Radarové antény

Štěrbinová anténa

Ve frekvenčním rozsahu od 300 MHz do 25 GHz se používají štěrbinové zářiče nebo štěrbinové antény. Ty se často používají v navigačních radarech, obvykle ve formě vlnovodného pole. Dříve se stejný princip používal u velkých fázovaných antén, protože štěrbinové zářiče jsou levným způsobem, jak sestavit frekvenční skenovací pole. Vysílače, které tvoří štěrbinovou anténu, jsou podlouhlé štěrbiny o délce asi λ/2, vyříznuté do vodivé desky (na kterou se pohlíží jako na nekonečný vodivý materiál) a buzené ve středu. Podle Babinetova principu má taková štěrbina vlastnosti rezonančního zářiče. Jacques Babinet (1794 - 1872) byl francouzský fyzik a matematik, který formuloval větu, že difrakční obrazce komplementárních obrazovek jsou identické (Babinetův princip). Podle této věty budou vyzařovací vlastnosti štěrbiny stejné jako vyzařovací vlastnosti náhradního dipólu stejných rozměrů. Polarizace štěrbinové antény je lineární. Pole vyzařovaná štěrbinovou anténou jsou téměř shodná s poli dipólové antény, pouze se mění složky polí: vektor elektrického pole vyzařovaný vertikální štěrbinovou anténou je orientován horizontálně, zatímco vertikální dipól vyzařuje pole se svislou orientací vektoru elektrického pole.

Obrázek 2. Možnosti širokopásmové štěrbinové antény

Impedance štěrbinové antény (Z_s) je prostřednictvím spoje spojena s impedancí doplňkové dipólové antény (Z_d):

Z toho vyplývá, že Z_s = 485 Ω.

Šířka pásma úzké obdélníkové štěrbiny se rovná šířce pásma vzájemného pomocného dipólu a je rovna polovině šířky pásma válcového dipólu, jehož průměr je roven šířce štěrbiny. Na obrázku 2 jsou znázorněny štěrbinové antény, jejichž tvar je jiný než obdélníkový, což vede k rozšíření jejich šířky pásma.

Obrázek 2. Možnosti širokopásmové štěrbinové antény

Ačkoli teorie štěrbinových zářičů předpokládá nekonečně široké vodivé plochy se štěrbinami, výsledky jsou v praxi přijatelné, pokud je plocha povrchu větší než čtverec vlnové délky. Štěrbinovou anténu lze napájet běžným dvouvodičovým vedením. Impedance závisí na místě připojení napájení, stejně jako u dipólu. Hodnota impedance 485 Ω odpovídá pouze případu, kdy se přívodní bod nachází ve středu štěrbiny. Přesunutím napájecího bodu ze středu na konec se impedance postupně snižuje.

Štěrbinové antény mají celou řadu aplikací. Lze je použít místo dipólových antén, pokud je například požadována polarizace kolmá k podélné ose vysílače. Pokud je dipól použit k napájení parabolické antény, která tvoří vertikálně orientovaný vějířový diagram, ale s horizontální polarizací, musí být dipól horizontálně polarizován. To znamená, že části povrchu parabolického reflektoru v blízkosti okrajů obdrží zanedbatelné množství záření, zatímco značná část energie se bude pohybovat nad a pod reflektorem, a tím se ztratí. Kromě toho dipól zasahuje do roviny, kde je v ohnisku parabolického reflektoru požadován bodový zdroj záření. Na druhou stranu, pokud je dipól nahrazen štěrbinovou anténou, výše uvedené nevýhody se neprojeví.

Obrázek 3: Různé polohy štěrbin ve stěnách vlnovodu

Štěrbiny ve vlnovodu

Obrázek 3: Různé polohy štěrbin ve stěnách vlnovodu

Antény s vlnovodnými štěrbinami představují ekonomický způsob konstrukce anténních polí. Poloha, tvar a orientace štěrbin určují, jakým způsobem budou vyzařovat a zda vůbec budou vyzařovat. Na obrázku 3 je znázorněn průřez obdélníkovým vlnovodem, kde červené čáry znázorňují okamžité rozložení proudu podél stěn vlnovodu. Pokud je ve stěnách vlnovodu vyříznuta štěrbina, bude tento proud do určité míry záviset na poloze štěrbiny. Pokud je šířka štěrbiny dostatečně malá, štěrbiny B a C (obrázek 3) mají na rozložení proudu malý vliv. Tyto dvě štěrbiny nevyzařují (nebo vyzařují, ale slabě). Štěrbiny A a D představují překážky v cestě proudu. Proud tedy působí jako systém, který štěrbinu excituje, a štěrbina působí jako zářič. Protože se vlny ve vlnovodu šíří v určitém směru, bude se ve stejném směru pohybovat i vzor rozložení proudu. Z tohoto důvodu se bude rozdíl potenciálů na koncích štěrbiny plynule měnit (v závislosti na frekvenci pole ve vlnovodu). Výkon vyzařovaný štěrbinou lze měnit přiblížením štěrbiny k okraji nebo oddálením od něj. Štěrbiny A a D na obrázku 3 se nacházejí v místech, kde je proud maximální, a proto je jejich vztah k vysokofrekvenční energii šířící se podél vlnovodu nejsilnější. Chcete-li ji snížit, můžete například štěrbinu A posunout blíže k jedné z krátkých stěn vlnovodu. Stejný účinek má i otočení štěrbiny (změna úhlu orientace mezi štěrbinami A a B nebo C a D). Vliv úhlu natočení θ štěrbiny na intenzitu jejího záření je vyjádřen činitelem přibližně rovným sin²θ.

Obrázek 4: Základní geometrie štěrbinové vlnovodné antény (štěrbinové zářiče jsou umístěny na široké stěně obdélníkového vlnovodu).

Vlnovodová štěrbinová anténa

Obrázek 4: Základní geometrie štěrbinové vlnovodné antény (štěrbinové zářiče jsou umístěny na široké stěně obdélníkového vlnovodu).

Několik štěrbinových zářičů ve vlnovodu tvoří anténní soustavu. Vlnovod funguje jako přenosové vedení, které napájí vyzařovací prvky. Aby bylo možné vyzařovat se správnou fází, musí být všechny jednotlivé štěrbiny prořezány s vlnovou délkou charakteristickou pro vlnovod (vlnová délka ve vlnovodu). Vlnová délka ve vlnovodu se liší od vlnové délky ve volném prostoru a závisí na velikosti široké stěny a obdélníkového vlnovodu. Obvykle se tato vlnová délka pro typ vlny H₁₀-Mode vypočítá podle rovnice:

Obrázek 5: Základní geometrie štěrbinové vlnovodné antény se šikmými štěrbinami na úzké stěně vlnovodu

a  - délka široké stěny obdélníkového vlnovodu;
λ_h - vlnová délka ve vlnovodu;
λ  - vlnová délka ve volném prostoru. (2)

Obrázek 5: Základní geometrie štěrbinové vlnovodné antény se šikmými štěrbinami na úzké stěně vlnovodu

Vlnová délka ve vlnovodu je větší než vlnová délka ve volném prostoru. Vzdálenost mezi štěrbinovými zářiči je nastavena na takovou vlnovou délku, která je o něco větší než vlnová délka λ ve volném prostoru. To má negativní vliv na počet a úroveň postranních laloků. Zářezy se často řežou střídavě doprava a doleva (aby se snížila elektrická vazba). Pokud jsou drážky vyříznuty v úzké stěně vlnovodu, může se stát, že šířka této stěny je menší než požadovaná délka rezonančního zářiče. V takovém případě může zářez přesahovat okraj vlnovodu, a tím do určité míry ovlivňovat širokou stěnu vlnovodu (stěna A). V praxi se tyto štěrbiny uzavírají tenkou vrstvou izolačního materiálu (pro ochranu vnitřních stěn vlnovodu). Tento materiál nesmí být hygroskopický a musí být chráněn před přírodními a klimatickými vlivy.

Obrázek 6: Štěrbinová anténa pro námořní radar v pásmu S, exponát polské námořní školy.

Obrázek 6: Štěrbinová anténa pro námořní radar v pásmu S, exponát polské námořní školy.

Jednoduchý úzkoštěrbinový zářič musí pracovat také při frekvencích v rozmezí ±5 … ±10 % své rezonanční frekvence. U anténních soustav toho není snadné dosáhnout. Taková anténní soustava odpovídá přesně jedné frekvenci, která je určena přesnou vzdáleností λ_h, pro kterou je anténa optimalizována. Pokud se změní kmitočet tvaru vlny, je tato vzdálenost nesprávná, což vede ke zhoršení výkonu antény. Fázový rozdíl vznikající mezi vyzařujícími prvky se po délce antény kumuluje a dosahuje nepřijatelných hodnot. Taková anténa začne „šilhat“, tj. její směrový diagram se odchýlí od optické osy. Tento efekt však lze využít, například pokud je při změně frekvence vysílače vyžadováno skenování anténního svazku.

Tento typ radarové antény se často používá v navigačních radarech. Aby se zvětšila efektivní plocha antény (apertura), je celý úsek vlnovodu se štěrbinovými zářiči zabalen do jakéhosi předimenzovaného rohového zářiče (viz obr. 6). Tím se zlepší směrovost ve vertikální rovině a zvýší se zisk antény. Tento typ antény vytváří vějířovitý obraz: extrémně úzký v bočním úhlu, relativně široký (20° až 25°) ve výškovém úhlu.