|
| |
|
Слаботочка Книги 2) поверхностные развязывающие устройства, расположенные вне антенны на поверхности объекта по .линии связи для уменьшения уровня приповерхностного поля. Подобные меры необходимы лишь для поля с поляризацией, перпендикулярной поверхности обьекта, так как поле с параллельной к металлической поверхности поляризацией равно нулю на этой поверхности, а под малыми углами к ней ослабевает как (А;г)~. Работу таких устройств поясним, вводя понятие поперечного поверхностного импеданса Z±, равного отношению взаимно-перпендикулярных касательных к поверхности электрического Ег и магнитного Hi: векторов поля Е,= Zi[tiH, (8.4) где п - нормаль к поверхности. В этом случае может существовать волна, которая для плоской поверхности с постоянным рапределением импеданса имеет вид ехр[-ау - ijz]; у/к = l-iZjZo); (8.5) а/к = -iZx/Zo, где z,y - продольная и поперечная координаты на импедансной плоскости; к = 27г/Л; Zo = \/Jio/£o] о, - Диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума. Нетрудно убедиться, что при Zi комплексном с положительной (индуктивной) мнимой частью это поле будет представлять собой медленную волну с экспоненциально уменьшающей амплитудой как по у, так и, при наличии потерь в подстилающей поверхности, по Z. Если же импеданс чисто реактивный отрицательный (емкостной), то а/к < О W. амплитуда поля, минимальная у поверхности и равная нулю лишь при у = О, возрастает при удалении от нее по нормали, т.е. волна, оставаясь замедленной, будет псевдоповерхностной. Возрастание развязки поверхностных и приповерхностных антенн при этом будет обусловлено снижением уровня сигна.ла связи, в первом случае - за счет омических потерь, во втором - за счет уменьшения приповерхностного поля. Однако реальная развязка между антеннами определяется ие только развязывающей структурой (PC), но и вкладом от всего поля, возбуждаемого передающей антенной, а оно, помимо поверхностных и псевдоповерхностных, будет также содержать и пространственные волны. Оценим зависимость вклада последних от разноса антенн (удвоение разноса при расположении в свободном пространстве дает прирост развязки на 6 дБ). Для простоты рассмотрим пример бесконечной нити тока, расположенной вдоль линии у = Уо, Z = О над импедансной плоскостью у = О; ее поле (цилиндрическая волна) [8.2 tr л. ехр(-1А;г-Ц7г/4) Нх{у, Z) = -ЛГ--X (8.6) 2iv27rfcr X {ехр{\куо sin р) -Ь у{}р)-\-+ 2[exp(iAryo sin ф) -Н у\р)\\, smp-ia/k . ) = sin + W ° а/к - -\Z\ /Zo (член, обусловленный поверхностной волной, отброшен). Из этого выражения видно, что ведущий член разложения, убывающий как (г) -/ вблизи поверхности = О, отсутствует, а следующий член разложения убывает как (А;г)~/ по полю или [кг) по мощности, что соответствует возрастанию развязки как (1/Л), т.е. на 9 дБ при удвоении разноса. При излучателе, возбуждающем сферическую волну, последняя будет убывать как {кг)~- по полю, а развязка - как (L/A)~, т.е. на 12 дБ при удвоении разноса, или в 2 раза боль-ще, чем для антенн в свободном пространстве. Этот закон, по-видимому, достаточно универсален и будет иметь место при любых антеннах; из него следует также, что чрезмерно наращивать омические потери или отжатие поля в PC нецелесообразно. Поэтому ниже рассматриваются лищь периодические структуры с псевдоповерхност-нымн волнами (ребристые и полоско-вые). Отметим, что приведенные соотношения еще не определяют абсолютную величину развязки, которая зависит от конструкции PC. Это подтверждается строгими расчетами, приведенными в [8.3], а также графиками (рис. 8.1) ослабления* поля hx{l/\) для структур двух типов - ребристая (кривая 1) и магнито-диэлектрической с потерями (кривая 2). Используя ребристую PC, можно получить более высокую развязку, чем при магнито-диэлектрической структуре. А, дБ -20 -30 -40 -50 -60 -70 1 2 3 4 5 6 7 L/Л Рис. 8.1 * При расчетах прииималось, что структ.у-ры - оптимальные. В [8.4] указано, что применяя в PC быстропеременный импеданс, молено получить и более быстрое убывание поля с расстоянием. Однако этот теоретический вывод вряд ли может быть реализован практически, поскольку такие импедансы весьма чувствительны к неточностям изготовления и к изменению частоты, не говоря уже о том, что само понятие импеданса в этом случае теряет смысл. Из приведенного соотношения на первый взгляд следует, что при увеличении размеров PC и разноса антенн развязку можно беспредельно повышать, но практически это невозможно. Прежде всего, на кромках конечной структуры возникают дифракционные эффекты и происходит рассеяние поля; аналогичные эффекты вызывает и неточность изготовления структуры (которая сказывается особенно сильно при использовании в ней резонансных элементов). Наконец, независимо от условий размещения антенн, возрастание развязки свыше 130... 140 дБ ограничивается связью антенн вследствие рассеяния поля излучения на неоднородностях в атмосфере. Одной из важных характеристик PC является полоса частот, в которой ее можно использовать. В час-ности, полоса частот может ограничиваться минимально допустимой развязкой, которая обеспечивается при заданных размерах структуры. Это ограничение характерно для низких частот и для магнитодиэлектрических PC. В других случаях принципиально ограничена ширина полосы, например ребристую периодическую структуру с периодом 6, с прямоугольными канавками шириной а и глубиной d при им- педансе = itg(,rf), (8.7) где kg = ky/£fi/{eqfjiq)\ е, р - параметры заполнения канавок (импеданс будет емкостным при 1/4 < d/x < 1/2), можно использовать лишь в полосе частот с перекрытием несколько меньшим, чем 2:1. Выводы, сделанные на основании импедансного подхода, являются ориентировочными, поскольку и этот метод, и само понятие импеданса, как величины, которая может быть задана заранее, являются приближенными. Более точные результаты можно получить лишь при использовании строгих электродинамических методов и в результате численных исследований. В частности, как показывают строгие расчеты, ребристые структуры работают в полосе с перекрытием, несколько большим 2:1. Многообразие вариантов использования переодических PC обусловливает большое число различных геоме- трических структур (как правило, их располагают на линии связи, либо в виде колец, охватывающих приемную и (или) передающую антенны). В то же время всегда имеется выделенное направление, геометрия структуры вдоль которого определяет ее развязывающие свойства. Поэтому целесообразно соответствующие граничные задачи ставить для цилиндрических структур, образующая которых перпендикулярна выделенному направлению, о котором сказано выше. Поскольку на практике ширина PC составляет несколько длин волн, то полученные в результате расчетов оптимальные (доставляющие максимальную развязку или обеспечивающие максимальную широкопо-лосность системы) геометрические параметры структуры оказываются такими же, как и для реальных трехмерных структур. 8.2. Расчетные характеристики импедансных развязывающих структур Наиболее распространенным типом PC являются металлические ребристые структуры с прямоугольным профилем канавки. Параметрами, характеризующими конструкцию структуры, являются период 6, глубина d и ширина а канавок. При заданном периоде свойствами PC можно управлять, изменяя размеры канавок. Практически же развязывающие свойства структуры слабо зависят от величины а при ее изменении в интервале О < а/ь < 1/2 [8.6], поэтому наиболее эффективен лишь один параметр - глубина d. При этом наиболее важно прежде всего для каждого значения b определить d, при котором происходит срыв поверхностной волны. На рис. 8.2-8.16 приведены графики коэффициента связи (развязки) Лраз (дБ) для случая связи двух открытых концов волноводов на плоскости, разделенных участком из 20 элементов ребристой или полосковой структуры при вертикальной поляризации. При расчете развязки антенн на цилиндре использовались щелевые излучатели, также разделенные структурой из 20 элементов. На рис. 8.2 даны расчетные графики развязки, построенные в зависимости от глубины канавок. Как при а/ь = 0,1 (кривая i), так и при а/ь = 0,5 (кривая s) глубина d, на которой поверхностная волна срывается, примерно равна 0,215Л. На рис. 8.3 показаны зависимости (/Л)кр от величины 6/Л, причем кривая 1 получена при строгом расчете, кривая 2 соответствует аппроксимацион-ной формуле (с Л)кр = 1/4 - 6/ЗЛ, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 [45] 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 |