14.3. АНТЕННЫ С ПРОДОЛЬНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

14.3.1. Ускоряющие структуры

Если в стенке волновода щели распределены равномерно или периодически, то при определенных условиях бегущая внутри волновода волна будет излучаться во внешнее пространство на протяжении всего волнорода. Такая «вытекающая» (leaky wave) волна [742] не является типовой [299]; ее фазовая скорость

вдоль структуры больше скорости света в свободном пространстве, а постоянная распространения в продольном направлении комплексна, что приводит к затуханию; в поперечном направлении ее фазовая постоянная также комплексна; это означает, что при распространении волны от структуры ее амплитуда возрастает.

Варьируя закон изменения вдоль оси, параллельной сечению волновода, и ширину щели, можно создавать различные апертурные распределения и, следовательно, можно создавать диаграммы направленности различных форм. Угол между направлением излучения и осью волновода приближенно равен

Было проведено исследование характеристик такой антенны [168], которое основывалось на представлении в виде эквивалентной схемы с распространением в поперечном направлении, после чего задача сводилась к задаче о резонансе, которая решалась методом теории возмущений.

Рис. 14. 4. Линейные непрерывные антенны с вытекающей волной: а — продольная щель; б - желобной волновод: в — волна в желобном волноводе; г - волна ТЕМ в желобном волноводе; д - несимметричный желобной волновод. (См. [392].)

Типичным примером антенны с равномерным распределением щелей является волноводе расположенной соответствующим образом продольной щелью [195]; были сделаны расчеты для волноводов с прямоугольным [396] и круглым [185, 619] поперечным сечением, Имеется несколько практических конструкций [136, 137, 138, 454, 752], в том числе в виде цилиндра с диэлектрическим покрытием [207] и пары связанных волноводов [330]. В прямоугольном волноводе щель обычно прорезается в узкой стенке, как показано на рис. 14.4, а.

Существует два вида вытекающих волн, представляющих наибольший интерес; распределение поля в первом виде соответствует волне в регулярном волноводе, а распределение поля во втором виде соответствует волне Так как этим волнам соответствуют различные граничные условия, то они описываются различными

эквивалентными схемами с поперечным распространением [168]. В качестве примера можно отметить, что теоретически и экспериментально в волноводе с вытекающими волнами, имеющем поперечное сечение см и работающем на частоте при ширине щелей 0,00025, 0,0025 и 0,025 см затухание получается соответственно равным В предельном случае, когда ширина щели равна ширине узкой стенки волновода, получается так называемый желобной (каналовый) излучатель [99, 390], изображенный на рис. 14.4, б.

Линейную антенну с вытекающей волной можно сконструировать в виде волновода, представляющего собой прямоугольный желоб [391], в котором расположено центральное ребро.

Рис. 14. 5. Антенна в виде гребневого волновода: а — два расположенные рядом волновода, входящих в состав плоской антенной решетки; б - зависимость затухания, обусловленного излучением, от длины щели. (См. [234].)

Если расстояние между боковыми стенками желоба меньше то возможно распространение двух различных волн. Во-первых, может распространяться волна с симметричным распределением поля, которое показано на рис. 14.4, в; поле при удалении от ребра экспоненциально убывает и таким образом эта волна является неизлучаемой. Во-вторых, возможна волна ТЕМ, изображенная на рис. у которой распределение поля антисимметрично относительно ребра; ее фазовая скорость близка к скорости в свободном пространстве и, кроме того, волна излучается через боковую апертуру желоба. Если в волновод ввести асимметрию, как показано на рис. то будет происходить перекачка энергии от волны к волне на этой основе можно управлять [393] излучением с различных участков волновода.

Волноводы с периодически распределенными щелями утечки имеют такие же характеристики, как и антенны с равномерным распределением щелей, если на длину волны приходится большое

число малых апертур. Был исследован [168] случай близко расположенных круглых апертур, прорезанных в узкой стенке волновода, хотя на практике используются [208, 212] узкие нерезонансные поперечные щели в широкой стенке волновода. Коэффициент затухания в волноводе и фазовую постоянную можно изменять независимо, варьируя параметры волновода и щелей. В одной из современных антенн [453] для образования вытекающих еолн использована коаксиальная линия передачи; внешний проводник, в котором прорезана щель, имеет прямоугольное поперечное сечение, а для того чтобы фазовая скорость была больше, чем в свободном пространстве, внутренний проводник имеет емкостную нагрузку.

Исследовались также гребневые волноводы [134, 234] и в том числе случай, когда щели прорезаны в стенке гофрированного волновода, как показано на рис. 14.5, а, а также случай, когда щели занимают всю ширину широкой стенки с неравномерной толщиной, и случай, когда они имеют переменную длину. На рис. 14.5, б даны типичные характеристики структуры, у которой размеры подбирались так, чтобы при изменении длины щелей получилось непрерывное изменение затухания.