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

Е-плоскасть

Рпс. 7.20. Решетка из круглых одпомодовых волноводов.

а — г е о м е т р и я р е ш е т к и и ее в о зб у ж д е н и е ; б — х а р а к т е р и с т и к и о т р а ж е п и л в б л и з и в ы н у ж д е н н о г о р е з о н а н с а в п л о с к о с т и Е [ а = 0 ,3 5 6 ^ , Ъ = 1 ,0 0 8 X,

d = 0,7 1 3 X п Ъ = %0Х 6 (X6 — д л и н а в о л н ы в в о л н о в о д е )].

ство. В обоих случаях i/x в выражениях (3) или (6) имеет действи­ тельное значение, а у2 (или yl) — чисто мнимое. В выражении (18) величину z/| можно изменять от —j оо до /оо соответствующим выбо­ ром длины I, определяющей положение короткозамыкателя. Поэтому можно ожидать, что и в случае решетки из прямоуголь­ ных волноводов угол полного отражения (обусловленного вынуж-

Рис. 7.21. Решетка из круглых волноводов, не имеющая плос­ кости симметрии.

С т р е л к а м и п о к а з а н ы м о м ен т ы в о з н и к н о в е н и я д о п о л н и т е л ь н ы х г л а в н ы х л е п е с т к о в .

денным резонансом) будет обособлен в плоскости ТХТУ. Более того, можно предполагать, что обособленность угла полного отражения, обусловленного вынужденным резонансом, является общим свой­ ством ФАР независимо от формы элементов и числа входов.

До сих пор речь шла о полных отражениях (обусловленных вынужденными резонансами поверхностных волн), возникающих в том случае, когда плоскость сканирования и плоскость симметрии

306 Глава 7

хваченные вынужденные поверхностные волны» обусловлено тем, что распределение поля этих волн напоминает распределение поля захваченных волн в диэлектрических пластинах.

Захваченные вынужденные поверхностные волны возбуждаются только прп наличии диэлектрических оболочек и вставок, а незахвачеиные вынужденные поверхностные волны возбуждаются и в отсутствие диэлектрических материалов. Введение диэлектри­ ков лишь изменяет угол сканирования, прп котором эти волны возникают. Установлено, что захваченные вынужденные поверх­ ностные волны возбуждаются при некоторых обособленных зна­ чениях углов в плоскости сканирования ТХТУ, что справедливо также п для решеток без диэлектриков.

3.1. Полностью заполненные диэлектриком решетки

Рассмотрим решетку из круглых волноводов, заполненных полностью диэлектриком так, что в волноводах может распростра­ няться только основной тип волны ТЕи . Наиболее ощутимое изме­ нение в характеристиках отражения решетки состоит в том, что угол сканирования, при котором возбуждается иезахвачениая вынужденная поверхностная волна, сдвигается к нормали решет­ ки. Подобное смещение наблюдалось также в решетках пз прямо­ угольных волноводов, полностью заполненных диэлектриком.

В первом варианте псследованнй радиус волновода а меняли одновременно с диэлектрической проницаемостью е-! диэлектрика так, что выполнялось условие еха2 = const. Это условие обеспечи­ вает постоянное отношение между рабочей н критической частота­ ми волновода. Параметры сетки изменяли так, чтобы сНа — Ыа = = const при постоянной длине волны. В этих условиях увеличениеEi ведет к уплотнению решетки. Коэффициент заполнения раскрыла na?/bd sin а (отношение площади раскрыва волповода к площади одной ячейки решетки) также остается постоянным. На рис. 7.22' приведен типичный график коэффициента отражения полностью заполненных диэлектриком решеток в //-плоскости сканирования. Вследствие сближения элементов при увеличении ехполное отраже­ ние наблюдается в ряде сплошных интервалов углов сканирования. Обособленный резонанс поверхностной волны, возникающий в от­ сутствие диэлектрика (е1 = 1,0), сливается при увеличении ех со сплошными областями полного отражения и обособленно уже

не возникает.

В другом варианте исследований величины ех н а меняли так, чтобы выполнялось условие EjH2 = const, а размеры сетки поддер­ живались постоянными относительно длины волны в свободном пространстве X (ЫХ — d/X — const). В этом случае коэффициент заполнения раскрыва уменьшается с увеличением EiКоэффициент

отражения такой решетки в //-плоскости сканирования приведен на рис. 7.23. Из графика видно, что модуль величины R 1N резко увеличивается при возрастании такая зависимость существенно отличается от сравнительно небольших изменений, показанных на рис. 7.22. Отметим также, что зависимость R1N отфг становит­ ся весьма слабой. Гладкие измеиеиия коэффициента отражения (как по фазе, так и по амплитуде) наблюдались и в других плоско­ стях сканирования. Резкие изменения на этих характеристиках

7,0

10nil

0,8

Рпс. 7.24. Зависимость коэффициента отражения полностью за­ полненной диэлектриком решетки отфр при сканировании в плос­

были локализованы лишь вблизи точек возникновения дополни­ тельных главных лепестков (отмеченных на рис. 7.23 и 7.24 вер­ тикальными стрелками). Коэффициент отражения для поперечно поляризованной волны пни сканировании в плоскости, наклонен­ ной под углом 30° (рис. 7.24), пренебрежимо мал во всей области, кроме точек, близких к точке возникновения дополнительного главного лепестка, где наблюдается острый максимум.

Напомним, что вследствие симметрии решетки коэффициент отражения при излучении по нормали к плоскости решетки не за­ висит от поляризации возбуждения ТЕп-волны. Эта особенность в сочетании с гладкими характеристиками коэффициента отраже­ ния (рис. 7.23 и 7.24) позволяет в принципе реализовать хорошее согласование в широкой области углов сканирования по крайней мере в узкой полосе частот. Коэффициенты передачи обладают

также гладкими характеристиками как по фазе, так и по амплитуде. Эта особенность в свою очередь приводит к относительному посто­ янству поляризации (например, круговой) в пределах той же обла­ сти углов сканирования. Приемлемые характеристики решетки из таких сравнительно малых элементов можно получить лишь в узкой полосе частот. Тем не менее путем разумного синтеза согласующей цепи, включаемой за апертурной плоскостью, можно добиться хорошего согласования при различных углах сканиро­ вания в полосе частот шириной 10—15%. Более подробно этот вопрос рассмотрен в гл. 9.

3.2. ФАР с диэлектрическими вставками

Диэлектрические вставки, вводимые в волноводные элементы решетки с целью улучшения согласования, повышения прочности и защиты от метеорологических воздействий, сильно влияют на ха­ рактеристики решетки [7—9]. Обычно вставки устанавливают заподлицо с плоскостью раскрыва. Волны высших типов, для которых не заполненные диэлектриком волноводы являются запре­ дельными, иногда могут распространяться в диэлектрической вставке. Так как эти волны не способны распространяться за пре­ делами вставки, они оказываются связанными и могут сильно влиять на характеристики вынужденных поверхностных волн. В различных плоскостях сканирования в диэлектрических встав­ ках будут возбуждаться различные типы волн, что объясняется симметрией элементов решетки и их расположения. Поэтому улуч­ шение согласования, достигаемое в одной плоскости сканирования благодаря введению диэлектрической вставки, на практике может привести к ухудшению характеристик решетки в других плоско­ стях.

Как показано в гл. 6, для учета диэлектрической вставки инте­ гральные и матричные уравнения (3) — (6) надо лишь немного мо­ дифицировать. В правой части уравнений (3) и (6) yt заменяется на

где у? и у? — соответственно модальная проводимость и постоянная

распространения волны Фг в диэлектрической вставке с проницае­ мостью гх и толщиной tx. В левой части выражений (3) и (5) А,угзаменяется на

Уе1'ЛеЛ М 1 ( )

!/?c°S V?*!- -Л/г sin

20

где A t — амплитуда электрического поля г-й волны в волноводе в области перед диэлектрической вставкой и — соответству-