Файл: Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование).pdf

Г Л А В А 4

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ РЕШЕТКАМИ

4.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕАКТИВНЫХ РЕШЕТОК В ОБТЕКАТЕЛЯХ

При разработке современных обтекателей СВЧ антенн использоаание диэлектрических стенок с реактивными решетками в качестве конструкционного материала дает большие возможности.

Реактивные решетки позволяют производить согласование произ­ вольных по толщине диэлектрических слоев с окружающим простран­ ством. Это обстоятельство дает в руки конструкторов дополнитель­ ную степень свободы и позволяет проектировать стенки обтекателей, которые являются оптимальными по прочностным, весовым и радио­ техническим характеристикам.

На практике наибольшее распространение нашли решетки ин­ дуктивного и индуктивно-емкостного типов. В первом случае они пред­ ставляют собой ряд параллельных металлических проводов (или лент), диаметр (ширина) которых много меньше длины волны. Провода ре­

шетки обычно располагаются параллельно вектору Е падающего поля. Для того чтобы решетка взаимодействовала с падающей волной про­ извольной поляризации, вводится вторая система параллельных про­ водов, перпендикулярная первой и расположенная в той же плоско­ сти, так что в плане образуется сетка с квадратной ячейкой (рис. 4.1а). Во втором случае решетка образуется параллельными рядами вибра­ торов, расположенными на равном расстоянии друг от друга (с по­ стоянным шагом). Как и в предыдущем случае, для того, чтобы ре­ шетка работала при произвольной поляризации падающей на нее

•волны, вводится аналогичная вторая решетка, повернутая относи­ тельно первой на 90° (рис. 4.1, б).

Для согласования слоев диэлектрика решетки обычно включаются в среднее сечение согласуемого слоя. При этом оказывается, что решетки проводов представляют для проходящей волны индуктив­ ное, а решетки вибраторов—-либо индуктивное, либо емкостное со­ противление (в зависимости от размеров вибраторов). Если слой с ре­ шеткой при падении на них электромагнитной волны представить эквивалентной схемой, то решетка будет изображаться соответствую-

116

щим реактивным сопротивлением Zg, шунтирующим ступенчатую линию передачи (рис. 4.1, в).

Диэлектрические слои с решетками проводов и вибраторов весьма интересны в практическом отношении. Они могут использоваться в обтекателях самых различных размеров и назначений. Например, такие решетки при непрерывном изменении их параметров позволяют достаточно простыми средствами изменять характеристики стенок обтекателей от участка к участку, в том числе добиваться плавного изменения электрической толщины диэлектрических стенок вдоль их поверхности, что имеет большое значение при борьбе с угловыми ошибками остроконечных обтекателей. В некоторых случаях решетки

2d

0I ° I2

° !

S)

Рис. 4.1. Реактивные решетки:

а — решетка из цилиндрических проводов; б — решетка из цилиндрических вибраторов; в — эквивалентная схема.

из'проводов и вибраторов могут использоваться в многослойных обтекателях как для увеличения их механической прочности [9, 62], так и для обеспечения достаточно хорошей прозрачности на двух раз­ несенных волнах одновременно. В первом случае целесообразно при­ менять решетки индуктивного типа, включенные в один или два сило­ вых слоя многослойных стенок, во втором — решетки вибраторов, также включенные в силовые слои. При этом параметры вибраторов должны выбираться так, чтобы на одной из волн (более короткой) решетка имела индуктивное сопротивление, а на другой — емкостное. При соответствующем выборе всех размеров многослойной стенки та­ кой путь позволяет получить заданные значения коэффициента про­ хождения на двух волнах одновременно [63, 64, 65].

Рассматриваемые структуры также весьма ценны и при конструи­ ровании различных элементов СВЧ антенн: зеркал, фильтров, герме­ тизирующих вставок и т . п.

Наряду с решетками проводов и вибраторов значительный ин­ терес представляет применение решеток прямоугольных щелей, про­ резанных в металлических поверхностях [66, 67, 68]. Эти решетки для проходящих электромагнитных волн также представляют реак­ тивное сопротивление (индуктивного или емкостного характера) и их можно использовать для согласования диэлектрических слоев с ок- ' ружающим пространством (рис. 4.2). Преимущество таких решеток заключается в возможности с их помощью существенно увеличивать

117

механическую прочность стенок обтекателей. Однако из-за технологи­ ческой сложности изготовления и отсутствия достаточно удовлетво­ рительных методов расчета реактивные решетки этого типа пока не нашли сколько-нибудь широкого практического применения, хотя

Рис. 4.2. Диэлектрическая стенка с перфорированной металли­ ческой поверхностью.

уже первые попытки их использования в конкретных конструкциях обтекателей [69] (рис. 4.3) дают обнадеживающие результаты

(рис. 4.4).

При конструировании диэлектрических стенок с реактивымн ре­ шетками необходимо знать значение сопротивления создаваемого ре-

Рис. 4.3. Металлический перфорированный обтекатель.

щеткой в каждом конкретном случае: для данного размера и конструк­ ции диэлектрической стенки, величины диэлектрических проницае­ мостей ее слоев, углов падения волны и т. п. Это обстоятельство свя­ зано с тем, что на величину шунтирующего сопротивления решетки для проходящей электромагнитной волны оказывают влияние не толь­ ко геометрические размеры ее элементов, но и окружающая среда, влияние которой осуществляется через отраженные волны (много­

118

кратные отражения), возникающие в слоях и зависящие от всех ука­ занных выше факторов.

Задачи прохождения электромагнитных волн через реактивные решетки различных типов, расположенные в однородной среде, рас­ сматривались многими авторами*. Полученные результаты позволяют проводить необходимые расчеты таких решеток (например, находить прошедшее и отраженное поля, рассчитывать оптимальные размеры элементов решеток при заданном коэффициенте отражения и т. п.). Однако эти результаты не дают возможности оценить работу решеток, заключенных в слоях диэлектрика (из-за существенной реакции гра­ ниц раздела воздух — диэлектрик).

Впервые вопросы, связанные с дифракцией электромагнитных волн на решетках проводов, расположенных вблизи границы раздела двух полубесконечных сред, были рассмотрены в работах J. Р. Wait (на­ пример, [76, 77]). Им было показано, что при таком расположении ре­ шеток их параметры претерпевают некоторые изменения. Позже были решены задачи дифракции электромагнитных волн на решетках из проводов и вибраторов, расположенных в слоях диэлектрика (т. е. при наличии двух границ раздела воздух — диэлектрик), при произволь­ ных углах падения волны на слой (например, [63]). Решение этих задач позволило выяснить особенности работы решеток в слое диэлектрика, обосновать построение эквивалентной схемы и оценить точности расрасчетов.

4.2. ДИФРАКЦИЯ ПРОИЗВОЛЬНО ПАДАЮЩЕЙ ПЛОСКОЙ ВОЛНЫ НА СЕТКЕ ПРОВОДОВ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СЛОЕ

Разработку электродинамических методов расчета реактивных решеток целесообразно начать с решения задачи дифракции электро­ магнитных волн на сетке проводов, заключенной в слое диэлектрика. Для простоты ячейка сетки может быть взята квадратной.

Следует отметить, что рассматриваемый здесь метод определения характера взаимодействия решеток (или любой периодической струк­ туры) с диэлектрическими слоями является достаточно общим. Он позволяет находить результирующие электродинамические характе­ ристики сложных диэлектрических стенок с реактивными решетками и поэтому излагается достаточно подробно.

Постановка интересующей нас задачи следующая. Две одномер­ ные периодические решетки металлических цилиндрических проводов расположены в параллельных плоскостях на расстоянии h друг от друга. Решетки повернуты одна относительно другой на 90° так, что в плане образуется сетка с квадратной ячейкой. Период решеток S; радиус проводов р. Решетки расположены внутри диэлектрического слоя толщиной с диэлектрической и магнитной проницаемостями

* Например, можно отметить работы [70, 71, 72, 73, 74, 75], а также многие другие.

119

-90 -50 —50

-90 - 60 - 50 О 30 60 ß

б и |я (рис. 4.5); для окружающей среды е = р. = 1. Рассмотрение проводится для случая, когда где — длина волны в ди­ электрической среде. Зависимость от времени берется в виде е'“'.

Каждая решетка проводов связывается со своей системой прямо­

плоская электромагнитная волна, поляризованная под углом ѵ к пло­

можно считать | Е0| = 1. В этом случае zдоставляющие векторов электрического и магнитного полей падающей волны

EnzaR —ae~iK(J:i cosai+ ^ cos ßi+z>cos v«)

122