13.3. КОНТРОЛЬ ОТРАЖЕНИЙ ОТ ПОВЕРХНОСТИ

13.3.1. Согласование на границе раздела

При падении электромагнитной волны из свободного пространства на границу диэлектрической среды возникает отраженная волна с амплитудой, определяемой коэффициентом отражения, который при нормальном падении, как показано в разд. 1.3.1, равен

Такие отражения приводят к потере мощности, поступающей от источника, а также к нежелательным изменениям импеданса и паразитным излучениям из апертуры. Как и в оптических системах, эти отражения можно устранить с помощью диэлектрического слоя толщиной в четверть волны с диэлектрической проницаемостью, равной квадратному корню из диэлектрической проницаемости основной среды.

Рис. 13. 11. Согласующий слой для поверхности диэлектрика: а — среда со щелями; б - расчетные данные для различных диэлектрических проницаемостей. Верхнее и нижнее семейства кривых соответствуют электрическому полю перпендикулярно и параллельно плоскости падения. Прямые линии соответствуют в — среда с системами перпендикулярных щелей для случая двух взаимно перпендикулярных и круговой поляризаций. (См. [61].)

Такой четвертьволновый трансформатор легко осуществить с искусственным диэлектриком путем простого уменьшения в наружных слоях размеров объектов, образующих искусственную среду. Следуя этому методу [60], можно согласовать ленточную структуру со свободным пространством в широком диапазоне длин волн. Согласование с помощью такого трансформатора применялось также для дисперсной стержневой структуры [215]. Отражения от параллельно-пластинчатой структуры [156, 260, 334] можно уменьшить, выдвигая часть пластин на четверть длины волны.

Примененне метода четвертьволнового трансформатора для естественных твердых диэлектриков затрудняется из-за отсутствия

подходящих материалов. Однако такой же эффект получается, если на поверхности диэлектрика имеются щели, как показано на рис. 13.11, а; щели могут быть ориентированы как вдоль, так перпендикулярно электрическому вектору падающей на поверхность волны. Расстояние между центрами целей должно быть достаточно мало, чтобы не происходило возбуждения нежелательных распространяющихся волн ни в свободном пространстве, ни в диэлектрике; ни одна таких волн не будет распространяющейся, если

Анализ [38] отражений, возникающих на границах раздела между свободным пространством, областью, занятой диэлектриком со щелями, и областью сплошного диэлектрика, показывает, что явление хорошо описывается с помощью скачкообразного изменения (на каждой границе) импеданса среды, причем импеданс каждой секции будет прямо пропорционален длине волны, измеренной в этой секции. Таким образом, длина волны в области, занятой диэлектриком со щелями, должна удовлетворять соотношению

Отсюда глубина щелей должна быть равна

Если щели ориентированы параллельно электрическому вектору, то реактивными полями, которые возникают на каждой границе раздела, можно пренебречь; Коллин [62, 64], а также Коллин и Браун [61 ] показали, что толщина диэлектрических перегородок между щелями с должна удовлетворять соотношению

На рис. 13.11, б дано семейство кривых, связывающих для различных значений С помощью согласующего слоя такой конструкции для полистирола уровень отраженной мощности был снижен до величины менее 0,25% в диапазоне длин волн см. От несогласованной поверхности отражалось 5,3% падающей мощности. Для щелей, ориентированных перпендикулярно электрическому вектору, толщина диэлектрических перегородок между щелями должна удовлетворять следующему соотношению:

Семейство соответствующих кривых для этого случая также дано на рис. 13.11, б. Для случая такой поляризации Гарнхем в неопубликованной работе показал, что реактивные поля создают некоторый остаточный эффект, который можно устранить небольшим уменьшением глубины щелей по сравнению со значением, даваемым уравнением (13.44); для полистирола на волне был получен коэффициент отражения по амплитуде 0,01.

Чтобы получить согласование среды для двух взаимно перпендикулярных поляризаций и круговой поляризации следует, очевидно, нанести на поверхности две системы взаимно перпендикулярных щелей одинаковой ширины и с одинаковым интервалом, как изображено на рис. 13.11, в. Расчет такой структуры затруднителен, так что ее размеры приходится подбирать экспериментально. Однако если выбрать ширину щелей равной среднему значению ширин, требующихся для обеих поляризаций, то получаются удовлетворительные результаты. Морита и Кон [177] показали, что удовлетворительный четвертьволновый слой можно получить путем искажения формы поверхности диэлектрика. Например, рассматривались полусферические выемки и выемки в форме тетраэдра. Теоретические и экспериментальные результаты показали, что, грубо говоря, при таком искажении формы поверхности необходимо удалить из поверхностного слоя приблизительно половину диэлектрического материала.

Несколько иной подход к задаче согласования поверхности был развит Джонсом и Коном [126], которые использовали реактивные стенки, погруженные в диэлектрик. Реактивные стенки могут быть весьма разнообразных конструкций, например иметь вид решеток из тонких лент либо из тонких проводящих дисков. Такой метод согласования, очевидно, аналогичен согласованию линии передачи с помощью штыря. Пусть электрическое расстояние между реактивной стенкой и поверхностью раздела, тогда

и

где В — реактивная проводимость реактивной стенки.

Прямоугольная решетка из тонких лент, изображенная на рис. 13.12, а для падающей на нее плоской волны, поляризованной вдоль оси х, является индуктивностью. Если ширина лент равна а расстояние между их средними линиями то для волны, поляризованной в плоскости падения, реактивное сопротивление решетки будет равно

где - угол падения, длина волны в среде диэлектрика.

Для случая Волны, поляризованной перпендикулярно плоскости падения, реактивное сопротивление будет равно

Поправочные члены при нормальном падении малы, но с возрастанием угла падения первый из них убывает [162], а второй возрастает [161]. На рис. 13.12, б дан график коэффициента отражения по мощности от одной границы для диэлектрика с показателем преломления 1,57.

Рис. 13. 12, Согласование поверхности с реактивной стенкой: а — стснка из индуктивных полосок; б - зависимость коэффициента отражения от угла падения; в — стенка из емкостных дисков. (См. [126].) несогласовано; - согласовано с индуктивными полосками; согласовано с емкостными дисками.

Этот диэлектрик согласован при нормальном падении с сеткой из полосок, расстояния между центрами которых равны . Сетка погружена в диэлектрик приблизительно на На том же рисунке для сравнения показан график коэффициента отражения по мощности без согласования. Изображенная на рис. 13.12, в решетка из дисков имеет емкостное сопротивление, и поэтому для компенсации отражений от поверхности ее следует погружать в диэлектрик на глубину приблизительно Ее реактивная проводимость для волны, поляризованной перпендикулярно плоскости падения, дается выражением

а для параллельной поляризации — следующим выражением:

Здесь коэффициенты магнитной поляризации, коэффициент электрической поляризации апертуры такой же формы и размера, как диски. Для круглой апертуры диаметром

При соответствующей конструкции [46] сложный материал, состоящий из твердого диэлектрика с погруженными в него стержневыми проводниками, может дать волновое сопротивление, эквивалентное волновому сопротивлению свободного пространства, и тем самым исключить отражение на поверхности раздела двух сред.