книги из ГПНТБ / Молодов Б.И. Антенны (учебное пособие)

Рис. 5-10. 1Цели во внешней оболочке коаксиальной линии, возбуждаемые с помощью реактивных штырей

ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ В КРУГЛЫХ ЦИЛИНДРАХ

Щель может быть расположена на стенке металлической трубы, имеющей диаметр величиной в несколько десятых долей волны, недостаточный для использования трубы как волновода (рис. 5-11). В этом случае токи, поперечные относительно щели, замыкаются по внешней и внутренней поверхностям трубы, огибая ее, как показано на рис. 5-11, а.

вертикального симметричного вибратора соответствующей длины.

Характерно, что щель, прорезанная в трубе небольшого диамет­ ра, для настройки в резонанс не укорачивается, а удлиняется по сравнению с полуволновой щелью.

Необходимость удлинения объясняется тем, что кольцевые участки поверхности трубы, присоединенные параллельно элемен-

120

там длины щели, имеют индуктивный характер сопротивления (как

короткозамкнутые шлейфы длиной меньше-^-), поэтому щель

в трубе представляет собой как бы два отрезка двухпроводной ли­

индуктивностями оказывается большей, чем в свободном простран­ стве, что приводит к необходимости удлинять щель в трубе при настройке в резонанс. В качестве фидеров для щелей в тонких трубах обычно применяют коаксиальные линии.

Вдоль трубы может быть расположено несколько синфазно питаемых щелей для увеличения направленности в вертикальной плоскости. Щели в тонких трубах применяются на дециметровых

иметровых волнах.

Взаключение отметим некоторые области применения и осо­ бенности щелевых антенн.

Всилу отсутствия выступающих частей щели могут использо­ ваться в различных летательных аппаратах, не ухудшая их аэро­ динамических свойств.

Как указывалось, применение щелей в волноводах позволяет

использовать этот же волновод в качестве фидерной линии, что естественно приводит к весьма простой конструкции устройства в целом.

Недостатком щелевых антенн на сантиметровых волнах являет­ ся трудность использования их в широком диапазоне волн.

2. Диэлектрические стержневые антенны

На волнах около 10 сантиметров применяются диэлектрические стержневые антенны, представляющие собой круглые или прямо­ угольные диэлектрические стержни длиной в несколько волн.

На рис. 5-12 показана в разрезе диэлектрическая стержневая

Рис. 5-12. Диэлектрическая стержневая антенна:

антенна с круглым стержнем постоянного диаметра d. В отрезке круглого волновода с помощью штыря возбуждается волна Ни,

121

проходящая в стержень и распространяющаяся к его концу за пределами отрезка волновода. Волна, распространяющаяся вдоль диэлектрического стержня, как вдоль волновода, имеет структуру, близкую к волне Нц круглого волновода, отличаясь от нее тем, что

стержня бесконечной длины, от величины отношения диаметра к длине волны для диэлектриков с различными относительными значениями диэлектрической проницаемости.

Рис. 5-14. Относительная фазовая скорость волн

в диэлектрическом стержне

122

Обычно стержни изготовляют из материалов с относительной диэлектрической проницаемостью около 2,3 —г- 2,5 (полистирол, плексигласе), и диаметр стержня возле питающего волновода берут около 0,5/.. При этом фазовая скорость имеет величину око­ ло 0,87с.

Рассмотрим качественно причины, в силу которых диэлектри­ ческая антенна обладает направленностью.

Ознакомившись со структурой полей внутри стержня, можно отметить следующие особенности диэлектрической стержневой антенны как излучателя. Как показано на рис. 5-13, линии электри­ ческого поля внутри стержня сравнительно мало отклоняются от направления оси X, параллельного возбуждающему штырю.

Переменное поле, существующее в стержне, вызывает появле­ ние электрических поляризационных токов в диэлектрике, почти одинаково ориентированных по всему сечению стержня, т. е. при­ близительно параллельных оси X. Так как поляризационные токи представляют собой колеблющиеся, хотя и связанные, заряды, то они излучают электромагнитные волны, причем каждый элемент длины стержня можно рассматривать как электрический излуча­ тель с некоторым током, эквивалентным сумме поляризационных токов в пределах объема с такой же, как у них, начальной фазой.

Таким образом, разделив диэлектрическую стержневую антен­ ну на ряд одинаковых дисков малой толщины А/, можно рассмат­ ривать ее как линейную прямофазную систему, состоящую из оди­ наковых и одинаково ориентированных излучателей — дисков, не­ прерывно распределенных вдоль оси стержня (рис. 5-15).

Рис. 5-15. Разделение диэлектрического стержня на элементарные излучатели при приближенном рассмотрении направленных свойств

Поскольку направление токов в стержне приблизительно парал­ лельно оси штыря, возбуждающего стержень, то электрический вектор поля стержневой диэлектрической антенны будет лежать в одной плоскости с осью штыря, т. е. поле будет линейно-поляри­ зованным.

Если же в волноводе возбуждается поле с вращающейся поля­ ризацией, то такой же будет и поляризация поля диэлектрической стержневой антенны в дальней зоне.

123

Как известно, к линейной прямофазной системе применимо пра­ вило перемножения диаграмм, т. е. результирующая диаграмма диэлектрического стержня длиной L приближенно может быть представлена в виде:

диска не является симметричной относительно оси стержня, однако при длине стержней в несколько длин волн можно вообще прене­ бречь влиянием множителя одиночного диска, полагая его постоян­ ной величиной'.

Рассмотрим применительно к рассматриваемой антенну множи­

В нашем случае в этой формуле необходимо заменить величины следующим образом:

где Хст -—длина волны в стержне.

Произведя эти замены, опуская множитель Fi(0) как приблизи­ тельно постоянную величину и разделив / СИс т ( 0 ) на я, что, конечно, не изменяет диаграммы направленности, получаем после сокраще­

C O S 0 j

Iг (

124

С помощью этой формулы можно приближенно рассчитать главный лепесток диаграммы диэлектрической стержневой антен­ ны длиной L, воспользовавшись графиками 5-14 для определения

с

величины — по диаметру стержня и величине относительной ди­

электрической проницаемости для материала, из которого изготов­ лен стержень. В области боковых лепестков формула (5.1) непри­ годна. Боковые лепестки диэлектрической антенны имеют величину около 0,25 -f-' 0,3 от главного.

Практически ширина главного лепестка одиночного стержня получается 25-J-300, причем значительно уменьшить ее не удается.

Для уменьшения отражений от конца антенны стержень обычно имеет форму усеченного конуса. В конце диаметр стержня состав­ ляет около 0,ЗХ . Коэффициент направленного действия одиночного

линейную синфазную систему или синфазную плоскую решетку из нескольких диэлектрических антенн.

Диаграмму таких систем можно рассчитать, применяя правило перемножения и формулу (5.1) для одиночного стержня.

Достоинством стержневых диэлектрических антенн является малая зависимость диаграммы направленности от частоты, при­ мерно, в полуторакратном диапазоне волн.

Полоса пропускания антенны ограничивается практически-толь­ ко возбуждающим устройством.

Диэлектрические стержневые антенны находят применение в некоторых приемных разведывательных устройствах.

Более подробные сведения о конструкции и расчете диэлектри­ ческих антенн можно найти в рекомендуемой литературе.

3. Рупорные антенны

Для направленного излучения сантиметровых волн применяют­ ся рупорныеантенны, аналогичные известным акустическим рупо­ рам, применяемым для направленного излучения звуковых коле­ баний.

Простейшей антенной такого типа является волноводный излу­ чатель, чпредставляющий собой открытый конец прямоугольного или круглого волновода с волнами Н0\ или Ни соответственно.

Установлено, что через открытый конец волновода излучается большая часть энергии, передаваемой по волноводу. В отличие от щелевой антенны, где излучение обусловлено токами, вытекающи­ ми на наружную стенку волновода, поле волноводного излучателя

125

в свободном пространстве создается за счет непосредственного про­ хождения электромагнитных волн через отверстие в конце волно­

вода.

Поля, создаваемые токами, возникающими на наружных стен­ ках волновода, при обычных размерах сечения волновода невелики и ими обычно пренебрегают.

При приближенном расчете диаграмм направленности волно­ водного излучателя может быть применен принцип Гюйгенса —

Френеля.

Открытый конец волновода при этом рассматривается как отверстие в большом идеально проводящем экране, через которое проникают электромагнитные волны (рис. 5-16).

X

Рис. 5-16. К расчету диаграммы направленности открытою конца волновода

Поле, создаваемое в удаленных точках волнами, проходящими через отверстие, может быть представлено в соответствии с принци­ пом Гюйгенса — Френеля как сумма полей вторичных источников, расположенных на плоскости в пределах отверстия. При расчете поля каждая элементарная площадка dS отверстия рассматри­ вается как вторичный источник. Вторичные источники обладают направленностью, причем максимум излучения каждого вторичного источника направлен вперед, в сторону движения волны.

Если обозначить через Е напряженность электрического ноля

126

обусловленное действием данной площадки как вторичного излу­ чателя, будет:

d E (Р) (I + cos ©) е (5.2)

где R — расстояние до точки Р.

Как видно из этого выражения, приведенного здесь без вывода, рассматривая вторичный источник как элементарный излучатель, необходимо амплитуду его тока считать пропорциональной напря­ женности поля на площадке и размерам площадки.

Диаграмма направленности вторичного излучателя показана на рис. 5-17.

п

/{9 М * Ш д

Рис. 5-17. Диаграмма направленности гюйгенсовского вторичного источника

Применяя принцип Гюйгенса— Френеля, рассмотрим диаграм­ мы направленности при излучении из открытого конца прямоуголь­ ного волновода с волной Я0ь

Пренебрегая наличием высших типов волн, можно считать рас­ пределение поля в пределах отверстия, через которое проходит излучение, таким же, как внутри волновода. Будем считать, следо­ вательно, что во всех точках отверстия фаза электрического поля одинакова, т. е. фронт волны в отверстии плоский.

Расположим оси прямоугольной системы координат, как пока­ зано на рис. 5-16.

Будем рассматривать диаграммы направленности в плоско­ сти XZ, совпадающей с электрическим вектором поля в отверстии, а также в плоскости Y Z , в которой расположены линии магнитного поля (не показанные на рисунке).

127

Как известно, в поперечном’сечении волновода при волне #oi вектор Е ориентирован во всех точках одинаково, параллельно узкой стенке.

Для расчета диаграмм разобьем площадь излучающего отвер­ стия на одинаковые элементарные площадки dS =- dx-dy.

Так как вектор электрического поля в пределах отверстия всю­ ду одинаково ориентирован и поле имеет одинаковую фазу, то при расчете диаграмм вторичные источники следует считать одинаково ориентированными и синфазными. Таким образом, в отношении направленных свойств открытый конец волновода эквивалентен плоской синфазной решетке из одинаковых по направленным свой­ ствам и одинаково ориентированных излучателей.

вдоль оси волновода в направлении нормали к плоскости . фронта волны в раскрыве волновода.

то, применяя правило перемножения диаграмм и формулы (3.44), (5.2), получаем выражение для диаграммы направленности в пло­ скости XZ:

где ( 1 cos (3) = Fi (Р)- - множитель вторичного источника.

Диаграмма в плоскости YZ совпадает с диаграммой одной горизонтальной полоски шириной dx и длиной Ь.

Поскольку при волне Н0\ вдоль широкой стенки поле изменяет­ ся по закону

(54)

то выражение для множителя системы в данном, случае будет иное, чем в формуле (5.3).

Суммируя поля от всех элементарных площадок, расположен­ ных вдоль горизонтальной полоски, с учетом синусоидального-рас­ пределения амплитуд вторичных источников и запаздываний по

128

фазе можно получить для плоскости YZ следующую диаграмму направленности:

cos -b sin a

Диаграммы, рассчитанные по формулам (5.3) и (5.5), близки к экспериментальным, как можно видеть на рис. 5-18, где сплошны­ ми линиями изображены расчетные диаграммы, а кружками — данные, полученные экспериментальным путем.

Рис. 5-18. Диаграммы направленности для волноводного излучателя прямоугольного сечения:

д 3,2 с м ; 4 - =0,32; -£—0,71

Ширина диаграммы в плоскости XZ, в которой распределение амплитуд вторичных излучателей равномерно, может быть прибли­ женно определена по формуле, аналогичной (3.32а):