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

Подождите немного. Документ загружается.

Коэффициент распространения находится

из

харак-

теристического уравнения нулевого приближения

[ЛО.

28]:

Т=Т2Г^*

лА

30)

где величины £

w}A[j.

=T/ — характеризуют ди-

электрик, заполняющий канавки ребристой структуры. Если

диэлектрик

канавках отсутствует,

то

уравнение (9-30)

упрощается:

\=^igkh,

(9-31)

откуда замедление

1 +

(^H

)

Так

же

как

и на

ребристом стержне, поверхностная

волна может существовать

при

глубинах канавок,

лежащих

пределах:

m^<k

h<(2m-\-\)^.

(9-33)

Практически используют поверхности

мелкими

канавками (т = 0), тогда условие существования

по-

верхностных волн имеет вид:

А<^-.

(9-34)

При h

—

•£•

наступает глубинный резонанс

>оо, т.

е.

замедление неограниченно возрастает. Это справедливо при

очень малом периоде структуры (-=—>оо|.

В реальных структурах срыв поверхностной волны

происходит при й<-т-,

замедление возрастает

до

определенных конечных значений. Зависимости величи-

ны,

обратной замедлению,

от

глубины канавок, рассчи-

танные

по

точной теории

[Л. 12, 13],

приведены

на

31—2541

481

1,0

0,8

0,6

1,1

1,2

о§?

~^6

1^>

0,05 0,1 0,'5 0,2 0,25

Н° кривой

сю

Ч 5

1,5 0,5

0,2

Рис 9-22. Изменение фазовой скорости

в зависимости от глубины канавок при

бесконечно тонких ребрах

г 0 41

-0,3

Off

0,5

0 3

0,2

.1 '

Ч,о

J [/у

0,25

и 2

'Л • 7Т,

Рис.

9-23 Влияние на замедлеше толщи-

ны ребер.

482

рис.

9-22. Эти кривые соответствуют структурам с бес-

конечно тонкими ребрами ^- = 1. Влияние толщины

ребер на коэффициент распространения характеризуют

Рис 9-24. Замедления несимметричной поверхност-

ной волны в зависимости от параметров ребристой

структуры.

кривые, показанные на рис. 9-23 [ЛО. 5]. Увеличение

толщины ребер заметно сказывается только вблизи глу-

бинного резонанса. При неивменнои глубине канавок

увеличение толщины ребер приводит к уменьшению

замедления; однако последнее заметно сказывается

только при £-<0,5. Отсюда можно сделать вывод, чго

до толщины ребер, равной половине периода структуры,

для определения замедления можно пользоваться кри-

31*

483

выми для структуры с бесконечно тонкими ребрами

(рис.

9-22).

Вдоль ребристой плоской поверхности могут распро-

страняться и несимметричные поверхностные вол-

ны.

Если период структуры мал (S<0,\K), то эти волны

12100

-с >

^\АААЛЛААААЛ

Рис.

9-25. Замедляющая поверхность,

образованная нерезонанснымн щеля-

ми,

нагруженными на закритические

плоские волноводы.

идентичны несимметричным поверхностным волнам,

распространяющимся вдоль диэлектрической пластины

на металле (см. выше). Коэффициенты распространения

этих волн могут быть определены из соотношения (9-19).

При

+=./

l/i + (-ff)V(>> <М5>

где Л—длина волны Я, в плоском волноводе шириной Ь.

График», представленные на рис. 9-24,а, иллюстри-

руют зависимость замедления от параметров ребристой

поверхности.

Несимметричная волна такого же типа распростра-

няется и вдоль ребристой структуры, состоящей из

канавок ограниченной длины (рис. 9-24,6).

Поверхность, образованная нерезонансными щелями,

нагруженными на закритические плоские волноводы

(рис.

9-25). Ширина плоских волноводов а должна быть

меньше Л/2; глубина h должна быть больше а; при

этом наличие нижней металлической пластины песуще-

484

ственно. Желательно иметь больше шести щелей нл

длину волны (в направлении оси z). Замедление по-

верхностной £-волны, распространяющейся вдоль такой

поверхности, может быть оп-

ределено по графикам

[Л.

14], приведенным на

рис.

9-26.

9-3.

АНТЕННЫ

ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН

Любая антенна поверх-

ностных волн состоит из

двух основных элементов:

замедляющей поверхности и,

возбудителя. В зависимости

от формы замедляющей

поверхности различают

стержневые, плоские и ди-

сковые антенны поверхност-

ных волн.

Наибольшее распространение получили стержне-

вые антенны: антенны типа волновой канал

(рис.

9-27), диэлектрические (рис. 9-28) и ребристо-

Уф

S=0,25A-y

/ /

' /

У „

S=al

JS /7,5 Ay

9 I j

s-avsx

jA/

| n

^" I A

0,2

0,3

о,ч

Рис.

9-26. Зависимость замед-

ления от ширины щелей а для

замедляющей поверхности, по-

казанной на рис. 9-25.

Рис.

9-27. Антенны типа «волновой канал».

а — симметричная с петлевым вибратором; б — симметричная с вибрато-

ром с шутовым возбуждением, в — несимметричная с петлевым вибрато-

ром, / — вибратор; 2 — рефлектор; 3 — диреыоры.

стержневые антенны (рис. 9-29). Возбуждаются эти

антенны вибратором или открытым концом волновода;

иногда применяется возбуждение с помощью рупора.

Максимум ДН стержневой антенны направлен вдоль ее

оси, а ширина ДН зависит от замедления поверхностной

волны и от длины антенны.

485

Плоские антенны поверхностных волн

(рис. 9-30)

могут возбуждаться

помощью открытого конца волно-

вода, рупора, провода

бегущей волной, щелей

и т. д

Ширина

ДН в

плоско-

сти,

перпендикулярной

за-

медляющей поверхности,

зависит

от

непосредствен-

ного излучения возбудите-

ля,

замедления поверхно-

стной волны, длины

ан-

тенны

и от

формы, разме-

ров

проводимости

той

поверхности,

на

которой

расположена антенна.

Ширина

ДН во

второй

главной плоскости зави-

сит главным образом

от

замедления поверхност-

ной волны

и от

ширины

антенны. Таким образом,

параметры

ДН

плоской

антенны

каждой

из

этих

плоскостей можно

неко-

торых пределах регулиро-

вать независимо.

Дисковые антенны

(рис.

9-31) с

ненаправ-

ленным

плоскости

ан-

тенны возбудителем

(обычно

это

вертикаль-

ный вибратор) обеспечи-

вают круговую

ДН в го-

ризонтальной плоскости.

В вертикальной плоскости

ДН

зависит

от

диаметра

коэффициента распространения концентрической замед-

ляющей структуры.

Антенны поверхностных волн

при

разумных разме-

рах

не

могут обеспечить

ДН уже

15—20°. Если необхо-

дима более узкая

ДН, то

следует применять решетку,

состоящую

из

нескольких антенн. Сужение

ДН в

одной

плоскости достигается

помощью линейной,

а в

двух

плоскостях — плоской решеток излучателей, состоящих

из стержневых антенн; такая решетка имеет определен-

ные преимущества перед решетками слабонаправлен-

ных излучателей

(см. гл. 8).

486

г)

Рис.

ан-

9-2S Диэлектрические

тенны

—

круглый волновод; 2

—

диэлектриче-

ский стержень; 3 — диэлектрический

ци-

линдр.

Антенны типа «волновой канал». Наиболее распро-

странены симметричные антенны типа «волновой канал»,

состоящие из бивибратора, рефлектора и нескольких

Рис.

9-29. Ребристо-стержневые антенны,

возбуждаемые рупором (а), открытым кон-

цом волновода (б) и вибратором (в).

директоров (рис. 9-27,а). ДН волнового канала в Е-плос-

ко'сти рассчитывается по формуле 1[ЛО. 1]:

М»>

(т

81п9

)

cos 8

(Ф

—Ы

cos

+'+S

I (ф f Ы cos 8)

га=1

(9-36)

где б отсчитывается от оси антенны;

tTl

= I п\'ъ'>

•фп

— сдвиг фазы тока в директоре номера п относи-

тельно тока в активном вибраторе.

ДН в //-плоскости рассчитывается по той же форму-

ле,

но без первого множителя, учитывающего направ-

ленность излучения одного директора. Эксперименталь-

ные ДН антенн, имеющих 6 и 10 директоров [ЛО. 1],

показывают, что формула (9-36) дает вполне удовлетво-

рительные результаты. При числе директоров, большем

487

4—5,

ширина ДН в обеих плоскостях почти одинакова,

она может быть определена по формуле (9-4) или по

графику рис. 9-3. J/ровень 'первых боковых лепестков

в Я-плоскости достигает величины 30—40% по полю

В Е-плоскости боковые лепестки значительно меньше.

»)

Рис 9-30 Плоские антенны поверхпостчых волч

—

о ребристой замедляющем поверхностью, возбужде

ние рупором, б—с диэлектрической замедляющей поверх

ностью, возбуждение то же, в

—

с ребристой поверхно

стыо,

возбуждение открытым концом волновода, г—с ди

электрической поверхностью, щелевое возбуждение,

—

с ребристой поверхностью возбуждение с помощью

провода

КНД антенны типа волновой канал с одинаковыми

директорами можно определить по формуле (9-3), в ко-

торую надо подставить значения А

{

из графика, приве-

денного на рис. 9-32. На этом же рисунке приведены

соответствующие значения КНД

КНД волнового канала при заданной длине L мало

зависит от числа директоров и, следовательно, от рас-

стояния между ними Поэтому в длинных антеннах для

упрощения конструкции расстояние между директорами

можно увеличивать до 0,341 |[Л 15].

488

_*«£2ЕИЩ

ШЯЯШЯ&ъ.

^ЖШИЁЩШМ

Зависимость КНД (9-3) от длины антенны качествен-

но совпадает с тем, что дает теория решеток {см. форму-

лу (5-58)]. Однако количественное совпадение имеется

только три L~(l—1,5)А. В более коротких антеннах,

когда Ь<Х, удается полу-

чить значения коэффици-

ента А

доходящие до

20—30.

Это объясняется

тем, что в антене бегущей

волны амплитуды токов

излучателей одинаковы,

распределение фаз соот-

ветствует постоянной фа-

зовой скорости вдоль оси

антенны, а в коротких ан-

теннах удается получить

более выгодное распреде-

ление фаз.

При длине антенны, на-

ходящейся в пределах от

до 8А, значения коэф-

фициента Л] падают при-

мерно от 8 до 5. Это

объясняется уменьшением

амплитуд токов в дирек-

торах по мере удаления

их от вибратора (см.

рис.

9-1,в). Кроме того,

чем длинее антенна, тем

меньше на ее ДН и КНД

влияют направленные

свойства каждого излучателя.

Диэлектрические стержневые антенны. Возбуждение

диэлектрической стержневой алтенны осуществляется,

как правило, от круглого волновода с волной Яц. Если

возбуждение осуществляется так, как показано на

рис.

9-28,а, то длина перехода обычно составляет 1,5—

2Л.

Если в качестве фидера используется коаксиальный

кабель, то необходим коаксиально-волноводный переход

(рис.

9-28,6 и в), возбуждающий в небольшом отрез-

ке круглого волновода, заполненного диэлектриком,

волну Яц. Основные размеры переходов указаны на ри-

сунках.

Вдоль диэлектрического стержня при этом распро-

страняется основная несимметричная волна НЕ

487

Рис.

9-31. Дисковые антенны по-

верхностных волн.

Цилиндрические диэлектрические антенны не могут

одновременно обеспечить хорошее возбуждение поверх-

ностной волны и удовлетворительную ДН (см.§ 9-1). По-

этому применяются диэлектрические антенны переменно-

го сечения; изменение сечения по длине может быть вы-

брано по данным, приведенным в § 9-1, в зависимости

от требований предъявляе-

мо

го

мых к антенне.

Наибольшее распростра-

нение получили конусные

стержни, диаметр которых

изменяется вдоль оси антен-

ны по линейному закону.

Получить точное выражение

для ДН таких антенн за-

труднительно, так как не из-

вестен закон распределения

амплитуд и фаз поля по ан-

тенне. Поэтому приходится

пользоваться выражением

для ДН цилиндрической ан-

тенны для случая, когда ам-

плитуда поля убывает вдоль

оси стержня по экспоненциальному закону. Для £-пло-

скости выражение имеет вид [ЛО. 30]:

•—

*г

. L

\в

—

А,

—

Рис.

9-32. Зависимость коэффи-

циента А\ и КНД от длины ан-

тенны типа «волновой канал»

с одинаковыми директорами.

(fl) = cos6A

^sin6)x

pz.

(

^ + /6.

(9-37)

где

^T-(T-

COS0

)

a — коэффициент фазы;

— коэффициент затухания;

—

лямбда-функция первого порядка [ЛО.40].

ДН в плоскости Я определяется тем же выражением,

но без множителя cos

б.

Влияние множителя

cos 6

за-

490