книги из ГПНТБ / Амитей Н. Теория и анализ фазированных антенных решеток

от угла сканирования. Поэтому величина затухания df изменяет­ ся при изменении угла сканирования, и правомерность примене­ ния теории длинных линий должна оцениваться в зависимости

а — г р а н и ц ы о б л а с т и в о з н и к н о в е н и я л е п е с т к о в в р е ш е т к е с д и э л е к т р и ­ ч е с к и м п о к р ы т и е м ; б — г р а н и ц ы о б л а с т и в о з н и к н о в е н и я д и ф р а к ц и о н н ы х л е п е с т к о в в р е ш е т к е б е з д и э л е к т р и ч е с к о г о п о к р ы т и я .

от того, в каких пределах изменяется угол сканирования. В ос­ тальном метод расчета аналогичен методу, использованному в предыдущем разделе.

На рис. 6.11 приведены типичные результаты расчетов для антенной решетки с диэлектрическим покрытием (с s = 1,818 и различной толщины) при сканировании в квази-Е-плоскости. Следует отметить, что при соответствующем выборе параметров (так же, как и в случае антенной решетки с толстыми диэлектри­ ческими вставками) можно получить плоские характеристики для

модуля н фазы коэффициента отражения в рабочем диапазоне углов сканирования (на рис. 6.11 при t' = 0,224d).

Результаты решения соответствующего интегрального уравне­ ния, учитывающего присутствие диэлектрического покрытия (отме­ чены на рис. 6.11 кружками и треугольниками), хорошо согла­ суются с данными решения, при котором не учитывается взаимо­ действие нераспространяющихся типов волы на второй границе раздела (при z = t'). Для проверки результатов последнего при­ ближенного решения можно использовать те же критерии, что

идля случая антенной решетки с диэлектрическими вставками.

Взаключение отметим, что использование диэлектриков позво­ ляет улучшить согласование антенной решетки при сканировании. Однако согласование в диапазоне углов сканирования с помощью диэлектрических вставок или покрытия ухудшает частотную зависимость параметров антенной решетки (наличие дополни­ тельной поверхности раздела). В настоящее время показано, что на одной частоте возможно улучшение согласования в широком диапазоне углов сканирования. По-видимому, при использовании многослойных диэлектрических вставок или покрытий можно получить согласование в широком диапазоне частот, однако эта возможность остается темой для дальнейших исследований.

Если диэлектрическая постоянная материала вставок или покрытия выбрана достаточно большой, так что в области, запол­ ненной диэлектриком, выполняются условия для распространения нескольких типов волн, то возможно возникновение явлений, связанных с вынужденными поверхностными волнами. Этот вопрос рассмотрен в разд. 6.

6. ЯВЛЕНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ВЫНУЖДЕННЫМИ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОЛНАМИ

Явления, обусловленные вынужденными поверхностными волнамп, имеют место как в антенных решетках с диэлектрическими вставками, так и с диэлектрическим покрытием. Условия возникно­ вения этих явлений в обоих случаях несколько различны, хотя причины одни и те же. Рассмотрим сначала случай антенной решет­ ки с диэлектрическим покрытием.

Влияние обычного диэлектрика (е > 1) на распространение волны заключается в уменьшении ее фазовой скорости или, что эквивалентно, в уменьшении длины волны. Если в раскрыве антенной решетки имеется диэлектрическое покрытие, то следует рассматривать два значения для электрического расстояния меж­ ду элементами — одно в свободном пространстве и другое в ди­ электрической среде, причем второе значение электрического расстояния всегда больше первого. Различие в электрических расстояниях между элементами для свободного пространства и для

области, заполненной диэлектриком, приводит к тому, что дифрак­ ционные лучи в этих областях появляются и исчезают при разных углах сканирования. Следовательно, если поле представлено с помощью теоремы Флоке, то оказывается, что существует интер­ вал углов сканирования, для которого число распространяющихся типов воли внутри диэлектрического покрытия превышает число распространяющихся типов волн в свободном пространстве. [Волна считается распространяющейся, если ее постоянная рас­ пространения в направлении оси z является действительным чис­ лом.] Постоянные распространения периодических пространствен­ ных гармоник при сканировании в //-плоскости равны

— для области, заполненной диэлектриком.

Критические частоты пространственных гармоник в свободном пространстве и в области, заполненной диэлектриком, опреде­

оказывается приф = 2л (1 — b/kE). Остальные гармоники во внеш­ нем пространстве являются при рассматриваемом условии зату­ хающими. [Так как излучающие элементы решетки являются сим­ метричными относительно их центра, достаточно рассмотреть диапазон управляющих фаз 0 ф s j я. Если элементы антенной решетки не обладают симметрией, то необходимо рассматривать полный диапазон —я ^ ф ^ л . ]

Величина = Я/j/" е представляет собой длину плоской волны в среде с диэлектрической проницаемостью е. Соответствующие результаты для свободного пространства можно получить, полагая

2. Если толщина диэлектрического покрытия превышает неко­ торое критическое значение, обычно близкое к ЗЛ-е/16, то вблизи значения управляющей фазы ф = 2я (1 — Ь/Х) появляется разонаисный пик, которому обычно предшест­ вует провал.

3.При увеличении толщины диэлектрического покрытия резо­ нансный пик становится более острым п смещается в на­ правлении нормали решетки.

4.Дальнейшее увеличение толщины покрытия приводит к появ­ лению двух и более пиков на кривой коэффициента отра­ жения.

5.Все пики практически имеют максимальное значение, рав­ ное 1.

Величина диэлектрической постоянной при получении резуль­ татов, приведенных на рис. 6.12 и 6.13, выбиралась из условия s = (Х/Ь)2, что обеспечивает существование одной пространствен­ ной гармоники типа поверхностной волны в диапазоне 0 ^ ф ^ ^ 2л (1 — Ь/Х). При этом ппк на кривой коэффициента отражения может появиться при любом угле сканирования в пределах ука­ занного диапазона. Если использовать диэлектрик с меньшим значением диэлектрической постоянной, то происходит значитель­ ное уменьшение интервала, в пределах которого может появиться резонансный ппк на кривой коэффициента отражения. Однако большее значение диэлектрической постоянной приводит к появле­ нию нескольких пространственных гармоник типа поверхност­ ной волны н к возникновению резонансов поверхностной волны при толщине диэлектрического покрытия, даже меньшей чем

3V16.

Модуль коэффициента отражения в момент резонанса действи­ тельно принимает значение, равное 1. Из результатов численно­ го решения видно, что отличпе модуля коэффициента отражения прп резонансе от 1 имеет порядок 10-в. Эти данные подтверждают­ ся поведением коэффициента передачи (рис. 6.14). Плоскостью отсчета для коэффициентов передачи служила поверхность раздела воздух — диэлектрик при z = t'. Напомним, что величина Т-г имеет смысл коэффициента передачи только в диапазоне 2я(1—

фициента отражения, равное 1. Отметим, что фаза коэффициента передачи при этом угле сканирования претерпевает скачок на 180°, так как действительная и мнимая части коэффициента передачи, проходя при резонансе через нуль, изменяют знаки на противо­ положные. Это указывает на то, что модуль коэффициента переда­ чи проходит через нуль, а не приближается к нулю, откуда сле­ дует, что модуль коэффициента отражения при резонансе прини-

о го АО во во wo 120 но wo wo

( f l y , град

Рпс. 6.15. Зависимость коэффициента отражения от угла ска­ нирования в -Е-плоскостп для решетки из параллельных пластин с диэлектрическим покрытием (йГК = 0,5714, c / d — 0,85, е = = 3,0625).

фу, град

Рпс. 6.16. Зависимость коэффициента отражения от угла ска­ нирования в ^-плоскости для решетки из параллельных пла­ стин с диэлектрическим покрытием (а / Х = 0,5714; c / d = 0,85,

s = 3,0625).

260 Глава 6

Напомним, что коэффициент Т0 пропорционален диаграмме направленности одного возбужденного элемента решетки в секторе сканирования 0 ^ 0 ^ sin-1 (Х/2Ь), определенной при условии, что все остальные элементы в решетке нагружены на согласован­ ные сопротивления. Диаграмма направленности элемента в осталь­ ной части сектора сканирования sin-1 (Х/2Ь) < 0 < я/2 может быть получена из кривой коэффициента передачи Г_1 в диапазоне управляющих фаз 2л (1 — b/Х) ^ ф ^ я.

Острые пики на кривой коэффициента отражения соответст­ вуют глубоким провалам в диаграмме направленности элемента,

инаоборот.

6.2.Антенная решетка с диэлектрическим покрытием, сканирующая в Е-плоскостн

При сканировании в Е-плоскостн решетка из параллельных пластин возбуждается волной типа ТЕМ, электрическое поле кото­ рой поляризовано нормально к поверхности пластин. На рис. 6.15 и рис. 6.16 показано поведение модулей и фаз коэффициентов отражения при сканировании в Е-плоскости. При е = 3,0625 пространственная гармоника типа поверхностной волны присут­ ствует в широком интервале углов сканирования. Относительно толстые стенки волноводов использованы для того, чтобы в волно­ водах поддерживалась только основная волна типа ТЕМ, а рас­ стояние между элементами превышало XI2.

Из приведенных данных видно, что в отсутствие диэлектри­ ческого покрытия зависимости коэффициента отражения от угла сканирования являются относительно плоскими в широком интер­ вале углов, за исключением окрестностей точки возникновения дифракционного луча (при ф = 154°). Такие характеристики резко отличаются от характеристик для случая сканирования в //-плоскости (рис. 6.12). Этот пик, одиако, ие достигает значе­ ния 1. Прп толщине диэлектрического покрытия XJ8 наблюдает­ ся увеличение уровня отражения почти во всем интервале углов сканирования. В частности, пик, наблюдаемый в окрестности точ­ ки возникновения дифракционного луча, достигает 1.

Из не приведенных здесь результатов для более тонких покры­ тий следуют те же особенности, за исключением того, что модуль коэффициента отражения в выбросе необязательно равен 1. Угло­ вое положение резонансного пика в случае тонких покрытий сохраняется постоянным. Однако если толщина покрытия превы­ шает критическое значение XJA, то пик начинает смещаться в на­ правлении нормали. Смещение пика к нормали сопровождается его сужением. При дальнейшем увеличении толщины диэлектри­ ческого покрытия возникает иесколько резонансных пиков.