Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

а)

метровых и сантиметровых волнах возбуждают примы-

кающую к щели полость как прямоугольный резонатор.

Возбуждение осуществляется обычно с помощью зонда;

его настройка производится

такими же методами, как и

настройка коаксиально-волно-

водного перехода [ЛО. 38, 41].

Кольцевая щель. Для соз-

дания ненаправленного излу-

чения в плоскости щели при-

меняются кольцевые щели

(рис.

4-6,а). Их преимущест-

во по сравнению с вертикаль-

ным вибратором заключается

в отсутствии выступающих

частей. Подобная анте,нна, ис-

пользуемая в качестве назем-

ной, дает поле вертикальной

поляризации при ненаправ-

ленном излучении в горизон-

тальной плоскости. ДН в вер-

тикальной плоскости зависит

от диаметра щели. Так как

противоположные стороны ще-

ли возбуждены в противофа-

зе,

то при любых размерах

щели излучение в зенит от-

сутствует. При малом по срав-

нению с длиной волны диа-

метре кольцевая щель также

относительно слабо излучает,

как и элементарная рамка.

Это хорошо видно из зависи-

мости проводимости излуче-

ния кольцевой щели от ее ра-

диуса, представленной на

рис.

4-6,6. Проводимость излучения определяется выра-

жением (4-12), полученным с помощью принципа двой-

ственности [Л. 1]:

ко

120

-U

(

20 25 5 10 15

4-6.

Кольцевая щель

зависимость проводи-

мости излучения от радиуса

щели (б).

Рис.

(а);

п=0

(4-12)

Напряженность магнитного поля, создаваемого узкой

кольцевой щелью, прорезанной в бесконечной идеально

191

проводящей плоскости, определяется выражением

[Л.

6а]:

=i~

e-^J,(kash^),

(4-13)

где

U —

напряжение на щели;

J\(x)

—функция Бесселя;

а — средний радиус щели.

До тех пор, пока диаметр щели не превышает поло-

вины длины волны, максимум ДН остается ориентиро-

ванным вдоль проводящей плоскости. Дальнейшее уве-

личение диаметра приводит

тому, что максимум

ДН

оказывается направленным под некоторым углом

;

этот угол определяется из равенства

sine

=^. (4-14)

где x

~\J — значение аргумента,

при

котором /i(v)

имеет первый максимум.

Когда диаметр антенны выбирается много большим

длины волны,

ДН

становится многолепестковой.

На-

правления максимумов определяются соотношением

(4-14),

нулевые направления — аналогичным выраже-

нием, но

заменой

тп

на корни

функции

Ji(x).

Максимальный диаметр щели,

при

котором

ДН

остается однолепестковой, определяется из условия, что-

бы второе нулевое направление лежало

проводящей

плоскости:

= xi =

3,83,

откуда 2а-1,22k. (4-15)

При диаметре щели, большем

1,22k,

основное излу-

чение щели оказывается направленным под большими

углами

проводящей плоскости

появляются вторич-

ные максимумы. Поэтому для получения ненаправлен-

ного излучения

горизонтальной плоскости использу-

ются кольцевые щели

диаметрами, лежащими

пре-

делах от 0,5k до

ДН кольцевой щелевой антенны

вертикальной

плоскости

при

различных

приведены

на

рис.

4-7

[Л.

7].

Питание кольцевой щели может осуществляться не-

посредственно

от

коаксиального кабеля через кониче-

ский переход.

этом случае кольцевая щель является

открытым концом коаксиальной линии. Для этой линии

192

она представляет смешанную нагрузку: данные эквива-

лентной схемы щели могут бьпь определены по форму-

лам [ЛО. 36]

л/2

щ —

60 In

60тс 1п

~£~\ il^T [Л

(*«1

4")

—

Л (Аа

Ып

Ф)]

;

тс

—• \ 2 Si (k у а\ -f- а\

—

cos

ф)

—

В,„

где Si (х) — интегральный синус;

•ф

— переменная интегрирования.

—

Sil2ka

sm~)

—

Si(2ka

sm-f-) dy, (4-16)

90° -afl

0,75 0,25 0 0,5 1,0 O/j 0,25 05 1,0

Рис 4-7. ДН кольцевой антенны при различных ее радиусах а

ср

Зависимости G

и В

от отношения а

1'к приведены

на рис. 4-8. (Вычисления выполнены В. П. Ципер). До

тех пор, пока а

<0,35^, реактивная проводимость коль-

цевой щели линейно зависит от частоты, и, следователь-

но,

реактивную ветвь в эквивалентной схеме можно

в этих пределах представить в виде емкости. Ее величи-

на определяется формулой

2пс

(4-17)

где

с —

скорость света;

т—тангенс угла наклона линейной части, соответ-

ствующей кривой на рис. 4-8;

—

относительная электрическая проницаемость

среды, окружающей щель.

Коэффициент т зависит от отношения ширины щели

к длине волны и может быть определен по кривой,

представленной на рис. 4-9.

13—2541 193

Обычно щель закрывают диэлектрической пластиной

или вставкой. Наличие диэлектрика мало влияет на

активную часть проводимости щели, однако заметно

сказывается на ее реактивной части. Это влияние оцене-

но экспериментально [Л. 8] для небольших радиусов

щели (0,07.<^<0,27 и

1,09J<^<

1,33J.

Результаты измерений для щели, закрытой диэлек-

трической пластиной (е

«*4) толщиной 0,0052а

или

Ми

0,032

0,028

0,024

0,020

0,016

0,012

0,008

0,004

г ,„г

а.

1,26л

///

////

Z0^

[

\-2,Ь

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Мо

п,072

0,080

0,048

0,038

0,024

0,012

С(Ц

1,05

1,11у

Г у'К*

' 2_

—2,5

аг

0,5

0,1 0,2 0,3 0,4

Рис.

4-8. Зависимости активной и реактивной составляющих входной

проводимости кольцевой щели от ее размеров.

0,0104а

, показывают, что при более тонкой пластине

реактивная проводимость возрастает примерно на 13%,

а при вдвое более толстой

—

на 19% по сравнению

с открытой щелью.

Возбуждение кольцевой щели с помощью кониче-

ского перехода практически применяется редко, так как

последний имеет значитель-

ную длину. Чаще щель

возбуждается с помощью

кольцевого резонатора или

радиальной линии (рис.

4-6,а). Параметры возбуж-

дающих устройств подби-

раются таким образом, что-

бы осуществить согласова-

ние входной проводимости

щели с волновой проводи-

мостью питающего коакси-

ального кабеля [Л. 8 и 9].

Ми

0,20

0,12

0,04

а-г

0.1

2,2

2,6

Рис.

4-9. Значения коэффи-

циента т.

194

Щель представляет собой емкостную нагрузку, шун-

тированную проводимостью излучения. Следовательно,

задача согласования сводится к выбору таких размеров

и такой конструкции резонатора, чтобы его эквивалент-

ная индуктивность вместе с емкостью щели были на-

строены на рабочую частоту. Это обеспечивает хорошее

согласование и интенсивное возбуждение щели.

1,0

0,8

0,6

о,ч

о,г

~ 1 ' ~г з ' ~ ч ч

р°-70°,а°'10°

'•

/А

'Ч

)

Рис.

4-10. Коэффициент равномерно-

сти ДН в горизонтальной плоскости

V-обраэной щелевой антенны.

Щелевые антенны сложной формы. Для обеспечения

работы антенны в широкой полосе частот, а часто и для

получения ненаправленного излучения в плоскости щели

применяются щелевые антенны сложной формы. В боль-

шинстве случаев они используются в качестве невысту-

пающих самолетных антенн.

В соответствии с принципом двойственности ДН та-

ких антенн при достаточно большом экране могут быть

рассчитаны по формулам, приведенным в гл. 3 и относя-

щимся к металлическим аналогам той или иной щеле-

вой антенны.

Наиболее распространены U- и V-образные щелевые

антенны.

13*

195

((р) при в =90°

«р

У[?

•*-•*"

к1

Секторные V-образные (уголковые) щелевые антен-

ны обладают весьма широким частотным диапазоном

ДН такой антенны зависит от угла между осями секто-

ров |3, угла раствора секторов а и электрической длины

плеча ki. Для выбранного значения угла между секто-

рами р имеется определенный оптимальный угол рас-

твора а, при котором коэффициент равномерности k

(ip)npuB =90",

f-70°,

»'=W

Рчс.

4-11. ДН в горизонтальной плоскости

V-образной антенны при различных значе-

ниях kl.

не падает ниже заданного значения (например,

ниже 0,5). Уменьшение угла между секторами р приво-

дит к расширению диапазонности антенны по ДН, однако

уменьшение р ниже 70° сильно ухудшает излучающие

свойства антенны. На рис. 4-10 приведены зависимости

коэффициента равномерности ДН для секторных V-об-

разных щелевых антенн с

и 70° при а =

40°

от

электрической длины щели. В первом случае коэффи-

циент равномерности не падает ниже 0,5 в диапазоне

1,96

1, а во втором в диапазоне 2,37

;

Исследование этих антенн проведено А. И. Буяновым.

196

Секторная V-образная щелевая антенна с

а =

40°

в широком диапазоне волн дает почти ненаправ-

ленное излучение (рис. 4-11). Максимумы ДН во всем

диапазоне лежат на биссектрисе угла между секторами.

Однако их число удваивается при увеличении электри-

ческой длины секторов выше значения £/ =

2,5.

Поэтому

при &/<2,5 минимумы ДН расположены в направле-

ниях, перпендикулярных биссектрисе угла р. При kl>2,5

в этих направлениях лежат вторые максимумы, а поло-

жение минимумов смещается на 45°.

Рис 4-12. Конструкция V-образной щелевой антенны

ИД — индуктивная диаграмма;

СТС —

ступенчатый выступ.

Для возбуждения V-образных антенн используются

полости различных конфигураций. На рис. 4-12 пред-

ставлена конструкция такой антенны; для обеспечения

работы антенны в широкой полосе частот использован

конический возбудитель 2, между секторами сделан до-

полнительный вырез 1 с тем, чтобы избежать экрани-

ровки возбудителя. Для хорошего согласования антен-

ны с питающим кабелем дополнительно применены

индуктивная диафрагма 5 и ступенчатый выступ 4. На

рис.

4-13,а показаны измеренные входное сопротивление

антенны и КБВ в коаксиальном кабеле с р =50 ом. Эти

графики показывают, чго по согласованию антенна ра-

ботает в полосе частот с перекрытием ~1,52. ДН этой

антенны показаны на рис. 4-13,6 примерно в том же диа-

пазоне.

197

ад

-го

-чо

34 36 1P\JW 42 44 46 7W Ь0 52

а)

Рис.

4-13 Входное сопротивление и ДН V-образпои щелевой

антенны, показанной на рис. 4 12

4-2.

ПАЗОВАЯ АНТЕННА

Пазовая антенна представляет собой прямоугольную

щель, прорезанную в проводящей полуплоскости пер-

пендикулярно ее краю (рис. 4-14,а) Длина щели обычно

меньше четверти длины волны; если позволяет конструк-

ция, то длина щели берется равной Я/4.

В идеальном случае ДН пазовой антенны опреде-

ляется выражением

F(^9)=^r

f>ini

inb

18)

198

В азимутальной плоскости

=я/2 ДН имеет вид

кардиоиды (пунктирная кривая на рис. 4-14,г); во всех

же меридиональных плоскостях максимум излучения на-

правлен вдоль края полуплоскости (вдоль оси z). Поле

антенны имеет только одну составляющую Е

Пазовая антенна применяется главным образом на

самолетах. При этом металлический лист, в котором

прорезается паз, имеет ограниченные размеры, что су-

щественно сказывается на ДН. Характер изменения оче-

виден из ДН, измеренных для паза длиной 0,15Л.,

шириной 0,025?и, прорезанного в листе высотой 3,5Х и ши-

риной 1,2Л, (рис. 4-14, сплошные кривые) [Л.

10].

Диаграм-

мы сняты в трех плоскостях для меридиональной со-

ставляющей Е

и в одной (меридиональной плоско-

сти—

и 270°) для азимутальной составляющей^" ,

которая появляется в этом случае благодаря наличию

у листа горизонтальных кромок.

С изменением размеров паза и металлического листа

несколько меняется вид ДН, однако их основные осо-

бенности остаются такими же, как показано па рис. 4-14.

Активная составляющая проводимости паза в на-

чальном сечении А

А'

(рис. 4-15,а) определяется выра-

жением [Л. 10]:

= -^[C{kl) —

cos

klS(kl)], (4-19)

где

(kl) и S(kl) —интегралы Френеля [ЛО. 40].

Зависимость 1/G от относительной длины паза при-

ведена на рис. 4-15,а. Из графика видно, что активная

составляющая входной проводимости паза много меньше

волновой проводимости обычно применяемых коаксиаль-

ных кабелей. Согласование может быть осуществлено

подбором точки питания и длины паза. Если конструк-

тивные требования ограничивают длину паза, то ком-

пенсацию индуктивной проводимости паза производят

с помощью емкости, включаемой в начальное сече-

ние АА'. Представление о диапазонных свойствах такой

антенны дают кривые зависимости ее входного сопро-

тивления от частоты, приведенные на рис. 4-15,6.

При малой длине паза (/<0,05А,) активную проводи-

мость можно определять по упрощенной формуле:

199

ь^

27й

90°

/p-90,2/U"

270° 30°

е=эо°

tp =90

,2/и

180"

1во°

г) д)

Рис.

4-14. Пазовая антенна и ее ДН.

-система отсчета углов;

—ЕМ) при

<Р

270";

—Яд

"Р

°°

;

Бе

(f)

Р" в

90°,

а-Я

(8) при

<р=90

270"

200