www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Щелевая антенна

питание

Рисунок 1. Длина щели определяет резонансную частоту, ширина щели определяет ширину полосы частот щелевого излучателя.

питание

Рисунок 1. Длина щели определяет резонансную частоту, ширина щели определяет ширину полосы частот щелевого излучателя.

Щелевая антенна

Щелевые излучатели или щелевые антенны используются в диапазоне частот от 300 МГц до 25 ГГц. Они часто применяются в навигационных радиолокаторах, как правило, в виде решетки, запитываемой от волновода. Ранее этот же принцип использовали в больших фазированных антенных решетках, поскольку щелевые излучатели – это малозатратный способ построить решетку с частотным сканированием. Излучатели, из которых состоит щелевая антенна, представляют собой вытянутую щель длиной около λ/2, прорезанную в проводящей пластине (которая рассматривается как бесконечный проводящий лист), и возбуждаемую по центру. В соответствии с принципом Бабине такая щель обладает свойствами резонансного излучателя. Жак Бабине (Jacques Babinet) (1794 – 1872) был французским физиком и математиком, сформулировавшим теорему о том, что дифракционные картины для взаимно дополнительных экранов одинаковы (принцип Бабине). Согласно этой теореме излучающие свойства щели будут такими же, как и излучающие свойства замещающего диполя таких же размеров. Поляризация щелевой антенны – линейная. Поля, излучаемые щелевой антенной, являются почти одинаковыми с полями, излучаемыми дипольной антенной, за исключением того, компоненты полей меняются: вектор электрического поля, излучаемого вертикальной щелью, ориентирован горизонтально, а вертикальный диполь излучает поле с вертикальной ориентацией вектора электрического поля.

Импеданс щелевой антенны (Zs) связан с импедансом взаимно дополнительной дипольной антенны (Zd) соотношением:

Zd · Zs = η2/4 где Zs – импеданс щелевой антенны;
Zd – импеданс дипольной антенны;
η  – волновое сопротивление свободного пространства.
(1)

Отсюда следует, что Zs = 485 Ом.

Полоса частот узкой прямоугольной щели равна полосе частот взаимного дополнительного диполя и равна половине полосы частот цилиндрического диполя, диаметр которого равен ширине щели. На Рисунке 2 изображены щелевые антенны, форма которых отличается от прямоугольной, что приводит к расширению их полосы частот.

Рисунок 2. Варианты широкополосной щелевой антенны

Рисунок 2. Варианты широкополосной щелевой антенны

Хотя теория щелевых излучателей рассматривает бесконечно протяженные проводящие поверхности, в которых прорезаны щели, на практике отклонение от полученных с ее помощью результатов становится приемлемым, когда площадь поверхности больше квадрата длины волны. Питание щелевой антенны может быть выполнено при помощи обычной двухпроводной линии. Импеданс зависит от точки подключения питания, как и в случае диполя. Значение импеданса 485 Ом соответствует только случаю, когда точка подключения питания находится в центре щели. Смещение точки питания от центра к краю постепенно уменьшает импеданс.

Щелевые антенны имеют разнообразные применения. Они могут использоваться взамен дипольных антенн, например, если требуется поляризация, перпендикулярная продольной оси излучателя. Если диполь используется для питания параболической антенны для формирования вертикально ориентированной веерной диаграммы направленности, но с горизонтальной поляризацией, то такой диполь должен иметь горизонтальную поляризацию. Это будет означать, что близкие к краям части поверхности параболического отражателя будут облучаться незначительно, в то время как существенная часть мощности пройдет выше и ниже отражателя и, таким образом, будет потеряна. Кроме того, диполь будет протяжен в той плоскости, где требуется иметь точечный источник излучения в фокусе параболического отражателя. Если же диполь заменить щелевой антенной, то описанные недостатки не возникают.

Щели в волноводе

Рисунок 3. Различные положения щелей на стенках волновода

Рисунок 3. Различные положения щелей на стенках волновода

Щелевые антенны в волноводах представляют собой экономичный способ конструирования антенных решеток. Положение, форма и ориентация щелей будут определять, как они будут излучать, и будут ли излучать вообще. На Рисунке 3 изображен фрагмент прямоугольного волновода, где красными линиями показано мгновенное распределение тока на стенках волновода. Если в стенках волновода прорезать щель, то этот ток будет в той или иной степени зависеть от положения щели. Если ширина щелей достаточно мала, то щели В и С (Рисунок 3) будут иметь слабое влияние на распределение тока. Эти две щели не будут излучать (или будут, но очень слабо). Щели А и D являются препятствиями на пути тока. Таким образом, ток действует как возбуждающая система для щели, а она работает как излучатель. Поскольку волны в волноводе распространяются в определенном направлении, то и рисунок распределения тока будет перемещаться в том же направлении. По этой причине разность потенциалов на краях щели будет постоянно меняться (в зависимости от частоты поля в волноводе). Мощность, излучаемая щелью, можно изменять перемещением щели ближе к краю или дальше от него. Щели А и D (Рисунок 3) расположены в местах максимума тока и поэтому их связь с высокочастотной энергией, распространяющейся по волноводу, наиболее сильная. Для ее уменьшения можно, например, сместить щель А ближе к одной из коротких стенок волновода. Поворот щели (изменение угла ориентации между щелями А и В или щелями С и D) имеет тот же эффект. Влияние угла поворота θ щели на интенсивность ее излучения выражается множителем, приблизительно равным sin2θ.

Волноводно-щелевые антенны

Рисунок 4. Базовая геометрия волноводно-щелевой антенны (щелевые излучатели находятся на широкой стенке прямоугольного волновода)

Рисунок 4. Базовая геометрия волноводно-щелевой антенны (щелевые излучатели находятся на широкой стенке прямоугольного волновода)

Несколько щелевых излучателей в волноводе образуют групповую антенну. Волновод выступает в роли линии передачи для питания излучающих элементов. Для излучения с корректной фазой все единичные щели должны быть прорезаны на расстоянии длины волны, присущей данному волноводу (длина волны в волноводе). Длина волны в волноводе отличается от длины волны в свободном пространстве и зависит от размера широкой стенки а прямоугольного волновода. Обычно эту длину волны для волны типа TE₁₀ рассчитывают по формуле:

a  – длина широкой стенки прямоугольного волновода;
λh – длина волны в волноводе;
λ  – длина волны в свободном пространстве.
(2)

Рисунок 5. Базовая геометрия волноводно-щелевой антенны с наклоненными щелями на узкой стенке волновода

Рисунок 5. Базовая геометрия волноводно-щелевой антенны с наклоненными щелями на узкой стенке волновода

Длина волны в волноводе превышает длину волны в свободном пространстве. Расстояние между щелевыми излучателями устанавливается по этой длине волны, которая несколько больше, чем длина волны λ в свободном пространстве. Это отрицательно сказывается на количестве и уровне боковых лепестков. Часто щели прорезают, смещая их попеременно вправо и влево (для уменьшения электрической связи). Если прорезать щели в узкой стенке волновода, то может оказаться, что ширина этой стенки меньше необходимой длины резонансного излучателя. В таком случае щель может заходить за грань волновода и, таким образом, несколько затрагивать и широкую стенку волновода (А-стенку). На практике эти щели закрываются тонким слоем изоляционного материала (для защиты внутренних стенок волновода). Такой материал не должен быть гигроскопичным и должен быть защищен от воздействия природно-климатических факторов.

Одиночный узкий щелевой излучатель должен работать также на частотах в диапазоне ±5…±10% от его резонансной частоты. Для антенных решеток обеспечить это не так легко. Такая групповая антенна точно соответствует одной частоте, которая определяется точным расстоянием λh, для которого эта антенна оптимизирована. Если частота волны меняется, то это расстояние становится некорректным, что приводит к ухудшению характеристик антенны. Разность фаз, возникающая между излучающими элементами, накапливается по длине антенны и доходит до недопустимых значений. Такая антенна начинает «косить», то есть ее диаграмма направленности отклоняется от оптической оси. Однако такой эффект можно использовать, например, если требуется обеспечить сканирование луча антенны при изменении частоты передатчика.


Sponsors: