фициент использования антенн с площадными фотоприемниками, работающими в режиме прямого усиления, практически равен единице. При ухудшении качества антенны (увеличение аберраций) дифракционное пятно увеличивается. Но вследствие большого размера фотоприемника вся энергия по-прежнему перехватывается им, и и по-прежнему равен единице. Только при значительных аберрациях, когда размер дифракционного пятна станет сравним с размером фотоприемника, коэффициент использования начнет уменьшаться. Отсюда следует, что в качестве антенн могут использоваться простейшие объективы, разрешающая способность которых далека от дифракционной. Это, разумеется, большой плюс режима прямого усиления.

В оптическом диапазоне (в отличие от радиочастотного) имеется большое количество мощных источников помех: солнце, луна, звезды. Поэтому к приемным антеннам, вообще говоря, предъявляются очень серьезные требования по уровню боковых лепестков.

Положение меняется, когда антенна предназначается, для работы в условиях земной атмосферы. Здесь главным источником помех оказывается рассеянный атмосферный свет, принимаемый TIO основному лепестку, поэтому требования к боковым лепесткам отходят на второй план.

Известно, что спектральная яркость самого маломощного ОКГ на несколько порядков превышает спектральную яркость солнечного излучения, не говоря уже о рассеянном атмосферном свете. Казалось бы, проблему помехозащищенности можно решить очень просто, расположив перед фотоприемником фильтр с полосой 10""*-10"" от несущей частоты. Тогда можно было бы принимать сигналы от передатчика, находящегося на фоне солнечного диска. Но все дело в том, что таких фильтров нет. Полоса пропускания лучших интерференционных фильтров составляет 10-20 А , или всего 10~ в относительных единицах. Дальнейшее улучшение частотных свойств связано с ростом потерь света в них.

Получается, что в режиме прямого усиления мы не можем полностью использовать высокую монохроматичность квантовых генераторов. Выход лежит либо в увеличении мощности ОКГ, либо в применении приемников супергетеродинного типа, позволяющих трансформировать оптические частоты в радиодиапазон, где имеются фильтры с требуемой полосой пропускания.

В режиме смешения [6] на фотоприемник, помимо принимаемого сигнала, подается сигнал гетеродина (рис. 13). Ток от каждого элементарного фотоприемника содержит составляющую промежуточной частоты, амплитуда которой пропорциональна произреде-нию напряжениостей полей сигнала и гетеродина, а начальная фаза - разности их фаз. Результирующий ток промежуточной частоты равен геометрической сумме токов элементарных приемников. Очевидно, что он достигает максимума, если все элементарные токи складываются в фазе. Последнее имеет место, если сдвиг

фаз между полем сигнала и гетеродина одинаков в каждой точке фотоприемника. Пространственная расфазировка полей приводит к уменьшению тока промежуточной частоты. Отсюда следует, что приемные объективы и элементы канала формирования сигнала ге-

Рис. 13. Схема полей сигнала и гетеродина при работе фотоприемника в режиме смешения

теродина должны иметь минимальные фазовые ошибки. Требования здесь аналогичны предъявляемым к передающим антеннам: нужны системы с максимальной разрешающей способностью. Это, конечно, минус супергетеродинного приема по сравнению с режимом прямого усиления.

Анализ работы антенны с супергетеродинным приемником показывает, что диаграмма направленности ее по существу совпадает с дифракционной диаграммой объектива. Под дифракционной понимается диаграмма объектива, когда последний работает с «точечным» приемником, расположенным в фокусе. Следовательно,

использование супергетеродинного приемника приводит к сужению поля зрения антенны до дифракционного угла. Расширение диаграммы возможно, но здесь (как и в радиодиапазоне) это связано с уменьшением коэффициента использования.

Сравнивая режим прямого усиления с супергетеродинным, можно сделать следующие общие выводы: чувствительность первого намного меньше, но зато требования к качеству антенн значительно слабее. Супергетеродинные приемники имеют на несколько порядков большую чувствительность, но при этом необходимо использовать высококачественные объективы и работать с очень узкими диаграммами.

I Как уже говорилось, вследствие больших электрических размеров антенн в Рис. 14. Работа антенны по точ- «птическом диапазоне дальняя зона на-ке распопожеииой в ближней ходится на расстоянии нескольких ки-зоне лометров, и мы часто сталкиваемся со

случаем расположения излучающего объекта или участка поверхности в ближней зоне антенны. В качестве примера рассмотрим работу приемной антенны с фотоприемником супергетеродинного типа.

Коэффициент использования и может быть сохранен таким же, как при работе по бесконечно удаленной точке, путем перефокусировки оптической системы. Например, при использовании телескопической системы (рис. 14) расстояние между объективом и окуляром обычно выбирается из условия получения на выходе окуляра параллельного пучка лучей.

Рис. 15. Световод

В отличие от случая дальней зоны, изменение расстояния до излучающей точки (отражающей поверхности) приведет к превращению плоской волны на выходе телескопа в сферическую. Это вызовет расфазировку полей сигнала и гетеродина и уменьшение X. Чем меньше расстояние h до излучающей точки по сравнению с расстоянием до дальней зоны антенны, тем резче проявляется этот эффект.

Если считать недопустимым уменьшение х более чем в 2 раза, для изменения расстояния ДЛ получаем условие

где h - длина волны, & D - диаметр объектива. Например, при к = Ш)м,0 ~Q,\m VI % = \ мк изменения расстояния не должны превышать 18 л.

И в заключение несколько слов о световодах. Они представляют собой стеклянные нити (рис. 15) диаметром от нескольких десятков до единиц микрон, покрытых тонким слоем стекла с отличным коэффициентом преломления. Распространение света в- них объясняется полным внутренним отражением от стенок. С ан-тенноволноводной точки зрения, световод - это диэлектрический волновод большого сечения, в котором может распространяться большое число типов волн.

Из-за малой толщины световоды очень гибки, и жгут из сотен тысяч световодов можно без труда завязать узлом. На основе световодов могут быть решены задачи антенной техники, такие, как, например, передача света из фокальной плоскости объектива к фотоприемнику при невомйожности его расположения в фокусе объектива.

ЛИТЕРАТУРА

1 Э р р и о т Д. Оптические свойства лазера непрерывного действия на смеси неон - гепий. М., ИЛ. 1963, стр. 191.

2. Ф о КС А., Ли Т. Резонансные типы колебании в интерферометре квантового генератора. В сб. «Лазеры», перев. с англ., М., ИЛ, 1963, стр. 325.

3. М и к а э л я н А. Л., К о р о в и ц ы и А. В.. Н а у м о в а Л. В. Оптиче-ский генератор с дифракционной шириной диаграммы излучения, Ж1Ф, 1965, Письма в редакцию, т. П, в. I, стр. 37.

4 Godzinski Z. Application of Total Internal Reflection Prisms for Gaseous Lasers. Proc. IEEE, 963, 11, 51, N 2, 361. , r ь r

5 G i a r о I a A. J., В i 1 1 e t e r T. R. Electroacoustic Deflection of a Coherent , Light Beam. Proc. IEEE, 1963, VIII. 51, N 8, 1150.

6. Л e t о x 0 в B. C. Пространственные эффекты при гетеродинировании световых волн. Радиотехника и электроника, 1965, X, 6, 1143.

14 Заказ 1461

СЛАБОНАПРАВЛЕННЫЕ ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ АНТЕННЫ

л. с. БЕНЕНСОН

Антенны, параметры которых мало меняются в достаточно широкой полосе частот, принято называть широкодиапазонными. Допустимые пределы изменения параметров и ширина диапазона рабочих частот обычно определяются требованиями конкретной практической задачи. Ниже дается краткий обзор наиболее важных проблем, связанных с разработкой широкодиапазонных слабонаправленных антенн, и основных принципов, испол{>-зуемых при их проектировании.

Основными характеристиками таких антенн являются: входное сопротивление, ширина диаграммы направленности, КУ, КПД и коэффициент эллиптичности поляризационной характеристики.

1. Входное сопротивление - существенный параметр широкодиапазонной антенны, в особенности, если антенна передающая. Это обусловлено тем, что его частотная зависимость определяет возможность широкодиапазонного согласования антенны с фидерной линией, а следовательно, сказывается на величине излучаемой мощности, коэффициенте усиления (КУ), КПД.

Оптимальным было бы чисто активное входное сопротивление, постоянное в полосе частот и равное волновому сопротивлению фидера. Удовлетворить этому требованию проще всего, если ток в антенне имеет вид бегущей волны. Тогда входное сопротивление антенны близко к ее волновому сопротивлению, т. е. чисто активно и постоянно, а широкодиапазонное согласование антенны с фидером легко осуществить подбором фидера или при помощи согласующих параметров.

Если распределение тока в антенне типа стоячей волны (резонансная антенна), то широкодиапазонное согласование с фидером можно осуществить при помощи специальных согласующих устройств. В частности, если резонансная частота антенны совпадает со средней частотой заданного рабочего диапазона, то реактивная

компонента ее входного сопротивления (проводимости) может быть скомпенсирована в некоторой полосе частот при включении у основания антенны последовательного (параллельного) шлейфа поскольку из-за наличия в антенне потерь на излучение частотный ход Хвх {Ввх) в некотором частотном интервале вблизи резонансных точек обратен ходу реактанса отрезков линии без потерь (шлейфов).

Антенны с бегущей волной тока принципиально значительно широкополоснее резонансных.

Один из применяемых на практике способов обеспечивания бегущей волны тока в проволочных антеннах сводится к помещению на ее конце поглощающей нагрузки. Это, однако, приводит к сни-шению КПД и, по большей части, используется в случае приеМ ных антенн.

2. Диаграмма направленности. При проектировании слабонаправленных антенн обычно задают пределы изменения ориентации и ширины главного лепестка диаграммы (определяемые угловыми размерами сектора, обслуживаемого антенной, и минимально допустимым КПД) в полосе частот, а также уровни боковых лепестков.

В ряде случаев широкополосность антенны лимитируется искажениями формы диаграммы (многолепестковость и т. п.). В общем случае диаграмма направленности будет частотно независима, если при изменении частоты эффективный размер излучающего раскрыва в долях длины волны сохраняется неизменным.

3. Коэффициент полезного действия слабонаправленных антенн обычно достаточно высок и снижается лишь при:

а) малого активном и большом реактивном сопротивлениях (поскольку при их согласовании с фидером возможны высокие потери в согласующем устройстве);

б) нагрузке на активное сопротивление (с целью обеспечивания режима бегущей волны);

в) нспользовании диэлектрика или замедляющих структур с потерями.

4. Поляризационная характеристика. Слабонаправленные антенны выполняются как с линейной, так и эллиптической поляризациями излучения. В первом случае поляризация достаточно устойчива в полосе частот. Во втором случае для обеспечения стабильности поляризационной характеристики в пределах основного лепестка диаграммы в полосе частот необходимо иметь достаточно высокий коэффициент эллиптичности в направлении главного максимума и идентичные по ширине диаграммы направленности в £- и -плоскостях.

Первому требованию можно удовлетворить, если в раскрыве антенны возбудить две взаимно ортогональные компоненты тока, примерно равные по величине и сдвинутые по фазе на 90".