Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

Антенны, имеющие наиболее узкую ДН.

За счет уменьшения замедления в начале антенны

( у<С 1,25 j можно сузигь ДН примерно на 10%. Наибо-

лее узкая ширина ДН, которую можно получить от

антенны поверхностной волны, 'показана на рис. 9-3

сплошной линией, ограничивающей снизу заштрихован-

ную область. При этом уровень бокового излучения по-

вышается примерно на 1 дб и несколько падает КНД

[ЛО.

11].

Антенны, имеющие минимальный уро-

вень боковых лепестков. Эти антенны представ-

ляют наибольший интерес, так как основным недостат-

ком антенн поверхностных волн является наличие за-

метного бокового излучения. Для уменьшения уровня

боковых лепестков необходимо увеличить замедление

в области возбуждения до 1,35, снижая его примерно до

1,2 у конца плавного перехода. Далее замедление долж-

но плавно уменьшаться до значения, которое зависит

от длины антенны и лежит около нижней границы за-

штрихованной области на рис. 9-2. Если плавное умень-

шение замедления сделано на

длины антенны, то

уровень боковых лепестков снижается до —18 дб в

Я-плоскости и до —17 дб в ^-плоскости для стержневой

диэлектрической антенны и до —21 дб для антенны типа

«волновой канал»; при этом КУ падает примерно на

1,5 дб, а полоса расширяется на 10% [ЛО, 11].

Антенны, имеющие наиболее широкую

полосу частот. Полоса частот может быть расши-

рена до ±33%1 (отношение крайних частот 2:1), за

счет снижения КУ на средней частоте примерно на 2 дб

по отношению к максимально возможному значению.

Для этого замедление около возбудителя должно быть

•повышено до 1,4, а плавный переход'продолжен до кон-

ца антенны. При этом на низких частотах полосы зна-

чения КУ и ширины ДН близки к значениям, лежащим

на сплошных кривых (рис. 9-3), а на высоких — к зна-

чениям на пунктирных кривых.

9-2.

ЗАМЕДЛЯЮЩИЕ СТРУКТУРЫ И ПОВЕРХНОСТИ

Поверхностные волны могут распространяться вдоль

цилиндрических (рис. 9-5) и плоских (рис. 9-6) замед-

ляющих поверхностей, а также вдоль линейных замед-

ляющих структур (рис. 9-7).

461

Вдоль плоских поверхностей могут распространяться

плоские

цилиндрические (радиальные) поверхностные

волны.

Вид

волны определяется

первую очередь

спо-

Рис.

9-5. Цилнидри 1еские замедляющие поверхности

—

диэлектрический стержень;

—

провод, покрытый слоек

диэлектрика,

—

ребристый стержень.

собом возбуждения.

На

небольшом участке

при

доста-

точных удалениях

от

возбудителя цилиндрическая волна

может рассматриваться

как

локально плоская. Поэтому

Рис.

9-6 Плоские замедляющие поверхности.

—

диэлектрическая пластина; б

—

слой диэлектрика

тп

металле,

—диэлек-

трическая пластина

над

металлическим листом, г—поперечная ребристая

структура

—

концентрическая ребристая cipyKiypa,

—

плоская штырьковая

структураа

462

замедление, даваемое изотропной поверхностью для

плоской и для цилиндрической волны, одинаково.

При известных условиях вдоль каждой поверхности

или структуры могут распространяться поверхностные

волны нескольких типов. Например, вдоль диэлектриче-

ского стержня могут распространяться симметричные и

несимметричные волны. Первые дают воронкообразные

Рис 9-7. Линейные замедляющие структуры.

а — пластинчатая, б — штырьковая симметричная в — штырьковая

несимметричная.

ДН с нулевым излучением вдоль оси и в антеннах ис-

пользуются редко. Поэтому обычно материал и диаметр

стержня подбирают исходя из условия, чтобы вдоль не-

го могла распространяться только низшая несимметрич-

ная волна. Выполнение этого же условия желательно

обеспечить при использовании любых других замедляю-

щих поверхностей. Иногда рабочий тип волны не являет-

ся низшим, или существуют два низших типа волны;

тогда распространение только рабочей волны обеспечи-

вается за счет тщательного выполнения возбуждающего

устройства и направляющей поверхности. Можно также

принять специальные меры по подавлению нежелатель-

ной волны.

Линейная штырьковая структура (рис. 9-7,6). Вдоль

линейной штырьковой структуры поверхностная волна

может распространяться только, если она поляризована

параллельно штырям. По оси такой структуры безболез-

ненно можно проложить металлический стержень. Это

очень облегчает конструктивное выполнение антенны.

Если удалить штыри, расположенные по одну сторону

463

от центрального стержня, то получается нссимметричнал

структура (рис. 9-7,в). Замедление в симметричной и не-

симметрично» структурах определяется главным обра-

0.09 ОН 0<! 0"> 0,17 0,19 0,21

Рис. 9-8 Зависимость замедления в штырьковой

несимметричной линейной структуре от высоты

штырей

зом ДЛИНОЙ (высотой) штырей. В симметричной структу-

ре эта длина должна быть меньше Х/2, в несимметрич-

ной— высота штырей меньше У4 Зависимость замедле-

ния в несимметричной

[- - структуре от относи-

'' тельной высоты шты-

рей при известных па-

раметрах (шаг струк-

туры S и диаметр шты-

рей б) приведена на

рис.

9-8. Эти же кривые

справедливы и для

симметричной структу-

ры с длиной штырей,

равной 2/г.

Двумерная штырь-

ковая структура (рис.

9-6,в).

В этом случае

замедление также в ос-

новном определяется

высотой штырей и за-

висит от их диаметра и

от шага структуры.

Наибольший интерес

представляют изотроп-

ные структуры, т. е. такие, у которых замедление не зави-

сит от направления распространения волны. Для полуне-

ния изотропных свойств период структуры должен быгь

464

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

вг-гГ

:="-'

k^-^

i '

f\j

0,05

1,0

0,14

2,0

Рис 9 9 Зависимость замедления от

высоты штырей в двумерной штырь-

ковой структуре.

мал по сравнению с длиной волны и одинаков по обеим

осям, лежащим в плоскости структуры. При выполнении

этих условий замедление в зависимости от высоты шты-

рей можно определить [ЛО. 11] по графику, представ-

ленному на рис. 9-9 (сплошная кривая). Здесь же даны

замедления для структуры из штырей прямоугольного

сечения (пунктирная кривая).

Диэлектрический цилиндр (рис. 9-5,а). Вдоль диэлек-

трического цилиндра достаточно большого диаметра мо-

жет распространяться большое число поверхностных

воли [Л. 4, 5]. Внутри диэлектрика каждая из этих волн

близка по структуре поля к соответствующей волне

в круглом волноводе. Вне диэлектрика по мере удаления

от его поверхности поле быстро убывает. Симметричные

волны, так же как и в волноводе, могут быть разделены

на Е- и Я-чзолны. Для несимметричных волн такое раз-

деление не может быть 'произведено: они могут сущест-

вовать только совместно. Можно говорить только о бли-

зости такой смешанной волны к той или иной волне

в круглом волноводе. Например, используемая в стерж-

невых диэлектрических антеннах волна НЕ

близка

к волноводной 'волне Я

При заданных поперечных размерах цилиндра все

волны, за исключением первой несимметричной волны

НЕ

, имеют определенные критические частоты. Для

волны НЕц'ккр—>°°, т. е. при заданной частоте эта волна

может распространяться вдоль диэлектрического цилин-

дра при сколь угодно малом его диаметре. Это позволяет

выбрать диаметр диэлектрического цилиндра таким

образом, чтобы для всех остальных волн рабочая длина

волны оказалась больше критической. Однако обычно в ди-

электрических антеннах нет опасности возбуждения сим-

метричных волн, и достаточно выбрать такой диаметр ди-

электрика, который обеспечивал бы невозможность рас-

пространения высших несимметричных волн (HE

ЕН1

Для этого диаметр цилиндра должен удовлетво-

рять неравенству

rf<

aj?_JL_^_JJg*.

(

9-8)

" Уе,

— 1

У"е

—

V ;

Для всех волн при критическом диаметре цилиндра фа-

зовая скорость равна скорости света (замедление рав-

но единице). По мере увеличения диаметра фазовая

скорость уменьшается, асимптотически приближаясь при

30—2541 465

больших диаметрах

скорости света

диэлектрической

среде. Замедление приближается

при

этом

значению

УФ

(9-9)

Зависимости отношения

Уф/с для

несимметричной

волны

НЕ\\ от

относительного диаметра диэлектриче-

ского цилиндра приведены

на рис. 9-10. При

больших

1,0

0,8

0,6

о,ч

о/

К)

2,^

•

=32,S

[

0,2

0,4 0,6

0,8

1,0

',fi

1,R

2,0

Рис.

9-10. Зависимости фазовой скорости волны

#£ц в ди-

электрическом стержне

от его

диаметра.

по

мере роста диаметра происходит весьма резкий

переход

от

режима,

котором диэлектрик почти

не

влияет

на

фазовую скорость

и она

равна скорости све-

та (малые

d), к

режиму, когда фазовая скорость близ-

ка

к c\]f

. В

первом случае

все

поле находится

вне

диэлектрика,

во

втором — оно почти целиком сосредо-

точено внутри диэлектрического цилиндра.

При

малых

переход

от

одного режима

другому происходит

сравнительно плавно.

Отношение энергии

Pi,

распространяющейся внутри

диэлектрического цилиндра,

энергии

распростра-

няющейся

окружающем пространстве, показано

па

рис.

9-11.

От

распределения поля между диэлектриком

и внешним пространством

значительной степени зави-

сят диэлектрические потери

антенне.

Коэффициент затухания, характеризующий убывание

поля вдоль

оси

диэлектрика из-за этих потерь, опреде-

ляется выражением [ЛО.

1]:

*.***

•/?,

(9-10)

466

где tg8= тангенс угла потерь в диэлектрике;

—

фактор затухания, зависящий от типа вол-

ны,

и диаметра диэлектрического ци-

линдра.

Зависимости фактора затухания от относительного

диаметра цилиндра для волны НН

приведены на

рис.

9-12. При малых диаметрах, когда почти все поле

Рис.

9-11 Зависимости отношения Р

1Р

для вол-

ны НЕ

в диэлектрическом стержне от диаметра

последнего.

находится вне диэлектрика, затухание незначительно

При больших диаметрах фактор затухания R стремится

к значению

1/J/4-,

и формула (9-10) совпадает с выра-

жением для затухания плоской волны в неограниченном

диэлектрике или для затухания волны ТЕМ в коакси-

альном кабеле за счет потерь в диэлектрике.

Провод, покрытый слоем диэлектрика (рис. 9-5,6).

Вдоль такого провода при достаточной толщине диэлек-

трика тоже могут распространяться поверхностные вол-

ны.

Среди них имеются две волны, для которых

^кр—-

;

это низшая симметричная f-волна и

низшая несимметричная НЕ-в о л н а.

Симметричная волна характерна тем, что она

сравнительно мало затухает при распространении, по-

этому эта волна находит применение в однопроводных

линиях передачи [Л. 6].

30*

467

Если толщина диэлектрического покрытия много

меньше радиуса провода, то коэффициент распростра-

нения a

симметричной волны может быть определен и-s

общего соотношения

< =

0-И)

в котором в данном случае |3

определяется из прибли-

женного уравнения (справедливого при (3

а<1) [ЛО. 1]:

*i \l J Ь

-(^•yin(0,89M)-(9-12)

Все величины, стоящие

в правой части этого

уравнения, являются

функциями (Ргя), что по-

зволяет определить |3

;

для облегчения расчетов

на рис. 9-13 приведены

графики правой части

уравнения (9-12), обозна-

ченной через £(|3

а).

о,2 о,ч о,е 0,8 1,0 Т,2 Несимметричная

Рис 9-12 Зависимость фактора за- волна Н Е

аналогич-

тухания R Д1я волны НЕ

от диа- па такой же волне в Ди-

метра диэлектрического стержня электрическом стержне.

При малых диаметрах

или на низких частотах ее можно рассматри-

вать как плоскую волну, возмущенную поверхностью ди-

электрического цилиндра или поверхностью диэлектри-

ческого покрытия провода. Благодаря этому возмуще-

нию появляется продольная составляющая вектора Е и

волна превращается в поверхностную, распространяю-

щуюся вдоль провода (или диэлектрического цилиндра)

с фазовой скоростью, меньшей скорости света [Л. 7].

Если толщина диэлектрического покрытия больше тол-

щины скин слоя, то замедления можно подсчитать по

формуле'

ir^S= 1_ехр

l-±=JL=

Исследование проведено В В Тяжеловым,

468

kaVe

—

(9-13)

где

(9-14)

= /„ (p,a)

(p,6) - /

ft) tf „ (p

a);

к„=in

(м N'

/'„ (p,6) yv„

(p,

)

На рис. 9-14 приведены графики величины

висимости от радиуса диэлектрика, умноженного на /г,

с — f *

в за-

ЛГ

«г«

VT?

9(k

)

—1_j. J—

шкала /

ГЗ

_L i__

Lj XJ

W~?

9i?2

— _

шнала1

ю-?

10~

Рис 9-13 График правой части уравнения

(9-12)

при различных отношениях т радиуса диэлектрика а

к радиусу провода b (сплошные кривые). Значение

= ао

соответствует чисто диэлектрическому стержню.

Здесь же 'пунктиром нанесены графики, относящиеся

к симметричной волне Е

, волна не может существовать

на чисто диэлектрическом стержне рассматриваемого

радиуса, и поэтому на рис 9-14 нет пунктирной кривой

для от=оо. Сравнение кривых для одинаковых параме-

тров показывает, что симметричная волна имеет гораздо

большее замедление (при не очень толстых покрытиях).

При одинаковых значениях замедления затухание не-

симметричной волны несколько больше, чем затухание

469

волны Е

. Поэтому волна НЕ

может найти применение

только в антенных устройствах, где величина потерь не

играет существенной роли.

Металлический цилиндр с гофрированной поверхно-

стью—

ребристостержневая структура (рис. 9-5,в). Вдоль

ребристого стержня большого диаметра при достаточной

глубине канавок может рас-

пространяться много типов по-

верхностных волн. Среди них,

так же как для провода с ди-

электрическим покрытием,

имеются две низшие волны (E

и НЕ

), для которых А,

кр

=оо.

Эти волны могут распростра-

няться при сколь угодно низ-

ких частотах, малом диаметре

стержня и малой глубине ка-

навок. Однако благодаря спе-

цифике ребристостержневой

структуры эти (и все осталь-

ные) волны обладают верхни-

ми граничными частотами,

обусловленными глубинным и

поверхностным резонансами.

Первый наступает, когда глу-

бина канавок h=i(a—b) стано-

вится примерно равной Я/4;

при этом поверхностная волна перестает существо-

вать,

происходит ее срыв. При дальнейшем повышении

частоты поверхностные волны опять могут распростра-

няться, когда глубина канавки оказывается в проме-

жутке от к/2 до -j-Я. Таким образом, при изменении

частоты или размеров структуры полосы существования

поверхностных волн чередуются с полосами запирания.

Поверхностный резонанс наступает при S

—

K/2;

при

этом также происходит срыв поверхностной волны. На

более высоких частотах поверхностные волны не могут

существовать.

Для получения наименьших потерь глубину канавок

выбирают минимальной, поэтому практический интерес

представляют зависимости постоянной распространения

от глубины канавки в области до первого глубинного

резонанса. Такие зависимости (в относительных величи-

нах) для основной симметричной волны приведены на

470

Рис.

9-14. Относительное из-

менение фазовой скорости

поверхностных волн на про-

воде с диэлектрическим по-

крытием.