VI. ЩЕЛЕВЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ АНТЕНН

Щелевые антенны

Под щелевыми антеннами принято понимать антенны, излучение которых связано с дифракцией электромагнитных волн из отверстий, прорезанных в металлических экранах.

Впервые возможность использования щелей в качестве антенн была доказана М. С. Нейманом, исследовавшим излучение из малых отверстий полых резонаторов. Дальнейшее развитие теории щелевых антенн в основном обязано работам двух других советских ученых — А. А. Пистолькорса и Я. Н. Фельда.

Простейшая щелевая антенна представляет собой прорезанное в большом металлическом экране узкое прямоугольное отверстие длиной примерно в полволны (рис. 68). При подключении источника высокой частоты между противоположными узкими краями щели в последней возбуждаются стоячие волны тока и напряжения

На рис. 68 жирными линиями со стрелками показано распределение электрических силовых линий, а пунктирной кривой — получающееся распределение амплитуд электрического поля Е_у вдоль щели.

Так как поляризация поля излучения совпадаете направлением электрических силовых линий в антенне, то горизонтальная щель, показанная на рис. 68, будет излучать вертикально поляризованные волны, т. е. по своему действию будет подобна вертикальной антенне. Точнее говоря, если зять щелевую антенну в бесконечном плоском экране и ленточную антенну, дополняющую экран до сплошной плоскости, а затем, построив диаграмму направленности этой ленточной антенны, мысленно поменять в ней местами электрические и магнитные поля, то мы получим диаграмму направленности щелевой антенны. Это правило, носящее название «принципа двойственности» и доказанное в 1944 г. А. А. Пистолькорсом, позволило использовать для расчета щелевых антенн в плоских экранах уже готовые результаты из хорошо разработанной теории вибраторных антенн.

Так, если взять плоскую металлическую коробку и в ее передней стенке прорезать систему линейных щелей, аналогичную системе вибраторов, показанных на рис. 18, и возбудить их синфазно, то в результате получится плоскостная синфазная щелевая антенна.

Диаграммы направленности этой антенны будут примерно совпадать с диаграммами ее вибраторного прототипа, за исключением положения в пространстве векторов поля Е и Н, которые на основе изложенного выше поменяются местами. Точное совпадение диаграмм направленности было бы в том случае, если бы щели были прорезаны в экране бесконечной протяженности.

Чаще всего возбуждение щелей осуществляется с помощью волноводов. Известно, что на внутренних поверхностях прямоугольных волноводов возникают токи проводимости. Если в стенке волновода прорезать узкую щель, идущую вдоль линии тока или вдоль линии нулевого тока, то такая щель настолько незначительно исказит распределение" токов внутри волновода, что через нее энергия во внешнее пространство практически вытекать не будет.

Если же щель будет прорезана так, что ее ось будет перпендикулярна или почти перпендикулярна линиям тока, то эти токи через щель будут вытекать из внутренней полости волновода во внешнее пространство и излучаться (рис. 69).

Распределение токов на стенках прямоугольного волновода для некоторого момента времени схематически показано на рис. 70. Как это видно из рисунка, максимальная плотность тока получается на узких стенках волновода и прилегающих к ним краях широких его сторон. Вдоль средней линии широких сторон ток равен нулю. Учитывая указанное распределение токов, рассмотрим различные варианты прорезания щелей в волноводе, представленные на рис. 71. В свете изложенного щели 1 и 5в качестве антенн использованы быть не могут, поскольку они ориентированы вдоль линий токов: неизлучаюшей будет и щель 3, расположенная вдоль средней линии волновода, где плотность тока вообще равна нулю.

Щели 2, 4, 7 и 6 пересекают линии тока (см. рис. 70) и поэтому будут хорошо излучать.

Степень связи таких щелей с волноводом зависит как от плотности тока, пересекаемого щелью, так и от длины проекции щели на направление, перпендикулярное линиям тока. Этим пользуются на практике для согласования щелей с волноводом и для получения требуемых амплитуд и фаз токов в отдельных щелях, если антенная система состоит из системы щелевых антенн.

Примеры таких многощелевых антенн представлены на рис. 72 и 73.

На рис. 72, а изображен участок синфазной щелевой антенны, у которой щели прорезаны в широкой стороне волновода и разнесены по длине на расстояния, равные половине длины волны в волноводе l(для обеспечения равенства амплитуд токов).

Так как фазы токов у стенок волновода меняют свою фазу на 180° через каждые l/2 (см. рис. 70), то щели у антенны, показанной на рис. 72, а, для обеспечения синфазности их токов прорезаны попеременно то около одной, то около другой узкой стороны волновода.

На рис. 72, бизображена синфазная антенна из нескольких щелей, профрезерованных в узкой стенке волновода.

Расстояние между центрами этих щелей также равно l/2; для обеспечения синфазности токов щелям попеременно придан наклон в разные стороны.

Ток I_у, текущий по узким стенкам волновода, может быть разложен на две составляющие:

I_n — перпендикулярную узким сторонам наклонной щели;

I_t— идущую вдоль щели.

Излучение наклонных шелеп происходит за счет составляющей I_n. Достоинством данной антенны является простота изготовления и большая диапазонность, чем у щелевой антенны, изображенной на рис. 72, а. К недостаткам следует отнести наклонную поляризацию излучения щелей, благодаря которой в диаграмме направленности антенны появляются боковые лепестки с нежелательной паразитной поляризацией (направление поляризации основного излучения антенны, показанной на рис. 72, б, совпадает с осью волновода). Обычно углы наклона щелей φ не делают больше 15°. В этих условиях мощность излучения с паразитной поляризацией не превышает 1% от всей излучаемой мощности.

На рис. 73 изображена антенна, состоящая из щелей, прорезанных вдоль средней линии широкой стороны волновода. Как было указано, такие щели в общем случае не возбуждаются и, следовательно, в качестве антенн применены быть не могут. Если, однако, вблизи щели разместить небольшой металлический штырек, то в нем возникнет ток подвоздействием электрического поля в волноводе (см. рис. 21). Часть этого тока, вытекая на стенку волновода, будет пересекаться щелью и щель будет возбуждаться. Направление поля в щели при этом зависит от того, с какой стороны щели помещается вибратор. Эта особенность использована в многощелевой антенне, показанной на рис. 73, для поворота фазы на 180°, который необходим для компенсации разности фаз, обусловленной размещением щелей через l/2.

Здесь мы имеем полную аналогию с перекрещиванием проводов фидера питания у плоскостной синфазной антенны, изображенной на рис. 16.

В некоторых конструкциях щелевых антенн штырьки связи сделаны в виде винтов, чтобы можно было регулировать степень связи щели с волноводом. После заводской регулировки шляпки винтов обычно спиливают для устранения их влияния на симметрию боковых лепестков диаграммы направленности.

Примером щелевой антенны может служить уже рассмотренный раньше облучатель, показанный на рис. 45.

Для возбуждения щелевых антенн применяются рк только прямоугольные волноводы, но и объемные контуры, а также коаксиальные линии.

На рис. 74 представлена сегментно-параболическая антенна, облучаемая щелью, прорезанной в коаксиальной линии перпендикулярно оси последней. Эквивалентный фазовый центр этой щели находится в фокусе параболы. Сама щель помещена в пучности тока коаксиальной линии, что достигается размещением короткозамыкающего поршня П в линии на расстоянии в полволны от щели (см. рис. 74 справа).

Щелевые антенны применяются как самостоятельные антенные системы, так и в качестве облучателей. Самостоятельными конструкциями они служат в высотных сооружениях, так как не имеют выступающих частей и могут быть совмещены с деталями, несущими механическую нагрузку. В радиолокационных станциях щелевые антенны применяются в основном на скоростных самолетах, для которых также желательно отсутствие у антенн выступающих частей.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 15 16 171819 20 Следующая ⇒