Линза, от немецкого Linse, латинского lens «чечевица». Тело ограниченное двумя сферическими поверхностями. Насколько мне известно, линзы появились в виде стеклянной «чечевицы», прапрабабушкой современных объективов: фото, кино и тд... Но как известно, аппетит приходит во время еды... Так появились всякие разновидности линз: двояковыпуклая, плоско-выпуклая, вогнуто-выпуклая, двояковогнутая и тд. Очкарики как не кто другой знакомы с этими всякими оптическими «извращениями»!
Да, и раньше были попытки применить линзы для формирования диаграмм направленности радиоволн... Но в то время использовали слишком большие длины волн. Линзы были огромные и тяжёлые... Только с освоением диапазона СВЧ дело сдвинулось с мёртвой точки. Да, электромагнитные линзы почти один в один повторили своих предшественников из оптики, но появились и вообще экзотические... Как-то:диэлектрические, металлопластинчатые, металлодиэлектрические, металловоздушные (геодезические), линзы с переменным коэффициентом преломления (неоднородные), линза Люнеберга (дисковая и сферическая). Кроме того линзы подразделяются на замедляющие и ускоряющие. Какие бы линзы (как антенны) мы не рассматривали они не могут быть самостоятельными. Они работают в паре с облучателем, слабо направленным. Это как правило либо рупор, либо щелевая антенна.
Так какая же роль линзы? Как рупор, так и щелевая антенна в раскрыве имеют не плоский фазовый фронт как того требует остронаправленная диаграмма направленности ДН, а либо сферический либо цилиндрический. У пирамидального рупора сферический, а у секторальных рупоров и щелевой антенны цилиндрический. Вот и получается, перед линзой стоит важная задача исправить неудобные фронты в плоские. Кроме того, в отдельных случаях создать фронты особой формы. Вот такие как бы задачи мы и будем рассматривать.
ЗАМЕДЛЯЮЩИЕ ЛИНЗЫ
Чтобы понять работу линзы, нужно обратиться к оптике и рассмотреть работу оптической линзы, вот отсюда: «Мини-лекция. История фотографии. Оптика.» http://proza.ru/2018/01/27/1826 Там рассматривается явление преломление света при помощи принципа Гюйгенса и что за этим стоит?! Если Вам лень читать, принимайте всё как есть! Чтобы выправить неудобный фазовый фронт нужно (согласно геометрической оптике) затормозить центральные лучи. Для чего? Для того, чтобы отстающие смогли их догнать и все, все остальные по шестому сигналу должны покинули линзу, выстраившись в плоский, фазовый фронт! Поэтому самые крайние лучи почти не задерживаются, а центральные даже очень. Кто же их так красиво задержит? Такая же линза (примерно по форме) как и стеклянная. Вот только она вовсе непрозрачная для света. Она ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ и лишь имеет сходство своей формой рис.1,9. И если в оптике нам талдычат про среды разной плотности, прозрачности, но в нашем случае про ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ. Итак, рис.9 слева линза осесимметричная, справа цилиндрическая. Как Вы уже догадались форма линз прямо противоположная фронтам волн излучающим слева пирамидальным рупором, а справа щелевой антенной стоящей «на попа». Кривая вращения образующая выпуклую часть такой линзы ГИПЕРБОЛА. А все подобные линзы ещё называются ФОКУСИРУЮЩИЕ рис.1. На передачу излучают прямой поток лучей, а на приём наоборот, сфокусированный в фокусе F линзы! Ну, а если всё так просто, то зачем тогда существуют ускоряющие линзы? У замедляющих, диэлектрических линз коэффициент преломления n>1. Как же удаётся замедлить скорость волны, точнее фазовую? Если честно я затрудняюсь вот так сразу на пальцах всё это объяснить. Под воздействием поля молекулы диэлектрика становятся поляризованными и с точки зрения электромагнитных волн неким препятствием. Вы мысленно представьте себе хождение по идеально гладкой дороге и заросший кустарником лес?! Или как Вы будете проходить через толпу и тд... Степень торможения косвенно характеризуется коэффициентом преломления n=С/Vфаз. Для диэлектриков он больше единицы (n>1)!
УСКОРЯЮЩИЕ ЛИНЗЫ
Существуют среды где n<1! Такой средой будет пространство между двумя пластинами рис.3. По сути (в первом приближение) это волновод у которого верхнюю и нижнюю стороны какая-то зараза отрезала?.. На рис.7 формула длины волны в волноводе. На рис.7а фазовая скорость волны в волноводе. На рис.7b коэффициент преломления среды (пространство между пластинами). Для волноводов существует такое понятие как критическая волна в волноводе. Для основной волны в прямоугольных волноводах это Н10, а критическая длина волны и есть 2а! Где [а] широкая стенка волновода, а в нашем случае расстояние между пластинами. В общем виде надо бы туда вставлять ламбду критическую. Меняя расстояние между пластинами [а] мы можем задавать n, такой какой нам нужен. На рис.8 графическое объяснение получение как длины волны в волноводе, так и фазовой скорости.
Итак, на рис.8 зелёным цветом луч падающей волны со скоростью света [с] на стенку волновода точка В. Синим цветом фронт волны. Точка С начало наших рассуждений. Предположим, что волна со скоростью света С движется к точке В за время Т периода колебания. Красным цветом это показано прямо на пути движения волны. В исходном состоянии фронт пересекает стенку волновода в точке А. Через период Т достигает точки В. Путь от А до В и есть длина волны в волноводе. Длина волны в волноводе больше чем путь (длина волны в воздухе) от С до В. Стало быть скорость движения фронта больше чем чем скорость света в n раз. По формуле рис.7b n<1! С другой стороны зависимость n от расстояния между пластинами [а] позволяет производить управление степенью преломления в среде между пластинами. Так появилась идея создания МЕТАЛЛОПЛАСТИНЧАТЫХ линз. Учитывая ускоряемость таких линз они выглядят так как на рис.2,16,17. Декольте образуется эллипсовидной кривой вращения. Один из фокусов эллипса и есть фокус нашей линзы.
Если на рис.2 показан лишь принцип образование фронта линзой, то на рис.16 цилиндрические линзы. Слева с фокусировкой в Н-плоскости, справа в Е-плоскости. На рис.17 осесимметричная линза, сродни диэлектрической. А, вот на рис.14 нечто необычное. Это, так называемая МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ линза, точнее две линзы но разного исполнения. В такой конструкции диэлектрическая основа (пенистый полистирол) имеет n=1,01-1,05 в том смысле, что никакого торможения не делает. А роль электрических «тормозов» играют металлические элементы: шарики (на рис.14, слева) и диски (справа), полоски и даже дыры в металлических пластинах, ДЫРЧАТЫЕ диэлектрики которые Вы и видите рис.15. Такое разнообразие ещё называют ИСКУССТВЕННЫМИ диэлектриками! А, пенистый полистирол лишь чисто механическая основа, практически не влияющий на параметры линзы!
ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА
Лучшее, — враг хорошего! Стоило появиться линзам с искусственным диэлектриком, как тут же началось... И одним из этих «тут же» стала дисковая линза Люнеберга рис.10, 11, 12.
Рудольф Люнеберг, профессор математики и оптики Института глаза Дартмутского колледжа. Получил степень доктора в Гёттингенском университете, в 1935 году эмигрировал в США. Какая-то прыгающая биография?!
Изобрёл ли он сам эту чёртову линзу или открыл способ применяемый в линзе??? Но процесс пошёл и до сих пор... В чём же кайф в этой линзе? На рис.11 общий вид, а на рис.10 линза в разрезе. Чтобы Вас не запутать окончательно и надеясь на Ваше воображение... Представьте, что на рис.10 нет никаких белых линий, буквы С голубых чёрточек и все чёрные линии не прерываются... Это и есть разрез той линзы на рис.11! Два металлических диска и диэлектрик посередине. Обратите внимание на конфигурацию диэлектрика, а точнее металлических половинок.
Так в чём же суть этой Люнеберга? В преломлении лучей волны, но не резко как в обычных линзах, а плавно как на рис.6. И всё из-за того, что коэффициент преломления в разных точках линзы различный. По науке это всё называется, ЛИНЗЫ С ПЕРЕМЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ! Осталось всё это воплотить в жизнь. Но, как?! Как оказалось, способов несколько. Один из них тот, что на рис.10. Всё это и есть волновод заполненный диэлектриком. Судя по картинке расстояние между сторонами волновода изменяются по длине сечения и стало быть изменяется коэффициент преломления. Как бы то не было но лучи преломляются именно так как на рис.6. И выполняется главная задача линзы формирование плоского фронта волны. А, что ещё может быть сделано для наших целей? Вот на рис.11а металлический диск с кучей штырей. Меняя размеры, месторасположение и количество можно добиться нужного коэффициента преломления. В частности создать линзу Люнеберга с помощью такого вот устройства. Остаётся лишь накрыть сверху вторым диском. Второй вариант, «насверлить» отверстия как на рис.18. Причём в диэлектрике (полистироле) и при соответствующем количестве, размере и типе размещения можно получить непрерывную среду с изменяющимся коэффициенте преломления. В центре самый большой n>1 и самый маленький по краям.
Отключим Ваше воображение и посмотрим на рис.10 и рис.12. Если применить воображение как и в предыдущем случае, и? И представить, что на рис.12 нет красного кружка и белого кольца, то? То это будет та самая линза Люнеберга (вид сверху). Три рупора-облучателя и три ДН, диаграммы направленности. Так ещё меняя местоположение рупоров мы меняем направление фронтов и стало быть направление излучения. Это же хорошо! Хорошо-то хорошо, да не очень. Поэтому линза, чёрт бы её побрал, была модернизирована рис.10 (без воображения). Середину в виде цилиндра (рис.10а) вырезали и сделали вращающейся по отношению всей линзы. Голубая чёрточка один из рупоров-облучателей. Аналогично на рис.12 красный кружок и есть тот самый цилиндр вместе с голубым рупором рис.10а. И теперь линза (больших размеров) неподвижна, вращается только красного цвета цилиндр. От рупора проходит луч в направление L. Вращать небольшой цилиндр с встроенным рупором гораздо удобней чем гонять по большому кругу рупор в первоначальном варианте.
МЕТАЛЛОВОЗДУШНЫЕ (ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ) ЛИНЗЫ (МВЛ)
По названию становится понятно, что кроме металла и воздуха там ничего нет! А, причём здесь геодезические? Соглашусь, что геодезия это целая наука со своими тараканами... Аналогично, я хоть, что-то, как-то понимаю в гинекологии... Но в геодезии, честно? Ни бум-бум?! Итак! Геодезическая линия, — наикротчайшее расстояние между... Наверняка Вы спрашивали или слышали от других, типа скока до чего то? Да, тридцать пять кеме... Но по прямой двадцать. Вот! По прямой это и есть по геодезической линии. Если Вы захотите глубшее и ширшее вникнуть, то Вам скажут, что эта линия на поверхности. А поверхность ведь может быть и на земном шаре. Хотя он не совсем шар?! Но он шар конечно, но не совсем?! И дуга по которой едите (идёте) из Киева до Лубен вовсе не прямая. Если Вы видите в программе или интернет-сервисе путь самолёта скажем из Лондона до Шанхая то он летит вовсе не по прямой, а по кратчайшему расстоянию (если пограничные возможности позволяют?), а для Вас не совсем по прямой?!
Так о чём это мы? О преобразование всё тех же сферическо-цилиндрических фронтов в прямые плоскости. Но?! Но не с помощью замедляющих, ускоряющих линз, а с помощью геодезических линий. Точнее направляющих устройств в виде металлических листов рис.4. Считается (при расчётах), что лучи ориентированы вдоль некой плоскости между листами. Одна такая показана на рис.4 голубым цветом. Линия на этой поверхности и есть геодезическая. Насколько я понимаю каждая часть поверхности параллельна этим металлическим листам. Направляющие устройства придают траектории луча заданную форму. На рис.5 как пример такие направляющие линзы. На 5b прямая, а на рис5а гофрированная. И хотя в таких устройствах фазовая скорость равна скорости света но по эффекту n>1! Поэтому такие линзы иногда называют ЗАМЕДЛЯЮЩИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ. Кстати, на рис.5d общий вид линзы Люнеберга в виде МВЛ. На рис.5с сечение линзы и как выглядит волноводный канал такой линзы.
Вернёмся к рис.6. Это не та плоская линза, а в виде шара и все эти линии-лучи получаются точно также как и в плоской. На рис.13 реальная фотография этой сферической линзы. Изготовление ей гораздо сложнее чем плоской. На выходе такого шара коэффициент преломления должен быть равен единице плюс-минус конечно. А в середине (центре) шара n=1,41... Шар изготовляется из полистирола у которого n изменяется от степени давления (плотности?). Шар состоит из шаровых сегментов заранее обработанных избирательном давлением. И далее происходит сборка. На рис.13 сферическая линза для приёма спутниковых каналов, причём одной линзой с разных спутников. Судя по числу головок-облучателей шесть. Эффективность зависит от диаметра шара. Возможно я ошибаюсь и предназначение совсем другое? Но принцип всё тот же. А, так-как головки таращатся почти в зенит, то и антенна находится вблизи экватора?!