Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Общие сведения и актуальность проблемы исследования 8
1.1 Общее представление об антенных решетках щелевых излучателей 8
1.2. Актуальность проблемы исследования характеристик антенных решёток в многоволновом режиме 14
1.3 Постановка задач исследования 17
Глава II. Анализ резонаторно-щелевых антенных решеток 23
2.1 Описание общей теории резонаторов 23
2.2 Описание электромагнитных полей, возбуждённых решёткой щелевых излучателей 30
2.3 Вывод уравнения для полного тока на решетке щелевых излучателей 45
Глава III. Характеристики и параметры резонаторно-щелевой антенной решетки на основной частоте и в многоволновом режиме 62
3.1 Определение коэффициентов и проводимостей в резонаторно-щелевой антенной решетке 62
3.2 Определение нормированных собственных функций 70
3.3 Расчёт основных характеристик антенной решетки щелевых излучателей 73
Глава IV. Электродинамические эффекты в резонаторно-щелевой антенной решетке в многоволновом режиме 79
4.1. Вынужденный резонанс поверхностной волны, влияющий на частотные свойства 79
4.2 Особые свойства антенной решетки щелевых излучателей в многоволновом режиме 89
4.3 Оценка диаграммы направленности в многоволновом режиме 96
Заключение 102
Список источников и литературы 107
Приложения
- Актуальность проблемы исследования характеристик антенных решёток в многоволновом режиме
- Описание электромагнитных полей, возбуждённых решёткой щелевых излучателей
- Определение нормированных собственных функций
- Особые свойства антенной решетки щелевых излучателей в многоволновом режиме
Введение к работе
Актуальность проблемы. В антенных решётках при облучении их радиоволной на частотах до 10-20 раз превышающих рабочую частоту, возникают условия для распространения нескольких типов волн. Наличие такого эффекта требует учета особенностей многоволнового режима при решении различных задач нелинейной радиолокации и обеспечения электромагнитной совместимости. В последнее время появилось большое число публикаций, посвященных антенным решёткам с последовательным питанием бегущими или стоячими волнами. К числу таких антенных решёток относятся решётки щелевых излучателей.
Анализу и экспериментальному исследованию таких решёток посвящен ряд работ, например работы Е.Н.Васильева, А.Ю.Гринева, А.С.Ильинского, Ю.В.Котова, С.Е.Банкова. В данных работах представлены решения электродинамических задач для решёток с конечным числом бесконечно длинных щелей, возбуждаемых падающей Г-волной. Авторы ограничились случаем нормального падения Г-волны и бесконечно длинных щелей. Новые электродинамические эффекты и связанные с ними новые технические возможности открываются в более сложной структуре - в решётке из щелей конечной длины, возбуждаемой волной, падающей под произвольным углом. Анализу такой структуры посвящена данная работа.
Особый интерес представляют антенные решётки в нелинейной радиолокации - новой информационной технологии, в основе которой лежит эффект нелинейного рассеяния радиоволн на объектах, обладающих нелинейными свойствами. Это направление науки и техники, представляющее собой новую область радиолокации, вызвало широкий интерес в научных кругах и у разработчиков систем получения информации об окружающей нас среде. Известны работы в этом направлении - Петров Б.М., Hager R., Кузнецов А.С., Кутин Г.И., Горбачев А.А. Использование способности некоторых объектов не только рассеивать падающие на них радиоволны, но и преобразовывать их спектр, позволяет рассматривать широкий круг задач, решение которых традиционными методами
5 невозможно, либо малопродуктивно.
К задачам нелинейной радиолокации (HPЛ) примыкает задача поиска людей терпящих бедствие. В этом случае на человеке предварительно размещается специальный искусственный нелинейный рассеиватель, в виде простейшей нелинейной антенны. Это направление также представлено рядом публикаций и разработок. Дальнейшим развитием его является создание рассеивателей, способных не только обнаруживать помечаемые ими объекты, но и осуществлять их идентификацию. Такие пассивные рассеиватели-маркеры могут устанавливаться на перевозимых грузах, товарах в магазинах, автомобилях и содержать в своем отклике на зондирующий сигнал до 1000 и более бит информации. Все это свидетельствует об актуальности направления диссертационной работы.
Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Ю. Е. Седельникову за консультации по диссертационной работе.
Цель работы. Разработка методики анализа антенной решетки щелевых излучателей на основной частоте, частотах гармоник и в многоволновом режиме приема.
Поставленная цель достигается решением более частных задач: S построение электродинамической модели системы щелевых излучателей; V разработка методики анализа одиночного щелевого излучателя на основной частоте и на гармониках;
S разработка методики анализа решетки щелевых излучателей на основной частоте, на гармониках и на частотах превышающих основную; S численный анализ частотных свойств антенной решетки. Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы линейной алгебры; аппарат математического анализа; методы корреляционного анализа; методы электродинамического анализа; элементы теории вероятности и математической статистики. При решении задач использованы современные программные средства, в том числе стандартный пакет прикладных программ Mathcad 2000. Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждена
строгостью математических методов, корректным использованием математического аппарата, согласованием основных научных положений с результатами численных исследований. Научная новизна состоит в следующем;
Впервые в достаточно строгой постановке решена задача расчёта распределения полей в решётке щелевых излучателей в многоволновом режиме приёма.
Проведён численный анализ антенной решётки щелевых излучателей на основной частоте, на гармониках и частотах превышающих основную.
д, 3. Численно исследованы особенности характеристик антенной решетки
щелевых излучателей в многоволновом режиме приема.
4*
Практическая ценность. Результаты работы в виде предложенных методик позволяют более полно описать электродинамическую картину распространения волны в антенной решётке щелевых излучателей в многоволновом режиме приёма. Разработанные численные процедуры и методики анализа, численные результаты исследования полученных характеристик могут применяться при использовании антенных решёток щелевых излучателей при решении задач нелинейной радиолокации и электромагнитной совместимости.
Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы в виде методик и численных данных анализа занесены в научные исследования Ульяновского отделения института радиотехники и электроники РАН и в производственный процесс ОАО "Завод "Электроприбор", а также использованы в учебном процессе кафедры «Радиотехника и радиотехнические системы» ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова».
-т*
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: VI Всероссийская научная конференция по радиофизике, Нижегородский государственный университет, Н-Новгород, 2002 г.; VII Всероссийская научная конференция по радиофизике, Нижегородский
7 государственный университет, Н-Новгород, 2003 г.; XXXIV научная
конференция по гуманитарным, естественным и техническим наукам ЧТУ, г.
Чебоксары, 2001 г.; XXXV научная конференция по гуманитарным,
естественным и техническим наукам ЧГУ, г. Чебоксары, 2002 г.; XXXVI
научная конференция по гуманитарным, естественным и техническим наукам
ЧГУ, г. Чебоксары, 2003 г.
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 12
опубликованных работах автора, среди них статей - 3, тезисов докладов - 9.
Объём и структура работ. Диссертационная работа состоит из введения, 4
глав, заключения, списка использованных источников литературы и
приложений.
Положения, выдвигаемые на защиту:
Математическая и электродинамическая модель системы щелевых излучателей.
Методика анализа одиночного щелевого излучателя на основной частоте, на гармониках и в многоволновом режиме.
Методика анализа антенной решетки щелевых излучателей на основной частоте, на гармониках и в многоволновом режиме.
Результаты численного исследования особенностей распространения электромагнитной волны в решётке щелевых излучателей.
Актуальность проблемы исследования характеристик антенных решёток в многоволновом режиме
В антенных решётках при облучении их радиоволной на частотах до 10-20 раз превышающих рабочую частоту, возникают условия для распространения нескольких типов волн. Наличие такого эффекта требует учета особенностей многоволнового режима при решении различных задач нелинейной радиолокации и обеспечения электромагнитной совместимости. В последнее время появилось большое число публикаций, посвященных антенным решёткам с последовательным питанием бегущими или стоячими волнами. К числу таких антенных решёток относятся решётки щелевых излучателей.
Анализу и экспериментальному исследованию таких решёток посвящен ряд работ, например работы Е.Н.Васильева, А.Ю.Гринева, А.С.Ильинского, Ю.В.Котова, С.Е.Банкова. В данных работах представлены решения электродинамических задач для решёток с конечным числом бесконечно длинных щелей, возбуждаемых падающей Г-волной. Авторы ограничились случаем нормального падения Г-волны и бесконечно длинных щелей. Новые электродинамические эффекты и связанные с ними новые технические возможности открываются в более сложной структуре — в решётке из щелей конечной длины, возбуждаемой волной, падающей под произвольным углом. Анализу такой структуры посвящена данная работа.
Результаты анализа можно применить в новой информационной технологии, в основе которой лежит эффект нелинейного рассеяния радиоволн на объектах, обладающих нелинейными свойствами. Это направление науки и техники, представляющее собой новую область радиолокации, вызывает широкий интерес в научных кругах и у разработчиков систем получения информации об окружающей нас среде. К Известны работы в этом направлении - Петров Б.М., Hager R., Кузнецов А.С., Кутин Г.И., Горбачев А.А. Использование способности некоторых объектов не только рассеивать падающие на них радиоволны, но и преобразовывать их спектр, позволяет рассматривать широкий круг задач, решение которых традиционными методами невозможно, либо малопродуктивно.
К задачам нелинейной радиолокации (HPЛ) примыкает задача поиска людей терпящих бедствие. В этом случае на человеке предварительно размещается специальный искусственный нелинейный рассеиватель, в виде простейшей нелинейной антенной решетки. Это направление также представлено рядом публикаций и разработок. Дальнейшим развитием его является создание антенных решеток способных не только обнаруживать помечаемые ими объекты, но и осуществлять их идентификацию. Такие пассивные рассеиватели-маркеры могут устанавливаться на перевозимых грузах, товарах в магазинах, автомобилях и содержать в своем отклике на зондирующий сигнал до 1000 и более бит информации.
Фундаментом исследования является электродинамическое описание электромагнитных волн, среды распространения сигналов, конструкций систем и устройств с последующим решением уравнений Максвелла. Однако во многих случаях решение подобной задачи во всей полноте не представляется возможным и приходится использовать различные допущения и ограничения. Четкое представление физических аспектов распространения электромагнитной волны в антенных решётках данного типа позволит, обосновано подходить к решению разнообразных теоретических и прикладных задач радиолокации.
Из-за недоступности надежных средств расчета инженеры при использовании антенных решёток в многоволновом режиме обычно не обходятся без трудоемкого эксперимента. Чем выше рабочие частоты, тем более ненадежными становятся различные элементарные и эвристические способы математического моделирования. Автоматизированное проектирование может приносить ощутимую пользу только при достоверности применяемых моделей, а это подчеркивает актуальность строгого электродинамического подхода к исследованию характеристик антенных решёток в многоволновом режиме. Особенностью анализа антенных решёток в многоволновом режиме является сочетание упрощенных методов расчета, применяемых на этапе предварительной проработки технического предложения, с методами автоматизированного проектирования. Эти методы позволяют провести строгий анализ работы устройств и оптимизировать их характеристики.
В настоящее время методы исследования характеристик резонаторно-щелевых антенных решёток развиваются несколькими Научными коллективами: под руководством А.Г.Свешникова, А.С.Ильинского, А.Ю.Гринева и Ю.В.Котова (МГУ) [35, 36, 55, 61], Е.Н.Васильева и В.И. Охматовского (МЭИ) [20-23], С.Д.Кременецкого и Ю.Ю.Радцига (Новгород) [63, 64, 91-94], О.Ш. Даутова, Ю.Е. Седельникова, Н.Г. Воробьёва, А.А. Авксентьева (КГТУ) [1, 2, 28, 38-41, 100-104], В.В. Чебышева и Н.Ю. Филатова [120, 121, 122], СЕ. Банкова [И], Л.А. Вьюшковой [32]. Исследования по резонаторно-щелевым полосковым линиям были выполнены Е.И. Нефёдовым [78]. Широко известны работы Е.Н.Васильева по исследованию резонаторно-щелевых структур [20-23]. Исследование резонансных свойств продольной щели в волноводе полностью проведено Л.А. Вьюшковой. Частотные свойства щелевых излучателей в слоистой среде наиболее полно рассмотрены В.В. Чебышевым и Н.Ю. Филатовым. Исследованием частотных характеристик двумерно-периодической решётки щелевых излучателей на основной частоте занимался СЕ. Банков. Задачами нелинейной радиолокации занимались Hager R., Кузнецов А.С, Кутин Г.И., Горбачев А.А, Штейншлейгер В.Б., Беляев В.В., Маюнов А.Т., Разиньков С.Н., Васенков А.А., Заборонкова Т.М.
В работах [11, 21, 22, 35, 37, 52, 55, 61] анализ характеристик и частотных свойств антенных решёток проводился с предположением о том, что щель бесконечна или решетка бесконечна.
Описание электромагнитных полей, возбуждённых решёткой щелевых излучателей
Рассматривается прямоугольный резонатор с размерами ах в. Пусть резонатор возбуждается падающей волной из свободного пространства на щель длиной L шириной / , частота которой во много раз превышает рабочую полосу частот резонатора (здесь имеется в виду десятикратное превышение). Необходимо найти диаграмму направленности поля переизлучённого щелью от падающей волны.
Для нахождения неизвестных коэффициентов Anm(z) воспользуемся понятием ортогональности функций (здесь ортогональность по коэффициенту х и у), это позволит нам определить коэффициенты Anm (z).
Анализируя полученные результаты видим, что в сумме интеграла (2.32) исчезнут все члены для которых n n и m m , и останутся только а ь слагаемые с п = п и m = m , а они в свою очередь равны — и — соответственно.
Поле внутри резонатора представляет суперпозицию двух волноводных пучков, распространяющихся навстречу друг другу. Для того, чтобы свободные колебания в резонаторе не затухали, необходимо выполнение следующих условий: металлические стенки должны обладать бесконечной проводимостью, чтобы токи в этих стенках не вызывали потерь; среда, заполняющая объём резонатора, не должна обладать потерями. [14, 96]. Практически потери в стенках и в среде малы и структура электромагнитного поля в реальных условиях мало отличается от структуры идеализированных колебаний в отсутствии потерь.
Поле в средах сторонней волны будет следующим: прош - \Епр„ш(пар) C0S V + прош(тр) SU1 VP Обращаясь к рис. 2.1., находим в областях у Н -h и -/? суммарное поле, поляризованное так же, как поле падающей сторонней волны: Епр,,ш = (Е Sinzo + E cos 0)siny+ (- sinfo-E cos cos 0 + + ЕЖшгт cos/30smz0)cosu + EZ(tmp). (2.58) Подставляя (2.55) и (2.57) в (2.58), получаем выражения с индексом -у для прошедшей через слой волны, а с индексом + у для отражённой от слоя волны. Нетрудно видеть, что прошедшие и отражённые волны представляют собой спектр плоских волн, отличающихся постоянной распространения вдоль осей х и у. Условия существования в дальней зоне только основной волны (т = 0,р = 0 ) следующие: d 1 а + 1 1 ,_ _оч Л, sin/,-cos 5, Л, sind,-cos/, Они легко получаются из неравенства к - а2рХ -т 2 0 представляющего собой необходимое условие затухания плоской волны с индексами тир. Коэффициенты прохождения и отражения: р = Епрош(-уу ;R = EnPou y)/ з (2.60) / стар / стоор где Е„рош(_у) и Епрош(+у) можно получить из (2.35), подставив соответствующие составляющие полей по координатам x,y,z из (2.33) и (2.34). Рассмотрим частные случаи, представляющие практический интерес. 1. Перпендикулярная поляризация (вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения электромагнитной волны и параллелен осям вибраторов). Для этого случая: у = 9(f;o = 9(f; (m ) = -sin sin = Ojcos = \\y/ = fe/sin -cos . Подставив эти значения в выражение (2.60), имеем: Епрош — Ег„р1,ш + Епрош(отр) V -l/ Подставив (2.61) в (2.59) и воспользовавшись (2.55) и (2.60), получаем: Р - _ V fiY 2 (п+ -1- п- \22 П_0-»,вг&) . "П« (пер) . Гпер- , ZJV „ \Рпер\+Рпер\) р Є Г , п _ 2 v i (І\І_К__(П , __ \Аоі о-тви(0) Ктр(пер) Л-пер "7 L V \Упер2 "г Утр2) Г е "г J \ / V пер л пері /г» г о d„TU sin 0 Е0 Е( 2. Параллельная поляризация (вектор электрического поля параллелен плоскости падения электромагнитной волны, проекция вектора электрического поля на плоскость ZOX параллельна осям вибраторов). Для этого случая: у = 90 -/3;и = 0;S = 90; (т )= kcos/3;smx = Ucos f = 0; sin# = l;cos# = 0;y/ = 0. С учётом этих величин (2.61) упрощается: Е„пош = EV sin В + Ez cosB + EZZcmn прош Упреш " 2 ро прош(отр) .
Проделав те же операции, что и в случае 1, находим: Р -_V (ifk (п+ -4- Г,- \ Ш г-тв2(0) , прот(пар) . Гпср - , Z-Л К2\Упер\ + Рпер\) р Є + „ » Необходимо отметить, что для случаев 1 и 2 значительно облегчается вычисление выражения (2.61), так как некоторые величины обращаются в нуль. 2.3. Вывод уравнения для полного тока на решетке щелевых излучателей. Внешний вид излучателя резонаторно-щелевой антенной решётки представлен на рис. 2.3, где а, Ъ, с, I, d — размеры резонатора и щели; хс координата положения середины щели относительно стенок резонатора. Пусть щель возбуждается системой N источников в точках rji . Каждый источник представляет собой листок электрического тока с направлением тока вдоль оси х, плотностью токау (rji - z), зависящей от координаты z. Рассмотрев распределение тока на излучателе, перейдём к рассмотрению резонаторно-щелевой антенной решётки.
Определение нормированных собственных функций
Антенная решётка щелевых излучателей исследуется не только на основной частоте, но и в многоволновом режиме, поэтому в процессе излучения и приема необходимы сведения, как в рабочей полосе частот, так и за ее пределами, об интегральных характеристиках излучающих систем -коэффициенте усиления (КУ) и диаграммы направленности (ДН) при подобных режимах работы.
Основной особенностью является то, что в многоволновом режиме приема в резонаторе начинают распространяться несколько типов волн. Поэтому для наибольшего приближения к реальному результату будем рассчитывать и анализировать диаграмму направленность в двух случаях: - в резонаторе существует волна Нт; - в резонаторе существует волна Нт. Для решения поставленной задачи примем следующие приближения: а) на основной, так и на гармониках, резонансная длина щелевого излучателя на основной длине волны Л0 с учетом ее ширины s проводится по формуле (по аналогии резонансной длины вибратора): L Л /2-Л042,5(їс( п(2Л0/s)-\)) x. При этом эквивалентная схема щели может быть описана только с учетом активной части проводимости, б) распределение поля вдоль щелевого излучателя аппроксимируем функцией sin(nt0( + L/2)); где v- номер гармоники или любое число больше единицы; k0 = 2л/Л0, Л0- длина основной волны; = 7для продольной щели, % = У-Уо ДЛЯ поперечной щели - текущая координата, в) распределение поля поперек щели считаем постоянным р(т) = const, где т = у для продольной щели или т = z для поперечной щели - текущая координата, г) учитываем только распространяющиеся типы волн, для которых выполняется условие vku хтп- где /и, п- индексы типа волны; х2тп = (тя/af + (пл/bf, а, Ь- размеры резонатора, В виду сложности численной реализации электродинамической модели были использованы преобразования систем (2.97), (2.99) и (2.100), которые позволяют перейти от четырехкратных интегралов к однократным. В зависимости от вида резонаторно-щелевой решётки, определяются характеристики рассматриваемой системы.
Диаграмма направленности на 5-ой гармонике. Из анализа полученных данных следует, что на диаграмме направленности при четных гармониках появляется v побочных максимумов, а при нечетных v + І величина дополнительного максимума меньше остальных. КНД 2-ой гармоники на 5,85 дБ, 3-ей на 9,21 дБ, 4-ой на 11,55 дБ, 5-ой на 13,23 дБ меньше чем на основной частоте. КУ на гармониках уменьшается: 2-ой на 7,8 дБ, 3-ей на 11,7, 4-ой на 19,3 дБ, на 5-ой на 26,8 дБ.
Углы сканирования, при которых возникают резонансные пики, можно определить с достаточной точностью методом поперечного резонанса только в том случае, если излучающий раскрыв элемента имеет малые размеры. Этот метод применим при сканировании в -плоскости. Для определения условий возникновения апертурного резонанса по данному методу необходимо, чтобы сумма эквивалентных сопротивлений, определенных для положительного и отрицательного направлений оси z, равнялась нулю в некоторой плоскости отсчета. Из этого условия получается характеристическое уравнение для определения положений резонансных пиков.
В качестве плоскости отсчета удобно принимать плоскость раскрыва антенной решетки. Если излучающий раскрыв мал по сравнению с размерами периодической ячейки, то усредненное сопротивление раскрыва со стороны антенной решетки близко к нулю. Эквивалентное сопротивление в направлении от раскрыва к свободному пространству можно приближенно представить сопротивлением для основного типа волны.
В рассматриваемом случае это будет пространственная гармоника с индексом т = - 1. Пространственная гармоника с индексом т = О отсутствует при резонансе. Эквивалентное сопротивление для волны с индексом т = - 1 равно:
Обнаружено, что значение угла сканирования, при котором возникает резонансный пик на кривой коэффициента отражения и которое определяется из уравнения (4.2), хорошо согласуется с результатами, полученными при решении соответствующего интегрального уравнения, если размеры излучающего раскрыва не превышают 10% размера периодической ячейки. При увеличении размеров раскрыва точность результатов, получаемых из уравнения (4.2), постепенно ухудшается, так как при этом значение эквивалентного сопротивления перестает быть пренебрежимо малым. Влияние размеров раскрыва на угловое положение резонансных пиков при сканировании в -плоскости иллюстрируется на рис. 4.1. Из рисунка видно, что угол сканирования, соответствующий резонансному пику, сдвигается в сторону от нормали при увеличении размера раскрыва (c/d). Аналогичный сдвиг резонансного пика при изменении размеров излучающего раскрыва наблюдается и при сканировании в Я-плоскости. Более того,, заполнение диэлектриком также приводит к подобному эффекту. Очевидно, что рассматриваемое резонансное явление в сильной степени зависит от эквивалентного сопротивления раскрыва, которое является функцией параметров антенной решетки.
Если размеры раскрыва сравнимы с размерами периодической ячейки, рассмотренный выше метод пригоден только в качестве грубой оценки при определении условий резонанса поверхностной волны. В работе [97] описан другой метод определения условий резонанса поверхностной волны. Он основан на использовании матрицы рассеяния и учете всех параметров рассеяния раскрыва антенной решетки. Для применения этого метода требуется решение вспомогательной граничной задачи. Однако с его помощью можно определить резонансные условия для всех интервалов углов сканирования, любой толщины вставок и диэлектрического покрытия, если заданы параметры антенной решетки (расстояние между элементами, ширина резонаторов и диэтектрическая постоянная). Данный метод оказывается удобным и экономичным при расчетах, особенно в случае антенной решетки с диэлектрическими вставками (известно, что в этих решетках вынужденные апертурные резонансы возникают более редко, чем в антенных решетках с диэлектрическим покрытием, и более трудно их выявить). Применим данный метод расчета для антенной решетки щелевых излучателей при многоволновом режиме приема.
Две поверхности раздела (раскрыв антенной решетки и вторая граница между воздухом и диэлектриком) описываются независимо. Затем определяется взаимодействие различных типов волн (включая распространяющиеся и затухающие) с помощью матриц рассеяния, после чего выводятся соотношения, описывающие систему в целом.
Особые свойства антенной решетки щелевых излучателей в многоволновом режиме
Рассмотрены эффекты, связанные с ориентацией щелей относительно угла падения возбуждающей волны и с резонансными свойствами щелевых излучателей.
Первый эффект заключается в возможности реализации режима неотражающей решётки. Существенно, что решётка при этом остаётся излучающей и отсутствие отражения связано только с пространственной ориентацией щелей, т.е. не зависит от частоты. Данный эффект проиллюстрирован на рис. 4.12, где показана зависимость модуля коэффициента отражения решётки от угла падения р при Рх = $;Ру = 5;W = 0,5;L = 5;0 = 60;h = \\е = 2. Кривые 1-3 соответствуют частоте / = 20;21,8;23ГЛ/.
Следует отметить, что при угле падения р = л/ _ Q } т.е. тогда, когда волна падает вдоль осей щелей, также коэффициент отражения равен нулю (зависимость коэффициента отражения от угла падения является чётной функцией), но при этом затухание волны в решётке также равно нулю. Указанный факт обусловлен тем, что токи, наводимые на экранах падающей волной, на возмущаются щелями.
Отсутствие же отражения в случае возбуждения решётки под углом Ф = в-л/ аналогично эффекту Брюстера, проявляющемуся при падении плоской волны на границу раздела двух сред. Как известно [7], причина отсутствия отражения в последнем случае заключается в том, что токи поляризации, наводимые в среде, в которую падает волна, ориентированы так, что они не возбуждают поле в среде, из которой она падает. В рассматриваемом случае магнитные токи в щелевых излучателях, ориентированные вдоль их осей, не возбуждают при (р = в - K/L отражённую волну, поскольку вектор магнитного поля отражённой волны оказывается перпендикулярным осям щелей. Ещё один интересный эффект, характерный только для решётки со щелями конечной длины, наблюдается на частотах в окрестности резонансной частоты щелевого излучателя и на частотах значительно превышающих её. Весьма приближённо резонансную частоту щелевого излучателя можно оценить по известной формуле из [71].
Следует, однако, учитывать, что уменьшение частотной зависимости угла излучения одновременно сопровождается увеличением зависимости постоянной затухания вытекающей волны от частоты, которая имеет резонансный характер (рис. 4.15). Таким образом, несмотря на то, что угол излучения действительно меньше зависит от частоты, амплитудное распределение поля вдоль оси Ох, определяемое затуханием вытекающей волны, становится сильно частонозависимым. Полная оценка эффективности работы решётки в описанном выше режиме связана с расчетом частотной зависимости её коэффициента усиления.
Далее рассмотрены частотные свойства антенной решётки щелевых излучателей на основной частоте и в многоволновом режиме приёма.
На рис. 4.16 - 4.19 приведены значения R и X входного импеданса щелевого излучателя для слоистой среды с ,,, 2=3,8 (стекло) и -,,-2=9,6 (поликор), показывающие влияние укрытия и подложки на укорочение электрической длины излучателя, а также влияние поглощающего экрана с Zs = 90Ом (графит).
Если оценивать диапазонные свойства антенной решётки по характеру изменения величины X, то можно указать область, обеспечивающую приблизительно трёхкратное перекрытие по частоте, например, область L/.=0,04A...0,\2A. При большем допустимом изменении X можно указать большее перекрытие. Следует отметить также малую величину R, которая увеличивается с применением поглощающего экрана.
Здесь обобщается материал, необходимый для анализа характеристик резонаторно-щелевых антенных решёток, а также приведён материал, заимствованный из ряда других работ [11, 22, 121]. При различных способах возбуждения антенных решёток в многоволновом режиме заключение об отсутствии недопустимого воздействия сигнала помехи, а также о появлении боковых лепестков в диаграмме направленности антенн, можно сделать, анализируя полученные данные и характеристики. 4.3. Оценка диаграммы направленности в многоволновом режиме.
Элементы матрицы рассеяния антенны однозначно определяют её основные характеристики. Однако элементы матрицы рассеяния в многоволновом режиме на неосновных частотах в настоящее время трудно определить и теоретически, и экспериментально, поэтому на практике для характеристик антенн используют обычно так называемые рабочие параметры. Из всего многообразия их наибольший интерес представляет коэффициент передачи и диаграмма направленности. /
При оценке затухания, вносимого многоволновой антенной на нерабочих частотах, в подавляющем большинстве случаев неизвестны модовый состав сигнала, поступающего на вход, элементы матрицы рассеяния и, следовательно, модовые составы собственных векторов матрицы [97, 98]. При измерениях коэффициента передачи можно зафиксировать модовый состав входного сигнала, используя, например, возбудители типов волн, однако и в этом случае нам неизвестна взаимная ориентация вектора, характеризующего модовый состав входного сигнала, и собственных векторов матрицы. В обоих случаях реализуемое конкретное значение коэффициента передачи можно рассматривать как случайную реализацию из возможного множества значений.
