Для увеличения усиления антенны требуется ее удлинить, что достигается путем увеличения числа пассивных элементов. Поле, создаваемое активными элементами системы, практически не изменяется при его распространении вдоль длинной системы пассивных элементов. Обычно в качестве границы поля поверхностной волны указывают те области пространства вокруг пассивных элементов, где напряженность поля уменьшается на 20 дБ. Характерная картина распределения поля вокруг активных и пассивных элементов антенны показана иа рис. 6.23.
Типичным представителем антенн поверхностной волны является диэлектрическая антенна (рис. 6.24а). Благодаря различию диэлектрической проницаемости окружающей среды (воздуха с εr = 1) и среды диэлектрической антенны (например, для полистирола εr = 2,3) происходит концентрация электромагнитной энергии в пространстве, окружающем диэлектрическую антенну.
Этот же процесс можно объяснить с помощью явления замедления волны в диэлектрической антенне. Аналогичный эффект может быть реализован и при другом выполнении замедляющей среды.
Например, замедленная волна образуется в уже знакомой нам антенне Уда—Яги, где пассивные элементы, имеющие длину несколько меньше, чем λ/4 (речь идет о половине длины директора), создают условия для распространения замедленной волны. Другие замедляющие структуры показаны на рис. 6.24б—д.
В замедляющих структурах длина волны отличается от длины волны в свободном пространстве и определяется по формуле K = λ/λ0 = v/c, где λ — длина волны в замедляющей среде, λ0 — длина волны в свободном пространстве.
Распределение поля в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы, в большой степени зависит от коэффициента замедления K. Затухание в радиальном направлении определяется коэффициентом затухания A, а результирующее затухание $$\begin{equation}A=\alpha\lambda=2\pi\sqrt{1-K^2}\end{equation}\tag{6.1}$$
Из этой формулы следует, что при K = 1, т. е. при отсутствии замедляющей среды, затухание равно нулю: A = 0. Если замедление отлично от единицы, то поле на расстоянии в одну длину волны ослабевает в e-A раз. Например, при K = 0,9 поле ослабевает в 316 раз (или на 25 дБ).
Графики, иллюстрирующие ослабление поля при удалении от замедляющей структуры, приведены на рис 6.25а, б.
В пространстве, лежащем внутри слоя, которому соответствует ослабление поля на 20 дБ, заключается 99% всей мощности, передаваемой вдоль замедляющей системы. Поэтому, чтобы не произошло рассеяния энергии, в пределах этого пространства не должны находиться посторонние предметы (мачта, элементы крепления, кабель). В противном случае может возникнуть резкое перераспределение амплитуд напряженности поля, что приведет к значительному падению усиления антенны поверхностной волны, появлению нежелательных лепестков в ее диаграмме направленности, появлению отраженной волны высокого уровня и к другим вредным последствиям. На уже упоминавшейся картине распределения поля вокруг антенны Уда—Ягн (см. рис. 6.23) буквами А, В, С и D обозначены линии постоянной мощности, которые соответственно на 5; 10; 15 и 20 дБ ниже уровня на границе замедляющей структуры.
Эта картина распределения напряженности поля излучения в ближней зоне помогает понять процесс излучения антенны поверхностной волны. Эффективная площадь раскрыва данной антенны обозначена на рис. 6.23 как Aэфф. Из приведенных рисунков, в частности, видно, что введение в состав антенны рефлектора приводит к росту Aэфф.
В антенне поверхностной волны, изображенной на рис. 6.24б, возбуждение осуществляется вибратором, к которому подведена линия питания. В антенне, изображенной на рис. 6.24а, возбуждение осуществляется с помощью волновода. Переходный отрезок, характеризующийся постепенным уменьшением поперечного размера замедляющей структуры, служит для согласования волновых сопротивлений антенны в ее регулярной части и в месте возбуждения поверхностной волны. Отметим, что этот отрезок влияет на форму диаграммы излучения антенны. Излучение антенны происходит с ее конца. Резкое изменение фазовых скоростей распространения волны, характерное для этого сечения антенны, приводит к появлению отраженной волны. Чтобы избежать этого нежелательного явления, на конце антенны поверхностной волны делают плавный переход, осуществляя тем самым плавное сопряжение волновых сопротивлений.
Форму диаграммы направленности антенны поверхностной волны можно увидеть на рис. 6.26, где для сравнения приведены также диаграммы направленности других типов антенн. Результирующая диаграмма направленности системы (сплошная линия) является суммой диаграмм собственно антенны замедленной поверхностной волны и диаграммы перехода R—W—D.
Для углов θ, превышающих 35°, излучение определяется системой R—W—D.
Коэффициент замедления волны определяется геометрическим, точнее, электрическими параметрами системы, а именно: d/λ, l/λ и S/λ, что иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 6.27. При проектировании удлиненных антенн типа антенны Уда—Яги можно также пользоваться графиками, приведенными на рис. 6.28. На рис. 6.28а показана уже известная нам зависимость усиления от расстояния R—W. Интересный результат следует из анализа графиков, приведенных на рис. 6.28б. В антенне длиной l = 1,2λ при фиксированном отношении Sd/λ усиление практически не зависит от отношения hD/λ. При других длинах антенн отмеченная особенность не наблюдается (рис. 6.28в, г). Конечные результаты исследования приведены на рис. 6.28б, с помощью которых можно выбрать параметры антенны поверхностной волны в виде длинной антенны типа Уда—Яги.
