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 поверхностную волну 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.

     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 в 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). 
 

     

     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. 

Две последние  цифры 92

90…95 Антенна  поверхностной волны 

Вариант 2  

Рабочая длина  волны λ 5,1 см

Коэффициент направленного  действия (КНД) 50

Мощность подводимая к антенне P_А 0,8 кВт 

1. Параметры  направляющей поверхности  

Ширина направляющей ребристой структуры а_р

а_р > λ/2  а_р = 10 см 

Оптимальная длина  ребристой поверхности

L_опт = D * λ = 50 * 5,1 = 33 см

            7..8         7..8

Связь между  шириной и длиной

D = 10 * (a_р/ λ) * (L/ λ)^0,5 = 10 * 1,96* 2,54 = 49,78 

по условию  D = 50

оставляем выбранные  параметры 

2. Оптимальная фазовая скорость

V_опт = с/(1 + λ/2*L) = 3*10⁸/(1 + 5,1*10^-2/2*33*10^-2) = 278551532 м/c 

3. Конструктивные  параметры 

расстояние между  выступами t

t = Δ ≤ (0,05…0,1) * λ

t = 0,5 см 

высота выступов h находится из выражения

с/V_опт = (1 + ( __t    * tg(2*π*h))²)^0,5

                         t + Δ             λ

1,16 = 1 + ( 0,5 * tg(2*π*h))²

                                     5,1

0,8 = tg(1,23*h) 

0,67 = 1,23* h 

h = 0,54 

4. Проверка по  графику  

полученное соотношение  h/ λ = 0,1

в соответствии с соотношением t/ λ = 0,1 выбираем график

по графику  значение V_ф/c = 0,88

расчетное значение V_ф/c = 278551532/ 300000000 = 0,92 

5. Рассчитываем  диаграмму направленности антенны  в плоскостях E и H 
 
 

 

                                  
 

                 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет рупорной антенны 

геометрические  размеры волновода 

а = 4 см

b = 2 см 

тип возбуждающего  устройства - штырь 

Расстояние от закороченной стенки до штыря 

Z₁ = λ_в/4 

λ_в - длина волны в волноводе

 
 
 
 
 

λ_в = 6.62 см 

Z₁ = 1,655 см 

Волновое сопротивление  фидера (активное) 

W_ф = 50 Ом 

Высота возбуждающего  штыря 

 
 
 

h = 1,1 см 

Длина волновода  от возбуждающего штыря до горловины  рупора Z₂ 

 
 
 
 
 

Z₂ = 4,7 см 

Площадь раскрыва рупора 

 
 
 

D - КНД

D = 5 

S = 2,07*10^-3 м² 

Соотношение между  сторонами раскрыва ν 

ν = a_р/b_р = 1,5 

Исходя из того, что ширина замедляющей системы 10 см,

выбираем a_р = 10 см 

b_р = 6,6 см 

Длина рупора

 
 
 

L - значение стороны раскрыва 

R_H = 5,58 см 

L_E = 6,6 см 

R_E = 3,6 см 

L_H = 10 см 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Коэффициент отражения  от раскрыва рупорной антенны 

     
 
 
 
 

Γ_р = 0,017 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Функциональная  схема 

 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  используемой литературы

 

1. Антенны и  устройства СВЧ/ Под ред. Д. И. Воскресенского. – М.: Сов. радио,1972.

2. Антенны и  устройства СВЧ : Учеб. для радиотехнич. спец. вузов.- М.: Высш.шк., 1988г. Сазанов Д.М.

3. Якимов А.  Н. Основы проектирования антенн  СВЧ: Учеб. Пособие. – Пенза. 1999.

4. Жук М. С., Молочков Ю. Б. Проектирование  антенно-фидерных устройств. - М.; Л.: Энергия, 1966.