Волноводно-щелевая антенна с частотным сканированием

[ЛО 10, Л2]

 

Волноводно-щелевая антенна показана на рис. 2.1. В качестве канализирующей системы такой антенны используется прямоугольный регулярный волновод с волной .

 

Излучателями антенны являются щели, прорезанные в одной из стенок волновода. С одного конца эта антенна возбуждается от генератора, а к другому концу присоединяется согласующая нагрузка для обеспечения работы антенны в режиме бегущей волны.

Основные характеристики регулярного волновода с волной  (см. рис. 2.6,а) определяются следующими соотношениями *).

 1. Замедление фазовой скорости

 

                                              (2.16)

 

где λ — длина волны генератора, см; а — размер поперечного сечения волновода в плоскости Н, см.

На рис. 2.8 приведена дисперсионная характеристика , построенная по формуле (2. 16).

 2. Замедление групповой скорости

.                                                   (2.17)

Это следует из известного соотношения для волновода  или .

3 Предельная пропускаемая мощность

 

  квт,                             (2.18)

где b - размер поперечного сечения волновода в плоскости Е см;  - предельно допустимая для заданных температур, давления, влажности напряженность электрического поля в волноводе, кв/см; a и γ - в см.

 4. Коэффициент затухания

, дб/м.                                   (2.19)

Здесь  — проводимость материала стенок волновода, сим/м, a, b, λ —в см.

 

)* Размерность ниже приводимых величин, характеризующих волновод, дана в единицах наиболее удобных для инженерных расчетов.

5. Углочастотная чувствительность

 

 .                (2.20)

 

Согласно формуле (2.16) замедление фазовой скорости может меняться от 0 до 1 и, казалось бы, что углочастотную чувствительность можно получить сколь угодно большой. Однако диапазон изменения γ, который можно реализовать, значительно уже. Это объясняется тем, что при  резко возрастают потери и падает мощность . Нижний предел γ можно найти, если допустить увеличение потерь примерно в два раза по сравнению с обычным волноводом. При этом или  и . Верхний предел γ связан с требованием подавления волны типа , возникающей при условии или . При этих условиях . Таким образом, замедление фазовой скорости γ ограничено значениями  и замедление групповой скорости  соответственно .

Направление излучения линейной решетки излучателей, возбуждаемой волной, бегущей вдоль решетки, определяется согласно уравнению (2.1) при  по формуле

                                                    (2.21)

 

для излучателей, синфазно связанных с полем волновода (Ф=0), и

 

                                         (2.22)

 

для излучателей, переменнофазно связанных с полем волновода (Ф=π).

Рис. 2.9. Графики для зон излучения и углов сканирования в случае излучателей, переменнофазно связанных полем волновода. Область

Рис. 2.10. Графики для зон излучения и углов сканирования в случае излучателей, переменнофазно связанных полем волновода. Область

Качание луча при изменении частоты будет происходить за счет изменения γ и λ.

Для удобства анализа и решения уравнений (2.21) и (2.22) на рис. 2.9-2.11 представлены графики зависимости от γ при различных величинах параметра , построенные по соотношению, полученному из выражения (2.16):

 

.                                                (2.23)

 

На рис. 2.9 и 2.10 приведена также сетка линий зависимости от γ при различных углах наклона луча θ для n =0. Так как эта зависимость представляется прямой линией [см. уравнение (2.22)], то для построения сетки линий были вычислены значения при  и величинах параметра , соответствующих углам θ от 0 до 90° через 5 и 10° (эти значения  отмечены точками на графиках) и определен наклон этих линий в предположении . На этих же рисунках приведена зависимость от γ.

Рис. 2.11. Графики для зон излучения и углов сканирования в случае излучателей, синфазно связанных с полем волновода.

На графиках рис. 2.9- 2.11 прямыми линиями с различными значениями n ограничены области излучения для соответствующих номеров лучей. На рис. 2.11 лучу с номером  соответствует область излучения слева от линии , расположенной вертикально. Области излучения для  (рис. 2.9, 2.10) и  т. д. (рис. 2.9-2.11) лежат ниже наклонных линий, соответствующих каждому n.

Важное значение при проектировании антенны имеет выбор расстояния между соседними излучателями d, которое должно быть таким, чтобы при качании луча в заданном секторе исключал ась возможность появления побочных главных максимумов. Это условие будет выполнено, если расстояние d удовлетворяет соотношению

                                      (2.24)

 

где N —число излучателей решетки.

При выполнении условия  нуль ближайшего бокового максимума совпадает с плоскостью решетки и, следовательно, диаграмма направленности будет иметь лишь один главный максимум.

На рис. 2.12 приведен график зависимости  от угла сканирования θ при числе излучателей , построенный по формуле (2.24). Из графика следует, что максимальное расстояние между соседними излучателями решетки с поперечным излучением без качания луча должно быть приблизительно равно λ. Если луч качается в пределах  то .

Рис. 2.12. График зависимости  от угла сканирования θ.

Таким образом, условие существования одного главного максимума в диаграмме направленности линейной решетки излучателей при сканировании требует, чтобы расстояние между излучателями было меньше λ. С другой стороны, чтобы направление главного максимума было близко к нормали к оси решетки, возбуждение излучателей должно быть близко к синфазному. Последнее достигается в волноводно-щелевых антеннах при  ( — длина волны в волноводе, ). С целью уменьшения расстояния между излучателями в волноводно-щелевых антеннах применяют переменнофазное возбуждение соседних излучателей. В этом случае расстояние d примерно равно половине длины волны в волноводе. Однако при расположении всех излучателей на расстоянии  друг от друга (чтобы главный максимум был направлен по нормали к оси решетки) волны, отраженные от всех излучателей, складываются в фазе на входе антенны, что резко нарушает ее согласование (наблюдается так называемый «эффект нормали»). При отклонении луча от нормали d отлично от  и отраженные от излучателей волны в большой мере взаимно компенсируются и к. с. в.  1. Для определения минимально

 

отличного от   расстояния между излучателями d, при котором во всем рабочем диапазоне длин волн согласование будет хорошим, можно воспользоваться соотношением

 

.                                         (2.25)

 

Для осуществления излучения антенны по нормали к ее плоскости необходимо согласовать каждый щелевой излучатель с волноводом. Применение согласованных щелей позволяет уменьшить «эффект нормали», т. е избежать резкого увеличения к. с. в. при совпадении направления главного максимума с нормалью к плоскости антенны.

Волноводно-щелевая антенна с переменнофазным возбуждением излучателей может быть выполнена (см. рис. 2.1) в виде волновода с продольными щелями на широкой стенке волновода при размещении их по разные стороны от средней линии и волновода с наклоненными в противоположные стороны щелями в узкой стенке. Расстояние между щелями d зависит от требуемого направления максимума диаграммы направленности θ и сектора сканирования. При выборе расстояния d можно ориентироваться на соотношение (2.24). В реальных конструкциях антенн  обычно лежит в пределах 0,3-0,7.

Анализ уравнения (2.22) (см. рис. 2.9 и 2.10) показывает, что при замедлениях γ в интервале от 0,36 до 0,867 и  уравнение (2.22) имеет смысл лишь при , т. е. при работе антены нулевым лучом, причем при изменении частоты луч будет сканировать в основном в области отрицательных углов θ (см. рис. 2.3,в).