Антенны с согласованными щелями

Общие сведения

При протекании поверхностных токов по внутренним стенкам волновода, щель, пересекающая линии распространения этих токов, соответственно возбуждается. Поверхностный ток частично огибает щель в виде тока смещения, соответствующего электрическому полю внутри щели, а после нее продолжает течь в прежнем направлении. Закон распределения этого поля близок к синусоидальному. Так как при изготовлении щелевых антенн чаще всего применяют прямоугольные волноводы, возбуждаемые волной H10, магнитное поле состоит из двух составляющих Hx и Hz, а значит на стенках волновода текут поверхностные продольные (jsпр) и поперечные (jsп) токи. При этом продольные токи текут на широких стенках волновода, а поперечные на узких. Соответственно этим токам используют поперечные и продольные щели; поперечные обычно располагают только на широких стенках, а продольные как на широких, так и на узких стенках волновода.

Существует три основных вида щелевых антенн:

· Резонансные

· Нерезонансные

· С согласованными щелями.

Резонансные антенны

Синфазная резонансная антенна с продольными щелями

Резонансными щелевыми антеннами называют антенны, у которых расстояние между соседними щелями равно λ /2. Подобные антенны согласованы только в узкой полосе частот, а возбуждение ее щелей получается синфазным, соответственно она излучает по нормали к оси антенны.

Синфазная резонансная антенна с поперечными щелями

Продольные щели таких антенн смещены относительно средней линии широкой стенки волновода ввиду отсутствия там поперечных токов. Синфазное возбуждение щелей, расположенных по одну сторону от средней линии, обеспечивается расстоянием между соседними щелями равным λ, а синфазное возбуждение щелей по обе стороны от средней линии расстоянием равным λ /2. Таким образом создается сдвиг фаз в 180°. А из-за того, что поперечные токи текут в противоположных направлениях по обеим сторонам от средний линии создается дополнительный сдвиг фаз в 180°, что и обеспечивает синфазное возбуждение щелей.

Синфазность возбуждения поперечных щелей достигается тем, что расстояние между соседними щелями равно λПоперечных щелей на одинаковой длине волновода оказывается в два раза меньше, чем продольных, что приводит к возникновению серьёзного недостатка - увеличению боковых лепестков.

Недостатком резонансных антенн является резкое изменение согласования антенны при изменении частоты. На частотах отличных от резонансных, расстояние между излучателями не равно λ/2, поэтому возбуждение щелей происходит неравномерно и несинфазно, искажается диаграмма направленности.

Нерезонансные антенны

Нерезонансными щелевыми антеннами называют антенны, у которых расстояние между соседними щелями в пределах рабочей полосы несколько меньше или больше λ /2. Полоса согласования нерезонансных антенн шире, чем резонансных. Отличие расстояния между щелями приводит к несинфазному возбуждению падающей волной, что приводит к линейному изменению фазы и отклонению максимального излучения от нормали к оси. Возможно возникновение отражения от конца антенны, что нежелательно, так как приводит к появлению лепестка, составляющего угол с нормалью. Для устранения этого лепестка антенна обычно снабжается поглощающей нагрузкой.

Так как щели располагаются вдоль волновода на расстоянии не равному λ/2, возбуждаются они бегущей волной. Благодаря несинфазному возбуждению щелей направление максимального излучения образует некоторый угол с нормалью к оси волновода. Угол наклона фазового фронта (поверхности равных фаз), и направление максимального излучения зависят от соотношения длины волны в воздухе и волноводе. Угол наклона, отсчитываемый от нормали к оси волновода , где — разность фаз между соседними щелями, а d — расстояние между соседними щелями. Благодаря повышенной фазовой скорости в волноводе . Для уменьшения разности фаз между соседними щелями и уменьшения угла антенну изготовляют таким образом, чтобы каждая последующая щель получала дополнительный сдвиг по фазе на 180° относительно предыдущей. в этом случае разность фаз между щелями: .

Отличие этого типа антенн от предыдущего в хорошем согласовании в широкой полосе частот.

Антенны с согласованными щелями

В антеннах этого типа щели обычно располагаются на расстоянии равном λ /2. Отраженные волны отсутствуют, распределение поля получается синфазным и направление максимального излучения совпадает с нормалью к оси антенны.

Симметричный щелевой вибратор

Щелевой излучатель, выполненный в виде узкого отверстия шириной t и общей длиной 2l, прорезанноговметаллическомэкране. Конфигурация щелевого вибратора показана на рис. 1. Здесь же изобрежена сферическая система координат, в которой производится расчет поля излучения; щель паралеьно оси z. Считаем, что возбуждение щелевого излучателя осуществляется с помощью двухпроводной линии, подсоединенной к противоположным точкам посередине щели. Под действием приложенного напряжения в щели возникает электрическое поле, линии которого перпендикулярны ее краям(см. рис. 1). Благодаря тому что , распределенные поля в поперечном сечении можно считать постоянным. Поэтому в любой точке z напряжение между краями щели . Распределение напряжения по длине щели можно в первом приближении определить, рассматривая щель как короткозамкнутую с двух сторон длинную линию, в которой

(1)

или вводя по аналогии с СЭВ понятие напряжения в пучности :

(2)

Как видно из (1) и (2), на концах щели . Распределение напряженности электрического поля в плоскости щели вдоль ее длины

(3)

где . Под действием напряжения в щели в пространстве, окружающем щелевой излучатель, возникает электромагнитное поле, причем в любой точке экрана (который считаем выполненным из идеального проводника) согласно граничным условиям линии электрического поля подходят к экрану под прямым углом. Таким образом, если экран имеет бесконечные размеры, то в плоскости экрана касательная компонента электрического поля

. в пределах щели

в остальных точках, (4)

причем в любом поперечном сечении щели величина остается постоянной.

Рис.1

Анализ такого симметричного щелевого вибратора (СЩВ) удобнее всего проводить, используя понятие гипотетического магнитного вибратора с СЭВ в виде металлической ленты шириной и общей длиной (поскольку размеры этого вибратора соответствуют размерам щели, такой СЭВ дополняет щель до полного экрана и соответственно носит название металлического аналога щели). Считаем, что расположение магнитного вибратора в сферической системе координат соответствует расположению щели, показанному на рис.1, т.е. аналогично пространственной ориентации, принятой при анализе СЭВ (см. рис. 2.4). Поскольку на поверхности магнитного вибратора граничные условия для магнитного поля совпадают с граничными условиями для электрического поля на поверхности СЭВ, то распределение магнитного тока в симметричном магнитном вибраторе подчиняется тем же уравнениям (например, типа Галлена), что и распределение электрического тока в СЭВ. Например, в качестве первого приближения можно принять синусоидальное распределение, описываемое (2.3), т.е.

(5)

где – ток входе магнитного вибратора. Из принципа перестановочной двойственности уравнений Максвелла на , сразу получим возможность определить магнитное поле, созданное магнитным вибратором в дальней зоне:

(6)

Электрическое поле связано с магнитным известным соотношением (1.30):

. (7)

Рис.2

Как следует из(7), линии электрического поля в дальней зоне представляет собой окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной магнитному вибратору (рис. 2, а). К плоскости расположения вибратора эти линии подходят под прямым углом. Вблизи магнитного вибратора линии электрического поля охватывают вибратор; касательная компонента электрического поля направлена поперек вибратора и численно равна поверхностной плотности магнитного тока. При малых можно считать плотность тока постоянной по периметру вибратора, тогда – периметр вибратора.

Рассмотрим теперь воображаемую плоскость, в которой лежит плоский магнитный вибратор. В точках этой плоскости выполняются следующие граничные условия для касательной составляющей вектора напряженности электрического поля:

в пределах плоского магнитного вибратора,

в остальных точках, (8)

причем величина остается постоянной в точках любого поперечного сечения.
Поскольку граничные условия (4) в плоскости экрана, в котором прорезана щель, и в плоскости расположения магнитного вибратора(8) при идентичны, то из теоремы единственности следует, что поле, создаваемое щелью, полностью аналогично полю излучения симметричного магнитного вибратора, если вместо в (6) подставить , т.е.

(9)

Различие заключается только в том, что электрические силовые линии для магнитного вибратора (рис. 2,а) являются замкнутыми, а для щели (рис. 2,б) направлены в верхнем и нижнем полупространствах в противоположные стороны. Поэтому для нижнего полупространства в обеих формулах (9) следует изменить знак на противоположный. Сходство между щелевым излучателем в бесконечно тонком идеально проводящем плоском экране и металлическим аналогом щели, как показал А. А. Пистолькорс, может быть доказано строго .

Из формул (9) следует, что направленные свойства симметричного щелевого вибратора и СЭВ полностью аналогичны. Поле СЩВ, как и СЭВ, в дальней зоне линейно поляризовано. Отличие этих полей проявляется только в том, что векторы меняются местами оставаясь взаимно перпендикулярными между собой. В плоскости перепендикулярной щели (плоскость Е), ДН представляет окружность. В плоскости, проходящей через ось щели (плоскость H), форма ДН зависит только от отношения и может быть рассчитана с использованием (2.9); вдоль своей оси щелевой вибратор не излучает.

Мощность излучения СЩВ можно найти по формуле (2.19), заменив в ней , определяемое (9). Вводя понятие проводимости излучения можно установить по формуле, аналогичной формуле Джоуля-Ленца:

(10)

Вычисляя с использованием (10),(9) и сравнивая полученное значение с , определяемым(2.20), можно убедиться в том, что

(11)

где – сопротивление излучения плоского металлического аналога щели. Помимо проводимости излучения СЩВ характеризуется также величиной входной проводимости , связь которой со входным сопротивлением соответствующего металлического аналога определяется соотношением, аналогичным(11):

(12)

Причем значение в (11) должно быть известно для плоского СЭВ. Поскольку значения известны обычно для электрических вибраторов цилиндрической формы, в случае плоских вибраторов шириной можно использовать данные для цилиндрических вибраторов с радиусом

При определенных значениях щель, как и электрический вибратор, обладает резонансными свойствами, когда реактивная составляющая обращается в нуль. Обычно используются резонансные щели, общая длина которых несколько меньше ; необходимое укорочение тем больше, чем шире щель. Отметим, что в полуволновых резонансных щелях закон распределения напряжения вдоль щели, а следовательно, и направленные свойства щели не зависят от места подключения источника возбуждения, имеющего место в волновых щелевых антеннах (см. гл. 7).

На практике обычно стремятся к тому, чтобы щелевая антенна излучала только в одно полупространство. Этого можно добиться, закрыв щель со стороны второго полупространства металлической полостью (резонатором). Наличие резонатора практически не изменяет распределение напряжения в щели, тем более при резонансной длине. В этом случае можно считать, что ДН щели с односторонним излучением в рабочем полупространстве совпадает с ДН щели с двухсторонним излучением, причем при одинаковом значения напряженности полей. Поле во втором полупространстве для односторонней щели полностью отсутствует (при бесконечных размерах экрана). Соответственно мощность излучения для щели с односторонним излучением будет в 2 раза меньше, поскольку интегрирование в формуле (2.19) будет осуществляться по поверхности только полусферы. То же самое справедливо для комплексной мощности , определяемой (1.50). следовательно, и проводимость излучения и входная проводимость щели с односторонним излучением в 2 раза меньше соответствующих величин для щели с двухсторонним излучением. В отношении последнее утверждение справедливо, если резонатор не оказывает шунтирующего действия на щель, что достигается соответствующей конструкцией резонатора.