Антенны с электрическим сканированием

Предисловие

Настоящая книга является учебным пособием по проектированию и расчету антенных решеток и их излучающих элементов. В ней приводятся методы расчета современных электрически сканирующих антенн и отдельных типов излучателей по заданным техническим требованиям и даются необходимые сведения для инженерных расчетов. В пособии собран и систематизирован широко известный материал, имеющийся в книгах и журнальных статьях, а также использованы опубликованные работы Проблемной лаборатории по технике СВЧ МАИ. Вопросы общей теории антенн не излагаются, так как считается, что читатель знаком с общим курсом «Антенны и устройства СВЧ», читаемым на радиотехнических факультетах вузов. Следует подчеркнуть, что рекомендованные в книге методики расчетов мне претендуют на исчерпывающую полноту, в них не включен ряд результатов научно-исследовательских работ по оптимизации некоторых характеристик антенн. Излагаемые методики позволяют рассчитывать антенны, удовлетворяющие основным техническим требованиям в объеме, необходимом при курсовом и дипломном проектировании, а также при предварительной проработке антенных систем.

Весь материал книги условно может быть разделен на три части. В первой (главы 1, 2, 3) рассматривается проектирование антенных решеток с электрическим управлением лучам. Во второй части (главы 4, 5, 6) рассматриваются некоторые общие вопросы проектирования наиболее распространенных видов СВЧ антенных решеток, не связанные непосредственно с электрическим сканированием: построение оптимальных решеток, проектирование волноводно-щелевых и рупорных антенн с учетом взаимодействия излучателей. В третьей части (главы 7-11), рассматривается расчет антенн, которые при проектировании могут быть использованы как элементы более сложных сканирующих антенных решеток, как самостоятельные антенны, а также как облучатели для построения антенных решеток и других типов моноимпульсных антенн. В конце книги приведен список литературы общей для всех глав, ссылки на которую даются в тексте в виде обозначения [ЛО]. Кроме того, в конце каждой главы приводится литература, рекомендуемая при расчете и проектировании каждого отдельного типа антенны, ссылки на которую даются в виде обозначения [Л].

Книга предназначена для студентов вузов радиотехнических специальностей при выполнении дипломного и курсового проектирования, а также может быть полезна инженерам, занимающимся проектированием антенных решеток.

Книга написана коллективом авторов в составе:

Д. И. Воскресенский (гл. 1);  Р. А. Грановская (гл. 2); В. С. Филиппов (гл. 3); Б. Я. Мякишев (гл. 4); В. Л. Гостюхин (гл. 5); К. И. Гринева (гл. 6); В. В. Чебышев (гл. 7 и соавтор гл. 8); О. А. Волков (гл. 9); А. И. Ардабьевский (гл. 10 и соавтор гл. 8); В. А. Крицын (гл. 11). Под общей редакцией профессора Д. И. Воскресенского. Авторы выражают благодарность профессору д. т. н. Г. Т. Маркову и доценту к. т. н. М. С. Жуку за ценные замечания и советы, высказанные при рецензировании рукописи.

 

 

Глава 1

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕНН СВЕРХВЫСОКИХ

ЧАСТОТ

Введение

Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и прием радиоволн, является неотъемлемой частью любой радиотехнической системы. К антенне предъявляется ряд технических требований, вытекающих из назначения радиосистемы, в которой она применяется. Условия размещения и работы антенны влияют на ее характеристики. Реализуемость требуемых направленных, частотных, энергетических и других характеристик антенны во многом определяется рабочим диапазоном волн. Последние два десятилетия ознаменовались широким внедрением в радиотехнику сверхвысоких частот (СВЧ). В диапазоне СВЧ антенны обеспечивают остронаправленное излучение с шириной луча в единицы и доли градусов и коэффициент усиления, достигающий десятки и сотни тысяч. Эти направленные свойства позволили использовать антенну не только для излучения и приема радиоволн, но и для пеленгации (в радиолокации, навигации, радиоастрономии), борьбы с помехами, обеспечения скрытности работы и для других целей.

Начав свое применение в радиолокации, техника СВЧ распространилась на телевидение, радиоуправление, радионавигацию, радиосвязь, телеметрию, ускорительную технику и другие отрасли электроники. Успешное развитие радиоастрономии и освоение космоса во многом обязаны достижениям техники СВЧ.

В настоящее время получили широкое распространение остронаправленные сканирующие антенны СВЧ. Сканирование позволяет осуществлять обзор окружающего пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. При механическом сканировании, которое выполняется вращением всей антенны, максимальная скорость движения луча

 

 

в пространстве ограничена и при существующих в настоящее время скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн, удовлетворяющих более высоким требованиям.

Наметившееся в последнее время применение антенных фазируемых решеток для построения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства, что способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве. Современные устройства СВЧ с электровакуумными или полупроводниковыми приборами и электрически управляемыми средами позволяют не только создать управляемое фазовое распределение, т. е. получить электрическое сканирование, но и осуществить первоначальную обработку поступающей информации (суммирование полей, преобразование частот, усиление и т. д.) непосредственно в фидерном тракте антенны. Таким образом, применяемые на практике антенны из простых устройств превратились в сложнейшие системы, имеющие до десятков тысяч и более излучателей, фазовращателей, управление которыми осуществляется специальной ЭВМ. Конструкция таких антенн оказывается весьма сложной и определяет в основном габариты и стоимость всей радиосистемы. Все это привело к изменению роли антенн в современных радиосистемах.

 Реализуемые характеристики антенн в настоящее время предопределяют ряд основных параметров всей радиосистемы. Так, в радиолокационных станциях разрешающая способность и точность определения угловых координат, скорость перемещения луча в пространстве, помехозащищенность и т. д. определяются антенными характеристиками.

 Усложнение антенн в процессе их развития и возрастание их роли в радиосистемах привело к расширению круга радиоспециалистов, работающих непосредственно в области антенно-фидерных устройств. Расчетом основных характеристик антенн и устройств СВЧ приходится заниматься не только этим специалистам, но я разработчикам всей радиосистемы и отдельных ее устройств, связанных с антенной. Подобные расчеты на стадии предварительного проектирования позволяют выяснить

 

предельно достижимые характеристики всей радиосистемы с учетом реализуемости отдельных устройств и их совместной работы.

 Возрастание роли и появление новых типов антенн привели к существенному расширению, углублению теории антенн и разработке новых методов расчета. Этим вопросам в технической литературе уделено значительное внимание: издан ряд специальных монографий [Л07, Л09, ЛО10, и Л1, Л2, ЛЗ, Л4, Л5], опубликовано значительное число работ в периодике. Однако использование этих материалов радиоинженерами, а также студентами, выполняющими дипломное и курсовое проектирование, встречает еще значительные трудности. Это и привело к написанию настоящего учебного пособия, в котором сделана попытка облегчить проектирование сканирующих антенн СВЧ.

В пособии излагаются инженерные методы электрического расчета антенных решеток СВЧ и отдельных типов излучателей, которые могут быть как элементами решеток, так я самостоятельны ми антеннами. Излагаемые ниже методики расчета являются достаточно простыми, основаны на приближенных методах расчета антенн СВЧ и пригодны в большинстве случаев для инженерной практики. Эти методики на первых этапах проектирования антенн позволяют приближенно определить основные параметры и характеристики антенны, которые в дальнейшем, при необходимости, могут быть уточнены с помощью различных известных в литературе более строгих методов расчета. Излагаемый ниже материал рассчитан на читателя, уже знакомого с общим курсом антенн и устройств СВЧ радиотехнических факультетов высших технических учебных заведений.

1.1 Основные требования к антенным системам СВЧ и возможности применения антенных решеток

Основные требования, предъявляемые к антенне, определяются объемом обрабатываемой (или извлекаемой) информации и связаны с дальностью действия, разрешающей способностью, точностью определения координат, быстродействием, надежностью, помехозащищенностью и другими характеристиками радиотехнической системы. Установление взаимосвязи между характеристиками различных радиотехнических систем и характеристиками антенно-фидерного устройства приводится в соответствующих

 

 

курсах по радиолокации, радиоуправлению и т. д. Не вдаваясь в подробности работы этих систем и установления отмеченной выше взаимосвязи, можем считать, что в конечном счете антенно-фидерные устройства должны обеспечить соответствующие: направленность действия, энергетические, частотные, пеленгационные характеристики, характеристики управления, а также другие общетехнические, эксплуатационные и экономические характеристики.

Требования к направленности действия антенны определяют форму и ширину пространственной диаграммы направленности (в двух главных плоскостях), допустимый уровень боковых лепестков; коэффициент направленного действия (к. н. д.) и поляризационную характеристику антенны. В диапазоне СВЧ антенны имеют игольчатые, косекансные, веерные, воронкообразные и другие виды диаграмм направленности. Поляризационная характеристика определяет: поляризацию излучаемых и принимаемых волн, допустимый коэффициент равномерности поляризационного эллипса при использовании волн с вращающейся поляризацией и допустимый уровень кросс-поляризационного излучения при линейной поляризации поля излучения. При проектировании антенны вид диаграммы направленности, ее ширина, уровень боковых лепестков, к. н. д. и поляризационная характеристика могут быть заданными. Следует отметить, что между этими величинами, характеризующими направленность действия, существует связь [ЛО 5], и при проектировании часто бывают заданы только некоторые из этих величин. Так, например, при электрическом расчете исходными величинами, характеризующими направленность действия, могут быть ширина диаграммы направленности (ширина луча) и к. н. д. При этом может оговариваться, что уровень боковых лепестков и кросс-поляризационное излучение при данных относительных размерах антенны желательно иметь минимальными.

 Энергетические характеристики передающих и приемных антенн позволяют определить: мощность сигнала на входе приемного устройства, максимально допустимую мощность излучения, при которой обеспечиваются электрическая прочность и допустимый тепловой режим, мощность, требуемую для управления положением луча в пространстве, мощность СВЧ потерь в антенно-фидерном тракте и мощность шумов в приемной антенне.

 

 

Величины этих мощностей характеризуются, как известно [ЛО1, ЛО2, ЛОЗ, ЛО4, ЛО5, ЛО9, ЛО11], следующими параметрами: коэффициентом усиления антенны, коэффициентом полезного действия антенны и используемых устройств СВЧ, температурой шума антенны, входным сопротивлением антенны (степенью согласования в питающем тракте), добротностью антенны [Л 5] и допустимой величиной напряженности электрического поля. В отличие от механически сканирующих антенн, в которых мощность, потребляемая для управления положением луча в пространстве, связана с расчетом электропривода, в антеннах с электрическим сканированием эта мощность связана с потерями в управляемых СВЧ устройствах и поэтому может влиять на тепловой режим в антенны. При расчете сканирующих антенн СВЧ бывают заданы только отдельные величины, характеризующие энергетику антенны. Так, например, бывают заданы мощность (импульсная и средняя) радиопередающего устройства или чувствительность радиоприемного устройства. Одной из задач проектирования является оптимизация энергетических характеристик разрабатываемой антенны с учетом располагаемых возможностей и конкретных требований. Оптимизация сводится к приближению реализуемых характеристик к предельно-достижимым теоретическим характеристикам, найденным для заданных критериев оптимальности. Такими критериями могут быть, например, максимальный коэффициент усиления или минимальная шумовая температура при заданных относительных размерах, потерях в используемых элементах СВЧ и т. д.

Частотные свойства антенн определяются наибольшим изменением частоты, при котором основные параметры антенны, зависящие от частоты, не выходят за допустимые пределы. Частотные свойства зависят от требования к радиосистеме, в которой используется проектируемая антенна, и определяются по изменению направленности действия или энергетических характеристик. При расчете частотных свойств рассматриваемых ниже антенн целесообразно различать требования к рабочему диапазону и полосе частот. Требуемая полоса частот определяется спектром передаваемого антенной сигнала, т. е. условием одновременного излучения или приема антенной заданного спектра частот. Диапазон частот определяется условием работы антенны последовательно

 

 

во времени на различных участках этого диапазона, т. е. допускает в принципе при изменении рабочей частоты радиосистемы синхронное изменение некоторых параметров антенны. Так, например, в электрически сканирующей антенне типа фазируемой решетки при изменении рабочей частоты передатчика изменяется фазовое распределение вдоль решетки для сохранения направления луча в пространстве.

В антенно-фидерных устройствах предъявляется ряд требований к характеристикам сканирования в пространстве (таким, как сектор обзора, время обзора и др.), изменению направленных свойств в процессе работы и переключению антенны с передачи на прием. Эти требования и определяют необходимые характеристики управления антенно-фидерного устройства. Исходными при выборе того или иного способа, механического, электромеханического или электрического сканирования и проведении расчетов электрически сканирующих антенн являются следующие требования: пространственный сектор обзора луча, период (темп) обзора или время установки луча в заданную точку пространства, метод обзора пространства, точность установки луча в заданную точку пространства и другие. К характеристикам управления следует также отнести время переключения антенны с передачи на прием, и возникающие в ряде случаев требования к изменению при работе поляризации поля излучения или формы диаграммы направленности (например, с игольчатой на косекансную). В антеннах с механическим сканированием характеристики управления луча не связаны с электрическим расчетом антенны и являются определяющими при проектировании механизмов вращения.

 Для получения заданной точности определения угловых координат в радиолокации, радиопеленгации, радиоастрономии и т. д. предъявляют ряд требований к характеристикам антенн, называемым пеленгационными. Эти требования существенно зависят от используемого способа пеленгации (моноимпульсный, равносигнальный, амплитудный, фазовый и др.). В последнее время широкое распространение в радиолокации получили антенны с моноимпульсным способом (Моноимпульсные антенны), пеленгационными характеристиками которых являются крутизна и линейность характеристики, глубина «нуля» разностной диаграммы и точность его установки

 

в заданную точку пространства. Эти требования, за исключением последнего, сводятся к требованиям специальной формы и симметрии диаграмм направленности, а также получению максимального усиления антенны в режиме приема (см. гл. 11). Требуемая точность установки «нуля» разностной диаграммы в заданное направление в пределах сектора сканирования определяется выборам способа сканирования и характеристиками устройств, управляющих положением луча антенны. Реализация требуемых пеленгационных характеристик для многих антенных устройств является наиболее важной и трудной задачей.

К антенне, как и к любому радиотехническому устройству, предъявляется ряд общетехнических и экономических требований, таких, как: заданные габариты, малый вес, минимальная стоимость, надежность работы, приспособленность к заданным условиям, удобство контроля, ремонта и т. д. Задание требований общего характера к разрабатываемой антенне не менее важно, чем электрических требований, и выполнение их достигается не только соответствующими конструктивными решениями, технологией изготовления, применением необходимых материалов, но и выбором соответствующего способа сканирования, электрической схемы построения, режима работы системы и применяемых устройств СВЧ, например фазовращателей.

С развитием различных радиотехнических систем и усложнением решаемых ими тактико-технических задач возрастают требования к антенным характеристикам и в ряде случаев они становятся противоречивыми и вовсе неразрешимыми при попытке построить новые антенны по аналогии с разработанными ранее и находящимися в эксплуатации. Так, например, стремление увеличить дальность действия и точность определения угловых координат в радиолокации приводит к требованию увеличения направленности антенн, что вызывает увеличение их размеров и веса. Рост скоростей полета летательных аппаратов приводит к необходимости увеличения скорости движения луча в пространстве. Совмещение требований увеличения направленности и скорости движения луча в широко используемых антеннах с механическим сканированием не представляется возможным из-за инерционности последних. Подобные противоречия возникают и при попытках одновременно

 

обеспечить высокие направленные свойства и заданные частотные, энергетические, пеленгационные характеристики. Эти обстоятельства заставляют отказываться от «традиционного» типа антенн для данного класса радиосистем и переходить к антенным решеткам.

Применение сложных антенн в виде решеток, состоящих из систем слабонаправленных или направленных излучателей, значительно расширяет возможности реализации требуемых характеристик.

Система излучателей с электрически управляемым фазовым распределением - фазируемая антенная решетка *) - осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью, которая может быть на несколько порядков выше скорости механически сканирующих антенн. Время установки в заданную точку пространства луча фазируемых решеток практически определяется быстродействием электрического фазовращателя или перестройкой частоты при частотном сканировании и не связано с весом и размерами антенны. При таком «безынерционном» сканировании возможны новые, ранее не применявшиеся методы обзора пространства и многоцелевая работа (одновременное сопровождение нескольких целей в пространстве).

Решетки из остронаправленных антенн позволяют увеличить предельно-реализуемую разрешающую способность, усиление и максимальную мощность антенны. Созданы и строится решетки из больших зеркал для антенн радиотелескопов и космической связи, имеющие разрешающую способность до единиц минут в сантиметровом диапазоне [Л 1]. Решетки позволяют создать многофункциональные антенны, в которых с помощью электрически управляемых устройств СВЧ меняется форма и ширина диаграммы направленности в зависимости от выполняемых радиосистемой функций.

Реализация различных видов амплитудно-фазовых распределений в антенной решетке значительно проще, чем в зеркальных, рупорных, линзовых и других антеннах СВЧ, так как в возбуждающее излучатели устройство можно включать различные делители, направленные ответвители, фазовращатели, коммутаторы и другие элементы, обеспечивающие требуемое распределение или управление. Практические возможности выполнения

 

 

*) В литературе часто сокращенно называют ФАР.

различных видов амплитудно-фазовых распределений позволяют применять антенные решетки для минимизации бокового излучения, т. е. для построения так называемых антенн с оптимальными диаграммами направленности.

В конструктивном отношении применение решеток создает возможности уменьшить предельные размеры (в направлении нормали к плоскости решетки) остронаправленных антенн, а, следовательно, и занимаемые ими объемы, и использовать для излучения наружную проводящую поверхность объекта. Остронаправленная решетка из рупоров или зеркал имеет меньший продольный размер, чем одна рупорная или зеркальная антенна той же направленности. Щелевая решетка излучателей на выпуклой (конической, цилиндрической, сферической и др.) наружной поверхности летательного аппарата [ЛО 7], не увеличивая аэродинамического сопротивления, позволяет существенно сократить занимаемый объем по сравнению с соответствующей апертурной антенной, расположенной в обтекателе.

В последнее время радиоспециалистами уделяется значительное внимание так называемым активным решеткам, в которых к каждому излучателю или группе их подключаются активные элементы: автогенератор, усилитель, преобразователь, смеситель и т. д. Такой новый подход на основе антенной решетки к построению всей радиосистемы, в случае, когда нельзя выделить отдельные устройства, как приемник, передатчик и т. д., позволяет существенно расширить возможности системы в обработке поступающей информации, построить адаптирующиеся (самонастраивающиеся) антенны и достигнуть лучшего сопряжения радиосистемы с ЭВМ.

Вышеприведенные соображения отчетливо показывают роль антенных решеток в современных радиотехнических системах, их возможности в обеспечении требуемых характеристик антенн и всей радиосистемы. Поэтому в настоящей книге основное внимание уделяется различным антенным решеткам и их элементам. Ниже приводятся инженерные методы расчета щелевых, вибраторных и рупорных решеток, а также одиночных и спиральных, диэлектрических стержневых и других антенн, которые используются как элементы решеток СВЧ. В работе излагаются также расчеты электрических сканирующих антенных решеток, разработке теории и техники

 

 

которых в последний период развития антенно-фидерных устройств уделяется основное внимание специалистов.

 

Порядок расчета

Обычно бывают заданными к. н. д. или ширина диаграммы направленности, сектор сканирования, уровень боковых лепестков и точность установки луча.

Заданная величина уровня боковых лепестков и требуемая точность установки луча определяют величину дискрета изменения фазы, т. е. число позиций фазовращателей, и амплитудное распределение в решетке.

По заданным значениям к. н. д. или ширины диаграммы направленности, выбранному амплитудному распределению, а также величине сектора сканирования с помощью формул табл. 3.1, а также (3.3), (3.4) определяются размеры антенны. По величине сектора сканирования по формулам (3.7)-(3.9) находится расстояние между излучателями и число фазовращателей.

При определении числа позиций дискретно-коммутационных фазовращателей по максимальному уровню боковых лепестков целесообразно представить заданное значение уровня боковых лепестков в виде суммы двух слагаемых, одно из которых принимается за максимальный уровень коммутационных лепестков, а другое за уровень боковых лепестков антенны без коммутационных фазовых ошибок. Тогда по величине первого слагаемого по формулам (3.29), (3.31) можно будет определить ∆, по величине второго - характер амплитудного распределения в решетке согласно данным табл. 3.1.

 Максимальный уровень коммутационных лепестков выбирается таким, чтобы число требуемых позиций  фазовращателя было меньшим. Это позволяет использовать наиболее простые по конструкции фазовращатели. С другой стороны, нельзя брать слишком малым второе слагаемое, т. е. уровень боковых лепестков идеальной антенны, так как в антенне потребуется использовать резко спадающие к краям распределения амплитуд, что приведет к необходимости увеличить размеры решетки для обеспечения заданной ширины диаграммы направленности или величины к. н. д.

В зависимости от конкретных требований к антенной решетке в каждом случае находится компромиссное решение.

Далее выбирается схема распределения энергии и включения фазовращателей, тип фазовращателей, излучателей, элементов связи и т. д., производится расчет этих узлов, диаграммы направленности и разрабатывается конструкция.

 

 

Литература

1. «Современные проблемы антенно-волноводной техники». Сб. статей под ред. А. А. Пистолькорса. Изд-во «Наука», 1967.

2. Власов В. И., Берман В. И. Проектирование высокочастотных узлов радиолокационных станций. Судпромгиз, 1961.

3. Фрадин А. З., Рыжков К. В. Измерение параметров антенн. Государственное издательство литературы по вопросам связи радио, 1962.

4. «Устройства СВЧ с полупроводниковыми приборами». Проектирование и расчет. Под ред. Мальского И. В. и Сестрорецкого Б. В. Изд-во «Советское радио», 1969.

 

 

Глава 4

 АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ОПТИМАЛЬНОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ

Свойства полиномов Чебышева

 

 Полиномами Чебышева называются полиномы вида

 

 (4.1)

 

Здесь — аргумент полинома;  — порядок полинома, определяемый наивысшей степенью переменной .

Заменив косинус кратного аргумента степенным рядом, получим формулы для полиномов Чебышева в виде многочленов.

 При  — четном

.                                       (4.2)

 

При  — нечетном

 

.

 

В формулах (4.2) коэффициенты  - коэффициенты полинома Чебышева порядка а при в степени переменной x.

Эти коэффициенты вычисляются по формулам

 

 (4.3)

 

Первые 12 полиномов Чебышева записываются формулами

 

 

Полиномы Чебышева разных порядков связаны рекуррентным соотношением

 

 

На рис. 4.1 приведен график полинома Чебышева . Из приведенного рисунка видно, что полином Чебышева в пределах изменения аргумента  представляет собой знакопеременную функцию с несколькими максимумами. Все максимумы одинаковы и по модулю равны единице. За пределами  полином по модулю неограниченно возрастает.

Полином Чебышева обладает следующими свойствами, которые и обусловили его широкое применение при построении различных систем.

 

 

Из всех степенных полиномов той же степени с действительными коэффициентами и коэффициентом при высшем члене, равном :

 а) в пределах изменения аргумента  полином Чебышева наименее уклоняется от нуля, т. е. абсолютные значения максимумов будут наименьшими;

Рис. 4.1. График полинома Чебышева .

Рис. 4.2. График полинома Чебышева .

б) полином Чебышева имеет наибольшее значение наибольшего корня, т. е. интервал от наибольшего корня до  будет наименьшим. При  полином возрастает, причем скорость нарастания наибольшая.

Теперь рассмотрим те же полиномы, с теми же пределами изменения аргумента , но с несколько измененным масштабом , где . На рис. 4.2 изображен тот же полином, что и на рис. 4.1, но при . Как следует из рисунка, график полинома Чебышева теперь приобрел вид диаграммы направленности с главным максимумом и серией боковых лепестков. Уровень боковых лепестков равен 1, а значение функции в максимуме равно . Свойства полинома остались прежними. Он имеет наименьшее значение модуля лепестков по отношению к максимуму при  и наибольшее значение наибольшего корня (наименьшую величину ). Отсюда следует, что для того, чтобы диаграмма направленности являлась оптимальной, она должна описываться полиномом Чебышева.

Положение нулей функции  определяется соотношением

 

,                                                (4.5)

 

а положение максимумов - формулой

 

,                                                  (4.6)

 

где  порядковый номер нуля или максимума.

 

Глава 5

ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ

Антенн

Щели в качестве излучающих элементов или самостоятельных антенн широко используются в технике СВЧ. При этом в основном щели применяются в волноводах, хотя могут использоваться и в металлических пластинах или фольге и возбуждаться, при этом с помощью полосковых линий [Л 1].

Волноводно-щелевые антенны, получающиеся при прорезании щелей в волноводах, являются одним из видов линейных многоэлементных антенн и обеспечивают сужение диаграммы направленности (ДН) в плоскости, проходящей через ось волновода.

На практике кроме волноводно -щелевых антенн с неподвижной в пространстве ДП применяются антенны с механическим, электромеханическим [Л 1] и электрическим сканированием (см. гл. 2).

Отметим основные преимущества волноводно -щелевых антенн:

1) ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность волноводно-щелевой антенны может быть, совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления (бортовая антенна);

2) в таких антеннах могут быть реализованы оптимальные ДН, так как распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателей с волноводом;

3) щелевая антенна имеет сравнительно простое возбуждающее устройство. Кроме того, она проста в эксплуатации.

Недостатком волноводно -щелевых антенн является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в несканирующей волноводно-щелевой антенне

 

 

происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения (гл.2), сопровождающееся изменением ширины диаграммы направленности и ее согласования с питающим фидером.

 

Метод расчета

Расчет рупорных антенн основан на результатах их анализа, т. е. первоначально ориентировочно задаются геометрическими размерами антенны, а затем определяют ее электрические параметры. Если размеры выбраны неудачно, то расчет повторяется снова.

Поле излучения рупорной антенны, как и всех антенн СВЧ, определяется приближенным методом. Сущность приближения заключается в том, что несмотря на связь между полем внутри и вне рупора, внутреннюю задачу решают независимо от внешней, и полученные из этого решения значения поля в плоскости раскрыва рупора используют для решения внешней задачи [ЛО 1, ЛО 13].

Амплитудное распределение поля в раскрыве рупора принимается таким же, как в питающем его волноводе. Например, при возбуждении рупора прямоугольным волноводом с волной  вдоль оси Х (проходящей в плоскости Н) распределение амплитуды поля косинусоидальное, а вдоль оси Y (проходящей в плоскости Е) амплитудное распределение равномерное. В связи с тем, что фронт волны в рупоре не остается плоским, а трансформируется в цилиндрический в секториальном рупоре и в сферический в пирамидальном и коническом, то фаза поля по раскрыву меняется по квадратичному закону.

 

Описанные амплитудное и фазовое распределения поля по раскрыву являются приближенными. Некоторое уточнение дает учет отражения от раскрыва хотя бы только основного типа волны. При этом надо иметь в виду, что коэффициент отражения  уменьшается с увеличением раскрыва.

Диаграмма направленности рупорной антенны по известному полю в раскрыве может рассчитываться методом волновой оптики на основе принципа Гюйгенса и формулы Кирхгофа [ЛО 13, ЛО 11, ЛО 1]. Применение формулы Кирхгофа к электромагнитному полю не является строгим. Рядом авторов были внесены уточнения, учитывающие особенности электромагнитного поля антенны. В силу этого в литературе для расчета диаграммы направленности имеется несколько различных, но похожих друг на друга формул, которые дают близкие результаты. Расчетные формулы будут приведены ниже в § 6.5. имея выражение для диаграммы направленности, можно найти коэффициент направленного действия антенны, зависимость ширины диаграммы направленности от размеров раскрыва и другие характеристики антенны.

 

6.3.   Выбор   геометрических   размеров  рупора
и   волноводного  излучателя

 

Рупорная антенна (рис. 6.1) состоит из рупора 1, волновода 2, и возбуждающего устройства 3.

Если генератор, питающий антенну, имеет коаксиальный выход, то возбуждение антенного волновода 2 осуществляется чаще всего штырем, расположенным перпендикулярно широкой стенке волновода, возбуждение к штырю подводится коаксиальным кабелем. Если генератор, питающий антенну, имеет волноводный выход, то фидерный тракт выполняется обычно в виде прямоугольного волновода с волной . Волноводный фидер непосредственно переходит в волновод 2, возбуждающий рупор. Расчет возбуждающего устройства в виде несимметричного штыря будет приведен в следующем параграфе.