Щелевые волноводные антенны

В данной главе изучаются принципы действия и конструкции щелевых волноводных антенн, выполненных на основе прямоугольного волновода; исследуются эквивалентные параметры щелей, а также диаграммы направленности волноводных многощелевых антенных решеток.

Щелевая волноводная антенна представляет собой металлический волновод с прорезанными в его стенках узкими протяженными отверстиями (щелями). Излучение таких антенн возможно благодаря возбуждению щелей электромагнитным полем направляемой волны внутри волновода. Такие антенны отличаются достаточно простой конструкцией и отсутствием выступающих частей, что позволяет широко их использовать, например, в летательных аппаратах. Из многоэлементных волноводно-щелевых антенных решеток создаются плоские полотна, используемые в качестве высоконаправленных антенных систем радиолокационных станций с электронным сканированием луча.

Характеристики щелевых волноводных антенн

На стенках волновода протекают электрические токи, поверхностная плотность которых определяется соотношением.

где Я — вектор магнитного поля у стенки, п — единичный вектор нормали. Таким образом, плотность электрического тока численно равна напряженности магнитного поля, а силовые линии тока и поля взаимно перпендикулярны. В прямоугольном волноводе с волной Я,₀

на широкой стенке имеются продольная J. и поперечная J_x составляющая тока, а на узкой стенке — только поперечная — У,. Распределение этих составляющих по контуру поперечного сечения показано на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Распределение токов по контуру поперечного сечения волновода.

с волной Я, о Излучающая щель на стенке волновода располагается так, чтобы она пересекалась линиями поверхностных токов. Наиболее часто применяют поперечные и продольные щели на широкой стенке и наклонные щели на узкой стенке. Длина щелей выбирается примерно равной половине длины волны в свободном пространстве, чтобы щели были резонансными, то есть представляли для волновода чисто активную нагрузку. При этом щели, возбуждаемые продольным током, имеют эквивалентную схему в виде последовательного сопротивления, а возбуждаемые поперечным током — параллельной проводимости (рис. 7.2).

Формула для безразмерного нормированного эквивалентного сопротивления (отнесенного к волновому сопротивлению волновода) поперечной щели:

где Х_л = Xj-J 1 — (Л./2а)' — длина волны Я,₀ в прямоугольном волноводе; а и b — размеры широкой и узкой стенок волновода соответственно, л;₀ — расстояние от края широкой стенки волновода до центра щели. Нормированная проводимость (отнесенная к волновой проводимости волновода) продольной щели:

Нормированная проводимость наклонной щели на узкой стенке при малых углах наклона:

где у — угол наклона щели на узкой стенке волновода, отсчитываемый от нормали к широкой стенке (например, на рис. 7.2 при у = 0 — вертикальная щель, при у = 90° — горизонтальная щель).

Рис. 7.2. Эквивалентные схемы щелей различной ориентации.

Диаграммы направленности (ДН) одиночной щели в плоском бесконечном экране можно определить, используя принцип двойственности. При этом ДН щели в бесконечном экране можно определить через поле электрического вибратора, расположенного так же, как щель, но в свободном пространстве. ДН щели будет определяться как нормированная угловая зависимость напряженности магнитного поля вибратора. Хотя стенки волновода являются экраном ограниченных размеров сложной формы, однако вдоль его оси, где размеры экрана велики по сравнению с длиной волны, можно использовать приближенно следующие формулы для продольных щелей в Я-плоскости:

и для поперечных и наклонных щелей в ^-плоскости:

Для увеличения направленности в волноводе прорезают несколько щелей, образующих равномерную решетку. Различают два основных типа многощелевых волноводных антенн: резонансные и нерезонансные.

В резонансных антеннах все щели питаются синфазно. Для этого расстояния между поперечными щелями должны быть равны длине волны в волноводе Х_л, что дает сдвиг фаз питания на 2л. Продольные щели на широкой стенке и наклонные на узкой располагаются на расстояниях Х_л/2, что дает сдвиг фаз на л. Дополнительный сдвиг фаз на л, необходимый в этом случае для синфазного питания, обеспечивается для продольных щелей противоположным смещением соседних щелей или возбуждающих их элементов от оси волновода, а для наклонных щелей — противоположным наклоном (рис. 7.4).

С одного конца волновод резонансной антенны закорачивается поршнем так, что в волноводе устанавливается режим стоячей волны, а щели располагаются в пучностях продольной или поперечной составляющих поверхностного тока. Для этого расстояние между последней щелью и поршнем должно быть равно целому числу полуволн в волноводе Х_л/2 для поперечных щелей и нечетному числу А,_л/4 для продольных и наклонных щелей.

Для согласования резонансной антенны из п щелей с питающим волноводом необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление г, (проводимость g,) каждой щели определялось из соотношений.

Как следует из формул (7.2)—(7.4), подбор требуемой величины Tj или g, производится путем расчета смещения щели х₀ или угла наклона у;

В резонансной антенне, работающей в режиме стоячей волны, ДН формируется и падающей, и отраженной волной. В точке резонанса обе ДН совпадают, и главный лепесток ориентирован по нормали к стенке. При изменении частоты резонансная антенна будет рассогласовываться, поскольку меняется относительная длина щелей /Д и расстояние между ними d/X_n. Падающая и отраженная волны получают противоположное смещение, и главный лепесток сначала расширяется, а при значительной частотной расстройке — раздваивается. Амплитуды этих отклоненных лепестков будут различными, так как отраженная волна имеет меньшую амплитуду, чем падающая. Рассогласование проявляется тем сильнее, чем больше щелей в антенне.

В нерезонансной антенне расстояние между щелями не кратно А,_л/2, а в конце волновода помещается поглощающая нагрузка. В этом случае в волноводе устанавливается режим, близкий к режиму бегущей волны, и входное сопротивление антенны мало изменяется от частоты. Часть мощности в нерезонансной антенне поглощается в оконечной нагрузке.

При увеличении частоты главный лепесток ДН нерезонансной антенны поворачивается в сторону нагрузки, а при уменьшении — в сторону генератора (приемника), т. е. происходит частотное сканирование луча, хотя сектор сканирования невелик для прямолинейной линии передачи (волновода).

ДН антенны из п щелей определяется соотношением.

где (0) — ДН одиночной щели, рассчитываемая по формулам (7.5), (7.6); Д (0) — множитель равномерной линейной антенной решетки, который, в свою очередь, определяется следующим выражением:

считываемый от нормали к решетке (0 > 0 — к нагрузке, 0 < 0 — к генератору), > = 2пс]/Х_л — v|/₀ — сдвиг фаз питания соседних элементов. Дополнительный фазовый сдвиг у₀ = л обусловлен противоположным смещением соседних щелей, возбуждающих элементов или углов наклона щелей. Если положение щелей и их ориентация одинаковы, то vp₀ = 0.

Множитель решетки F_p (па) имеет многолепестковый характер. Он является периодической функцией обобщенного аргумента па с периодом пл. На рис. 7.3 изображена функция множителя решетки F_p (па)

для волновода стандартного сечения 23×10 мм², п = 7.

Рис. 7.3. Множитель решетки.

Как видно, в интервале между двумя главными максимумами находятся (/1-2) боковых лепестков, а их величина уменьшается к середине интервала. Для вещественных углов излучения 0, соответствующих реальному пространству, аргумент.

принимает определенные значения:

где к = 2п/Х — волновое число в свободном пространстве. Эти границы определяют «видимую часть» множителя решетки (закрашенная область на рис. 7.3), т. е. каждая точка из этой области соответствует угловому направлению в реальном пространстве:

«Видимая часть» множителя решетки позволяет быстро оценить форму ДН и рассчитать ее характерные точки. Так, из примера на рис. 7.3 следует, что решетка работает в однолучевом режиме (только один главный максимум попадает в видимую часть), а характерные угловые точки можно рассчитать в соответствии с (7.13). Например, максимум главного лепестка при па = 0, 0,"=-2О, 5°; нули главного лепестка при па = ±п, 0_{(| пр} = -2,5°; 0_Олев = -40,8°; максимум бокового лепестка справа яа = 1,5тг; 0 = 6,2°. Таким же образом из графика «видимой части» можно определить и другие характерные точки — нули и максимумы других боковых лепестков или побочных максимумов, если они входят в «видимую часть».

Наклонные щели излучают поле с наклонной поляризацией, причем соотношение между вертикальной и горизонтальной составляющими вектора Е определяется углом наклона щелей у. Е_кр/Е_гор ~ tgy _г и обычно Е_жр <�к Е_гор. При междуэлементных расстояниях d «Х_л/2 (т.е. при противоположном наклоне щелей) поля с горизонтальной поляризацией суммируются синфазно вблизи нормали к антенне, образуя главный лепесток ДН по главной (основной) поляризации. Вертикальные составляющие противофазны вблизи нормали, но могут синфазно суммироваться в областях, близких к плоскости решетки, определяя ДН по паразитной (кросс) поляризации. Подробнее об антенных решетках и способах их расчета можно прочитать в [ 10].