1.3. Подавление поверхностных волн и улучшение согласования

Выше было показано, что возбуждение поверхностных волн в бесконечной ФАР тесно связано с решением граничной задачи для соответствующей ребристой структуры. Действительно, определитель вычисляется сразу же, как только найдено решение для коэффициента отражения для всех значении в области С помощью определителя можно установить, будет ли распространяться поверхностная волна вдоль заданной ребристой структуры. Для ребристой структуры можно также найти полное поле (внутри и вне волноводов).

Эти результаты указывают также путь конструирования фазированной решетки, которая не имеет в видимой области поверхностных волн и достаточно хорошо согласована. Действительно, с помощью дисперсионного уравнения можно рассчитывать и использовать периодически расположенные дроссельные или другие элементы в большой решетке, предназначенные для подавления вынужденных поверхностных волн. Входной импеданс решетки с периодически расположенными дроссельными элементами можно найти, зная входной импеданс соответствующей решетки без дроссельных элементов. После того как устранены поверхностные волны в большой решетке (при помощи дроссельных элементов или другими способами), можно рассмотреть систематические методы [15, 16] улучшения согласования ФАР при сканировании (см. также гл. 9), причем для улучшения согласования можно использовать также периодически расположенные дроссельные элементы.

1.3.1. Решетки с периодически расположенными дроссельными элементами.

При периодическом коротком замыкании какого-либо элемента бесконечной ФАР изменяотся согласование остальных элементов. Периодически расположенные короткозамыкатели можно также использовать для подавления поверхностных волн (при возбуждении всех элементов бесконечной решетки).

Решение для периодически нагруженной решетки (рис. 8.3) впервые было приведено в работах [17а-17б]. В этой решетке возбуждается бесконечное число элементов. Рассмотренный выше случай решетки, в которой элементы периода короткозамкнуты (или нагружены на произвольную нагрузку) в соответствии с некоторым законом модуляции, связан с рассматриваемым случаем, однако здесь предлагается другой способ решения для решетки, изображенной на рис. 8.3.

Решение для периодически нагруженной решетки (рис. 8.3) можно найти, исходя из решения для фазированной (полностью

возбужденной) решетки методом суперпозиции. Вместо нагружения элементов решетки проводимостями на расстоянии от апертурной плоскости) временно нагрузим все элементов решетки на их характеристические сопротивления. Поскольку каждый элемент в отдельности возбуждается волной единичной амплитуды, можно определить волны, отраженные в каждом из остальных элементов и излучаемые в свободное пространство.

Рис. 8.3. Схеиа периодически нагруженной решетки (период содержит элементов).

Для периодически возбужденной решетки эти коэффициенты рассеяния являются членами матрицы [17в], имеющей порядок После того как матрица определена, можно найти рзшение для любого набора нагрузок или распределений возбуждаемого поля.

Теперь просуммируем решения для полностью возбужденной решетки (рис. 8.4) так, чтобы возбуждался только элемент с индексом после сложения возбуждающих полей. Линейный набег фазы определяется распределением возбуждающего поля Полное возбуждение любого из элементов, очевидно, имеет вид

символ Кронекера. Если коэффициент отражения элемента полностью возбужденной решетки при

возбуждающем поле то

характеризует величину отражения в элементе с индексом когда в периодически возбужденной решетке возбуждается элемент с индексом

Рис. 8.4. Схема наложения возбуждающих полей.

Рис. 8.5. Схема рошетки из периодически короткозамкнутых волноводов

Если коэффициент передачи элемента полностью возбужденной решетки,

где коэффициент передачи элемента в ячейке из элементов (рис. 8.5).

Поскольку возбуждающее поле волноводов не изменяется, матрица рассеяния для входов известна. Определив матрицу можно нагрузить решетку, как показано на рис. 8.3, и найти комплексный коэффициент отражения возбуждаемого элемента и другие характеристики решетки. Если нагрузок короткозамкнуты

то расстояния следует выбрать такими, чтобы исключить появление поверхностных волн, характерных для полностью возбужденной решетки, и улучшить согласование [176, 18] при изменениях управляющих фаз

1.3.2. Решетки с периодически расположенными дроссельными элементами и характеристический определитель.

После того как поверхностные волпы исключены, можно попытаться улучшить согласование решетки. Некоторые способы согласования рассмотрены в гл. 9. Таким образом, подавление поверхностных волн, которые могут возникать в полностью возбужденной решетке, является наиболее важной задачей. Для решения этой задачи обычно применяют периодически расположенные дроссельные элементы (рис. 8.3) и используют матрицу рассеяния Для определения величин (местоположения короткозамыкателей), при которых в решетке возбуждаются поверхностные волны, используют характеристический определитель

(Если то можно использовать определитель (см. разд. 1.1.3). Но, как было показано выше, вероятность возбуждения поверхпостпой волны в такой решетке очепь мала. Решетка такого типа обладает потерями, и поэтому в общем случае ее применение нежелательно.)

В качестве примера использования определителя для нахождения соответствующих положений короткозамыкателей рассмотрим случай (т. е. имеется только один дроссельный элемент и один возбуждаемый элемент). Рассмотрим решетку, схематически показанную на рис. 8.5. В этой решетке короткозамыкатель находится на расстоянии с (в волноводе с индексом 2). Можно предположить, что существует положение короткозамыкателя и для волновода с индексом т. е. такое, при котором получаемая модулированная структура будет поддерживать распространение поверхностной волны. Так, например, в работе [11] для и с найдены решения, при которых поверхностная волна будет существовать в решетке из тонкостенных параллельных пластин. Разумеется, если положить [см. выражение (11)], то получим в соответствии с работой [11] такое решение,

когда для решетки из тонкостенных параллельных пластин используется

Следовательно, необходимо выбрать величину с так, чтобы

для всех возможных значений в видимой области. Если предполагается, что изменяется в пределах одной длины волны в волноводе то задача оказывается трехмерной в области значений следовательно,

где любое целое число.

Используя условие получим в пространстве некоторую поверхность. Если проекция этой поверхности на ось с превышает по длине то не существует таких значений с, при которых Тогда необходимо положить и искать решение для двух положений нороткозамыкателей, при которых Если же проекция поверхности, определяемой условием не превышает по длине то можно выбрать любое значение с вне этой проекции, при котором Следовательно, в этом случае поверхностные волны не возбуждаются.

1.3.3. Другие способы подавления поверхностных волн.

Одним из способов подавления поверхностных волн является изменение конструкции основного волнового элемента. Этот способ эффективен, если «причина» возникновения поверхностной волны в некоторой степени понятна.

Так, например, известно, что диэлектрические вставки в волноводах при некоторых условиях вызывают резонанс поверхностной волны в решетке (подробно эти эффекты рассмотрены в гл. 6. и 7). Изменяя диэлектрическую проницаемость или толщину вставки, можно исключить поверхностную волну. Этот способ гораздо легче осуществить, чем способы, рассмотренные выше. Диэлектрический лист, по крайней мере теоретически, мойшо поднять над апертурной плоскостью [19] так, чтобы затухающие пространственные гармоники не были с ним связаны. В этом случае поверхностные волны в листе не распространяются. Аналогичную процедуру можно было бы проделать и с диэлектрическими вставками, меняя их положение внутри волновода. Однако эти регулировки не всегда можно реализовать практически; кроме того, поверхностные волны часто возбуждаются в решетке, не содержащей диэлектрических материалов [20, 21].

Один из способов снижения уровня дополнительных главных лепестков в решетках с фиксированным положением луча состоит

в использовании случайно расположенных элементов [22, 23]. При этом обычно предусматривается разрежение элементов или удаление их от центральной части решетки. Уменьшение числа элементов позволяет существенно снизить стоимость антенной решетки. Однако в сканирующей решетке случайное расположение элементов создает препятствия выполнению программы сканирования. Многие из этих трудностей можно преодолеть, если в соответствии с работой [2] выбрать положения элементов в решетке таким образом, чтобы они являлись выборками из положений элементов периодической решетки. Примером такой решетки является периодическая решетка, в которой случайно выбранные элементы короткозамкнуты (возможно, на случайных расстояниях от апертурной плоскости). В этой решетке поверхностная волна не распространяется.

Анализ рассматриваемой решетки можно провести так же, а к это сделано в разд. 1.1.1-1.1.3, если считать, что число случайных или апериодически короткозамкнутых элементов конечно и они находятся в составе бесконечной модулированной ребристой структуры. В другом варианте решетка конечных размеров может быть окружена бесконечным плоским экраном.