Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Есть еще один фактор, искажающий ДН антенн/э. Это непосредственное излучение возбуждающего устройства в месте стыка металлического и диэлектрического волноводов.' В результате Юф интерференции паразитного слабонаправленного излучения йз возбудителя с излучением тос Рб1194 ков поляризации стержня прог исходит нежелательное иска- женке формы главного лепе- ПР стка и рост бокового излуче1! ния.
Если диаметр стержня ве-ра -~~ и га ча з' лик по сравнению с )„то боль- шая часть мощности переходит ряс. ~!.хо. Дн днэлсктричсской аитеинм и замедленную волну НЕ|~ н лишь небольшая часть непосредственно излучается на стыке волноводов. Однако прн этом коэффициент замедления $ оказывается слишком большим, оптимальная длина антенны У.,м=Ц2(~ — 1) мала и это пе позволяет получить высокий КНД.
Выход заключается в применении стержней с переменным поперечным сечением. Стержню придается заостроенная форма (рнс. 11.18, б), что вызывает постепенное уменьшение коэффициента замедления по его длине. Регулируя коиусность стержня, можно при любой заданной длине обеспечить оптимальное значение среднего коэффициента замедления. При конструировании диэлектрических антенн возбуждающий вибратор в металлическом волноводе желательно располагать вне диэлектрика. Это приводит к повышению КПД, так как возбуждаемые вибратором волны высших типов затухают вблизи него и не проникают в диэлектрик.
Диэлектрические стержневые антенны наряду с самостоятельным применением часто используют в качестве слабонаправленных элементов при построении фазированных антенных решеток. Спиральные антенны. На частотах ЗОО МГц и выше широкое применение находят цилиндрические спиральные антенны (рис. 11.21, а), излучающие поле с круговой поляризацией в направлении оси. Антенна состоит из проволочной спирали / длиной несколько Х при диаметре витка, примерно равном Х/и. Один конец спирали остается свободным, а другой соединен с внутренним проводником коаксиальной линии 3. Внешний проводник коаксиальной линии присоединяется к металлическому экрану 2. В спирали возникает бегущая волна электрического тока и максимум излучения оказывается ориентированным вдоль оси в сторону движения волны тока.
Излучающую систему можно представить набором плоских круглых витков, расположенных по оси с шагом з и питаемых последовательно (рис. 1!.21, б). Ток в каждом витке оказывается распределенным по закону геехр ( — )р(), где !и — ток в начале витка; 1 — координата, отсчитываемая вдоль витка. По периметру витка при Й=),/я укладывавается точно одна длина вол- з г ны, поэтому раснределеиие тока вдоль витка можно также р записать в виде Уе ехР( — )сР), где ср — азимутальный угол в плоскости витка. Излучение Щ витка с таким распределением тока уже рассматривалось в гэ $10.6, я, следовательно, формулы (10,3) и рис.
10.25 спра- тли ведлнвы для анализа ДН и поляризации излучения одно- и го витка. А Однако ДН витка можно истолковать и по-другому. рас Рнс. П.21. спиральная антенна (а) и ее нределение тока .по витку схема замещения (б) 1о ехр ( — )'р1) = )а соз 01— — )гсз)п()1 представляет наложение двух стоячих волн, сдвинутых по фазе на 90', амплитуда одной из которых меняется вдоль витка по закону косинуса, а другой — по закону синуса (рис. 11.22). Получается четыре изогнутых полуволновых вибратора: одна пара синфазных между собой вибраторов ориентирована вдоль оси д и излучает максимум мощности в направлении оси г с вектором Е, параллельным оси у; другая пара также синфазных между собой внбраторов ориентирована в направлении оси х и излучает максимум моцгности тоже в направлении оси х, но вектор Е параллелен оси х. Пары вибраторов возбуждаются с фазовым сдвигом 90', и излучаемое в направлении оси г поле приобретает круговую поляризацию.
Под некоторым углом к оси г поляризация поля эллиптическая, а в плоскости хОу — линейная. Вследствие синфазности колебаний вибраторов в каждой паре их общее сопротивление излучения с учетом взаимной связи оказывается довольно большим, Входное сопротивление каждого витка получается близким волновому сопротивлению, и если учесть, что соседние витки колеблются почти в фазе вследствие малости з))ь, то становится понятным, почему режим в спирали диаметром )ь/я близок к режиму бегущей волны.
Фазовая скорость волны возбуждения соседних витков вдоль осн г оказывается несколько меньше скорости света, н получается антенна продольного излучения с замедленной фазовой скоростью (рис. 11.23, б). Если же диаметр спирали Х)~А/и, то токи в диаметрально противоположных точках витка имеют в пространстве противоположное направление и сопротивление излучения витка очень мало (рамочный эффект). В антенне устанавливается режим стоячей волны, излучение вдоль оси спирали равно нулю, и максимум излучения ~4 Я'- п1 г! И Рис. 11.22. Прелстаплепие распределении Рис.
! 1.23. Режимы излучения спи. тока п спиральной антенне ральной антенны каждого витка н всей антенны получается в поперечной плоскости', спирали (рис. 11.23, а). При Ю~Х/и токи в диаметрально противоположных точках вит- ,,' ка и в соседних витках опять оказываются не в фазе, режим бегу-,' щей волны нарушается и излучение в направлении оси г от от-',: дельных элементов витка взаимно компенсируется; максимум излучения антенны оказывается под некоторым углом к осн ~ (рис. 11.23, в). Основным режимом является режим осевого излучения, Расче-',, ты н измерения показывают, что в спиральной антенне с осевым',, излучением коэффициент замедления фазовой скорости уменьшает-,: ся при увеличении частоты. Это способствует расширению рабочей ~ полосы частот антенны.
Так, для спиральной антенны с углом, подъема витка а=12' при относительной длине витка ь/1=0,72 —; 1,2 коэффициент замедления изменяется от 5=1,б7 на нижней ча- ',' стоте до 5=1,1 на верхней частоте. Для получения в иапранлении,', оси спирали излучаемого поля с круговой поляризацией должно со- ' блюдаться условие Щ(. — Рз=2п или (1!.331! $Е='з+у. Однако если рассматривать спиральную антенну как антенну', осевого излучения с замедленной фазовой скоростью, то для полу-', чения, максимального КНД фазовый сдвиг излучаемого поля от,' первого и последнего элементов антенны в точке наблюдения на ее оси должен быть равен и, т.
е. должно выполняться условие Д/. — (1з=2п+п/а, где п — число виткон, или !/.=8+Л+Л/(2а). (11.34) 1 1 ФИ Таким образом, при соблюдении условия (11.33) в направлении оси спирали получается точно круговая поляризация, а при соблюдении условия (11.34) — максимальный КНД при некоторой эллиптичности поляризации. Поскольку коэффициент замедления ~ с увеличением длины волны увеличивается, соотношения (11.33) илн (1!.34) нарушаются мало и спиральная антенна сохраняет удовлетворительные значения параметров в диапазоне длин волн (0,7— 1,2) ?„, где 3., †дли волны, для которой подобраны оптимальные размеры антенны. Кроме цилиндрических спиральных з«ры антенн прнменшотся также более широкополосные конические спиральные )! антенны.
Примеры таких антенн, обра- ! шенных широкой частью к экрану, показаны иа рис. 11.24. В одном случае спираль питается у основания, в дру- Рнс. 1!.24. Коаическнвспнрааьгом — у верхнего конца. Измерения, яме антенны проведенные на конических спиралях с параметрами и= 1б; а=б', Р .
/О ы=3, показывают, что осевое излучение антенны, питаемой снизу, сохраняется примерно в двукратном диапазоне волн, а излучение антенны, питаемой сверху, — примерно в трехкратном диапазоне волн. Импедансные антенны. Отличительной особенностью таких антенн является использование импедансных структур, способных поддерживать поверхностные волны.
На рис. 11.25 показана импедансная антенна на плоской поверхности (экране) 3. Поверхностная волна, возбуждаемая небольшим рупором /, распространяется вдоль ребристой структуры 2 почти без изменения амплитуды, так как отражение волны от конца структуры мало. На поверхности структуры возникают компоненты электромагнитного поля Н„и й„ которым согласно принципу эквивалентности могут быть поставлены в соответствие эквивалентные поверхностные токи /,' и /„" на плоскости уОг.
Распределение этих токов вдоль оси з соответствует закону бегущей волны с замедленной фазовой скоростью, н, таким образом, ребристая структура оказывается эквивалентной линейной излучающей системе бегущей волны с замедленной фазовой скоростью. Для поддержания замедленной волны поверхностное сопротивление ребристой структуры Х=ИН„должно быть чисто реактивным и носить индуктивный характер. Для этого глубина канавок должна быть меньше )/4. При достаточно хорошем согласовании ребристой структуры с рупором большая часть подводимой к нему мощности переходит в мощность поверхностной волны и меньшая часть непосредственно излучается.
Поэтому излучение в основном определяется поверхностными магнитными токами ребристой структуры (при бесконечном размере экрана) и ДН в нулевом приближении выражается общей формулой (11.5). Максимальный КНД в направлении оси а гад ггр и «р ид тго а Рнс. 1!.25. Импедансная антенна Рнс. 11.26. ЛН нмпедансно» антен- ны на конечном экране имеет место при оптимальном замедлении В „~=1+9(2Е). Однако в действительности плоскость за ребристой структурой имеет конечный размер чг (рис. ! 1.25) и главный максимум излучения из-за этого оказывается «отжатым» от плоскости экрана. Характерный внд ДН импедансной антенны в плоскости хОг показан на рис. 11.26.
Рабочая полоса частот импедансных антенн определяется в основном характеристиками согласования возбуждающего устройства и составляет обычно 15 — 20 $. Рупорный возбудитель может быть заменен системой нескольких щеленых излучателей, прорезанных в экране и возбуждаемых с линейным набегом фазы, соответствующим скорости движения поверхностной волны в структуре. результате импедансиая антенна получается не выступающей над металлической поверхностью экрана.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
