L6_230-237 (Линии передачи СВЧ-диапазона, В.М. Максимов)

Повышение эффективности подземных антенн может быть достиг иуто в результате применения системы из ряда идентичных элементов, питаемых синфазно. Можно показать, что коэффициент усиления такой системы из одинаково ориентированных излучателей (расположенных друг относительно друга на таких расстояниях, что их взаимным влиянием можно пренебречь) будет примерно в п раз больше, чем у одного излучателя. Для доказательства сказанного сравним напряженности электрического поля системы излучателей и одиночного излучателя при условии подведения к ним одинаковой мощности (Х.56) РА= 11 ЙА=п/ы ЙА где 1, — ток в одиночном излучателе; 1,„ — ток в каждом излучателе системы; ИА — активная составляющая сопротивления одиночного излучателя, а также каждого излучателя системы.

Из (Х.56) следует, что 1~/1, = )/)/и. (Х.57) Напряженности поля, создаваемого одиночным элементом и многоэлементной системой, будут соответсгвенно равны Е, = А1,; Е„= лА1,„, где А — коэффициент пропорциональности. Следовательно, Е„/Е,=п1,„/1, = 1/ и. Соответственно коэффициент усиления системы будет в л раз больше, чем у одиночного излучателя, так как 6 = Е„'/Е~ = и. (Х.58) ГЛАВА Х! ЯЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ ХЕЕ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Допустим, что в хорошо проводящей поверхности (экране) проделано отверстие той или иной формы, а к нему изнутри примыкает замкнутая полость, в которой возбуждено электромагнитное поле высокой частоты. Через указанное отверстие будет происходить излучение электромагнитных волн и оно превратится в своеобразную антенну, называемую днфракционной или щелевой.

Первое название обьясняется тем, что на отверстии происходит явление дифракцни. Более распространено второе название, которое объясняется тем, что отверстия в экране имеют обычно форму узких щелей. Щелевые антенны находят практическое применение главным образом в диапазоне сверхвысоких частот, хотя в принципе могут исполь. зоваться и на более низких частотах.

230 Идея создания простейших щелевых антенн принадлежит . А. Бонч-Бруевичу и М. С. Нейману. На основании теоретического нализа М. С. Нейман в 1940 г. предложил использовать в качестве лучателей малые круглые отверстия или небольшие прямолинейные )цели на поверхности объемного электрического резонатора. Чтобы поучить более острую направленность излучения, можно применить ряд елей на поверхности концентрического фидера или волновода, как то предложил М. А. Бонч-Бруевич.

Дальнейшее развитие теория щелеых антенн получила (в !944 — 194? гг.) в работах А. А. Пистолькорса Я. Н. Фельда. В настоящее время в качестве таких антенн применяются узкие щеи длиной около половини длины волны, вырезаемые на стенках волновода и резонатора. Возможно также возбуждение щели источником з. д.с., посредственно подводимой к краям щели с помощью симметричного и коаксиального фидера. Большой практический интерес представляет использование , щелей, вырезаемых в обшивке самолета или других летающих объектов и не выступающих над поверхностью. Указанные антенны не ухудшают аэродинамических параметров летательного аппарата, что имеет ,особенно большое значение при переходе к большим скоростям полета 'в пределах земной атмосферы. Для упрои(ения задачи определения основных параиетров многих ',типов щелевых антенн служит так называемый принцип двойствен(ности, вытекающий из перестановоч ной двойственности уравнений Мак'свелла и рассмотренный в.

гл. 1. Принцип двойственности может быть 'использован, строго говоря, для изучения щелевых антенн только ализироаанного типа в виде щели (или системы щелей) на неограенной бесконечно тонкой идеально проводящей плоскости. Электро- нитное поле такой щелевой антенны сравнивается с полем соотствующего металлического аналога, под которым подразумевается конечно тонкая металлическая пластина, форма и размеры которой падают с формой и размерами щели. Ори одинаковых граничных условиях для электрического поля щелевой антенны и магнитного поля металлического аналога по известному полю металлической антенни во внешнем пространстве легко определяется поле щелевой антенны.

Х12. ИЛЕАЛИЗИРОВАННАЯ ПРЯМОЛИНЕЙНАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА Покажем применение принципа двойственности на примере определения параметров узкой прямолинейной щели на бесконечно тонкой идеально проводящей плоскости (рис. Х1.1, а). Щель имеет длину 21 и возбуждается источником э. д. с., присоединенным к средним точкам АА. На рис. Х1.1, б, в, г показана конфигурация электромагнитного поля указанной щелезой антенны, а на рис. Х1.2 конфигурация поля соответствующего металлического аналога в виде тонкой идеально проводящей пластины длиной 21, возбуждаемой в средних точках источником э. д. с.

Легко убедиться, что граничные условия для электрического поля рассматриваемой щелевой антенны совпадают с граничными условиями для магнитного поля металлической пластины. 231 В качестве замкнутой поверхности 3, иа которой задаются тангев(т циальные составляющие электрического и магнитного поля, можйЬ принять бесконечную плоскость, совпадающую с плоскостью экранаь 7 Рис. ХКК Идеализированная прямолинейная шелевая антенна в плоском экране, возбуждаемая источником э.

д с в средних точках (а), линни электрического поля не шелн (б); линии магнитного поля в плоскости, проходящей через продольную ось шелк перпендикулярно экрану (е); линни электрического поля в плоскости, перпендикулярной оси шелн (г). в котором вырезана щель, в первом случае и плоскость, совпадающая с плоскостью пластины, — во втором. Указанная поверхность, которую можно считать замкнутой на бесконечности, ограничивает объем полупространства. Е ф ~~/ и;р д Ю г Рис Х! 2 Симметричный вибратор в виде металлической пластины в свободном пространстве (а); конфигурация элеитромегннтного полн: в плоскости пластины (б); в плоскости, проходяшей через продольную ось перпендикулярно пластине (в); в плоскости, перпендикулярной продольной оси пластины (г).

На плоскости экрана повсюду, за исключением щели, тангенциальная составляющая Е,д вектора электрического поля равна нулю, как на идеальном проводнике. Линии электрического поля ва щели направлены от одного края к другому. Распределение поля по длине щели (Егя = Е, ) можно приближенно считать синусоидальным с узлами 232 ;на концах как в двухпроводной линии, короткозамкнутой с двух сто. рон, питаемой в середине от источника э. д.

с. Такая линия как бы об'разуется краями щели. Таким образом, граничные условия для шалевой антенны записываются следующим образом: Ез = ń— в области щели; Е~а = 0— на остальной части плоскости. Точно такие же граничные условия, но для магнитного поля, справедливы и для металлического вибратораз'. На плоскости, проходящей через металлическую пластину, повсюду, за исключением самой пластины, тангенциальиая составляющая напряженности магнитного поля равна нулю, так как линии Н охватывают пластину кольцами.

На поверхности металлической пластины, вдоль которой течет ток, линии магнитного поля имеют поперечное направление, а распределение этого поля по длине пластины совпадает с распределением тока и приближенно может быть принято синусоидальным с узлами на концах. Плотность поверхностного тока 1 численно равна тангеициальной составляющей напряженности магнитного поля [см.

(1.9)) (Х1.1) / = Н~л, Ток с одной стороны пластины шириной г[ будет равен Ж, а ток, протекающий в одном направлении по обеим сторонам тонкой пластины, (Х1.2) ! = 2,И = 2Н,лг(. В случае изменения 1 в поперечном направлении пластины здесь под л' и Н,а надо понимать соответствуюшие усредненные значения.

Произведенйе Н~лг( дает разность магнитных потенциалов между краями пластины М = Н,аг( = Н2. (Х1.3) Совпадение граничных условий для рассматриваемой шелевой антенны и ее металлического аналога позволяет определить поле во внешнем пространстве щелевой антенны по известному полю металлической антенны. Напряженность электрического поля в дальней зоне симметричного вибратора абгп соз (к1 соз 6) — соз кГ ббгп где 1п — ток в пучности, который на основании (Х!.3) может быть вы- ражен через разность магнитных потенциалов Мп в пучиости как (Х1.4) г'и — — 2Мп. *' Совпадение законов распределении тока на узкой пластине н Е~ на соответствующей щели может быть строго доказано.

Это доказательство прнводнтсл в [421. 233 Поэтому Напряженность магнитного поля вибратора Евяб Н,= "' = — 1(В). 1120н нг (Х1(ш (Х1.6) На основании принципа двойственности, если разность магнитных потенциалов (Мп) мемду краями металлического вибратора заменить Рис, Х1.8. Диаграммы иапрааленности металлического ннбратора и соответствуюшего шелеаого излучателя в безграничном экране; и — в плоскости внбРатоРа, б — в плоскостп, пеРпенднкУлЯРноа осп внбРатоРа, е — в пло. скостя, прокодящеа через ось щели, в тон чнсле в в плоскоств екрана плп в плоскости, перпепднкулярпоя экрану; е — в плоскоств, перпепдвкулярноа осн щели напряжением (Уп) между краями щелевой антенны, тогда напряженность электрического поля в дальней зоне щелевой антенны будет совпадать с напряженностью магнитного поля металлического вибратора Е = — 1(6).

с~п Соответственно щ 120н 120нз г (Х1.6) Из последних выражений видно, что диаграмма направленности у и(еленой антенны такая лсе, как у соответствующего металлическою вибратора. При этом следует помнить, что векторы электрического и магнитного поля (силовые линии Е и Л) меняются местами. В качестве примера на рис. Х1.3 изображены диаграммы направленности полуволнового вибратора и соответствующей идеализированной щелевой антенны. Там же показана ориентация в пространстве векторов поля Е и Н. 234 Сопоставим выражения (Х1.5) и (Х1.7) для напряженности электриеского поля, создаваемого обеими антеннами.

При условии одинаковой величины Е с учетом (Х1.4) в обоих случаях получаем, что 60 / = (Уп/я, т. е. Уа = (/и/60п (Х1.9) Аналогичным соотношением связаны тои /л в точках питания виб- ратора с напряжением 1/„, в точках питания щели при условии одина- ковой напряженности поля во внешнем пространстве /„= 1/ /60п. Это соотношение следует также из (1.44). При выполнении условий (Х1.9) или (Х1.10) мощности излучения обеих антенн будут одинаковыми, Соответственно одинаковыми, если не учитывать потери, будут активные мошности на зажимах щелевой антенны и ее металлического аналога (точки АА на рис.