Методы расчета волноводно-щелевых антенн 6 страница

Непосредственное излучение возбудителя не только снижает его эффективность, но и приводит к искажению диаграммы направленности антенны за счет интерферен­ции этого излучения с излучением, формируемым за­медляющей структурой антенны.

Существуют различные схемы возбуждения поверх­ностных волн, которые можно разделить на две основ­ные группы: возбуждение источниками, расположенны­ми либо в поперечном сечении поверхностной волны, либо вдоль нее. В первом случае для эффективного воз­буждения распределение источников должно воспроиз­водить распределение поля поверхностной волны в по­перечном сечении. Источники такого рода реализуются

апертурными возбудителями в виде раскрыва рупора или волновода. При втором способе возбуждения источ­ник по своей длине должен обеспечивать такое ампли­тудно-фазовое распределение, которое соответствует рас­пределению поля поверхностной волны в направлении ее распространения. В частности, фаза должна изменяться по закону бегущей волны = Наиболее часто такое возбуждение реализуется сосредоточенными источника­ми в виде щелей или вибраторов. Эффективность возбу­дителя растет с ростом его размеров.

Однако выбор последних ограничен требованием ма- ловыступающей или невыступающей конструкции антен­ны поверхностной волны, что составляет одно из основ­ных достоинств этой антенны в сравнении с антеннами других типов. 208

Наиболее широко используется возбуждение поверх­ностных волн раскрывом рупора рис. 7.1, 7.6,а. Замедля­ющая структура заходит внутрь рупора, для того чтобы обеспечить плавное 'Преобразование волны в волноводе в поверхностную волну без появления высших типов волн и отражений. В зависимости от замедления по­верхностной волны в раскрыве рупора его размер h_p должен быть таким, чтобы уменьшение амплиту­ды поля волны (7.1) на этой длине было не менее 10 дб из-за влияния верхней стенки рупора. Если величина h_v ограничена, то лишь определенная доля мощности, подводимой к возбудителю, переходит в поверхностную волну. Поэтому эффективное возбуждение возможно лишь при достаточно большом замедлении поверхност­ной волны (-у>1,2). Для замедления у = 2 и при разме­рах рупора h_p=\i/4 и lp — ЗХ (см. рис. 7.1) в поверхност­ную волну переходит более 90% мощности, подводимой к возбудителю. Обычно длина рупора 1_Р составляет (1,5н-3),А.. При расчете возбуждающего рупора следует руководствоваться методикой гл. 6.

Для замедляющей структуры в виде слоя диэлектри­ка на металлической подложке возбуждение может осу­ществляться раскрывом волновода, частично или полно­стью заполненным диэлектриком (рис. 7.6,6), подобно случаю возбуждения диэлектрического стержня, рас­смотренного в гл. 8.

В ряде случаев рупорные возбудители оказываются неприемлемыми, так как они выступают над замедляю­щей структурой. Невыступающие антенны могут быть сконструированы при использовании возбудителей, обес­печивающих возбуждение поверхностной волны по вто­рому способу. Примером служит возбудитель для ди­электрической структуры (рис. 7.6,6, г). Угол <р вибира- ется так, чтобы фаза поля на участке возбуждения изменялась по закону

В случае сосредоточенных источников возбуждения поверхностных волн (щели, диполи и т. д.), последние располагаются либо на замедляющей поверхности, либо вблизи нее.

Формирование поверхностной волны происходит на некотором участке замедляющей структуры, длина кото­рого зависит от источника возбуждения и от величины замедления на этом участке. С ростом замедления у длина участка возбуждения сокращается. 14—479 209

При возбуждении одиночной щели для замедлений Y=l,l эта длина составляет около 1,4Л,, а для у=\,2 со­кращается до (0,70,8) А,.

Использование нескольких источников позволяет увеличить эффективность возбуждения. Для щелевых возбудителей (рис. 7.6,д) разность фаз между щелями должна быть где Т — расстояние между соседними шалями. Величина Т подбирается изменением фазовой скорости волны в питающем волноводе. Из-за того что в щелях трудно выдерживать амплитудно-фазовые рас­пределения, целесообразно применять не более трех или четырех возбуждающих щелей. Величина поверхностно­го импеданса вблизи щелей должна быть такой, чтобы исключить собственное излучение щелей и обеспечить эффективное возбуждение поверхностной волны. Для этого величина ее локального замедления должна со­ставлять не менее 1,4. На участке возбуждения при уда­лении от щелей в направлении распространения поверх­ностной волны это замедление уменьшается до величи­ны, соответствующей замедлению структуры антенны. С обратной стороны от щелей участок структуры играет роль рефлектора и выбирается с емкостным характером поверхностного импеданса. Обычно структура на участ­ке возбуждения подбирается экспериментально.

Поскольку эффективные возбудители могут быть соз­даны при достаточно больших замедлениях поверхност­ной волны, при обоих способах возбуждения необходим плавный переход от возбудителя к структуре антенны.

Эффективность возбудителей поверхностной волны, применяемых обычно на практике составляет не менее

60 ч-70%.

7.6. Зависимость направленности антенны от выбора замедляющей структуры

Направленные свойства антенны поверхностной вол­ны зависят как от длины замедляющей структуры L, так и от величины замедления у поверхностной волны.

Следует заметить, что на выбор L и у существенное влияние оказывают факторы, которые не учитываются при расчете идеализированной антенны поверхностной волны. Среди них наиболее важными являются влияние излучения возбудителя и влияние отражения поверхно­стной волны от конца замедляющей структуры.

Увеличение замедления, как следует из (7.4), приво­дит к сужению основного лепестка диаграммы и увели­чивает эффективность возбуждения поверхностной вол­ны. Однако рост замедления ведет также к увеличению отражения поверхностной 'волны от конца замедляющей структуры, что ухудшает направленные свойства антен­ны. Кроме того, значительные отражения делают недо­стоверными введенные в 7.2 предположения о распреде­лении тока антенны. Поэтому при выборе величины за­медления у выбирают компромиссное решение. Рекомендуемая величина замедления составляет у = = 1,05-И,3.

При выборе длины замедляющей структуры L учи­тываются следующие соображения. Из теории антенн бегущей волны известно, что при заданном замедлении у оптимальная длина антенны, обеспечивающая получе­ние максимального коэффициента направленного дейст­вия (к. н. д.), определяется из условия

Условие (7.12) соответствует фазовому сдвигу 180° между полем излучения первого и последнего элементов структуры.

Излучение возбудителя и отражение поверхностных волн от конца структуры приводят к неравномерному распределению тока по ее длине и отличию оптимально­го фазового сдвига от 180°. Величина последнего, к сожалению, не может быть точно рассчитана. Экспе­риментальное исследование этого вопроса показывает, что длина антенны L должна выбираться из условия

Для длины антенны L=\X следует брать р = 6, /,= (3-5-8)А, р = 3, 20Я р = 2 и условие (7.13) совпада­ет с условием (7.12).

На рис. 7.7 приведена зависимость величины замед­ления от длины структуры L. Кривая 1 соответствует условию (7.12), кривая 2 — условию (7.13). Заштрихо­ванной областью обозначена область рекомендуемых значений у, которые являются результатом обобщения результатов экспериментального исследования антенн поверхностных волн с различными замедляющими структурами. Выбор значений у, меньших, чем следует из условия (7.12), позволяет уменьшить коэффициент отражения поверхностной волны от конца замедляющей структуры, величину которого можно оценить соотноше­нием

Ширина диаграммы направленности оптимальной ан­тенны, оценивается формулой

' Характерной особенностью антенны поверхностной волны, как и всего класса антенн бегущей волны, явля­ется сравнительно слабая зависимость ширины диа­граммы от ее электрической длины L/X.

Коэффициент направленного действия (к. н. д.) ан­тенны оптимальной длины оценивается соотношением

Как правило, это соотношение можно использовать и для вычисления усиления антенны, так как тепловые потери в антенне обычно малы.

Изменение усиления антенны G и ширины диаграммы на­правленности 26_{0 5} в зависимости от длины антенны при­ведены на рис. 7.8 [JI 1]. Кривые 1 и 2 соответствуют усилению и ширине диаграммы антенны оптимальной длины. Заштрихованные области соответствуют рекомен­дуемым значениям замедления у, соответствующим зна- 212

чениям из заштрихованной области- на рис. 7.7. Умень­шение замедления в сравнении с оптимальным, опре­деляемым из условия (7.12), уменьшает уровень боковых лепестков, но снижает усиление антенны за счет расширения основного лепестка диаграммы. 7.7. Расчет антенны

Расчет антенны поверхностной волны заключается в расчете ее замедляющей структуры и возбуждающего устройства по требуемым направленным характеристи­кам, таким, как ширина основного лепестка диаграммы направленности или усиление антенны. Дополнительно к антенне могут предъявляться требования в отношении уровня боковых лепестков, ширины полосы рабочих ча­стот, уровня пропускаемой мощности и т. д. Эти требо­вания оказывают существенное влияние на конструк­тивное выполнение антенны и принимаются во внимание при ее расчете.

Расчет размеров антенны поверхностной волны носит приближенный характер, обусловленный влиянием из­лучения возбудителя и отражением поверхностной вол­ны от конца замедляющей структуры. Считая эти фак­торы второстепенными, расчет антенн проводится на основе оптимального условия (7.12).

Порядок расчета антенны следующий. По заданной направленности антенны из соотношений (7.14) и (7.15) вычисляются длина L замедляющей структуры и из ус­ловия (7.12) величина оптимального замедления поверх­ностной волны. Расчет диаграммы направленности про­водится но формулам (7.4) или (7.6).

Полученные размеры антенны и ее направленные характеристики могут быть скорректированы на основе соотношения (7.13) и выбора рекомендуемых величин замедления у из рис. 7.7 и 7.8. Это позволяет уменьшить уровень боковых лепестков диаграммы направленности на 2—3 дб в сравнении с диаграммой оптимальной ан­тенны.

Расчет ребристой замедляющей структуры (см. рис. 7.2) проводится по известной величине замедления на основе соотношений (7.9), (7.10). Выбор конструктивных параметров структуры осуществляется в соответствии с рис. 7.3 и 7.4.

В случае реализации замедляющей структуры в виде слоя диэлектрика на металлической подложке (см. рис. 7.5) .расчет толщины слоя проводится по формулам (7.8) ,(7.11). При выборе диэлектрика следует руковод­ствоваться рекомендациями гл. 8.

Как правило, ребристые структуры применяются в сантиметровом диапазоне волн. Они обладают сравни­тельно малыми потерями и удобны в конструктивном от­ношении. Эксперименты показывают [JI 2], что в зави­симости от периода структуры и проводимости металла в 3-см диапазоне волн при замедлении у ⁼ 2,5 потери мо­гут составлять около 3—5 дб/м и при замедлении у=2 уменьшаются до 2—3 дб/м.

При неизменном замедлении величина потерь в реб­ристой структуре обратно пропорциональна длине вол­ны в степени 3/2.

Диэлектрические замедляющие структуры имеют, обычно, несколько большие потери. Поэтому их исполь­зование предпочтительно в дециметровом диапазоне волн. В этом диапазоне при потерях, соизмеримых с по­терями при применении ребристых структур, они могут иметь выигрыш в весе и в простоте конструктивного вы­полнения.

Расчет возбуждающего устройства антенны проводит­ся в соответствии с рекомендациями, приведенными в § 7.4. С ростом длины замедляющей структуры, как следует из рис. 7.7, величина замедления убывает, что снижает эффективность возбуждения поверхностной вол­ны. Поэтому возникает необходимость в плавном пере­ходе от структуры возбудителя с большим замедлением к структуре, формирующей диаграмму направленности антенны. Этот переход по длине может составлять до 214 20% от длины L формирующей структура й его еЛедуёТ отнести к возбуждающему устройству.

Ширина полосы рабочих частот антенны определяет­ся, в основном, диапазонными свойствами возбуждаю­щего устройства и составляет, обычно 15-^20%. Расши­рение полосы частот может быть достигнуто за счет улучшения диапазонных свойств возбудителя.

Важной характеристикой антенны поверхностной вол­ны является величина пропускаемой мощности. Эта ве­личина определяется максимально допустимой напря­женностью электрического поля в возбуждающем уст­ройстве и в замедляющей структуре антенны. Электрическая прочность возбуждающего устройства зависит от его конструктивного выполнения и оценива­ется в каждом конкретном случае. Из замедляющих структур наиболее критичными в этом отношении явля­ются ребристые структуры. Мощность, пропускаемая ребристой структурой шириной а (рис. 7.1), оценивается соотношением [J1 2]

где £_Пред — предельно допустимая напряженность поля; у — величина замедления поверхностной волны.

Допустимая (рабочая) мощность составляет обычно (1/4—1/5) Рпред- Для воздуха £'пред=^,15—30 кв/м. Вели­чина пропускаемой мощности увеличивается, если умень­шается концентрация поля вблизи острых кромок струк­туры. Для этого применяется закругление ребер струк­туры, например, с радиусом, равным половине толщины ребра. Для ребристой структуры в диапазоне волн 3 см при у = 2,5 и Х = а пропускаемая мощность составляет 35 кет.

На направленные свойства антенн существенное вли­яние оказывают размеры экрана (3 на рис. 7.1). Это влияние вносит в диаграмму направленности искажения двоякого рода: поднимает направление основного мак­симума антенны на угол 8о и расширяет основной лепе­сток диаграммы рис. 7.9.

Изменение, вносимое в диаграмму направленности антенны с неограниченным экраном учитывается допол­нительным множителем в выражении (7.4)

которое справедливо для достаточно больших размеров экрана.

На рис. 7.10 приведена типичная диаграмма направ­ленности антенны поверхностной волны в плоскости Е (по мощности) с длиной структуры L=7λ и экраном b=10λ.

Общий вид этой ан­тенны поверхностной вол­ны с ребристой струк­турой приведен на рис. 7.11.

Уменьшением замедления γ к концу замедляющей структуры мож­но уменьшить эффект отклонения основного ле­пестка диаграммы. Как показывает эксперимент, если плавное уменьшение замедления сделано на 2/3 длины структуры L, то уровень боковых лепест­ков при этом также сни­жается и составляет в плоскости Е 17 дб, а в плоскости Н 18 дб [Л 1].

Увеличение направленности антенны поверхностной волны связано, как следует из рис. 7.9, с увеличением длины замедляющей структуры L. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение величины оптимального замедления γ_опт, определяемого условием (7.12). Однако суще­ствует критическое замедление γ_кр, при котором излуче­ние антенны в продольном направлении отсутствует.

Из выражения (7.4) для диаграммы направленности следует, что величина критического замедления опреде­ляется из условия L/λ=1/(γ_кр-1)

При большой длине антенны различие между величи­нами γ_опт и γ_кр невелико, и при малых замедлениях не­большое увеличение замедления в сравнении с оптималь­ным из-за неточности конструктивного выполнения за­медляющей структуры может вызывать сильное искажение диаграммы направленности. Поэтому длина замедляющей структуры L, которая характеризуется однородным распределеним поверхностного импеданса, ограничивается обычно величиной (6÷8)λ.

Для увеличения направленности антенны, снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности и уменьшения отражения от конца антенны используются структуры с неоднородным распределением поверхност­ного импеданса.

Литература

1. Iasic Н. Reference book, Mc.Graw-Hill Co. 1960.

2. Евстропов Г. А. Современные проблемы антенно-волно- 80ДНОЙ техники. Поверхностные, волны. Изд-во «Наука», 1967,

Глава 8

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТЕРЖНЕВЫЕ АНТЕННЫ

8.1. Назначение. Принцип работы

Диэлектрические стержневые антенны относятся к ан­теннам бегущей волны с замедленной фазовой скоро­стью (V_ф<с). Они применяются на границе сантиметро­вого и дециметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до 10 ГГц.

На рис. 8.1 приведена наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны. Она представляет собой диэлектрический стержень 1, возбуждаемый круг­лым волноводом 2 с возбудителем 3 и питающим фи­дером 4. В зависимости от требований, предъявляемых

к антенне, поперечное сечение стержня, возбудитель и его питание могут изменяться. Наиболее часто исполь­зуются цилиндрические и конические стержни.

Диэлектрический стержень антенны можно рассмат­ривать как отрезок диэлектрического волновода. Из тео­рии диэлектрических волноводов известно, что в них мо­гут распространяться как симметричные, так и несим­метричные волны [ЛО 1], [ЛО 13]. Волны симметричного типа, как правило, не используются в диэлектрических стержневых антеннах, так как вследствие осевой сим­метрии они не излучают вдоль оси стержня. Основной волной, используемой с этой целью, является несиммет­ричная волна типа НЕ₁₁.

Распределение поля волны НЕ₁₁ дано на рис. 8.2. В отличие от волны типа Н₁₁ в круглом металличес­ком волноводе, касательные составляющие электричес­кого поля волны к границе диэлектрика отличны от нуля из-за существования поля вне диэлектрического стержня. Следствием этого является наличие продоль­ной составляющей электрического поля волны НЕ₁₁, объясняющее одновременное существование в диэлект­рическом волноводе несимметричных волн типа Н и Е.

С помощью одного стержня удается формировать диаг­раммы направленности шириной 2θ_0,5 > 20°÷25°. Для по­лучения более узких диаграмм направленности исполь­зуются решетки, в которых диэлектрические стержне­вые антенны являются отдельными излучателями. С уче­том направленных свойств излучателей, взаимосвязь между ними и ее влияние на входное сопротивление слабее, чем в решетках, состоящих из вибраторов и ще­лей, что облегчает настройку и управление решеткой.

Скорость распространения волны вдоль диэлектричес­кого стержня мало зависит от длины волны. Поэтому диэлектрические стержневые антенны широкополосные и их полоса пропускания ограничивается, в основном, ди­апазонными свойствами возбуждающего устройства.

При широкополосном возбудителе она может достигать 40—50%.

Преимуществом диэлектрических антенн является простота конструкции и малые поперечные размеры. Как и у всех антенн типа бегущей (волны с замедленной фа­зовой скоростью, их особенностью является то, что су­жение диаграммы направленности происходит за счет увеличения не поперечных размеров антенны, а продоль­ных размеров при малом поперечном. Эта особенность определяет их применение, в частности, в авиационных радиоустройствах.

Недостатком диэлектрических стержневых антенн является сравнительно малая пропускаемая мощность и малая направленность излучения.

8.2. Расчет диаграммы направленности

Расчет диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны основан на следующих предполо­жениях, типичных для расчета антенн бегущей волны:

1. Распределение поля в цилиндрическом стержне (рис. 8.3,а) совпадает с "распределением, поля в неогра­ниченном диэлектрическом волноводе того же диаметра.

2. Волна, распространяющаяся вдоль цилиндричес­кого стержня, является волной с замедленной фазовой скоростью, которая не изменяется по длине стержня.

3. Фазовая скорость распространения волны вдоль конического стержня (рис. 8.3 б) остается постоянной и совпадает с фазовой скоростью волны в эквивалентном цилиндрическом стержне среднего диаметра

_ср=1/2(a_макс+a_мин)

где a_макс — максимальный диаметр стержня; а_мин— ми­нимальный диаметр стержня.

4. Волной, отраженной от конца стержня, пренебре­гают.

Перечисленные предположения упрощают картину явлений, происходящих в диэлектрических стержневых антеннах и позволяют определить распределение поля в диэлектрическом стержне. В действительности, отра­жения, возникающие при распространении волны в стержне, искажают это распределение. Однако эти ис­кажения при правильном выборе размеров стержня не­велики и при расчете диаграммы направленности антен­ны поле в стержне в режиме бегущей волны принимает­ся за основу.

Известно несколько способов расчета диаграммы на­правленности [ЛО 1, Л 13, Л 1, Л 2], в которых меха­низм излучения антенны представляется либо как излу­чение эквивалентными поверхностными токами на стержне, либо как излучение токов смещения (поляри­зации) в объеме стержня.

В каждом способе используются различные упроще­ния в формулах для вычисления диаграммы направлен­ности, что делает ее расчет приближенным. Расчет излу­чения объемных токов смещения позволяет получить наиболее точные результаты для средних по длине стержней (L≤6λ), где λ — длина волны рабочего диа­пазона, широко применяемых на практике.

Для цилиндрического стержня при этом способе ра­счета диаграмма направленности в плоскости Е (плос­кость Y, Z рис. 8.1) определяется формулой

где θ — угол между направлением в точку наблюдения и осью стержня; а₀ — диаметр стержня; L — длина стержня; γ— коэффициент распространения волны вдоль стержня (рис. 8.4); Λ1 — лямбда-функция; к = 2π/λ.

Выражение (8.1) характерно для диаграммы направ­ленности линейной антенны с непрерывным распределе­нием излучающих элементов, в которых распределение токов по длине антенны изменяется по закону бегущей волны. Оно состоит из трех множителей.

Первый множитель F₁(θ)=cosθ характеризует влияние на диаграмму направленности одиночного элемента тока.

Второй множитель F₂(θ)=Λ₁sin — влияние поперечного размера стержня. Последний множитель F₃(θ)= описывает влияние продольного размера стержня и является групповой характеристикой направ­ленности антенны.

Множитель F₁(θ)=cosθ для диаграммы направлен­ности в плоскости Е мало сказывается на ее форме. В плоскости Н (плоскость X, Z рис. 8.1) этот множитель отсутствует и диаграмма направленности несколько шире, чем в плоскости Е. Поведение множителя F₂(θ) в зависимости от диаметра стержня приведено на рис. 8.5, из которого следует, что влияние поперечного раз­мера делается заметным лишь при a₀≥2λ, при a₀≤λ при этим влиянием можно пренебречь.

Множитель F₃(θ) оказывает определяющее влияние на диаграмму направленности. Поскольку излучение ан­тенны связано с потерей энергии в стержне, следует предположить затухание волны, которое можно выра­зить комплексным коэффициентом распространения γ=β-jα в (8.1). Для малого затухания α<<(β —к) можно считать, что

где α — коэффициент затухания; β —коэффициент фазы;

- коэффициент замедления;

На рис. 8.6 приведен множитель F₃ в зависимости от величины b для некоторых значений с₁. Для диаграммы направленности представляют интерес лишь те значе­ния b, которые ограничены величинами:

В приближении пренебрежимо малого затухания волны в стержне из (8.2) можно получить выражение

которому соответствует предельная кривая c₁ = 0 рис. 8.6.

Способ расчета диаграммы направленности антенны на основе выражения (8.2) дает удовлетворительные ре­зультаты для длин стержней, не превышающих (4÷6)λ. Экспериментальные результаты показывают, что при оценке величины затухания волны, распространяющей­ся в стержне а₀=(0,3÷0,5)4 и ε=2,5, следует выбирать c₁ = 0,5. Обычно, такие стержни из конструктивных со­ображений применяются наиболее часто.

Для антенн с коническими диэлектрическими стерж­нями приведенные выражения для диаграммы направ­ленности остаются справедливыми, если предположить замену конических стержней цилиндрическими среднего диаметра а_ср (см. рис. 8.3,б).

Для длинных стержней (L>8λ) основной лепесток диаграммы направленности по мере увеличения длины антенны не становится, как следовало бы ожидать из (8.3), сколь угодно узким. Существует некоторая пре­дельная направленность диаграммы, которую можно по­лучить для выбранных a₀ и ε стержня. При этих длинах диэлектрический стержень является волноводом, пере­носящим поверхностную волну к его концу, с которого происходит излучение, как с эквивалентного плоского раскрыва. Размер раскрыва, образованного радиальным распределением поля поверхностной волны, оказывается больше, чем диаметр стержня, и диаграмма более на­правленной. Однако длинные стержни не нашли широ­кого практического применения.

ображений. Для некоторых типов диэлектриков эти ве­личины приведены в табл. 8.1. На практике обычно при­меняется полистирол с ε = 2,5÷2,56. Диаметр цилиндри­-

ческого стержня, заполняющего круглый волновод (см. рис.8.1), выбирается из соотношения При частичном заполнении круглого волновода ди­электриком величина а0 выбирается из условия сущест­вования в незаполненном волноводе волны типа Н11. Для выбранного диаметра стержня а0 и диэлектрической проницаемости ε из рис. 8.4 определяется величина за­медления γ поверхностной волны, распространяющейся вдоль стержня. Как правило, величина γ= 1,1÷1,4. Дли­на стержня выбирается оптимальной из условия (8.4). Величина γ менее 1,1 может привести к чрезмерной

Расчет антенны начинается с выбора материала ди­электрического стержня. Выбор диэлектрика зависит от величины ε, тангенса угла потерь и конструктивных со-