Назва роботи: Хвилеводно-щілинна антена (ВЩА)
Предметна область: Комунікація, зв'язок, радіоелектроніка та цифрові прилади
Опис: Хвилеводно-щілинні лінійні антени забезпечують звуження діаграми спрямованості ДН в площині проходить через вісь хвилеводу. Хвилеводно-щілинні антени мають такі переваги: відсутність виступаючих частин дозволяє поєднати їх випромінює поверхня із зовнішньою поверхнею корпусу літального апарату при цьому не вноситься додаткове аеродинамічний опір бортова антена; можливість реалізації оптимальних ДН так як закони розподілу поля в розкриві різні изза зміни зв'язку випромінювачів с.
Розмір файлу: 315.5 KB
Роботу скачали: 230 чол.
Хвилеводно-щілинна антена (ВЩА) # 150; один з видів лінійних (плоских) багатоелементних антен. Випромінюють елементами в таких антенах є щілини, які прорізаються в стінці хвилеводу, об'ємного резонатора або металевих пластинках (підставах) Полоскова ліній. Хвилеводно-щілинні лінійні антени забезпечують звуження діаграми спрямованості (ДН) в площині, що проходить через вісь хвилеводу. Поряд з ВЩА з нерухомими в просторі діаграмами спрямованості знаходять застосування ВЩА з механічним, електромеханічним і електричним скануванням.
Хвилеводно-щілинні антени мають такі переваги:
- відсутність виступаючих частин дозволяє поєднати їх випромінює поверхня із зовнішньою поверхнею корпусу літального апарату, при цьому не вноситься додаткове аеродинамічний опір (бортова антена);
- можливість реалізації оптимальних ДН, так як закони розподілу поля в розкриві різні через зміни зв'язку випромінювачів з хвилеводом;
- порівняно нескладна збудливу пристрій і простота в експлуатації.
Недоліком ВЩА є обмеженість діапазонних властивостей. При зміні частоти в несканірующей ВЩА промінь в просторі відхиляється від заданого положення, що супроводжується зміною ширини ДН і її узгодження з живильним фідером.
Порушення одиночної щілини відбувається тоді, коли її перетинають електричні струми, поточні по внутрішніх поверхнях стінок хвилеводу. При поширенні хвилі Н 10 в прямокутному хвилеводі присутні три складові поверхневого електричного струму: дві поперечні, породжувані поздовжньої складової магнітного поля, і одна поздовжня, породжувана поперечної складової магнітного поля. Поздовжня складова струму існує тільки на широких стінках хвилеводу, а що знаходяться по відношенню до неї в фазової квадратурі поперечні складові існують як на широких, так і на вузьких стінках.
Похила щілину у вузькій стінці хвилеводу збуджується поперечним струмом постійної амплітуди. Тому інтенсивність її збудження регулюють, підбираючи кут нахилу δ. При δ = 0 щілина не порушується, при δ = 90 о випромінювання максимально. Такі щілини зазвичай кілька поглиблені в широку стінку. При цьому виявляється, що при фіксованій глибині вирізу практично незалежно від кута нахилу δ (якщо δ≤15 о) реактивна провідність щілини мала і має незначний вплив на постійну поширення хвилеводу. Крім того, зі зміною частоти вона змінюється значно менше, ніж у щілин, прорізаних в широкій стінці хвилеводу. Все це робить похилі щілини у вузькій стінці хвилеводу краще (як з електричною, так і конструктивної точок зору), особливо в великих антенних системах.
Серед ВЩА розрізняють антени: резонансні, нерезонансні і з узгодженими щілинами.
Резонансні волноводно-щілинні антени будують на основі закороченими на кінці хвилеводу, причому відстань між сусідніми щілинами вибирають точно рівним λ в для щілин, синфазно-пов'язаних з полем хвилеводу, або точно рівним λ в / 2 для випадку змінно-фазно-пов'язаних щілин. В обох випадках резонансні антени мають синфазное збудження всіх щілин і, отже, напрямок максимального випромінювання збігається з нормаллю до осі хвилеводу.
Нерезонансні волноводно-щілинні антени відрізняються від резонансних антен тим, що хвилевід навантажується в кінці на узгоджене навантаження, так що у відсутності щілин в ньому встановлюється хвиля, що біжить Н 10.
Мал. Нерезонансна волноводно-щілинна антена
Щілини розташовуються на відстані одна від одної, кілька відмінному від λ в / 2. Тоді щілини збуджуються з прогресивним фазовим зрушенням
для сусідніх синфазно-пов'язаних щілин і для сусідніх змінно-пов'язаних щілин.
Нерезонансна волноводно-щілинна антена з похилих щілин у вузькій стінці хвилеводу розглянута в цій роботі. Щілини по черзі нахиляються в різні боки, і це забезпечує їх змінно-фазне збудження і призводить до відхилення напрямку головного максимуму випромінювання від нормалі до осі антени. Найчастіше це відхилення мало, тому зміна форми головної пелюстки і рівня бічних, викликані цим відхиленням, ще непомітні. Зв'язок щілин з хвилеводом підбирається такий, що в крайовий поглинач доходить тільки 5 # 150; 20% вхідної потужності антени і ККД виявляється рівним 95 # 150; 80%.
Оскільки відстані між щілинами в нерезонансних антенах відрізняються від λ в / 2, відбиття від окремих щілин в значній мірі компенсують один одного і вхідний КСВ близький одиниці в досить широкій смузі частот. І тільки на частоті, при якій d = λ в / 2, відбиття від щілин підсумовуються, КСВ різко зростає і випромінювання, яке має бути спрямоване по нормалі до осі хвилеводу, різко зменшується (так званий «ефект нормалі»). Тому якщо в нерезонансна антени передбачається здійснити випромінювання по нормалі до осі хвилеводу, то кожна щілина повинна бути спеціально узгоджена з хвилеводом індивідуальним Настроювальна елементом.
Щоб зберегти режим біжучої хвилі уздовж нерезонансна волноводно-щілинний антени і позбутися небажаного «дзеркального» променя, обумовленого рухом відбитої хвилі, необхідно використовувати досить слабкий зв'язок щілин з хвилеводом. Це досягається підбором кута нахилу щілин на вузькій стінці хвилеводу. Належним підбором ступеня зв'язку різних щілин можна сформувати і бажаний закон зміни амплітуди збудження вздовж антени.
Антени з похилими щілинами у вузькій стінці хвилеводу мають ще й поле паразитного поляризації. Випромінювання щілин визначається горизонтальними складовими вектора напруженості поля (Е г). Вертикальні складові (Е в) створюють поле паразитного поляризації. Для зменшення складової паразитного поляризації поля випромінювання необхідно зробити кути нахилу щілин δ≤15 о. тоді потужність, що втрачається на паразитную поляризацію, складе менше 1%. Однак це обмежує можливість отримання необхідних нормованих проводимостей щілин. На практиці приймають спеціальні заходи для придушення поля паразитного поляризації.
Для розрахунку ДН волноводно-щілинних решіток використовують ті ж методи, що і для розрахунку ДН многовібраторних антен. При цьому форма ДН визначається амплітудно # 150; фазовим розподілом по розкриву антени.
На практиці найбільш часто використовуються наступні види амплітудних розподілів: рівномірний, симетричний спадає щодо центру антени і експоненціальне. Фазовий розподіл найчастіше лінійне.
Нормована ДН лінійної решітки випромінювачів може бути записана у вигляді
де # 150; ДН одного випромінювача; # 150; множник антеною решітки, що залежить від числа щілин в антені.
Наведемо вирази для множника антени при різних амплітудних розподілах по антені. У разі рівномірного амплітудного і лінійного фазового розподілу по довжині решітки. де # 150; зсув по фазі між полями, створюваними в точці спостереження сусідніми випромінювачами; # 150; фазова постійна вільного простору; # 150; кут, відлічуваний від нормалі до лінії розташування щілин; # 150; різницю фаз сусідніх випромінювачів по системі живлення; # 150; число щілин. У синфазной антені. в нерезонансна антени з синфазной зв'язком щілин з полем хвилеводу. а з змінно # 150; фазной зв'язком.
Якщо розподіл поля по розкриву дискретної лінійної решітки випромінювачів експоненціальне, то. де # 150; величина, що характеризує нерівномірність амплітудного розподілу по розкриву; # 150; постійна загасаюча, викликана втратами на випромінювання і в стінках хвилеводу; в волноводе з малими втратами і; # 150; довжина антеною решітки; # 150; узагальнена координата; # 150; напрямок головного максимуму ДН антени.
Відхилення головного максимуму ДН від нормалі до лінії розташування випромінювачів визначається за формулою. де # 150; уповільнення фазової швидкості в волноводе; # 150; для синфазно пов'язаних щілин з полем хвилеводу і для змінно # 150; фазно пов'язаних щілин.
Для визначення постійної загасання можна скористатися наступним співвідношенням.
У разі антен з симетричним щодо центру і спадаючим до країв амплітудним розподілом розрахунок ДН при великому числі випромінювачів пов'язаний з трудомісткими обчисленнями. В цьому випадку можна скористатися множником антени з безперервним розподілом ненапрямлених випромінювачів. так як ДН дискретної решітки та безперервної при практично збігаються:
де # 150; амплітуда поля на краях антени.
При приведенні амплітудного розподілу по антені до одиниці. ДН однієї щілини в площині YOZ. що проходить через лінію розташування випромінювачів, можна при інженерних розрахунках визначати за формулами ДН щілини в нескінченному екрані: для поздовжнього щілини. для поперечної. так як довжина антени зазвичай велика (кілька) і, крім того, спрямовані властивості антени в цій площині визначаються в основному множником решітки.
При визначенні ДН в поперечній площині (YOX) антени з поздовжніми щілинами в широкій стінці хвилеводу слід враховувати, що кінцеві розміри екрану (поперечні розміри хвилеводу) істотно впливають на форму ДН: обмеженість екрану надає випромінювання спрямованість # 150; поле в напрямку екрана зменшується приблизно до 40-50% щодо значення поля в напрямку максимуму ДН.
Щоб спростити визначення ДН щілини в площині, нормальної її поздовжньої осі (площину YOX), хвилевід зручно замінити плоскою стрічкою тієї ж ширини.
У разі поперечних щілин на широкій стінці хвилеводу або похилих у вузькій стінці ДН в площині YOX можна орієнтовно оцінити за формулами для ДН щілини в нескінченному екрані, так як розміри екрану в напрямку осі щілини мало впливають на ДН як в -плоскості щілини, так і в -плоскості.
У таблиці наведено формули для визначення ширини ДН синфазних ВЩР і вказані рівні перших бічних пелюсток при різних амплітудних розподілах по антені.
Зазначеними формулами можна скористатися і в разі нерезонансних антен, так як відстань між випромінювачами в таких антенах незначно відрізняється від відстані в синфазних решітках і кут відхилення променя від нормалі до грат малий.
Знаходимо довжину хвилі в антені:
Тепер вибираємо хвилевід по заданому діапазону частот:
Тип хвилеводу 153 IES # 150; R 100.
Внутрішні розміри хвилеводу:
Розрахуємо довжину хвилі в хвилеводі:
Для хвилі типу H 10 (4), тоді
Вибираємо відстань між щілинами. Воно повинно бути більше або менше половини довжини хвилі в хвилеводі. Візьмемо більше:
Нехай коефіцієнт корисної дії дорівнює 90%, тоді коефіцієнт спрямованої дії буде дорівнює:
Тепер знаходимо кількість щілин в антені:
Таким чином, кількість щілин в антені дорівнюватиме.
Розрахуємо довжину антени:
Розрахуємо діаграму спрямованості нерезонансна волноводно-щілинний антени в площині решітки:
# 150; множник антеною решітки.
(9) 3. де (10) 4 # 150; зсув по фазі між полями, створюваними в точці спостереження сусідніми випромінювачами; (11) 5 # 150; фазова постійна вільного простору; # 150; кут, відлічуваний від нормалі до лінії розташування щілин; (12) 6 # 150; різницю фаз сусідніх випромінювачів по системі живлення; # 150; число щілин.
- довжина хвилі в хвилеводі.
- діаграма спрямованості одного випромінювача.
Мал. 1 ДН одного випромінювача.
Результуюча діаграма спрямованості:
Мал. 2а ДН антени в горизонтальній площині.
Мал. 2б ДН антени в горизонтальній площині.
Зсув головного максимуму.
Ширина головної пелюстки на рівні половинної потужності:
Діаграму спрямованості нерезонансна волноводно-щілинний антени в
ортогональної площині можна орієнтовно оцінити за формулою для
діаграми спрямованості щілини в нескінченному екрані:
Мал. 3 ДН антени в ортогональної площині.
Ширину головного пелюстка на рівні половинної потужності визначаємо по діаграмі спрямованості за рівнем 0,707:
1 Підручник №4 # 150; стр. 93
2 Підручник №4 # 150; стр. 93
3 Підручник №1 # 150; стр. 123
4 Підручник №1 # 150; стр. 123
5 Підручник №1 # 150; стр. 123
6 Підручник №1 # 150; стр. 123
7 Підручник №3 # 150; стр. 238
8 Підручник №1 # 150; стр. 123
9 Підручник №1 # 150; стр. 125