14.3.2. Замедляющие структуры

Для антенн с продольным излучением можно использовать направляющие структуры, по которым могут распространяться замедленные электромагнитные волны [116, 354, 521, 598, 599].

Линейная антенна в виде одиночного волновода имеет довольно широкий карандашный луч, а двухмерная антенна — веерообразный луч. Возможны несколько видов таких антенн, причем излучаемое ими поле можно разделить на три составляющих.

Первая составляющая — это излучение, идущее непосредственно от первичного излучателя, которое в некоторых случаях может играть полезную роль. В одной конструкции [90] мощность, излучаемая в пространство непосредственно первичным излучателем, составляет 23% полной мощности, нодводимой к антенне; очевидно эта составляющая окажет влияние на результирующую диаграмму направленности антенны. Вторая составляющая — это излучение, происходящее на всем протяжении структуры. В работах [205, 298, 509] рассматривается следующий механизм такого излучения: в антенне создается волна, которая распространяется с фазовой скоростью, меньшей фазовой скорости плоской волны в свободном пространстве. Можно считать, что эта волна создается непрерывным распределением излучающих элементов, у которых фазовый сдвиг зависит от

Напряженность поля, излучаемого в направлении, составляющем с осью антенны угол равна

где С зависит от полной излучаемой мощности и дальности до точки наблюдения, / — длина структуры.

Однако обычно структура, несущая поверхностную волну, излучает на протяжении своей длины лишь когда она искривлена [18], неоднородна или имеет ряд неоднородностей в поверхностном реактивном сопротивлении [423].

Согласно уравнению (14.10) при увеличении длины структуры ширина луча должна постепенно уменьшаться.

Рис. 14.6. Излучение волны дипольного типа диэлектрическим стержнем. На рисунке показаны электрические силовые линии (сплошные линии) и магнитные силовые линии (пунктирные линии). График представляет зависимость ширины луча по уровню половниной амплитуды. (См. [54].)

Однако на практике для непрерывных структур эта закономерность не подтверждается и существует другое, более строгое решение [54], в котором существенную роль играет третья составляющая часть излучения, обусловленная резкой неоднородностью на конце структуры. При таком подходе считается, что структура, несущая поверхностную волну, распределяет поступающую в антенну энергию по площади излучающей апертуры, которая расположена в плоскости, проходящей через конец структуры перпендикулярно к ее оси. Таким образом, диаграмма направленности определяется поперечным распределением поля в направляемой поверхностной волне. Эта теория основана на физическом факте, согласно которому линия передачи не излучает непрерывно вдоль своей длины, а излучение происходит лишь на неоднородностях. Установлено, что экспериментальные результаты хорошо подтверждают предположение о таком механизме излучения.

Вдоль диэлектрических стержней могут распространяться поверхностные волны различных типов: если распространяется лишь волна дипольиого типа с распределением поля, изображенным на

рис. 14.6, то диаграмма направленности излучения имеет один главный лепесток, направленный вдоль оси стержня [8, 142, 238, 322, 514]. Браун и Спектор [54] вычислили ширину луча по половинной амплитуде; на рис. 14.6 приведен график зависимости ширины луча от относительной разности между длинами волн в свободном пространстве и в направляющей структуре. Из графика видно, что ширина луча монотонно убывает, когда длина волны в структуре стремится к длине волны в свободном пространстве. Если считать, что непосредственно из облучателя излучается около 6% всей энергии, то для стержней диаметром 0,46 и длинами диаграммы направленности будут иметь соответственно ширину 27°, 33° и 28°.

Достоинствами антенны в виде диэлектрического стержня являются широкая полоса пропускания и относительно малый уровень боковых лепестков. Опубликован ряд экспериментальных результатов [204, 293, 366, 367, 510, 520] и описаны практические конструкции [75, 76, 241, 243, 433, 435, 475]. Если стержень постепенно сужается [181], то на протяжении его длины имеет место заметное излучение и экспериментальные характеристики хорошо согласуются с теоретическими.

Диаграммы направленности с одним главным лепестком можно получить с помощью антенн в виде диэлектрических трубок [237], если толщина стенок достигает критической.

Поле излучения [192] с конца металлического стержня с диэлектрическим внешним покрытием можно регулировать путем изменения его диаметра и толщины или диэлектрической проницаемости покрытия. Типичная антенна длиной на частоте формировала луч шириной около 30°. С помощью расширяющегося скоса на конце диаграмму направленности диэлектрической стержневой антенны можно расширить на всю полусферу; при возбуждении волной с круговой поляризацией получается излучатель, изотропный в полусфере [169]. Полезные явления могут быть получены с помощью намагниченных ферритов. Эксперименты [7], проведенные на частоте показали, что путем наложения продольного магнитного поля на ферритовый стержень, выступающий из открытого конца круглого волновода, диаграмму направленности такой штыревой антенны можно значительно изменять, причем эффект обладает цилиндрической симметрией.

В качестве антенны с продольным излучением часто используется решетка [484, 536, 537], которая, как показано на рис. 14.7, а, состоит из одной возбуждающей антенны и системы пассивных параллельных элементов, расположенных в одной плоскости. Направляющие элементы (директоры), которые расположены относительно возбуждающего элемента в направлении распространения излучаемой волны, имеют длину, несколько меньшую, чем поэтому токи в них опережают э. д. с. по фазе, и, наоборот, отражающие элементы (рефлекторы), которые расположены с другой стороны возбуждающего элемента, имеют длину, несколько большую, чем и токи в них отстают по фазе от наводимых э. д. с. Обычно

используется один, иногда два, рефлектора, в то время как число директоров может достигать 40, в зависимости от требуемой ширины луча и коэффициента усиления. Параметры антенны можно рассчитать лишь для коротких решеток [508]; для случая большого числа элементов расчет, если не делается допущения о равенстве токов [559, 560], затруднителен. Получены выражения [371] для случая бесконечного числа элементов, что соответствует полосе поверхностного тока, фаза которого изменяется вдоль направления, перпендикулярного к направлению тока.

На рис. 14.7, б изображена диаграмма направленности решетки с 30 директорами на частоте измеренная Фишенденом и Виблином [143].

Рис. 14. 7. Антенна с продольным излучением типа Уда-Яги на частоте 600 Мгц. Возбудителем является симметричный резонансный диполь: а — расположение элементов антенны; б - диаграмма направленности в плоскости излучателей. (См. [113].)

В другой антенне [4] типа Яги на той же частоте в качестве рефлектора использовалась полукруглая цилиндрическая полоса и имелись восемь директоров. Было найдено, что оптимальная длина директора равна причем первый директоррасполагался на расстоянии от возбуждающего диполя, а остальные — с интервалом ширина диаграммы направленности составляла 40°, максимальный уровень боковых лепестков равнялся -6,4 дб. Если на переднем краю решетки поместить плоское зеркало, то направление главного лепестка диаграммы направленности можно изменить на противоположное при этом эффективная длина решетки удвоится, а КНД соответственно возрастет.

Первоначальные представления [443], согласно которым антенна Яги рассматривалась как направляющая структура, были в дальнейшем дополнены расчетами фазовой скорости вдоль решетки, с помощью которых были получены численные результаты [419]. Если антенна рассчитана на максимальное усиление, то уровень боковых лепестков составляет — 9,32 дб при любой длине

решетки. Если же значения фазовой скорости падают вдоль длины решетки, то уровень боковых лепестков может быть уменьшен без потери усиления. Например, решетка длиной на частоте при одинаковой длине директоров 0,352, расположенных через 0,15 К, имела фазовую скорость после введения спадающего распределения длин директоров до на открытом конце, уровень боковых лепестков в плоскостях составлял соответственно —16,6 и —13,6 дб.

Решетка Яги длиной [373] на частоте имела КНД около 12 дб в полосе частот возбуждение производилось с помощью двухпроводной линии, которая постепенно раскрывалась до -образной формы. Одна новая конструкция антенны с продольным излучением [434] представляет собой длинный металлический стержень с укрепленными на нем разнесенными проводящими дисками, диаметры которых изменяются ступенями, образуя плоские неоднородности; амплитуда излучения определяется величиной неоднородности, а фаза — электрическими длинами отрезков направляющей структуры, которые разделяют неоднородности. Такая «сигарообразная» антенна для частоты имеет [4361 длину а диаметры дисков изменяются от 60 до входной КСВН не превосходил 1,15 в полосе частот усиление составляло 22 дб. Аналогичные широкополосные свойства были получены [296] на частоте у антенны, состоящей из элементов в виде скрещенных стержней. К антеннам такого типа с замедляющей структурой относятся также антенна типа «сороконожка» [374] и желобной волновод с гофрированным ребром [373].

Замедляющей структурой, удобной для использования в антеннах с продольным излучением, является проволочная спираль [261, 263, 265, 266], поскольку распределение в ней тока соответствует условиям максимального КНД в широкой полосе частот. При теоретических-исследованиях характеристик излучения спирали [251, 258] использовалось представление составляющих полей с помощью векторного потенциала, хотя для спирали с эллиптическим поперечным сечением применялся другой подход [530]. Различные волны [294, 314, 342], которые могут распространяться вдоль спирали, обусловливают различные режимы излучения. Обозначения геометрических размеров спирали показаны на рис. 14.8, а; при I X имеет место распространение вида волны наинизшего порядка. Области с положительным и отрицательным направлениями тока разделены большим количеством витков, и угловая зависимость отсутствует.

В случае короткой спирали ток синфазен по всей ее длине и имеет место режим бокового излучения, как показано на рис. 14.8, б. Спираль можно рассматривать [518] как комбинацию одновитковых петель и линейных проводников; если представляют электрические поля в дальней зоне, обусловленные соответственно такими диполями и петлями, то

Так как обычно присутствуют обе компоненты Е и которые находятся в квадратуре, то излучение имеет эллиптическую поляризацию. Если либо либо равно нулю, то излучение будет поляризовано линейно, а при оно будет иметь во всех пространственных направлениях круговую поляризацию.

Размеры спирали удобно изображать с помощью приведенной на рис. 14.8, в диаграммы, по одной оси которой отложена длина окружности, а по другой — шаг спирали; режиму бокового излучения на диаграмме соответствует область вблизи начала координат.

Рис. 14. 8. Характеристики спиральных антенн: а - геометрия излучающей спирали; б - боковое излучение; в - диаграмма режимов работы; г - коническое излучение; д — продольное излучение. (См. [264].)

При имеет место излучение с конической диаграммой направленности, показанной на рис. 14.8, г, однако чаще используется спираль, у которой при этом расстояние между соседними областями максимального положительного и максимального отрицательного тока равно приблизительно половине длины витка, так что диаграмма направленности имеет главный лепесток в осевом направлении [262], как показано на рис. 14.8, д.

Если считать, что диаграмма направленности одного витка равна то полная нормированная диаграмма направленности для спирали в режиме осевого излучения имеет вид [264]

где число витков; максимальная направленность получается при условии, когда

Первый член в уравнении (14.12) является нормирующим множителем, выбранным из условия, чтобы максимальное значение равнялось единице, а второй член — множитель решетки. Имеется

следующая эмпирическая формула для ширины диаграммы направленности

при этом КНД будет

Если обозначить

то можно показать, что поле на оси спирали равно

где полное поле. Отношение составляющих вдоль осей х и у равно и, следовательно, для круговой поляризации на оси спирали, состоящей из целого числа витков, К должно равняться . Так как то К должен быть равен —1. Если то условие круговой поляризации имеет вид Когда отношение составляющих поля на оси будет равно Приведенные соотношения применимы лишь к спиралям, у которых

При малых N отношение компонент поля на оси и значение входного КСВН становятся весьма большими; это может вызываться отражениями [450], которые можно исключить, если нагрузить [348] спираль небольшой катушкой. Без оконечной нагрузки осевое излучение можно получить даже у спиралей, имеющих всего лишь 1,25 витка, однако ширина полосы частот, в которой для осевого направления отношение составляющих не превосходит заданной величины, с уменьшением числа витков также убывает. Одновитковая спираль дает [190] линейно поляризованный главный лепесток, который при введении поглощающей оконечной нагрузки становится поляризованным по кругу. Вообще говоря, нагрузка спирали в режиме осевого излучения является почти чисто активной [164], величина которой лежит между 100 и 200 ом. Выходное сопротивление аксиально излучающей спирали, смонтированной над плоской землей, в пределах приведенных выше ограничений будет равно ом с ошибкой ±20%.

Много практических данных [63, 188] по спиральным антеннам имеется для частот ниже однако проведены расчетные исследования [220] и для частот Например, одна из конструкций на частоте имела 6 витков диаметром 3,1 см с шагом 2,0 см, намотанных из медной проволоки диаметром и укрепленных на плоской металлической пластине; ширина диаграммы

направленности составляла около 50°, что хорошо соответствовало расчетному значению; поляризация была в основном круговая. Диаграмма направленности спиральной антенны стабильна в широкой полосе частот; например, спираль с постепенно изменяющимся диаметром отдельных витков имела рабочий диапазон частот 120-450 Мгц [74]; начальный диаметр равнялся 60 см, а через 10 витков, осевая длина которых составляла 112 см, диаметр уменьшался до точка возбуждения находилась в вершине. Было показано [473], что размеры проводника слабо влияют на характеристики излучения. Спирали с изменяющимся диаметром и изменяющимся шагом применялись [460] для частот от 1 до в ряде других устройств [629, 650] использовалась ромбическая антенна, в плечах которой располагались спирали [416].

Антенна в виде плоской или зигзагообразной спирали [102] формирует резкий главный осевой лепесток при малом уровне бокового и заднего излучения. Например, одна из спиралей [417], работающая на частоте с углом намотки 20° и электрической длиной имела ширину диаграммы направленности около 22° в плоскости Е и около 28° в плоскости относительные уровни боковых лепестков в плоскостях составляют соответственно дб. Диаграмма направленности оставалась стабильной в диапазоне частот ±5%. В проволочной антенне типа «сэндвич» [392, 750] плоская спираль располагалась между двух внешних заземленных проводов.