусировки в точку, но и для преобразования фазового фронта сферического точечного источника электромагнитных волн, расположенного в точке запит-

68

ки рупора. Правда, теоретически без дополнительных ухищрений такая простейшая зонная пластинка будет работать лишь на одной частоте.

Диаметр зон можно посчитать по следующей формуле:

D 2 f n ,

где c ,

D - диаметр линзы,

f - фокусное расстояние,

n- номер зоны,

- длина волны,

c - скорость света в вакууме,- частота.

о данной формуле из-за ограниченности апертуры рупора получается лишь линза с двумя зонами (рис 2).

Рис.2. Внешний вид рупора и линзы из двух зон

По следующей формуле можно получить большее количество зон:

69

В этом случае в заданную апертуру вписывается линза с четырьмя зонами (рис 3). Какая из формул правдоподобнее и точнее можно попытаться определить по результатам моделирования, приведенным на рисунках 4-7. Сплошной кривой показаны результаты для исходного рупора без линзы, штриховой для рупора с линзой из двух зон по первой формуле, пунктиром для линзы из четырех зон.

Рис.3. Внешний вид рупора и линзы из четырех зон

По результатам моделирования можно сказать следующее: по коэффициенту усиления ни одна из линз практически не дала значительного прироста, за исключением частоты порядка 28 ГГц для линзы из двух зон, более того – применение четырех зонной линзы приводит к значительному падению усиления на низких частотах. Однако для данной линзы наблюдается и сильный положительный эффект, если посмотреть график КСВН – две предыдущие реализации (для двух зон и чистого рупора без линзы) имеют КСВН не менее 2 во всем диапазоне частот, а зонная пластинка посчитанная по последней формуле дает значительно лучшее согласование совместно с рупором – КСВН не превышает 2 для всех частот выше 4 ГГц.

70