Многощелевая волноводная антенна (стр. 1 из 2)

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

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.