Особенности конструкции и характеристики волноводно-щелевых антенн. Определение фазового сдвига

Цель работы: Ознакомится с особенностями конструкции и характеристиками Волноводно-щелевых антенн.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Волноводно-щелевая антенна представляет собой систему щелей, возбуждаемых общим, волноводом. Чаще всего используются полуволновые резонансные щели, прорезанные в прямоугольном волноводе с волной  . Для того чтобы щель эффективно излучала, она должна пересекать линии поверхностного тока. На рис. 1 показаны эпюры распределения поверхностных токов на внутренних стенках волноводов с волной Н₁₀.

На этом же рисунке показаны различные типы щелей. Поперечная щель 1 пересекает продольные токи I_z. Интенсивность ее возбуждения будет максимальной, когда щель расположена в середине широкой стенки. Продольная щель 2 пересекает поперечные токи I_Х. Ее излучение возрастает с приближением к краю широкой стенки волновода, где поперечный ток I_Хдостигает максимума. Располагая эту щель по разные стороны от оси волновода, можно изменять фазу излучаемого поля на π, т.к. изменяется направление поверхностных токов, пересекающих щель. Наклонная щель 3 на узкой стенке возбуждается поперечными токами. Интенсивность возбуждения этой щели зависит от угла наклона. Наклонно смещенная щель 4 пересекает продольные и поперечные токи. Следовательно, интенсивность излучения зависит как от величины смещения, так и от угла наклона. Все рассмотренные щели излучают поле линейной поляризации с вектором Е , перпендикулярным к оси щели. При необходимости излучения волн круговой поляризации используют крестообразные щели 5. Положение центра щелей выбирается таким образом, чтобы токи I_Х  и I_z имели одинаковую величину. Наличие фазового сдвига на π/2 обеспечивает излучение поля круговой поляризации.

Многощелевые волноводные антенны применяют для получения узких ДН. Если все щели возбудить синфазно, то максимум главного лепестка будет ориентирован перпендикулярно к оси решетки. Причем ДН будет широкой в плоскости, перпендикулярной к продольной оси волновода,  а в плоскости, содержащей ось волновода, -узкой и тем уже, чем больше длина антенны.

При синфазном возбуждении щелей расстояние между ними выбирается равным λ_в или λ_в/2. Обычно такие антенны работают в режиме стоячих волн, для обеспечения которого в конце волновода помещается короткозамыкающий поршень (рис. 2,а). Его положение должно быть таким, чтобы щели находились в пучностях поверхностей плотности электрического тока. Такие антенны называются резонансными и являются узкополосными.

Лучшими диапазонными свойствами обладают нерезонансные антенны. Характерной особенностью этих антенн является то, что у них щели располагаются на расстоянии несколько большем или меньшем λ_в или λ_в/2, а в конце волновода устанавливается согласованная нагрузка (рис. 2,6), в которой поглощается 5-10 % мощности. Максимум ДН такой антенны отклонен от перпендикуляра к оси решетки.

Следует иметь в виду, что при расстояниях между щелями d≫ λ в ДН возникают дифракционные лепестки.

Устраняют их различными способами. В частности, продольные щели на широкой стенке располагаются в "шахматном" порядке, поперечные щели на узкой стенке имеют противоположный наклон, над поперечными щелями в широкой стенке могут быть расположены пластины, имеющие размер вдоль оси волновода ~λ₀/2. Эти приёмы позволяют уменьшить расстояние между щелями и тем самым устранить дифракционные лепестки.

Для расчета ДН антенны в плоскости, проходящей через ось волновода, используют общую формулу

,

где F₁(𝜃) - ДН одиночной щели с односторонним излучением (этот множитель слабо влияет на общую ДН); F_N(𝜃) - множитель решетки.

Для равноамплитудных щелей:

 ,

где  λ -  длина волны; d - расстояние между щелями; 𝜃 - угол относительно нормали к оси решетки.

Фазовый сдвиг определяется    следующими соотношениями: ∆ψ= 0 - для резонансной антенны; ∆ψ = (2𝜋d/λ_B– 𝜋)-  для нерезонансной антенны. Причем дополнительный сдвиг фаз на 𝜋будет только в том случае, если в антенне соседние щели прорезаны по разные стороны от оси волновода (для продольных щелей, расположенных на широкой стенке) или имеют противоположный наклон (для поперечных щелей, расположенных на узкой стенке волновода).

Направление главного максимума определяется из условия:

sin𝜃_max =(∆ψ)/(2𝜋).

Откуда следует, что при изменении частоты положение максимума ДН нерезонансной антенны будет изменяться. Это обстоятельство лежит в основе построения волноводно-щелевых антенн с частотным сканированием.