3.4. Волноводно-щелевые антенны.

Рассмотрим элементарный щелевой излучатель - бесконечно малую щель, вырезанную в плоском тонком идеально проводящем бесконечном экране. Для нахождения поля такого излучателя, необходимо решить уравнения Максвелла с соответствующими граничными условиями. Решения было предложено Пистолькорсом в 1944г, на основе принципа перестановочной двойственности, который гласит: решение уравнений Максвелла для магнитного поля, найденное для данных граничных условии, будет справедливо и для электрического поля, если в граничных условиях поля поменять местами.

Если вместо электрических токов ввести условно(в виде удобного математического эквивалента, так как магнитных зарядов не существует) магнитные токи, запишем законы электродинамики в виде:

Отсюда следует, что если известно решение уравнений максвелла с заданным распределением электрического поля (тока), то путем заданных перестановок можно найти решение этих уравнений с магнитными токами, распределенными в пространстве аналогично электрическим.

Принцип перестановочной двойственности.

Рассмотрим наряду с элементарным щелевым излучателем (рис 1а) элементарный вибратор(рис 1б).

Для элементарного вибратора (рис 1 г). На металлической пластине магнитная составляющая определяется:

-поверхностная плотность тока, I-полный ток, d –ширина пластины

На остальной части бесконечной пластины, являющейся продолжением вибратора:

т.к. силовые лини перпендикулярны плоскости вибратора.

Для элементарной щели(рис 1в). На щели:

U- напряжение между краями щели, d- ширина щели.

На металлическом экране:

Сопоставляя (5) и (7) видим, что граничные условия для вибратора и для щели оказываются переставленными (одинаковыми с точностью до множителя), следовательно, можно воспользоваться принципом перестановочной двойственности.

Из сопоставления уравнений и граничных условий следует что структура поля в близи щели совпадает со структурой поля вблизи дополнительного вибратора, а структура магнитного поля в близи щели совпадает со структурой электрического поля вблизи вибратора.

Отсюда следует, что ДН элементарной щели и элементарного излучателя одинаковы, но электрическая и магнитная плоскости меняются местами.

В отличии от рассмотренного идеального волнового излучателя прорезанного в беск. Полоском экране, щелевые излучатели располагаются на телах конечных размеров. Вээтом случае принцип двойственности может не работать, и для определения поля используются приближенные методы. Конечные размеры экрана по разному влияют на различные характеристики щелевого излучателя. ДН в магнитной плоскости мало отличается от ДН в бесконечном экране, ДН заметно искажается даже при больших размерах экрана.

Излучение щелей, порезанных в металлических телах конечных размеров.

-ДН в магнитной плоскости мало отличается от ДН в бесконечном экране.

- ДН в электрической плоскости заметно искажается даже при больших размерах экрана. Вместо окружности соответствующе случаю бесконечного экрана (так как переход вектора Е через плоскость экрана осуществляется скачком), ДН приобретает вид “восьмерки”, с нулями в направлении экрана. Обусловлено это тем что, экран конечных размером, следовательно переход через плоскость осуществляется не скачком, а в свободном пространстве. Поэтому поле в направлении углов 90 и 270 оказывается равным 0.

Волноводно-щелевые антенны:

П римеры щелей в волноводе:

Щель должна пересекаться большим количеством линий поверхностного тока.

Т.к. одиночная щель имеет слабо выраженные направленные свойства. Для получения узких ДН применяют многощелевые антенны. Они представляют собой систему полуволновых щелей, прорезанных в стенке волновода. Чаще всего используются прямоугольные волноводы с волной H₁₀. Существует два основных типа резонансные и нерезонансные.

Резонансные антенны- антенны, у которых расстояние между щелями и их расположение обеспечивают синфазность возбуждения щелей (рис. 8). Запитка стоячей волны.

При поперечных щелях на широкой стенке волновода или продольных щелях на узкой, расстояние между щелями равно . В случае расположения щелей в шахматном порядке или наклонных щелей это расстояние равно . В этом случае дополнительный сдвиг фаз на п обеспечивается:

В первом случае:поперечная сост. Поверхностного тока меняет свое направление при переходе…

Во втором случае сдвиг осуществляется за счет встречно-наклонного расположения щелей

Недостаток узкополосность.

Антенны а), б) – прямофазные, в), г) переменнофазные

Благодаря синфазности излучателей главный максимум перпендикулярен оси волновода.

Наиболее удобна антенна 8 в), так как

Резонансные антенны обычно работают в режиме стоячей волны, для чего один конец волновода необходимо закоротить. Чтобы не было отраженной волны ставиться поглощающая нагрузка (рис. 9)

Нерезонансные антенны- антенны у которых расстояние между соседними щелями меньше или больше . Возбуждение щелей осуществляется бегущей волной и в антенне линейное фазовое распределение. Максимум главного лепестка ДН отклонен на некоторый угол от перпендикуляра оси волновода в сторону распространения волны при расстоянии между щелями или в противоположном направлении, если . Отражение от конца антенны волновода приводит к появлению паразитного лепестка, расположенного симметрично по другую сторону от перпендикуляра оси волновода относительно лепестка, обусловленного падающей волной. Для устранения паразитного лепестка служит поглощающая нагрузка в конце волновода. Данные антенны более широкополосны.

ДН антенны определяется теоремой перемножения диаграмм:

Величина фазового сдвига определяется расстояние между щелями.

-для поперечных щелей.

для продольных щелей.