книги из ГПНТБ / Молодов Б.И. Антенны (учебное пособие)

При круглом проводнике радиуса а:

степени изменяться с частотой. Таким образом, применение вибра­

антенны с небольшим числом директоров, в меньшей степени изме­ няющие направленные свойства при отклонении рабочей волны от

основной.

С целью повышения направленности можно использовать син­ фазную линейную систему из нескольких, таких антенн. Зная диаграмму одной из антенн системы, можно легко рассчитать ре­ зультирующую, применяя правило перемножения диаграмм (3.13).

111

Г л а в а 5

АНТЕННЫ САНТИМЕТРОВЫХ ВОЛН

Вдиапазоне волн примерно от 20 до 1 см применяется ряд антенн, коренным образом отличающихся от вибраторных, рас­ смотренных в предыдущей главе, хотя в некоторых случаях и здесп применяются полуволновые вибраторы.

Всантиметровой технике для направленного излучения нахо­ дит применение ряд устройств, аналогичных оптическим, например параболические рефлекторы и линзы, или акустическим, например, рупоры. Наряду с этим разработаны некоторые принципиально новые виды направленных излучателей, такие, как диэлектриче­ ские стержневые антенны, щелевые излучатели и некоторые дру­ гие.

Переход к новым видам антенн объясняется стремлением упростить конструкции самих антенн и фидерной системы и их

изготовление, а также обеспечить большую прочность устройств. Расчет антенн сантиметровых волн довольно сложен и требует широкого применения теории электромагнитного поля, поэтому при рассмотрении некоторых видов антенн, изложенном ниже, мы ограничимся пояснением особенностей их устройства, принципов

действия и краткой характеристикой основных свойств.

1. Щелевые антенны

Простейшая щелевая антенна представляет собой узкий прямо­

угольный вырез длиной около — и шириной менее 0,1 Xв плоской

металлической поверхности больших размеров (рис. 5-1, а).

112

дикулярной к металлической поверхности, показано на рис. 5-2,6. По мере удаления от щели эти линии обращаются в окружности.

Как известно, радиоволны, излучаемые передающими антенна­ ми, создаются колеблющимися электрическими зарядами или, иначе говоря, переменными высокочастотными токами. Это пол­ ностью относится и к щелевой антенне.

Поле излучающей щели создается токами, протекающими на металлической поверхности, в которой прорезана щель. При этом токи, протекающие по краям щели, т. е. огибающие щель, практи­ чески не излучают, поскольку аналогично токам в двухпроводной линии обратны по направлению на противоположных краях щели

(см. рис. 5-2, а).

Основную роль в излучении играют составляющие поверхност­ ных токов, перпендикулярные к оси щели. Эти составляющие, как

практически складываются.

Составляющие токов, параллельные оси щели, в точках, симмет­ ричных относительно оси, одинаковы по величине, но противопо­ ложны по направлению, поэтому поля их в удаленных точках почти полностью взаимно уничтожаются.

Так, например, поля продольных составляющих поверхностных токов полностью взаимно уничтожаются в направлении нормали к экрану, проходящей через середину щели. Вследствие этого век­ тор электрического поля в удаленных точках, лежащих вблизи тюрмали, лежит в плоскости, перпендикулярной оси щели, так как поле в этом направлении создается только составляющими токов, перпендикулярными оси. Вектор магнитного поля в этих точках лежит в плоскости, проходящей через ось щели.

Строгое теоретическое рассмотрение полей одиночной щели в плоском безграничном экране показывает, что в отношении на­ правленных свойств и ориентировки векторов полей щель дли­

ной -ц- аналогична полуволновому металлическому вибратору при

условии, если электрическое и магнитное поля вибратора поменять местами.

Для пояснения этого сравним поле и диаграммы щели и соот­ ветствующего ей металлического симметричного вибратора, оси которых одинаково ориентированы (рис. 5-3). Пусть бесконечный металлический экран лежит в плоскости XZ ив нем вдоль оси А' в начале координат прорезана полуволновая щель (рис. 5-3,и).

лежит в плоскости, перпендикулярной оси щели. У вибратора так же, как у элементарного диполя, в этой плоскости лежит вектор

114

На рис. 5-3 показаны диаграммы щели и вибратора в несколь­ ких характерных плоскостях. Так выглядят диаграммы направлен­ ности щели при бесконечно больших размерах экрана.

При уменьшении размеров экрана направленные свойства щели существенно изменяются только в плоскости, перпендикулярной оси щели, в которой при бесконечном экране направленность отсут­ ствует.

На рис. 5-4 показаны диаграммы в указанной плоскости для односторонне излучающей щели при различных размерах экрана.

Y

У

Рис. 5-4. Экспериментально снятые диаграммы направленности щели при различной ширине экрана

Диаграмма существенно отличается от полуокружности даже при ширине экрана 5|,3 Д При малой ширине экрана имеется замет­ ное излучение назад, в отрицательном направлении оси Y , обуслов­ ленное токами, огибающими края экрана и попадающими на его теневую сторону. Однако все же основная энергия щели даже при небольших размерах экрана излучается по одну сторону экрана.

При излучении по обе стороны экрана больших размеров щель имеет примерно такой же к.н.д., как одиночный вибратор, т. е. около 1,64. Односторонне излучающая щель имеет примерно вдвое больший к.н.д.

Входное сопротивление между краями в середине щели, име­

емкостный характер. Для настройки в резонанс щель необходимо укорачивать примерно так же, как симметричный вибратор, при­ чем величина укорочения зависит от ширины щели. Например, при ширине щели 0,0IX укорочение составляет около 5%. С увеличе­ нием ширины щели укорочение возрастает.

116

Активная часть входного сопротивления щели значительно больше, чем у полуволнового вибратора, и составляет около 500 ом.

При питании щелевой антенны коаксиальным фидером асим­ метрии не возникает, поэтому нет необходимости применять сим­ метрирующие устройства.

коаксиального фидера.

ЩЕЛИ В СТЕНКАХ ВОЛНОВОДА

На сантиметровых волнах щелевые излучатели размещаются непосредственно на стенках волновода.

Для того, чтобы щель, прорезанная в стенке волновода, излуча­ ла, ее необходимо ориентировать и размещать так, чтобы она раз­ рывала. т. е. пересекала линии поверхностного тока, протекающего на внутренней поверхности волновода.

В результате разрыва линий тока на краях щели образуются переменные заряды противоположного знака, между краями щели появляется разность потенциалов и на внешней оболочке возни­ кают высокочастотные токи, обуславливающие излучение электро­ магнитной энергии во внешнее пространство.

Цепь токов на внешней поверхности волновода замыкается через емкостные токи, линии которых совпадают с линиями элек­ трического поля возле щели. Схематически поле возле щели, возникающее в результате разрыва линий тока, показано на рнс. 5-6.

Если в волноводе с прямоугольным сечением существует вол­ на Нп|, то с учетом распределения поверхностных токов продоль­ ные излучающие щели должны быть смещены в сторону от оси волновода, либо должны располагаться на боковой стенке волно­ вода, а поперечные щели целесообразно располагать по оси волно-

117

Рис. 5-6. Внешнее поле, возникающее при пересечении щелыо линий тока в волноводе:

/ — внутренняя полость волновода; 2— гок па внутренней стенке волновода; 3 — щель, перпендикулярная линиям тока; 4— электриче­ ские линии ноля возле щели; ■'>—внешнее

пространство ‘

вода. Приблизительное распределение линий поверхностного тока на широкой и узкой стенках волновода с волной Н01 и возможное размещение щелей в этом случае показано на рис. 5-7.

Узкая стенка.

Широкая

стенка

Рис. 5-7. Линии токи на стенках волновода и размещение щелей

Продольные щели, прорезанные точно на оси волновода с вол­ ной //(л, не излучают, так как они не пересекают линий тока. Одна­ ко, если по одну из сторон такой продольной щели разместить металлический реактивный штырь, представляющий собой несим­

стенке волновода от основания штыря в радиальных направлениях (рис. 5-8). Щель при этом будет пересекать часть радиальных токов у основания штыря и возникнет излучение.

Таким образом, продольная щель, расположенная на оси вол­ новода, при расположении рядом с ней штыря излучает радиовол­

118

Радиальное

токи

Рис. 5-8. Радиальные гоки на стенке волновода возле основания штыря, расположенного вдоль линий электрического поля

стороны от оси волновода, можно обеспечить синфазное возбужде­ ние щелей и образовать линейную синфазную щелевую антенну, показанную на рис. 5-9. На рисунке стрелками указано направле­ ние токов от основания штырька в сечениях, отстоящих на полови­ ну длины волны в волноводе.

Рис. 5-9. Синфазное возбуждение продольных щелей с помощью штырьков

Аналогичным способом, путем применения реактивных штырей, можно обеспечить излучение с помощью щелей, прорезанных вдоль линий тока в круглых волноводах с волной Eq\ и коаксиаль­ ных линиях (рис. 5-10).

Щели могут быть прорезаны и в стенках объемных резонаторов, причем выбор ориентировки излучающей щели (или щели, которая не должна излучать) производится так же, как в волноводах.

119