Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой (стр. 2 из 4)

Приведенные предположения позволяют рассчитать диаграмму направленности антенны бегущей волны как диаграмму направленности антенны с непрерывным или дискретным распределением элементарных излучателей по длине антенны в зависимости от вида замедляющей структуры. Бегущая волна в этом случае выполняет роль линии питания элементарных излучателей.

В отдельных случаях при достаточно большой длине антенны ее излучение можно представить так же, как излучение эквивалентного раскрыва на конце антенны, образованного распределением поля волны с

над регулярной замедляющей структурой в плоскости ее поперечного сечения.

Оба представления излучения антенны носят приближенный характер. Однако первое из них получило наибольшее распространение при инженерном расчете антенн с замедленной фазовой скоростью

3.Антены поверхностных волн

Типичная схема антенны поверхностной волны приведена на рис.1. Антенна состоит из двух основных элементов: замедляющей структуры 1.по которой распространяется поверхностная волна, и возбудителя поверхностной волны 2.

рис.1.

Антенны поверхностных волн различают по виду замедляющей структуры и по функциональным признакам. Существует большое разнообразие замедляющих структур, отличающихся конструктивным выполнением. Как следствие их большого разнообразия, антенны поверхностных волн находят широкое практическое применение в системах связи, радиолокации, телеметрии и т. д.

Антенны поверхностных волн используются в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Обычно они допускают работу в полосе частот, составляющей ±10-15%. В некоторых случаях с помощью специальных мер эта полоса может быть расширена.

К недостаткам антенн поверхностных волн следует отнести сравнительно малое реализуемое усиление и относительно высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Ширина основного лепестка диаграммы

составляет обычно 15—20°.Однако существуют способы, позволяющие улучшить направленные характеристики антенн, например использование модулированных замедляющих структур.

Различные части антенны поверхностной волны служат различным целям. От конструкции возбудителя зависит эффективность возбуждения поверхностной волны. Замедляющая структура направляет поверхностнуюволну и обеспечивает основное излучение антенны. Поле излучения, антенны поверхностной волны является результатом интерференции поля_и_излучения замедляющей структуры и поля излучаемого возбудителем. Последнее является вредным фактором, искажающим диаграмму направленности.

4.Возбуждение антенны

Возбуждающее устройство 2 антенны (см. рис.1) предназначено для трансформации энергии, подводимой к антенне по фидерной линии, в энергию поверхностной волны, которая направляется далее замедляющей структурой. Возбуждающее устройство характеризуется своей эффективностью, которая определяется либо коэффициентом возбуждения поверхностной волны, либо эквивалентными ему характеристиками, например эффективной зоной возбуждения поверхностной волны. Коэффициент возбуждения определяется отношением мощности, переносимой поверхностной волной, к полной мощности подводимой к антенне.

Непосредственное излучение возбудителя не только снижает его эффективность, но и приводит к искажению диаграммы направленности антенны за счет интерференции этого излучения с излучением, формируемым замедляющей структурой антенны.

Существуют различные схемы возбуждения поверхностных волн, которые можно разделить на две основные группы: возбуждение источниками, расположенными либо поперечном сечении поверхностной волны, либо вдоль нее. В первом случае для эффективного возбуждения распределение источников должно воспроизводить распределение поля поверхностной волны в поперечном сечении. Источники такого рода реализуются апертурными возбудителями в виде раскрыва рупора или волновода.

Наиболее широко используется возбуждение поверхностных волн раскрывом рупора рис. 1, .2.

рис.2.

Замедляющая структура заходит внутрь рупора, для того чтобы обеспечить плавное преобразование волны в волноводе в поверхностную волну без появления высших типов волн и отражений. В зависимости от замедления поверхностной волны в раскрыве рупора его размер

должен быть таким, чтобы уменьшение амплитуды поля волны на этой длине было не менее 10 дб из-за влияния верхней стенки рупора. Если величина ограничена, то лишь определенная доля мощности, подводимой к возбудителю, переходит в поверхностную волну. Поэтому эффективное возбуждение возможно лишь при достаточно большом замедлении поверхностной волны ( >1,2).

5.Расчёт возбуждающего устройства

рис.3.

В большей части переходов используется электрическая связь, хотя при некотором усложнении конструкции может быть реализован метод магнитной связи.

Критерием согласования возбуждающего устройства с волноводом служит режим бегущей волны в коаксиальном питающем фидере, то есть равенство входного сопротивления возбуждающего устройства волновому сопротивлению фидера.

На рисунке изображено наиболее распространённое устройство зондового типа в виде несимметричного штыря, расположенного параллельно электрическим силовым линиям.

Входное сопротивление штыря в волноводе, так же как несимметричного вибратора в свободном пространстве, является в общем случае комплексной величиной. Активная часть входного сопротивления в основном от длины штыря, реактивная – от длины и толщины. В отличие от свободного пространства входное сопротивление штыря в волноводе зависит от структуры поля в волноводе вблизи штыря.

Расчёт реактивной составляющей входного сопротивления даёт неточные результаты и проводить его не имеет смысла. Для обеспечения согласования реактивная составляющая входного сопротивления должна быть равна нулю. Активную составляющую входного сопротивления можно считать равной сопротивлению излучения штыря в волноводе. Она должна быть равна волновому сопротивлению фидера.

Расчетная часть

1.Выбор и расчет геометрических размеров антенны

В качестве замедляющей структуры выберем плоскую ребристую (гребенчатую) структуру.

По заданной ширине диаграммы направленности антенны вычисляем длину L замедляющей структуры:

, где

- длина волны

- ширина диаграммы направленности в плоскости Е

Выражаем отсюда L:

= м.

Величина оптимального замедления поверхностной волны

вычисляется по следующей формуле:

Отсюда

Скорректируем полученное

на основе соотношения:

, где

p=3 т.к.

отсюда

Коэффициент направленного действия (К.Н.Д.) антенны оптимальной длины оценивается соотношением:

КПД антенны вычисляется по формуле:

, также

, где КСВ = 1,15 (задано в начальных условиях)

следовательно

Коэффициент усиления антенны:

2.Расчет ребристой замедляющей структуры

Ребристая структура представляет собой периодически чередующиеся канавки шириной

и глубиной с ребрами толщиной .(Рис .4 .)