7.6.7 Антенны поверхностных волн

Замедленные волны, распространяющиеся вдоль той или иной замед­ляющей поверхности, получили название поверхностных волн. Используя поверхностные волны, можно получить направленное излучение и, следовательно, направленный прием.

Антеннами поверхностных волн называются антенны, состоящие из возбудителя бегущих электромагнитных волн и направителя, по поверхности которого эти волны распространятся с фазовой скоростью υ_ф, меньшей скорости света с. Иначе говоря, направитель является замедляющей структурой.

Задача возбудите­ля заключается в сосредоточении большей части излучаемой энергии, получен­ной от генератора, в сторону направителя и создании вдоль него (и совмест­но с ним) поверхностной волны. Обычно излучение возбудителя имеет неболь­шую направленность, а направленность антенны обеспечивается излучением направителя. Суммарное излучение является результатом интерференции собственного излучения возбудителя и излучения направителя.

Антенны поверхностных волн в своем подавляющем большинстве являют­ся антеннами бегущей волны. Антенны бегущих волн имеют сравнительно ма­лые поперечные размеры при достаточно высокой направленности. Поэтому их размещают часто там, где нельзя размещать антенны с большим поперечным сечением, а именно на подвижных объектах различных типов.

Направители бывают диэлектрическими и металлическими. По форме направители антенн поверхностных волн могут быть плоскими, дисковыми и стер­жневыми. В качестве возбудителей чаще всего используют односторонне нап­равленные излучатели: рупор, открытый конец волновода, вибратор с рефлек­тором и т. д.

На рисунке 7.28 представлено несколько видов плоских антенн поверхност­ных волн.

Рисунок 7.28 – Плоские антенны поверхностных волн:

1 – рупорный возбудитель; 2 – диэлектрический

направитель; 3 – металлический ребристый направитель;

4 – штыревой возбудитель; 5 – диэлектрический диск

Из стержневых антенн поверхностных волн наибольшее распространение получили диэлектрические антенны.

Диэлектрическая стержневая антенна представляет собой диэлектрический стержень, как правило, имеющий форму цилиндра или конуса (чаще усечен­ного), возбуждаемого фидерной линией (обычно круглым волноводом).

Однако диэлектрические антенны могут иметь стержни не только кругло­го сечения, но и квадратного, прямоугольного, эллиптического и кольцевого.

Часто применяются такие диэлектрики, как полиэтилен, фторопласт, поли­стирол, имеющие относительную диэлектрическую проницаемость ε 2...2,5 и малые диэлектрические потери.

Направителем диэлектрической стержневой антенны антенны служит цилиндрический или конусообразный стержень (рисунок 7.29, а), изготовленный из диэлектрика с малыми потерями (tgδ = 10 …10 ) и относительной диэлектрической проницаемостью ε = 2…4 (полистирол, тефлон, стеатит). На дециметровых волнах диэлектрический стержень (1 на рисунке 7.3, б) возбуждается с помощью штыря (2), являющегося продолжением внутреннего провода коаксиального фидера (3). Штырь находится внутри отрезка металлического волновода (4) с короткозамыкающей перемычкой (5). На сантиметровых волнах диэлектрический стержень (1 на рисунке 7.29, в) возбуждается непосредственно от металлического волновода (2). Скос стержня способствует согласованию с возбудителем. Известно, что в диэлектрическом стержне соответствующего сечения распространяются электромагнитные волны, которые по структуре полей можно отнести к волнам типа HE₁₁. Электрическое поле волны HЕ₁₁, преимущественно поперечное.

Рисунок 7.29 – Диэлектрическая антенна: а – диэлектрический стержень; б – возбуждение коаксиальным фидером; в – возбуждение волноводом

Значит, во всем объеме стержня имеются поперечные токи смещения. Как и токи проводимости, они способны вызывать излучение волн. Если добиться полного излучения электромагнитной энергии с поверхности стержня (чтобы от его открытого конца энергия не отражалась), то имеющиеся в стержне поперечные токи смещения образуют антенну бегущей волны с осевым излучением.

Нормированная функция направленности антенны имеет вид [8]

(7.34)

Коэффициент замедления k_з = с / υ_ф (с – скорость света, υ_ф – фазовая скорость распространения волны в стержне (υ_ф<с)) зависит от отношения диаметра стержня d к длине волны λ (рисунок 7.30).

Рисунок 7.30 - Зависимость фазовой скорости электромагнитных волн в диэлектрическом стержне от его диаметра, отнесенного к длине волны.

Действительно, если d/λ велико, то электромагнитные поля концентрируются преимущественно внутри стержня и распространяются в нем как в диэлектрическом волноводе с фазовой скоростью, примерно равной скорости распространения в неограниченной среде с диэлектрической проницаемостью ε данного стержня (υ_ф = с/ ). По мере уменьшения d/λ все большая часть энергии переносится вне стержня, интенсивней становится излучение энергии во внешнюю среду, фазовая скорость возрастает и при d/λ = 0,2…0,25 становится равной скорости света.

Соответственно изменяется и волновое сопротивление стержня. Погонная емкость диэлектрика больше, чем воздуха. Следовательно, волновое сопротивление диэлектрика меньше, чем воздуха, и так как с уменьшением d/λ увеличивается количество энергии, переносимой вне стержня, то его волновое сопротивление Z_BA возрастает и, когда d/λ становится меньше 0,29, Z_BA оказывается весьма близким к волновому сопротивлению свободного воздушного пространства. Вот почему диэлектрическим стержням придают коническую форму. Вначале стержень должен иметь такой максимальный диаметр, чтобы удовлетворялись условия возбуждения нужной волны HЕ₁₁:

(7.35)

Затем диаметр d постепенно уменьшают до значения d_мин, при котором излучатель почти полностью согласован с внешней средой:

(7.36)

Зная d_макс и d_мин, определяем средний диаметр d =(d_макс +d_мин)/2. После чего с помощью рисунка 7.30 находим υ_ф /с и обратную величину k_з = с / υ_ф. Значение k_з должно совпадать или быть близким к оптимальному коэффициенту замедления k_зопт, при котором получается максимальный коэффициент направленного действия антенны. Как известно, для антенны бегущей волны с осевым излучением k_зопт=1+(λ/2)l_A. Таким образом определяется, какой должна быть длина стержня Ɩ_А.

С увеличением длины стержня его диаграмма направленности сначала су­жается, а уровень боковых лепестков и КНД растут, достигая своего макси­мума при некотором оптимальном значении длины Ɩ_опт, после чего с дальней­шим увеличением длины диаграмма направленности сужается, а уровень бо­ковых лепестков быстро возрастает и КНД падает. Затем при дальнейшем уд­линении стержня диаграмма антенны становится двухлепестковой (рисунок 7.31).

Рисунок 7.31 - Диаграммы направленности диэлектрической стержневой

антенны в зависимости от ее длины по сравнению с

оптимальной

Оптимальная длина стержня определяется по формуле

Ɩ_опт/λ = 0,5υ_ф/(с – υ_ф). (7.37)

При выполнении этого условия КНД максимален и равен (7... 8)/ Ɩ_опт/λ.

Благодаря тому, что потери в диэлектрической антенне малы, коэффициент полезного действия ее близок к 100%, а коэффициенты направленного действия D₀ и усиления G₀ примерно равны.

При Ɩ_А > 10λ оптимальный коэффициент замедления очень мал (k_{з опт} = 1+(λ/2) Ɩ_А 1,05), и для его реализации диэлектрический стержень должен быть очень тонким (d/λ < 1 согласно рисунку 7.4). Тогда в месте сочленения с металлическим волноводом неизбежно интенсивное паразитное излучение, которое снижает направленность диэлектрического стержня. Поэтому, если требуемый КНД недосягаем при Ɩ_А > 10λ, то его получают с помощью многостержневой антенны, в которой все стержни возбуждаются синфазно.

Для улучшения согласования антенны со свободным пространством иногда применяют многослойные стержни с уменьшением диэлектрической проница­емости труб. В этих случаях уровень боковых лепестков падает до 10% и ниже.

Диэлектрические стержневые антенны применяются для формирования сравнительно узких диаграмм направленности (шириной до 15... 20°) с максимумом излучения в направлении продольной оси стержня.

Положительным свойством диэлектрических стержневых антенн, как и других антенн бегущей волны и поверхностных волн, является возможность получения размеров ее эффективной поверхности, большей, тем площадь ее поперечного сечения, перпендикулярного направлению максимального излучения антенны. Это обусловлено продольной протяженностью ди­электрического стержня.

Такое свойство приводит к широкому применению диэлектрических стерж­невых антенн в качестве излучателей антенных решеток.

Диэлектрические антенны применяются в сантиметровом и примыкающей к нему коротковолновой части дециметрового диапазонов длин волн и явля­ются сравнительно широкополосными антен­нами (относительная полоса 40... 50%).

В показанном на рисунке 7.32, а варианте антенны возбудителем служит рупор (1), а направителем – плоская металлическая пластина (2) с прямоугольными выступами.

Рисунок 7.32 - Плоская линейная антенна поверхностных волн

В каждом зазоре высотой h волна, идущая по профилю выступа, проходит путь 2h и, следовательно, получает дополнительный сдвиг по фазе β·2h = 2π·2h/λ = 4πh/λ относительно волны, распространяемой над этой структурой. Обе волны интерферируют и фазовая скорость υ_ф результирующей волны получается замедленной. Например, при h = λ/4 интерферирующие волны оказываются в противофазе (4πh/λ = π) и, следовательно, выступы замедляют скорость υ_ф до нуля. Такой же эффект замедления получают с помощью гладкой структуры, имеющей, например, вид плоской металлической поверхности, покрытой слоем диэлектрика определенной толщины h (рисунке 7.32, б).

Так как в диэлектрике фазовая скорость υ_ф меньше, чем в воздухе, результирующая волна приобретает скорость υ_ф, превышающую скорость в диэлектрическом слое, но меньшую скорости света с.

Волна H₁₀, выходя из рупора (1), распространяется вдоль оси x над поверхностью (2) как волна Т. Магнитное поле на этой поверхности имеет только одну составляющую Н_y, параллельную оси y, а электрическое поле две: поперечную Е_z и продольную Е_x, т. е. электрические силовые линии расположены параллельно координатной плоскости z0х. Поперечная составляющая электрического поля Е_z и магнитное поле Н_y совпадают по фазе. За счет этих составляющих бегущая волна переносит энергию вдоль оси х.

Отражение волн от конца замедляющей структуры ослабляется в результате плавного уменьшения до нуля высоты выступов на рисунке 7.32, а и диэлектрического слоя на рисунке 7.32, б. Благодаря этому на выходе антенны излучаемые волны сразу приобретают скорость света.

Распространяемая по направителю волна называется поверхностной, так как она сосредоточена в небольшом слое воздуха, примыкающем к поверхности замедляющей структуры, точнее, амплитуда напряженности поля убывает по оси z по экспоненциальному закону.

На поверхности направителя, граничащей с воздухом, поля Е_x и Н_y сдвинуты по фазе на 90º и отношение Е_x/Н_y имеет характер индуктивного сопротивления. Отсюда такая поверхность и сама антенна называются импедансными.

Амплитуда напряженности электрического поля распределяется по стороне а, как в рупоре, т. е. по косинусоидальному закону: Еz максимальна при у = 0 и равна нулю при у = ± a/2. В поперечной (электрической) плоскости zОх составляющая Е_z эквивалентна элементарному электрическому вибратору, образующему по длине замедляющей структуры Ɩ_A бегущие волны с фазовой скоростью υ_ф. Отсюда находим функцию направленности в плоскости Е:

(7.38)

где k_з = с/ υ_ф – коэффициент замедления волны в структуре.

Угол θ отсчитывается от оси z.

Первый множитель уравнения выражает направленные свойства элементарного вибратора в плоскости Е, а второй – множитель решетки – с учетом непрерывного распределения вибраторов по длине ƖA антенны бегущей волны. Плоская антенна поверхностных волн, как одна из линейных антенн бегущих волн, имеет оптимальный коэффициент замедления k_{з опт} = 1 + (λ/2)l_А, которому соответствует максимальная КНД D≈(7…8)l_A/λ.

Другим распространенным типом стержневой антенны поверхностных волн является ребристо – стержневая антенна, состоящая из возбудителя и металли­ческого стержня, на котором укреплен ряд параллельных металлических дисков (рисунок 7.33).

Рисунок 7.33 - Ребристо-стержневая антенна поверхностных волн

В качестве возбудителя может быть использован симметричный вибратор с рефлектором, рупор или открытый конец волновода. Стержень с дисками представляет собой замедляющую структуру, вдоль которой распространяется поверхностная волна. Основными преимуществами ребристо – стержневой антенны являются простота конструкции, прочность, высокий КПД и относительно малая масса.

Антенны поверхностных волн используются на сантиметровых волнах. Они широкополосны, просты по конструкции, малы по высоте и надежны в эксплуатации. Эти качества делают их особенно полезными для применения в авиации. К сожалению, уровень боковых лепестков ДН поверхностных антенн сравнительно высокий. Эти лепестки образуются в основном той частью волн возбудителя (рупора), которые отклоняются от направителя и непосредственно излучаются в пространство.