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.