Principiile Radiolocaţiei

Antenă cu fantă

Radiatoarele cu fantă sau antenele cu fantă sunt antene utilizate în gama de frecvențe cuprinsă între aproximativ 300 MHz și 25 GHz. Acestea sunt adesea utilizate în radarele de navigație, de obicei sub forma unei rețele alimentate de un ghid de undă. Dar și vechile antene ale marilor aranjamente de reţele fazate au folosit acest principiu, deoarece radiatoarele cu fantă reprezintă o modalitate foarte ieftină de scanare a frecvenței rețelelor. Antenele cu fantă sunt formate dintr-o fantă alungită de aproximativ λ/2, tăiată într-o placă conductoare (se consideră o placă conductoare infinită) și excitată în centru. Această fantă se comportă conform principiului Babinet ca un radiator rezonant. Jacques Babinet (1794 - 1872) a fost un fizician și matematician francez, care a formulat teorema conform căreia două ecrane complementare produc modele de difracție similare (principiul lui Babinet). Acest principiu leagă câmpurile radiate și impedanța unei antene cu deschidere sau cu fantă de cea a câmpului unei antene dipol. Polarizarea unei antene cu fantă este liniară. Câmpurile antenei cu fantă sunt aproape identice cu cele ale antenei dipol, dar componentele câmpului sunt schimbate: o fantă verticală are un câmp electric orizontal, iar un dipol vertical are un câmp electric vertical.

Impedanța antenei cu fantă (Z_s) este legată de impedanța antenei dipol complementare (Z_d) prin relația:

Rezultă că Z_s = 485 Ω.

Lățimea de bandă a unei fante dreptunghiulare înguste este egală cu cea a dipolului aferent și este egală cu jumătate din lățimea de bandă a unui dipol cilindric cu un diametru egal cu lățimea fantei. Figura 2 prezintă diferite antene cu fantă de formă dreptunghiulară care mărește lățimea de bandă a antenei cu fantă.

Ilustrație 2: Diferite antene cu fantă de bandă largă.

Ilustrație 2: Diferite antene cu fantă de bandă largă.

Deși teoria necesită o suprafață conductoare de propagare infinită, abaterea de la valoarea teoretică este mică atunci când suprafața este mai mare decât pătratul lungimii de undă. Alimentarea antenei cu fantă poate fi realizată cu o linie comună cu două fire. Impedanța depinde de punctul de alimentare, ca la un dipol. Valoarea de 485 Ω se aplică numai la un punct de alimentare situat în centru. O schimbare a punctului de alimentare de la centru la margine scade constant impedanța.

Aplicația antenelor cu fantă poate fi versatilă. Acestea pot înlocui dipolii, de exemplu, dacă este necesară o polarizare perpendiculară pe direcția longitudinală a radiatorului. Dacă un dipol este utilizat pentru a alimenta o antenă parabolică pentru a genera un fascicul în evantai orientat vertical, dar polarizat orizontal, acel dipol trebuie să fie orientat orizontal. Acest lucru înseamnă că suprafețele marginale ale reflectorului parabolic nu vor fi iluminate suficient, dar se va pierde multă energie deasupra și dedesubtul reflectorului. În plus, lungimea dipolului este extinsă într-un plan, în care este nevoie de un punct ca sursă de radiație pentru focalizarea reflectorului parabolic. Dacă acest dipol este înlocuit cu o antenă cu fante, atunci aceste dezavantaje nu mai apar.

Fante în ghidurile de undă

Ilustrație 3: Diverse aranjamente ale fantelor într-un ghid de undă.

Ilustrație 3: Diverse aranjamente ale fantelor într-un ghid de undă.

Antenele cu fantă în ghiduri de undă oferă o modalitate rentabilă de proiectare a rețelelor de antene. Poziția, forma și orientarea fantelor vor determina modul în care (sau dacă) acestea radiază. Figura 3 prezintă un ghid de undă dreptunghiular cu o imagine instantanee desenată cu linii roșii a distribuției schematice a curentului pe pereții ghidului de undă. În cazul în care în pereți se taie fante, fluxul de curent va fi afectat mai mult sau mai puțin în funcție de locația fantei. În cazul în care fantele sunt suficient de înguste, fantele B și C (Fig. 3) vor avea o influență redusă asupra distribuției curentului. Aceste două sloturi nu radiază (sau radiază foarte puțin). Fantele A și D reprezintă bariere în calea fluxului de curent. Astfel, acest flux de curent acționează ca un sistem de excitație pentru fantă, această fantă acționând ca un radiator. Pe măsură ce unda din ghidul de undă avansează, aceste linii desenate migrează în direcția de propagare. Fanta obține un potențial de tensiune mereu alternativ la marginile fantei (în funcție de frecvența din ghidul de undă). Energia pe care o radiază fanta poate fi modificată prin apropierea sau îndepărtarea acestora de margine. Fantele A și D (așa cum sunt ilustrate în figura 3) au cel mai puternic cuplaj cu energia RF transportată în ghidul de undă. Pentru a reduce această cuplare, de exemplu, fanta A poate fi mutată mai aproape de unul dintre pereții mai scurți ai ghidului de undă. Rotirea fantelor ar avea același efect (un unghi între orientările A și B sau C și D). Cuplajul acestei fante rotite este un factor de aproximativ sin²θ al unghiului de rotație θ.

Antene cu ghid de undă cu fante

Ilustrație 4: Geometria de bază a unei antene cu ghid de undă cu fantă (radiatoarele cu fantă se află pe peretele mai larg al ghidului de undă dreptunghiular).

Ilustrație 4: Geometria de bază a unei antene cu ghid de undă cu fantă (radiatoarele cu fantă se află pe peretele mai larg al ghidului de undă dreptunghiular).

Mai multe radiatoare cu fante într-un ghid de undă formează o antenă de grup. Ghidul de undă este utilizat ca linie de transmisie pentru a alimenta elementele. Pentru a radia în faza corectă, toate fantele unice trebuie să fie tăiate la distanța de lungime de undă valabilă pentru interiorul ghidului de undă. Această lungime de undă diferă de lungimea de undă în spațiul liber și este o funcție de cea mai mare latură a a unui ghid de undă dreptunghiular. În mod obișnuit, această lungime de undă este calculată pentru modul TE₁₀ prin:

a  = lungimea laturii celei mai late a ghidurilor de undă dreptunghiulare
λ_h = lungimea de undă „ghidată“ (în interiorul ghidului de undă)
λ  = lungimea de undă în spațiul liber (2)

Ilustrație 5: Geometria de bază a unei antene de ghid de undă cu fante cu antene cu fante rotite pe peretele cel mai îngust.

Ilustrație 5: Geometria de bază a unei antene de ghid de undă cu fante cu antene cu fante rotite pe peretele cel mai îngust.

Lungimea de undă în interiorul ghidului de undă este mai mare decât în spațiul liber. La această lungime de undă, distanța dintre radiatoarele cu fantă din grup este ajustată la o valoare ușor mai mare decât lungimea de undă λ în spațiul liber. Numărul și mărimea lobilor laterali sunt afectate atât de nefavorabil. Fantele sunt de obicei fixate în stânga și în dreapta în mod excentric (cu cuplaj redus). În cazul în care este montat pe partea îngustă a ghidului de undă, se poate întâmpla ca lungimea radiatorului fantei rezonante să fie mai scurtă decât cea a peretelui. În acest caz, fanta poate fi, de asemenea, ghidată în jurul colțurilor și apoi, de asemenea, ușor pe partea A a ghidului de undă. În practică, toate aceste fante sunt acoperite cu un material izolator subțire (pentru protecția interiorului) al ghidului de undă. Este posibil ca acest material să nu fie higroscopic și trebuie protejat de condițiile meteorologice.

Un radiator cu o singură fantă îngustă poate funcționa, de asemenea, la frecvențe de ±5 … ±10% dincolo de frecvența de rezonanță. În cazul antenelor matrice, acest lucru nu este atât de ușor de realizat. O antenă din acest grup este fixată puternic la o singură frecvență, care este determinată de distanța exactă λ_h și pentru care antena a fost optimizată. Dacă frecvența este schimbată, aceste distanțe nu sunt corecte, iar performanța antenei scade. Diferența de fază care apare între elementele antenei se adaugă pe întreaga lungime a antenei până la valori care nu mai pot fi tolerate. Această antenă începe să se "ciupească", adică modelul de antenă se îndreaptă într-o direcție diferită de axa centrală optică. Acest efect poate fi, de asemenea, exploatat pentru a obține o pivotare electronică a fasciculului antenei în funcție de modificarea frecvenței de transmisie.