Основи радіолокації

Щілинна антена

Щілинні випромінювачі або щілинні антени використовуються в діапазоні частот від 300 МГц до 25 ГГц. Вони часто застосовуються в навігаційних радіолокаторах, як правило, у вигляді решітки, яка живиться від хвилеводу. Раніше цей же принцип використовували у великих фазованих антенних решітках, оскільки щілинні випромінювачі – це маловитратний спосіб побудувати решітку з частотним скануванням. Випромінювачі, з яких складається щілинна антена, являють собою витягнуту щілину довжиною близько λ/2, прорізану в провідній пластині (яка розглядається як нескінчений провідний лист), і збуджувану по центру. Відповідно до принципу Бабіне така щілина має властивості резонансного випромінювача. Жак Бабіне (Jacques Babinet, 1794 – 1872) був французьким фізиком і математиком, який сформулював теорему про те, що дифракційні картини для взаємно додаткових екранів однакові (принцип Бабіне). Відповідно до цієї теореми випромінювальні властивості щілини будуть такими ж, як і випромінювальні властивості еквівалентного диполю таких самих розмірів. Поляризація щілинної антени – лінійна. Поля, випромінювані щілинною антеною, є майже такими самими як поля, випромінювані дипольною антеною, за виключенням того, що компоненти полів змінюються: вектор електричного поля, випромінюваного вертикальною щілиною, орієнтований горизонтально, а вертикальний диполь випромінює поле з вертикальною орієнтацією вектору електричного поля.

Імпеданс щілинної антени (Z_s) пов’язаний з імпедансом взаємно додаткової дипольної антени (Z_d) співвідношенням:

Звідси виходить, що Z_s = 485 Ом.

Смуга частот вузької прямокутної щілини є такою ж, як смуга частот взаємного додаткового диполя і дорівнює половині смуги частот циліндричного диполю, діаметр якого дорівнює ширині щілини. На Рисунку 2 зображені щілинні антени, форма яких відрізняється від прямокутної, що призводить до розширення їхньої смуги частот.

Рисунок 2. Варіанти широкосмугової щілинної антени

Рисунок 2. Варіанти широкосмугової щілинної антени

Хоча теорія щілинних випромінювачів розглядає нескінченно протяжні провідні поверхні, в яких прорізані щілини, на практиці відхилення від отриманих з її допомогою результатів стає прийнятним, коли площа поверхні більша за квадрат довжини хвилі. Живлення щілинної антени може бути виконано за допомогою звичайної двопровідної лінії. Імпеданс залежить від точки підключення живлення, як і у випадку диполя. Значення імпедансу 485 Ом відповідає тільки випадку, коли точка підключення живлення знаходиться в центрі щілини. Зміщення точки живлення від центру до краю поступово зменшує імпеданс.

Щілинні антени мають різноманітні застосування. Вони можуть використовуватися замість дипольних антен, наприклад, якщо потрібна поляризація, перпендикулярна до поздовжньої осі випромінювача. Якщо диполь використовується для живлення параболічної антени для формування вертикально орієнтованої віялової діаграми направленості, але з горизонтальною поляризацією, то такий диполь повинен мати горизонтальну поляризацію. Це буде означати, що близькі до країв частини поверхні параболічного відбивача будуть опромінюватися незначно, в той час як суттєва частина потужності пройде вище та нижче рефлектора і, таким чином, буде втрачена. Крім того, диполь буде протяжний в тій площині, де потрібно мати точкове джерело випромінення в фокусі параболічного рефлектора. Якщо ж диполь замінити щілинною антеною, то описані проблеми не виникають.

Щілини у хвилеводі

Рисунок 3. Різні положення щілин на стінках хвилеводу

Рисунок 3. Різні положення щілин на стінках хвилеводу

Щілинні антени у вигляді хвилеводів із щілинами являють собою економічний спосіб конструювання антенних решіток. Положення, форма та орієнтація щілин будуть визначати, як вони будуть випромінювати, і чи будуть випромінювати взагалі. На Рисунку 3 зображений фрагмент прямокутного хвилеводу, де червоними лініями показане миттєвий розподіл струму на стінках хвилеводу. Якщо в стінках хвилеводу прорізати щілину, то цей струм буде в тому чи іншому ступені залежати від положення щілини. Якщо ширина щілин достатньо мала, то щілини В і С (Рисунок 3) будуть мати слабкий вплив на розподіл струму. Ці дві щілини не будуть випромінювати (або будуть, але дуже слабо). Щілини А і D є перешкодами на шляху струму. Таким чином, струм діє як збуджувальна система для щілини, а вона працює як випромінювач. Оскільки хвилі в хвилеводі розповсюджуються у заданому напрямку, то й рисунок розподілу струму буде переміщатися в тому ж напрямку. З цієї причини різниця потенціалів на краях щілини буде постійно мінятися (залежно від частоти поля у хвилеводі). Потужність, випромінювана щілиною, можливо змінювати переміщенням щілино ближче до краю або далі від нього. Щілини А і D (Рисунок 3) розташовані в місцях максимуму струму і тому їх зв’язок з високочастотною енергією, що розповсюджується по хвилеводу, найсильніший. Для його зменшення можливо, наприклад, змістити щілину А ближче до однієї з коротких стінок хвилеводу. Поворот щілини (змінення кута орієнтації між щілинами А та В або щілинами С та D) має той самий ефект. Вплив кута повороту θ щілини на інтенсивність її випромінення виражається множником, який приблизно дорівнює sin²θ.

Щілинні хвилеводні антени

Рисунок 4. Базова геометрія щілинної хвилеводної антени (щілинні випромінювачі знаходяться на широкій стінці прямокутного хвилеводу)

Рисунок 4. Базова геометрія щілинної хвилеводної антени (щілинні випромінювачі знаходяться на широкій стінці прямокутного хвилеводу)

Кілька щілинних випромінювачів у хвилеводі утворюють групову антену. Хвилевод виступає в ролі лінії передачі для живлення випромінюючих елементів. Для випромінювання з коректною фазою всі одиничні щілини мають бути прорізані на відстані довжини хвилі, притаманної даному хвилеводу (довжина хвилі у хвилеводі). Довжина хвилі у хвилеводі відрізняється від довжини хвилі у вільному просторі і залежить від розміру широкої стінки а прямокутного хвилеводу. Зазвичай цю довжину хвилі для хвилі типу TE₁₀ розраховують за формулою:

a  – довжина широкої стінки прямокутного хвилеводу;
λ_h – довжина хвилі у хвилеводі;
λ  – довжина хвилі у вільному просторі. (2)

Рисунок 5. Базова геометрія щілинної хвилеводної антени з нахиленими щілинами на вузькій стінці хвилеводу

Рисунок 5. Базова геометрія щілинної хвилеводної антени з нахиленими щілинами на вузькій стінці хвилеводу

Довжина хвилі у хвилеводі перевищує довжину хвилі у вільному просторі. Відстань між щілинними випромінювачами встановлюється по цій довжині хвилі, яка дещо більша, ніж довжина хвилі λ у вільному просторі. Це негативно відбивається на кількості та рівні бічних пелюсток. Часто щілини прорізають, зміщуючи їх поперемінно вправо і вліво (для зменшення електричного зв’язку). Якщо прорізати щілини у вузькій стінці хвилеводу, то може статися, що ширина цієї стінки менша за необхідну довжини резонансного випромінювача. В такому разі щілина може заходити за грань хвилеводу і, таким чином, дещо зачіпати й широку стінку хвилеводу (А-стінку). На практиці ці щілини закриваються тонким шаром ізоляційного матеріалу (для захисту внутрішніх стінок хвилеводу). Такий матеріал не має бути гігроскопічним та має бути захищеним від впливу природно-кліматичних факторів.

Одиночний вузький щілинний випромінювач має працювати також на частотах в діапазоні ±5 … ±10% від його резонансної частоти. Для антенних решіток забезпечити це не так легко. Така групова антена точно відповідає одній частоті, яка визначається точною відстанню λ_h, для якої ця антена оптимізована. Якщо частота хвилі змінюється, то ця відстань стає некоректною, що призводить до погіршення характеристик антени. Різниця фаз, яка виникає між випромінюючими елементами, накопичується по довжині антени і доходить до неприпустимих значень. Така антена починає «косити», тобто її діаграма направленості відхиляється від оптичної осі. Однак такий ефект можливо використовувати, наприклад, якщо потрібно забезпечити сканування променю антені при зміненні частоти передавача.