Многощелевая волноводная антенна

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ  ИЗ  ТЕОРИИ

Многощелевыеантенны представляют собой решетки из многих излучающих щелей, питаемых общимфидером, и применяются преимущественно в качестве бортовых остронаправленныхантенн на скоростных самолетах вследствие возможности  выполнения  их заподлицо  с  металлической поверхностью обшивки. Чаще  всего  используются полуволновые  резонансные  щели,  расположенные различным образом на широкой или  узкой  стенках  прямоугольного и  круглого волновода, внешней проводящейоплетке коаксиального кабеля (рис.1) или прорезанные  в  экранирующей пластине  полосковой  линии,  как  изображено на рис.2,б.

Интенсивностьвозбуждения одиночной щели зависит от величины поверхностного тока проводимости,возбуждающего щель, и угла, под которым щель своей широкой стороной пересекаетэтот ток. В соответствии с граничными условиями вектор плотности поверхностноготока проводимости зависит  от вектора Н волны, распространяющейся в фидере, иопределяется выражением

                                                ,                                                      (1)                               

где  -единичный нормальный орт к внутренней проводящей поверхности фидера,  - касательная к проводящейповерхности составляющая магнитного поля.

На  рис.1,а приведены эпюры распределения электрического (сплошные линии)  и  магнитного (пунктирные)  полей  некоторых типов волн в фидерах,  на рис.1,б - токи проводимости на внутренних поверхностях  фидеров,  на  рис.1,в  показано, какследует располагать щели с максимальной интенсивностью излучения(незаштрихованные) и  неизлучающие (заштрихованные). На  рис.2,а  изображена электромагнитная  волна  в  симметричной  полосковой  линии,  а  на  рис.2,б -щелевой излучатель, прорезанный во внешнем проводнике этой линии. Наличие щелейвызывает появление в полосковой линии волн высших типов, для подавления которыхиспользуется комбинация короткозамыкающих штифтов.

Щели можнопрорезать в любых волноводах, но чаще всего применяются прямоугольные волноводыс волной  .

При режиместоячих волн в волноводе для более сильного возбуждения щели ее продольнаякоордината  z  должна совпадатьс пучностью той составляющей тока, которая пересекает щель. В режиме бегущихволн щель будет возбуждаться одинаково при любом значении ее координаты  z.

Щели,прорезанные на стенках волновода, создают некоторую неоднородность и вызываютсоответствующие отражения волн в волноводе. При расположении соседних щелей нарасстоянии  d  вдоль оси, равном     указанные отражения будутскладываться и сильно увеличивать КСВ в начале волновода, что затрудняетрешение задачи согласования, особенно в полосе частот. Такие антенны называются  резонансными.  Для  устранения  указанного  недостатка можноосуществлять согласование каждой отдельной щели, например, с помощью реактивныхштырей (рис.3,е), или выполнять антенну из щелей, расположенных на расстоянии  d  не равном  . В последнем случае наконце волновода во избежание отражений, приводящих к возрастанию боковыхлепестков, устанавливается неотражающая  нагрузка и щели возбуждаются бегущейпо волноводу электромагнитной волной с некоторым сдвигом фаз, зависящим от . В поглощающей нагрузке теряются  5 - 20 %  входной  мощности  антенны.  При  отражения от антенных щелейв значительной мере компенсируют друг друга и входной КСВ близок к единице вполосе частот. Щелевая антенна с согласованной нагрузкой называетсянерезонансной  и обладает лучшими диапазонными свойствами, чем резонанснаящелевая антенна.

Используяаналогию между волноводом и длинной линией, можно представить многощелевую антеннув виде линии, вдоль которой включен ряд сосредоточенных нагрузок,соответствующих щелям. Так, например, резонансным антеннам, изображенным на рис.3,а,б, соответствуют эквивалентные схемы, представленные на  рис.4,а,б.  Последовательныесопротивления (параллельные проводимости), включенные в линии на удалении  и   друг от друга, припересчете к точкам включения первой нагрузки складываются. Таким образом,нормированное входное сопротивление антенны с поперечными настроенными щелямиравно: ,  где  - число щелей, а нормированнаявходная проводимость антенны с проводольными настроенными щелями на широкойстенке и наклонными щелями на узкой стенке равна: .

sitednl.narod.ru/1.zip- база сотовых по Петербургу

Для того чтобыантенна была согласована с питающим ее волноводом, необходимо выполнить условие   или  .

Прямолинейныемногощелевые антенны (см. рис.3) применяют для формирования узких ДН в плоскостях,содержащих ось волновода и перпендикулярных плоскости расположения щелей. Вплоскости, перпендикулярной этой оси, ДН остается широкой. Игольчатую ДН можносформировать, располагая параллельно ряд щелевых волноводов, образующихплоскостную антенную решетку.

Синфазноевозбуждение щелей можно осуществить двумя способами: либо выбрать расстояниемежду соседними щелями, равное , ирасположить их идентично вдоль оси волновода (рис.3,а,б,в), либо выбратьрасстояние, равное , а дополнительныйсдвиг  фаз на   реализовать за счет  “шахматного” расположения щелей (рис.3,г). Такие антенны называютпрямофазными и, соответственно, переменнофазными.

В случае “шахматного”  расположения продольных щелей в широкой стенке волновода(рис.3,г) дополнительный сдвиг фаз, равный ,достигается за счет того, что поперечная составляющая поверхностного токаменяет свое направление на обратное при переходе средней линии волновода (см.рис.1,б). В случае встречно  наклонного расположения щелей через  на узкой стенке волновода(рис.3,д) также достигается их синфазное возбуждение. Продольные щели на среднейлинии широкой стенки волновода можно синфазно возбуждать, размещая возбуждающиештыри по разным сторонам щелей (рис.3,е).

Диаграмманаправленности волноводно-щелевой антенны в плоскости, проходящей через осьволновода, как системы из  направленныхизлучателей, определяется теоремой умножения диаграмм направленности:

                           ,                                         (2)

где   -диаграмма направленности одиночной щели с односторонним излучением; - множитель решетки. Длямногощелевой антенны множитель   маловлияет на общую диаграмму направленности, которая в основном определяетсявторым множителем.

Для системыравноамплитудных  щелей с линейным сдвигом фаз

    ,  (3)

Нормированныймножитель решетки определяется из формулы (3’): (3’)

где -длина волны в воздухе; - расстояние междусерединами щелей; - угол относительноперпендикуляра к оси волновода.

Анализируяформулу (3), нетрудно показать, что максимум ДН получается в случае, есличислитель и знаменатель (3) обращаются в нуль. Неопределенность вида 0/0 легкораскрывается, после чего

                                                                                                    (4)

Значение  n  определяетглавный максимум диаграммы направленности, который ориентирован в направлении,перпендикулярном линии расположения излучателей. Это значение в  n  раз больше,чем напряженность поля, создаваемого одиночным излучателем в любом направлении,что следует из (3) при  n=1. В направлении максимума диаграммывсе напряженности полей отдельных излучателей складываются в одинаковой фазе,т.е. арифметически.

Подобныемаксимумы при условии получаются внаправлениях, определяемых из условия равенства нулю знаменателя выражения (3),когда

                          ,                       (5)

т.е. в направлениях, для которых

                                  ;

                    ,                                      (6)

где множители 1 , 2 , ... N  передопределяют номердополнительного главного максимума диаграммы направленности.

Однако, еслиограничиться небольшими расстояниями между излучателями  , то равенства (6) невыполняются и для рассматриваемой системы получается лишь один так называемыйглавный максимум в направлении, перпендикулярном лини расположения излучателей .

Условие    и отсутствие побочныхглавных лепестков выполняется для антенн, изображенных на  рис.3.

Вволноводно-щелевых антеннах благодаря дисперсионным свойствам волноводов можноосуществить частотное сканирование, при котором фазовые сдвиги возбужденияизлучателей и направление максимального излучения решетки регулируются путем изменениячастоты колебаний.

Для решетки,изображенной на рис.3,а,е, разность фаз между соседними щелями

                                            (7) 

Первое слагаемоеправой части равенства обусловлено тем, что каждая последующая щель, более удаленнаяот генератора, возбуждается бегущей волной с соответствующим запаздыванием,второе слагаемое (дополнительное изменение по фазе на ) - тем, что соседние щелипрорезаны по разные стороны от средней линии широкой стенки волновода иливозбуждаются штырями, размещенными с разных сторон щелей.

Направлениемаксимума   диаграммы направленностиопределяется из условия

                                                                               (8)

Подставляя (8) в(7), получаем другое выражение:

                      ,                             (9)

которое дает возможность рассчитатьизменение   при изменении  . В частности, при   из (7) следует: , что соответствует синфазному возбуждению щелей и  .

При   имеем антенну с линейнойфазовой характеристикой. При изменении   меняется   и будет менятьсянаправление главного максимума ДН антенны: при  максимумДН отклоняется от перпендикуляра к оси антенны в сторону от генератора, при   - в сторону генератора.

1.  Рассчитать ширину  главного лепестка ДН синфазной щелевой антенны (рис. 5,а)  для  числа щелей  n = 3, 7, 10.Расчеты вести по формуле (3’), где d = = 22,3 мм, соответствует частоте , при которой .

2. Определитьнаправление первого дополнительного главного максимума ДН  для  антенны счислом щелей  n = 5  прирасстоянии между щелями  d = 44,6 мм (рис.5,б). Рассчитатьвеличину дополнительного главного максимума с учетом  .

3. Рассчитатьугол поворота главного лепестка ДН многощелевой (n = 10) волноводнойантенны при условии, что ;   и   .

Расчет вести по формуле (9), где  a = 2,3 см ; d = 22,3 мм.

Для заданныхзначений  a  и  d по формулам

                        и                                       

найти частоты   для которых   ;   и   .

 ОПИСАНИЕ   УСТАНОВКИ

Структурнаясхема установки для измерения характеристик щелевых антенн приведена на рис.6.

 В установкеиспользуются генератор СВЧ Г4 - 32А, измерительная линия (ИЛ), вращающееся волноводноесоединение (ВС), исследуемая передающая щелевая антенна, согласованнаянагрузка, рупорная приемная антенна, детекторная головка и измерительныйусилитель. К выходному фланцу вращающегося соединения с помощью набора волноводныхэлементов могут присоединяться различные щелевые антенны.

            ПОРЯДОК  ВЫПОЛНЕНИЯ  ИЗМЕРЕНИЙ

1.Выполнитьпредварительное задание и найти частоты генератора ,, .

2.Подготовитьк работе и включить генератор в соответствии с инструкцией. Включить на нагревизмерительный усилитель.

3.Ознакомитьсяс измерительной установкой, назначением элементов ВЧ тракта.

4. Установитьпо волномеру частоту генератора ,перевести генератор в режим внутренней манипуляции и обеспечить на входещелевой антенны мощность по указанию преподавателя.

5. Исследовать волноводную многощелевую антенну  (рис.5,а). Включить 3 щели, измерить КСВ  в тракте и ДН в плоскости Н. То же самое проделать для 5  и 10  щелей.Зафиксировать направление главного максимума ДН для антенны из 10 щелей.

6.Для частот,  и 10 щелей определитьугловое смещение основного главного максимума ДН по сравнению с его положениемна частоте .

7.ИзмеритьДН щелевой антенны из 5 щелей (рис.5,б). Определить положение дополнительныхглавных максимумов, их величину относительно основного максимума ДН. Сравнитьполученные результаты с результатами п.2 предварительного задания.

8.Выключитьприборы измерительной установки и обесточить распределительный щиток.

Л И Т Е Р А Т УР А  

1.КочержевскийГ.Н.  “Антенно-фидерные устройства”. - М.: Связь, 1972

2.АйзенбергГ.З.  “Антенны УКВ”. - М.: Связь, 1977

3.Бова Н.Т.,Резников Г.Б.”Антенны и устройства СВЧ”. - Киев: Вищашкола,                              

  1977.