Доклад Мартынюк

Вступление

Волноводные щелевые антенны являются одним из видов линейных многоэлементных антенн.

Различают резонансные и нерезонансные щелевые антенны. Резонансными называются антенны, у которых расстояние между соседними щелями равно

( — длина волны в волноводе). Такая антенна может быть хорошо

согласована только в весьма узкой полосе частот. Возбуждение щелей получается синфазным независимо от нагрузки на конце антенны. Соответственно направление максимального излучения нормально оси

волны отсутствуют. Распределение поля в раскрыве антенны получается синфазным. Направление максимального излучения на основной волне совпадает с нормалью к оси антенны; однако с изменением

уровнем боковых лепестков, рассчитанными по методу Дольфа — Чебышева

2

Разновидности щелей. Возбуждение одиночной щели происходит тогда, когда ее пересекают электрические токи, текущие по внутренним поверхностям стенок волновода. При распространении волны Н10 в прямоугольном волноводе присутствуют три составляющие

Продольная составляющая тока существует только на широких стенках волновода, а находящиеся по отношению к ней в фазовой квадратуре поперечные составляющие существуют как на широких

(JХ), так и на узких (Jy) стенках. Исходя из распределения поверхностных

Поперечная щель I на широкой стенке возбуждается продольными токами,

относительно середины широкой стенки волновода. Ее излучение

возрастает с приближением щели к краю широкой стенки и полностью

3

поля меняется на 180° из-за изменения направления поверхностного тока. Наклонная щель III в узкой стенке возбуждается поперечным током постоянной амплитуды. Поэтому интенсивность ее

возбуждения регулируют, подбирая угол наклона δ. При δ =0 щель не возбуждается, при δ = 90° излучение максимально. Наклонно смещенная щель IV в широкой стенке пересекается как продольными, так и поперечными токами. Следовательно, интенсивность ее

с вектором Е, перпендикулярным длинной стороне щели. Для излучения волн круговой поляризации используют крестообразные щели, получаемые совмещением центров щелей I и II. Поверхностные

токи Jz и Jx, возбуждающие соответственно поперечную и продольную щели, находятся в фазовой квадратуре, что обеспечивает одно из условий получения поля круговой поляризации. Подбирая координату центра х0, можно реализовать другое условие - равенство амплитуд возбуждения перпендикулярных щелей. Располагая

крестообразную щель вправо или влево относительно оси волновода (или же меняя направление движения волны в волноводе), можно выбирать правое или левое вращение круговой поляризации. Крестообразные щели могут выполняться также из двух наклонно смещенных щелей с общим центром, ориентированных под

углом δ=45° и перпендикулярных между собой. Такие щели имеют лучшие

4

Рис 1.

Рис. 2

5

Нерезонансные антенны могут быть возбуждены с помощью реактивных вибраторов или по схеме на рис. 3

Рис. 3

На рис. 3 приведена схема антенны с наклонными щелями,

прорезанными в узкой стенке. Оси щелей образуют некоторый угол с направлением поперечных токов. Благодаря наклону щелей поперечные токи возбуждают в них переменно-фазовое электрическое поле.

Щели прорезаны через , что создает сдвиг фаз возбуждения соседних щелей на 180°. Дополнительный сдвиг фаз на 180° обеспечивается изменением знака угла γ. Интенсивность возбуждения щели зависит от величины этого угла. Связь щелей с волноводом подбирается такой, что в оконечный поглотитель доходит только 5—20% входной мощности решетки и КПД оказывается равным 95—80%.

Реактивный вибратор представляет собой металлический стержень, ввинченный в волновод. Например, для возбуждения продольной полуволновой щели, устанавливают рядом с ее центром емкостный штырь с регулируемой глубиной погружения. Поле волны Ню наводит в штыре электрический ток, как в приемном вибраторе.

противоположное, если переместить штырь на другую сторону щели, и это изменяет фазу возбуждения щели на 180°.

Поскольку расстояния между щелями в нерезонансных решетках отличаются от , отражения от отдельных щелей в значительной мере компенсируют друг друга и входной КСВ близок единице в довольно широкой полосе

возрастает и излучение, которое должно быть направлено по нормали к оси волновода, резко уменьшается (так называемый «эффект нормали»). Поэтому если в нерезонансной решетке предполагается осуществить излучение по нормали к оси волновода, то каждая щель должна быть специально согласована с волноводом индивидуальным настроечным элементом.

Чтобы сохранить режим бегущей волны вдоль нерезонансной волноводно-щелевой решетки и избавиться от нежелательного «зеркального»

ке волновода или координат середин щелей на широкой стенке. Надлежащим подбором степени связи различных щелей можно сформировать и желаемый закон изменения амплитуды возбуждения вдоль антенны.

Как было указано выше, благодаря несинфазному возбуждению щелей

Угол наклона фазового фронта, т. е. поверхности равных фаз, и со - ответственно направление максимального излучения зависят от со-

отношения длины волны в воздухе и волноводе. Угол наклона, отсчитываемый от нормали к оси волновода,

7

(1)

где — разность фаз между соседними щелями; d — расстояние между соседними щелями.

Благодаря повышенной фазовой скорости в волноводе

Для уменьшения разности фаз между соседними щелями и со-

сдвиг по фазе на 180° относительно предыдущей щели.

В этом случае разность фаз между соседними щелями За счет дополнительного сдвига фаз в 180° можно свести разность фаз между

ми до 20°. Такое же уменьшение разности фаз возможно и при рас -

стояниях между щелями, меньших . Отличие заключается

лишь в том, что во втором случае разность фаз будет иметь другой знак. В соответствии с этим направление максимального излучения в первом случае будет отклоняться от нормали к оси антенны в сторону, противоположную генератору, во втором - в сторону генератора. Расстояния между соседними щелями в нерезонансных антеннах выбираются обычно в пределах от 0,25 , до 0,8 . При этом следует иметь в виду, что во избежание больших

боковых лепестков расстояние между соседними щелями не должно

роны от средней линии широкой стенки волновода (см. рис. 1б), размещением возбуждающих зондов по разные стороны щели и т. п.

Схемы замещения щелей

Излучающая щель нагружает волновод и влияет на его режим. Часть идущей по волноводу мощности излучается щелью, часть отражается к генератору (как от любой

нерегулярности), и часть проходит дальше. При анализе реакции щели на волновод последний заменяют эквивалентной длинной линией, а каждой щели ставят в соответствие схему замещения в виде четырехполюсника с потерями, имитирующими излучение. Это позволяет использовать в расчетах многощелевых антенн аналитический аппарат теории цепей СВЧ. Наиболее простыми схемами замещения обладают

Поперечная щель в широкой стенке прерывает линии продольных токов, и поэтому ей соответствует схема замещения в виде сосредоточенного последовательного сопротивления r в эквивалентной

линии. Нормированное сопротивление находят методами электродинамики

9

где x0 — расстояние от центра щели до края широкой стенки.

При коротком замыкании волновода поршнем возникает режим стоячей волны и пучности продольного электрического тока получаются на

расстояниях от поршня, кратных . Именно в этих

пучностях и должны располагаться поперечные щели в короткозамкнутом волноводе для их наиболее интенсивного возбуждения.

Продольная щель прерывает линии поперечных электрических поверхностных токов. Эти токи как бы ответвляются от проводников эквивалентной двухпроводной линии в параллельно подсоединенные короткозамкнутые четвертьволновые шлейфы. Поэтому для продольной резонансной щели схема замещения имеет вид шунтирующей нормированной проводимости g (рис.б), определяемой приближенной формулой:

где x0 — расстояние от щели до края широкой стенки.

В короткозамкнутом волноводе пучности распределения поперечных поверхностных токов получаются на расстояниях от поршня и именно в этих сечениях должны располагаться продольные щели для их максимального возбуждения.

Схемы замещения могут быть введены и для других типов щелей. Значения входящих в них параметров определяют электродинамическим расчетом и

10

Направленные свойства. КНД и коэффициент усиления

Диаграмма направленности в плоскости, проходящей через ось Z, при равномерном возбуждении щелей :

определяется формулой (1). При противофазном возбуждении соседних щелей в эту формулу необходимо вместо ψ подставить ψ0. В этом случае направление максимального излучения:

(3)

Диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной оси рассчитывается по формуле

где φ — угол, образованный направлением луча и нормалью к