Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про антенны поверхностных волн, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое антенны поверхностных волн , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
Антенна поверхностных волн - антенна, в которой используется открытая линия передач с замедляющей системой; частный случай антенны бегущей волны. Бегущие замедленные волны оказываются "прижатыми" к направляющей поверхности, поэтому их называют поверхностными (поперечная составляющая волнового вектора является в таких системах мнимой величиной, т. е. амплитуда поля в направлении нормали к поверхности экспоненциально убывает), поток энергии вдоль поверхности концентрируется вблизи нее.
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. Антенна поверхностных волн
В диапазоне СВЧ широко применяются антенны, возбуждаемые поверхностными волнами.
Достоинством антенн поверхностных волн (АПВ) является их диапазонность, простота конструкции, небольшие размеры.
Хорошие аэродинамические качества антенн поверхностных волн позволяют их использовать в качестве маловыступающих антенн для подвижных объектов. Антенна поверхностных волн состоит из двух частей: возбудителя электромагнитных волн и излучающей части. Излучающая часть антенны представляет собой замедляющую структуру, которая способствует увеличению направленности излучения.
В зависимости от типа направляющей части различают
Наибольшее распространение получили стержневые АПВ, излучающая часть которых выполнена из диэлектрика или в виде металлических стержней с диэлектрической оболочкой.
Например, на рис. 11.1, а диэлектрический стрежень возбуждается открытым концом волновода или вибратором (рис. 11.1, б).
При этом уменьшение замедления волны к концу диэлектрического стержня приводит к лучшему согласованию волны на его выходе со свободным пространством.
Рис. 11.1 —Диэлектрические стержневые антенны с возбуждением открытым концом волновода (а) и с возбуждением вибратором (б)
Недостатком диэлектрических стержневых антенн является сравнительно большая масса, которая не позволяет применять их на волнах длиннее (0,2…0,3) м. Наличие потерь в диэлектрикеснижает КПД антенн до 70…80% и ограничивает возможность их использования в качестве передающих.
Этих недостатков лишена ребристостержневая антенна, являющаяся металлическим аналогом диэлектрической антенны. Ребристо-стержневая антенна выполняется из металлических дисков, закрепленных на металлическом стержне, возбуждаемых симметричным вибратором (рис. 11.2, а) или открытым концом волновода (рис. 11.2, б) круглого или прямоугольного сечения.Если диски выполнить в форме эллипсов и увеличивать их эксцентриситет, то постепенно можно перейти к директорной антенне, которую также можно рассматривать как антенну поверхностных волн. К классу антенн поверхностных волн относят и спиральную антенну.
а) б)
Рисунок 11.2 — Ребристо-стержневые антенны с возбуждением симметричным вибратором (а) и с возбуждением открытым концом волновода (б)
Если использовать перфорированные или сетчатые диски, то антенну можно применять на метровых и более длинных волнах. На метровых волнах преимуществом ребристостержневых антенн является сравнительная простота конструкции при довольно значительной (для этих волн) направленности и широкополосность. На сантиметровых волнах стержневые антенны имеютзначительно меньшие габариты, чем, например, рупорные. Одиночные стержни наиболее целесообразно применять для получения диаграмм направленности шириной до 20…30°. Более узкиеДН можно получить с помощью синфазных решетками стержневых излучателей. Четырехстержневая антенна, например, имеет диаграмму направленности в горизонтальной плоскостишириной 10°. Вибраторная антенна такую же ДН обеспечила бы лишь при числе вибраторов, равном 10…12.
Наряду с диэлектрическими стержневыми и ребристо-стержневыми антеннами часто применяются плоскостные диэлектрические и ребристые АПВ.
Плоскостная диэлектрическая антенна состоит из возбудителя в виде рупора или открытого конца волновода и замедляющей системы (направителя) в виде плоского металлического экрана, покрытого тонким слоем диэлектрика. Поверхностная волна может быть получена и при помощи металлической ребристой системы. Плоская ребристая антенна состоит из возбудителя (например, пирамидальный рупор) изамедляющей направляющей системы в виде металлической гребенки, вблизи поверхности которой образуется поверхностная волна. Для плоских АПВ характерно некоторое отклонение максимума излучения от плоскости антенны. Это обусловлено тем, что металлический экран, на котором располагается антенна, имеет конечные размеры. Антенн поверхностных волн сненаправленной ДН в горизонтальной плоскости выполняются в виде горизонально расположенных диэлектрических или металлических дисков с концентрической ребристой структурой.Антенна возбуждается вертикальным вибратором, установленным в центре диска. Толщина диэлектрика или высота ребер на краю диска уменьшается до нуля с целью согласования антенны сосвободным пространством. Вследствие конечных размеров экрана в дисковых антеннах максимум ДН отклонен от плоскости антенны. Поверхностная волна возникает на границах раздела средс различными электрическими параметрами, фазовая скорость в одной из которых меньше, чем во второй. Одной из этих сред в антенной технике является воздух, а другой может служитьсреда, в которой распространяются «медленные» волны, имеющие скорость меньше скорости с. Поверхностная волна образуется в оптически менее плотной среде, направляется поверхностьюраздела сред с различными параметрами и распространяется вдоль этой поверхности, как бы прижимаясь к ней. При этом амплитуда напряженности электрического поля вдоль поверхностипочти не затухает. А в воздухе амплитуда напряженности поля убывает по экспоненциальному закону в направлении нормали к поверхности раздела сред. Вся энергия переносится волной втонком слое, прилегающем к направляющей поверхности. В оптически более плотной среде в результате наложения падающей и отраженной волн в направлении внутренней нормали кповерхности раздела устанавливается стоячаяволна (рисунок 11.3).
Рисунок 11.3 — Распределение амплитуды поля поверхностной волны
Поверхностная волна распространяется в направлении оси z, фазовая скорость Vф этой
волны меньше скорости света в оптически менее плотной среде и находятся в пределах
где с — скорость света в воздухе;
ε— относительная диэлектрическая проницаемость более плотной среды;
— скорость света в более плотной среде.
В антенной технике применяются поверхностные волны, распространяющиеся вдоль плоской и круглой цилиндрической поверхности раздела сред. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поверхностные волны образуются каквблизи плоской границы раздела диэлектриков, так и у поверхности диэлектрических стержней, вблизи проводов, обладающих потерями или покрытых слоем диэлектрика, а также околометаллических гребенчатых или гофрированных поверхностей. Толщина слоя воздуха, в котором распространяется основная часть энергии поверхностной волны, зависит от коэффициентазамедления 
. Чем больше коэффициент замедления,
тем сильнее концентрируется поверхностная волна вблизи замедляющей структуры.
Направляющую поверхность, вблизи которой создается поверхностная волна, принято характеризовать поверхностным сопротивлением
(поверхностным импедансом), равным отношению электрической и магнитной касательных к замедляющей поверхности на границе раздела диэлектрик-воздух.
Для волны электрического типа (Нz=0) поверхностный импеданс антенны определяется как отношение продольной составляющей напряженности электрического поля, касательной к замедляющей поверхности, к поперечной составляющей напряженности магнитного поля.
При плоской поверхности раздела поверхностный импеданс антенны можно определить по формуле
Представив составляющую напряженности магнитного поля в виде
из уравнений Максвелла можно определить составляющие электрического поля:
где 
— коэффициент затухания поля поверхностной волны в направлении оси х;
— коэффициентфазыповерхностной волны в продольном направлении.
Коэффициенты
в (11.2) связаны соотношением
, где
длина волны рабочего диапазона.
Подставив Еz и Hy в (11.1), поверхностный импеданс получают в виде
Таким образом, условием существования поверхностной волны является индуктивный характер поверхностного импеданса. В реальных условиях выбираютповерхность, у которой реактивная часть поверхностного сопротивления значительно превосходит активную. Требование реактивного поверхностного сопротивления диктуетсяеще следующими соображениями. АПВ являются антеннами бегущей волны, которые имеют максимальный коэффициент усиления, если c/ Vф > 1, т. е. при Vф < c .Фазовая скорость Vф будет меньше скорости света при реактивном поверхностном импедансе.
Чтобы получить представление о механизме излучения и методах расчета АПВ, рассмотрим две модели: плоскую систему, ограниченную в направлении распространения волны,и цилиндрическую систему (рис. 11.4).
Пусть плоская система не ограничена в направлении оси х, тогда в системах с помощью рупорного излучателя возбуждается поверхностная волна, распространяющаяся в направлении осиz. Так как поверхностная структура ограничена в направлении z и на конце обладает неоднородностью, то требование выполнения условий непрерывности электромагнитного поля обусловливает возникновение типов волн, вызывающих излучение энергии. При этом наблюдается такой характер излучения, как при создании эквивалентными токами невозмущенной поверхностной волны на излучателе вблизи места неоднородности.
Рисунок 11.4 — Модели антенн поверхностных волн: а) модель плоской системы; б) модель цилиндрической системы
Для расчета поля излучения АПВ в основном применяются два приближенных метода.
В основе этого метода лежит предположение, что излучение происходит лишь в местах неоднородности поверхностной структуры. У простого стержневого излучателя неоднородность возникает на его конце, как в коническом рупоре. Как и при рупорном излучателе, когда распределение поля, возникающее в местене однородности (в раскрыве рупора), принимается за распределение источников излучения (без учета коэффициента отражения), в основу расчета излучения стержня берется невозмущенное распределение поля в поперечной плоскости на конце стержня. Эта поперечная плоскость для стержневого излучателя является эквивалентным раскрывом. В противоположность раскрыву рупорного излучателя эквивалентный раскрыв антенны поверхностных волн бесконечен, но так как амплитуды поля быстро убывают с увеличением расстояния от оси антенны, то практически все излучение происходит сквозь ограниченный раскрыв. Таким образом, считают, что излученное электромагнитное поле создается синфазно-возбужденной поверхностью, которая является частью плоского фронта поверхностной волны, излучаемой концом антенны перпендикулярно ее оси. Амплитуда возбуждающего поляраспределена на этой поверхности по экспоненциальному закону. Чем больше коэффициент замедления c/Vф , тем меньше эффективная излучающая поверхность.
Максимум излучения направлен перпендикулярно фронту волны, т. е. вдоль оси антенны. Коэффициент замедления и размеры излучающей поверхности определяются, исходя из структурыполя бесконечной замедляющей структуры, а распределение поля в эквивалентном раскрыве соответствует нормальному невозмущенному распределению поля в поперечном сечении. Приконечной длине замедляющей структуры величина c/ Vф не
постоянна по длине антенны, что приводит к ошибкам при расчете ДН. Точность расчета повышается с увеличением длины антенны.
Второй метод основан на представлении замедляющей структуры в виде антенны бегущей волны с замедленной фазовой скоростью. В этом случае антенна представляет собойсовокупность непрерывно расположенных элементарных излучателей. При этом волной, отраженной от конца антенны, пренебрегают. Излученное АПВ поле является результатом интерференции поля, излученного замедляющей структурой, и поля, непосредственно излученного возбудителем, не перешедшего в поверхностную волну. Непосредственное излучение возбудителя искажает ДН АПВ.
При коротких излучателях целесообразно применять второй метод.
Среди разнообразных антенн СВЧ диэлектрические антенны занимают в некотором смысле обособленное место. Простота конструкции и хорошие аэродинамические качества обуславливают довольно частое их применение, особенно в самолетной радиоаппаратуре.
Диэлектрическая антенна состоит из возбудителя электромагнитного поля и собственно антенны (направляющей системы). Направляющей системой для поверхностной волны является диэлектрический стержень. Возбудитель — электрический вибратор, представляющий собой конец внутреннего провода коаксиального кабеля, металлический круглый или прямоугольныйволновод (см. рис. 11.1).
Диэлектрические стержни выполняют из высокочастотных диэлектриков, обладающих малыми потерями (полистирол, люсит, фторопласт и др.). В антенной техникеиспользуются диэлектрические стержни двух видов: сплошные и полые. Полые стержни называются также диэлектрическими трубами. Диэлектрические антенны из сплошных стержней могутиметь коническую, цилиндрическую или иную форму.
ДН цилиндрической стержневой антенны имеет большие боковые лепестки (до 30…40% по мощности),
обусловленные отражением поверхностной волны от конца стержня. Для уменьшения отражения стержень выполняют в виде конуса, суживающегося к концу. При этом к концу антенны уменьшается замедление волны, фазовая скорость распространения которой приближается к скорости с, и улучшается согласование антенны с окружающим пространством. В связи с этим уменьшается отражение поверхностной волны от конца стержня, что приводит кзначительному уменьшению уровня боковых лепестков.
У диэлектрической антенны электромагнитное поле возбуждается источником в той части диэлектрического стержня, которая закрыта круглым металлическим держателем, и там распространяется, как в волноводе. Достигнув границы металлического держателя, волна продолжает распространяться по диэлектрическому стержню, одновременно проникая через открытуючасть поверхности стержня во внешнее пространство. Для определения поля излучения диэлектрической антенны нужно знать электромагнитное поле внутри стержня и вне его. Эта задачарешена в настоящее время для идеализированного случая стержня бесконечной длины и постоянного круглого
При определении поля излучения диэлектрической антенны считают, что электромагнитное поле внутри и вне стержня конечной длины имеет такую же структуру, как и в бесконечно длинном стержне. При возбуждении диэлектрической антенны вибратором или круглым волноводом с волной Н11 в стержне при правильном выборе его диаметра возбуждается основная волна НЕ 11. Линии вектора напряженности электрического поля Е в поперечном сечении стержня имеют одно преимущественное направление, перпендикулярное оси антенны.
Возникающие в стержне волны вызывают поляризацию диэлектрика вдоль силовых линий электрической составляющей поля (в поперечных плоскостях стержня), т. е. в стержне возбуждаются электрические токи поляризации, которые в основном являются поперечными. Эти токи (токи смещения) могут рассматриваться как излучатели с равномерным распределением амплитуд в направлении оси антенны илинейным распределением фаз. Таким образом, диэлектрическую стержневую антенну можно рассматривать как антенну бегущей волны осевогоизлучения с замедленной фазовой скоростью. Следовательно, ДН диэлектрической антенныв Е и Н плоскостях рассчитываетсяпо формулам:
— в плоскости E
— в плоскости Н
Множитель F 1 ( θ) является функцией направленности линейки бегущей волны и определяется по формуле
где 
— коэффициент затухания, который
определяется экспериментально.
При расчете ДН антенны из полистирола, люсита и других диэлектриков с относительной диэлектрической проницаемостью e = 2,5…2,6 можно принять, что: 
—волновое число, θ— угол между осью антенны и направлением на
точку наблюдения, c/Vф — коэффициент замедления волны в диэлектрическом волноводе.
На рис. 11.9 показаны зависимости F1( ξ) от ξ для различных значений αL/2. Из рисунка видно, что чем больше αL/2 (чем быстрее убывает амплитуда поля от начала антенны к ее концу), тем шире главный лепесток ДН и больше боковые лепестки. Основная особенность ДН при α>0 заключается в отсутствии нулевых значений поля, т. е. в слиянии главного и боковыхлепестков в кривую со слабо выраженными экстремумами. Чем больше α, тем слабее выражены экстремальные точки.
На рисунке 11.10 показаны, в качестве примера, зависимости F1 ( θ) от θ для различных значений параметра αL/2.. Множитель F1( θ) оказывает определяющее влияние на ДН.
Полагая, что затухания в стержне пренебрежимо малы, F1( θ) получается
для F1 ( θ) выражение
Рисунок 11.9 — Зависимости множителя F1 , входящего в выражение для диаграммы
направленности диэлектрической антенны, от параметра a
Рисунок 11.10 — Зависимость F1 (Q) от Q при различных значениях параметра 
Множитель F2 (Q) характеризует влияние на ДН поперечного размера стержня, т. е. определяет направленность элементарного объемного участка, имеющего форму плоскогопоперечного слоя круглого сечения. ДН элемента длины стержня круглого сечения определяется по формуле
где Л1 — лямбда-функция первого порядка; d — средний диаметр диэлектрического стержня.
Наличие множителя 
приводит к тому, что ДН стержневых антенн более направлены, чем плоскостных.
Однако множитель 
заметно влияет на ДН антенны лишь при коротких стержняхбольшого диаметра (порядка 
и более).
Множитель 
характеризует влияние на ДН одиночного элемента тока (относится только к плоскости Е) и в пределах θ=0…450 слабо изменяется.
Более быстрое убывание функции F3 ( θ) с увеличением угла θ начинается при углах 
Таким образом, наличие множителя F3( θ) мало сказывается на форме основного лепестка ДН антенны. Основное отличие ДН в Е-и Н
плоскостях у диэлектрических антенн заключается в том, что в Н-плоскости боковые лепестки ДН заметно больше.
Ширина основного лепестка в обеих плоскостях почти одинакова.
ДН диэлектрических антенн малого диаметра определяется в основном функцией F1( θ) , а большого диаметра — произведением функций 
.
Статью про антенны поверхностных волн я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое антенны поверхностных волн и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны