Антенны поверхностных волн (АПВ)

Диэлектрические стержневые антенны. Диэлектрические стержневые антенны, относящиеся к антеннам осевого излучения, наиболее широко применяются в диапазоне сантиметровых волн. Антенны представляют собой диэлектрический стержень, выполненный из высокочастотного диэлектрика с малыми потерями (полистирол, тефлон). Возбуждение обычно осуществляется отрезком волновода прямоугольного или крутого сечения (рис. 22). Структура поля в волноводе соответствует волне основного типа - Н₁₀ (прямоугольный волновод) или Н₁₁ (круглый волновод).

Рисунок 22. Вид возбуждающих волноводов

При бесконечной длине стержня указанный способ возбуждения приводит к возникновению в стержне как в диэлектрическом волноводе бегущей волны гибридного типа НЕ₁₁, имеющей продольные составляющие как магнитного, так и электрического поля.

Структура поля этой волны изображена на рисунке 23.

Волна НЕ₁₁ относится к так называемым поверхностным волнам, поле которых при удалении от поверхности стержня в радиальном направлении убывает по закону, близкому к экспоненциальному.

Рисунок 23. Структура поля волны НЕ₁₁

Физически возникновение поверхностной волны объясняется эффектом полного внутреннего отражения на границе раздела диэлектрик воздух. Фазовая скорость волны υ зависит от материала стержня. Чем больше диаметр стержня, тем ближе υ к скорости света в неограниченном диэлектрике, т.е. к величине где - относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня. С уменьшением d величина при этом волна слабо связана со стержнем. Особенностью волны НЕ₁₁ в диэлектрическом волноводе является отсутствие критической длины волны т.е. волна может распространяться в стержне при любом его диаметре. Однако при большом диаметре в стержне могут возбудиться волны высших типов, что нежелательно.

Отметим, что поверхностной волне НЕ₁₁, передается только часть мощности подведенной к возбуждающему волноводу. Остальная часть мощности непосредственно излучается возбудителем в окружающее пространство. Соотношение между этими мощностями определяет эффективность возбудителя

При конечной длине диэлектрического стержня можно приближенно полагать, что структура поля остается такой же, как в бесконечном волноводе, однако обрыв стержня приводит к возникновению излучения. Результирующая ДН антенны определяется взаимодействием излучения, формируемого за счет конечности стержня, и непосредственного излучения возбудителя. Сложный характер формирования ДН затрудняет дать оценку точного положения фазового центра. В первом приближении считают, что он находится в средней точке по длине стержня.

Строгий расчет поля излучения чрезвычайно сложен и требует решения соответствующей задачи дифракции. Приближенно можно считать, что по направленным свойствам диэлектрическая антенна соответствует непрерывной системе излучателей, возбуждаемых с равной амплитудой и линейным изменением фазы, характерным для антенны бегущей волны. Роль излучателей играют так называемые токи поляризации, плотность которых определяется разностью диэлектрической проницаемости стержня и диэлектрической проницаемости окружающей среды.

Как видно из рис. 23, токи поляризации, соответствующие волне НЕ₁₁ имеют преимущественное направление, параллельное оси х, и формируют линейно поляризованное поле излучения. Направленные свойства каждого элементарного излучателя могут не учитываться в приближенных расчетах основного лепестка результирующей ДН. Однако в области первых боковых лепестков ДН излучающего элемента может оказать сильное влияние.

Отраженная волна от конца стержня приводит к появлению в ДН дополнительных боковых лепестков, соответствующих излучению антенны в обратную сторону. Коэффициент отражения зависит от скорости волны в стержне. Для уменьшения отраженной волны стержню придают коническую форму, что приводит к постепенному росту фазовой скорости и приближению ее к скорости света с конца стержня. Расчет основного лепестка ДН такой антенны может быть осуществлен, как и для цилиндрической антенны по величине в середине стержня. Уровень боковых лепестков у конической антенны получается меньше.

На рис. 24 приведены результаты точного расчета ДН двух антенн длиной конического стержня с максимальным диаметром (сплошная линия) и цилиндрического стержня с диаметром, равным среднему диаметру конического стержня (штриховая линия).

Рисунок 24. ДН антенн конического стержня (сплошная линия) и цилиндрического стержня

Диэлектрические антенны являются сравнительно широкополосными. Диапазон рабочих частот определяется в основном свойствами возбуждающего волновода. Ширина ДН по уровню половинной мощности одиночной диэлектрической антенны составляет обычно не менее 20...25°. Применяются диэлектрические антенны как самостоятельные излучатели, облучатели зеркал и элементы различных решеток.

Используются также ребристо-стержневые антенны, аналогичные по своим свойствам диэлектрическим стержневым антеннам (рис. 25, а). Для получения вращающейся поляризации возбуждение ребристо-стержневых антенн осуществляется спиральным излучателем (рис. 25, б).

Рисунок 25. Ребристо-стержневая антенна

Плоские антенны поверхностных волн. Наряду с диэлектрическими стержневыми антеннами применяют плоские диэлектрические и ребристые (гофрированные) антенны, получившие также название импедансных.

Антенны состоят из возбуди теля, например, рупорного типа и структуры, направляющей волну, в виде слоя диэлектрика на металле или ребристой поверхности (рис. 26). Ребристые структуры обычно применяются в сантиметровом диапазоне волн. Диэлектрические структуры, имеющие несколько большие потери, предпочтительны в дециметровом диапазоне из-за конструктивных преимуществ. Антенны могут быть также снабжены экраном, выступающим перед направляющей структурой. Роль экрана может играть поверхность корпуса объекта, на котором расположена антенна.

Рисунок 26. Плоские антенны поверхностных волн

При соответствующем выборе параметров направляющей структуры поле над ней имеет характер поверхностной волны типа Е, не обладающей критической длиной волны причем при указанном способе возбуждения вектор магнитного поля параллелен оси y, а электрическое поле кроме имеет составляющую .

Направляющую структуру принято характеризовать поверхностным сопротивлением (импедансом), равным отношению касательных к поверхности составляющих векторов и

(7)

Величина для ребристой структуры зависит от глубины канавок, для диэлектрического слоя - от диэлектрической проницаемости и толщины слоя. Для поддержания поверхностной волны сопротивление должно иметь индуктивный характер. Для ребристой поверхности это достигается, если глубина канавок не превосходит 0,25λ.

Направленные свойства плоской АПВ, как и диэлектрической стержневой антенны, определяются в основном взаимодействием излучения, вызываемого ограниченными размерами направляющей поверхности, и непосредственного излучения возбуждающего устройства. Приближенно ДН может быть вычислена так же, как для антенны бегущей волны длиной L с замедленной фазовой скоростью. Излучающим элементом антенны можно считать полосу тока с амплитудным распределением по оси у, соответствующим распределению в раскрыве возбудителя, т.е. по закону cos(πy/d). На форму ДН в Е-плоскости влияют также токи, возбуждаемые на экране. Конечность экрана приводит к отклонению максимума излучения от продольной оси антенны на некоторый угол. Отметим, что точный расчет оптимальной длины антенны затруднен ввиду сложной зависимости ее от эффективности работы возбудителя.

Преимуществом плоских АПВ является малая высота. Подобные антенны практически не выступают над поверхностью объекта, на котором они установлены, поэтому их особенно целесообразно использовать на самолетах и других передвижных объектах.

Заключение

Существует несколько модификаций схем питания вибраторов: последовательного питания, параллельного питания и их комбинации. Наиболее простой является схема, в которой вертикальные группы вибраторов питаются последовательно, но соединяются между собой параллельно на входе антенны. Вибраторы вертикальной группы подсоединяются к вертикальной двухпроводной линии. Поскольку напряжение в точках линии, удаленных друг от друга на меняется на 180°, для обеспечения синфазности питания вибраторов провода фидера перекрещиваются.

В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн для получения узких ДН, максимум которых ориентирован по нормали к антенне или отклонен от нее на некоторый угол, широко используются многощелевые волноводные антенны. Обычно применяются щели, прорезанные в узкой или широкой стенке прямоугольного волновода, работающего в режиме волны Н₁₀ и возбуждаемые токами, текущими на внутренней поверх­ности стенок волновода.

Директорные антенны (антенны типа «волновой канал») широко используются на метровых и дециметровых волнах в качестве направленных антенн осевого излучения. Антенна состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов. Пассивным называется вибратор, к которому вместо генератора к входным точкам подсоединяется сопротивление для настройки. Ток в пассивном вибраторе наводится за счет поля, излучаемого активным вибратором.

Спиральные антенны широко применяются в диапазонах сантиметровых, дециметровых и реже метровых волн. Антенна состоит из спирального провода, соединенного с внутренним проводником возбуждающего коаксиального кабеля. Внешний провод (оплетка) кабеля присоединяется к металлическому диску (экрану), который препятствует проникновению тока, текущего по внутренней поверхности кабеля, на его наружную поверхность. Кроме того, диск играет роль рефлектора, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство.

Лекция разработана