До сих пор мы с Вами талдычили в основном об антеннах излучающих в поперечных направлениях. Так вибратор излучал поперёк его длины и тока протекающего через него. Но оказывается, что существуют антенны излучающие и в продольном направлении. Это, что-то наподобие антенн бегущей волны... Что же это за антенны? Это антенны ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ! Рассмотрим в первую очередь то, что происходит в диэлектрике при его облучении скажем рупорной антенной. Она-то и есть та самая с поперечном излучением. Так ещё излучение перпендикулярно площади апертуры антенны.
Если Вы с трудом вспоминаете, что учились когда-то в школе и вдобавок посещали уроки физики, то? Правильно, был оказывается там раздел (физики) ОПТИКА, а точнее его часть, — ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА. А, там кроме всего прочего рассказывали сказки про преломление лучей света. Преломление при переходе луча из одной среды в другую. Среды отличаются одна от другой своей оптической плотностью. А, показателем является скорость света в данной среде. Одной из них был воздух. Практически скорость света в воздухе равна скорости в вакууме. Другой средой было нечто прозрачное (почти), типа: стекла, воды, но более оптически плотной. Если луч падал на поверхность границы раздела сред перпендикулярно, то ничего особого не происходило, луч также смотрел в «зенит» и перпендикулярно выходил из среды. Но, вот мы изменили угол падения на границу раздела рис.1 (синего цвета), и? И луч в воздухе уже не пошёл по пути падающего луча, а отклонился вправо (преломился). Если мы и далее будем отклонять луч влево до угла (зелёный сектор), то? То луч в воздухе отклонится настолько вправо, что станет неожиданно скользить вдоль линии раздела сред. Такой угол называют предельным или критическим. А, что будет далее при увеличении угла падения луча? А, далее луч отразится в сторону более плотной среды как на рис.2 (синий цвет). Это явление называется полным отражением света.
Можно было бы предположить, что всё это происходит и с электромагнитными волнами, но? Но как показала практика падающая волна на границу раздела рис.2 под углом больше критического отразится, но не так как в случае света. А, что же произойдёт? Волна выскочит по «инерции» за границу и только потом описав кривую возвратится обратно под углом отражения. На рис.2 показаны три траектории волн, как бы движение волны вправо?! Получается, что вблизи раздела сред существует перенос энергии вправо! А, волна движущаяся, — ПОВЕРХНОСТНОЙ. На практике под слой среды (для нас это диэлектрик) подкладывают металлический экран и? И картинка меняется на такую вот, как на рис.3! Если предположить, что без экрана поверхностая волна будет существовать на двух сторонах диэлектрика, то теперь всё, только с одной. А, что происходит внутри диэлектрика? Там волна как прямая так и отражённая смешиваются и также движутся вправо. Поверхностная волна или как бы будущая диаграмма направленности несколько отклонена от поверхности рис.1а на угол [тэта]. Получается, что существуют как вертикальная составляющая Еy, так и горизонтальная Еz. Вот только Еy вдоль оси Y уменьшается вверх по экспоненте рис.3а. Но это так для Вашего общего развития.
По принципу образования поверхностной волны строятся не только антенны типа как на рис.5 или аналогичные рис.7,8, но и других видов. На рис.5 Вы видите как окончание диэлектрика несколько сглажено. Сглаженное окончание диэлектрической площадки делается для уменьшения «спотыкача», то есть отражения волны. Чтобы существовал плавный переход скорости волны Vф на скорость света с диэлектрика в воздух. Аналогичные антенны (с плоскими диэлектриками) строятся не только с рупорным возбудителем, но и с помощью волновода рис.7, а также с помощью штыревого вибратора рис.8. Кстати некоторые авторы вумных трактатов называют диэлектрик НАПРАВИТЕЛЕМ (волн) и? И самое главное, ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ, а источник ВОЗБУДИТЕЛЕМ. И всё потому как скорость волны (фазовой) в диэлектрике меньше чем скорость света в воздухе. Только вот красиво получается лишь при условии, формула рис.6. И зависит как от длины волны, так и диэлектрической проницаемости диэлектрика. Здесь и далее аббревиатура ПОВ, означает поверхностную волну, а стрелочка направление движения этой странной, поверхностной волны.
Обратим Ваш драгоценный взор на рис.5а,9,10 и 11! Всё это связано с РЕБРИСТОЙ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СТРУКТУРОЙ! Если я раньше Вас стращал деревянными антеннами (из диэлектриков), то теперь металлическими диэлектриками! Во, как?! Здесь возбуждённая волна проходит путь не отсель и до сель, а огибая все эти чёртовы бугры, ямы и канавы. Путь волны увеличивается, отчего волна изрядно устаёт и фазовая (Vф) скорость становится низкой образуя ту самую ПОВ! То есть выступает в роли диэлектрика, замедляющего скорость волны со световой до Vф! Здесь (в отличие от диэлектрика) ямы и канавы играют большую роль. От их размеров многое зависит и даже существование этих самых ПОВ?!
Как Вы уже поняли, что все типы этих антенны связывает эта чёртова ребристая структура. Все расчёты вообще-то несколько муторны и утомительны... Вот на рис.5а условие существования поверхностной волны в случае применения ребристой замедляющей структуры. Кривулька [кси] и есть коэффициент замедления равный с/Vф. Последний определяется по формуле 5а, зелёного цвета. Здесь l — период структуры; d — ширина канавки; h — глубина; k — волновое число, рис.5а, синего цвета. Если не выполнить условие рис.5а, пурпурного цвета, то возможен даже срыв распространения поверхностной волны. В частности при h равной четверти длины волны когда Vф = 0! На рис.10 возбудителем является рупор, а на рис.11 волновод с щелями.
Кроме плоских линейных ребристых замедляющих систем, практикуются и так называемые дисковые металлические. На рис.12 антенна поверхностной волны в виде гофрированного диска. Возбудителем такой антенны является штыревой (вертикальный вибратор). На рис.16 замедляющая система в разрезе. На рис.13, 14 дисковые антенны несколько отличные от рис.12. На рис.13 диск-направитель из диэлектрика, а на рис.14 металлический аналог, но уже ребристый.
Хочу обратить Ваше внимание на рис.15. Здесь в разрезе показаны чёрным цветом фронты обычного штыря. Он же является возбудителем для дисковых антенн. Красным цветом фронты с дисковой замедляющей структурой. Фронты несколько спрямлены. А фронт волны более похож на цилиндрический, нежели на полусферу?! У такого типа антенн ДН несколько сплюснута в отличие от ДН штыревой.
Существуют антенны в и виде стержней из диэлектрика как на рис.4. Недостаток таких антенн (как и всех) широкая диаграмма направленности. Традиционно её сужают путём построения решётки из одиночных стержневых рис.17. Как в истории с плоскими линейными и дисковыми (диэлектрическими), в случае со стержневыми тоже самое. Вместо диэлектрика металлический стержень с набором таких же дисков. Получается такая же ребристая замедляющая система рис.17а. На рисунке конусный рупор как воpбудитель, а направитель стержень с набором диcков, — замедляющая структура. На рис.17b схема стержневой антенны но уже с круговой поляризацией. Возбудитель, цилиндрическая спираль с дисковым экраном. Именно такая антенна была установлена на шарабане Луноход-1. На рис.18 Луноход-1 (наверное в музее). На рис.18а антенна непосредственно на Луноходе и выделенная с увеличением. На рис18b конусная, спиральная антенна. По моему разумению она для приёма, а стержневая на передачу.
Антенны поверхностных волн, это хорошо или плохо? И почему именно СВЧ? В принципе такие антенны можно применять на любых частотах... Но, на кой козе баян?! Такие антенны типа дисковых и с плоскими диэлектриками применяют там где габариты необходимы в первую очередь. Скажем на летательных аппаратах. Плоская, малой толщины дисковая антенна легко встраивается в поверхность самолёта. Стержневые же в носовую часть и киль. Встречал в литературе применение плоских антенн встроенных в ВВП (Взлётно-посадочную полосу). Антенну глиссадной посадки самолёта вслепую! Так ещё, самолёт плюхается прямо на антенну! :-))
Недостатки диэлектрических антенн, это большие потери в этих самых диэлектриках. Так, что такие можно применять только на приём. Вдобавок большая ширина ДН. Применение антенн на большие длины волн в отличие от СВЧ (от 1м. до 1 мм.) приведёт к увеличению веса и громоздкости. Если на ВВП ещё куда ни шло, то в самолёте, увы! В качестве (как Вы и видели) передающих применяют стержневые с ребристой структурой. Отчасти такие антенны применяют в качестве облучателей, но уже зеркальных антенн!