Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 56
Текст из файла (страница 56)
На рис. 10.13 приведены эксперимен- тальные графики активной и реактивной составляющих входного сопротивления вблизи резонанса двусторонней щелевой антенны в большом экране. Из графиков следует, что резонансная длина щели Ь оказывается несколько меньше полуволны и уменьшается с увеличением ширины щели с(. В качестве всенаправленных антенн СВЧ получили распространение кольцевые ц1елевые антенны, располагаемые на телах вра- ш лй Рнс.
10.14. Кольцевая шалевая антенна на цнлннлре щения, а частности на круговом металлическом цилиндре 1 (рис. 10.14„а). Кольцевая щель 4 выполняется с помощью коакснального резонатора 2 в виде закороченного сверху на цилиндр четверть- волнового металлического стакана. Питание к резонатору подводится коаксиальной линией 8 в точке а. Если средняя длина периметра резонатора п(г, +га) <Х, в нем сутцествует и наиболее интенсивно возбуждается только Т-волна. Напряжение в щели при настройке стакана в резонанс распределяется равномерно по азимуту, на поверхности цилиндра возникают продольные электрические токи, и получается антенна„ подобная цилиндрическому электрическому вибратору.
В азимутальной плоскости излучение равномерно, а в меридианальной плоскости ДН существенно зависит от длины возбуждаемого цилиндра. Если же л(г|+га) >Х, то в резонаторе кроме Т-волны возбуждается еще волна типа Нн коаксиальной линии, критическая длина волны которой ).,ржл(г,+га). Пусть длина резонатора 1=1/2. Тогда Т-волна оказывается подавленной, в то время как существует Нн. Напряжение в щели оказывается распределенным в азимутальном направлении по закону синуса, при этом на цилиндре возникают помимо продольных поперечные составляющие поверхностных электрических токов и излучение антенны существенно изменяется.
Наличие поперечных составляю|цих токов приводит к появлению излучения вдоль оси 'цилиндра. Антенна излучает по всем направлениям, причем ДН очень слабо зависит от длины цилиндра. На рис. 10.14,б показано распределение напряжения в щели при питании антенны в двух диаметрально противоположных точках резонатора. Напряжение в щели в точке а отличается по фазе на и от напряжения в точке Ь, поэтому при любой длине резонатора 1 Т-волна оказывается подавленной и напряжение в щели распределяется по азимуту по закону синуса. Особый интерес представляет кольцевая щелееая антенна с бегущей по азимуту волной напряжения в щели.
В этом случае питание к резонатору (рис. 10.14) подводится в четырех равноотстоящих точках щели с относительным фазовым сдвигом последовательно на — и/2. Если длину резонатора выбрать равной л /4 для волин Ны, то напряжение в щели (без учета высших типов волн) изменяется по закону бегущей волны 1)(~р) =()а ехр( — рр). Кольцевая щелевая антенна с бегущей волной напряжения излучает вдоль оси г электромагнитное поле круговой поляризации, подобное полю турникетной антенны (см. рис. !0.8). Как показывают расчеты и эксперименты, ДН такой антенны слабо зависит от размеров и формы металлического корпуса. Полосковые и микрополосковые антенны выполняют по интеггральной технологии, как и другие устройства СВЧ (делители мощности, фазовращателн, согласующие элементы), К достоинствам этого вида антенн относятся простота, сравнительно небольшие Рис.
10 15. Прямоугольные микрополосковые антенны с питанием коаксиаль- ной (а) н полосковой линией (б) объем и масса н низкопрофильность, т. е. малое аэродинамическое сопротивление при размещении на поверхности летающих объектов. Составными частями простейшего полоскового излучателя (рис 1О.!5) являются металлическая пластина г', экран д и диэлектрическое основание 2 (подложка). Форма металлических пластин-из- лучателей весьма разнообразна. Наиболее распространены пластины прямоугольной, круглой и эллиптической формы. Возбуждение пластин может осуществляться либо коаксиальной линией через отверстие в экране и подложке (рис.
10.15, а),либо полосковой линией в плоскости пластины (рис. 10.15, б). В первом случае экран коаксиального кабеля присоединяется к экрану, а центральный проводник пропускается через подложку и соединяется с металлической пластиной в специально подбираемой точке. Во втором случае возбуждение к точке питания подводится несимметричной полосковой линией, для чего в пластине делается соответствующий вырез (вырез не обязателен, если точка питания смещена к краю пластины).
В качестве диэлектрического основания обычно используются диэлектрики с параметрами: е,=2,5 —:100 и 1абж10-' —; —: — 1О-'. Толщина основания й может составлять (0,1 —:001)Х. Микрополосковые излучатели относятся к резонансным антеннам. Упрощенно можно считать, что объемный резонатор микрополоскового излучателя ограничен вертикальными стенками из идеального магнитопроводяшего материала, расположенными по периметру пластины. В прямоугольных микрополосковых антеннах обычно используется низший тип резонанса, при котором (.жк,/2, где Х,ж)о )/ е, — длина волны в полосковой линии передачи с шириной проводника ш<Х/2.
Составляющая электрического поля Е, в поперечном сечении полосковой линии (вдоль координаты у) между пластиной и экраном распределена почти равномерно, а в продольном (вдоль координаты х) — по синусоидальному закону с пучностями на краях пластины. Заметные отклонения от такого идеализированного распределения наблюдаются только вблизи углов пластины и в окрестностях точки питания. Модель излучающей системы микрополосковой антенны можно строить различными способами.
Например, можно учесть поверхностные электрические токи, текущие по пластине и по экрану, а также вертикальные токи электрической поляризации в диэлектрике подложки. Однако нахождение распределения излучающих электрических токов представляет сложную электродинамическую задачу и область растекания этих токов заметно превышает размеры пластины. Поэтому такая модель излучающей системы используется сравнительно редко, в основном при стремлении учесть конечные размеры экрана по методу физической оптики. Чаще применяют более простую модель излучающей системы, согласно которой микрополосковая антенна трактуется как эквивалентная и1елевпя антенна в плоском бесконечном экране без диэлектрика.
Специальные исследования подтвердили, что точность этой модели вполне достаточна для понимания принципа действия антенны и ориентировочных расчетов поля излучения. Форма эквивалентной щели полагается совпадающей с формой краев металлической пластины. На рис. 10.16 показано распределение магнитных токов /„" и У„" в эквивалентной щели, построенное исходя из картины распре- деления поля Й, в резонаторе прямоугольной микрополосковой антенны. Главную роль в формировании излучаемого поля играют равномерно распределенные синфазные токи 7ми, и 7миа, создающие линейно поляризованное излучение с вектором Е, йараллельиым оси х.
Токи 7м т и 7маа содержат на каждой боковой стороне пластины по два противофазных участка, из- ППЛ ШШЩ[((((Н лучение которых в значительной степени взаимно компенсируется (точная компеп ~ум кз ласковой антенны. !1!ВВь л аИ!11! а!п и га(6, гр)=созе з)ц гр — —— и Рнс. 10.16. Распределение магннтиыл токов в пгслевом излучателе, эквивалентном мнкрополосковпя антенне Ут (6, ~Р) =-соз э соз ~Р соз 6 — — Х впи и (асс Мп В)а Х пз — (6еЕ сов В)з где и=0,5регпз(пОсоззр; о=0,5реЕ,созО; ра=2п/)гп. В выражении для ), первый член в скобках соответствует излучению двух торцевых щелей с равномерным распределением магнитного така, второй член — излучению боковых щелей. Напомним, что размер Е должен определяться из условия резонанса, т.
е. из соотношения (.ж ж0,5ле/3' е,. Характерный вид ДН прямоугольной микрополосковой антенны изображен на рис. !0.17. Из-за совместного участия в излучении двух торцевых щелей КНД прямоугольной микрополосковой антенны получается несколько выше, чем КНД односторонней полуволновой щелевой антенны, и составляет 3,5 — 7,0 (меньшим значениям КНД соответствуют более высокие значения диэлектрической проницаемости подложки, уменьшающие размеры пластины и снижающие направленность).
При оценке КПД полосковых антенн следует учитывать трн вида потерь мощности: 1) омические потери в пластине и экране; 2) потери в неидеальномдиэлектрикеподложки; 3) ответвлениечасти подводимой к антенне мощности в возникающую поверхностную волну (диэлектрическая подложка на экране представляет собой замедляющую структуру, способную поддерживать такую волну). Совместное действие трех факторов снижает КПД до 50 — 80%, причем меньшие значения соответствуют более тонким подложкам. Существенным недостатком одиночного микрополоскового излучателя является узкополосность, связанная с резонансным механизмом действия антенны. Установлено, что добротность квадратной микрополосковой антенны без учета омических потерь — так называемую добротность излучения — можно приближенно оценить с помощью соотношения 1,)к= е>г)(йо/(!бп) ), где ь) — КНД; й — толщина подложки.
Характерные значения добротности излучения для одиночных излучателей составляют 30 — 80. Входное сопротивление микрополоскового излучателя легко регулируется подбором положения точки питания. Входное сопротивление антенны прямоугольной формы максимально при питании на краю (несколько сотен ом) и изменяется пропорционально множителю з)пт (па/Ц при Рпг, 10.17. ЛН микрополосконой антенны с прямоугольной пластиной в плоскости Е (и) и в плоскости Н 16): експеиииеит> — — — расчет расположении точки питания на расстоянии а от центра антенны. Выбор правильного положения точки питания при сохранении настройки на резонанс избавляет от необходимости применять отдельные согласующие устройства.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
