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,