Щілинна антена

I. ДАНІ ІЗ ТЕОРИИ.

Елементарний щілинній випромінювач є щілину, прорізану в ідеально проводяться пласкому екрані необмежених розмірів. Параметри такого випромінювача можуть визначити з допомогою принципу двоїстості. Принцип двоїстості стосовно елементарного щілинному випромінювачу говорить: вектори Є. і М електромагнітного поля щілини мають таку ж направлення у просторі і є так само функціями координат, як відповідно М та О поля елементарного електричного вібратора тієї ж розмірів, як і щель.

Скориставшись принципом перестановочной двоїстості можна показати, що полі, створюване симетричним щілинним випромінювачем, цілком таку ж як і полі, створюване симетричним електричним вібратором, при взаимозамене напрямів електричного і магнітного векторов.

Резонансної щілиною називають вузьку щілину, довжина якої 2l приблизно дорівнює половині довжини хвилі у вільному просторі. Ширина щілини d становить зазвичай менш десятої частки довжини хвилі. На мал.1 представлені діаграми спрямованості елементарного електричного вібратора (чи елементарного щелевого випромінювача (б) відповідно магнітної і електричної плоскостях.

[pic].

Характеристики спрямованості одиночній щілини, на відміну елементарного щелевого випромінювача довжиною 2l[pic]/ 2, прорізаної в нескінченному екрані, розраховуються по формулам: у площині Н.

[pic],.

(1) у площині Е.

[pic],.

(2) де [pic] і [pic] - кутові координати точки наблюдения;

2l — довжина щели;

[pic].

З розгляду наведених формул слід, що щілину, прорізана в екрані, не створює спрямованого випромінювання в Е-плоскости і його діаграма спрямованості має форму півкола із боку екрана. У Мплощині спрямованість випромінювання щілини визначається за формулою (1) і від довжини щели.

Висновки про спрямованості випромінювання щілини, прорізаної в безмежному екрані, можна використовуватиме визначення діаграми спрямованості щілини, прорізаної у судинній стінці хвилеводу, враховуючи, що випромінювання відбувається лише полупространство. У Н-плоскости діаграма спрямованості продовжуватиме визначатися формулою (1), оскільки випромінювання вздовж осі щілини відсутня, а, отже, розміри екрана у цьому напрямі істотною ролі не грають. У Е-плоскости діаграма спрямованості щілини, прорізаної в волноводе, залежить від розмірів стінки хвилеводу і, отже, буде відрізнятиметься від полуокружности.

Пояснимо залежність діаграми спрямованості щілини від розмірів стінки хвилеводу. Припустимо, що щілину прорізана в екрані кінцевих розмірів. У Єплощині формується з допомогою перебігу поверхневих струмів провідності (мал.2) і шляхом створення край екрана різкій неоднорідності у розподілі електричного поля та механізм виникнення про диафрагмированных хвиль. У будь-якому напрямку від щілини в Е-плоскости результуючий вектор електричного поля визначається геометричній сумою вектора електричних полів трьох хвиль. Фаза результуючого поля була в точці спостереження залежатиме основному від різниці ходу між диафрагмированными хвилями і хвилею від щілини. Співвідношення фаз зазначених векторів електричних полів залежатиме від розмірів экрана.

Отже, будуть напрями, у яких диафрагмированные хвиль будуть послабляти полі щілини, і навіть напрями, у яких полі щілини буде посилено. Отже, діаграма спрямованості у площині Є від щілини, прорізаної в екрані обмежених розмірів, чи волноводе, матиме «хвилястий характер». Приклади діаграм спрямованості волноводно-щелевых антен залежно від розмірів екрана показані на рис. 2.

[pic].

Більше точний розрахунок показує, що розміри екрана у бік, перпендикулярному осі щілини, мають значний вплив на діаграму спрямованості і особливо тоді, коли щілину розташований майданчику несиметрично, тоді як розміри екрана у бік осі щілини мало впливають їхньому спрямовані свойства.

Щілина в волноводе порушується тоді, коли він широкої стороною перетинає поверхневі струми, поточні по стінок хвилеводу. При порушенні хвилеводу хвилею Н[pic] має місце поперечний струм і подовжній струм на широких стінках хвилеводу (рис. 3,а). Эпюры розподілу струмів по поперечному перерізу хвилеводу наведено на рис. 3,б. Поперечний струм в середині широкої стінки хвилеводу нульовий і наростає до свого максимального значення до краях стінок. Розподіл подовжнього струму представлене рис. 3,в. sitednl.narod.ru/1.zip — база стільникових по Петербургу.

Як відомо, щільність поверхового струму [pic] пов’язані з напругою магнітного поля соотношением:

[pic],.

(3) де [pic]- нормаль до аналізованої поверхні. [pic].

Щоб щілину випромінювала, її треба прорізати вздовж силових ліній магнітного поля була в волноводе чи, що таке саме, впоперек силових ліній струму провідності, наводимого магнітним полем в стінках хвилеводу. На рис. 4 показані можливі способи прорезания щілини на широкої стінці хвилеводу прямокутного перерізу, порушуваного хвилею типу Н[pic].

[pic].

Інтенсивність порушення щілини залежить від неї становища на стінці хвилеводу. Приміром, поздовжня щілину при х[pic] не випромінює і тому не впливає на режим роботи хвилеводу. Прикладом такої щілини є щілину, через яку переміщається зонд в волноводной вимірювальної лінії. У міру збільшення х[pic]плотность поверхового струму збільшується, оскільки збільшується напруженість магнітного поля, і, отже, інтенсивність порушення щілини зростає. Принаймні збільшення інтенсивності порушення щілини вхідний опір подовжньої щілини і вхідні провідність поперечної щілини возрастают.

Інтенсивність порушення щілини залежить тільки від її відстані від середньої лінії хвилеводу х[pic], а й від відстані між центром щілини і закорачивающим поршнем. У волноводе без щілин, закороченном на кінці, існують стоячі хвилі. У цьому на кінці хвилеводу (закорачивающий поршень) відповідно до граничними умовами на ідеальної металевої поверхні існує вузол складової [pic] і пучность [pic] (рис.5).

[pic].

Щоб поздовжня збуджувалася з максимальною інтенсивністю, її центр треба розмістити у пучность [pic], тобто. відстань між поршнем і щілиною — z[pic]- має рівнятися нечетному числу [pic]/ 4. Для максимального порушення поперечної щілини її треба поміщати в пучность [pic], тобто. на відстані рівному четному числу [pic]/ 2 від поршня.

Відомо, що хвилевід прямокутного перерізу з хвилею типу Н[pic] можна еквівалентній двухпроводной лінією з хвильової проводимостью.

[pic], (4) де [pic] - хвилеве сопротивление.

Щілина, прорізана у судинній стінці хвилеводу, може останнього деяку навантаження впливає на режим його роботи. Частина енергії, що йде по волноводу, випромінюється щілиною, частина відбивається від нього, як від будь-якої неоднорідності, і летить назад до генератору, частина проходить далі. Вплив щілини на режим роботи хвилеводу характеризується вхідний провідністю Y[pic] і вхідним опором Z[pic]. Вхідний опір (провідність) щілини довільній довжини є величина комплексна. У основному застосовуються резонансні щілини (Х[pic]= В[pic]= 0). Щоб щілину була резонансної, її довжина мусить бути трохи менше [pic]/ 2. У цьому, ніж ширше щілину, то більше вписувалося мусить бути величина укорочення. Тут також існує повна аналогія з симетричним вібратором. Наближено скорочення можна визначити по формуле:

[pic].

(5).

Поперечна щілину, прорізана у широкій стінці хвилеводу, перериває лінії щільності подовжньої складової поверхового струму. Тому цю щілину слід розглядати, як опір, послідовно включене в дроти еквівалентній волноводу двухпроводной узгодженої лінії (рис. 6,а). Що стосується резонансної поперечної щілини нормоване вхідний опір розраховується за формуле:

[pic], (6) де [pic] - довжина хвилі в волноводе;

[pic] - довжина хвилі у вільному просторі; a — ширина широкої стінки хвилеводу; d — ширина вузької стінки хвилеводу; х[pic]- відстань від середини широкої стінки до центру щели.

[pic].

З розгляду формули (6) видно, що вхідний опір резонансної поперечної щілини максимально, якщо центр цієї щілини збігаються з центром широкої стінки хвилеводу (х[pic]= 0), позаяк у цьому жахливому місці максимальний подовжній струм, що збуджує щілину; R[pic] зменшується принаймні видалення центру поперечної щілини від центру широкої стенки.

Однією з видів поперечних щілин є щілину, прорізана в пластині, закриває торець хвилеводу (див. мал.7). Заради покращання спрямованих властивостей торцевая волноводная щелевая антена постачається спеціальним екраном. Щілина порушується поздовжніми струмами, замыкающимися внутрішній поверхні пластини. Натомість щілину збуджує систему струмів зовнішньому поверхні торця хвилеводу чи екрана. Резонансна еквівалентну опір такий щілини за симетричного розташуванні її щодо широких стінок хвилеводу визначається за такою формулою (6).

Поздовжня щілину перериває лінії щільності поперечної складової поверхового струму. Поперечні струми хіба що відгалужуються від дротів еквівалентній лінії в паралельно приєднані до них шлейфи. Тому подовжню щілину слід розглядати, як опір, приєднане паралельно двухпроводной лінії, тобто. як провідність G[pic] (рис. 6,б). Нормована вхідні провідність резонансної подовжньої щілини розраховується за формуле:

[pic] (7).

З розгляду формули (7) слід, що вхідні провідність подовжньої резонансної щілини дорівнює нулю, якщо щілину перебуває у центрі широкої стінки (х[pic]= 0), і максимальна, якщо щілину перебуває в краю широкої стінки (х[pic]= a / 2) чи бічний стінці. Аналогічного висновку можна прийти з розгляду рис. 3 і 4.

Наведені формули для еквівалентного наведеного вхідного опору і еквівалентній наведеної вхідний провідності отримані для полуволновых щілин. Ця довжина дуже близька до резонансної довжині щілини, при якої еквівалентну реактивне опір х[pic] і еквівалентна реактивна провідність b[pic] рівні нулю. Оскільки [pic] і [pic]мало змінюються поблизу резонансу, то цими формулами можна скористатися й у резонансних щелей.

Як зазначалося раніше, резонансна довжина щілини трохи менше [pic]/ 2 і тим меншим, що ширша щілину. Крім цього, резонансна довжина щілини залежить від усунення її х[pic]относительно широкої стінки хвилеводу. При фіксованою ширині подовжньої щілини і збільшенні усунення х[pic]от нуля до [pic]/ 4 щодо середини широкої стінки хвилеводу резонансна довжина збільшується, наближаючись до [pic]/ 2. При подальшому збільшенні усунення щілини її резонансна довжина починає уменьшаться.

Резонансна довжина поперечної щілини у широкій стінці прямокутного хвилеводу під час усунення х[pic]= 0 дорівнює 2 l = 0,488[pic], тобто. незначно відрізняється від половини довжини хвилі генератора. Похилі щілини вузькому стінці мають резонансну довжину, наближено рівну половині довжини хвилі в вільному пространстве.

Там, коли випромінювач може бути більш широкосмуговим, знаходять застосування гантельные щілини. Залежність вхідного опору гантельной щілини від неї розмірів приведено на див. мал.8. Зі збільшенням діаметра заокруглення D точка резонансу зміщується убік великих довжин хвиль і смуга пропускання увеличивается.

[pic].

II. ОПИС УСТАНОВКИ.

Структурна схема установки для виміру еквівалентній провідності, опору і характеристики спрямованості щілин наведено на див. мал.9. Полуволновые резонансні випромінювачі прорізані в металевої пластині, яка може переміщатися щодо осі хвилеводу (рис.10). Розмір усунення щілини (х[pic]) відраховується за шкалою. У першому крайньому становищі хвилевід повністю закритий, що він відповідає короткому замиканню досліджуваного щелевого излучателя.

[pic].

1. Вимірювання вхідного еквівалентного опору резонансної щілини, прорізаної у нескінченному проводить поверхности:

— залучити до генератору торцевій щілинній випромінювач (див. рис.7);

— встановити частоту генератора (задається преподавателем);

— з допомогою вимірювальної лінії визначити КСВ і запам’ятати становище однієї з мінімумів напруги в лінії. Закоротити випромінюючу щель.

Визначити, наскільки й у який бік зміщується при закорачивании щілини зафіксований раніше мінімум напруги в вимірювальної линии.

Визначити на кругової діаграмі повних опорів величину еквівалентного вхідного опору щели.

[pic].

Розрахувати вхідний еквівалентну опір торцевій полуволновой щілини за такою формулою (6). Порівняти величини, отримані експериментальним і розрахунковим путем.

2. Вимірювання еквівалентного вхідного опору і провідності поперечної і подовжньої резонансної щілини, прорізаних у широкій стінці волновода;

— залучити до генератору відповідно до схемою (див. мал.9) хвилевід з подовжньої і поперечної щілинами. Перемістити пластини зі щілинами те щоб середина поперечної щілини виявилася симетричній осі хвилеводу. Показати максимум випромінювання на приймальню рупорную антену. Зафіксувати наявність випромінювання з допомогою приймача. Короткозамыкателем налаштувати щілинній випромінювач на максимум излучения.

Зняти нормовану характеристику спрямованості у площині М. Порівняти з расчетной.

Аналогічно п. 1 визначити вхідний еквівалентну опір поперечної резонансної щілини і порівняти з розрахунковими значеннями (6).

Повернути на 90[pic] випромінюючу поперечну щілину і рупорную приймальню антену. Зняти нормовану діаграму спрямованості у площині Є. Порівняти з расчетной.

3. Визначити еквівалентну вхідну провідність подовжньої випромінюючої щілини до трьох положень (х[pic]= 0, х[pic]= 6 мм, х[pic]=12 мм).

Зняти нормовану діаграму спрямованості в площинах Є, Н.

Л І Т Є Р, А Т У Р А.

1. Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устрою. М., «Зв'язок», 1967.

2. Жук М. С., Молочков Ю. Е. Проектування антенно-фидерных пристроїв. М-Л, «Енергія», 1966.

3. Айзенберг Г. З. Антени ультракоротких хвиль. М., «Зв'язок», 1967.

4. Антени та внутрішнього облаштування НВЧ. Розрахунок і проектування антенних решіток та його випромінюючих елементів. Під ред. Д.І. Воскресенського. М., «Рад. радіо», 1972.