L6_243-247 (Линии передачи СВЧ-диапазона, В.М. Максимов)

шеи, вырытой на соответствующую глубину и имеющей стенки, покрытые металлическими листами. Поляризация поля на поверхности земли получается вертикальной. Отсутствие элементов конструкции, выступающих над поверхностью земли, делает такую антенну удобной для использования в системах посадки самолетов и в некоторых других случаях. На рис. Х1.9, б показан вариант конструкции щелевой антенны, возбуждаемой прямоугольной полостью, которая питается коакснальным фидером.

На рис. Х1.10 показана двухщелевая антенна на киле самолета, выполненная в виде двух вертикальных щелей, прорезанных на обеих сторонах киля и являющаяся антенной с горизонтальной поляризацией поля. Щели возбуждаются экранированным симметричным фидером в противофазе, что приводит к появлению на поверхности киля синфазных токов горизонтального направления. В результате диаграмма направленности в горизонтальной плоскости получается близкой к круговой. В качестве ненаправленной в горизонтальной плоскости антенны с вертикальной поляризацией поля может применяться кольцевая щель, прорезанная в горизонтальном экране.

Пример синфазного возбуждения такой щели полостью показан на рис. Х1.11, а. К разрезу полости (к краям щели) подводится напряжение через конический переход от коаксиального фидера. Эта полость играет роль индуктивности, подключенной к краям щели, которая представляет некоторую емкостную нагрузку, шунтированиую активным сопротивлением излучения антенны (рис. Х1.11, б). Путем подбора параметровщели и полости можно добиться резонанса и более ингенсивного возбуждения щели. Правильным выбором параметров конического перехода можно получить хорошее согласование антенны с питающим коаксиальным фидером.

ХЫЕ ВОЛНОВОЛНО-ШЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ а) Принцип действия и возбуждение волиоводно-щелевых антенн. Одним из распространенных видов щелевых антенн являются антенны в виде системы узких полуволновых щелей, прорезаемых в стенках волновода. Для того чтобы щели наиболее интенсивно возбуждались, они должны пересекать под прямым углом линии токов проводимости, протекающих иа внутренней поверхности стенок волновода. При этом между краями щели возникает значительное напряжение, что будет обусловливать интенсивное излучение электромагнитных волн.

Поверхностные токи на внутренних ст нках волновода замыкаются через такие щели в виде токов смещения~ Теория и опыт показывают, что распределение напряжения вдоль узкой резонансной полуволновой щели имеет синусоидальный характер (с пучностью в середине щели), независилю от ориентировки щели на стенке волновода.

Наиболее часто щелевые унтенны выполняются на стенках прямоугольного волиовода, в котором возбуждается волна типа Н„. Щели можно прорезать как на широкой, так и на узкой сТороне волновода 243 На рис. Х1.12 показана известная из общей теории волноводов картина распределения поверхностных токов на внутренних стенках прямоугольного волновода для поля типа Нхе. Там же сплошными узкими прямоугольниками показаны щели, прорезанные так, чтобы они интенсивно возбуждались. Пунктиром вдоль средней линии широкой стенки показана щель, которая вовсе не будет возбуждаться и излучать, так как токи протекают вдоль ее краев, не создавая напряжения между ними.

Интенсивность возбуждения щели зависит от плотности пересекаемых ею токов и поэтому возрастаег с увеличением смещения про- Рис. Х1.!д Линии поверхностного тока нв внутренних стенках прямоугольного~ волновода и выбор места для прореяания щелей, дольной щели от средней линии на широкой стенке. По этой же причине интенсивность возбуждения поперечной щели на широкой стенке уменьшается при смещении ее центра от средней ливии.

На ряс. Х1.13 показана распространенная схема синфазного возбуждения волповодно-щелевой антенны. Щели расположены на широкой сто1 оне волновода в шахматном порядке. Длина каждой щелй равна половине длины волны в воздухе. Синфазное возбуждение щелей, расположенных по одну сторону от средней линии, обусловливается тем, что расстояние между щелями берется равным длине волны в волноводе Х,. Синфазность щелей, расположенных по обе стороны-птз двдней линии, обеспечивается тем, что расстояние между соседними щелями вдоль оси волновода выбирается равным Х !2. Это приводит к тому, что, как видно из рис. Х1.12, щели перерезают токи одинаковбго направления.

При работе на фиксированной волне в конце волновода можно устанавливать короткозамыкаюший поршень. При работе в полосе частот следует применять неотражающую поглощающую нагрузку, что облегчает решение задачи согласования волновода с возбуждающим его источником. На рис. Х!.14 показана синфазная антенна с продольными щелями, расположенными по средней линии широкой стенки волновода, возбуждаемыми реактивными штырями.

Подобный штырь представляет собой металлический стержень, припаянный или ввернутый через отверстие в широкой стенке волновода. При распространении волны 244 типа Нте (для которой линии электрического поля перпендикулярны широким стенкам) в штыре, как в приемном вибраторе, возбуждается э. д. с., которая вызывает ток вдоль штыря, замыкающийся на широкую стенку так, что на ней образуются радиальные токи (рис. Х1.14, б).

Педшень / рааиальные шенк Рис. Х1.13. Сннфазная волноводно-шелевая ан- тенна с продольными шелямн. Рис. Х1.14. Антенна с продольными шелямн, возбунсдаемыми реактивными штырями (а); радиальные токи на широкой стенке волновода (б). 245 Часть этих токов пересекает щель и возбуждает ее несмотря на то, что щель расположена вдоль средней линии, где в отсутствие штырей нег поперечных токов, Перемещение штыря иа другую сторону щели вызывает изменение направления токов, пересекающих щель (рис. Х1.14, б). Это обеспечивает синфазность возбуждения системы щелей, расположенных вдоль средней линии на расстоянии Х,/2 друг от друга. Применение таких штырей имеет то преимущество, что позволяет осуществлять индивидуальную регулировку амплитуды возбуждения отдельных щелей изменением глубины погружения штырей в волновод.

Щели, прорезанные на стенках волновода, создают некоторую неоднородность и вызывают соответствующие отражения волн в волноводе. При расположении соседних щелей на расстоянии вдоль оси, равном Х,/2, указанные отражения будут складываться и сильно умеиыпать кб, в начале волновода, что затрудняет решение задачи согласованйя, особенно в полосе частот.

Для устранения указанного недостатка можно осуществлять согласование каждой отдельной щели, например, с помощью соответствующих реактивных элементов (см. гл. ХХП) или выполнять антенну из щелей, расположенных на расстояниях с(, не равных точно Х,/2. В последнем случае на конце волновода во избежание отражений, приводящих к возрастанию боковых лепестков, устанавливается неотражающая нагрузка и щели возбуждаются бегущей по волноводу электромагнитной волной с некоторым сдвигом фаз, зависящим от расстояния с(. Для синфазных волноводно-щелевых антенн максимум излучения получается в направлениях, перпендикулярных к оси волновода; при возбуждении щелей со сдвигом фаз максимум диаграммы будет отклоняться от перпендикуляра к оси волновода.

б) Направленное действие волноводно-щелевых антенн. Пространственная диаграмма направленности волноводио-щелевой антенны имеет веерообразную форму, т. е. имеет значительную ширину в плоскости, перпендикулярной оси волиовода, н сжата в плоскости, проходящей через ось волновода. Диаграмма в пл ст ик ля ной оси во , зависит от того, как расположена щель на широкой стенке, и от соотношения между шириной волновода и длиной волны. Для приближенного расчета волновод может быть заменен плоской лентой той же ширины. Диаграмма направлениоспг в указанной плоскости для продольной щели в широкой стенке волновода шириной а = (0,7 — 0,8)Х будет очень похожа на диаграммы, приведенные в верхнем ряду рис.

Х1 6. Для волновода с поперечной щелью диаграмма в плоскости, перпендикулярной оси волновода, будет несколько уже. Диагрдммд направленности волноводно-щелевой антенны в плоскости, проходя ей че ез ось волново как для системы из и йаправленных излучателей может быть определена с помощью выражения Р <О) = 1, <О) 1„ <О), (Х1.16) где ~, (0) — диаграмма направленности одиночной щели с односторонним излучением; для многощелевой антенны множитель ~, (0) мало влияет" на общую диаграмму, которая в основном определяется вторым множителем. Для системы равноамплитудных щелей с одинаковым сдвигом фаз (в (0) = з ш ~ ( 4 з!и Π— ф )1 / з!и ~ — ( — Н з!и Π— ф )1, (Х1.17) где ) — длина волны в воздухе; д — расстояние между серединами щелей, Π— угол относительно перпендикуляра к оси волиовода; 2я 2лв' Г в )в Ух ф= — й — я= — ~~ 1 — ( — ) — и вв 2 2в (Х1 10) — разность фаз между соседними щелями (для щелевых антенн, показанных на рис.

Х1.13 и Х1.14). Первое слагаемое правой части равенства обусловлено тем, что каждая последующая щель, более удаленная от генератора, возбуждается бегущей волной с соответствующим запаздыванием; второе слагаемое (дополнительное изменение по фазе на а) связано с тем, что соседние щели прорезаны по разные стороны от средней линии широкой стенки волновода или возбуждаются штырями, размещенными с разных сторон щелей. 246 Направление максимума (О„„,) диаграммы (Х1.17) можно определить нз услоння (2п4А)з)п О„,„, = ф, откуда з)п Омаас = ФА72пс) (Х1.19) Подставляя (Х1.18) в (Х1.19), получаем другое выражение: ып О„,„, = у' 1 — (М2а)а — М2с(, (Х1.20) В частности, при с( = 1,/2 из (Х1.18) следует: ф = О, что соответствует синфазному возбуждению щелей.

При этом из (Х1.19) или (Х1.20) следует, что 8„,„, = О, т. е. максимум излучения ориентирован в направлении нормали к оси волновода, что и следовало ожидать. Прн Н, несколько большем Х,/2, например с( = 0,561„ф "' 200'— — 180' = 20' и з!п О„„„, = 20' 11360' ° с( = )./1Ы, максимум диаграммы будет отклонен от нормали к оси волновода на острый угол в сторону движения бегущей волны по волноводу. При с(().,/2 ф будет отрицательным и 8„,„,(0, т. е. максимум диаграммы будет отклоняться от нормали к оси волновода в сторону, противоположную движению бегущей волны. Точный расчет КНД волноводно-щелевых антенн представляет собой сложную задачу.

Для ориентировочных расчетов можно воспользоваться выражением (5! В 32п, (Х1.21) где и — число щелей. Коэффициент полезного действия волноводно-щелевых антенн с поглощающей нагрузкой на конце при большом числе щелей (и = 20) довольно высок и имеет значение около 0,9 — 0,95. В литературе (321 приводится описание щелевой антенны, выполненной на основе симметричной полосковой линии (см. (ХХ1 4)) в 3-см диапазоне волн.