Антенны сверхвысоких частот.

На СВЧ, охватывающих дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны, для радиорелейных линий связи, радиолокации, космических линий связи, радиоастрономии и др. широко применяют синфазные поверхностные антенны. По принципу действия такие антенны. подобны синфазной многовибраторной решётке и отличаются только тем, что они состоят не из дискретных излучающих элементов (вибраторов), а представляют собой сплошную плоскую поверхность, на которой возбуждено синфазное электромагнитное поле. Синфазная поверхность, так же как и синфазная решётка, имеет максимальное излучение в направлении, перпендикулярном к поверхности, и диаграмму направленности, суживающуюся по мере увеличения площади поверхности. КНД таких антенн определяется по формуле:

D = k- 4p S / λ ²,

где S - площадь полотна антенны (м ²), λ - длина рабочей волны (м), k -коэффициент, учитывающий влияние земли, расстояние между вибраторами, длину плеч вибраторов и др. Для синфазных коротковолновых антенн k равно 2-3. КНД синфазных коротковолновых антенн достигает нескольких сотен и даже тысяч, а кпд близок к 1.

 Коэффициент k в данном случае называют коэффициентом использования поверхности. В диапазоне СВЧ не принято учитывать влияние земли при определении КНД антенны. Вследствие этого при идеально плоской, синфазно и равномерно возбуждённой поверхности коэффициент k равен 1. В реальных А. из-за неравномерности возбуждения, отступления от синфазности и утечки части энергии мимо основной излучающей поверхности коэффициент k равен 0,4-0,8. Как следует из формулы, при заданной площади излучающей синфазной поверхности антенны КНД увеличивается обратно пропорционально квадрату длины волны. Это обстоятельство привело к тому, что в области СВЧ применяют антенны с большими КНД, доходящими до сотен тысяч и миллионов. Для создания синфазно возбуждённой поверхности широко заимствуют технические приёмы из области оптики и электроакустики. Простейшей поверхностной антенной является рупорная антенна (см. рис. 1.5) в виде металлического радиоволновода с плавно увеличивающимся сечением. У выхода рупора при достаточно малом угле раствора плоская поверхность, проходящая через его кромки, получается почти синфазно возбуждённой. Коэффициент использования поверхности такой антенны равен 0,5-0,8, а КНД обычно лежит в пределах 10-100. Рупорная антенна также широко применяется как облучатель зеркальных и линзовых антенн.

Применяемая на СВЧ линзовая антенна (рис. 5.1) по принципу действия идентична оптической линзе и состоит из собственно линзы и облучателя, установленного в её фокусе F.

Рис. 5.1. Линзовые антенны:

а – ускоряющая волноводная линза; б – замедляющая диэлектрическая линза;

 в – иллюстрация принципа действия линз

Линза трансформирует сферический или цилиндрический фронт волны облучателя в плоский. Таким образом на выходе линзы получается плоская поверхность, возбуждённая синфазным электромагнитным полем. Частный случай линзовой антенны - рупорно-линзовая антенна, состоящая из рупора с большим углом раствора (60-70) и вставленной на его выходе линзы, трансформирующей сферический или цилиндрический фронт волны в рупоре в плоский. При смещении облучателя линзы из фокуса в плоскости, проходящей через фокус и перпендикулярной оси линзы, фронт волны на её выходе поворачивается на определённый угол. Соответственно поворачивается направление максимального излучения. Это свойство линзовой антенны используется в радиолокаторах при сканировании диаграммы направленности ("качании" направления максимального излучения). В обычных линзовых антеннах угол поворота направления максимального излучения ограничен вследствие того, что с его увеличением снижается коэффициент использования поверхности. Исключение представляют апланатические линзовые антенны, отличающиеся тем, что в пределах широкого сектора поворот направления максимального излучения (смещением облучателя) не сопровождается существенным снижением коэффициента использования поверхности. Высококачественные линзовые антенны имеют коэффициент использования поверхности 0,5-0,6.

Исключительно большое распространение в области СВЧ получили зеркальные антенны, состоящие из металлического зеркала с профилем параболоида и облучателя.

Рис. 5.2. Зеркальные антенны

а)	б)
Рис. 5.3. Схама с линзовой антенной: а) с ускоряющей линзой; б) с замедляющей линзой

Последний устанавливается в фокусе F параболоида (рис. 5.3). Параболическое зеркало трансформирует сферический фронт волны облучателя в плоский фронт в раскрыве (на плоской поверхности, ограниченной кромкой зеркала). Тем самым образуется плоская поверхность, возбуждённая синфазным электромагнитным полем. В качестве облучателя применяются слабо направленные антенны (рупоры, вибраторы с небольшим рефлектором, спирали и др.). Так же, как и в линзовой антенне, смещение облучателя из фокуса в плоскости, перпендикулярной оси антенны, сопровождается поворотом направления максимального излучения. Это свойство также используется в радиолокаторах при сканировании диаграммы направленности. В обычной параболической антенне (рис. 5.3) облучатель находится в поле волн, отражённых от зеркала, что вызывает искажение диаграммы направленности и уменьшение КНД. Такой же отрицательный эффект вызывают конструктивные элементы, поддерживающие облучатель. Во избежание этого часто применяют параболические антенны с вынесенным облучателем; в качестве отражателя используется "вырезка" из параболоида вращения, в фокусе F которой устанавливается облучатель. При этом поток электромагнитной энергии, отражённый от зеркала, проходит мимо облучателя и поддерживающих его конструктивных элементов. В радиорелейной связи широкое применение получила рупорно-параболическая антенны (рис. 5.4), являющаяся одним из вариантов зеркальной антенне с вынесенным облучателем.

Рис. 5.4. Рупорно-пораболическая антенна

В этой антенне облучающий рупор и параболическое зеркало составляют единое целое, что практически устраняет утечку энергии за края зеркала. В 60-х гг. 20 в. в радиорелейной связи, космической радиосвязи, радиоастрономии и др. получили широкое распространение двухзеркальные антенны (рис. 5.5), состоящие из основного параболического зеркала, вспомогательного малого зеркала и облучателя.

Рис. 5.5. Двухзеркальная антенна по схеме Кассергена

Электромагнитная энергия подводится к облучателю, устанавливаемому у вершины параболоида, и излучается на малое зеркало, после отражения от которого направляется на основное зеркало. Применение вспомогательного зеркала облегчает получение оптимального распределения электромагнитного поля в раскрыве основного зеркала, что обеспечивает максимальное КНД и позволяет уменьшить длину линии, подводящей энергию к облучателю. Существенный вклад в разработку теории и техники двухзеркальной антенн сделан советским учёным Л. Д. Бахрахом. Коэффициент использования поверхности хорошо выполненных зеркальных антенн равен 0,5-0,7.

Кроме металлических зеркал с профилем параболоида, применяются зеркала с профилем параболического цилиндра, сферы (сферическая антенна) и др. Характерная особенность сферической антенна - возможность управления направлением максимального излучения в широком секторе углов без существенного уменьшения КНД. Советскими учёными С. Э. Хайкиным и Н. Л. Кайдановским предложена оригинальная зеркальная антенна для применения в качестве радиотелескопа. Такой радиотелескоп сооружен в Пулковской обсерватории. Он состоит из передвижного облучателя и набора плоских перемещающихся зеркал, располагаемых по ломаной линии, аппроксимирующей параболу. Путём передвижения облучателя и перестановки зеркал можно в широких пределах управлять направлением максимального излучения.

Одна из характерных антенн СВЧ диапазона - щелевая антенна в виде замкнутого полого металлического короба с прорезанными в нём щелями. Внутрь короба вводится электромагнитная энергия, излучаемая через щели (щелевые вибраторы) во внешнее пространство. Большое распространение получила синфазная антенная решётка из таких вибраторов. Часто она выполняется в виде радиоволновода прямоугольного или круглого сечения, в одной из стенок которого прорезаются щели длиной ¹/₂l, размещаемые таким образом, что они возбуждаются синфазно. КНД таких атенн приближённо равен утроенному числу щелей. Щелевые вибраторы не выступают над металлической поверхностью. Поэтому они широко используются в тех случаях, когда это свойство является важным, например на летательных аппаратах.