Устройства СВЧ и Антенны (Д.И. Воскресенский и др) (561333), страница 62
Текст из файла (страница 62)
дуй Глава 17 СВЧ-антенны бегущей волны 17.1 Диэлектрические стержневые антепцы Данные, приведенные в л. 12.10, 12.11 по диаграмме направленности 1ДН) и КНД ли- нейного юлучателя с бегушей волной, отнсслюя к антенне из ненаправленных элементов. Собственная направленность элемента может изменить как обшую дН, так и КНД антен. ны. Например, в случае линейной игюнны с продольными токами нуль иэлучензы злемегь та ориентирован ло оси антенны, и режим, осевого излучения невозможен. Антенны бегушей волны, реализуюшие режим осевого излучения, явюпотся виген»и- ми поверхностных волн. Поверхностные волны возникают на граюшах раздела сред с рю- личными элеюрическими параметрами, фазовая скорость в одной из которых меньше, чем в другой. Одной из таких сред в мценной технике обычно являеюя вокаух, а за»угой — сре- да, в которой раслростраюоотса замедленные электромагнитные волны (т < с) .
При этом амплитуда волны медленно затухает в п дельном направлении и быстро убывает (по экспоненциальному закону)' при удалении от границы раздела сред по направлению нормали. Хорошо изучены и находят применение поверхностные волны, распрострагиюшиесв вйоль круглой цилиндрической и плоской поверхностей раздела сред. Рассмотрим смерлглееые антенны лоеерхлостлых если, в которых волны кнаправляются» вдоль прямолинейного стержня 1 круглого или прямоугольного поперечного сечения длиной несколько 2 и возбуждаются Рис.
17Л. диэлектрические стержиевме антенны: отрезком круглого 2 или првиоугольа — еклнмпаческ»я, б — ко»ячеек»я ного металлического волновода (рис. 17.1). В свою очередь, отрезки волноводов могут быть возбуждены несимметричным вибратором 3, соединенным с внутренним проводником коаксиальной линии 4. В качестве Рабочего типа волны в диэлектрическом стержне используется низшая гибридная замедленная электромагнитная волна Нбн, картина воля которой в поперечном и продольном сечениях стержня цилиндрической формы показана на рис. 17.2, Рне.! 72. Структура лг»м волны Лдо е поперечном и продольном сечеииях «Руглого ллэлекгрического стержня айп Фазоаая скорость распространения волны о вдоль стержня и отношение мошностей, переносимых внутри и вне стержня Р1'Р„, являются фуикшыми его относительного радиуса а1Я и диэлектрической проницаемости е„.
При увеличении радиуса мощность переносиыая волной Рнс. 17.3. Зависимость мошностсй, переносимых воякой Нбо внутри и вне стержня (а), и замедления этой волны 1Я от относительного диамшра стержневой антенны причем при данном его радиусе она тем больше, чем выше диэлектрическая проницаемость материала антенн (рис. 17.3,а). Фазовая скорость волны при этом уменыпается, приближаясь к скорости в безграничной среде с диэлектрической проницаемостью стержня (рис. 17.3,б). Распространяющиеся в стержне волны вызывают поляризацию диэдектрика вдоль силовых линий электрического поля (т.е. в поперечных плоскостях стержня). Возникаюпгие поляриэационные тони (токи смещения) 1 „=гю(а — ее)е могут рассматри- Ваться как элементарные излучатели, распределение амплитуд которьгх в первом приближении вдоль оси антенны можно считать постоянным, а фазы — меняюшимся по линейному закону.
Распределение поляризационных токов в поперечном сечении стержня (диске) совпадает с амплитудно-фазовым распределением вектора Е электрического поля внутри стержня в данном сечении. Поле излучения антенны опрелеляется суммой полей всех элементарных источников и, как для антенны бегущей волны, описывается выражением Р(В)=Д(е)Р,(О), где д (О) й йе (аоз1пВ) — дн олнночного поперечного излучаюшего элемента (диска); мл И.(соей — «)(2 Р,(О)= — нормированный множитель направленности антенны аБ (соя  — у)(2 бегушей волны; Ую — функция Бесселя нулевого порядка, а — радиус стержня; Б — ллина стержня. Множитель Д(В) с изменением угла 9 меняется незначительно, и результируюшая дН для не очень коротких стержней (ь > Зд) практически целиком определяется множителем Гл (В) На конце диэлектрической антенны из цилиндрического стержня (рис. 17.!,а) возникают отраженные волны, увеличивающие уровень боковых лепестков.
Дяя уменьшения отражений от конца и соответственно снижения уровня бокового излучения и реаяизации режима, близкого к бегущей волне, применяются диэлектрические стержни конической формы (рис. 17.1,6). 261 Максимальный диаметр стержня О„„выбирают нз условия супюствования в круглом запитывающем волиоваде, заполненном диэлектриком, только волны основного типа Н,ь а минимальный диаметр О „— из условия уменьшения отражений от конца стержня.
Для определения оптимальных значений максимального и минимального диамет. ров конических стержней могут быть использованы следующие формулы, полученные на основании опытных данных: Л Л Ял„— 1) (2,5л(н, — 1) Расчет ДН антенны с ноническим стержнем проводится так же, как и для антенны с цилиндрическим стержнем, при условии замены конического стержня цилиндрическим СРЕДНЕГО РаЛИУСа а =(СГ О 0 о,)/4. МЕЖДУ ДЛИНОЙ СтЕРжНЯ С И ЗаМЕДЛЕНИЕМ УСУЩЕСтвует оптимальное соотношение (12.28). Коэффициент нжтравленного действия оптимальной диэчекгрической стержневой антенны определяется по формуле (12.31), а ширина ДН вЂ” по формуле (12.29), Обычно длина стержня С лежит в пределах (3-7)Л, а диаметр составляет (0,5-0,3)Л при относительной диэлектррческой проницаемости стержня л, = 2...5.
Если длина стержня незначительно превышает оптимальную, то основной лепесток ДН сужается, но быстро растет уровень боковых лепестков. Дальнейшее увеличение длины антенны может щгиаести к раздвоению основного лепестка антенны. Олиночные стержневые антенны в зависимости от римеров имеют ширину ДН 2бго » Л15.. 25'. Для получения более узких ДН и повышения КНД применяют антенные решетки стержневых антенн. Диаграмма направленности в этом случае при равномерном возбуждении решетки определяется перемножением ДН одиночного стержня и множителя решетки.
17.2. Спнрнльпые антенны Срели различных типов антенн бегущей волны важное место занимают спиральные антенны эллиптической и управляемой поляризаций поля излучения. Но виду замедляющей системы (напршителя) спиральные антенны разделяются на: лшгнндричешгне регулярные (рис. 17,4,а), геометрические параметры которых (шаг Я, рапиус намотки а, длина витка спирали С, угол подьема витка а, диаметр провопа) по. стоянны по длине антенны Г, и нерегулярные (рис.
17.4,6,е). Рнс. 17. 4. Спиральные антенны: а — цллннлрнчоаш» рсгу:шрнм, а. о — норогтллр но (оошнончвснно»оно»осла» о ооошлнным шагом помоны н цнлннлрнчос»ол о орчмоннмм омгом) 202 Спиральная антенна (рис. 17.4,а) представляет собой намотанную из провода (ленты) цилиндрическую спираль 1 данной несколько Л, один конец которой своболен, в другой соединяется с внутренним проводником коаксиавьиой линии 3. Внешний проводник коаксиальной линии присоединяется к металлическому Лиску (экрану) 2, служашему для ослабления обратного излучения антенны.
По числу заходов М(ветвей) и способу их намотки спиральные антенны могут быть олно. н многозаходными с односторонней (рис. 17.5,а) или лвусторонией (встречной) намоткой (рис. 17.5,6). Рис. 17.5. Цияннлрическис рсгулярныс спиральные антенны Рис. 17.6. Спиральная ыпснна а- иныотяхолнкя (чыиреожоыкм) с алюсюроысй начаткой; с Лололнитеяьным б - нноюткхолнхк (мчьысхзкхолнм) с лхтсторс нос Н (коренной) нхмоткон замедлением В ряде случаев для увеличения жесткости нонструкции намотка спирати осушестшшется на диэлектрическом каркасе (рис.
17.6), что одновременно приводит к допол'ннтельному замедлению фазовой скорости волны в антенне. Строгое решение злектродиначической задачи для спирали как излучаюшси системы показывает, что в ней может распространяться система волн Т„, называемых собстеекны ни. В зависимости от отношения диаметра спирали к длине волны в собствен.
'ной волне Т„может резонировать та или иная езимутальная пространственная гармоника. Индекс кня резонируюаей пространственной гармоники и ойредсляет характер излучения спиральной антенны (диаграмму направленности, поляризаци. онные и фазовые характеристики). Характерны три аида форм ДИ цилиндрической спиральной антенны. Если лиаметр спирали Око,2Л, то а ней преобладает волна типа Т,, харак- Р (015 045)1 Р 0451 теризуюшаяся изменением фазы тока в пределах 160' на протяжении нескольких витков; амплитуда волны вдоль спирали постоянна, а фазовая скорость к =с . За счет отражения волны Тс от конца спиРали а ней Ус- ~ Г 1 Г Г танавлнвается режим стоячей волны, излучение вдоль оси спирали отсутст- а) 6) к) вует и максимум излучения антенны Рис.
17.7. Режимы излучения спиральной антенны. ПОЛУЧастеа В ПОПЕРЕЧНОЙ ПЛОСКОСтн а- рсчнос нкс б-о ение Сннраки (РИС. 17 7 а). БннжайШнй тил к-юхтчсннс с Ди чосонкообрмной форин ййз волны Т при этом имеет весьма малую амгшнтуду и вклад этой волны в общее поле излучения незначителен. Когда диаметр витка Е) спирали лежит в пределах (0,25 — 0,45)Л,в антенне преобладает волна Т„ и максимум излучения направлен вдоль оси спирали (рис. !7.7,0) Возникающая при этом в спирали волна низшего типа Т„а также волны высших типов Т„при и>1, быстро затухают по длине спирали, и их вклад в ДН невелик.
При дэльнейшем увеличении'диаметра спирали (77>0,45Л) в собственной волне Т„определающей является вторая азимутальная пространственная гармоника (волна Т ), и ДН приобретает коническую (воронкообразную) форму (рис. 17.7,«). Угол раскрыла «воронкив зависит от относительного диаметра спирали. Режим осевого излучения '(О=(0,25..0,45) Л1, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине волны (Е =Л), является основным режимом работы спирю~ьных антенн. В режиме осевого излучения витки спирали излучают весьма интенсивно, благодаря чему к копну спирали практически излучается вся подводимая к антенне мошносп; отражение от конца спирали отсутствует и в ней устанавливается режим бегущей волны.
йзазовая скорость волны Т, при этом меньше скорости света с: « ч 0,8с (рис. 17.8). Для обеспечения круговой или близкой к ней поляризапии поля, Рис. 17.8. Зэвисимасть базовой скоРости а также интенсивного излучения каждого витка в осевом направлении (ось к, рис. (7.7,0) необходиыо, чтобы выполнялось то же усспиральней антенне повис Е Л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
