2.2. Канализирующие системы антенн с частотным сканированием [ло 10]

В конструкциях антенн сантиметрового диапазона волн с частотным сканированием излучатели, как прави­ло, расположены непосредственно на возбуждающих ка- нализирующих системах (например, линейная решетка щелевых излучателей, прорезанных в одной из стенок прямоугольного волновода), которые могут выполняться на основе волноводов, коаксиальных линий и т. п. Элек­трические своиства этих канализирующих систем оцени­ваются замедлением фазовой скорости γ , дисперсионной характеристикой γ=γ(λ) и коэффициентом затухания α.

Основные требования к канализирующим системам можно свести к следующим:

1. Величина замедления фазовой скорости γ не долж­на быть большой, так как с ростом γ увеличиваются по­тери в канализирующей системе и требуется большая точность изготовления системы. Последнее связано с тем, что незначительные относительные изменения γ могут привести в ряде случаев к нарушению нормальной рабо­ты антенны.

2. Коэффициент затухания α должен быть возможно меньшим в связи с тем, что от его величины зависит к. п. д. антенны, а также возможная ширина диаграммы направленности (при заданном к. п. д.).

3. Канализирующая система должна допускать рас­положение излучателей на расстоянии d≈λ/2 в осевом направлении во избежание многолепестковости диаграм­мы направленности при отклонении главного лепестка к оси решетки.

4. В двумерной решетке поперечные размеры канали­зирующих систем должны допускать такое взаимное рас­положение систем в антенне, чтобы расстояние между" излучателями соседних линеиных решеток не превышало λ . В противном случае диаграмма направленности будет многолепестковой.

5. Канализирующая система должна иметь по воз­можности малые вес и габариты. Это особенно важно для антенн летательных аппаратов.

Волноводные канализирующие системы (рис. 2.6) .

Прямоугольный волновод с волной Н₁₀. Замедление лежит в пределах от О до1. Практически используемый диапазон γ=0,36-0,86. Углочастотная чувствительность волновода невелика и в среднем колеблется от десятых долейдо единиц градусов на процент изменения часто­ты . Коэффициент затухания в 3-см диапазоне волн составляет около 0,5 дб/м, что при к. п. д. η_A =90% позво­ляет получить ширину диаграммы направленности прорядка 1°

Рис. 2.6. Волноводные канализирующие системы антенн с частот­ным сканированием:

а - прямоугольный волновод со щелями, переменнофазно связанными с полем волны Н₁₀ волновода;

б —прямоугольный волновод, частично заполненный диэлектриком;

в - прямоугольный волновод с помещенной в него ребристой структурой;

г - змейковый прямоугольный волновод;

д – спиральный прямоугольный волновод.

Прямоугольный волновод, частично заполненный ди­электриком. Замедление γ может регулироваться толщи­ной диэлектрика и величиной его диэлектрической про­ницаемости ε . Обычно величина замедления лежит в пре­делах 0,7-1,5. Коэффициент затухания в несколько раз больше, чем у регулярного волновода (α порядка 1,2 дб/м в 3-см диапазоне волн), и зависит от угла потерь диэлектрика и толщины h. Недостатком этой систе­мы является требование однородности диэлектрических свойств используемого диэлектрика.

Волновод с ребристой структурой. Замедление γ > 1 и практически может быть получено любым. Система име­ет большую дисперсию и высокую углочастотную чувст­вительность. Коэффициент затухания в 3-см диапазоне при малых γ (γ= 1-2) составляет около 2 дб/м. Система имеет больший вес по сравнению с регулярным волново­дом и требует высокой точности изготовления.

Змейковый волновод. Замедление γ>1 и может ре­гулироваться в значительных пределах изменением длины (L + ∆Lэ), при этом в широких пределах регулирует­ся углочастотная чувствительность. Коэффициент зату­хания в этой системе в 3-см диапазоне волн меньше, чем в системах с такой же величиной углочастотной чувстви­тельности (например, волновод с ребристой структурой), и составляет при γ≈2,5 около 0,7 дб/м. К недостаткам системы следует отнести значительный вес, большой раз­мер (L+∆L_Э) и сложность изготовления.

Спиральный волновод. Замедление γ >1и регулирует­ся изменением его геометрических размеров. Дисперсия системы невысокая. Коэффициент затухания в 3-см диа­пазоне волн составляет величину около 2,5 дб/м при γ≈4. Наиболее часто используется изгиб прямоугольно­го волновода в плоскости Н, так как это позволяет уменьшить расстояние между излучателям.

Коаксиальные канализирующие системы (рис. 2.7). Канализирующие системы коаксиального типа представляют интерес в тех случаях, когда требу­ются системы со слабой дисперсией и относительно про­стым регулированием замедления. Однако коаксиальным системам присуще значительное затухание. Исключение представляет лишь коаксиальная линия, частично запол­ненная диэлектриком (рис. 2.7,6). Коаксиальная линия с ребристой структурой на внутреннем проводнике (рис. 2.7,в) отличается от остальных систем наличием резко выраженных дисперсионных свойств. Геометрические размеры коаксиальных систем при использовании их в сантиметровом диапазоне волн малы, что сущест­венно ограничивает величину пропускаемой ими мощно­сти.

При использовании в качестве канализирующих си­стем периодических структур, например волновода с реб­ристой структурой, коаксиальной линии с ребристой

Рис. 2.7. Коаксиальные канализирующие системы антенны с частот­ным сканированием:

а - коаксиальная линия, заполненная диэлектриком;

б — коаксиальная линия с диэлектрическими шайбами;

в — коаксиальная линия с ребристой структу­рой на внутреннем проводнике;

.г — коаксиальная линия с внутренним провод­ником в виде спирали.

структурой на внутреннем проводнике, змейкового и спи­рального волноводов, можно получить высокую углочасчастотную чувствительность антенны. Однако значительные потери в такого вида системах не позволяют создать ан­тенну с большим к. п. д. и узкой диаграммой направ­ленности. Кроме того, эти системы, как правило, обла­дают значительным весом и сложны в изготовлении, что ограничивает в ряде случаев возможности их примене­ния, особенно в антеннах летательных аппаратов.

Канализирующая система типа прямоугольного волновода с волной H₁₀ имеет ряд ценных качеств: малые потери, относительно небольшие вес и габариты, хорошо освоенную технологию изготовления. Поэтому в антенной технике линейные решётки излучателей, возбуждае­мые такого вида канализирующей системой, получили широкое распространение. Максимальный теоретический сектор сканирования волноводной антенны с излучате­лями,переменнофазно связанными с полем волновода без учета частотных свойств излучателей и элементов связи с ними, составляет угол от -90⁰ до +14° при из­менении замедления от 0,22 до 0,867 и отношения λ/2α от 0,975 до 0,5. Указанному сектору сканирования соот­ветствует изменение длины волны в 1,95 раза и средняя углочастотная чувствительность -1,61 ° на 1%. Коммутация направления бегущей волны в такой антенне по­зволяет перекрывать сектор сканирования, равный 180°.

Ниже приводятся основные соотношения и методика расчета волноводно -щелевой антенны с частотным скани­рованием, в которой в качестве канализирующей систе­мы используется регулярный прямоугольный волновод с волной H₁₀. При использовании других канализирую­щих систем методика расчета будет несколько иной, так как соотношения, характеризующие связь дисперсионных свойств систем с их геометрическими размерами, как правило, достаточно сложны. Кроме того, величина за­медления в этих системах (больше единицы, что безус­ловно отразится на рекомендациях по выбору зоны из­лучения антенны.