10.3.3. Возбудители и другие устройства

Важный вопрос о практическом способе эффективного возбуждения поверхностных волн можно решить [195] путем нанлучшего согласования диаграммы направленности возбуждающего устройства с распределением поля в поверхностной волне. Поскольку экспоненциально убывающие поля над плоской поверхностью плохо аппроксимируются как постоянным, так и синусоидальным распределением поля внутри волноводов и плоско-параллельных линий возбуждение чисто поверхностной волны представляет определенные трудности. В неопубликованной работе Макфарлейна расчитано, что расстояние от апертуры, имеющей конечный размер до области поверхностной волны не может быть меньше где 0в — угол Брюстера для данного материала. Для покрытой диэлектрическим слоем поверхности без потерь угол чисто мнимый и это расстояние бесконечно велико. В поверхностную волну идет только часть энергии, так как определенное количество энергии теряется в виде уходящих бегущих волн, излучаемых непосредственно апертурой, вследствие конечности ее размеров [19, 75]. Эффективность возбуждения определяется как отношение мощности волны нужного типа к мощности, подводимой к возбудителю.

В работах [8, 105, 116, 171, 201, 324] весьма подробно изучены оптимальные условия для возбуждения поверхностных волн над плоской структурой. Для типичного теоретического и экспериментального исследования [249] применил изображенную на рис. 10.15 установку, в которой используется латунная плоскость размером покрытая слоем полистирола толщиной Исследования проводились на частоте причем размер вертикального раскрыва изогнутого рупора можно было изменять

с помощью неотражающего поглощающего листа. Эффективность возбудителя можно определить, если сначала согласовать его с поверхностью, у которой на конце имеется согласованная поглощающая нагрузка. Эта нагрузка затем заменяется коротким замыканием, и КСВ измеряется вновь; эффективность возбуждения будет равна коэффициенту отражения по напряжению.

Рис. 10.15. Возбуждение волн над поверхностью с диэлектрическим покрытием. Частота Ширина поверхности Диэлектрик — полистирол, (См. [249].)

Для высот раскрыва измеренная эффективность возбуждения оказалась равной соответственно 30, 60 и 85%, а начиная с она медленно изменялась, асимптотически приближаясь к 100%.

Рис. 10.16. Возбуждение волн над гофрированной поверхностью: а — плоская волиа, частота 5 Ггц; б - цилиндрическая волна, частота (См. [254].)

Эти результаты хорошо согласуются с теоретическими. На рис. 10.16, а изображен реальный возбудитель волны вдоль гофрированной поверхности [254]. Два таких устройства: одно, расположенное на выходе, другое — на входе, — обеспечивают коэффициент передачи мощности 0,7.

Исследовалось также [34, 35] возбуждение радиальных поверхностных волн над плоской структурой. В ряде экспериментов 199] в качестве поверхности был выбран большой алюминиевый диск диаметром около и толщиной Чтобы увеличить реактивное сопротивление поверхности, последняя электрически нагружалась либо диэлектрическим слоем, либо кольцевыми канавками. Для зондовых измерений напряженности поля в поверхности имелись радиальные щели. Возбудителем служил вертикальный диполь, высота которого над поверхностью могла изменяться. При специально подобранной высоте диполя на частоте эффективность возбуждения достигала 80%. Было также показано [77], что удобным и эффективным является возбуждение щелью, причем кольцевая щель по периферии проводящего вертикального цилиндра дает симметричное возбуждение. В одной из установок [40] на частоте была использована кольцевая щель в радиальной линии передачи, возбуждаемая в свою очередь коаксиальной линией, расположенной внутри цилиндра.

Возбуждение цилиндрической поверхностной структуры осуществляется легче, так как радиальное распределение поля, описываемое функцией Ханкеля, хорошо аппроксимируется распределением по закону обратной пропорциональности расстоянию от оси, которое имеет место для полей внутри коаксиальной линии. Поэтому поверхностная волна обычно возбуждается [22, 91] с помощью конического расширения внешнего проводника коаксиальной линии и непрерывного перехода внутреннего проводника в передающую линию поверхностной волны. В других случаях используется сужающаяся трубка из твердого диэлектрика, одетая на волновод. Однако в обоих случаях поверхностная волна ослабляется вследствие излучения из возбуждающего устройства. В качестве примера [254] на рис. 10.16, б показан гофрированный цилиндр, возбуждаемый жесткой коаксиальной линией. Эффективность возбуждения здесь обычно составляет 90%. Для однопроводных линий весьма эффективны возбудители с кольцевой щелью.

В работе [313] приведен ряд практических данных по линиям передачи поверхностных волн, а в работе [272] описаны конструкции многих устройств и узлов. Для линий передачи с поверхностной волной простые угловые переходы получаются с помощью больших отражающих пластин, расположенных на пересечениях осей соединяемых отрезков линий [51]. Аналогичные отражатели применяются для построения резонаторов поверхностных волн

Например, в эксперименте [18, 20] на частоте коротко-замкнутые концы резонатора делались в виде металлических пластин диаметром около 1,2 м, расположенных перпендикулярно оси линии.

Резонатор возбуждался волноводом через малое кольцевое отверстие в торце, как показано на рис. 10.17, а; при этом возбуждаемая волна была почти чисто поверхностной, что сильно

упрощало технику измерений. Из уравнения (10.40) можно вывести соотношение

которое позволяет определить скорость распространения, поскольку при резонансе длина резонатора должна равняться целому числу полуволн. Радиальное распределение касательной составляющей магнитного поля можно измерить с помощью петлевого зонда, помещенного на дальней торцевой пластине резонатора.

Близко расположенные линии передачи поверхностных волн могут взаимодействовать между собой [207, 208], что дает возможность производить измерение импедансов методом рефлектометра [267].

Рис. 10.17. Измерительные устройства для воли над цилиндрическими поверхностями: а — резонатор для поверхностных волн с петлевым зондом; б - измеритель КСВН для поверхностных волн; в — согласованная нагрузка, КСВН=1,02. (См. [18].)

Могут быть также измерены и потери в линии передачи поверхностных волн [260], в то время как коэффициенты отражения от неоднородностей определяются методом Дешана [271]. Более удобно эти измерения выполняются с помощью измерителя стоячей волны, сконструированного на линии передачи поверхностных волн, типичный пример которого изображен на рис. 10.17, б [20]. Линия передачи поверхностных волн состоит из металлической трубки, через стенку которой проходит зонд, несколько выступающий во внешнюю область. Получаемая зондом энергия поступает к детектору через коаксиальную линию, образованную трубкой и пропущенным через нее изолированным проводом. Положение зонда на передающей линии фиксировано, но последняя может передвигаться вместе с зондом относительно возбуждающего и оконечного устройств и, следовательно, относительно стационарной картины распределения поля. На рис. 10.17, в изображена соответствующая согласованная нагрузка.