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

Подождите немного. Документ загружается.

к главному бокового лепестка величиной 50—60% при

a =

k и 10—15% при оптимальном замедлении.

ДН плоской антенны поверхностной волны во второй

главной плоскости (ее обычно не совсем точно называют

горизонтальной) определяется по теореме умножения.

При этом антенна рассматривается как линейная син-

фазная решетка линейных излучателей бегущей волны.

Ее ДН является произведением ДН одного излуча-

теля

JP]

на множитель решетки F

. Последний представ-

ляет собой ДН линейного синфазного раокрыва, совпа-

дающего с передним краем антенны и имеющего ампли-

тудное распределение, определяемое возбудителем

антенны. Множитель

определяется по материалам

гл.

2 (табл. 2-1), а множитель F\— по первой формуле

(9-43).

Угол б при этом отсчитывается от направления

главного максимума. Если поперечный размер антенны

достаточно велик, то ее ДН в рассматриваемой плоско-

сти определяется главным образом вторым множителем.

Дисковые антенны поверхностных волн (рис. 9-31).

Для обеспечения ненаправленного излучения в горизон-

тальной плоскости в антенне должны возбуждаться ци-

линдрические поверхностные волны о азимутальной сим-

метрией. При соответствующем выборе замедляющей

поверхности возможно распространение как Е-, так и

Я-волн; первые имеют компоненты поля E

, E

и Н

а вторые

—

и Е

. Антенна о f-волной дает вер-

тикально поляризованное, а антенна о Я-волной —гори-

зонтально поляризованное излучение.

Дисковые антенны с Е-волной обычно возбуждаются

вертикальным вибратором В качестве направляющей

поверхности может быть использован диэлектрический

диск на металле или ребристая структура. ДН такой

антенны, расположенной на бесконечной проводящей

плоскости, определяется выражением [ЛО. 28]:

вилни

№

(

*ч,ц.—

[«'<

<«*>

<**

Sin

)

—

vkaRHf

(aR)

{kR

sin

6) —

2ik sin

6].

(9-49)

Если радиус R замедляющей поверхности достаточно ве-

лик, то ДН дисковой антенны в вертикальной плоско-

сти идентична ДН плоской антенны поверхностных

волн, длина которой равна радиусу R.

501

Поэтому проектирование дисковых антенн можно

проводить, пользуясь приведенными выше материалами,

характеризующими плоские антенны поверхностных

волн.

Литература к гл. 9

Ehrenspeck Н. W., Poehler Н, A New Method for

Optaining Maximum Gam from Yagi Antennas, IRE Trans., vol. AP-7,

1959,

№ 4, p 379.

S i m о n I. C, W e i

G., A New Type of Endfire Antenna,

Ann. Radioelectricity, vol. 8,

195-3,

p. 183.

Ehrenspeck H. W., The Backfire Antenna, a New Type

of Directional Line Source, Proc. iIRE, vol. 48, 1960, I, № 1, p. 109.

Каценеленбаум Б. 3., Симметричное возбуждение

бесконечного диэлектрического цилиндра, ЖТФ, т. 19, 1949, № 10,

стр.

1168.

Каценеленбаум Б. 3., Несимметричные колебания бес-

конечного диэлектрического цилиндра, ЖТФ, т. 19, 1949, № 10,

стр.

1182.

6. G о u b о u G., Surface Wave and their Application to Trans-

mission Lines, J. Appl. Physics, vol. 21, 1950, IX, № 11, p. 1149.

Zucker F. I, Theory and Application of Surface Waves,

II Nuovo Simento Supplemento al vol. 9, 1952, № 3, p. 450.

8. M и л л e p M. А., Распространение электромагнитных волн

над плоской поверхностью с анизотропными однородными гранич-

ными условиями, ДАН СССР, т. 87, 1952, № 4, стр. 571.

9. Миллер М А., Поверхностные электромагнитные волны

в прямоугольных канавках, ЖТФ, т. 25, 1955, № 11, стр. 1972.

10.

Hansen R. С, Single Slab Arbitrary Polarization Surface

Wave Structure, IRE Trans, vol. MTT-5, 1957, № 2, p. 115.

11.

iPlummer R. E, Hansen R. C, Double-slab arbitrary-

polarization Surface Wave Structure, Proc. IEE, p. C, monograph 238

R, 11057.

12.

В айнштейн Л. А., Поверхностные электромагнитные

волны над гребенчатой структурой, ЖТФ, т. 26, 1956, № 2, стр. 385.

13.

Hurd R. A, The Propagation of an Electromagnetic Wave

Along an Infinite Corrugated Surface, Canad. Journ. Physic, vol. 32,

1954,

№ 12, p. 724.

14.

Hyneman R. E., Hougardy R. W., Waveguide Loaded

Surface Wave Antenna, IRE Nat. Conv. Rcc, p. 1, '1958, p. 225

15 В ы со ко в ски й Д. М., Антенна «волновой канал», ЖТФ,

т. 18, 1948, № 12, стр. 34.

16.

К i е

у D. G, Dielectric Aerials, London, 1953.

Глава

ВОЛНОВОДНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

И РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

10-1.

ВОЛНОВОДНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

Волноводный излучатель представляет собой откры-

тый конец волновода и является простейшей антенной

с излучающим раскрывай. ДН такой антенны опреде-

ляется размерами раскрыва и распределением поля

в нем. Строгое решение задачи об излучении из откры-

того конца волновода в настоящее время имеется

только для круглого волновода и параллельных пластан

[ЛО.

4]. В остальных случаях прибегают к приближен-

ным методам нахождения ДН, считая, что поде на конце

волновода представляет собой сумму падающей и отра-

женной волн основного типа колебаний. Высшие типы

волн, которые неизбежно возникают при отражении от

открытого конца волновода, и токи, появляющиеся на

внешней поверхности волновода, при этом не учитыва-

ются. В некоторых случаях для упрощения решения

пренебрегают и отраженной от открытого конца волно-

вода волной. Для определения ДН обычно применяют

метод Гюйгенса — Кирхгофа и принцип эквивалентности

(гл.

2, [ЛО. 9, 27, 30]). Полученное таким путем прибли-

женное решение достаточно хорошо соответствует ДН

в переднем полупространстве при частоте возбуждения

волновода значительно выше критической для данного

типа волны. Применяемые на практике соотношения ча-

стот возбуждения волновода и его критической частоты,

как правило, позволяют пользоваться результатами рас-

К волноподным излучателям можно также отнести щели,

прорезанные надлежащим образом па стенках волновода. В этой

главе под волноводными излучателями понимаются только откры-

тые концы волноводов.

503

чета методом Гюйгенса — Кирхгофа, вполне обеспечи-

вающего необходимую для практики точность (рис. 10-1).

Экспериментальные ДН получаются несколько уже, чем

ДН, рассчитанные методом Гюйгенса — Кирхгофа. Это

0 40 80 120 160 град

Рис.

10-1. Теоретические и эксперимен-

тальные ДН по мощности открытого

конца волновода с волной Ню-

а — ДН в £-плоскости; б — ДН в Я-плоско-

сти.

Сплошные кривые — ДН, рассчитанные

в предположении, что Г—0; пунктирные — с по-

правкой на отражение; О— экспериментальные

точки.

объясняется главным образом, наличием токов на внеш-

ней поверхности волноводов, которые не учитываются

при расчете. При небольших по отношению к длине вол-

ны размерах раскрыва (частота возбуждения близка

к критической) ошибки велики, и в этом случае следует

пользоваться экспериментальными данными (см., напри-

мер,

[ЛО. 1]).

504

Прямоугольный волновод о волной #

представляет наибольший практический интерес, так как

обычно он используется в качестве фидерной линии.

Выражения для ДН открытого конца такого волновода

имеют следующий вид [ЛО. 30]:

в ^-плоскости

sln

\~Т

)

(9)=~-(l

-l-i^cose)-4

> (Ю-1)

' / — sin fl

в //-плоскости

(10-2)

где у —коэффициент распространения в волноводе;

k = 2яД;

а —размер волновода в плоскости Н;

—•

размер волновода в плоскости Е\

—

коэффициент отражения от открытого конца

волновода.

Этот коэффициент обычно определяется эксперимен-

тально, так как расчет его сложен и не очень точен. Для

стандартных размеров волноводов модуль коэффициен-

та отражения в весьма широкой полосе частот равен

0,25—0,3,

а фаза 130—150°. На практике при расчетах

по формулам (10-1) и (10-2) обычно считают, что фаза Г

равна нулю, а величину модуля вычисляют приближен-

но с помощью соотношения

'-Нг

Г = -. (10-3)

ДН, рассчитанные таким путем, достаточно хорошо

совпадают с экспериментальными (рис. 10-1)

Ширина ДН по нулям в f-плоскости равна

0£

= 2arcsm-^. (10-4)

а в //-плоскости

= 2arcsinl,5-£-. (10-5)

505

КНД открытого конца прямоугольного волновода

волной

можно вычислить

помощью выражения

С =

0,81

^Щ§^1-

(.0-6,

1+1'

Для построения

ДН

открытого конца волновода мож-

но воспользоваться графиками, приведенными

на

0,5

0,6

0,8 1,0 1,5

2,00,3

0,4

0,5

0,6

0,в 1,0 1,5 2,0

а)

Рис 10-2 Данные, для построения ДН открытого

конца прямоугольного волновода с волной Н

—

ДН

в Я

плоскости,

— ДН

в £

плоскости,

с -

отно

сительная амплитуда напряженности поля,

—угол,

от-

считываемый

от оси ДН

рис.

10-2, которые обобщают экспериментальные данные

[ЛО.

23].

Пунктирные линии

на

графиках соответствуют

нижним уровням

ДН, где

данные несколько неточны.

Круглый волновод

волной

Несмотря

на то, что

такие круглые волноводы

настоящее время почти

не

используются

качестве фидерных линий, излучение

из

открытого конца круглого волновода представляет опре-

деленный практический интерес. Применение подобного

рода излучателя оказывается удобным

зеркальных

антеннах,

которых поверхность зеркала является

по-

верхностью параболоида вращения

(§

11-2).

ДН в рас-

506

сматриваемом случае определяется следующими форму-

лами [ЛО. 30]:

в плоскости Е

'.<•>=(£?-

cos

в плоскости Н

—г

Tl+r

Ji (ka sin В)

ka sin 9 '

/'i (fat sin 8)

/ ka sin 6 ,

-^-TT84-;

(Ю-7)

(10-8)

здесь 2a

—

диаметр круглого волновода;

Ji и J'\ — функция Бесселя и ее производная по аргу-

менту соответственно.

го

ю о

110 120 140 160180

а)

ВО

•00

110

Х)$~\^

\ s\ /\/ /

/7"

Ь0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

120

140

160 180

Рис 10-3. ДН открытого конца круглого волновода

с волной Н

. Сплошные кривые — теоретические,

пунктирные — экспериментальные.

—

ДП в Я-плоскости; 6

—

ДН в £-плоскости.

Точность расчета по формулам (10-7) и (10-8) мож-

но видеть из рис. 10-3, где приведены расчетные и экспе-

риментальные ДН. Хотя расчет ДН производился

в предположении, что

совпадение ДН очень хоро-

шее.

ДН открытого конца круглого волновода можно

построить с помощью графиков, приведенных на

рис.-

10-4. Ширина ДН по нулям равна:

в ^-плоскости

"0Е

• /3,83Х\

= 2arCSln

(-2STJ-

(10-9)

507

в //-плоскости

0н

—2arcsin

/5,ЗЗХ\

\ 2тта )

(10-10)

Из последних соотношений видно, что в ^-плоскости ДН

должна быть более узкой, однако, как видно из рис 10-3,

то

ЬО

ч \

ff-

\ \ \

<?\\

1 \-(С

\\\

0,8 10 ',5

а)

i ОЬ 73 1С

Рис.

10-4. Данные для построения ДП открытого кон-

ца круглого волновода с волной Н

—

ДН в И плоскости; б

—

ДН

—

в Е плоскости; с

—

относи-

тельная амплитуда напряженности поля,

9 —

угол, отсчиты-

ваемый от оси ДН.

экспериментальные ДН в Е- и Я-плоскостях почти оди-

наковы. Формулы (10-9) и (10-10) не имеют смысла при

2аД<1,22 и 2аД<1,7 соответственно, т. е. при малых

размерах излучающего раскрыва, когда метод Кирхгофа,

с помощью которого получены формулы (10-7) и (10-8),

не обеспечивает хорошей точности. Для размеров волно-

вода а:Д<1 можно пользоваться следующими соотноше-

ниями:

2е„„~34,7

—;

"0Е

26,

ОН'

46,5°—.

' а

(10-11)

508

На уровне 1/10 по мощности ширина ДН при этом же

условии равна:

' (10-12)

)

Коэффициент направленного действия можно определить

из соотношения

I=L JLY

0 = 0,83 ^Ц^АА. (10-13)

1+1'

Излучатели в виде открытого конца волновода являются

слабонаправленными антеннами, так как относительные

размеры поперечного сечения волновода обычно не-

велики. Такие излучатели используются там, где тре-

буется широкая ДН,

>и

поэтому часто применяются в ка-

честве облучателей более сложных антенных систем.

Иногда даже ДН открытого конца волновода оказы-

вается узкой. Для расширения ДН можно* изменить

форму конца волновода и применить так называемые

«рассеиватели» (рис. 11-81).

Серьезным недостатком волноводных излучателей

является плохое согласование их со свободным про-

странством, коэффициент отражения достигает больших

значений. Для сужения ДН и улучшения согласования

можно плавно увеличивать сечение волновода, т. е.

переходить к рупорным антеннам.

10-2.

ТИПЫ РУПОРНЫХ АНТЕНН

Рупорная антенна образуется путем плавного увели-

чения поперечных размеров волноводов. Так как обычно

используются прямоугольные и круглые волноводы, то

наибольшее применение находят рупоры, образованные

из этих волноводов. Если расширение прямоугольного

волновода происходит только в одной плоскости, то по-

лучаемый таким образом рупор называют секториальным

(рис.

10-5). При расширении волновода в Я-плоекости

такой секториальный рупор называют Я-плоскостным

(|рис. 10-5,а), при расширении в ^-плоскости— £-пло-

скостным (рис. 10-5,6).

509

Секториальные рупоры позволяют сузить ДН только

в той плоскости, в которой производится расширение.

В другой плоскости ДН остается такой же, как и ДН

в этой же плоскости открытого конца волновода, из ко-

торого образован рупор. Таким образом, секториальные

рупоры создают ДН веерного типа.

Рис.

10-5. Типы рупорных антенн.

а — Я-плоокостной секториальный рупор; б — С-плоскостной секториальный

рупор; в — остроконечный пирамидальный рупор; г — клиновидный пира-

мидальный рупор; д — комбинированный рупор; е — конический рупор;

ж — биконический рупор.

Для сужения ДН в обеих плоскостях применяют пи-

рамидальный рупор, который образуется путем расши-

рения волновода в обеих плоскостях (рис. 10-5,в и г).

Если ребра пирамидального рупора сходятся в одну

точку (рис. 10-5,в), то его называют остроконечным. Пи-

рамидальный рупор, изображенный на рис. 10-5,г, назы-

вают клиновидным.

Расширение волновода в обеих плоскостях можно

производить не одновременно, а последовательно. Полу-

чаемый в результате рупор называют комбинированным

(рис.

10-5,(5). Такой рупор может быть согласован

лучше, чем обычный пирамидальный, однако из-за слож-

ности конструкции он применяется редко.

Расширяющийся круглый волновод образует кониче-

ский рупор (рис. 10-5,е). Особенностью этих рупоров

с волной типа Н

является то, что их ДН по форме при-

ближается к поверхности тела вращения, что удобно при

использовании их в качестве облучателей зеркал

(гл.

11).

510