Глава 5

ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ

5.1. Назначение и особенности волноводно-щелевых

антенн _v

Щели в качестве излучающих элементов или само­стоятельных антенн широко" используются в технике СВЧ. При этом в основном щели применяются в волно­водах, хотя могут использоваться и © металлических пластинах или фольге и возбуждаться при этом с по­мощью полосковых линий |[Л 1].

Волноводно-щелевыё антенны, получающиеся при прорезанйи щелей в волноводах, являются одним из ви^ дов линейных многоэлемевдных антенн и обеспечивают сужение диаграммы направленности (ДН) в плоскости, проходящей через ось (волновода. -

На практике кроме волноводно-щелевых. антенн с неподвижной в пространстве ДН применяются антен­ны с механическим, электромеханическим [Л 1] и элек- три'ческим сканированием (''см. гл. 2), .

Отметим основные преимущества волноводно-щеле­вых антенн:

8. ввиду отсутствия 'выступающих частей излучаю­щая поверхность волноводно-щелевой антенны может быть совмещена с внешними обводами корпуса летатель­ного аппарата, не внося при этом дополнительного аэро^ дин а мич еокого юонр отивл ения (бортовая антенна);

9. в таких- антеннах могут быть реализованы опти­мальные ДН, так как распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет измене­ния связи излучателей с волноводом;

10. щелевая антенна имеет сравнительно простое воз­буждающее устройство. Кроме того, она проста в экс­плуатации.

Недостатком волноводно-щелевых антенн является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в нСканирующей ; волноводйо-щелевой антенне

происходит отклонение луча в пространстве от задан­ного 'положения (гл.\2), сопровождающееся изменением ширины диаграммы Направленности и ее согласования с питающим фидером.

5.2. Основные параметры, характеризующие щель в волноводе

Возбуждение щели в волноводе 'происходит тогда, когда она своей широкой стороной пересекает 'поверхно­стные токи, текущие по внутренним стенкам волновода.

При построении волноводно-щелевой антенны, -на­пример : 'Н,а основе прямоугольного волновода с основ­ным тидом волны Яю, .необходимо учитывать, что в вол­новоде имеют место продольный и поперечный токи на его широких стенках и поперечный ток на узких стен­ках;

На рис. 5.1 показаны четыре основных типа излу­чающих щелей в таком волноводе. Щели I, II и III рас­положены в широкой стенке волновода, щель IV —в уз-

кой. Продольная щель I пересекает поперечный ток, если она сдвинута относительно средней линии широкой стенки волновода. При x1=0 излучение отсутствует и при увеличении смещения X1 излучение возрастает. По­перечная щель II возбуждается продольными токами. Интенсивность ее возбуждения уменьшается при смеще­нии от средней лийии. При x1 = 0 излучение ее макси­мально. Наклонно-смещенная щель III пересекается как продольными, так и поперечными токами. При

x1 = 0 и

6 = 0°, где; б — угол наклона щели относительно средней линии широкой стенки волновода/излучение щели от­сутствует. Щель IV, прорезанная в боковой стенке, при угле наклона 6 = 0° (рис. 6.1) не возбуждается. Если б = 90⁹, излучение максимально.

Путем совмещения центров щелей I и II можно по­лучить крестообразную щель. При расположении центра крестообразной щели в соответствующем месте на ши­рокой стенке прямоугольного волновода (Л 1] она излу­чает волны, поляризованные ino кругу.

Как только что указывалось- продольная щель, рас­положенная вдоль средней линии волновода = 0), и наклонная щель на боковой стенке (п,ри '6=0°) не излу­чают. Однако протекание токов в стенках вблизи от этих щелей можно изменить таким образом, чтобы излучение происходило. Для этого используются так на­зываемые реактивные вибраторы, представляющие собой металлические стержни, ввинчиваемые -в волновод ря­дом со щелью, и нарушающие симметрию тока в стенке волновода ![Л О 1].

Наклонные щели в узкой -стенке (тип IV, рис. 5.1) обычно несколько вдаются в широкие стенки волновода. При прорезании таких щелей в волноводе оказывается [Л 1], что практически независимо от угла наклона щели б (если б^^!15°) при фиксированной глубине выреза /о реактивная проводимость щели мала и незначительно влияет на постоянную распространения волновода. Кро­ме того, подобные щели обладают тем ценным качест- ; вом, что .их реактивная (проводимость при изменении час­тоты меняется значительно меньше, чем у щелей, проре­занных в широкой -стенке волновода. В соответствии с этим наклонные щели в узкой стенке волновода явля­ются предпочтительными как с электрической, так и кон­структивной точек зрения, особенно щ больших антенных системах. . ,

Внешняя и внутренняя проводимости излучения щели.

Эквивалентная нормированная проводимость щели

в волноводе

При возбуждении щели в волноводе токами, текущи­ми по его внутренним стенкам, щель излучает электро­магнитную энергию как во внешнее -пространству, так и в волновод. Проводимость излучения щели, которая

о пределяется внешним излучением, называют внешней проводимостью излучения:

П роводимость 'излучения, определяемую излучением энергии в волновод, называют внутренней проводи­мостью излучения щели:

С помощью принципа двойственности [Л 2] можно показать,., что внешняя проводимость излучения резо­нансной щели, прорезанной в стенке волновода, имею­щей фланец бесконечных размеров, равна

где R— сопротивление излучения эквивалентного симмет­ричного вибратора.

В реальных щелевых антеннах, прсхрезанных в экра­не конечных размеров, значение провб^димйсти излучения всегда меньше [Л 3] односторШней проводимости щели в бесконечном экране примерно на (10-15) %.

Следовательно, можно принять, что внешняя прово­димость излучения щели в волноводе при обычно используемых типах волнов одно -щелевых антенн равна

Знание внутренних, проводимо стей щелей У_вн, наряду с внешними, позволяет определить резонансную частоту щели различной длины и проследить ее зависимость от местоположения на стенке волновода |[Л 4].

Как известно, щель, прорезанная в волноводе, на­рушает режим работы волновода, вызывая отражение электромагнитной энергии. При этом часть энергии излучается, остальная проходит дальше по волноводу. Таким образом, щель является нагрузкой для волново­да,в которой рассеивается часть мощности, 'эквивалент­ная мощности излучения.

Поэтому представление, о 'Влиянии щели на волну в волноводе или соответственно об эквивалентной схеме щели можно получить, заменив волновод эквивалентной

Двухпроводной линией, в которую вклЮчёйы сойротивле- Н)ия параллельно {g+jb) или . последовательно (г+jx)• в зависимости от типа щели. Так, продольная щель эквивалентна параллельно включенному сопротивлению 'В линию, поп ер ечн а я В- поел е д ов а те л ын о м у [ЛО 14]. При расчете волноводно-щелевых антенн обычно пользуются последовательным сопротивлением ir, нормированным к волновому сопротивлению волновода, и параллельной проводимостью g, нормированной к волновой .проводи-: мости 'волновода. Как сопротивление г, так и проводи­мость g однозначно связац-к с внешней и .внутренней пров о дим остям и излучения щели и могут быть найдены из условия баланса мощностей ib сечении щели в вол­новоде [Л 3, л О 13].

Эквивалентная схема резонансной щели (см. рис. 5.8,а), произвольным образом прорезанной в волноводе i(тип III, рис. 5.1), сможет быть представлена двумя отрезками двухпроводной линии электрической длины Ai и А^ с шунтирующей проводимостью g ^![Л. 5].

При этом справедливо равенство

т. е. произвольная резонансная щель в волноводе не ме­няет фазу прошедшей волны.

В табл. 5.1 показаны основные типы щелей, проре­заемых в 'волноводах, их •эквивалентные схемы, а также приведены соотношения для эквивалентных нормиро­ванных активных сопротивлений и лроводимостей по­луволновых щелей iB волноводе.

При составлении та-бл. 5.1 приняты следующие обоз­начения: Я —длина волны генератора; 4вВ- длина волны в волноводё; а и b —внутренние размеры волновода (ширина и высота).

Резонансная длина щели

Формулы, приведенные в табл. 5.1 для эквивалентных проводимостей g. и эквив а л ентных сопротивл ений г ще­лей в волноводе, получены для полуволновых щелей.

Эта длина весьма 'близка к резонансной длине щели,' при которой эквивалентная реактивная проводимость Ь и эквивалентное реактивнее сопротивление х равны ну­лю. Так <как g и г мало меняются в близи р езон ан с а, то выражениями для g и г можно пользоваться и для резо-

наноных Щелей. Резонансная длина щели несколько меньше Я/2 и тем меньше, чем шире щель. Кроме того, резонансная длина щели зависит от смещения ее Xi относительно середины широкой стенки волновода. Для определения резонансной длины продольной щели, про­резанной в широкой стенке (волновода, можно воспользо­ваться расчетными кривыми [ЛО 1 ^приведенными на рис. 5.2 в виде, - удобн-ом для н еп о с р едет в ен н ого опреде­ления резонансной "длины щелей 2L.

Данные приведены для ©олновода с замедлением Y^AbBo^Z^для трех значении шир®{ы щели di. Вид­но, что чем шире щель, тем больше резонансная длина щели отличается от Я/2. При фиксированной ширине щели и небольшом увеличении смещения х\ продольной щели относительно середины широкой стенки волново­да резонансная длина увеличивается, приближаясь к Я/2. При дальнейшем увеличении смещения щели ее резо­нансная длина начинает уменьшаться.

Резонансная длина поперечной щели в широкой стен­ке прямоугольного волновода 3-см диапазона волн при смещении Xi=G равна 2L=0,488Я [Л4],' т. е. незначитель­но отличается от половины длины волны генератора. На­клонные щел и в. узкой стенке и;м еют р езон а ноную дли - ну, приближенно равную половине длины волны^!в сво­бодном пространстве [Л. 1] (точное ее значение обычно подбирается экспериментальным путем).

При расчетах волноводно-щелевых антенн важно

знать ширину йрлосы пропускания щели, которая харак-

т еризуется добротностью. Зависимость ^:до б р отн ости продольной щели Q от ее относительной ширины ddk показана на рис. 5.3 для волновода с замедлением фазовой скорости у = 0,67 при смещений центра щели относительно средней линии, широкой стенки волновода на Xi/X=0,185. Из рисунка следует/ что при ширине щели, лежащей в пределах di/iX— (0,05-^0,1), ее доброт­ность меняется незначи­тельно и не превышает де­сяти, что соответствует при большой несущей частоте сигнала в диапазоне СВЧ значительной полосе пропускания'(2AfJf^ 10%).

График зависимости добротности продольной щели от ее относительной ширины можно использовать и для по-; перечной щели при ориентировочной оценке ее полосы', nip опускания .

Ширина щели

Ширина щели в волнозодео-щелевой антенне выби­рается, исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности .и требуемой полосы пропуска­ния. При работе щелевой антенны только в режиме при­ема основным фактором при выборе ширины щели явля­ется полоса пропускания принимаемых сигналов.

Ори расчете ширины щели di на необходимую элект­рическую прочность должен обеспечиваться двух- или трехкратный запас по пробивному значению напряженг ности поля для середины щели, где между ее краями Напряженность поля Е_щ. максимальна (21 ==Ш/2). Этот запас выбирается, йсходя из конструктивных требований и условий работы.щелевой антенны:

где U.m — амплитуда напряжения >в пучности; Е_Пр — пре-

дельное значение напряженности поля, .при которой на­ступает электрический пробой (для (воздуха при нор­мальных атмосферных условиях £^,_Пр=30 кв/см):

В случае равномерного амплитудного распределения по антенне, когда излучаемая антенной мощность лится поровну между щелями, амплитуда напряжения в пучности равна

где Р — подводимая к антенне мощность; G_s — проводи­мость излучения щели; N — число щелей.

Если амплитудное ра;спр едел ение (или распределение мощности) по антенне отличается от равномерного, (Сле­дует, по заданному амплитудному распределению опре­делить номер щели, которая излучает наибольшую мощ- -ность. Зная, как распределяется излучаемая -мощность по щелям антенны и подводимую мощность, нетрудно ^! подсчитать,, какая доля от общей мощности приходится на данную 'щель. Подставляя найденную величину г в форЖулу^г (5.3) вместо P/N^ можно найти значение Накойец, ширина щели определяется из (5.2):

Если щель заполнена диэлектриком или закрыта ди- эл ектрической пл астйной, ее электрическая прочность увеличивается |[ЛО 7].