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

Подождите немного. Документ загружается.

метно сказывается при углах 6, больших 40—45°, по-

этому основное отличие ДН в Е- и Я-плоскостях у ди-

электрических антенн, так же как и у других стержне-

вых систем осевого излучения, заключается в том, что

в Я-плоскости боковые лепестки ДН заметно больше.

Ширина ооновного лепестка в обеих плоскостях почти

одинакова.

О 80 160 240 320 400 #80 560 Шграй

Рис.

9-33.

а —функция F,(|) — третий множитель в формуле (9-37);

б — эффективное замедление в коническом диэлектрическом

стержне в зависимости от его длины (сплошная кривая).

При обычно используемых диаметрах стержня, лежа-

щих в пределах от 0,3 до 0,5А, функция Aj Г-к-sin

]

мало меняется при изменении б от 0 до 90°.

Для расчета ДН антенн из полистирола, люсита и

тому подобных диэлектриков с е,— 2,5-f-2,6 можно при-

нять,

что -g =0,5, а замедление можно определить по

графикам, приведенным па рис. 9-10. Для облегчения

расчетов на рис. 9-33,а приведены кривые Fid), где F

обозначен, третий множитель, входящий в формулу

(9-37).

Для конических антенн в форму (9-37) надо под-

ставлять некоторое эффективное замедление (а/&)эф-

При длине антенны L~(3—5)Х эффективное замедление

можно определять по среднему диаметру стержня d

(^мин 4"

с^макс).

Начальный и конечный диаметры тсо-

491

нического стержня могут быть определены по формулам

[Л.

16, Л О. 30]:

, А.

х (9

38)

"мин •—' , -

К2,5л/е

— 1

Для более длинных и более коротких антенн

U'A

Уоф

можно определять по графику, приведенному

'эф

на рис. 9-33,6; значения эффективного замедления близ-

ки к оптимальным замедлениям, даваемым теорией не-

прерывных систем осевого излучения (см. гл. 5). Для

сравнения последние показаны на рис. 9,33,6 пунктир-

ной линией.

Экспериментальные исследования конических антенн

различной длины с

MaKC

0.46А,

и й?

ин=0,ЗА, показали

[Л.

16, ЛО. 30], что ширина ДН при изменении рабочей

длины волны меняется весьма резко, например, для

антенны длиной 21

ср

в пределах частотного диапазона

с полуторакратным перекрытием ширина главного ле-

пестка меняется почти в 2 раза. Это изменение резче,

чем у синфазных антенн, у которых

~>Х,

и значи-

тельно резче, чем у классических антенн бегущей волны

при

£>ф

с,

у которых 29

0>5

'>^]/'Я. Причина такого резкого

изменения ДН у а-нтенн поверхностных волн заключает-

ся в том, что с изменением X меняется не только относи-

тельная длина антенны

L[%,

но и фазовая скорость по-

верхностной волны. При этом оба фактора действуют

в одну и ту же сторону, например, при укорочении длины

волны L/K и с/Уф увеличиваются. КПД конических ди-

электрических антенн приближенно можно определить

по формуле (9-5) или по формуле (9-3), где величи-

ну А\ надо положить равной 7—8. Более точные значе-

ния КНД могут быть найдены по графику рис. 9-3.

Диэлектрические трубчатые антенны (рис. 9-28,г). Ди-

электрические стержневые антенны применяются глав-

ным образом в 10-сантиметровом диапазоне. Это объяс-

няется тем, что на более длинных волнах диэлектриче-

ский стержень оказывается слишком тяжелым и гро-

моздким, а на более коротких

—

становятся заметными

потери в диэлектрике. Оба эти недостатка могут быть

несколько смягчены, если диэлектрический стержень за-

менить диэлектрической трубой. Характеристическое

492

уравнение, из которого можно было бы определить ко-

эффициент фазы основной поверхностной волны, распро-

страняющейся ВДОЛЬ ДИ-

гра

электрической трубы, ока-

зывается весьма слож-

ным. Поэтому диэлектри-

ческие трубчатые антенны

были исследованы экспе-

риментально [Л. 16]. Ис-

следования показали, что

хорошими ДН обладают

антенны из тонкостепных

труб. Рекомендуется при-

менять трубы с толщиной

стенок А, определяемой

из соотношения

го

Щгь

\ ч

\ \

Ч^

-~ -~

о,ь

г,о

град

2в

гь

"^*Хг-

(10+15)/в, —1

(9-39)

Диаметр трубы d также

оказывает влияние на

ДН; экспериментальная

зависимость ширины

главного лепестка на

уровне 0,25 по мощности

от диаметра показана на

рис.

9-34,а сплошной ли-

нией. Увеличение диамет-

ра трубы приводит к су-

жению главного лепестка

ДН при незначительном

увеличении боковых лепестков. Экспериментальная за-

висимость (сплошная кривая) ширины основного ле-

пестка на уровне 0,25 по мощности от длины антенны

приведена на рис. 9-34,6.

ДН диэлектрической трубчатой антенны можно ре-

комендовать рассчитывать по формуле, справедливой

для антенны бегущей волны с постоянной фазовой ско-

ростью, равной скорости света, и с 'равномерным распре-

делением амплитуд:

Рис.

9-34

—

ширина главного лепестка ДН на

уровне 0,25 Р трубчатых диэлектриче-

ских антенн длиной L=6X и Д=0,ОЗХ

при различных диаметрах d, б—ширина

главного лепестка ДН на уровне 0,25 Р

трубчатых диэлектрических антенн диа-

метром

d—1,16

А,

и Д=0,ОЗХ при раз-

личной ' длине L. Сплошные кривые

—

экспериментальные; пунктирные

—

рас-

четные-

F(6) = cosCy

m:e)

, XkL 1

sin Y 0 —cos 9)

-ЙГ(1

—cos 9)

(9-40)

493

Соответствующие этой формуле ширины главного ле-

пестка по точкам 0,25 по мощности показаны на рис. 9-34

пунктиром. Сравнение теоретических и эксперименталь-

ных данных показывает, что формула (9-40) даег доста-

точно близкие к действительности результаты, если в нее

подставить вместо L величину

j,,

которую надо опре-

делить по кривым, приведенным на рис. 9-34,6. Для

L>3A, это эффективное значение больше действительной

длины антенны, а для L<3A,— меньше ее.

Большая ширина главного лепестка у коротких

антенн является характерной особенностью антенн по-

верхностных волн (см. § 9-1). ДН трубчатых антенн

практически одинаковы в обеих главных плоскостях.

Ребристо-стержневые антенны (рис. 9-29). Возбужде-

ние основной несимметричной поверхностной волны в реб-

ристо-стержневых антеннах производится о помощью

круглого волновода с волной #ц (рис. 9-29,6), кониче-

ского рупора с той же волной (рис. 9-29,а) или полувол-

нового вибратора с рефлектором (рис. 9-29,в). Первые

способы возбуждения более широкополосны, но зато бо-

лее громоздки; их удобнее применять в сантиметровом

диапазо'не радиоволн. Возбуждение с помощью вибра-

тора, как и вообще ребристо-стержневую антенну, удоб-

но применять в дециметровом и даже в начале коротко-

волнового диапазона радиоволн. В этих диапазонах

ребристо-стержневая антенна, выполненная из перфори-

рованных или сетчатых дисков, обладает следующими

преимуществами перед другими типами антенн: ее кон-

струкция относительно проста и легка, питание просто,

она обладает значительной направленностью и широко-

полосностью. ДН ребристо-стержневой антенны в глав-

ных плоскостях определяется по формуле [ЛО. 28]:

МО, ?) = Ыв,

0-41)

где для главных плоскостей

(ф

соответствует £-пло-

скости):

(8,

= Ьр. - /

(и)

-i §J- sin 8Л (и);

u — kas'mb;

—

та же величина, что и в формуле (9-37).

Таким образом, ребристо-стержневая антенна экви-

валентна непрерывной системе поперечных магнитных

494

токов. Множитель sin g/| является ДН непрерывной си-

стемы ненаправленных излучателей, возбуждаемых вол-

новым процессом с Уф<с; множители /\ (6, 0) и f

(б, ~ )

являются ДН элемента стержня, представляющего собой

систему равномерно распределенных в поперечном сече-

нии стержня магнитных диполей.

КНД ребристо-стержневой антенны может быть опре-

делен по формуле (9-3), в которой коэффициент А

надо

положить равным 7—8. По известным ДН антенны КНД

можно определить по формуле (9-5).

Плоские антенны поверхностных волн (рис. 9-30)

представляют собой полоску замедляющей поверхности,

обычно расположенную на металлическом экране; дли-

на экрана может быть значительно больше длины

антенны. В зависимости от данных замедляющей по-

верхности и от способа возбуждения вдоль антенны мо-

жет распространяться как низшая поверхностная £-вол-

на, дающая вертикально поляризованное излучение, так

и низшая поверхностная Я-волна, дающая горизонталь-

но поляризованное излучение. Возбуждение поверхност-

ной волны в плоских антеннах может осуществляться

различными способами, часть из которых показана на

рис.

9-30. Чаще всего возбуждение осуществляется от

синфазного линейного источника—рупора или линзы.

Форма ДН в плоскости, проходящей через ось антен-

ны и перпендикулярной к ее поверхности, определяется

в основном распределением эквивалентных магнитных

токов вдоль замедляющей полосы и данными металличе-

ского экрана. Вид ДН в другой главной плоскости за-

висит также и от распределения эквивалентных токов

поперек замедляющей полосы.

Направление главного максимума лежит в первой

(вертикальной) плоскости и определяется как параме-

трами антенны, так и размерами металлического экрана.

Если экран имеет достаточную ширину и протяженность

более 20Я, то его можно практически считать бесконеч-

ным. В этом случае ДН плоской антенны поверхностных

волн в вертикальной плоскости определяется:

для Е-волны F

(в) = cos

^-;

sins ' <

943

)

для //-волны /*"

(б)

= sin

—=—,

)

где g— то же, что и в (9-37).

495

У антенн с вертикальной поляризацией поля (£-вол-

на) главный максимум направлен вдоль металлического

экрана, т. е. он лежит в плоскости антенны.

У антенн с горизонтальной поляризацией поля

(Я-волна) главный максимум составляет с плоскостью

антенны угол 8

мако

, который можно определить из

трансцендентного уравнения [ЛО. 28]:

ctg е

макс

-т,-

sin

ма

кс

(ctg

ма

„с

—

i ), (9-44j

где

?макс =• ~п~[

COS

ма

ко г

);

—

коэффициент фазы поверхностной волны.

В первом приближении можно считать, что угол

отклонения максимума от плоскости антенны равен ши-

рине главного лепестка на уровне 0,5Р. На рис. 9-35 при-

ведены расчетные кривые зависимости угла наклона ма-

ксимума ДН от относительной длины антенны для раз-

личных замедлений [ЛО. 28]. Угол наклона максимума

ДН уменьшается с возрастанием замедления, а также

с удлинением антенны. Здесь же нанесены эксперимен-

тальные точки, снятые при металлическом экране, вы-

ступающем за пределы антенны на ЗОЛ; совпадение

с расчетными данными хорошее.

Наличие в выражении для ДН антенны о Я-волной

множителя sin

дает не только отклонение максимума

от плоскости аитенны, но приводит также к возрастанию

уровня боковых лепестков и, следовательно, к снижению

КНД антенны. Основной лепесток может оказаться даже

меньше первого бокового лепестка. Это приводит к мне

голепестковой структуре ДН, а также к значительному

возрастанию угла наклона максимума в том случае,

когда уровень первого бокового лепестка превысит уро-

вень основного лепестка. На рис. 9-35 экспериментальные

точки на участках, соответствующих превращению пер-

вого бокового лепестка в основной, отмечены кружками.

При <z/&=il,2, например, это происходит уже при L/A>4.

Поэтому для Я-волны оптимальное замедление должно

быть заметно меньше, чем для £-волны. Оно лишь на

несколько процентов отличается от единицы.

Когда металлический экран (рис. 9-36,6) нельзя счи-

тать бесконечным (D<20X для антенн с £-волной и

£><10Л для антенн с Я-волной), направление главного

496

максимума

для

антенн

£-волной,

так же как и для

антенн

//-волнами, не совпадает

плоскостью антенны.

Решение задачи

об

излучении плоской антенны

по-

0,1

0,10,1

0,6

0,8

2 3 V 5

6789Ю

Рис.

9-35. Зависимость угла наклона глав-

ного и двух побочных максимумов ДН ан-

тенны поверхностных Я-волн на бесконеч-

ном экране от ее длины.

—

главный максимум; 2

—

максимум первого

бо-

кового лепестка; 3

—

максимум второго боковою

лепестка. Кружками

крестиками нанесены -экс-

периментальные значения, снятые

при

экране

длиной

ЗОЯ,.

верхностиых волн

на

металлическом экране конечных

размеров проводят, используя принцип эквивалентности

и предположения, принятые

методе Гюйгенса

—

Кирх-

гофа.

Оно

получено только

для

экрана, совпадающего

32—2541 497

по своим размерам с антенной (рис. 9-36,а). ДН для

Е- и //-волн имеют одинаковый вид [ЛО. 28]:

-А \

•cos

sin

(9-45)

Множитель, стоящий в квадратных скобках, представ-

ляет собой ДН по мощности элемента замедляющей по-

верхности с эквивалентными электрическими и магнит-

град

ип

^^^^

—

= 10

sV\tf

\?,г\

^ <э**ч.

о о Е волна

А« —_„

- i

= 1,052

И волна L — ; 55

3 «

в)

Рис.

9-36.

5 6? S S №

а — плоская антенна поверхностных волн на невысту-

пающем экране; б

—

то же на выступающем экране;

—

угол наклона главного максимума ДН плоской

поверхностной антенны, расположенной на невысту-

пающем экране. Экспериментальные точки отмечены

кружками, треугольниками и крестиками.

ными токами (гюйгенсовский элементарный излучатель).

Свойства этого излучателя и определяют отклонение ма-

ксимума ДН от плоскости антенны, которое, здесь не-

сколько меньше, чем в случае антенны с //-волной, рас-

положенной на бесконечном экране. Имеется заметное

излучение в нижнее полупространство.

Направление главного максимума определяется из

трансцендентного уравнения

tgSrn

?гл

COS 0

(9-46)

Наибольшее отклонение главного максимума от плоско-

сти антенны получается у коротких антенн [L~ (2-f-3)X]

498

с малым замедлением (c/v

-г-1,05); оно имеет поря-

док 30—40°. Результаты расчета по формуле (9-46)

хорошо совпадают с данными эксперимента (рис. 9-36,е).

ДН плоской антенны поверхностной ^-волны, рас-

положенной на металлическом экране конечных разме-

ров (рис. 9-36,6), определяется выражением [ЛО. 28]:

(

)=С_*+Ф)

г-) [С (

-®®

Шо

- ±

/HI '•-' (с

(6)

(6) I

(D+L)

(

Й)

(9-47)

где С(<|>) и S

(t|>) —

интегралы Френкеля [ЛО. 40];

ф= 2^cos

-2-;

плюс следует брать для 0<6<it, а минус

—

для it<

<б<2тс.

ДН плоской антенны с поверхностной Я-волной, рас-

положенной >на не очень коротком экране, определяется

как

(8)

= АН

(8)

sin

(9-48)

где Н

(б) определяется по (9-47).

На рис. 9-37 показано изменение ширины главного

лепестка и угла его наклона в зависимости от длины

выступающей части экрана D для различных длин антен-

ны L и двух замедлений. Одно из них равно единице,

а второе

—

оптимальному значению, определяемому

условием (9-2). Увеличение D ведет к сужению главного

лепестка, однако, начиная с D=2L, дальнейшее увеличе-

ние D сказывается мало: ДН приближается к ДН, по-

лучаемой при бесконечном экране. Следует иметь в виду,

что при вертикальной поляризации и при длинном, но

ограниченном экране главный максимум всегда оказы-

вается отклоненным от плоскости антенны.

При горизонтальной поляризации (Я-волна) главный

лепесток более узок, чем при вертикальной, но зато

сильнее отклонен от плоскости антенны. Влияние же ко-

нечности размеров экрана выражено значительно сла-

бее,

чем при вертикальной поляризации. Уже при

D^WtX можно пользоваться данными для бесконечного

32*

499

экрана. При конечных размерах экрана для Я-волны за-

медление необходимо брать меньше оптимального во

избежание недопустимого возрастания боковых лепест-

град

So 5, ®гл

**^^

yl^2\

Г~-

-</1

L=i(ll

/ =8А

.1 .

л a

град

! чО

<и

a 0

\$0,5 > ®r/i

iL = 2\

'Ч\

^=^Ц=-

(а-к) L *л

L=fiA

L^lOX

"Г

^ ос ==й,

з град

*> 30

%5.

9™

]

--.

L=4X

~— — J:

(а K)L Л

-7-

УЛ

£Л ?7л

?ЬА

гол

Рис.

9 37 Зависимость ширины главною

лепестка ДН 28о,

(сплошные кривые) и уг-

ла его отклонения 8

гл

(пунктирные кривые)

от размеров экрана

ков.

Применение антенн с Я-волной и о малым экраном

нежелательно, так как их ДН оказываются сильно изре-

занными.

В антеннах с £-волной сужение главного лепестка

с увеличением D сопровождается появлением прижатого

500