Глава 7

Антенны поверхностных волн

7.1. Особенности антенн бегущей волны

Антенны бегущей волны представляют собой антен­ны, токи которых, формирующие поле излучения, могут быть представлены одной или несколькими бегущими волнами, распространяющимися вдоль какой-либо на­правляющей структуры. Последние по длине составляют обычно несколько длин воли. Антенны бегущей волны относятся к продольным излучателям, обеспечивающим излучение вдоль оси структуры или в направлении, близком к ней.

Представителями антенн бегущей волны являются антенны с замедленной фазовой скоростью. Расчет из­лучения этих антенн основывается на характеристиках бегущих волн с замедленной фазовой скоростью (Уф<с), направляемых замедляющей структурой. Антенны тако­го вида различают, в основном, по замедляющей струк­туре. Существует большое разнообразие замедляющих структур, которые могут поддерживать либо волны Е, либо волны Н, либо те и другие, отличающихся конст­руктивным выполнением и формой поверхности. Антен­ны с плоскими и цилиндрическими непрерывными за­медляющими структурами называют антеннами по­верхностных волн.

Примерами антенн с замедленной фазовой скоростью являются: диэлектрические стержневые антенны, спи­ральные антенны, антенны «волновой канал», различ­ные виды антенн поверхностных волн и т. д. Они нахо­дят применение как в качестве самостоятельных антенн, так и в качестве элементов антенных решеток.

Распространение бегущей волны вдоль замедляющей структуры предполагает ее достаточную электрическую длину. Это условие наиболее просто выполняется в диа­пазоне сверхвысоких частот. Поэтому антенны бегущей 198 волны с замедленной фазовой скоростью, как правило, используются в дециметровом и сантиметровом диапа­зонах волн.

Отличительным признаком волны с Уф<с является убывание амплитуды поля волны при удалении от за­медляющей структуры по экспоненциальному закону, причем скорость убывания тем быстрее, чем больше замедление волны. Поэтому характерной особенностью антенн поверхностных волн являются их малые попе­речные размеры, и они удобны при использовании в ка­честве невыступающих или маловыступающих антенн, устанавливаемых на объектах с малым аэродинамиче­ским сопротивлением.

Ширина диаграммы направленности рассматривае­мых антенн прямо пропорциональна корню квадратно­му из отношения рабочей длины волны к длине замед­ляющей структуры, т. е. зависит от этого соотношения значительно слабее, чем в антеннах с поперечным излу­чением.

Приводимый ниже расчет антенн бегущей волны с замедленной фазовой скоростью основан на следую­щих предположениях:

1. распределение поля бегущей волны 1>ф<с, рас­пространяющейся вдоль замедляющей структуры антен­ны, совпадает с полем бегущей волны над регулярной структурой с тем же замедлением;

2. отражение бегущей волны от конца замедляю­щей структуры пренебрежимо мало;

3. излучение возбудителя антенны достаточно мало и им можно пренебречь.

Эти предположения упрощают картину явлений, про­исходящих в антеннах бегущей волны, и позволяют определить распределение тока (поля) антенны по ее длине. В действительности отражения, возникающие при распространении бегущей волны вдоль замедляю­щей структуры конечной длины, и излучение возбудите­ля бегущей волны искажают это распределение. Однако эти искажения при правильном выборе размеров антен­ны невелики и ими можно пренебречь.

Приведенные предположения позволяют рассчитать диаграмму направленности антенны бегущей волны как диаграмму направленности антенны с непрерывным или дискретным распределением элементарных излучателей по длине антенны в зависимости от вида замедляющей структуры. Бегущая волна в этом случае выполняет роль линии питания элементарных излучателей.

В отдельных случаях при достаточно большой длине антенны ее излучение можно представить так же, как излучение эквивалентного раскрыва на конце антенны, образованного распределением поля волны с Уф<с над регулярной замедляющей структурой в плоскости ее поперечного сечения.

Оба представления излучения антенны носят при­ближенный характер. Однако первое из них получило наибольшее распространение при инженерном расчете антенн с замедленной фазовой скоростью.

7.2. Антенны поверхностных волн

Типичная схема антенны поверхностной волны приве­дена на рис. 7.1. Антенна состоит из двух основных эле­ментов: замедляющей структуры 1, по которой распро­страняется поверхностная волна, и возбудителя поверх­ностной волны 2. Замедляющая структура оканчивается экраном 3.

Антенны поверхностных волн различают по виду за­медляющей структуры и по функциональным призна­кам. Существует большое разнообразие замедляющих структур, отличающихся конструктивным выполнением. Как следствие их большого разнообразия, антенны по­верхностных волн находят широкое практическое приме­нение в системах связи, радиолокации, телеметрии и т. д.

Антенны поверхностных волн используются в деци­метровом и сантиметровом диапазонах волн. Обычно они допускают работу в полосе частот, составляющей ±10-г-15%. В некоторых случаях с помощью специаль­ных мер эта полоса может быть расширена.

К недостаткам антенн поверхностных волн следует отнести сравнительно малое реализуемое усиление и от­носительно высокий уровень боковых лепестков диа­граммы направленности. Ширина основного лепестка диаграммы 26° ₅ составляет обычно 15—20°. Однако су­ществуют способы, позволяющие улучшить натравлен­ные характеристики антенн, например использование мо­дулированных замедляющих структур.

Различные части антенны поверхностной волны слу­жат различным целям. От конструкции возбудителя за­висит эффективность возбуждения 'поверхностной волны. Замедляющая структура направляет поверхностную волну и обеспечивает основное излучение антенны. Поле излучения антенны поверхностной волны является ре­зультатом интерференции поля излучения замедляющей структуры ;и поля, излучаемого 'возбудителем. Последнее является вредным фактором, искажающим диаграмму направленности.

7.3. Диаграмма направленности антенны

Расчет диаграммы направленности антенны поверх­ностной волны проводится как расчет диаграммы на­правленности антенны бегущей волны с непрерывным и равномерным распределением тока по длине антенны.

Для распределения поля поверхностной волны харак­терно существование составляющей E_z или H_z в направ­лении распространения. Практическое применение нашли антенны с поверхностной волной типа E(H_Z = 0), поле которой имеет вид

где а — коэффициент ослабления поля волны в направ­лении Х\ р — коэффициент фазы волны.

где /с = 2лД; X — длина волны рабочего диапазона.

Распределение поля (7.1) позволяет определить эк­вивалентные поверхностные токи на замедляющей струк­туре антенны и рассчитать ее диаграмму направлен­ности.

Как известно, характеристика направленности линей­ного распределения тока на длине L имеет вид

Коэффициенты а и [3 в (7.1) связаны соотношением

где f(z)—амплитудное распределение тока; i|)(z)—фа­зовое распределение тока.

Для антенны бегущей волны фазовое распределение имеет вид a|)(z)=|3z и при равномерном амплитудном распределении из (7.3) получается известное выражение для диаграммы направленности

В направлении распространения поверхностной вол­ны распределение тока носит характер линейного распределения тока бегущей волны. В поперечном на­правлении по оси у для антенны, изображенной на рис. 7.1, изменение тока определяется изменением поля ь раскрыве возбуждающего рупора и носит косинусои- дальный характер. Таким образом распределение маг­нитного тока на поверхности замедляющей структуры антенны имеет вид

Диаграмма направленности антенны для тока (7.5) имеет вид

Выражение (7.6) определяется двумя множителями. Одним из них является характеристика направленности элемента тока антенны (рис. 7.1) в плоскости Н (плос­кость YOZ). Другим множителем служит характеристи­ка направленности непрерывного распределения тока по длине антенны. В. плоскости Е (плоскость XOZ) выра­жения (7.6) и (7.4) совпадают.

Множитель (7.4) оказывает определяющее влияние на диаграмму направленности антенны. Для диаграммы направ­ленности представляют интерес значения В—-^- (у

— cos 6) для углов 6°, которые ограничены величинами

При приближении коэффициента у к единице относи­тельный уровень боковых лепестков диаграммы умень­шается. С увеличением длины антенны L основной ле­песток диаграммы направленности становится более уз­ким, но растет относительный уровень боковых лепест­ков.

Однако основной лепесток не становится сколь угод­но узким при неограниченном росте величины L, как это следует из выражения (7.4). Существует некоторая пре­дельная направленность антенны, которую можно полу­чить при данном замедлении у.

Приближенно это объясняется тем, что для больших значений у замедляющую структуру антенны можно рас­сматривать как волновод, переносящий поверхностные волны к ее концу, с которого происходит излучение как с эквивалентного плоского раскрыва. Размер раскрыва определяется поперечным распределением поля поверх­ностной волны и будет тем больше, чем меньше замед­

ление. Однако, как будет показано ниже, антенны по­верхностных волн большой длины не получили прак­тического применения из-за трудности реализации замедляющих структур больших размеров.

7.4. Плоские замедляющие структуры

Замедляющую структуру, направляющую поверхно­стную волну, принято характеризовать поверхностным импедансом (поверхностным сопротивлением), который определяется отношением составляющих электрического и магнитного полей на 'поверхности структуры.

Для волны типа Е поверхностный импеданс с учетом (7.1) записывается в виде

Поверхностный импеданс может служить граничным условием для электродинамических задач и существенно облегчает их решение в случае, если распределение электромагнитного поля в импедансной структуре не за­висит от распределения тюля над ней.

При подстановке (7.1) в (7.7) получается соотноше­

ние

из • которого следует, что условием существования по­верхностной волны над импедансной структурой явля­ется ее чисто индуктивный

характер. С ростом вели­чины замедления поверхно­стной волны у увеличивают­ся коэффициент ослабле­ния а (7.2) и величина по­верхностного импеданса (7.8).

В качестве плоских за­медляющих структур ис­пользуются плоские ребри­стые (гребенчатые) струк­

туры и структуры в виде тонкого слоя диэлектрика на металлическом экране (подложке).

Ребристая структура (рис. 7.2) 'представляет собой периодически чередующиеся канавки шириной d и глу­биной h с ребрами толщиной т. Ребристая структура эк­

вивалентна непрерывной замедляющей поверхно­сти при достаточно ма­лом периоде структуры PD<1(D<0,U,D = <*+T).

Поле внутри каждой канавки ребристой струк­туры не зависит от z и его распределение соот­ветствует распределению поля волны ТЕМ. Поэто­му канавки ребристой структуры можно рассма­тривать как отрезки ко- роткозамкнутой линии, входное сопротивление которой при h<Xl4 имеет индуктивный характер. При h>h/4 входное со­противление короткозамкнутой линии имеет емкостный характер и ребристая структура не является замедляю­щей.

Формула для расчета поверхностного импеданса име­ет вид

Коэффициент замедления поверхностной волны у ^из (7.2), (7.8) и (7.9) вычисляется по формуле

При h—>1/4 в короткозамкнутых канавках насту­пает резонанс >и величина замедления у при весьма ма­лом периоде структуры неограниченно растет. Однако б реальных структурах срыв поверхностной волны на­ступает при значениях h, отличных от Х/А, из-за влияния толщины ребер т и ширины канавки d.

На рис. 7.3, 7.4 приведены зависимости замедления от глубины канавки ребристой структуры h/X при раз­личных размерах h/D и d/D [Л1].

Влияние толщины ребра заметно лишь вблизи резо­нанса,. При неизменной глубине канавок увеличение толщины ребра приводит к уменьшению замедления. Однако это явление заметно лишь при значениях d/D >0,5.

Другим видом замедляющей структуры является слой диэлектрика на металлическом экране (рис. 7.5). Распространение поверхностных волн иад диэлектриком связано с явлением полного внутреннего отражения, на­блюдаемого при падении плоской волны из диэлектрика на границу раздела с менее плотной средой. При угле падения, большем угла полного внутреннего отражения, вдоль границы раздела сред распространяется поверхно­стная волна с фазовой скоростью <Уф<с, где е —

относительная диэлектриче­ская проницаемость диэлек­трика.

В отличие от ребристой структуры в диэлектриче­ском слое могут существо­вать как волны типа Е, так и волны типа Н.

Поверхностные Е-волны могут распространяться при произвольно малой толщине диэлектрического слоя h. Этим они отличаются от поверхностных волн типа Н, которые могут существовать начиная с некоторой тол­щины слоя, обеспечивающей емкостный характер поверх­ностного импеданса. Поэтому возбуждение волн типа Е 206

наиболее предпочтительно, так как конструкция ай- тенны поверхностной волны в этом случае является бе­лее простой и имеет меньший вес.

В этом случае выражение для поверхностного импе­данса (7.7) принимает вид Из сопоставления (7.7) и (7.11) получим трансцен­дентное уравнение

из которого можно определить коэффициент р, характе­ризующий замедление поверхностной волны, для данной толщины слоя h. Его решение существует при /с<р</с_д и gh<л/2. В этом случае поверхностный импеданс за­медляющей структуры имеет индуктивный характер.

Приведенные выражения остаются справедливыми и для диэлектрического слоя двойной толщины 2h без ме­таллического экрана. В этом можно убедиться, исполь­зуя принцип зеркального отображения.

7.5. Возбуждение антенны

Возбуждающее устройство 2 антенны (см. рис. 7.1) предназначено для трансформации энергии, подводимой к антенне по фидерной линии, в энергию поверхност­ной волны, которая направляется далее замедляющей структурой 1. Возбуждающее устройство характеризу­ется своей эффективностью, которая определяется либо коэффициентом возбуждения поверхностной волны, либо эквивалентными ему характеристиками, например эф­фективной зоной возбуждения поверхностной волны. Коэффициент возбуждения определяется отношением мощности, переносимой поверхностной волной, к полной мощности, подводимой к антенне.

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%.