Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012), страница 28

Такая двух - зеркальная антенна называется антенной Кассегрена (рис. 7.24). Один из фокусов вспомогательного гиперболического зеркала 2 совмещается с фокусом главного зеркала F. Фазовыйцентр облучателя 3 располагается во втором фокусе F2 гиперболического зеркала. При таком расположении лучи, выходящие из облучателя, отражаются отмалого зеркала таким образом, что они как бы исходят из фокуса Fl, поэтомупосле отражения от основного зеркала лучи идут параллельно.Антенна Кассегрена обладает рядом преимуществ перед однозеркальной антенной. В ней можно разместить основную часть конструкции облучателя за зеркалом и свести к минимуму длину фидерного тракта, разместивприемник непосредственно за облучателем. Все это позволяет существенно158уменьшить шумовую температуру зеркальной антенны и ее фидерного тракта.Кроме того, за счет появляющейся возможности по оптимизации облучателя ималого зеркала удается повысить эффективность gдвухзеркальной антенны до0,8 - 0,85.Зеркальные антеннышироко используются вомногих радиотехническихсистемах СВЧ - диапазонаволн в радиолокации и радионавигации, телеметрии ирадиоуправлении,радиосвязи и радиоастрономии.Столь широкое применениезеркальных антенн объясняется простотой и надежностью конструкции, их относительнойдешевизнойРисунок 7.24 – Двухзеркальная антенна(исключая большие зеркалаКассегренадля радиоастрономии икосмической связи), возможностью получения высоких характеристик направленности (большой КУ,малая ширина луча, хорошие диапазонные свойства и др.).8 СВЧ – АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ8.1Диэлектрические стержневые антенныАнтенны бегущей волны, реализующие режим осевого излучения, являются антеннами поверхностных волн.

Поверхностные волны возникают награницах раздела сред с различными электрическими параметрами, фазоваяскорость в одной из которых меньше, чем в другой. Одной из таких сред в антенной технике обычно является воздух, а другой - среда, в которой распространяются замедленные электромагнитные волны  vФ  c  .

При этом амплитуда волны медленно затухает в продольном направлении и быстро убывает (по экспоненциальному закону) при удалении от границы разделасред по направлению нормали.Хорошо изучены и находят применение поверхностные волны, распространяющиеся вдоль круглой цилиндрической и плоской поверхностей раздела сред.159Рассмотрим стержневые антенны поверхностных волн, в которых волны «направляются» вдоль прямолинейного стержня l круглого или прямоугольного поперечногосечения длиной несколько λ и возбуждаются отрезком круглого 2 илипрямоугольного металлическоговолновода(рис. 8.1). В свою очередь, отрезки волноводовмогут быть возбужденынесимметричным вибратором 3, соединенным свнутренним проводником коаксиальной линии4.

В качестве рабочеготипа волны в диэлектрическом стержне используется низшая гибриднаяРисунок 8.1 – Диэлектрические стержневыезамедленная электромагантенны:нитная волна HE11, карa) – цилиндрическая; б) - коническаятина поля которой в поперечном и продольномсечениях стержня цилиндрической формы показана на рис. 8.2.Фазовая скоростьраспространения волныvФвдольстержняиотношениемощностей,переносимыхвнутри и внестержняPi Pa , являются функциямиегоРисунок 8.2 – Структура поля HE11 в поперечном иотносительпродольном сечениях круглого диэлектрическогоного радиусастержняа/λ и диэлектрическойпроницаемости  r .160При увеличении радиуса мощность, переносимая волной внутри стержня, воз-Рисунок 8.3 – Зависимость мощностей, переносимых волной HE11внутри и вне стержня (а), и замедления этой волны (б)от относительного диаметра стержневой антеннырастает, причем при данном его радиусе она тем больше, чем выше диэлектрическая проницаемость материала антенн (рис.

8.3,а). Фазовая скорость волныпри этом уменьшается, приближаясь к скорости в безграничной среде с диэлектрической проницаемостью стержня (рис. 8.3,б).Распространяющиеся в стержне волны вызывают поляризацию диэлектрика вдоль силовых линий электрического поля (т.е. в поперечных плоскостях стержня). Возникающие поляризационные токи (токи смещения) могут рассматриваться как элементарные излучатели, распределение амплитуд которых в первом приближении вдоль оси антенны можно считать постоянным, а фазы - меняющимся по линейному закону.Распределение поляризационных токов в поперечном сечении стержня(диске) совпадает с амплитудно-фазовым распределением вектора E электрического поля внутри стержня в данном сечении.Поле излучения антенны определяется суммой полей всех элементарныхисточников и, как для антенны бегущей волны, описывается выражениемF    F1    FN   ,где F1    J 0  ka sin  - ДН одиночного поперечного излучающего элемента(диска);sin kL  cos     / 2- нормированный множитель направленностиFN    kL  cos     / 2антенны бегущей волны; J0 - функция Бесселя нулевого порядка; а - радиусстержня; L - длина стержня.161Множитель F1    с изменением угла  меняется незначительно, и результирующая ДН для не очень коротких стержней  L  3  практически целиком определяется множителем FN   .На конце диэлектрической антенны из цилиндрического стержня (рис.8.1,а) возникают отраженные волны, увеличивающие уровень боковых лепестков.

Для уменьшения отражений от конца и соответственно снижения уровнябокового излучения и реализации режима, близкого к бегущей волне, применяются диэлектрические стержни конической формы (рис. 8.1,б).Максимальный диаметр стержня Dmax выбирают из условия существования в круглом запитывающем волноводе, заполненном диэлектриком, тольковолны основного типа HE11 , а минимальный диаметр Dmin- из условия уменьшения отражений от конца стержня.Для определения оптимальных значений максимального и минимальногодиаметров конических стержней могут быть использованы следующие формулы, полученные на основании опытных данных:Dmax , Dmin .  r  12,5    r  1Расчет ДН антенны с коническим стержнем проводится так же, как и дляантенны с цилиндрическим стержнем, при условии замены коническогостержня цилиндрическим среднего радиуса a   Dmax  Dmin  2 . Между длинойстержня L и замедлением γ сущест вует оптимальное соотношениеLОРТ    2    1  .

Коэффициент направленного действия оптимальной ди-электрической стержневой антенны определяется по формуле  DОРТ  7,2L   ,oа ширина ДН - по формуле 2ОРТ L .0,7  60,6Обычно длина стержня L лежит в пределах (3 - 7)λ, а диаметр составляет(0,5 - 0,3) λ при относительной диэлектрической проницаемости стержня r  2...5. . Если длина стержня незначительно превышает оптимальную, то основной лепесток ДН сужается, но быстро растет уровень боковых лепестков.Дальнейшее увеличение длины антенны может привести к раздвоению основного лепестка антенны.Одиночные стержневые антенны в зависимости от размеров имеют ширину ДН 20,7  15...25°. Для получения более узких ДН и повышения КНДприменяют антенные решетки стержневых антенн. Диаграмма направленностив этом случае при равномерном возбуждении решетки определяется перемножением ДН одиночного стержня и множителя решетки.В табл.

8.1 приведены характеристики ряда диэлектриков, которые могутбыть использованы для изготовления диэлектрических стержневых антенн..Таблица 8.1162Наименование диэлектрикаПлексигласλ = 30 смr-tg-λ = 10 смr-tg-λ = 3 смrtg2,61 8  103Полистирол2,55 0,45 103 2,55 0,5 103 2,55 0,7 103Кварц плавленный3,80-Полиэтилен2,280,4 103Фторопласт42,02  104-Керамикастеатитовая5,51,5 103Керамикафоретаритовая5,8Стекло С492 (ЗС-5К)-8.2λ = 0,5 ммtgr2,54,7 102-5  1033,80 1,0 104 3,80 1,7 104 3,644  1032,26 0,4 103 2,26 0,5 103---2,08 3,7 104-2  1035,2-5,23  103--5  1045,8-5,810  10 4-----5,29  1035,30,122Спиральные антенныСреди различных типов антенн бегущей волны важное место занимаютспиральные антенны эллиптической и управляемой поляризаций поля излучения.По виду замедляющей системы (направителя) спиральные антенны раз-Рисунок 8.4 – Спиральные антенны:a) – цилиндрическая регулярная; б,в) – нерегулярные (соответственноконическая с постоянным шагом намотки ицилиндрическая с переменным шагом)163деляются на: цилиндрические регулярные (рис.

8.4,а), геометрические параметры которых (шаг S, радиус намотки а, длина витка спирали L, угол подъемавитка α, диаметр провода) постоянны по длине антенны l, и нерегулярные(рис. 17.4,б,в).Спиральная антенна (рис. 8.4,а) представляет собой намотанную из провода (ленты) цилиндрическую спираль 1 длиной несколько λ, один конец которой свободен, а другой соединяется с внутренним проводником коаксиальной линии 3.

Внешний проводник коаксиальной линии присоединяется к металлическому диску (экрану) 2, служащему для ослабления обратного излучения антенны.По числу заходовМ (ветвей) и способуих намотки спиральныеантенны могут бытьодно - и многозаходными с односторонней(рис. 8.5,а) или двустоРисунок 8.5 – Цилиндрические регулярныеронней(встречной)спиральные антеннынамоткой (рис. 8.5,б).В ряде случаев для увеличения жесткости конструкции намотка спиралиосуществляется на диэлектрическом каркасе [1,2], что одновременно приводит к дополнительному замедлению фазовой скорости волны в антенне.Строгое решение электродинамической задачи для спираликак излучающей системы показывает, что в ней может распространяться система волн Тп, называемых собственными.

В зависимости от отношения диаметраспирали к длине волны в собственной волне Тп может резонировать та или иная азимутальнаяпространственная гармоника. Индекс «n» резонирующей пространственной гармоники и опре- Рисунок 8.6 – Режимы излучения спиральной антенны:деляет характер излучения спиральной антенны (диаграмму a) – поперечное излучение; б) – осевоенаправленности, поляризацион- излучение; в) – излучение с ДН воронкообразной формыные и фазовые характеристики).164Характерны три вида форм ДН цилиндрической спиральной антенны.Если диаметр спирали D  0,2 , то в ней преобладает волна типа T0, характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360° на протяжении несколькихвитков; амплитуда волны вдоль спирали постоянна, а фазовая скорость vФ  c .За счет отражения волны T0 от конца спирали в ней устанавливается режимстоячей волны, излучение вдоль оси спирали отсутствует и максимум излучения антенны получается в поперечной плоскости спирали (рис.