Рис. 13.1.4.
Если мы не можем конструкцией антенны выровнять физические длины путей сигналов от апертуры до точки сбора (а, за исключением зеркальных антенн, чаще всего так и бывает), то попробуем изменить скорость электромагнитной волны. Поскольку увеличивать ее некуда (в воздухе она и так идет со скоростью света), то будем уменьшать, т.е. замедлять ЭМВ.
Простейший пример такой антенны – уже упоминавшаяся собирательная линза, рис. 13.1.4. Волне B, падающей на самый край линзы идти до точки сбора (фокуса) дальше всех. Поэтому дадим ей фору: задержим все остальные волны, падающие на линзу. А для этого пропустим их через среду с высокой диэлектрической проницаемостью (стекло). В диэлектрике скорость ЭМВ меньше (п. 3.1.2).
Ясно, что сильнее всего надо задержать волну А, идущую точно по центру (у нее путь самый короткий). Все остальные волны, надо задерживать меньше. И чем ближе к краю линзы, тем меньше.
Поскольку время задержки, пропорционально толщине стекла, то толщина линзы должна быть максимальна в центре и уменьшаться до нуля к краям. Собственно, профиль собирательной линзы известен уже более 2000 лет, но мы здесь получили его не из оптики, а из соображений синфазности волн в фокусе.
В отличие от оптики, на УКВ линзы из диэлектрика не применяются. Дело в том, что для эффективной работы линзы ее толщина должна быть соизмерима с длиной волны (иначе не достичь требуемой задержки), а диаметр – быть равен площади раскрыва, т.е. большим – единицы λ. Поэтому, даже при λ в десятки сантиметров, физические размеры линзы получаются слишком большими. Да и качественного диэлектрика (а он должен быть с очень низкими потерями) на такую линзу уйдет много.
Но линзовые антенны на УКВ все же встречаются. Оказывается, что если определенным образом разместить в пространстве изолированные друг от друга металлические пластины, то такая среда в смысле задержки ЭМВ ведет себя как диэлектрик. Отчего и называется металлодиэлектриком.
Линзы из металлодиэлектрика вполне выполнимы на УКВ. Во-первых, отдельные тонкие пластины металла намного легче и дешевле цельного куска обычного диэлектрика. Во-вторых, расстояние между пластинами в металодиэлектрике довольно велико (десятые доли λ), поэтому пластин требуется не очень много.
К сожалению, диаметр линзы из металлодиэлектрика все равно должен быть равен диаметру апертуры, т.е. остается довольно большим. Поэтому линзовые антенны на УКВ редки.
Но идея выравнивания фаз разных лучей в точке сбора с помощью замедляющей структуры, по-разному задерживающих волны, падающие на разные части апертуры, на УКВ применятся широко. Фактически, на этом принципе работают все направленные УКВ антенны, кроме зеркальных:
Формирование поверхностной волны – процесс довольно сложный для популярного изложения. Но сводится он к уже известному нам принципу: волну А, идущую по кратчайшему пути, надо задержать настолько, чтобы она пришла в точку сбора одновременно с волной В, идущей с края апертуры.
Достигается это так. Волна A, идущая по центру весь путь от апертуры до точки сбора проделает через замедляющую структуру. Волна В с краю апертуры придет в точку сбора минуя область замедления. Волна, идущая с апертуры между точками 1 и 2, часть пути пройдет в воздухе, но частично зацепит замедляющую структуру, поэтому придет в точку сбора раньше волны А, но позже волны В. Таким образом, реализуется тот же механизм переменной задержки по апертуре, как и в линзе.
Особенностью антенн поверхностной волны является то, что точка сбора располагается внутри замедляющей структуры или прямо за ней. Размеры замедляющей структуры в таких антеннах иные, чем в линзовых.
Наиболее важна длина. В грубом приближении можно считать, что диаметр площади раскрыва антенны рис. 13.1.5 равен длине ее замедляющей структуры. Напротив, поперечные размеры замедляющей структуры могут быть очень небольшими, десятые доли λ (сравните с требованиями к диаметру линзы).
Наглядно представить себе процесс формирования большой апертуры можно на следующем примере. Пусть нам требуется собрать дождевую воду. Дождь падает вертикально, параллельными струями (аналог – плоская электромагнитная волна). Если мы разложим параллельно земле (например, на поверхности плоского стола) очень большую пластиковую пленку (антенна без усиления), то в каждой точке пленки соберем воды (сигнала) совсем немного. Ровно столько, сколько выпадает осадков на единицу площади (аналог – плотность потока мощности ЭМВ).
Чтобы собрать больше, разумно придать нашей водосборной пленке форму вогнутой воронки. Тогда вся вода (ЭМВ) упавшая в воронку (апертуру) соберется внизу (точке сбора). Это принцип работы любой направленной антенны с большой апертурой (площадью воронки).
Способ создания воронки может быть разным. Если мы сделали воронку путем наложения пленки на какую-либо вогнутую поверхность внизу (например, положили пленку не на стол, а поверх конической ванны), то это аналог линзовой антенны. Но такая поверхность должна быть большой и поэтому неудобна (точно так же, как и линза в антеннах).
Но придать нашей водосборной пленке вогнутую форму можно и гораздо проще. Натянуть пленку горизонтально и положить в ее середину груз. Под ним пленка прогнется, образуя вогнутую поверхность. Чем тяжелее груз, тем больше получится диаметр воронки.
В антеннах роль груза играет длинная и относительно небольшая в поперечном сечении замедляющая структура. Чем больше ее длина (тяжелее груз), тем больше апертура (диаметр воронки), а поперечное сечение такой замедляющей структуры заметной роли не играет (точно так же, как и размер груза, даже маленький, но тяжелый камень прогнет пленку в большом радиусе).
Длинная, но узкая замедляющая структура на УКВ оказывается гораздо удобнее конструктивно, чем линза большого диаметра (из любого материала). Поэтому антенны поверхностной волны являются самым распространенным типом направленных антенн на УКВ (да и на КВ тоже).
В зависимости реализации замедляющей структуры, антенны поверхностной волны делятся на разные типы.
Диэлектрические антенны. Замедляющая структура – стержень из качественного диэлектрика с ε > 1, идущий от точки сбора (например, открытого конца волновода) в направлении излучения. Выглядит примерно так, как на рис. 13.1.5.
Применяется при длинах волн в единицы сантиметров, а мы в этой книге ограничивается λ = 10 см (F = 3 ГГц), поэтому рассматривать такие антенны в дальнейшем не будем. Но понимать диэлектрические антенны полезно.
Антенны Уда-Яги. Замедляющая структура – металлодиэлектрик. Набор пассивных диполей (рефлектор и директоры) является классическим случаем металлодиэлектрика (хотя исполняет он эти функции лишь в относительно узкой полосе частот, откуда и вытекает относительная узкополосность антенны Уда-Яги).
Поэтому все, чем мы занимались в разделе 7.2, изучая размеры и расположение пассивных элементов в антенне Уда-Яги, было не чем иным, как созданием замедляющих структур из металлодиэлектрика. Таких, которые бы задерживали фронт волны, идущей точно по центру на необходимое время (иначе говоря, на фазовый угол), и делали бы это в устраивающей нас полосе частот.
Антенны продольного излучения с пассивными элементами не дипольной формы. Замедляющая структура – тоже металлодиэлектрик. Главное отличие от антенны Уда-Яги состоит в том, что в данном случае пластины металла, из которых набрана замедляющая металлодиэлектрическая структура, имеют форму, отличную от λ/2 диполя.
На КВ они могут быть рамочными (раздел 7.6), изогнутыми (раздел 7.3), вертикальными (раздел 7.5). На УКВ, помимо вышеперечисленных форм, пластины металлодиэлектрика могут быть выполнены в виде сплошных дисков или квадратов. Это увеличивает полосу, в которой достигается требуемое замедление. Поэтому антенны продольного излучения с пассивными элементами в виде сплошных пластин более широкополосны, чем их аналоги с проволочными рамками.
Спиральные антенны, с излучением вдоль оси. Здесь все понятно из названия: линия задержки в виде спирали – классика радиотехники. А в данном случае такая линия используется в качестве замедляющей структуры. Поскольку излучение идет вдоль этой структуры (рис. 13.1.5), то максимум ДН рассматриваемых антенн направлен вдоль оси спирали (в отличие от укороченных спиральных, пп. 3.7.2 и 12.2.4.2, которые излучают поперек оси).
Фазированные антенны (гл.9). Замедляющая структура комбинированная: металлодиэлектрик (элементы антенны), плюс линии системы фазирования (дотягивающие замедление до нужных параметров, чего не смог сделать металлодиэлектрик сам по себе).
Однонаправленные логопериодические антенны (раздел 9.5 и п. 12.5.4.2). Очень интересный пример чрезвычайно широкополосной комбинированной (металлодиэлектрик + линия фазирования) замедляющей структуры.
Это единственный тип направленных антенн, в которых точка сбора перемещается в зависимости от частоты. Но благодаря тому, что собирающая линия согласована (п. 9.5.3), то принятая энергия всегда доставляется по ней в неподвижную точку питания антенны.
Антенна Бевереджа (п. 4.5.2). На УКВ она не применяется, но полезно вспомнить, что это тоже антенна продольного излучения с замедлением ЭМВ. Замедляющей структурой в данном случае является грунт под антенной. Ведь его диэлектрическая проницаемость ε > 1, а, значит, он может замедлять ЭМВ.
Так как с параметрами грунта мы сделать ничего не можем, то требуемое замедление устанавливается высотой антенны (чем ближе к земле, тем больше замедление). Отсюда ясно, почему в антенне Бевереджа есть оптимальная высота (п. 4.5.2.2).
Омические потери в замедляющей структуре вредны. При их наличии часть энергии волны уйдет на нагрев, что снизит КПД. Поэтому в диэлектрических антеннах (с которых мы начали этот обзор) применяют очень качественные ВЧ материалы, вроде фторопласта. А в антенне Бевереджа грунт очень некачественен как диэлектрик. Его проводимость велика. Поэтому усиление антенны Бевереджа всегда мало (большая часть мощности ЭМВ уходит на обогрев грунта-замедлителя), и уменьшается по мере роста проводимости (уходим все дальше от идеального диэлектрика).
Существуют и другие типы замедляющих структур, например, ступенчатая металлическая поверхность (разновидность металлодиэлектрика). Но применяются они частотах выше 3 ГГц, поэтому не будут рассматриваться в этой книге.