Anteny radarowe

Antena szczelinowa

W zakresie częstotliwości od 300 MHz do 25 GHz stosowane są promienniki szczelinowe lub anteny szczelinowe. Są one często stosowane w radarach nawigacyjnych, zwykle w postaci matrycy falowodowej. Wcześniej ta sama zasada była wykorzystywana w dużych antenach typu phased array, ponieważ radiatory szczelinowe są tanim sposobem na zbudowanie matrycy skanującej częstotliwość. Emitery tworzące antenę szczelinową to wydłużona szczelina o długości około λ/2, wycięta w płycie przewodzącej (którą rozpatrujemy jako nieskończony materiał przewodzący) i wzbudzona w środku. Zgodnie z zasadą Babińskiego, taka szczelina ma właściwości grzejnika rezonansowego. Jacques Babinet (1794 - 1872) był francuskim fizykiem i matematykiem, który sformułował twierdzenie, że wzory dyfrakcyjne komplementarnych ekranów są identyczne (zasada Babina). Zgodnie z tym twierdzeniem właściwości emisyjne szczeliny będą takie same jak właściwości emisyjne dipola zastępczego o tych samych wymiarach. Polaryzacja anteny szczelinowej jest liniowa. Pola promieniowane przez antenę szczelinową są niemal identyczne jak w przypadku anteny dipolowej, z tym że zmieniają się składowe pól: wektor pola elektrycznego promieniowany przez pionową antenę szczelinową jest zorientowany poziomo, natomiast pionowy dipol promieniuje pole o pionowej orientacji wektora pola elektrycznego.

Obraz 2. Warianty szerokopasmowej anteny szczelinowej

Impedancja anteny szczelinowej (Z_s) jest sprzężona z impedancją uzupełniającej anteny dipolowej (Z_d) poprzez łącze:

Wynika z tego, że Z_s = 485 Ω.

Szerokość pasma wąskiej prostokątnej szczeliny jest równa szerokości pasma wzajemnego dipola pomocniczego i jest równa połowie szerokości pasma dipola cylindrycznego, którego średnica jest równa szerokości szczeliny. Na rysunku 2 przedstawiono anteny szczelinowe, których kształt jest inny niż prostokątny, co powoduje rozszerzenie ich pasma przenoszenia.

Obraz 2. Warianty szerokopasmowej anteny szczelinowej

Chociaż teoria promienników szczelinowych zakłada nieskończenie szerokie powierzchnie przewodzące ze szczelinami, wyniki stają się akceptowalne w praktyce, gdy powierzchnia jest większa od kwadratu długości fali. Antena szczelinowa może być zasilana konwencjonalną linią dwuprzewodową. Impedancja zależy od miejsca podłączenia zasilania, tak jak w przypadku dipola. Wartość impedancji 485 Ω odpowiada jedynie przypadkowi, w którym punkt podłączenia zasilania znajduje się w centrum szczeliny. Przesunięcie punktu zasilania ze środka na koniec spowoduje stopniowe zmniejszenie impedancji.

Anteny szczelinowe mają wiele zastosowań. Można nimi zastąpić anteny dipolowe, jeśli np. wymagana jest polaryzacja prostopadła do osi podłużnej nadajnika. Jeśli dipol jest używany do zasilania anteny parabolicznej, aby utworzyć pionowo zorientowany wykres wentylatora, ale z polaryzacją poziomą, dipol musi być spolaryzowany poziomo. Oznacza to, że części powierzchni parabolicznego reflektora w pobliżu krawędzi otrzymają znikome napromieniowanie, natomiast znaczna część energii przemieści się powyżej i poniżej reflektora, a tym samym zostanie utracona. Dodatkowo dipol będzie się rozciągał na płaszczyznę, gdzie w ognisku reflektora parabolicznego wymagane jest punktowe źródło promieniowania. Z drugiej strony, jeśli dipol zostanie zastąpiony anteną szczelinową, powyższe wady nie ujawniają się.

Obraz 3: Różne położenia szczelin w ścianach falowodu

Schlitze in Hohlleitern

Obraz 3: Różne położenia szczelin w ścianach falowodu

Anteny falowodowe są ekonomicznym sposobem projektowania matryc antenowych. Położenie, kształt i orientacja szczelin decydują o tym, jak będą promieniować i czy w ogóle będą promieniować. Na rysunku 3 przedstawiono przekrój prostokątnego falowodu, gdzie czerwone linie pokazują chwilowy rozkład prądu wzdłuż ścian falowodu. Jeżeli w ściankach falowodu zostanie wycięta szczelina, to prąd ten będzie w pewnym stopniu zależał od położenia szczeliny. Jeśli szerokość szczeliny jest wystarczająco mała, to szczeliny B i C (rysunek 3) będą miały niewielki wpływ na rozkład prądu. Te dwie szczeliny nie będą promieniować (lub będą promieniować, ale słabo). Szczeliny A i D są przeszkodami na drodze prądu. Zatem prąd działa jak układ wzbudzający szczelinę, a szczelina działa jak emiter. Ponieważ fale w falowodzie rozchodzą się w określonym kierunku, wzór rozkładu prądu będzie poruszał się w tym samym kierunku. Z tego powodu różnica potencjałów na końcach szczeliny będzie się zmieniać w sposób ciągły (w zależności od częstotliwości pola w falowodzie). Moc wypromieniowywaną ze szczeliny można zmieniać, przesuwając szczelinę bliżej krawędzi lub dalej od niej. Szczeliny A i D na obrazie 3 znajdują się tam, gdzie prąd jest maksymalny, a zatem ich związek z energią wysokiej częstotliwości propagującą się wzdłuż falowodu jest najsilniejszy. Aby go zmniejszyć, można np. przesunąć szczelinę A bliżej jednej z krótkich ścianek falowodu. Obrót szczeliny (zmiana kąta orientacji między szczelinami A i B lub C i D) daje ten sam efekt. Wpływ kąta obrotu θ szczeliny na intensywność jej promieniowania wyraża się współczynnikiem w przybliżeniu równym sin²θ.

Obraz 4: Podstawowa geometria anteny falowodowej (promienniki szczelinowe znajdują się na szerokiej ścianie prostokątnego falowodu)

Falowodowa antena szczelinowa

Obraz 4: Podstawowa geometria anteny falowodowej (promienniki szczelinowe znajdują się na szerokiej ścianie prostokątnego falowodu)

Kilka promienników szczelinowych w falowodzie tworzy matrycę antenową. Falowód działa jak linia transmisyjna, która zasila elementy promieniujące. Aby promieniować z prawidłową fazą, wszystkie pojedyncze szczeliny muszą być szczelinami o długości fali charakterystycznej dla falowodu (długość fali w falowodzie). Długość fali w falowodzie różni się od długości fali w wolnej przestrzeni i zależy od rozmiaru szerokiej ścianki a falowodu prostokątnego. Zazwyczaj długość tej fali dla fali typu H₁₀ oblicza się według równania:

Obraz 5: Podstawowa geometria anteny szczelinowej z ukośnymi szczelinami na wąskiej ściance falowodu

a  - długość szerokiej ściany falowodu prostokątnego;
λ_h - długość fali w falowodzie
λ  - długość fali w wolnej przestrzeni. (2)

Obraz 5: Podstawowa geometria anteny szczelinowej z ukośnymi szczelinami na wąskiej ściance falowodu

Długość fali w falowodzie przekracza długość fali w wolnej przestrzeni. Odległość między promiennikami szczelinowymi jest ustawiona na taką długość fali, która jest nieco większa od długości fali λ w wolnej przestrzeni. Ma to negatywny wpływ na liczbę i poziom płatów bocznych. Nacięcia często wycina się przesuwając je na przemian w prawo i w lewo (w celu zmniejszenia sprzężenia elektrycznego). Jeśli szczeliny są wycięte w wąskiej ściance falowodu, może się okazać, że szerokość tej ścianki jest mniejsza niż wymagana długość emitera rezonansowego. W takim przypadku karb może wykraczać poza krawędź falowodu i tym samym w pewnym stopniu oddziaływać na szeroką ściankę falowodu (ściankę A). W praktyce szczeliny te są zamykane cienką warstwą materiału izolacyjnego (w celu ochrony wewnętrznych ścianek falowodu). Materiał ten nie może być higroskopijny i musi być chroniony przed czynnikami naturalnymi i klimatycznymi.

Rysunek 6: Antena szczelinowa do radaru morskiego w paśmie S, eksponat w polskiej szkole podchorążych morskich.

Rysunek 6: Antena szczelinowa do radaru morskiego w paśmie S, eksponat w polskiej szkole podchorążych morskich.

Pojedynczy wąski emiter szczelinowy powinien również działać przy częstotliwościach w zakresie ±5 … ±10 % swojej częstotliwości rezonansowej. W przypadku matryc antenowych nie jest to łatwe do osiągnięcia. Taka antena tablicowa odpowiada dokładnie jednej częstotliwości, która jest określona przez dokładną odległość λ_h, dla której antena jest optymalizowana. Jeśli częstotliwość fali zmienia się, odległość ta staje się nieprawidłowa, co powoduje pogorszenie wydajności anteny. Różnica faz powstająca pomiędzy elementami promieniującymi kumuluje się na długości anteny i osiąga wartości nieakceptowalne. Taka antena zaczyna się „mrużyć“, tzn. jej wykres kierunkowy odchyla się od osi optycznej. Efekt ten można jednak wykorzystać, np. gdy wymagane jest skanowanie wiązki antenowej przy zmianie częstotliwości nadajnika.

Ten typ anteny radarowej jest często stosowany w radarach nawigacyjnych. Aby zwiększyć efektywną powierzchnię anteny (aperturę) anteny, cały odcinek falowodu z promiennikami szczelinowymi upakowano w rodzaj przewymiarowanego promiennika tubowego (patrz rys. 6). Poprawia to kierunkowość w płaszczyźnie pionowej i zwiększa zysk anteny. Antena tego typu tworzy wzór wachlarzowy: niezwykle wąski w kącie bocznym, stosunkowo szeroki (20° do 25°) w kącie elewacji.