7.6.3 Волноводно – щелевые антенны

Волноводно – щелевыми называются линейные решетки из щелей в волноводе. Обычно каждая щель имеет длину , где λ – длина волны в воздухе.

Интенсивность излучения через щель и ее проводимость зависят от расположения щели на стенке волновода (рисунок 7.5). Для максимального излучения необходимо, чтобы щель пересекала линии поверхностного тока в месте их максимальной плотности и, следовательно, располагалась вдоль линий магнитного поля с максимальной напряженностью.

Известно, что на узкой стенке прямоугольного волновода существуют только поперечная составляющая тока и продольная составляющая магнитного поля. Следовательно, продольная щель (1) возбуждается максимально при размещении ее на узкой стенке волновода, а поперечная щель (2) вовсе не излучает, Наклонная щель (3) вызывает промежуточное по величине излучение. В соответствии с плотностью продольного i_прод и поперечного i_поп токов на поверхности широкой стенки волновода поперечная щель 4 излучает тем больше,

чем ближе ее центр к средней линии этой стенки (координата х₀ приближается к а/2), а продольная щель 5 излучает тем сильнее, чем она ближе к узкой стенке (меньше х₀). Интенсивность излучения наклонной щели 6 зависит, очевидно, как от ее координаты х₀, так и от угла наклона γ.

Рисунок 7.5 - Распределение токов

Вообще говоря, излучать может любая щель, если с помощью приемного штыря (1)(емкостной штырь с регулируемой глубиной погружения в волновод) вызывать на внутренней поверхности волновода радиальные токи, которые пересекали бы эту щель. Штырь возбуждается электрическим полем распространяемой волны (волна Н₁₀ наводит в штыре электрический ток, как в приемном несимметричном вибраторе). На рисунке 7.5 показано, как таким способом возбуждается щель (8) несмотря на то, что ее продольная ось совпадает с серединой широкой стенки волновода.

Крестообразная щель 9 – это сочетание двух взаимно перпендикулярных щелей с совмещенными центрами, причем одна щель возбуждается продольным током, а другая – поперечным. Так как эти токи сдвинуты по фазе на 90º, то через щель излучаются волны вращающейся поляризации. Если к тому же оба тока равны в центре щели, то получается круговая поляризация волны.

В соответствии с относительной длиной интервала между щелями d/Λ волноводно –щелевые антенны делятся на резонансные и нерезонансные.

Резонансные антенны представляют собой синфазные решетки, в которых щели располагаются с интервалом d = Λ (прямофазные антенны ) или d = Λ/2 (переменно-фазные антенны), где Λ – длина волны в волноводе. При d = Λ синфазность возбуждения щелей очевидна, а, если d = Λ/2, то синфазность достигается соответствующим расположением щелей. Точнее, если это продольные щели на широкой стенке волновода (рисунок 7.6, а), то их прорезают в шахматном порядке относительно продольной оси волновода с тем, чтобы все щели пересекались поперечными токами одинакового направления; если же это наклонные щели на узкой стенке волновода, то знаки углов наклона соседних щелей должны чередоваться (рисунок 7.6, б).

Рисунок 7.6 - Устройство волноводно-щелевых

антенн с продольными (а) и наклонными (б) щелями

В связи с синфазным возбуждением щелей пригоден режим и бегущей и стоячей волны, но предпочтительнее второй, ибо тогда исключаются, потери энергии в согласованной нагрузке волновода. Вместо нее включают короткозамыкающий поршень, который должен быть удален от центра последней продольной щели на нечетное число Λ/4 (рисунок 7.6, а). Тогда центры всех щелей находятся в пучностях поперечных токов и этим обеспечивается их максимальное возбуждение.

Относительная полоса пропускания резонансных щелевых решеток не превышает нескольких процентов, так как отраженные от щелей волны складываются на входе решетки с одинаковой фазой только при d = Λ/2 или d = Λ.

В нерезонансных волноводно-щелевых антеннах расстояние между щелями d несколько больше или меньше, чем Λ в прямофазных решетках, и чем Λ/2 в переменно-фазных решетках. В связи с этим щели нерезонансной антенны возбуждаются несинфазно, и луч ее оказывается отклонением от нормали к оси решетки в направлении распространения волны по волноводу. Если к тому же в конце волновода происходит отражение волны, то появляются новые лепестки в ДН, но отклоненные в обратную сторону. Во избежание таких искажений ДН устанавливают режим бегущих волн, а для этого нерезонансную антенну снабжают согласованной нагрузкой (поглотителем) с сопротивлением R_н = Z_в (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 – Нерезонансная волноводно-щелевая антенна

Наклонное положение главного лепестка ДН обычно считается недостатком нерезонансных антенн. Другой недостаток – снижение КПД до 80 ... 95% за счет потерь энергии в поглощающей нагрузке. Но нерезонансные волноводно-щелевые антенны имеют преимущество перед резонансными антеннами, заключающееся в большей диапазонности.

Пользуясь теорией линейной решетки излучателей, можно сказать, что функция направленности волноводно-щелевой антенны в плоскости, перпендикулярной широкой стенке волновода и проходящей через его продольную ось.

(7.20)

где f₁ (θ) выражает направленность внешнего излучения одиночной щели, обычно полуволновой;

Ψ– угол сдвига (набега) фазы токов соседних излучателей;

n – число излучателей;

d – расстояние между излучателями;

– направление излучения;

– коэффициент фазы (сдвиг (набег) фазы на каждую единицу пути распространения бегущей волны (при распространении волны в произвольной среде с фазовой скоростью V_ф и длинной волны Λ=V_ф/f коэффициент фазы β=2πf/ V_ф=2π/Λ).

Функция f₁ (θ) имеет настолько тупой максимум в области главного лепестка результирующей ДН, что при большом числе п можно учитывать только интерференционный множитель f_p(θ). В частности, если волноводно-щелевая антенна синфазная (ψ = 0), то

(7.21)

Коэффициент направленного действия волноводно-щелевых антенн подсчитывают по формуле

(7.22)

где 3,2 - КНД одной щели.

Если бы мощность, излучаемая ею, распределялась в обеих полусферах, то КНД был бы в два раза меньше (D = 1,64), т.е. таким же, как у полуволнового вибратора в свободном пространстве.

Преимущества волноводно-щелевых антенн:

1. Отсутствие выступающих частей делает их пригодными для использования в летательных аппаратах.

2. Подбором расположения отдельных щелей на стенке волновода можно установить требуемое распределение амплитуды и фазы их возбуждения и этим добиться нужной формы ДН, например, с минимальными боковыми лепестками. Основной недостаток - сравнительно узкая полоса пропускания.