Файл: Амитей Н. Теория и анализ фазированных антенных решеток.pdf

абсцисс выбрана величина (ilk) Ту и по осп ординат —(i/k) Tv. Широкий п глубокий провал при сканировании в //-плоскости согласуется с результатами, приведенными на рис. 5.27. Более узкий провал наблюдается также при сканировании в //плоскости. Такой провал характерен для плоских антенных решеток (см. гл. 7). В рассматриваемой диаграмме направленности пуль (или глубокий провал) располагается вдоль непрерывной линии внутри контура,

Рис. 5.28. Диаграмма направленности в картографической проек­

----------------л и н и я п о я в л е н и я д и ф р а к ц и о н н о г о л е п е с т к а ;

-----------------------р е з у л ь т а т ы э к с т р а п о л я ц и и .

отмечающего углы возникновения дифракционного луча. Эту осо­ бенность можно объяснить, вероятно, тем, что эта диаграмма направленности учитывает только одну поляризацию поля (Еу). Из более полных данных о плоских волноводных решетках следует, что подобные провалы на диаграмме ТХТу обычно встречаются в виде изолированных точек.

2.3. Поверхностные волны н замедляющие структуры

Обсудим теперь происхождение и корректность использования терминов «поверхностная волна» и «резонанс, обусловленный поверхностной волной».

Рассмотрим для простоты задачу о сканирующей в А-нлоско- Стн решетке из параллельных пластин (а — Ъ = оо) (рис. 5.1, б). Результаты, полученные в гл. 2, можно легко обобщить на случай задачи, относящейся к плоской антенной решетке. Рассматривае­ мая система может содержать диэлектрические вставки или покры­ тия (детально влияние диэлектриков обсуждается в гл. 6). Важным

Z

свойством рассматриваемого класса задач является возможность представления поля во внешней области в следующем виде:

— постоянные распространения вдоль оси z, а ар — управляющая фаза (рис. 5.29).

При нормальном режиме работы ФАР управляющая фаза ф выбирается таким образом, чтобы поле определялось только вол­

Прп выполнении этих условий все типы волн, для которых т Ф 0, затухают вдоль оси z по закону е_|Гт К Известно, что при некото­ рых условиях поле излучения в действительной области обращает­ ся в нуль, а падающая волна в волноводе полностью отражается. При этом в выражении (43)

и все высшие типы волн, амплитуды которых не обращаются в нуль, экспоненциально затухают в положительном направлении оси г. 'Для каждой из этих волн (т Ф 0) изменение фазы в направлении оси у больше, чем для волны в свободном пространстве, т. е.

Каждая из этих волн является замедленной волной, поле кото­ рой экспоненциально спадает по мере удаления от поверхности раскрыва. Поэтому такие волны можно рассматривать как поверх­ ностные.

На достаточно большом расстоянии от раскрыва антенной решетки при условии ф > 0 преобладает тип волны с индексом т = 1, и его вектор фазовой скорости направлен в положительном направлении оси у. Фазовая скорость вблизи раскрыва антенной решетки зависит от того, какой из типов волн преобладает. На этот факт влияют особенности геометрии антенной решетки и конкрет­ ное значение управляющей фазы, при котором коэффициент передачи обращается в нуль. Например, если вблизи раскрыва

то волна по-прежнему остается замедленной, но ее вектор фазовой скорости направлен в отрицательном направлении оси z.

Другой подход, впервые предложенный Коллином [22], состоит в рассмотрении эквивалентной замедляющей структуры, справед­ ливой только для того значения управляющей фазы, при котором получается полное отражение или коэффициент передачи обраща­ ется в нуль

Предположим, что в волноводе имеет место полное отражение

где фаза коэффициента отражения относится к сечению z = 0 (рис. 5.29). В поперечных сечениях волноводов можно поместить проводящие пластины (короткозамыкатели) на расстояниях от рас-

2 2 6 Глава 5

поверхностной волны», причем слово «вынужденный» означает, что поле поверхностной волны в антенной решетке без короткозамыкателей (рис. 5.29) на самом деле не является решением одно­ родных уравнений Максвелла (при отсутствии источников).

Ясно, что отдельный волновод, возбуждаемый распространяю­ щимся тппом волны, не может быть возбудителем поверхностной волны в антенной решетке, так как поверхностная волна при этом не удовлетворяет принципу взаимности и поэтому не может быть источником возбуждения распространяющихся типов воли в волноводах. Если бы поверхностная волна возбуждала основной тип волны в волноводах, то такая волна неизбежно была бы зату­ хающей в направлении осп у.

Другие аспекты возбуждения поверхностной волны в антен­ ных решетках рассмотрены в гл. 6—8. В частности, в гл. 8 более подробно излагается интерпретация резонанса поверхностной

6. Влияние диэлектриков на свойства антенных решеток

1. ВВЕДЕНИЕ

Для защиты от внешних воздействий антенные устройства часто помещают в оболочки, которые обычно конструируются так, чтобы их влияние на антенну было минимальным. Иногда защит­ ные оболочки располагаются в дальней зоне антенны, и их влия­ ние в этих случаях можно приближенно оценивать иа основе тео­ рии длинных линий. Для плоских антенных решеток из волно­ водных элементов защитными оболочками могут служить диэлектрические покрытия или диэлектрические вставки, поме­ щаемые внутри волноводов в области раскрыва. В этих случаях диэлектрики оказывают существенное влияние на распределение полей в раскрыве. Поэтому защитную оболочку необходимо рас­ сматривать как неотъемлемую часть антенной решетки.

В данной главе рассмотрено влияние диэлектриков на электри­ ческие параметры антенных решеток. Главное внимание уделено волноводным решеткам из параллельных пластин, так как кон­ струкции этих решеток просты и возможно их аналитическое иссле­ дование. Рассмотрено также влияние диэлектриков и в решетках из прямоугольных волноводов. Значительное число закономер­ ностей, найденных в данной главе, можно экстраполировать по крайней мере качественно, на случаи ФАР из более сложных элементов. Изучены решетки с различной геометрической струк­ турой, включая решетки с диэлектрическим покрытием, решетки с полным и частичным заполнением волноводов диэлектриком, а также решетки с различными комбинациями диэлектрических деталей.

Подробно исследованы два основных аспекта проблемы: согла­ сование антенной решетки и вынужденные резонансы поверхност­ ной волны. Так как использование диэлектриков приводит к появ­ лению дополнительных параметров в задаче, то оказывается возможным за счет соответствующего подбора параметров значи­ тельно улучшить согласование антенной решетки в широком диапазоне углов сканирования. Возникновение вынужденных резонансов обусловлено возможностью существования внутри диэлектрического слоя волн, подобных поверхностным волнам. Эти резонансы, как показано в гл. 5 иа примере решеток из пря­ моугольных волноводов, могут наблюдаться в плоских антенных

решетках без диэлектриков. Более подробно этот вопрос освещен в гл. 7 (для решеток из круглых волноводов) и в гл. 8. Вынужден­ ные резонансы поверхностной волны проявляются в виде полного отражения падающей энергии (при этом передача энергии стано­ вится невозможной). В общем случае условия возникновения резонанса не удается определить с достаточной точностью без решения интегральных уравнений в той или иной форме. В отдель­ ных случаях, однако, хорошее приближение для условий резонан­ са можно получить, исходя из геометрии системы и известного решения соответствующей граничной электродинамической зада­ чи [14, 16].

Хорошо известно, что граничную задачу о фазированной решетке можно рассматривать как обобщение электродинамиче­ ской задачи о неоднородности в волноводе. Рассматриваемый с этой точки зрения раскрыв антенной решетки можно описать, как многополюсник, причем каждому типу волны, возбуждаемо­ му в системе, соответствует отдельный вход этого многополюсника. Нередко в схеме замещения бывает достаточно рассмотреть только распространяющиеся типы воли. Вынужденный резонанс поверх­ ностной волны наблюдается обычно в тех случаях, когда в волно­ водах распространяется единственный тип волны и решетка излучает один луч (эти условия являются обычно рабочими усло­ виями антенной решетки; возникновение полного отражения в нормальной рабочей области углов сканирования имеет особое значение).

В волноводных решетках из параллельных пластин резонанс наблюдается только при наличии в области раскрыта диэлектри­ ческого покрытия или диэлектрических вставок и в тех случаях, когда существует хотя бы один тип волны, распространяющийся внутри диэлектрика и исчезающий за его пределами. Такой тип волны можно представить в виде короткозамкнутого входа в схеме замещения, причем положение короткозамыкателя зависит от тол­ щины диэлектрика. Схему замещения для определения условий вынужденного резонанса поверхностной волны, таким образом, можно представить шестиполюсником (или многополюсником с большим числом входов), в котором один или несколько входов закорочены. Из теории цепей известно, что, изменяя положения короткозамыкателей, в такой схеме можно добиться отсутствия передачи энергии между двумя оставшимися входами. Таким путем можно объяснить возникновение вынужденных поверхностных волн. В работе [15] дано объяснение явления вынужденного резо­ нанса поверхностных волн с помощью вытекающих воли.

Так как при вынужденном резонансе поверхностных волн модуль коэффициента отражения равен 1, то решение задачи ФАР в условиях такого резонанса сводится к решению задачи о рас­ пространении поверхностной волны в ребристой структуре [2, 17].