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

Подождите немного. Документ загружается.

в приемном несимметричном вибраторе. Ток продол-

жается на стенке волновода, расходясь радиально; часть

этого тока пересекает щель и возбуждает ее. Направле-

о,г

0,1-

Уо

"—

[..

- их =

1,02мм

й х = 1 78мм

0,1

-0,1

-о,?

Уо

--— "

— —— -

._ _-—•

—

--'

8800 WOO 9200

9100 9600 9800

10000

Мгц

1,0

0,1

Рис.

4-22. Зависимость проводимости осевой про

долыюй щели, возбуждаемой несимметричной ипдук

тивной диафрагмой, от частоты

ние токов, пересекающих щель, меняется, если штырь

переместить на противоположную сторону щели; фаза

возбуждения щели меняется при этом на я по сравне-

нию с предыдущим

случаем.

Продольную осе-

вую щель можно воз-

будить также с по-

мощью несимметрич-

ной индуктивной диа-

фрагмы [Л. И] (рис.

4-21). В этом случае

распределение токов

на широкой стенке вол-

новода становится не-

симметричным, появ-

ляются токи, пересе-

кающие среднюю ли-

нию АА'. Эти токи, и

возбуждают щель. Ам-

плитуда напряжения

в щели зависит от сте-

пени несимметрично-

сти диафрамы. Для

14*

от

0,001

0,0001

0,00001

\ 9

и-и

0,508

102 1,52 2,03мм

Р ic 4 23 Зависимость активной про-

водимости продольной щели от сме-

щения с центральной линии.

/ — несмещенная щель, возбуждаемая не

симметричной диафрагмой, 2 — смещен

пая щель с симметричной диафрагмой, 3 —

смещенная щель без диафрагмы

211

0,12

0,10

0,08

0,06

0,01

0,02

t-г

-*— I

~*1

компенсации неоднородности, вносимой индуктивными

диафрагмами, к ним добавляется емкосгная часть,

с помощью которой вся система настраивае1ся в резо-

нанс.

Эквивалентная схема всей системы показана

на рис. 4-21,6; сочетание параллельной и последо-

вательной цепи дает увеличение диапазонности такого

излучателя, так как

при отходе частоты от

резонансной реактив-

ные проводимости име-

ют разные знаки. На

рис.

4-22 приведены

экспериментальные ча-

стотные зависимости

нормированных актив-

1С

, .

го

, „ .

. „„

,-^ ной и реактивной про-

1,52 1,63 1,73 1.83 1,93 2.03см

„ '

водимостеи продоль-

' ной щели с несимме-

тричными диафрагма-

ми для двух щелей,

отличающихся смеще-

нием с оси. На рис.

4-23 показаны зависи-

мости нормированной

активной проводимо-

сти продольной щели

от ее смещения Ах в

случае отсутствия диа-

фрагмы— кривая S и

от смещения диафраг-

мы—кривая /. В инте-

ресующем нас участке,

когда g =

0,01—0,1,

обоих случаях наблю-

дается примерно пря-

мая пропорциональ-

ность между g и смещением от центральной линии. Кри-

вая / позволяет найти 'положение диафрагмы, необхо-

димое для того, чтобы обеспечить заданную проводи-

мость щели, т. е. заданную ее связь с волной, распро-

страняющейся в волноводе. Нормированную активную

проводимость щели можно также менять путем измене-

ния длины емкостной части диафрагмы / и соответст-

венного изменения глубины d. Характер этих зависимо-

стей дают кривые, приведенные на рис. 4-24,а и б. Они

212

мм

7,89

7,38

6,87

6,36

5,86

5,35

1,84

1,33

3,82

1,52 1,63

1,73 1,83 1,93 зрЗсм.

Рис 4-24 Проводимость щели (а) и

размеры диафрагмы (б) при смеще-

нии центра диафрагмы Ax^l мм

соответствуют сравнительно небольшому смещению диа-

фрагмы Ах. С увеличением ширины окна диафрагмы /

ее воздействие на щель уменьшается и активная прово-

димость щели падает. При увеличении / размер d дол-

Диафрагмы

вд

Рис.

4-25. Возбуждение поперечной щели в узкой стенке прямо-

угольного волновода с помощью емкостных диафрагм.

жен быть также увеличен, чтобы сохранить настройку

диафрагмы на ту же частоту (рис. 4-24,6).

Для возбуждения поперечной щели, прорезанной

в узкой стенке волновода, может использоваться изогну-

тый вибратор, помещенный

0,2\д

рядом со щелью. Верти-

кальная часть вибраюра

возбуждается распростра-

няющейся в волноводе вол-

ной. У основания вибрато-

ра, так же как и в преды-

дущем случае, появляются

радиальные токи. Часть

этих токов пересекает щель,

возбуждая ее. Для измене-

ния фазы возбуждения ще-

ли на я загнутый конец

штыря надо повернуть в об-

ратную сторону.

Поперечная щель мо-

жет возбуждаться также с помощью одной или двух ем-

костных диафрагм [Л. 12] (рис. 4-25). В этом случае то-

ки,

текущие по узкой стенке волновода, наклоняются и

возбуждают щель. Для того чтобы скомпенсировать ре-

активность, вносимую емкостной диафрагмой, к ней до-

бавляют индуктивную часть таким образом, чтобы диа-

213

Рис.

4-26. Проводимость щели

и размеры возбуждающих ее

диафрагм.

фрагма резонировала на рабочей частоте. В такой систем

ме имеется возможность изменять связь настроенной

щели с волноводом, т е эквивалентную проводимость

ОВОг

0,40'

0,20

0,6

о,ч

0,2

-0,2

-о,ч

-0,8

а~~1

| ] 1 1 ! 1 I 1 1 Г""

Ггц

с =в,ЗЧмм

-*-брг

*ч

V///.

'•'

мм

I 1 1

Щель

диафрагмой

5,ЗЧмм^

\-л

г --С

-"'

Диафрагма

Ггц

Рис 4-27 Зависимость проводимости nonepei-

ной щели, возбуждаемой диафрагмами, от ча-

стоты.

щели с помощью изменения двух величин: расстояния

между диафрагмами с и высоты емкостной части диа-

фрагмы Ъ—d.

Ггц

9,0

8,5

Грез

>—

г,зч

5,0

Рис 4 28 Влияние расстояния межцу диафртг-

мами на резонансную частоту щели

Большие возможности представляет второй способ

На рис. 4-26 приведены экспериментальные кривые, даю-

щие возможность по заданной относительной проводи-

214

мости щели определить данные диафрагмы. Они сняты

при расстоянии между диафрагмами, равном 0,5 высоты

волновода. Зависимости нормированных активной g и

реактивной b проводимостей щели от частоты приведены

на рис. 4-27. Резонансная частота равна ~8,9 Ггц, в то

время как щель без диафрагм и отдельная диафрагма

имеют резонансные частоты ~9,4 Ггц. Снижение резо-

нансной частоты вызвано взаимным влиянием диафрагм

и щели. Качественную картину этого влияния дает

график, приведенный на рис. 4-28; он показывает, что

чем меньше расстояние между диафрагмами с, тем ниже

резонансная частота щели.

4-5. ЩЕЛИ, ПРОРЕЗАННЫЕ В КРУГЛЫХ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ

Условия работы щели, прорезанной в круглой цилин-

дрической поверхности, еще больше (по сравнению со

щелью в прямоугольном волноводе) отличаются от усло-

вий работы идеальной щелевой антенны, т. е. щели про-

резанной в бесконечном плоском экране. Связано это

с влиянием двух факторов:

—криволинейности поверх-

ности, в которой прорезана щель, и

2 —

ограниченности

ее размеров.

Влияние обоих факторов особенно возрастает при

малых по сравнению с длиной волны диаметрах ци-

линдра. (Влияние первого фактора сводится к расшире-

нию ДН щели, влияние второго — к появлению заднего

излучения и изменению резонансной длины щели.)

Влияние первого фактора могло бы быть существен-

ным для поперечной щели. Однако по конструктивным

соображениям диаметр цилиндра в этом случае не мо-

жет быть взят малым, поэтому кривизна поверхности,

в которой прорезана щель, мало влияет на ДН, даже

в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. В пло-

скости, проходящей через ось цилиндра, в переднем по-

лупространстве излучение щели остается ненаправлен-

ным. ДН полуволновой поперечной щели в плоскости,

перпендикулярной оси круглого цилиндра, определяется

выражением [Л. 13, 14]:

ПК

F(<p)=

- \-2 V i

(4-43)

215

где ф-

/(2)

•

азимутальный угол, отсчитываемый от нор

мали к средине щели;

•радиус цилиндра;

H^'(ka) — вторая функция Ганкеля «-го порядка.

В случае продольной щели существенное влияние

оказывает второй фактор. Поле такой щелевой антенны

может быть рассчитано по формуле [Л. 15]

U U (0) ё

-ikr

тс

cos

(

(ka

cos 0)

</>

—

(

cos /?<p

(ka

cos 0)

(4-44)

где U — напряжение в щели;

•&—меридиональный угол, отсчитываемый от оси

цилиндра;

/о(А)—ДН идеальной щелевой антенны такого же раз-

мера;

штрих означает производную по аргуменгу.

Ряд в формуле (4-44) сходится тем быстрее, чем

меньше радиус цилиндра. При ка = л, т. е. 'при D = 2a = l,

для расчета с точностью

% достаточно взять семь чле-

нов.

Вит ДН продольного щелевого излучателя в плоско-

сти,

перпендикулярной оси цилиндра, сильно зависит от

град п

170

130

[

-~'

"Г"

У*

р-

0,5

абр\

—

к Л

НО

а)

120 im.

oJ 15

б)

3,5

Рис 4-29

о.

— зависимость фазы ^ поля продольной элементарной щели, располо-

женной на цилиндре от угла <р, диаметр

£>

0318Д.я, 0 — отношение мгкси

мума напряженности поля, излучаемого в обратном направлении (Ф=180°),

к максимуму поля, излучаемого в прямом направлении

(Ф=0°)

216

диаметра

D. При

малых диаметрах цилиндра (£><0,1А)

ДН

азимутальной плоскости близка

круговой.

уве-

личением диаметра цилиндра

все

сильнее

сильнее про-

является

его

экранирующее действие. Когда диаметр

цилиндра имеет порядок длины волны,

ДН

имеет

кар-

диоидный

вид, т. е.

сходна

с ДН

продольной щели

на

ом

•III

600-

400

200

1^0

2=013 к

\ \

Л -

1 у

^_Z!>

1,0

ом

и оо

Ни

всо

чои

200

-200

-400

0,125

v .-'•

0,5

КО

',5

***

= о,т

-^ i

0,1

Рис.

4-30 Активная Лих ( ) и реактивная Х

вх

( )

составляющие входного сопротивления продольной щели, проре-

занной в цилиндре диаметром D (rf=0,0620)

прямоугольном волноводе. Дальнейшее увеличение диа-

метра цилиндра мало сказывается

на ДН

антенны.

Влияние цилиндрической поверхности проявляется

также

искажении фронта волны. Изменение фазы

г|э

поля, измеренной

на

одинаковых расстояниях

от оси ци-

линдра,

зависимости

от

угла

<р

показано

на рис.

4-29,а

для ряда отношений £)Д

0,0318я,

где я

—целое число.

ДН продольной щели

плоскости, проходящей через

ось цилиндра (меридиональная плоскость),

при

малых

диаметрах цилиндра сохраняет форму восьмерки.

воз-

растанием диаметра цилиндра задняя половина вось-

мерки заметно уменьшается. Зависимость отношения

217

0,5

О 12 1

Рис 4 31

От

ноше-же о алош-

ней проводимости щели к поло-

вине проводимости идеальной

щелевой антенны

максимума напряженности пиля, излучаемого в обрат-

ном направлении (ф=180°) к напряженности поля

в переднем полупространстве

(ф

0°),

от относительного

размера диаметра цилиндра (kD) показана на рис. 4-29,6.

Проводящая цилиндрическая поверхность, гак же

как и прямоугольная полость, оказывает заметное влия-

ние на резонансную длину

и на проводимость продоль-

ной щели. Объясняется это

тем, что фазовая скорость

волны, распространяющей-

ся вдоль щели, как вдоль

двухпроводной длинной ли-

нии, нагруженной проводя-

щей поверхностью цилин-

дра, зависит от диаметра

последнего. Известно, что в

длинной линии, шунтиро-

ванной индуктивностью, фа-

зовая скорость больше ско-

рости света. Поэтому резонансная длина щели, проре-

занной в цилиндре небольшого диаметра, оказывается

заметно большей К/2. Это хорошо видно из эксперимен-

тальных кривых составляющих входного сопротивления

продольной щели на цилиндрах различного диаметра

(рис.

4-30).

Если диаметр цилиндра мал, то питание щели мо-

жет быть осуществлено двухпроводной или коаксиаль-

ной линией, проложенной внутри цилиндра. Примером

такой системы может служить известная многощелевая

антенна на вертикальном цилиндре [ЛО. 19]. Диаметр

цилиндра равен А/8; резонансная длина щелей при их

ширине

A/60

оказалась равной -^-Я; питание щелей

осуществляется с помощью коаксиального кабеля, про-

ходящего внутри цилиндра. Расстояние между щелями

равно длине волны. Антенна имеет сравнительно узкую

ДН в вертикальной и практически ненаправленное излу-

чение в горизонтальной плоскости.

Для решения вопросов питания щели могут быть

использованы экспериментальные кривые зависимости

входного сопротивления (R

и Х

вх

) продольной щели от

11%,

некоторые из которых приведены па рис. 4-30.

Если диаметр цилиндра соизмерим с длиной волны,

то он может быть использован в качестве круглого вол-

218

повода. Естественно в этом случае использовать в вол-

новоде основную волну Н

- Нормированная эквивалент-

ная проводимость резонансной продольной щели, про-

резанной там, где продольная составляющая вектора И

максимальна, может быть определена из следующего

выражения [Л. 17]:

'-fc)

где а

—

отношение внешней проводимости щели к поло-

вине проводимости идеальной щелевой антенны.

Входящий в формулу (4-45) коэффициент а зависит

от относительной величины диаметра цилиндра; он мо-

жет быть определен по графику, приведенному на

рис.

4-31.

4-6.

ЩЕЛИ, ПРОРЕЗАННЫЕ В РЕБРИСТОМ ВОЛНОВОДЕ

Поле в ребристом волноводе (рис. 4-32) в общем слу-

чае представляется в виде суммы пространственных

гармоник [ЛО.

28].

Однако если период ребристой струк-

Рис 4-32 Ребристый волновод

туры S много меньше длины волны, то приближенно

можно поле в волноводе представить только нулевой

гармоникой. Коэффициент распространения у волны

в ребристом волноводе может быть найден из соотно-

шения

;+*

(4-46)

где

—

коэффициент распространения в прямоуголь-

ном волноводе с гладкими стенками;

—

показатсль вертикального ослабления поля.

219

Величина а находится из трансцендентного уравне-

ния:

|thw=

—

'la

(ТлвЛ)-

(4-47)

Если канавки заполнены диэлектриком, то в правую

часть (4-47) вместо у

надо поставить у

, определяемое

выражением

~ ' (4-48)

=*^l/

"(l^

2а

При условии S

<^.Х

амплитуда нулевой гармоники

значительно превосходит амплитуды всех остальных.

г~

-умытг

~\ — ~XJ

-4

ы У,

4^F

Рис.

4-33 Щели, прорезанные в ребристом волноводе (а, б, а, с) и

в крышке над плоской ребристой структурой (д).

220