Основи на радиолокацията

Процепна антена

В честотния диапазон от 300 MHz до 25 GHz се използват процепни излъчватели или процепни антени. Те често се използват в навигационните радари, обикновено под формата на решетка, захранвана от вълновод. Преди това същият принцип се използваше в големи фазирани антенни решетки, тъй като процепните излъчватели са евтин начин за изграждане на честотно сканираща решетка. Излъчвателите, от които се състои процепната антена, представляват продълговат процеп с дължина около λ/2, изрязан в проводяща плоча (която се разглежда като безкраен проводящ материал) и възбуден в центъра. Според принципа на Бабине такъв процеп има свойствата на резонансен радиатор. Жак Бабине (Jacques Babinet) (1794 - 1872) е френски физик и математик, който формулира теоремата, че дифракционните модели на взаимно допълващи се екрани са еднакви (принцип на Бабине). Съгласно тази теорема излъчващите свойства на процепа ще бъдат същите като излъчващите свойства на заместващия дипол със същите размери. Поляризацията на процепната антена е линейна. Полетата, излъчвани от процепната антена, са почти идентични с тези на диполната антена, с изключение на това, че компонентите на полетата се променят: векторът на електрическото поле, излъчван от вертикалната процепна антена, е ориентиран хоризонтално, докато вертикалният дипол излъчва поле с вертикална ориентация на вектора на електрическото поле.

Импедансът на процепната антена (Z_s) се свързва с импеданса на взаимно допълващата се диполна антена (Z_d) чрез връзката:

От това следва, че Z_s = 485 Ω.

Честотната лента на тесен правоъгълен процеп е равна на честотната лента на взаимен спомагателен дипол и е равна на половината от честотната лента на цилиндричен дипол, чийто диаметър е равен на ширината на процепа. На Изображение 2 са показани процепни антени, чиято форма е различна от правоъгълна, което води до разширяване на честотната им лента.

Изображение 2. Варианти за широколентова процепна антена

Изображение 2. Варианти за широколентова процепна антена

Въпреки че в теорията на процепните излъчватели се предполагат безкрайно широки проводящи повърхности с процепи, резултатите стават приемливи на практика, когато площта на повърхността е по-голяма от квадрата на дължината на вълната. Слот антената може да се захранва с конвенционална двупроводна линия. Импедансът зависи от точката на свързване на захранването, както при дипол. Стойността на съпротивлението от 485 Ω съответства само на случая, когато точката на свързване на захранването е в центъра на процепа. Преместването на точката на захранване от центъра към края постепенно ще намали импеданса.

Антените с процепи имат разнообразни приложения. Те могат да се използват за замяна на диполни антени, например ако се изисква поляризация, перпендикулярна на надлъжната ос на предавателя. Ако дипол се използва за захранване на параболична антена, за да се образува вертикално ориентирана ветрилообразна диаграма, но с хоризонтална поляризация, диполът трябва да бъде хоризонтално поляризиран. Това означава, че близките до ръба части на повърхността на параболичния рефлектор ще получат незначително облъчване, докато значителна част от енергията ще се движи над и под рефлектора и по този начин ще бъде загубена. Освен това диполът ще се простира в равнината, където е необходим точков източник на излъчване във фокуса на параболичния отражател. От друга страна, ако диполът се замени с процепна антена, горните недостатъци не се проявяват.

Процепи във вълновода

Изображение 3: Различни позиции на процепите по стените на вълновода

Изображение 3: Различни позиции на процепите по стените на вълновода

Вълноводно-процепни антени са икономичен начин за проектиране на антенни решетки. Позицията, формата и ориентацията на процепите определят начина, по който те ще излъчват, и дали изобщо ще излъчват. На изображение 3 е показан разрез на правоъгълен вълновод, където червените линии показват моментното разпределение на тока по стените на вълновода. Ако в стените на вълновода е изрязан процеп, този ток ще зависи до известна степен от положението на процепа. Ако ширината на процепите е достатъчно малка, процепите В и С (Изображение 3) ще имат малък ефект върху разпределението на тока. Тези два процепа няма да излъчват (или ще излъчват, но слабо). Процепите A и D са препятствия по пътя на тока. По този начин токът действа като система за възбуждане на процепа, а процепът действа като излъчвател. Тъй като вълните във вълновода се разпространяват в определена посока, моделът на разпределение на тока ще се движи в същата посока. Поради тази причина потенциалната разлика в краищата на процепа ще се променя постоянно (в зависимост от честотата на полето във вълновода). Мощността, излъчвана от процепа, може да се променя чрез приближаване на процепа към ръба или отдалечаване от него. Процепите A и D на изображение 3 са разположени там, където токът е максимален и следователно връзката им с високочестотната енергия, разпространяваща се по вълновода, е най-силна. За да го намалите, можете например да преместите процепа А по-близо до една от късите стени на вълновода. Завъртането на процепа (промяна на ъгъла на ориентация между процепите A и B или C и D) има същия ефект. Влиянието на ъгъла на завъртане θ на един процеп върху интензитета на излъчването му се изразява с множител, приблизително равен на sin²θ.

Вълноводно-процепна антена

Изображение 4: Основна геометрия на антена с вълновод и процеп (излъчвателите на процепа са разположени на широката стена на правоъгълен вълновод)

Изображение 4: Основна геометрия на антена с вълновод и процеп (излъчвателите на процепа са разположени на широката стена на правоъгълен вълновод)

Няколко процепни излъчвателя във вълновода образуват антенна решетка. Вълноводът действа като предавателна линия, която захранва излъчващите елементи. За да се излъчва с правилната фаза, всички единични прорези трябва да бъдат прорязани с дължина на вълната, характерна за вълновода (дължина на вълната във вълновода). Дължината на вълната във вълновода се различава от дължината на вълната в свободното пространство и зависи от размера на широката стена a на правоъгълния вълновод. Обикновено тази дължина на вълната за тип вълна TE₁₀ се изчислява по формулата:

a  — дължината на широката стена на правоъгълния вълновод;
λ_h — дължина на вълната във вълновода;
λ  — дължината на вълната в свободното пространство. (2)

Изображение 5: Основна геометрия на антена с вълноводен процеп с наклонени процепи на тясната стена на вълновода

Изображение 5: Основна геометрия на антена с вълноводен процеп с наклонени процепи на тясната стена на вълновода

Дължината на вълната във вълновода превишава дължината на вълната в свободното пространство. Разстоянието между излъчвателите с прорези е определено на тази дължина на вълната, която е малко по-голяма от дължината на вълната λ в свободното пространство. Това има отрицателен ефект върху броя и нивото на страничните лобове. Прорезите често се изрязват, като се преместват последователно надясно и наляво (за да се намали електрическото свързване). Ако в тясна стена на вълновода са изрязани прорези, може да се окаже, че ширината на тази стена е по-малка от необходимата дължина на резонансния излъчвател. В такъв случай прорезът може да се простира отвъд ръба на вълновода и по този начин да засегне донякъде и широката стена на вълновода (стена А). На практика тези прорези се затварят с тънък слой изолационен материал (за да се защитят вътрешните стени на вълновода). Този материал не трябва да е хигроскопичен и трябва да е защитен от природни и климатични фактори.

Излъчвателят с единичен тесен процеп трябва също да работи на честоти в рамките на ±5 … ±10 % от резонансната си честота. При антенните решетки това не е лесно да се постигне. Такава групова антена съответства точно на една честота, която се определя от точното разстояние λ_h, за което антената е оптимизирана. Ако честотата на формата на вълната се промени, това разстояние става неправилно, което води до влошаване на работата на антената. Фазовата разлика, възникваща между излъчващите елементи, се натрупва по дължината на антената и достига неприемливи стойности. Такава антена започва да се «изкривява», т.е. нейната насочена диаграма се отклонява от оптичната ос. Въпреки това този ефект може да се използва, например ако е необходимо сканиране на лъча на антената при промяна на честотата на предавателя.