АФУ СВЧ  

18. Антенны сантиметровых волн

назад | содержание | вперёд

 

18.1 Требования, предъявляемые к антеннам. Типы антенн

В диапазоне сверхвысоких частот работают радиорелейные линии связи, линии связи с космическими объектами (со спутниками Земли и космическими кораблями), радиоастрономические системы, с помощью которых исследуются планеты солнечной системы, звезды и галактики. Антенные комплексы также входят в состав радиосредств военного назначения.

Практически на всех указанных радиолиниях работа ведется с низкими уровнями мощности принимаемых сигналов. Поэтому для обеспечения надежной радиосвязи требуются антенны с большим коэффициентом усиления, что в первую очередь достигается за счет их больших размеров (в длинах волн). Так, наземная антенна отечественной системы «Орбита» имеет диаметр параболического зеркала 12 метров, а коэффициент усиления равняется 55 дБ, диаметр зеркала антенны радиотелескопа достигает десятков метров с коэффициентом усиления до 70 дБ.

При работе со слабыми сигналами приемные антенны должны иметь низкую шумовую температуру, что достигается за счет уменьшения  уровня боковых лепестков ДН  и сужения главного лепестка. Уменьшение шумовой температуры  осуществляется также за счет особенности конструкции антенны.

Сужение главного лепестка ДН вступает в противоречие  с требованиями к точности наведения антенны на наблюдаемый объект (спутник, космический корабль, участок звездного неба и т.д.). При ширине главного лепестка ДН, составляющей десятые доли градуса, погрешность в точности наведения должна бать на порядок меньше (сотые доли градуса). В противном случае прием будет вестись на скате ДН, что приводит к резкому снижению коэффициента усиления и, соответственно, к снижению отношения сигнал/шум. Для решения проблемы применяется совершенная система наведения и коррекции угло-местного положения антенны.

В настоящее время количество искусственных спутников на геостационарной орбите резко возросло, в связи с чем возникает проблема высокоточной стабилизации спутника на орбите для исключения перекрестных (взаимных) помех.

Наземные антенные сооружения космических линий связи, обладая большими размерами,  испытывают значительные ветровые нагрузки и механические нагрузки в виде снега и обледенения. Это приводит к статическим и динамическим деформациям профиля зеркала антенн, в результате чего уменьшается их коэффициент усиления и ухудшается точность наведения на наблюдаемый объект. Поэтому часто антенны снабжены обтекателем с двойной оболочкой из материала с малыми диэлектрическими потерями. В рабочем (наполненном воздухом) состоянии обтекатель приобретает форму сферы (рис. 18.1), с антенной внутри, предотвращая влияние ветровых нагрузок и осадков.


Рисунок 18.1 Установленный и надутый обтекатель.

Как было показано в разделе 17.1 (см. курс "Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства"), применение вибраторных антенн в диапазоне сверхвысоких частот встречает большие технические трудности. На частотах, превышающих 3 ГГц, как правило, применяют другие типы антенн. К ним относятся апертурные антенны (рупорные, параболические, антенны-линзы), диэлектрические антенны и волноводно-щелевые решетки.

18.2 Апертурные антенны

18.2.1 Излучение из открытого конца волновода

С незначительной погрешностью раскрыв волновода можно считать синфазной поверхностью. Распределение амплитуд полей Е и Н по раскрыву определяется типом волны, распространяющейся в волноводе. На практике преимущественно используются волны основного типа. Например, в случае волны Н10 в прямоугольном волноводе между широкими стенками (плоскость Е) амплитуда поля постоянна, а между узкими стенками (плоскость Н) она изменяется по закону косинуса (рис. 18.2).

В строгой постановке задача о расчете поля излучения из открытого конца круглого волновода является весьма сложной аналитически, а для прямоугольного волновода она вообще не имеет строгого решения. Поэтому для расчета направленных свойств используют приближенные формулы (17.13), (17.21), (17.25), (17.26) (см. курс "Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства").

Коэффициент направленного действия определяется по формуле

,                                                (18.1)

где   S – площадь раскрыва, n - коэффициент использования поверхности раскрыва, который равен 0,81.   

Пусть в прямоугольном стандартном волноводе распространяется волна основного типа Н10 со сторонами а = 0,7λ и b = 0,4λ . Тогда коэффициент направленного действия равен

.

Таким образом, излучатель в виде открытого конца волновода обладает слабо выраженными направленными свойствами и поэтому преимущественно применяется в качестве облучателя апертурных антенн.

Недостатком излучателя в виде открытого конца волновода является также то, что он плохо согласуется с окружающим пространством, так как  фазовая скорость волны в волноводе значительно отличается от фазовой скорости волны в свободном пространстве. Следствием этого является образование  отраженной волны от открытого конца волновода и, соответственно, уменьшение в волноводе коэффициента бегущей волны (КБВ).

18.2.2 Рупорные антенны


Рисунок 18.3 Рупоры
а) Е-секториальный, б) Н-секториальный,
в) пирамидальный, г) конический

Рупор представляет собой часть волновода с плавно расширяющимся раскрывом. Это позволяет существенно увеличить КНД, а плавный переход к окружающему пространству увеличивает КБВ в волноводе. Рупоры бывают Н- и Е-секториальные, пирамидальные и конические (рис. 18.3).

В соответствии с граничными условиями плоский фронт волны, распространяющейся в волноводе, в рупоре трансформируется в сферический (рис. 18.4), и раскрыв становится несинфазной поверхностью. Разность фаз (фазовая «ошибка») полей в центре и на краю рупора равна

  ,              (18.2)

Очевидно, что величина фазовой ошибки зависит от угла раскрыва рупора γ, который в свою очередь зависит от размера раскрыва L и длины рупора R.

Если зафиксировать длину рупора и увеличивать угол раскрыва γ, то эффективная площадь раскрыва вначале будет увеличиваться за счет увеличения размеров раскрыва, а затем уменьшаться из-за больших фазовых искажений в раскрыве. Соответственно ведет себя и КНД (рис. 18.5).

Рупор, который имеет максимальный КНД при заданной длине, называется оптимальным.

Подробный анализ показывает, что в случае равноамплитудного раскрыва оптимальный угол раскрыва γопт соответствует разности хода лучей от фазового центра рупора до его края и до центра раскрыва , что соответствует разности фаз лучей . В раскрыве рупора существует тот же тип волны, что и в волноводе. Поэтому всё сказанное выше справедливо для волны Н10 в рупоре с прямоугольным раскрывом. В плоскости Е, как следует из рис. 18.4:

откуда

.                                       (18.3)

В плоскости Н амплитуда поля на краю раскрыва равна 0. Поэтому фазовая ошибка может быть увеличена до . Тогда

                                          .                                                   (18.4)                                                                   

Из (18.3) и (18.4) следует, что длина оптимального рупора растет в квадрате размера его раскрыва, т.е. оптимальные рупоры имеют слишком большую длину. Из (18.3) и (18.4) также следует, что фазовые искажения в раскрыве рупора подчиняются квадратичному закону.

Пример 18.1. λ = 5 см, LЕ = 20λ = 1 м.

 м.

Поэтому оптимальные рупоры в качестве самостоятельной антенны применяются только тогда, когда КНД не превышает 25 ÷ 30 дБ. Расфазированные рупоры (неоптимальные) с небольшим углом раскрыва широко используются в качестве облучателей других антенн (линзовых, параболических) и в лабораторных измерительных установках.

Получить большой КНД (>30 дБ) короткого рупора можно, если в его раскрыве установить линзу, которая трансформирует сферический фронт волны в плоский.

Диаграмма направленности оптимального пирамидального рупора в плоскостях Е и Н вычисляется по формулам (16.13) и (16.26) без учета фазовых искажений в раскрыве.

КНД Е-секториального (DE) и Н-секториального рупоров (DН) можно определить по формуле

 ,                                 (18.5)

КНД пирамидального рупора

.                                  (18.6)

Длина оптимального конического рупора определяется по формуле

 ,                             (18.7)


Расчет ДН конического рупора очень сложен. Поэтому, если фазовые искажения в раскрыве невелики и ими можно пренебречь, то ДН вычисляется по формуле для синфазной круглой излучающей поверхности (16.27).

Для оптимальных конических рупоров КНД можно определить по приближенной формуле:

.                                                        (18.8)

18.2.3 Параболические антенны


Рисунок 18.13 К определению свойств параболы

О д н о з е р к а л ь н ы е  п а р а б о л и ч е с к и е  а н т е н н ы. Параболическая антенна представляет собой параболоид вращения (зеркало), в фокусе которого располагается облучатель, роль которого выполняет слабонаправленная антенна (спираль, рупор, излучатель щелевого типа и др.).

Как известно, парабола есть геометрическое место точек, равноудаленных от фокуса F и от директрисы (рис. 18.13) при любых углах ψn: FAn=AnBn. Из рис. 18.13 следует, что FAnBn = BnAnCn = const при любых ψ. Поэтому, если в фокусе параболической антенны установить источник сферических волн, то её раскрыв в соответствие с законами геометрической оптики будет представлять собой синфазную поверхность. Из сказанного непосредственно следует, что вся совокупность вторичных источников излучения (элементов Гюйгенса) в раскрыве (17.14) (см. курс "Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства") формирует волну с плоским фронтом. Дифракционные явления на краях раскрыва входят в противоречие с законами оптики, и волна в принципе не может иметь строго плоский фронт. Однако в инженерных расчетах обычно пренебрегают этой неточностью и считают фронт излучаемой волны плоским, что значительно упрощает расчет электрических параметров антенны.

В прямоугольных координатах ХОY (рис. 18.13) профиль параболы подчиняется формуле

 .                                                  (18.20)

Нетрудно получить формулу для определения профиля параболы в полярных координатах, используя основное свойство параболы:

 ,

откуда

 .                                            (18.21)

Угол, образованный фокальной осью параболы и прямой, соединяющей фокус с краем раскрыва, называется углом раскрыва ψ0. Из рис. 18.13 следует, что радиус раскрыва R равен

.(18.22)

Антенна называется длиннофокусной, если   , и - короткофокусной, если     .


Рисунок 18.14 Картина поля в раскрыве параболоида

Силовые линии электрического поля в раскрыве совпадают с проекцией на раскрыв линий тока проводимости, текущего по вогнутой поверхности параболоида  (рис. 18.14). Как следует из рис. 18.14, амплитуда вертикальной составляющей электрического поля Еy уменьшается к краям антенны, т.к. в этом направлении растет амплитуда горизонтальной составляющей Ех, которая по направлению к краям раскрыва относительно х=0 имеет противоположный знак. Поэтому в направлении фокальной оси горизонтальная составляющая электрического поля не принимает участия в излучении.

С увеличением кривизны поверхности зеркала  (с уменьшением фокусного расстояния) растет неравномерность амплитуды поля в раскрыве. На поведение амплитуды поля в раскрыве влияет также ДН облучателя. Как видно из рис. 18.15а и 18.15б более широкая ДН облучателя соответствует более равномерному облучению антенны. Отсюда следует вывод, что более узкий главный лепесток ДН имеют длиннофокусные антенны со слабонаправленными облучателями. Однако большой уровень поля на краях раскрыва приводит к увеличению уровня боковых лепестков, что уменьшает КНД.

Подробный анализ показывает, что максимальный КНД параболической антенны с заданной площадью раскрыва соответствует уровню поля на его краю Δ = 0,316 (-10дБ) от уровня поля в центре при условии, если ДН облучателя имеет вид F(φ)=cosφ.

Эффективная площадь раскрыва Sэфф определяется результирующим коэффициентом использования νрез:

 ,                                            (18.23)

Апертурный коэффициент ν1 определяется законом распределения амплитуды поля по раскрыву. Коэффициент ν2 определяется отношением доли мощности облучателя, падающей на раскрыв к его полной мощности излучения. Увеличение фокусного расстояния сопровождается увеличением апертурного коэффициента и уменьшением коэффициента перехвата. Максимальный КИП соответствует = 0,316.

Строгого решения о распределении поля в раскрыве параболической антенны не существует, поэтому при практических расчетах обычно используют приближенное выражение:

 ,

которому соответствует формула для ДН:

.                     (18.24) 

КНД параболической антенны вычисляется по формуле (12.59) (см. курс "Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства"), если ДН имеет осевую симметрию (представляет собой фигуру вращения относительно фокальной оси), или по формуле

 .                                          (18.25)

Облучатель находится в поле волны, отраженной от центральной части зеркала. Для отраженной волны облучатель становится приемной антенной, и в фидере возникает стоячая волна. Этот эффект называется реакцией зеркала на облучатель. В результате КБВ в фидере ухудшается:

 ,                                                 (18.26)

 По определению

 ,                                                    (18.27)

Плотность потока, создаваемого облучателем в центральной части поверхности зеркала

   ,                                      (18.28)
S = 4πf2 ,                                                         (18.29)

Мощность отраженной волны

.           (18.30)

Из (18.27) и (18.29) следует

 .                                  (18.31)


Рисунок 18.16 Устранение обратной реакции зеркала на облучатель

В случае длиннофокусных параболических антенн обычно эффектом отраженной волны пренебрегают. В случае же короткофокусных антенн для уменьшения эффекта принимают специальные меры. Например, обратная волна может быть скомпенсирована установкой металлического     диска между облучателем и центральной частью параболоида (рис. 18.16). Подбирая диаметр диска и его расстояние от поверхности зеркала можно регулировать амплитуду и фазу отраженной волны. При её сложении с прямой волной произойдет их взаимная компенсация. Диаметр диска выбирается из условия

 ,                           (18.32)

а расстояние до центра зеркала

 ,                            (18.33)

Отклонение профиля зеркала от расчетного приводит к фазовым искажениям поля в раскрыве. Допустимым отклонением фазы поля принято считать . Из-за искажений профиля зеркала (рис. 18.17) возникает разность хода лучей

 ,               (18.34)

и разность фаз лучей

 .                 (18.35)

Из (18.34) следует

 (при φ = 0).   (18.36)

Увеличение диаметра раскрыва параболической антенны 2R неизбежно приводит к увеличению неточности изготовления профиля поверхности зеркала d. Минимально возможная погрешность в изготовлении зеркала примерно пропорциональна её диаметру. Таким образом, отношение  есть величина постоянная. Это означает, что при некотором R фазовые искажения в раскрыве становятся выше предельных, и дальнейшее увеличение диаметра зеркала ухудшает ДН и снижает КНД. В итоге имеется некоторое предельное значение КНД, которое нельзя превзойти увеличением диаметра зеркала или уменьшением длины волны. Поэтому при расчете антенны её максимальный диаметр определяется заданной длиной волны.

Расчет параболической антенны обычно начинается с определения радиуса раскрыва зеркала.

,                                     (18.37)

Фокусное расстояние f и угол раскрыва зеркала ψ0 совместно с ДН облучателя определяют величину пьедестала . Фокусное расстояние определяют из (18.21), задавшись углом раскрыва ψ0 =50° - 70°:

 .

Затем по углу раскрыва, подбирают ДН облучателя для получения опт=0,316.

К недостаткам однозеркальной антенны относится:

В большой мере перечисленных недостатков лишена двухзеркальная антенна.

Д в у х з е р к а л ь н а я  а н т е н н а. Двухзеркальная антенна аналогична по принципу действия астрономическому телескопу, предложенному в 1672 г. французским оптиком Н. Кассегреном . Антенна имеет в своем составе основное (большое) параболическое зеркало и вспомогательное (малое) гиперболическое зеркало (рис.18.18). Оба зеркала имеют совмещенный фокус в т. F. Фазовый центр облучателя расположен в фокусе F' второй мнимой ветви гиперболы (пунктир). Напомним, что гиперболой называется геометрическое место точек, разность расстояний от которых до фокусов F и F' равняется расстоянию между её вершинами (F'An – FAn= 2a = const) при любых углах γn.

Тогда оптические пути лучей, исходящих из фокуса F' до раскрыва большого зеркала, отличаются от оптических путей лучей, исходящих из фокуса F, на постоянную величину 2аk, где    .

Волна, отраженная от малого зеркала, как - будто возбуждается виртуальным источником сферической волны, расположенным в фокусе большого зеркала F, и в раскрыве большого зеркала образуется синфазная поверхность, как в случае однозеркальной антенны.

Преимущества двухзеркальной антенны перед однозеркальной заключается в следующем.

Недостатком двухзеркальной антенны является значительный теневой эффект, создаваемый вспомогательным зеркалом, и реакция зеркала на облучатель. Теневой эффект растет с ростом раскрыва вспомогательного зеркала. Поэтому обычно его радиус R выбирается в пределах R = (0,06 ÷ 0,2)R0, где R0 – радиус основного зеркала.

При расчете распределения амплитуды поля в раскрыве большого зеркала вводится понятие эквивалентного зеркала, что значительно упрощает расчеты. Эквивалентное зеркало представляет собой геометрическое место точек, образованных пересечением лучей, отраженных от основного зеркала и лучей, идущих от облучателя, расположенного в т. F' (рис.18.19).

Как следует из рис. 18.19, двухзеркальная антенна эквивалентна однозеркальной с фокусным расстоянием fэ.

На основании законов оптики

,                                              (18.39)

Эксцентриситетом кривой второго порядка называется отношение расстояния между фокусами к расстоянию между вершинами:



                                                   (рис. 18.20).

В случае гиперболы е>1.

Величина f  и fэ связаны соотношением

,  где  m = 2 ÷6.


Рисунок 18.21 Антенна Кассегрена

Радиусы раскрывов эквивалентного и основного зеркала одинаковы. Амплитудное распределение поля в раскрыве эквивалентного зеркала такое же, как и в раскрыве основного зеркала и рассчитывается по тем же формулам, что и для однозеркальной антенны (16.27). Из рис. 18.19 видно, что фокусное расстояние эквивалентного зеркала больше фокусного расстояния основного зеркала. Поэтому амплитудное распределение поля в раскрыве основного зеркала двухзеркальной антенны более равномерное при заданной ДН облучателя по сравнению с распределением поля в раскрыве однозеркальной антенны при равном отношении . Благодаря этому КИП двухзеркальной антенны может достигать величины =0,7. Благодаря низкой шумовой температуре двухзеркальные  антенны широко применяются на космических и радиорелейных линиях связи, на которых работа ведется с малыми уровнями полезного сигнала.

Общий вид антенны Кассегрена приведен на рис. 18.21.

18.2.4 Рупорно – параболическая антенна

Наиболее высоким коэффициентом защитного действия и, соответственно, минимальной шумовой температурой обладают рупорно-параболические антенны (РПА). В состав антенны входит облучатель (пирамидальный рупор) и часть параболоида вращения, образуя единую жесткую конструкцию (рис. 18.22). Фокус параболоида совмещен с фазовым центром рупора F.

Как и в случае однозеркальной антенны, сферическая волна, возбуждаемая облучателем, после отражения от зеркала трансформируется в плоскую, и в раскрыве антенны образуется синфазная поверхность. В отличие от однозеркальной антенны облучатель оказывается вынесенным из зоны действия отраженной волны, и поэтому у РПА отсутствует реакция зеркала на облучатель и теневой эффект. Как видно из рис. 18.22, вся мощность облучателя падает на зеркало, и коэффициент перехвата практически равен единице. Отсутствие затекания энергии через край зеркала уменьшает уровень обратного излучения и КЗД антенны может быть доведен до 70 дБ. Коэффициент использования поверхности раскрыва КИП равен 0,6. Угол раскрыва рупора обычно выбирают в интервале α=30 ÷ 50°. Увеличение угла раскрыва рупора приводит к значительному увеличению отражения от его раскрыва.

Формулы для расчета ДН антенны имеют весьма громоздкий вид. Поэтому в практических расчетах можно воспользоваться выражениями для синфазного прямоугольного раскрыва (17.14, 17.20) (см. курс "Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства").

18.3 Щелевые антенные решетки

18.3.1 Щелевой излучатель

Простейший щелевой излучатель представляет собой узкое прямоугольное отверстие в металлическом экране (рис. 18.27).

Если между противоположными узкими сторонами щели (точки а, б) подключить источник тока высокой частоты, то под действием приложенного напряжения в щели возникают токи смещения. Линии тока смещения в результате дифракции на краях щели приобретают конфигурацию, показанную на рис. 18.28. На расстояниях r>>λ в момент, когда разность потенциалов в точках питания щели оказывается равной нулю, линии тока смещения замыкаются на себя. Как следует из уравнений Максвелла, это является причиной образования волнового процесса. Таким образом, щель становится источником излучения электромагнитных волн.

Для изучения параметров щелевого излучателя удобно воспользоваться известным из курса электродинамики принципом перестановочной двойственности. На рис. 18.29 приведен полуволновый щелевой вибратор (б) и симметричный вибратор (а), идентичный по ширине плеч и длине щелевому вибратору. Как следует из рисунка 18.29, распределение амплитуды тока по вибратору и распределение амплитуды напряженности магнитного поля точно соответствуют распределению напряжения по щели и напряженности электрического поля излучения. Принцип перестановочной двойственности позволяет использовать для расчета щелевых антенн в плоских экранах уже готовые результаты из хорошо разработанной теории вибраторных антенн.

Диаграммы направленности щелевой антенны будут практически совпадать с диаграммами направленности её вибраторного прототипа, за исключением положения в пространстве векторов Е и Н, которые на основе изложенного поменяются местами. Например, для расчета ДН щелевой антенны в плоскости Н используется формула (12.11) (см.курс "Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства"), полученная для расчета ДН симметричного вибратора в плоскости Е.

Принцип перестановочной двойственности позволяет найти соотношение между амплитудой тока в вибраторе Im и амплитудой напряжения в эквивалентной по излучаемой мощности щели Umщ . Из первого уравнения Максвелла следует, что

                                                            ,

откуда                                                 ,                                (18.45)

Из второго уравнения Максвелла

,

или                                                       ,                                (18.46)

Из (18.45) и (18.46) следует

,                                   (18.47)

или

  .                                 (18.48)

Выражение (18.48) можно использовать для определения сопротивления излучения щели. Пусть мощность излучения симметричного вибратора и щели равны. Тогда

                                                  ,           (18.49)

Из (18.41) следует, что

 ,

или

 .                                   (18.50)

Например, в случае, когда симметричный вибратор и щель имеют одинаковую длину ,

                                    Ом .

Таким образом, одиночная щелевая антенна имеет значительно более высокую излучаемую способность по сравнению с симметричным вибратором.

18.3.2 Щелевые решетки

Одиночная щелевая антенна, как и симметричный вибратор, обладает слабовыраженными направленными свойствами и применяется поэтому преимущественно в качестве облучателя апертурных антенн. Для увеличения КНД из одиночных щелей формируют антенные решетки.

Чаще всего возбуждение щелей  в решетке осуществляют с помощью волноводов. Подобные антенные решетки называются волноводно-щелевыми. Щели прорезают в стенках прямоугольных, круглых волноводов, а также во внешнем проводнике коаксиальных линий. Широкое распространение также получили щелевые решетки выполненные на основе микрополосковой техники.

Как было установлено ранее, для того, чтобы щель выполняла роль излучателя, необходимо, чтобы она разрезала линии тока проводимости, текущего по внутренней поверхности стенок волновода. Некоторые варианты размещения щелей на стенках прямоугольного волновода приведены на рис. 18.30. В свете изложенного щель 5 не может быть использована в качестве излучателя, так как ориентирована вдоль линий тока. Щель 4 также не будет излучать из-за того, что расположена на осевой линии, где плотность тока вообще равна нулю. Щели 1,2,3,6 пересекают линии тока и поэтому будут хорошо излучать. Интенсивность возбуждения щели зависит от плотности пересекающих её токов. Поэтому интенсивность возбуждения продольной щели 1 возрастает с увеличением смещения её относительно осевой (средней) линии волновода.

Излучающей способностью щели можно также управлять за счет изменения угла наклона щели относительно линий тока (щель 3). Этими свойствами щелей пользуются на практике для согласования щелей с волноводом и для получения требуемых амплитуд и фаз токов в отдельных щелях, если антенна состоит из системы щелей, образующих антенную решетку.

Антенные решетки могут быть синфазными и решетками бегущей волны. Первые называются также резонансными, а вторые – нерезонансными.

Р е з о н а н с н ы е  щ е л е в ы е  ре ш е т к и. На рис. 18.31 приведен вариант резонансной решетки, у которой продольные щели прорезаны в широкой стенке волновода с шагом равным длине волны в волноводе λв. В конце волновода установлен короткозамыкающий поршень, поэтому в волноводе устанавливается режим стоячей волны, и щели максимально возбуждаются в фазе, если они будут находиться в пучности поперечной составляющей поверхностного тока. Это обеспечивается установкой короткозамкнутого поршня на расстоянии    от последней щели.

Для согласования щелевой решетки с питающим волноводом необходимо, чтобы её суммарная нормированная проводимость  При одинаковом расположении щелей относительно средней линии волновода эквивалентные проводимости всех щелей одинаковы. Тогда суммарная  входная проводимость антенны из n щелей , где  - нормированная проводимость одной щели:

.                    (18.51)

Здесь а – размер широкой стенки волновода, b – размер узкой стенки волновода, х – смещение щели относительно средней линии.

На рис. 18.32 показана схема резонансной решетки со щелями, расположенными в шахматном порядке относительно средней линии волновода. Синфазность возбуждения щелей обеспечивается тем, что расстояние между соседними щелями равно . Это создает сдвиг фаз возбуждающих токов, равный 180°. Дополнительный сдвиг фаз на 180° обеспечивается за счет того, что поперечные токи имеют противоположное направление по обеим сторонам от средней линии волновода. Увеличение количества щелей при сохранении габаритов решетки уменьшает уровень боковых лепестков ДН. При синфазном питании щелей главный лепесток ДН ориентирован в направлении нормали к оси решетки. ДН рассчитывается по формуле синфазной эквидистантной равноамплитудной решетки:

 ,

Недостатком резонансных решеток является резкое изменение режима согласования с питающим волноводом при изменении частоты. На частотах, отличных от резонансной, расстояние между щелями не равно λв (или ), и поэтому щели возбуждаются несинфазно. Это приводит к искажению ДН и к ухудшению других электрических характеристик. Этих недостатков в большой мере лишены нерезонансные щелевые решетки.

Н е р е з о н а н с н ы е  щ е л е в ы е  р е ш е т к и. В нерезонансных решетках щели возбуждаются в режиме бегущей волны. Схемы нерезонансных решеток приведены на рис. 18.33.

Волна, бегущая по волноводу, возбуждает щели поочередно со сдвигом по фазе на величину , где x - коэффициент замедления, равный     

.                                (18.53)

Остаточная после излучения щелями волна рассеивается на поглощающей нагрузке.

Как было установлено в разделе 14.3 (курса "Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства"), в случае, когда x<1, ДН решетки бегущей волны имеет наклон относительно оси волновода. Угол наклона можно определить из условия максимума главного лепестка ДН:

.                                    (18.54)

Из (18.54) следует, что

 ,                       (18.55)

В случае стандартных волноводов λв = 1.4λ, и угол φ соответственно равен φмакс = 60°. Для уменьшения угла φмакс щели располагают в шахматном порядке относительно средней линии волновода (рис. 18.33б). В этом случае

.                                          (18.56)

При условии (18.56) угол наклона можно довести до очень малой величины.

Расстояние между соседними щелями в нерезонансных антеннах обычно выбирают в пределах от 0,25λ до 0,8λ. В этом случае отражения от отдельных щелей взаимно компенсируются.

Нерезонансные решетки хорошо согласуются с питающим волноводом в широкой полосе частот. Этим они выгодно отличаются от резонансных решеток.

Так как при изменении рабочей частоты изменяется величина ψп, то соответственно изменяется угол наклона главного лепестка ДН. Эта особенность нерезонансных решеток применяется в антенных решетках с частотным сканированием.

ДН нерезонансных щелевых решеток вычисляется по формуле для ДН антенных решеток бегущей волны (14.25)(см. курс "Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства"):

.                                   (18.57)

Множитель ДН одиночной щели в формуле (18.57) опущен, т.к. является достаточно медленной функцией угла φ и не оказывает существенного влияния на ДН решетки в целом. КНД щелевых решеток обычно вычисляется по приближенной формуле:

.                                                  (18.58)

Вопросы для самопроверки

1. Перечислить требования, предъявляемые к антеннам СВЧ.

2. Объяснить методику расчета электрических характеристик апертурных антенн.

3. Что называется оптимальным рупором?

4. Принцип действия параболической антенны.

5. Объяснить закон распределения поля в раскрыве параболической антенны.

6. Объяснить методику расчета параболической антенны.

7. Объяснить принцип действия двухзеркальной параболической антенны.

8. Объяснить принцип действия щелевого излучателя (на основе принципа двойственности).

9. Особенности реализации щелевых решеток.

10. Чем определяется закон распределения амплитуды поля в раскрыве параболической антенны?


назад | содержание | вперёд