Система должна быть рассчитана, так, чтобы sin 0 < 1 только для одного значения п. Чаще всего это п = -1.

Из уравнения (17) следуют способы изменения положения максимума диаграммы направленности в пространстве.

Основное применение систем поверхностных волн со щелевыми излучателями - построение антенн с качанием луча. Наиболее простой, с точки зрения антенной техники, путь качания луча - изменение частоты сигнала. Как следует из уравнения дисперсии для ребристой поверхности и ребристого волновода, соответствующим выбором глубины канавки можно получить резкую зависимость у от длины волны. Так что при незначительном изменении частоты можно менять положение максимума диаграммы направленности в больших пределах. Второй член в правой части уравнения (17) усиливает эту зависимость. Поэтому даже при отсутствии дисперсии рост замедления ведет к повышению углочастотной чувствительности антенны.

Практически углочастотная чувствительность не может быть сделана очень большой из-за потерь энергии на тепло. При этом следует отметить, что при использовании ребристой структуры в антенне потери энергии на тепло уменьшаются примерно вдвое по сравнению с использованием в качестве линии передачи, так как, распространяясь вдоль линии, энергия излучается.

Изменение замедления, а следовательно и качание луча, в описанных системах возможно также за счет изменения эффективной глубины канавок механическим способом или с помощью ферритов.

Антеннам с немеханическим качанием луча присущ так называемый эффект нормали. Он выражается в том, что прохождение луча через направление нормали к антенне сопровождается ростом отраженной мощности на входе антенны и падением усиления. В районе нормали возможно существенное искажение формы диаграммы. При излучении в направлении нормали антенна работает в резонансном режиме так, что отражения от всех излучателей складываются в фазе, чем и объясняются упомянутые явления. От эффекта нормали можно избавиться, если применить неотражающие излучатели.

Замедление волны в волноводе может применяться и в антеннах со стационарной диаграммой для обеспечения требуемого положения луча в пространстве. Однако в этом случае для повышения диа-пазонности по положению луча и увеличения пропускаемой мощности целесообразно частичное заполнение волновода диэлектриком (см. рис. 1, г).

Наряду со щелями и вибраторами в антеннах поверхностных волн применяются излучат-ели в виде неоднородностей поверхностного импеданса. Если импеданс непостоянен вдоль линии, то поле в верхнем полупространстве может быть описано только суммой пространственных гармоник (или интегралом). В пространственном спектре могут оказаться гармоники с замедлением, меньшим единицы. В соответствии с выражением (8) такие гармоники (волны) оказыва-

ются излучающими, т. е. неоднородности импеданса приводят к излучению поверхностной волны.

Теоретически задача дифракции поверхностной волны на импе-дансных неоднородностях решена только для частных случаев. Особый интерес представляет периодическое изменение импеданса, так как в этом случае излучающей может быть сделана только одна пространственная гармоника и тем самым обеспечено линейное фа-зсвое распределение излученного поля вдоль антенны, что необходимо для создания остронаправленных антенн. Практически периодическое изменение импеданса может быть, например, осуществлено путем периодического изменения глубины канавок ребристой структуры.

В системах с периодической модуляцией импеданса направление максимума излучения определяется по формуле (17), где Т - период модуляции выбирается из тех же соображений, что и шаг в случае дискретных излучателей (из условия получения одного максимума одной излучающей гармоники). Если импеданс изменяется по закону

гц = Ф (0 + cos -у X

то затухание волны, обусловленное излучением, пропорционально tm- Изменяя величину (глубину модуляции) вдоль антенны, можно получить заданное амплитудное распределение в раскрыве, т. е. требуемый уровень боковых лепестков.

Использование модуляции импеданса вместо щелевых излучателей существенно упрощает конструкцию ребристых антенн. Кроме того, излучатели такого типа не являются резонансными и, таким образом, обеспечивают более равномерное усиление в случае качания луча изменением частоты. Однако модуляция импеданса по косинусоидальному закону не ликвидирует эффекта нормали. В связи с этим было бы весьма ценным найти специальный закон изменения импеданса в пределах периода модуляции, компенсирующий эффект нормали в антенне.

При создании антенн продольного излучения и антенн с широкими диаграммами направленности, как правило, применяется непериодическое изменение импеданса. В этом случае спектр пространственных гармоник на поверхности становится непрерывным и излучаются все гармоники с замедлением тке<С1- (Тке-действительная часть замедления). Каждому значению соответствует плоская волна, излучающаяся в направлении

соь9 = Гке. (18)

где 9 отсчитывается от оси антенны.

В связи с этим диаграмма получается широконаправленной. Конкретная форма зависит от амплитудных и фазовых соотношений между гармониками, т. е. от закона изменения импеданса.

Практически обычно применяется плавное изменение импеданса от некоторой величины до нуля за счет уменьшения толщины диэлектрического слоя или глубины канавок ребристой структуры.

Различные типы антенн поверхностных волн с плавным изменением импеданса приведены на рис. 3 и 5. Возбуждение поверхностной волны в таких антеннах осуществляется рупором (см. рис. 3, а), открытым концом волновода (рис. 5, а) и вибратором (рис. 5, б).

соединение И

Рис. 5. Антенны поверхностных волн

Рппппи,.,/, „Лг, " ~ диэлектрическая антенна осевого

РПО/;НШ облучатель излучения, возбуждаемая открытым ко-нцом круглого волновода ;б - дисковая антенна поверхностных волн, возбуждаемая вибратором; в - ребристо стержневая антенна с периодической модуляцией импеданса (с воронкообразной диаграммой направленности); г - антенна типа линзы Люнеберга со штырьковой замедляющей структурой

Диаграмма направленности в этих антеннах в вертикальной плоскости - остронаправленная с максимумом, лежащим в плоскости антенны. Ширина диаграммы обратно пропорциональна корню квадратному из отношения LA (где L - длина антенны), в то время как для антенн, излучающих в направлении, близком перпендикулярному к плоскости раскрыва, она обратно пропорциональна их.

Ширина диаграммы в азимутальной плоскости определяется поперечными размерами и обратно пропорциональна DA. В антеннах с осевой симметрией диаграмма направленности равномерная.

»

Хотя антенны поверхностных волн с плавно меняющимся импедансом широко применяются, их теория развита недостаточно, что связано с математическими трудностями строгого решения задачи. Даже простейшая антенна в виде диэлектрического стержня, возбужденного открытым концом волновода (рис. 5, а), не может быть в настоящее время достаточно строго рассчитана и отрабатывается экспериментально.

В ряде случаев требуются антенны круговой поляризации, для этого в линии поверхностной волны должны распространяться одновременно волны типа Е и типа Я с одинаковыми фазовыми скоростями. Это может быть достигнуто применением двухслойного или многослойного диэлектрика.

Если применение диэлектрика в конструкции антенны нежелательно, то антенны с такими же характеристиками, что и вышеперечисленные типы, могут быть созданы с использованием искусственных замедляющих систем. Для антенн с вертикальной поляризацией - это ребристые структуры с прямоугольными канавками. Для антенн с круговой поляризацией - структура с продольными и поперечными канавками. В такой системе граничные условия не могут быть удовлетворены только Е- или Я-волной. Над поверхностью распространяется волна с эллиптической поляризацией. При определенном подборе размеров структуры может распространяться волна с круговой поляризацией. Излучение с системы осуществляется за счет непериодического изменения импеданса.

В качестве антенн осевого излучения с круговой поляризацией наиболее широкое распространение получили спирали (см. рис. 2, д) Применяются цилиндрические, конические, сферические и плоские спирали. В случае цилиндрических спиралей длина витка подбирается примерно равной длине волны (по спирали течет ток с фазовой скоростью, соответствующей первому пространственному резонансу).

В случае конической спирали фазовая скорость основной гармоники тока вдоль провода спирали оказывается переменной, так что на части витков спирали устанавливается первый пространственный резонанс. Эта группа витков наиболее интенсивно излучает. При изменении частоты резонанс устанавливается на другой группе витков, чем объясняется большая диапазонность конических спиралей.

Направленные свойства антенн осевого излучения могут быть улучшены, если применить периодическое изменение импеданса так, чтобы излучающая пространственная гармоника имела фазовую скорость, равную скорости света. Изменяя глубину модуляции импеданса вдоль антенны, можно получить требуемые характеристики направленности антенны с низким уровнем боковых лепестков. При этом получается антенна, аналогичная изображенной на рис. 5, в, если в коаксиале возбуждать волну волноводного типа (несимметричную), а вместо нагрузки использовать плавное уменьшение внешнего диаметра стержня.

в линиях поверхностных волн фазовая скорость легко регулируется изменением величины поверхностного импеданса. Это свойство используется для создания линзовых антенн с переменным показателем преломления. На рис. 5. г приведена антенна типа линзы Люнеберга со штырьковой замедляющей структурой. Требуемое изменение фазовой скорости вдоль радиуса осуществляется изменением высоты штырьков. Линза облучается рупорным облучателем. На выходе линзы получается плоский пучок лучей и, таким образом, формируется острая диаграмма направленности. При вращении облучателя происходит синхронное перемещение диаграммы.

Л11/

Антенна /

Антенна 2

Рис. 6. Использование ребристых структур для уменьшения уровня заднего излучения антенн и увеличения развязки между антеннами

а - рупорная антенна с концентрическими прямоугольными канавками для уменьшения уровня заднего излучения; б - применение ребристой структуры для увеличения развязки между двумя волноводно-щ,елевымн

антеннами

Антенны поверхностных волн осевого излучения применяются в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн. Наиболее часто используются в качестве облучателей диэлектрические стержни, возбуждаемые открытым концом волновода, спираль обратного излучения и другие типы антенн.

Неоднородность линии поверхностной волны может быть создана не только изменением поверхностного импеданса, но и отклонением формы поверхности отшюскости. Например, поверхностная волна, распространяющаяся вокруг кругового цилиндра, оказывается излучающей.

Такие типы антенн в ряде случаев могут оказываться весьма удобными, однако для практического применения они недостаточно исследованы.

Факт, что изменение поверхностного импеданса приводит к излучению энергии, может быть использован для увеличения развязки между антеннами, а также для уменьшения уровня заднего излучения антенн. Два примера на подобное применение импедансных поверхностей приведены на рис. 6. Поверхностный импеданс в приведенных примерах резко меняется (нуль - на ребре и оо - на входе канавки), что приводит к значительному ослаблению (за счет переизлучения и отражения) токов, затекающих за края рупора или доходящих до второй антенны.

Поверхностные волны используются также в различных волноводных устройствах. Примером могут служить устройства с управляемыми распределенными средами. Например, в ферритовых вентилях на смещении поля используется заполнение волновода ферритом так, как это показано на рис. 1, г вверху. Так как эффективное значение магнитной проницаемости различно для прямой и обратной волн в такой линии, то подбором постоянного магнитного поля, материала и толщины ферритовой пластины можно добиться, чтобы волна, распространяющаяся в прямом направлении, была волноводного типа, а в обратном - поверхностная. На ферри-товую пластину наносится поглотитель и, таким образом, обратная волна поглощается сильнее, чем прямая.

В ряде случаев поверхностные волны могут быть использованы для расширения диапазонности направленных ответвителей и других устройств.

В данной статье приведены лишь начальные сведения по поверхностным волнам и их использованию в антенной и волноводной технике. Более подробно с затронутыми здесь вопросами можно ознакомиться по приводимой ниже литературе [1-10]. В список литературы [1 -10] Включены только книги и обзорные статьи по теории и практическому применению поверхностных волн.

ЛИТЕРАТУРА

1. В а г 1 о W Н. М., Cullen А. L. Proc. IEE, 1953, 100, 111, 329.

2. ВайнштейнЛ. А. Электромагнитные волны. Изд-во «Советское радио», М., 1957.

3. Ф р а д и н А. 3. Антенны сверхвысоких частот. Изд-во «Советское радио», М., 1957.

4. Айзенберг Г. 3. Антенны ультракоротких волн. Связьиздат, М., 1957.

5. ФельдЯ. Н. иБененсонЛ. С. Антенно-фидерные устройства, ч. II. Изд. ВВИА им. Н. Е. Жуковского, М., 1959.

6. Harvey А. F. IRE Trans., 1960, МТТ-8, 30.

7. J а S i с Н. Reference book. Мс. Grow-Hill-Book Co.. 1960.

8. Z u с к е г F. J. J. Res. NBS, 1960, 64D.

9. Мнллер M. A., Таланов B. И. Использование понятия поверхностного импеданса в теории поверхностных электромагнитных волн. Изв. вузов (Радиофизика), 1961, IV, № 5 , 795.

10. Ардабьевский А. И., Новосартов М. Т. Антенны с электрическим сканированием. Статья в настоящем сборнике.