книги из ГПНТБ / Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование)

где С— постоянная величина, а я Im [ V Ä — а ;) < 0. Выражение (2.48) опре­

деляет поверхностную волну, распространяющуюся в. радиальном направлении вдоль границы раздела с постоянной распространения а;. Напряженность поля этой волны в направлении, перепенднкулярном границе раздела сред, асимптоти­

чески затухает с постоянной затухания ß=3T ImO^Kq — <*/)• Распространение в радиальном направлении в общем случае также происходит с затуханием по

чаю работы антенны с обтекателем. Поэтому следует учесть, что прак­ тически используемые обтекатели имеют толщину, не близкую к нулю, и рассматривать только полюсы второго или более высокого порядков.

Полюс второго порядка появляется при толщине слоя d — ^

Если толщина слоя будет несколько больше приведенного, то для этого полюса значение а' мало отличается от единицы, т. е. интен­ сивность поверхностной волны будет значительной и ее следует учи­ тывать.

Количественно поток энергии поверхностной волны оказывается сравнимым с потоком энергии сферической волны вибратора. Оценка применительно к используемым для обтекателей диэлектрикам пока­ зывает, что поток энергии поверхностной волны может достигать 10— 12% по отношению к .полному потоку энергии сферической волны вибратора. На рис. 2.29 для пластины из диэлектрика с е = 4,0 приведены кривые зависимости относительной величины потоку энергии поверхностной волны 5 от толщины слоя d/X0 при различных значе­ ниях h/X0. Видно, что величина потока имеет экстремальное значение при вполне определенных толщинах d/A0 (при заданных h/K0).

Поле излучения поверхностной волны взаимодействует с полем сфе­ рической волны-и в значительной степени искажает диаграмму излу­ чения вибратора. Аналогичные явления будут иметь место при рассмот-' рении вибратора, параллельного слою диэлектрика. Однако в отличие

60

от предыдущего случая здесь поверхностная волна не обладает кру­ говой симметрией относительно оси Z, проходящей через вибратор перпендикулярно к границе раздела.

Максимальный поток энергии направлен вдоль поверхности слоя перпендикулярно оси вибратора. Анализ показывает, что как и в пре­ дыдущем случае, амплитуда поля поверхностной волны убывает по экспоненциальному закону при увеличении расстояния h (с пос­

тоянной затухания ß = Y °ч — ко)> а поле этой волны имеет существенную интенсивность только при значениях сс;, близких к /с0, что имеет место только -при толщине слоя,

достаточно близко от их стенок [31, 32].

На рис. 2.30, а, б показаны характерные искажения диаграммы направленности (шириной ~10° по уровню половинной мощности) за счет поверхностных волн, возбужденных вдоль поверхности остро­ конечного обтекателя с углом при вершине ~30° (удлинение обтека­

края от стенки обтекателя на расстоянии —2,0А,. Характерная ступень­ ка, перемещающаяся по склону диаграммы синхронно с разворотом антенны, соответствует направлению, смещенному приблизительно, на 15° относительно оси обтекателя, и может быть объяснена по­ верхностной волной, возбуждаемой антенной вдоль поверхности обте­ кателя. Интенсивность ступеньки существенно меньше во втором слу­ чае, когда возбуждающий край удален от поверхности обтекателя

(рис. 2.30, б).

' Действие поверхностной волны, возбужденной на остроконечных, обтекателях, может также проявляться в существенных изменениях ко­ эффициента усиления системы антенна—обтекатель при перемещениях антенны относительно обтекателя. Этот эффект особенно заметен

6J

при использовании остронаправленных антенн. Он объясняется изме­ нением фазировки поля излучения, создаваемого поверхностной волной на обтекателе, и поля антенны и сложением их либо в фазе, либо в противофазе. Эффект этот усиливается при увеличении интенсивности поля на'краю антенны, т. е. при увеличении интенсивности поверх­ ностной волны.

5}

Рис. 2.30. Искажения диаграммы направленности антенны из-за поверх­ ностных волн на обтекателе:

а — край антенны на расстоянии —• 0,ІЯ от стенкн обтекателя; 6 — край антенны на расстоянии 2\ от стенкн обтекателя.

Таким образом, для уменьшения влияния поверхностных волн следует либо уменьшать интенсивность облучения краев антенны (до —10—13 дб), либо размещать края антенны не ближе (2,0-ч-2,5) Ä, от поверхности обтекателя.

2.6. О ВЛИЯНИИ МНОГОКРАТНЫХ ОТРАЖЕНИЙ НА ДИАГРАММУ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН

Многократные отражения, как правило, возникают при параллель­ ном (или почти параллельном) расположении раскрыва антенны относительно поверхности обтекателя. Такая ситуация возникает,

62

в частности, когда обтекатели представляют собой слабоизогнутые' поверхности, закрывающие вырез в фюзеляже объекта (например, при защите антенных устройств навигационных станций допплеров­ ского типа).

Для оценки происходящих явлений целесообразно рассмотреть, идеализированный случай, заменив слабоизогнутый обтекатель плос­ ким бесконечно протяженным диэлектрическим слоем, расположенным параллёльно раскрыву антенны. Структура слоя может быть произ­ вольной [33].

При решении электродинамической задачи о влиянии этого слоя на направленные свойства антенны рассмотрение целесообразно про­

(рис. 2.31). Плоская электромагнитная волна, вектор электрического поля которой с амплитудой Ев ориентирован в направлении положи­

где \Т\гг№ — коэффициент прохождения, характеризующий ослаб­ ление амплитуды и набег фазы волны, прошедшей через диэлект­ рический слой.

Поскольку диэлектрический слой плоский и бесконечно протя­ женный, прошедшая волна также остается плоской, меняется только

ееамплитуда и фаза.

Падающая на раскрыв антенны волна частично принимается (пог­

лощается), а частично отражается с коэффициентом отражения ] г | е в направлении юдиэлектрическому слою. В свою очередь эта волна,.

ба

частично отразившись с коэффициентом отражения | R |е_ ^-от слоя,

Описанный процесс повторяется многократно и для п-й отраженной волны в плоскости раскрыва антенны

2 ? ( п ) _ | у | I J. n I I j ^ n I g — / (l|) + n | + n r | ) — / К (2«A'o COS ß + ! / s i n ß ) ( 2 5 1 )

Общее поле в раскрыве является результатом суперпозиции всех полей, составляющие которых образуют убывающую геометрическую прогрессию с множителем

|r | IR I е~ I1<£+") —iK-x«cos ßt

причем I ri? I С 1.

После перехода к сумме прогрессии с учетом (2.50) и (2.51) для общего поля получается следующее выражение:

зан с коэффициентом использования антенны и зависит от ее конструк­ ции; точное значение его неизвестно (оно может быть определено лишь опытным путем). Для упрощения без большой ошибки далее везде можно положить ё = я , так как поверхность антенны металлическая.

Найдем диаграмму направленности антенны с учетом диэлектри­ ческого слоя, воспользовавшись для этого выражением (2.18), которое, если пренебречь дифракцией на краях антенны, приводится к выраже­ нию (2.19):

а

F — C' 5 е ; е 2 dl.

—а

Имея в виду введенные выше обозначения и рис. 2.7, можно конста­ тировать, что при 2а > Я, величины cos ß„ и cos ß„, входящие в мно­ житель С', мало влияют на форму диаграммы направленности и поэтому множитель С можно не учитывать.

Поле в раскрыве антенны при работе на прием (Ег) в данном случае

•определено выражением (2.52). Принимая для простоты амплитудное распределение в раскрыве при работе антенны на передачу постоян­ ным, а фазовое — линейным с углом наклона у, получим £ х = 1 sin у

64

Из (2.19) далее с учетом сделанных замечаний получается, что

Умножая полученное выражение для F на комплексно-сопряженное, найдем соотношение для расчета диаграммы направленности антенны в дальней зоне по мощности с учетом влияния диэлектрического слоя. С точностью до постоянного коэффициента

где U = /да (sin ß -+- sin у).

Нетрудно видеть, что выражение для | У | 2 состоит из двух сомно-

и определяет форму диаграммы направленности антенны без диэлект­ рического слоя, другой — учитывает влияние диэлектрического слоя

иэффект взаимодействия его с антенной. Этот сомножитель

может быть назван коэффициентом модуляции диаграммы направлен­ ности.

С учетом (2.55) окончательное выражение для диаграммы направ­ ленности антенны с диэлектрическим слоем вблизи раскрыва будет следующим:

Проанализируем полученные соотношения.

Из (2.55) видно, что коэффициент модуляции М — периодическая функция с периодом А./2; абсолютная величина ее изменяется гармони­ чески при изменении х0. Экстремумы имеют место при

sin2 (Е +- г)+ 2кх0cos ß) = Q,

имеет место на практике, то условие Л4Макс ^ 1, как видно из (2.57), будет иметь место при выполнении неравенства

- у і - і я і

Это неравенство определяет условие, при котором с помощью диэ­ лектрического листа можно подсогласовывать антенну со свободным пространством и тем самым увеличивать излучаемую ею мощность.

цией ß (2.56), изменение коэффициента модуляции М за счет х0 приво­ дит только к изменению величины максимума диаграммы направлен­ ности антенны, т. е. коэффициента усиления G без смещения направле­ ния максимального излучения. Коэффициент усиления антенны, таким

Во втором случае максимальное излучение осуществляется под углом у к оси антенны и параметр U — функция углов ß. Коэффици­ ент модуляции, являясь функцией только ß, обусловливает в этом случае ассиметричные искажения диаграммы направленности антенны и, как следствие, изменение ее пространственной ориентации на угол Aß. Следовательно, при у Ф 0 функцией х0 являются как коэффициент усиления антенны, так и направление максимального излучения:

66

G

статочно большого х0 в первом приближении можно получить [34] сле­ дующее выражение для /і-й отраженной волны ц плоскости раскрыва антенны:

_і_

Для общего же поля, являющегося результатом суперпозиции всех полей в раскрыве антенны (2.58),

I е—/Ф — /КІ/Sln ß

(2.59)

1 е— (5 + 11) — (К2.Ѵ„ cos ß

Полученное выражение отличается от (2.56) коэффициентом моду­ ляции M', в котором параметр р заменен на q. Так как q обратно пропорционально расстоянию х0, то эффект воздействия диэлектри-

Ы*

р "V

о 4

а) в)

Рис. 2.34. Зависимость характеристик излучения антенны от расстоя­ ния между ее раскрывом и диэлектрическим листом:

а — рассчитанная диаграмма направленности (у=30°; р =0,315; 17" 1г=0,85);

ческого слоя на диаграмму направленности антенны (определяемый величиной коэффициента М') при большом его удалении от раскрыва быстро убывает. Этот вывод хорошо подтверждается экспериментом; при значительных расстояниях диэлектрического обтекателя от раск­ рыва антенны величина осцилляций G и Äß с изменением х0 делается достаточно малой. На расстоянии х0« (25-^30) Я эти осцилляции прак­ тически пропадают.

В проведенном рассмотрении предполагалось, что | Т |2 = const. Если I Т 12 зависит от угла ß (угла падения волны на диэлектрический слой), то картина значительно усложняется и в конечном итоге прост­ ранственное смещение диаграммы направленности увеличивается.

68