Исследование многощелевой волноводной антенны

В.П.СМОЛИН

Электронная версия методического пособия лабораторной работы по дисциплине «СВЧ устройства и антенны»

 

Санкт-Петербург

 

 

[EN1] “ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЩЕЛЕВОЙ ВОЛНОВОДНОЙ АНТЕННЫ ”

Цель работы - практическое ознакомление с устройством многощелевых антенн СВЧ, исследование режимов их работы, направленных свойств в зависимости от числа щелей, а также методов частотного сканирования главного лепестка диаграммы направленности (ДН).

 

 

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

 

Многощелевые антенны представляют собой решетки из многих излучающих щелей, питаемых общим фидером, и применяются преимущественно в качестве бортовых остронаправленных антенн на скоростных самолетах вследствие возможности выполнения их заподлицо с металлической поверхностью обшивки. Чаще всего используются полуволновые резонансные щели, расположенные различным образом на широкой или узкой стенках прямоугольного и круглого волновода, внешней проводящей оплетке коаксиального кабеля (рис.1) или прорезанные в экранирующей пластине полосковой линии, как изображено на рис.2,б.

Интенсивность возбуждения одиночной щели зависит от величины поверхностного тока проводимости, возбуждающего щель, и угла, под которым щель своей широкой стороной пересекает этот ток. В соответствии с граничными условиями вектор плотности поверхностного тока проводимости зависит от вектора Н волны, распространяющейся в фидере, и определяется выражением

, (1)

где - единичный нормальный орт к внутренней проводящей поверхности фидера, - касательная к проводящей поверхности составляющая магнитного поля.

На рис.1,а приведены эпюры распределения электрического (сплошные линии) и магнитного (пунктирные) полей некоторых типов волн в фидерах, на рис.1,б - токи проводимости на внутренних поверхностях фидеров, на рис.1,в показано, как следует располагать щели с максимальной интенсивностью излучения (незаштрихованные) и неизлучающие (заштрихованные). На рис.2,а изображена электромагнитная волна в симметричной полосковой линии, а на рис.2,б - щелевой излучатель, прорезанный во внешнем проводнике этой линии. Наличие щелей вызывает появление в полосковой линии волн высших типов, для подавления которых используется комбинация короткозамыкающих штифтов.

Щели можно прорезать в любых волноводах, но чаще всего применяются прямоугольные волноводы с волной .

При режиме стоячих волн в волноводе для более сильного возбуждения щели ее продольная координата z должна совпадать с пучностью той составляющей тока, которая пересекает щель. В режиме бегущих волн щель будет возбуждаться одинаково при любом значении ее координаты z.

Щели, прорезанные на стенках волновода, создают некоторую неоднородность и вызывают соответствующие отражения волн в волноводе. При расположении соседних щелей на расстоянии d вдоль оси, равном указанные отражения будут складываться и сильно увеличивать КСВ в начале волновода, что затрудняет решение задачи согласования, особенно в полосе частот. Такие антенны называются резонансными. Для устранения указанного недостатка можно осуществлять согласование каждой отдельной щели, например, с помощью реактивных штырей (рис.3,е), или выполнять антенну из щелей, расположенных на расстоянии d не равном . В последнем случае на конце волновода во избежание отражений, приводящих к возрастанию боковых лепестков, устанавливается неотражающая нагрузка и щели возбуждаются бегущей по волноводу электромагнитной волной с некоторым сдвигом фаз, зависящим от . В поглощающей нагрузке теряются 5 - 20 % входной мощности антенны. При отражения от антенных щелей в значительной мере компенсируют друг друга и входной КСВ близок к единице в полосе частот. Щелевая антенна с согласованной нагрузкой называется нерезонансной и обладает лучшими диапазонными свойствами, чем резонансная щелевая антенна.

Используя аналогию между волноводом и длинной линией, можно представить многощелевую антенну в виде линии, вдоль которой включен ряд сосредоточенных нагрузок, соответствующих щелям. Так, например, резонансным антеннам, изображенным на рис.3,а,б, соответствуют эквивалентные схемы, представленные на рис.4,а,б. Последовательные сопротивления (параллельные проводимости), включенные в линии на удалении и друг от друга, при пересчете к точкам включения первой нагрузки складываются. Таким образом, нормированное входное сопротивление антенны с поперечными настроенными щелями равно: , где - число щелей, а нормированная входная проводимость антенны с проводольными настроенными щелями на широкой стенке и наклонными щелями на узкой стенке равна: .

Для того чтобы антенна была согласована с питающим ее волноводом, необходимо выполнить условие или .

Прямолинейные многощелевые антенны (см. рис.3) применяют для формирования узких ДН в плоскостях, содержащих ось волновода и перпендикулярных плоскости расположения щелей. В плоскости, перпендикулярной этой оси, ДН остается широкой. Игольчатую ДН можно сформировать, располагая параллельно ряд щелевых волноводов, образующих плоскостную антенную решетку.

Синфазное возбуждение щелей можно осуществить двумя способами: либо выбрать расстояние между соседними щелями, равное , и расположить их идентично вдоль оси волновода (рис.3,а,б,в), либо выбрать расстояние, равное , а дополнительный сдвиг фаз на реализовать за счет “шахматного” расположения щелей (рис.3,г). Такие антенны называют прямофазными и, соответственно, переменнофазными.

В случае “шахматного” расположения продольных щелей в широкой стенке волновода (рис.3,г) дополнительный сдвиг фаз, равный , достигается за счет того, что поперечная составляющая поверхностного тока меняет свое направление на обратное при переходе средней линии волновода (см. рис.1,б). В случае встречно наклонного расположения щелей через на узкой стенке волновода (рис.3,д) также достигается их синфазное возбуждение. Продольные щели на средней линии широкой стенки волновода можно синфазно возбуждать, размещая возбуждающие штыри по разным сторонам щелей (рис.3,е).

Диаграмма направленности волноводно-щелевой антенны в плоскости, проходящей через ось волновода, как системы из направленных излучателей, определяется теоремой умножения диаграмм направленности:

, (2)

где - диаграмма направленности одиночной щели с односторонним излучением; - множитель решетки. Для многощелевой антенны множитель мало влияет на общую диаграмму направленности, которая в основном определяется вторым множителем.

Для системы равноамплитудных щелей с линейным сдвигом фаз

, (3)

Нормированный множитель решетки определяется из формулы (3’): (3’)

где - длина волны в воздухе; - расстояние между серединами щелей; - угол относительно перпендикуляра к оси волновода.

Анализируя формулу (3), нетрудно показать, что максимум ДН получается в случае, если числитель и знаменатель (3) обращаются в нуль. Неопределенность вида 0/0 легко раскрывается, после чего

(4)

Значение n определяет главный максимум диаграммы направленности, который ориентирован в направлении, перпендикулярном линии расположения излучателей. Это значение в n раз больше, чем напряженность поля, создаваемого одиночным излучателем в любом направлении, что следует из (3) при n=1. В направлении максимума диаграммы все напряженности полей отдельных излучателей складываются в одинаковой фазе, т.е. арифметически.

Подобные максимумы при условии получаются в направлениях, определяемых из условия равенства нулю знаменателя выражения (3), когда

, (5)

т.е. в направлениях, для которых

;

, (6)

где множители 1, 2,... N перед определяют номер дополнительного главного максимума диаграммы направленности.

Однако, если ограничиться небольшими расстояниями между излучателями , то равенства (6) не выполняются и для рассматриваемой системы получается лишь один так называемый главный максимум в направлении, перпендикулярном лини расположения излучателей .

Условие и отсутствие побочных главных лепестков выполняется для антенн, изображенных на рис.3.

В волноводно-щелевых антеннах благодаря дисперсионным свойствам волноводов можно осуществить частотное сканирование, при котором фазовые сдвиги возбуждения излучателей и направление максимального излучения решетки регулируются путем изменения частоты колебаний.

Для решетки, изображенной на рис.3,а,е, разность фаз между соседними щелями

(7)

Первое слагаемое правой части равенства обусловлено тем, что каждая последующая щель, более удаленная от генератора, возбуждается бегущей волной с соответствующим запаздыванием, второе слагаемое (дополнительное изменение по фазе на ) - тем, что соседние щели прорезаны по разные стороны от средней линии широкой стенки волновода или возбуждаются штырями, размещенными с разных сторон щелей.

Направление максимума диаграммы направленности определяется из условия

(8)

Подставляя (8) в (7), получаем другое выражение:

, (9)

которое дает возможность рассчитать изменение при изменении . В частности, при из (7) следует: , что соответствует синфазному возбуждению щелей и .

При имеем антенну с линейной фазовой характеристикой. При изменении меняется и будет меняться направление главного максимума ДН антенны: при максимум ДН отклоняется от перпендикуляра к оси антенны в сторону от генератора, при - в сторону генератора.

В работе исследуются многощелевые волноводные антенны (рис.5).

 

 

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

 

1. Рассчитать ширину главного лепестка ДН синфазной щелевой антенны (рис. 5,а) для числа щелей n = 3, 7, 10. Расчеты вести по формуле (3’), где d = = 22,3 мм, соответствует частоте , при которой .

2. Определить направление первого дополнительного главного максимума ДН для антенны с числом щелей n = 5 при расстоянии между щелями d = 44,6 мм (рис.5,б). Рассчитать величину дополнительного главного максимума с учетом .

3. Рассчитать угол поворота главного лепестка ДН многощелевой (n = 10) волноводной антенны при условии, что ; и .

Расчет вести по формуле (9), где a = 2,3 см; d = 22,3 мм.

Для заданных значений a и d по формулам

и

найти частоты для которых ; и .

 

 

3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

Структурная схема установки для измерения характеристик щелевых антенн приведена на рис.6. В установке используются генератор СВЧ Г4 - 32А, измерительная линия (ИЛ), вращающееся волноводное соединение (ВС), исследуемая передающая щелевая антенна, согласованная нагрузка, рупорная приемная антенна, детекторная головка и измерительный усилитель. К выходному фланцу вращающегося соединения с помощью набора волноводных элементов могут присоединяться различные щелевые антенны.

 

 

4. ЗАДАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Выполнить предварительное задание и найти частоты генератора , , .

2. Подготовить к работе и включить генератор в соответствии с инструкцией. Включить на нагрев измерительный усилитель.

3. Ознакомиться с измерительной установкой, назначением элементов ВЧ тракта.

4. Установить по волномеру частоту генератора , перевести генератор в режим внутренней манипуляции и обеспечить на входе щелевой антенны мощность по указанию преподавателя.

5. Исследовать волноводную многощелевую антенну (рис.5,а). Включить 3 щели, измерить КСВ в тракте и ДН в плоскости Н. То же самое проделать для 5 и 10 щелей. Зафиксировать направление главного максимума ДН для антенны из 10 щелей.

6. Для частот , и 10 щелей определить угловое смещение основного главного максимума ДН по сравнению с его положением на частоте .

7. Измерить ДН щелевой антенны из 5 щелей (рис.5,б). Определить положение дополнительных главных максимумов, их величину относительно основного максимума ДН. Сравнить полученные результаты с результатами п.2 предварительного задания.

8. Выключить приборы измерительной установки и обесточить распределительный щиток.

 

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

1. Структурная схема измерительной установки.

2. Результат выполнения предварительного задания.

3. Таблицы с результатами измерений. Нормированные ДН для каждой антенны, изображенные на одном графике в полярной системе координат.

4. Результаты сравнения измеренных характеристик щелевых антенн с расчетными.

 

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.Кочержевский Г.Н. “Антенно-фидерные устройства”. - М.: Связь, 1972

2.Айзенберг Г.З. “Антенны УКВ”. - М.: Связь, 1977

3.Бова Н.Т., Резников Г.Б.”Антенны и устройства СВЧ”. - Киев: Вища школа,

1977.