Способы возбуждения щелевых антенн

Содержание

Способы возбуждения щелевых антенн
Основы радиолокации
Щелевая антенна
Щелевая антенна

Способы возбуждения щелевых антенн

Если судить по иностранной радиолюбительской литературе, скелетно-щелввая антенна пользуется популярностью на частотах выше 20 МГЦ. В публикуемой статье предпринята попытка ответить на вопрос — насколько заявленный в литературе ее коэффициент направленного действия соответствует действительности.

В книгах по УКВ антеннам неоднократно описывалась так называемая скелетно-щелевая антенна, причем все без исключения публикации сообщали о ее весьма высоких параметрах, большом коэффициенте направленного действия (КНД), широкой полосе частот и удобстве настройки. Идея антенны предложена Дж. Рамсеем еще в 1949 г. [1], ее конструкция показана на рис.1, заимствованном из [2]. Активный элемент антенны представляет собой три параллельных полуволновых диполя, расположенных в три этажа друг над другом. Для уменьшения габаритов антенны концы верхнего и нижнего диполей согнуты под прямым углом по направлению к среднему диполю и соединены с ним. От него же они и возбуждаются. Средний диполь сделан разрезным и соединен с согласующей четвертьволновой двухпроводной линией, одновременно служащей для крепления рефлектора. Рефлектор выполнен как у волнового канала в виде одиночного вибратора, электрическая длина которого несколько больше полуволны. Размеры антенны в длинах волн и значения коэффициента укорочения к, зависящего от диаметра проводников (трубок) d, приведены на рис. 1. Перемещая точку питания XX вдоль двухпроводной линии, можно изменять входное сопротивление антенны от нулевого (около рефлектора) до примерно 400 Ом (в точке YY около активного элемента).

Рис.1

Распределение тока в активном элементе показано на рис. 2. Видно, что пучности (максимумы) тока расположены как раз посередине горизонтальных частей элемента, образуя трехэтажную синфазную систему. В вертикальных частях активного элемента токи невелики и направлены навстречу друг другу. Кроме того, здесь находятся четыре узла тока, поэтому излучение вертикальных частей в дальней зоне отсутствует. Напомним, что в дальней зоне практически полностью формируется диаграмма направленности антенны. Расстояние до дальней зоны составляет несколько длин волн. Оно тем больше, чем больше КНД антенны.

Рис.2

Активный элемент скелетно-щелевой антенны можно также рассматривать как два квадрата, совмещенных одной стороной и точками питания. Однако по сравнению с двумя полноразмерными квадратами периметр активного элемента скелетно-щелевой антенны получается несколько меньше, вероятно из-за укорачивающего действия емкости между вертикальными проводниками элемента. Похожую антенну предложил К. Харченко [3], но в ней два квадрата запитаны с углов и совмещены точками питания.

У простой скелетно-щелевой антенны недостаточно эффективен рефлектор. Устранить этот недостаток можно, выполнив рефлектор точно так же, как и активный элемент (в виде такой же трехэтажной конструкции вибраторов). Двухпроводные линии теперь уже нельзя разместить между элементами, но никто не мешает провести их в плоскости каждого элемента к точке с нулевым потенциалом в середине нижнего горизонтального вибратора.

То, что получается после такой модификации, изображено на рис. 3. Размеры самих элементов остаются прежними, а расстояние между активным элементом и рефлектором уменьшается до 0,18 l . У этой антенны есть и еще одно достоинство. Перемещая по двухпроводным линиям закорачивающие перемычки, элементы удается подстраивать ее на нужную частоту, а передвигая перемычку рефлектора, легко настроить антенну на максимальный КНД или отношение излучения вперед-назад.

Рис.3

Для такой двухэлементной антенны, описанной в [2 и 4], сообщается о необычайно высоком КНД в 14. 16 дБ! Если бы вторая из названных книг была не серьезным изданием, тогда еще можно было махнуть рукой и не принимать этой цифры всерьез. Но эта книга в целом очень хорошая и почти не содержит ошибок. Ее автор, конечно, не мог испытать все множество приведенных в ней конструкций. Следовательно, если это ошибка, то она появилась раньше, в каких-то других изданиях, и найти первоисточник теперь затруднительно. Вполне понятно, что синфазная система вибраторов должна давать больший КНД, чем одиночный вибратор, но вопрос — насколько? Хотя в [2] на с. 100 и утверждается, что антенна «. фактически является шестиэлементной трехэтажной синфазной», но ведь вибраторы оказываются довольно близко друг к другу, и к тому же укорочены. Это неизбежно должно снизить эффективность. Таким образом, вопросов оказалось больше, чем ответов. К тому же знакомые автору радиолюбители собрались строить именно такую антенну на диапазон 10 метров и уже готовы были потратиться на материал, а он нынче недешев!

Чтобы получить ясный и четкий ответ на вопрос о КНД, был проведен эксперимент в диапазоне 432 МГц. Элементы были согнуты в соответствии с рис. 3 из отрезков эмалированного медного провода диаметром 1,5 мм, соединения пропаяны, а проводники линий в местах установки замыкающих перемычек и присоединения кабеля зачищены от изоляции. Вся конструкция была собрана на деревянном каркасе из сухих тонких реек. Кабель питания проходил от точек питания вдоль того проводника двухпроводной линии, с которым соединялась оплетка, вертикально вниз и подключался непосредственно к выходу генератора стандартных сигналов. Индикатором поля служил полуволновый диполь с детектором и микроамперметром. Он располагался на штативе на расстоянии нескольких метров от антенны. Антенна также закреплялась на примитивном поворотном штативе, который позволял изменять ее ориентацию.

Настроилась антенна достаточно легко и быстро, просто по максимуму излучения в главном направлении. При указанных размерах на частоте 432 МГц расстояния замыкающих перемычек от основания двухпроводных линий для настроенной антенны получились такими: у рефлектора — 43 мм, у активного элемента — 28 мм. Расстояние до точки подключения 50-омного кабеля было 70 мм.

При настройке на максимум КНД обнаруживается небольшой задний лепесток. Подстроив рефлектор, его можно подавить практически полностью. Излучение вбок, вверх и вниз отсутствовало.

КНД, точнее выигрыш антенны, равный произведению КНД и КПД, определялся следующим образом: на индикаторе отмечался уровень сигнала, создаваемый антенной в главном направлении, затем вместо антенны к питающему кабелю подсоединялся полуволновый диполь, расположенный в той же точке пространства. Уровень сигнала от генератора повышался настолько, чтобы получить на индикаторе те же самые показания. Отсчитанное по аттенюатору генератора изменение уровня сигнала численно равно выигрышу антенны относительно полуволнового диполя. Для данной антенны он оказался равным 7 dBd. Относительно изотропного(всенаправленного) излучателя он будет на 2,15 dB больше и составит около 9,2 dBi.

Обратите внимание на буквы d и i в обозначении децибелов — в литературе по антеннам так принято указывать, относительно какого излучателя измерен КНД.

Ширина диаграммы направленности по половинной мощности составила в горизонтальной плоскости (по азимуту) около 60′, а в вертикальной плоскости (по углу места) около 90′. Имея эти данные, КНД можно рассчитать и еще одним способом: телесный угол, в который излучает антенна, равен произведению линейных углов, соответствующих ширине диаграммы и выраженных в радианах. Получаем значение около 1,5 стерадиана. В то же время изотропная антенна излучает в телесный угол 4 p , или 12,6 стерадиана. КНД по определению есть отношение этих телесных углов и составляет 12,6/1,5=8,4 или 9,2 dBi.

Получив столь хорошее совпадение значений КНД, определенных двумя методами, автор решил, что измерять больше уже нечего и с легким разочарованием лишний раз убедился, что чудес в антенной технике не бывает. Тем не менее антенна работает очень хорошо и при небольших габаритах (330x120x120 мм в диапазоне 432 МГц) обеспечивает весьма приличный выигрыш.

1. Rothammel К. Antennenbuch. — Berlin: Militarrverlag der DDR, 1989.
2. Шейко В. П. Антенны любительских радиостанций. — М.: ДОСААФ, 1962.
3. Харченко К. УКВ антенны. — М.: ДОСААФ, 1969.
4. Родионов В. М. Линии передачи и антенны УКВ. — М.: Энергия, 1977 (МРБ).

Источник

Основы радиолокации

Щелевая антенна

Рисунок 1. Длина щели определяет резонансную частоту, ширина щели определяет ширину полосы частот щелевого излучателя.

Щелевая антенна

Щелевые излучатели или щелевые антенны используются в диапазоне частот от 300 МГц до 25 ГГц. Они часто применяются в навигационных радиолокаторах, как правило, в виде решетки, запитываемой от волновода. Ранее этот же принцип использовали в больших фазированных антенных решетках, поскольку щелевые излучатели – это малозатратный способ построить решетку с частотным сканированием. Излучатели, из которых состоит щелевая антенна, представляют собой вытянутую щель длиной около λ/2 , прорезанную в проводящей пластине (которая рассматривается как бесконечный проводящий лист), и возбуждаемую по центру. В соответствии с принципом Бабине такая щель обладает свойствами резонансного излучателя. Жак Бабине (Jacques Babinet) (1794 – 1872) был французским физиком и математиком, сформулировавшим теорему о том, что дифракционные картины для взаимно дополнительных экранов одинаковы (принцип Бабине). Согласно этой теореме излучающие свойства щели будут такими же, как и излучающие свойства замещающего диполя таких же размеров. Поляризация щелевой антенны – линейная. Поля, излучаемые щелевой антенной, являются почти одинаковыми с полями, излучаемыми дипольной антенной, за исключением того, компоненты полей меняются: вектор электрического поля, излучаемого вертикальной щелью, ориентирован горизонтально, а вертикальный диполь излучает поле с вертикальной ориентацией вектора электрического поля.

Импеданс щелевой антенны ( Z_s ) связан с импедансом взаимно дополнительной дипольной антенны ( Z_d ) соотношением:

Z_d · Z_s = η 2 /4

где

Z_s – импеданс щелевой антенны;
Z_d – импеданс дипольной антенны;
η – волновое сопротивление свободного пространства.

(1)

Отсюда следует, что Z_s = 485 Ом.

Полоса частот узкой прямоугольной щели равна полосе частот взаимного дополнительного диполя и равна половине полосы частот цилиндрического диполя, диаметр которого равен ширине щели. На Рисунке 2 изображены щелевые антенны, форма которых отличается от прямоугольной, что приводит к расширению их полосы частот.

Рисунок 2. Варианты широкополосной щелевой антенны

Хотя теория щелевых излучателей рассматривает бесконечно протяженные проводящие поверхности, в которых прорезаны щели, на практике отклонение от полученных с ее помощью результатов становится приемлемым, когда площадь поверхности больше квадрата длины волны. Питание щелевой антенны может быть выполнено при помощи обычной двухпроводной линии. Импеданс зависит от точки подключения питания, как и в случае диполя. Значение импеданса 485 Ом соответствует только случаю, когда точка подключения питания находится в центре щели. Смещение точки питания от центра к краю постепенно уменьшает импеданс.

Щелевые антенны имеют разнообразные применения. Они могут использоваться взамен дипольных антенн, например, если требуется поляризация, перпендикулярная продольной оси излучателя. Если диполь используется для питания параболической антенны для формирования вертикально ориентированной веерной диаграммы направленности, но с горизонтальной поляризацией, то такой диполь должен иметь горизонтальную поляризацию. Это будет означать, что близкие к краям части поверхности параболического отражателя будут облучаться незначительно, в то время как существенная часть мощности пройдет выше и ниже отражателя и, таким образом, будет потеряна. Кроме того, диполь будет протяжен в той плоскости, где требуется иметь точечный источник излучения в фокусе параболического отражателя. Если же диполь заменить щелевой антенной, то описанные недостатки не возникают.

Щели в волноводе

Рисунок 3. Различные положения щелей на стенках волновода

Щелевые антенны в волноводах представляют собой экономичный способ конструирования антенных решеток. Положение, форма и ориентация щелей будут определять, как они будут излучать, и будут ли излучать вообще. На Рисунке 3 изображен фрагмент прямоугольного волновода, где красными линиями показано мгновенное распределение тока на стенках волновода. Если в стенках волновода прорезать щель, то этот ток будет в той или иной степени зависеть от положения щели. Если ширина щелей достаточно мала, то щели В и С (Рисунок 3) будут иметь слабое влияние на распределение тока. Эти две щели не будут излучать (или будут, но очень слабо). Щели А и D являются препятствиями на пути тока. Таким образом, ток действует как возбуждающая система для щели, а она работает как излучатель. Поскольку волны в волноводе распространяются в определенном направлении, то и рисунок распределения тока будет перемещаться в том же направлении. По этой причине разность потенциалов на краях щели будет постоянно меняться (в зависимости от частоты поля в волноводе). Мощность, излучаемая щелью, можно изменять перемещением щели ближе к краю или дальше от него. Щели А и D (Рисунок 3) расположены в местах максимума тока и поэтому их связь с высокочастотной энергией, распространяющейся по волноводу, наиболее сильная. Для ее уменьшения можно, например, сместить щель А ближе к одной из коротких стенок волновода. Поворот щели (изменение угла ориентации между щелями А и В или щелями С и D) имеет тот же эффект. Влияние угла поворота θ щели на интенсивность ее излучения выражается множителем, приблизительно равным sin 2 θ .

Волноводно-щелевые антенны

Рисунок 4. Базовая геометрия волноводно-щелевой антенны (щелевые излучатели находятся на широкой стенке прямоугольного волновода)

Несколько щелевых излучателей в волноводе образуют групповую антенну. Волновод выступает в роли линии передачи для питания излучающих элементов. Для излучения с корректной фазой все единичные щели должны быть прорезаны на расстоянии длины волны, присущей данному волноводу (длина волны в волноводе). Длина волны в волноводе отличается от длины волны в свободном пространстве и зависит от размера широкой стенки а прямоугольного волновода. Обычно эту длину волны для волны типа TE₁₀ рассчитывают по формуле:

a – длина широкой стенки прямоугольного волновода;
λ_h – длина волны в волноводе;
λ – длина волны в свободном пространстве. (2)

Рисунок 5. Базовая геометрия волноводно-щелевой антенны с наклоненными щелями на узкой стенке волновода

Длина волны в волноводе превышает длину волны в свободном пространстве. Расстояние между щелевыми излучателями устанавливается по этой длине волны, которая несколько больше, чем длина волны λ в свободном пространстве. Это отрицательно сказывается на количестве и уровне боковых лепестков. Часто щели прорезают, смещая их попеременно вправо и влево (для уменьшения электрической связи). Если прорезать щели в узкой стенке волновода, то может оказаться, что ширина этой стенки меньше необходимой длины резонансного излучателя. В таком случае щель может заходить за грань волновода и, таким образом, несколько затрагивать и широкую стенку волновода (А-стенку). На практике эти щели закрываются тонким слоем изоляционного материала (для защиты внутренних стенок волновода). Такой материал не должен быть гигроскопичным и должен быть защищен от воздействия природно-климатических факторов.

Одиночный узкий щелевой излучатель должен работать также на частотах в диапазоне ±5…±10% от его резонансной частоты. Для антенных решеток обеспечить это не так легко. Такая групповая антенна точно соответствует одной частоте, которая определяется точным расстоянием λ_h , для которого эта антенна оптимизирована. Если частота волны меняется, то это расстояние становится некорректным, что приводит к ухудшению характеристик антенны. Разность фаз, возникающая между излучающими элементами, накапливается по длине антенны и доходит до недопустимых значений. Такая антенна начинает «косить», то есть ее диаграмма направленности отклоняется от оптической оси. Однако такой эффект можно использовать, например, если требуется обеспечить сканирование луча антенны при изменении частоты передатчика.

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Источник