Стержневые антенны поверхностных волн

1. Стержневая диэлектрическая антенна (см. рис.14.1, е) состоит из сплошного диэлектрического стержня, возбуждаемого отрезком волновода. Материалом для изготовления стержня служат диэлектрики с весьма малым значением тангенса угла потерь (порядка 10^-3 - 10^-4) и значением относительной диэлектрической проницаемости порядка нескольких единиц (полистирол, тефлон, стеатит).

Поперечное сечение стержня может быть прямоугольным, квадратным, однако наибольшее распространение получили диэлектрические антенны круглого сечения.

Рис. 14.7. Способы питания диэлектрических стержневых антенн:

а - коаксиальным фидером; б - волноводом.

При длине волны 10 см и более питание диэлектрической антенны осуществляется обычно с помощью коаксиального фидера (рис.14.7,а).

Первичным возбудителем при этом служит несимметричный вибратор, располагаемый внутри короткозамкнутого с одной стороны отрезка круглого волновода. Длина вибратора и его удаление от торца волновода выбираются по соображениям согласования антенны с фидером питания.

В диапазоне сантиметровых волн для питания диэлектрической антенны обычно используется волновод. В этом случае для согласования стержня с волноводом на конце волновода располагают согласующую камеру и срезают на конус начальный участок диэлектрического стержня (рис.14.7,6).

Приближенный расчет параметров диэлектрической антенны основан на предположении, что вдоль диэлектрического стержня распространяются такие же волны, как и вдоль бесконечно длинного диэлектрического волновода. При указанных выше способах возбуждения вдоль стержня может распространяться основная несимметричная волна типа НЕ₁₁, структура которой показана на рис.14.8. Волна типа НЕ₁₁, является поверхностной [З]. Часть энергии волны переносится стержнем, а часть - пространством, окружающим стержень. Интенсивность поверхностной волны убывает в радиальном направлении.

Рис. 14.8. Структура поля волны типа НЕ₁₁.

Фазовая скорость, с которой электромагнитная волна распространяется вдоль диэлектрического стержня, зависит от диэлектрической проницаемости материала стержня, а также от отношения диаметра стержня d к длине волны (рис.14.9). Из рис.14.9 видно, что с уменьшением диаметра стержня (в сравнении с длиной волны) фазовая скорость приближается к скорости света. Для каждого значения диэлектрической проницаемости существует такая величина отношения d/l, при которой эти скорости уже практически равны. Величина диаметра стержня, соответствующая этому условию, может быть определена по формуле:

.(14.7)

Как известно (см.§3.4), в продольно излучающих антеннах односторонняя направленность достигается за счет того, что фаза питания каждого последующего элемента антенны отстает по отношению к фазе питания предыдущего элемента. В диэлектрической стержневой антенне это условие выполняется применением стержня с диаметром, плавно убывающим к концу (см. рис.14.7,а). Если диаметр в конце стержня выбран в соответствии с условием (14.7), то отражение от конца отсутствует, вдоль стержня распространяется бегущая волна, при этом каждый последующий элемент стержня питается с запаздыванием по фазе по сравнению с предыдущим.

Рис. 14.9. Зависимость обратной величины коэффициента замедления (1/x=v_Ф/с) волны типа НЕ₁₁ от отношения d/l и от e_Г.

В случае цилиндрического стержня часть энергии отражается от его конца и излучается преимущественно в обратном направлении. Это приводит к росту задних лепестков и за счет интерференции полей к увеличению уровня боковых лепестков.

Для неискаженного формирования ДН важно, чтобы вдоль стержня не распространялись высшие типы волн. Анализ показывает, что для этой цели максимальный диаметр стержня должен удовлетворять неравенству

d_МАКС=> .(14.8)

При расчете поля излучения конический стержень заменяют цилиндрическим, диаметр которого примерно равен среднему диаметру конического стержня

d»(d_МАКС+d_МИН)/2.

Под излучающим раскрывом антенны понимают боковую поверхность стержня. Так как касательные к поверхности стержня составляющие электрического и магнитного полей известны из решения уравнений Максвелла для бесконечного диэлектрического волновода, то можно определить поле излучения стержня конечной длины [2]. ДН антенны выражается формулой (14.2), где fс(q) - множитель системы, определяемый по формуле (14.3). Что касается множителя одиночных излучателей, из которых состоит непрерывная система, то он в Е- и Н-плоскостях соответственно имеет вид:

f_0Е(q) = J₁(ka sinq)/kasinq,(14.9)

fo_H(q) = cos qJ₁(kasinq)/kasinq,

где a=d/2, а угол q отсчитывается от оси стержня. Здесь под одиночным излучателем следует понимать участок поверхности стержня длиной dz (см. рис.14.7,а). Так как обычноL>>a, то форма ДН определяется в основном множителем системы.

Оптимальная длина диэлектрического стержня L_ОПТ определяется по формуле (14.4), а КНД - по формуле (3.60). При увеличении длины стержня ширина главного лепестка уменьшается, если L<L_ОПТ. Однако при L>L_ОПТ резко возрастает уровень боковых лепестков и может наблюдаться раздвоение главного лепестка.

С помощью одностержневой антенны можно получить ширину главного лепестка обычно не уже 15-20°. Если требуются более узкие ДН, то применяют синфазную решетку стержневых излучателей. Заметим, что иногда диэлектрическая антенна применяется для получения воронкообразной ДН. В этих случаях используется осесимметричная волна типа Е₁₀.

2. Ребристо-стержневая антенна (см. рис.14.1, г) состоит из ряда параллельных металлических дисков, расположенных вдоль оси антенны. Для крепления дисков служит металлический стержень. Для формирования волны типа НЕ₁₁ может быть применен возбудитель в виде рупора либо симметричного вибратора, перпендикулярного оси антенны, причем заднее излучение антенны в последнем случае устраняется диском - рефлектором.

Расчет электрических параметров ребристо-стержневой антенны производится аналогично расчету параметров диэлектрической стержневой антенны. Необходимые для расчета значения фазовой скорости поверхностной волны, распространяющейся вдоль ребристого стержня приведены в литературе [1].

Следует отметить, что ребристо-стержневую антенну можно рассматривать как директорную антенну, у которой круглые диски играют роль пассивных вибраторов. Так как эти диски являются «толстыми» то ребристо-стержневая антенна более диапазонна по направленным свойствам, чем обычная директорная антенна. Диапазонность ребристо-стержневой антенны по согласованию с линией питания зависит от типа возбудителя.

Ребристо-стержневые антенны находят применение на сантиметровых, дециметровых и метровых волнах. В последнем случае для уменьшения веса и парусности диски можно изготовлять из сетки или перфорированного листового материала.

Дисковые антенны поверхностных волн.

Плоские линейные и стержневые антенны поверхностных волн являются односторонне направленными антеннами. В отличие от них дисковые антенны поверхностных волн (см. рис.14.1. д,е) являются ненаправленными в плоскости диска и обладают направленностью в плоскости, содержащей ось симметрии диска.

Цилиндрическая поверхностная волна распространяется от расположенного в центре антенны возбудителя к периферии диска. Если мысленно разбить диск на ряд секторов, то каждый из них можно рассматривать как продольно-излучающую антенну поверхностных волн, главный лепесток которой направлен в сторону движения поверхностной волны и несколько отклонен от металлической подложки (из-за конечных размеров диска). ДН всей антенны имеет вид сплюснутого тора.

Направитель антенны изготовляют в виде либо диэлектрического, либо ребристого металлического диска, толщина которого убывает к периферии для согласования антенны со свободным пространством.

Для расчета ДН дисковой антенны определяют предварительно фазовую скорость поверхностной волны, а затем вычисляют поле излучения круглого раскрыва антенны.

Применение антенн поверхностных волн.

Отличительной особенностью антенн поверхностных волн является малая толщина направителя, что позволяет применять их в качестве маловыступающих (низкосилуэтных) или невыступающих антенн. Известно, например, применение линейной плоской антенны в качестве глиссадной антенны, встроенной заподлицо в посадочную полосу на аэродроме.

Широко применяются антенны поверхностных волн на летательных аппаратах. В этом случае роль металлической подложки играет обшивка летательного аппарата. Место установки антенны может существенно влиять на ее направленные свойства. Стержневые антенны для уменьшения лобового сопротивления устанавливаются по продольной оси летательного аппарата, обычно в его носовой или хвостовой части. Стержневые антенны применяются также в качестве облучателей зеркальных антенн.

В заключение отметим, что недостатком антенн поверхностных волн является относительно большой уровень боковых лепестков. Антенны с диэлектрическим направителем имеют заметные потери, а при увеличении длины волны резко возрастает их вес. Для уменьшения веса иногда применяют стержневые диэлектрические антенны полой (трубчатой) конструкции.