• Переклад

Стаття на переклад запропонована alessandro893. Матеріал взятий з великого довідкового сайту, що описує, зокрема, принципи роботи та влаштування радарів.

Антена – це електричний пристрій, що перетворює електроенергію на радіохвилі і навпаки. Антена використовується не тільки в радарах, а й у глушарках, системах попередження про опромінення та в системах комунікацій. При передачі антена концентрує енергію передавача радара і формує промінь, що спрямовується в потрібну сторону. При прийомі антена збирає енергію радара, що повертається, що міститься в відбитих сигналах, і передає їх на приймач. Антени часто розрізняються за формою променя та ефективності.

Зліва – ізотропна антена, справа – спрямована

Дипольна антена

Дипольна антена, або диполь - найпростіший і найпопулярніший клас антен. Складається з двох однакових провідників, дротів або стрижнів, зазвичай із двосторонньою симетрією. У передавальних пристроїв до неї подається струм, а у приймаючих – приймається сигнал між двома половинами антени. Обидві сторони фідера передавача або приймача з'єднані з одним з провідників. Диполі – резонуючі антени, тобто їх елементи є резонаторами, в яких стоячі хвилі переходять від одного кінця до іншого. Отже, довжина елементів диполя визначається довжиною радіохвилі.

діаграма спрямованості

Диполі – це ненаправлені антени. У зв'язку з цим їх часто використовують у системах зв'язку.

Антена у вигляді несиметричного вібратора (монопольна)

Несиметрична антена є половиною дипольної, і монтується перпендикулярно провідній поверхні, горизонтальному елементу, що відбиває. Коефіцієнт спрямованої дії монопольної антени вдвічі більше, ніж у дипольної антени подвоєної довжини, оскільки під горизонтальним елементом, що відбиває, немає ніякого випромінювання. У зв'язку з цим КНД такої антени вдвічі вище, і вона здатна передавати хвилі далі, використовуючи ту саму потужність передачі.

діаграма спрямованості

Антена "хвильовий канал", антена Яги-Уда, антена Яги

діаграма спрямованості

Куточкова антена

Тип антени, що часто використовується на УКХ та УВЧ-передавачах. Складається з опромінювача (це може бути диполь або масив Яги), укріпленого перед двома плоскими прямокутними екранами, що відбивають, з'єднаними під кутом, зазвичай в 90°. Як відбивач може виступати лист металу або грати (для низькочастотних радарів), що зменшує вагу і зменшує опір вітру. У кутових антен широкий діапазон, а посилення становить близько 10-15 дБ.

діаграма спрямованості

Вібраторна логоперіодична (логарифмічна періодична) антена, або логоперіодична решітка із симетричних вібраторів

Логоперіодична антена (ЛПА) складається з декількох напівхвильових дипольних випромінювачів довжини, що поступово збільшується. Кожен складається із пари металевих стрижнів. Диполі кріпляться близько, один за одним, і підключаються до фідер паралельно, з протилежними фазами. На вигляд така антена схожа на антену Яги, але працює вона по-іншому. Додавання елементів до антени Яги підвищує її спрямованість (посилення), а додавання елементів до ЛПА підвищує її смугу частот. Її головна перевага перед іншими антенами – надзвичайно широкий діапазон робочих частот. Довжини елементів антени відносяться один до одного за логарифмічним законом. Довжина найдовшого з елементів становить 1/2 від довжини хвилі найнижчою із частот, а найкоротшого – 1/2 від довжини хвилі найвищої частоти.

діаграма спрямованості

Спіральна антена

Спіральна антена складається із провідника, закрученого у вигляді спіралі. Зазвичай вони монтуються над горизонтальним елементом, що відбиває. Фідер з'єднується з нижньою частиною спіралі та горизонтальною площиною. Вони можуть працювати у двох режимах – нормальному та осьовому.

Нормальний (поперечний) режим: розміри спіралі (діаметр і нахил) малі в порівнянні з довжиною хвилі частоти, що передається. Антена працює так само, як закорочений диполь або монополь, з такою самою схемою випромінювання. Випромінювання лінійно поляризується паралельно осі спіралі. Такий режим використовується в компактних антенах у портативних та мобільних рацій.

Осьовий режим: розміри спіралі можна порівняти з довжиною хвилі. Антена працює як спрямована, передаючи промінь із кінця спіралі вздовж її осі. Випромінює радіохвилі кругової поляризації. Часто використовується для супутникового зв'язку.

діаграма спрямованості

Ромбічна антена

Ромбічна антена – широкосмугова спрямована антена, що складається з одного-трьох паралельних проводів, закріплених над землею у вигляді ромба, що підтримується в кожній вершині вежами або стовпами, до яких дроти кріпляться за допомогою ізоляторів. Усі чотири сторони антени однакової довжини, зазвичай не менше однієї довжини хвилі, або довші. Часто використовуються для зв'язку та роботи в діапазоні декаметрових хвиль.

діаграма спрямованості

Двовимірні антенні грати

Багатоелементний масив диполів, що використовуються в КВ діапазонах (1,6 - 30 МГц), що складається з рядів та стовпців диполів. Кількість рядів може бути 1, 2, 3, 4 або 6. Кількість стовпців – 2 або 4. Диполі горизонтально поляризовані, а екран, що відображає, розташовується за масивом диполів для забезпечення посиленого променя. Кількість стовпців диполів визначає ширину азимутального променя. Для 2 стовпців ширина діаграми спрямованості становить близько 50 °, для 4 стовпців - 30 °. Головний промінь можна відхиляти на 15 ° або 30 ° для отримання максимального охоплення 90 °.

Кількість рядів і висота найнижчого елемента над землею визначає кут піднесення і розмір території, що обслуговується. Масив з двох рядів має кутом 20°, а з чотирьох – 10°. Випромінювання двовимірних ґрат зазвичай підходить до іоносфери під невеликим кутом, і через низьку частоту часто відбивається назад до поверхні землі. Оскільки випромінювання може багаторазово відбиватися між іоносферою та землею, дія антени не обмежена горизонтом. В результаті така антена часто використовується для зв'язку на далекі відстані.

діаграма спрямованості

Рупорна антена

Рупорна антена складається з металевого хвилеводу, що розширюється, у формі рупора, що збирає радіохвилі в промінь. У рупорних антен дуже широкий спектр робочих частот, можуть працювати з 20-кратным розривом його кордонів – наприклад, від 1 до 20 ГГц. Посилення варіюється від 10 до 25 дБ, і часто вони використовуються як опромінювачі більших антен.

діаграма спрямованості

Параболічна антена

Одна з найпопулярніших антен для радарів – параболічний відбивач. Опромінювач розташовується у фокусі параболи, і енергія радара прямує на поверхню відбивача. Найчастіше як опромінювач використовується рупорна антена, але можна використовувати і дипольну, і спіральну.

Оскільки точкове джерело енергії знаходиться у фокусі, він перетворюється на хвильовий фронт постійної фази, що робить параболу добре пристосованою для використання в радарах. Змінюючи розмір і форму поверхні, що відбиває, можна створювати промені і схеми випромінювання різної форми. Спрямованість параболічних антен набагато краща, ніж у Яги або дипольної, посилення може досягати 30-35 дБ. Головний їхній недолік – непристосованість до низьких частот через розмір. Ще один – опромінювач може блокувати частину сигналу.

діаграма спрямованості

Антена Кассегрена

Антена Кассегрена дуже схожа на звичайну параболічну, але використовує систему із двох відбивачів для створення та фокусування променя радара. Основний відбивач параболічний, а допоміжний гіперболічний. Опромінювач знаходиться в одному з двох фокусів гіперболи. Енергія радара з передавача відбивається від допоміжного відбивача на основний і фокусується. Повертається від мети енергія збирається основним відбивачем і відбивається у вигляді променя, що сходить в одній точці, на допоміжний. Потім вона відбивається допоміжним відбивачем і збирається у точці, де розташований опромінювач. Чим більший допоміжний відбивач, тим ближче він може бути основним. Така конструкція зменшує осьові розміри радара, але збільшує затінення розкриття. Невеликий допоміжний відбивач, навпаки, зменшує затінення розкриття, але його потрібно розташовувати подалі від основного. Переваги порівняно з параболічною антеною: компактність (незважаючи на наявність другого відбивача, загальна відстань між двома відбивачами менша, ніж відстань від опромінювача до рефлектора параболічної антени), зменшення втрат (приймач можна розмістити близько від рупорного випромінювача), зменшення інтерференції з бокового наземних радарів. Основні недоліки: сильніше блокується промінь (розмір допоміжного відбивача та опромінювача більше, ніж розмір опромінювача звичайної параболічної антени), погано працює з широким діапазоном хвиль.

діаграма спрямованості

Антена Грегорі

Зліва – антена Грегорі, праворуч – Кассегрена

Параболічна антена Грегорі дуже схожа структурою на антену Кассегрена. Відмінність у тому, що допоміжний відбивач викривлений у протилежний бік. Конструкція Грегорі може використовувати менший за розмірами допоміжний відбивач у порівнянні з антеною Кассегрена, внаслідок чого перекривається менша частина променя.

Офсетна (асиметрична) антена

Як випливає з назви, випромінювач та допоміжний відбивач (якщо це антена Грегорі) у офсетної антени зміщені від центру основного відбивача, щоб не блокувати промінь. Така схема часто використовується на параболічних антенах та антенах Грегорі для підвищення ефективності.

Антена Кассегрена з плоскою фазовою пластиною

Ще одна схема, призначена для боротьби з блокуванням променя допоміжним відбивачем, - це антена Кассегрена з плоскою пластиною. Вона працює з урахуванням поляризації хвиль. У електромагнітної хвилі є 2 компоненти, магнітна та електрична, що завжди знаходяться перпендикулярно один одному і напрямку руху. Поляризація хвилі визначається орієнтацією електричного поля, вона буває лінійною (вертикальною/горизонтальною) або круговою (круговою або еліптичною, закрученою по або проти годинникової стрілки). Найцікавіше в поляризації - це поляризатор, або процес фільтрації хвиль, що залишає лише хвилі, поляризовані в одному напрямку або в одній площині. Зазвичай поляризатор виготовляють із матеріалу з паралельним розташуванням атомів, або це може бути грати з паралельних проводів, відстань між якими менша, ніж довжина хвилі. Часто приймається, що відстань має бути приблизно половину довжини хвилі.

Поширена помилка полягає в тому, що електромагнітна хвиля і поляризатор працюють схожим чином з тросом, що коливається, і дощатим парканом - тобто, наприклад, горизонтально поляризована хвиля повинна блокуватися екраном з вертикальними щілинами.

Насправді електромагнітні хвилі поводяться не так, як механічні. Решітка з паралельних горизонтальних проводів повністю блокує і відбиває горизонтально поляризовану радіохвилю і пропускає вертикально поляризовану - і на оборот. Причина наступна: коли електричне поле, або хвиля, паралельні дроту, вони збуджують електрони за довжиною дроту, і оскільки довжина дроту багаторазово перевищує його товщину, електрони можуть легко рухатися і поглинають більшу частину енергії хвилі. Рух електронів призведе до появи струму, а струм створить хвилі. Ці хвилі погасять хвилі передачі і будуть поводитися як відбиті. З іншого боку, коли електричне поле хвилі перпендикулярне дротам, воно збуджуватиме електрони по ширині дроту. Оскільки електрони не зможуть активно рухатися таким чином, відбиватиметься дуже мала частина енергії.

Важливо відзначити, що, хоча на більшості ілюстрацій у радіохвиль всього 1 магнітне та 1 електричне поле, це не означає, що вони осцилюють строго в одній площині. Насправді можна уявляти, що електричні та магнітні поля складаються з кількох підполів, що складаються векторно. Наприклад, у вертикально поляризованої хвилі з двох підполів результат додавання їх векторів вертикальний. Коли два підполя збігаються по фазі, електричне поле, що результує, завжди буде стаціонарним в одній площині. Але якщо одне з підполів повільніше за інше, тоді результуюче поле почне обертатися навколо напрямку руху хвилі (це часто називають еліптичною поляризацією). Якщо одне підполе повільніше за інших рівно на чверть довжини хвилі (фаза відрізняється на 90 градусів), то ми отримаємо кругову поляризацію:

Для перетворення лінійної поляризації хвилі в кругову поляризацію і назад необхідно уповільнити одне з підполів щодо інших рівно на чверть довжини хвилі. Для цього найчастіше використовуються грати (чвертьхвильова фазова пластина) з паралельних проводів з відстанню між ними в 1/4 довжини хвилі, розташованих під кутом 45 градусів до горизонталі.
У хвилі, що проходить через пристрій, лінійна поляризація перетворюється на кругову, а кругова – на лінійну.

Антенна Кассегрена, що працює за цим принципом, з плоскою фазовою пластиною складається з двох відбивачів рівного розміру. Допоміжний відображає лише хвилі з горизонтальною поляризацією і пропускає хвилі з вертикальною поляризацією. Основний відбиває всі хвилі. Пластина допоміжного відбивача розташовується перед основним. Він складається з двох частин - це пластина з щілинами, що йдуть під кутом в 45 °, і пластина з горизонтальними щілинами шириною менше 1/4 довжини хвилі.

Припустимо, опромінювач передає хвилю з круговою поляризацією проти годинникової стрілки. Хвиля проходить через чвертьхвильову пластину і перетворюється на хвилю з горизонтальною поляризацією. Вона відбивається від горизонтальних проводів. Вона знову проходить через чвертьхвильову пластину, вже з іншого боку, і для неї дроти пластини орієнтовані вже дзеркально, тобто ніби повернені на 90 °. Попередня зміна поляризації скасовується, так що хвиля знову набуває кругової поляризації проти годинникової стрілки і йде назад до основного відбивача. Відбивач змінює поляризацію з годинникової стрілки, що йде проти годинника, що йде по годинниковій. Вона проходить через горизонтальні щілини допоміжного відбивача без опору і йде у бік цілей вертикально поляризованої. У режимі прийому відбувається навпаки.

Щілинна антена

Хоча в описаних антен досить велике посилення по відношенню до розміру апертури, у всіх них є загальні недоліки: велика сприйнятливість по бічних пелюстках (схильність до відбитків від земної поверхні, що заважають, і чутливість до цілей з низькою ефективною площею розсіювання), зменшення ефективності через блокування променя (проблема з блокуванням є у малих радарів, які можна використовувати на літаючих апаратах; великі радари, де проблема з блокуванням менша, не можна використовувати в повітрі). У результаті було придумано нову схему антени – щілинна. Вона виконана у вигляді металевої поверхні, зазвичай плоскої, в якому прорізані отвори або щілини. Коли її опромінюють на потрібній частоті, електромагнітні хвилі випускаються з кожного слота - тобто, слоти виступають у ролі окремих антен і формують масив. Оскільки промінь, що йде з кожного слота, слабкий, їх бічні пелюстки також дуже малі. Щілинні антени характеризуються високим посиленням, малими бічними пелюстками та малою вагою. Вони можуть бути виступаючі частини, що у ряді випадків є важливим перевагою (наприклад, при встановленні на літальних апаратах).

діаграма спрямованості

Пасивна фазована антенна решітка (ПФАР)

Радар із МІГ-31

З ранніх часів створення радарів розробників переслідувала одна проблема: баланс між точністю, дальністю та часом сканування радара. Вона виникає від того, що у радарів з більш вузькою шириною пучка підвищується точність (збільшується роздільна здатність) і дальність за тієї ж потужності (концентрація потужності). Але що менше ширина пучка, то довше радар сканує все поле зору. Більше того, радару з великим посиленням будуть потрібні антени більшого розміру, що незручно для швидкого сканування. Для досягнення практичної точності на низьких частотах радару знадобилися б настільки величезні антени, що їх важко було б повертати з механічної точки зору. Для вирішення цієї проблеми була створена пасивна фазована антенна решітка. Вона покладається не так на механіку, але в інтерференцію хвиль управління променем. Якщо дві або більше хвиль одного типу осцилируют і зустрічаються в одній точці простору, сумарна амплітуда хвиль складається приблизно так, як складаються хвилі на воді. Залежно від фаз цих хвиль інтерференція може посилювати чи послаблювати їх.

Промінь можна формувати і керувати ним електронним способом, контролюючи різницю фаз групи передавальних елементів - таким чином можна контролювати, в яких місцях відбувається інтерференція, що посилює або послаблює. З цього випливає, що в радарі літака для управління променем з боку в бік має бути не менше двох елементів, що передають.

Зазвичай радар з ПФАР складається з 1 опромінювача, одного МШУ (підсилювача малошумного), одного розподільника потужності, 1000-2000 передавальних елементів і рівної кількості фазообертачів.

Передавальними елементами можуть бути ізотропні або спрямовані антени. Деякі типові види передавальних елементів:

На перших поколіннях винищувачів найчастіше використовувалися патч-антени (смужкові антени), оскільки їх найпростіше розробляти.

Сучасні масиви з активною фазою використовують жолобкові випромінювачі через їх широкосмугові можливості та покращене посилення:

Незалежно від типу використовуваної антени збільшення кількості випромінюючих елементів покращує характеристики спрямованості радара.

Як відомо, при однаковій частоті радара збільшення апертури призводить до зменшення ширини пучка, що збільшує дальність і точність. Але у фазованих ґрат не варто збільшувати відстань між випромінюючими елементами у спробі збільшення апертури та зменшення вартості радара. Оскільки відстань між елементами більша, ніж робоча частота, можуть з'являтися побічні пелюстки, що помітно погіршують ефективність радара.

Найважливіша і найдорожча частина ПФАР – фазообертачі. Без них неможливо керувати фазою сигналу та напрямком променя.

Вони бувають різних видів, але загалом їх можна поділити на чотири типи.

Фазообертачі з тимчасовою затримкою

Найпростіший тип фазообертачів. Сигналу на проходження лінії передачі потрібен час. Ця затримка, що дорівнює фазовому зсуву сигналу, залежить від довжини лінії передачі, частоти сигналу і фазової швидкості сигналу в матеріалі, що передає. Перемикаючи сигнал між двома або більше лініями передачі заданої довжини, можна керувати фазовим зсувом. Перемикаючі елементи – це механічні реле, pin-діоди, польові транзистори або мікроелектромеханічні системи. pin-діоди часто використовуються через високу швидкість, низькі втрати і прості ланцюги зміщення, що забезпечують зміну опору від 10 кОм до 1 Ом.

Затримка, с = фазовий зсув ° / (360 * частота, Гц)

Їх недолік у збільшенні фазової помилки зі збільшенням частоти та збільшення розміру зі зменшенням частоти. Також зміна фази змінюється залежно від частоти, тому занадто малих і великих частот вони непридатні.

Відбивний/квадратурний фазообертач

Зазвичай це квадратурний пристрій зв'язку, що розділяє вхідний сигнал на два сигнали, що розрізняються по фазі на 90°, потім відбиваються. Потім вони комбінуються фазою на виході. Ця схема працює завдяки тому, що відображення сигналу від провідних ліній можуть бути зміщені по фазі по відношенню до падаючого сигналу. Зсув по фазі змінюється від 0 ° (відкритий ланцюг, нульова ємність варактора) до -180 ° (ланцюг закорочена, ємність варактора нескінченна). Такі фазообертачі володіють широким діапазоном роботи. Однак фізичні обмеження варакторів призводять до того, що на практиці зсув фази може досягати тільки 160°. Але для більшого зсуву можна комбінувати кілька таких ланцюгів.

Векторний IQ-модулятор

Так само, як і у відбивного фазообертача, тут сигнал поділяється на два виходи з 90-градусним зміщенням фази. Вхідна фаза без усунення називається I-каналом, а квадратура з 90-градусним усуненням називається Q-каналом. Потім кожен сигнал проходить через двофазний модулятор, здатний зрушувати фазу сигналу. Кожен сигнал піддається зсуву фази на 0 або 180, що дозволяє вибрати будь-яку пару квадратурних векторів. Потім два сигнали рекомбінуються. Оскільки згасання обох сигналів можна контролювати, у сигналу, що виходить, контролюється не тільки фаза, але і амплітуда.

Фазообертач на фільтрах верхніх/нижніх частот

Був виготовлений для вирішення проблеми фазообертачів з тимчасовою затримкою, не здатних працювати на великому діапазоні частот. Працює шляхом перемикання шляху сигналу між фільтрами верхніх та нижніх частот. Схожий на фазер з тимчасовою затримкою, тільки замість ліній передачі використовуються фільтри. Фільтр верхніх частот складається з послідовності індукторів та конденсаторів, що забезпечують випередження по фазі. Такий фазообертач забезпечує постійний зсув фази в діапазоні робочих частот. Також його розмір набагато менше, ніж у попередніх перерахованих фазообертачів, тому він найчастіше використовується в радарах.

Якщо підсумувати, то в порівнянні зі звичайною антеною, що відображає, основними перевагами ПФАР будуть: висока швидкість сканування (збільшення кількості відстежуваних цілей, зменшення ймовірності виявлення станцією попередження про опромінення), оптимізація часу знаходження на цілі, високе посилення і малі бічні пелюстки (важче виявити), випадкова послідовність сканування (важче заглушити), можливість використовувати спеціальні техніки модуляції та виявлення для отримання сигналу з шуму. Основні недоліки – висока вартість, неможливість сканування ширше за 60 градусів завширшки (поле зору стаціонарного фазового масиву – 120 градусів, механічний радар може розширити його до 360).

Активна фазована антенна решітка

Зовні АФАР (AESA) та ПФАР (PESA) відрізнити складно, але всередині вони кардинально різняться. ПФАР використовує один або два високопотужні підсилювачі, що передає один сигнал, який потім ділиться на тисячі шляхів для тисяч фаз і елементів. Радар з АФАР складається із тисячі модулів прийому/передачі. Оскільки передавачі знаходяться безпосередньо у самих елементах, у нього немає окремих приймача та передавача. Відмінності в архітектурі представлені на зображенні.

У АФАР більшість компонентів, таких, як підсилювач слабких сигналів, підсилювач великої потужності, дуплексор, фазообертач зменшені і зібрані в одному корпусі під назвою модуля прийому/передачі. Кожен із модулів є невеликим радаром. Архітектура їх наступна:

Хоча АФАР (AESA) та ПФАР (PESA) використовують інтерференцію хвиль для формування та відхилення променя, унікальний дизайн АФАР дає багато переваг у порівнянні з ПФАР. Наприклад, підсилювач слабкого сигналу перебуває поруч із приймачем, до компонентів, де губиться частина сигналу, у нього ставлення сигнал/шум краще, ніж в ПФАР.

Більш того, при рівних можливостях виявлення у АФАР менше робочий цикл та пікова потужність. Також оскільки окремі модулі АФАР не покладаються на один підсилювач, вони можуть одночасно передавати сигнали з різними частотами. В результаті АФАР може створювати кілька окремих променів, розділяючи масив на підмасив. Можливість працювати на кількох частотах приносить багатозадачність і здатність розгортати системи радіоелектронного придушення будь-де по відношенню до радару. Але формування надто великої кількості одночасних променів зменшує дальність дії радара.

Дві головні недоліки АФАР – висока вартість та обмеженість поля зору 60 градусами.

Гібридні електронно-механічні фазовані антенні решітки

Дуже висока швидкість сканування ФАР поєднується з обмеженням зору. Для вирішення цієї проблеми на сучасних радарах ФАР розташовуються на рухомому диску, що підвищує поле зору. Не варто плутати поле зору із шириною пучка. Ширина пучка відноситься до променя радара, а поле зору - загальний розмір простору, що сканується. Вузькі пучки часто потрібні для поліпшення точності та дальності дії, а вузьке поле зору зазвичай не потрібне.

Теги: Додати теги

Журнал " Радіо " , номер 9, 1999г.

Якщо судити з іноземної радіоаматорської літератури, скелетно-щілинна антена користується популярністю на частотах понад 20 МГц. У статті, що публікується, зроблено спробу відповісти на запитання - наскільки заявлений в літературі її коефіцієнт спрямованої дії відповідає дійсності.

У книгах по УКХ антен неодноразово описувалася так звана скелетно-щілинна антена, причому всі без винятку публікації повідомляли про її дуже високі параметри, великий коефіцієнт спрямованої дії (КНД), широку смугу частот і зручність налаштування. Ідея антени запропонована Дж. Рамсеєм ще 1949 р., її конструкція показана на рис.1,запозиченому з . Активний елемент антени являє собою три паралельні напівхвильові диполі, розташовані в три поверхи один над одним.

Для зменшення габаритів антени кінці верхнього та нижнього диполів зігнуті під прямим кутом у напрямку до середнього диполя та з'єднані з ним. Від нього вони й збуджуються. Середній диполь зроблений розрізним і з'єднаний з чвертьхвильовою двопровідною лінією, що погоджує, одночасно служить для кріплення рефлектора. Рефлектор виконаний як у хвильового каналу у вигляді одиночного вібратора, електрична довжина якого трохи більша за напівхвилі. Розміри антени в довжинах хвиль та значення коефіцієнта укорочення k, що залежить від діаметра провідників (трубок) d, наведено на рис. 1. Переміщуючи точку живлення XX вздовж двопровідної лінії, можна змінювати вхідний опір антени від нульового (близько рефлектора) до 400 Ом (у точці YY біля активного елемента).

Розподіл струму активному елементі показано на рис. 2. Видно, що пучності (максимуми) струму розташовані якраз посередині горизонтальних частин елемента, утворюючи триповерхову синфазну систему. У вертикальних частинах активного елемента струми невеликі та спрямовані назустріч один одному. Крім того, тут знаходяться чотири вузли струму, тому випромінювання вертикальних частин у дальній зоні відсутнє. Нагадаємо, що у дальній зоні практично повністю формується діаграма спрямованості антени. Відстань до дальньої зони становить кілька довжин хвиль. Воно тим більше, що більше КНД антени.

Активний елемент скелетно-щілинної антени можна також розглядати як два квадрати, поєднані однією стороною та точками живлення. Однак у порівнянні з двома повнорозмірними квадратами периметр активного елемента скелетно-щілинної антени виходить дещо меншим, ймовірно через скорочення дії ємності між вертикальними провідниками елемента. Схожу антену запропонував К. Харченко, але в ній два квадрати запитані з кутів та поєднані точками живлення.

У простий скелетно-щілинної антени недостатньо ефективний рефлектор. Усунути цей недолік можна, виконавши рефлектор так само, як і активний елемент (у вигляді такої ж триповерхової конструкції вібраторів). Двопровідні лінії тепер вже не можна розмістити між елементами, але ніхто не заважає провести їх у площині кожного елемента до точки з нульовим потенціалом у середині нижнього горизонтального вібратора.

Те, що виходить після такої модифікації, зображено на рис. 3. Розміри самих елементів залишаються незмінними, а відстань між активним елементом та рефлектором зменшується до 0,18. Ця антена має ще одну гідність. Переміщаючи по двопровідних лініях перемички, що закорочують, елементи вдається підлаштовувати її на потрібну частоту, а пересуваючи перемичку рефлектора, легко налаштувати антену на максимальний КНД або відношення випромінювання вперед-назад.

Для такої двоелементної антени, описаної в [і], повідомляється про надзвичайно високий КНД 14...16 дБ! Якби друга з названих книг була не серйозним виданням, тоді ще можна було махнути рукою та не приймати цієї цифри всерйоз. Але ця книга загалом дуже хороша і майже не містить помилок. Її автор, звісно, ​​було випробувати все безліч наведених у ній конструкцій. Отже, якщо це помилка, то вона з'явилася раніше, в якихось інших виданнях, і знайти першоджерело тепер важко. Цілком зрозуміло, що синфазна система вібраторів має давати більший КНД, ніж одиночний вібратор, але питання – наскільки? Хоча на с. 100 і стверджується, що антена "...фактично є шестиелементної триповерхової синфазної", але вібратори виявляються досить близько один до одного, і до того ж укорочені. Це неминуче має зменшити ефективність. Таким чином, питань виявилося більше, ніж відповідей. До того ж, знайомі автору радіоаматори зібралися будувати саме таку антену на діапазон 10 метрів і вже готові були витратитися на матеріал, а він нині недешевий!

Щоб отримати ясну та чітку відповідь на питання про КНД, було проведено експеримент у діапазоні 432 МГц. Елементи були зігнуті відповідно до рис. 3 з відрізків емальованого мідного дроту діаметром 1,5 мм, з'єднання пропаяні, а провідники ліній у місцях встановлення замикаючих перемичок та приєднання кабелю зачищені від ізоляції. Вся конструкція була зібрана на дерев'яному каркасі із сухих тонких рейок. Кабель живлення проходив від точок живлення вздовж провідника двопровідної лінії, з яким з'єднувалася обплетення, вертикально вниз і підключався безпосередньо до виходу генератора стандартних сигналів. Індикатором поля служив напівхвильовий диполь із детектором та мікроамперметром. Він розташовувався на штативі на відстані кількох метрів від антени. Антена також закріплювалася на примітивному поворотному штативі, який дозволяв змінювати її орієнтацію.

Настроилася антена досить легко і швидко, просто максимум випромінювання в головному напрямку. При зазначених розмірах на частоті 432 МГц відстані перемичок, що замикають, від основи двопровідних ліній для налаштованої антени вийшли такими: у рефлектора - 43 мм, у активного елемента - 28 мм. Відстань до точки підключення 50-омного кабелю була 70 мм.

При налаштуванні на максимум КНД виявляється невелика задня пелюстка. Підстроїв рефлектор, його можна придушити практично повністю. Випромінювання вбік, вгору і вниз було відсутнє.

КНД, точніше виграш антени, рівний добутку КНД і ККД, визначався наступним чином: на індикаторі відзначався рівень сигналу, створюваний антеною в головному напрямку, потім замість антени до кабелю живлення приєднувався напівхвильовий диполь, розташований в тій же точці простору. Рівень сигналу від генератора підвищувався настільки, щоб отримати на індикаторі ті ж свідчення. Відрахована за атенюатором генератора зміна рівня сигналу чисельно дорівнює виграшу антени щодо напівхвильового диполя. Для цієї антени він дорівнював 7 dBd. Щодо ізотропного (всеспрямованого) випромінювача він буде на 2,15 dB більше і становитиме близько 9,2 dBi.

Зверніть увагу на літери d і i у позначенні децибелів - у літературі з антен так прийнято вказувати, щодо якого випромінювача виміряний КНД. Ширина діаграми спрямованості по половинній потужності становила горизонтальній площині (по азимуту) близько 60°, а вертикальній площині (по куту місця) близько 90°. Маючи ці дані, КНД можна розрахувати ще одним способом: тілесний кут, в який випромінює антена, дорівнює добутку лінійних кутів, що відповідають ширині діаграми і виражених у радіанах. Отримуємо значення близько 1,5 стерадіану. У той же час ізотропна антена випромінює в тілесний кут 4 або 12,6 стерадіана. КНД за визначенням є відношенням цих тілесних кутів і становить 12,6/1,5 = 8,4 або 9,2 dBi.

Отримавши такий добрий збіг значень КНД, визначених двома методами, автор вирішив, що вимірювати більше вже нічого і з легким розчаруванням вкотре переконався, що чудес в антеній техніці не буває. Проте антена працює дуже добре і при невеликих габаритах (330×120×120 мм у діапазоні 432 МГц) забезпечує дуже пристойний виграш.

Винахід відноситься до антенно-фідерних пристроїв, а саме до антен ультракоротких радіохвиль і антен надвисоких частот для випромінювання хвиль горизонтальної поляризації з круговою діаграмою спрямованості в горизонтальній площині. Технічним результатом, що досягається від здійснення запропонованого винаходу, є розширення робочого діапазону частот щілинної циліндричної антени, забезпечення антени пристроями погодження з фідером, некритичними до розмірів при налаштуванні антени на резонансну робочу частоту. Щілинна циліндрична антена містить провідний циліндричний корпус з поздовжньою щілиною з першою і другою кромками і фідер, додатково містить перший провідний хомут, другий провідний хомут і узгоджуючий відрізок кабелю, при цьому перший хомут розташований з утворенням гальванічного контакту на першій кромці щілини, другий хомут розташований з утворенням гальванічного контакту на другій кромці щілини, фідер на поверхні циліндра прокладений вздовж прямої лінії, діаметрально протилежної поздовжньої осі щілини, з загином в околиці точки збудження щілини, прокладений через перший хомут з ​​утворенням зовнішнім провідником фідера гальванічного контакту з першим хомутом через другий хомут, центральний провідник фідера гальванічно з'єднаний з центральним провідником узгоджувального відрізка кабелю. 1 з.п. ф-ли, 6 іл.

Малюнки до патенту РФ 2574172

Область техніки, до якої належить винахід

Винахід відноситься до антенно-фідерних пристроїв, а саме до антен ультракоротких радіохвиль і антен надвисоких частот для випромінювання хвиль горизонтальної поляризації з круговою діаграмою спрямованості в горизонтальній площині.

Рівень техніки

Щілинна антена була вперше запропонована в 1938 Аланом Блюмлейном (Alan D. Blumlein) з метою застосування в телевізійному мовленні в діапазоні ультракоротких хвиль з горизонтальною поляризацією і круговою діаграмою спрямованості (ДН) в горизонтальній площині. Alan Blumlein, опубл. 1938. US patent № 2,238,770 High frequency electrical conductor or radiator]. Антена є трубою з поздовжньою щілиною. Простота конструкції, відсутність виступаючої частини над поверхнею, в якій прорізано щілину, привернули до неї увагу фахівців, що проектують радіосистеми для підводних човнів. Щілинні антени не порушують аеродинаміку об'єктів, на яких вони встановлені, що визначило їхнє широке застосування на літаках, ракетах та інших рухомих об'єктах. Такі антени зі щілинами, прорізаними в стінках хвилеводів прямокутного, круглого або іншої форми поперечного перерізу, широко використовуються як бортові та наземні антен радіолокаційних і радіонавігаційних систем.

Отже, відома перша щілинна циліндрична антена A.D. Blumlein для випромінювання горизонтально поляризованих хвиль високих частот, що містить провідний циліндр з поздовжньою щілиною, пристрої для збудження щілини на одному кінці циліндра і короткозамикач на іншому кінці циліндра, пристрій для регулювання ширини щілини. Провідний циліндр має довжину, що дорівнює половині довжини хвилі у вільному просторі.

Недоліками відомої першої щілинної антени є те, що:

В антені немає пристроїв для налаштування антени на резонансну частоту,

Антена має довжину, рівну половині довжини хвилі у вільному просторі, що ускладнює отримання прийнятних характеристик антени щодо спрямованих властивостей та узгодження антени з фідером.

Відома друга щілинна циліндрична антена для випромінювання горизонтально поляризованих хвиль високих частот , що містить провідний циліндр з поздовжньою щілиною, фідер, короткозамикач на одному кінці щілини і пристрої для збудження антени на іншому кінці щілини, названий циліндр має діаметр розміром між 0,151 і 0,1 довжина хвилі у вільному просторі на робочій частоті. Названий циліндр має довжину близьку до дев'ятих чверті довжини стоячої хвилі, що встановилася вздовж щілинної лінії на циліндрі (при цьому довжина хвилі в щілинній лінії на циліндрі в кілька разів перевищує довжину хвилі у вільному просторі).

Антена за вертикальної орієнтації циліндра має практично кругову діаграму спрямованості з горизонтальною поляризацією поля випромінювання, має високий коефіцієнт спрямованої дії (КНД). Антена компактна, зручна для встановлення на дахах високих будівель, її плавні контури поверхні перешкоджають скупченню мокрого снігу та утворенню льоду. Антена завдяки круговій циліндричній формі має порівняно мале вітрове навантаження.

Відома друга антена усуває недоліки першої відомої антени, зумовлені її розміром половину довжини хвилі у вільному просторі. Всеспрямована щілинна антена Андрія Альфорда, створена в 1946 році і встановлена ​​на хмарочосі Крайслер у Нью-Йорку, використовувалася для перших трансляцій кольорового телебачення.

Однак відома друга щілинна циліндрична антена має такі недоліки:

антена має великий у довжинах хвиль у вільному просторі поздовжній розмір, що утруднює використовувати її як випромінюючий елемент антеної решітки, що формує діаграму спрямованості спеціального виду в площині вектора Н;

антена не має пристроїв для її узгодження з фідером.

Відома третя щілинна циліндрична антена для випромінювання горизонтально поляризованих хвиль високих частот , що містить провідний циліндр з поздовжньою щілиною, короткозамкнутою з обох кінців циліндра, що збуджується коаксіальним кабелем, зовнішній провідник якого гальванічно з'єднаний з першою кромкою щілини, а центральний

Відома третя щілинна циліндрична антена має недоліки:

Внаслідок несиметричного збудження антени збуджується хвиля, що розповсюджується в лінії, утвореної зовнішнім провідником коаксіального кабелю та циліндром, в результаті спостерігається помітне випромінювання кабелю (антенний ефект фідера), її характеристики істотно залежать від зовнішніх експлуатаційних факторів;

Немає пристроїв для узгодження антени з фідером (для налаштування антени в резонанс на робочій частоті),

Відома третя щілинна циліндрична антена має вузький діапазон робочих частот, що не перевищує 1% на рівні ПВВ в лінії живлення.

Третя відома щілинна циліндрична антена, що живиться коаксіальним кабелем, є за сукупністю суттєвих ознак найближчою до цього винаходу. Ця антена виділена авторами як прототип.

Розкриття винаходу

Технічною задачею цього винаходу є розширення робочого діапазону частот щілинної циліндричної антени, забезпечення антени пристроями узгодження з фідером, некритичними до розмірів при налаштуванні антени на робочу (резонансну) частоту.

Поставлена ​​задача досягається тим, що щілинна циліндрична антена, що містить провідний циліндричний корпус (далі корпус) з поздовжньою щілиною з першою і другою кромками і фідер, додатково містить перший провідний хомут, другий провідний хомут (далі по тексту перший хомут, другий хомут) і узгоджуючий відрізок кабелю, при цьому перший хомут розташований з утворенням гальванічного контакту на першій кромці щілини, другий хомут розташований з утворенням гальванічного контакту на другій кромці щілини, фідер на поверхні циліндра прокладено вздовж прямої лінії, діаметрально протилежної поздовжньої осі щілини, із загином в околиці точки збудження щілини, прокладений через перший хомут з ​​утворенням зовнішнім провідником фідера гальванічного контакту з першим хомутом, узгоджуючий відрізок кабелю прокладений через другий хомут, центральний провідник фідера гальванічно з'єднаний з центральним провідником узгоджувального відрізка кабелю.

Введення до складу антени першого хомута, другого провідного хомута і узгоджувального відрізка кабелю, їх взаємне розташування і з'єднання в антені як зазначено вище вирішує наступні завдання:

Створити антену, що забезпечує за рахунок симетричної системи живлення симетричну діаграму спрямованості у площині вектора Н, без роздвоєння діаграми та без відхилення максимуму діаграми спрямованості від площини, перпендикулярної до осі циліндра;

Створити антену, що забезпечує кругову діаграму спрямованості в площині вектора за рахунок того, що діаметр циліндра набагато менше довжини хвилі;

Створити антену, що забезпечує стійкі характеристики випромінювання при використанні вузьких щілин з невисоким хвильовим опором, так і широких щілин з високим хвильовим опором;

Створити антену, що забезпечує компенсацію реактивної складової вхідного імпедансу антени у широкому діапазоні частот;

Створити антену, опір випромінювання якої широкому діапазоні частот змінюється у невеликих межах;

Створити антену, що забезпечує низький КСВ лінії живлення за рахунок узгодження вхідного імпедансу антени з хвильовим опором фідера в широкій смузі частот;

Зменшити рівень потужності, що повертається до передавача під час роботи антени на передачу, за рахунок узгодження антени з фідером;

Зменшити рівень спотворень спектра переданого (прийманого) антеною сигналу за рахунок рівномірної амплітудно-фазової характеристики антени в діапазоні частот;

Підвищити стійкість антени до високочастотного пробою за рахунок зниження напруженості поля в радіочастотному з'єднувачі внаслідок зниження КСВ в лінії живлення при роботі антени в режимі передачі;

забезпечити антену пристроєм узгодження за рахунок зміни реактивного опору пристрою узгодження і тим самим розширити смугу робочих частот антени;

Забезпечити простий метод налаштування антени за погодженням з фідером у діапазоні частот;

забезпечити максимальну передачу потужності за рахунок узгодження з хвильовим опором фідера;

Підвищити потенційно можливий рівень потужності в обраному заздалегідь фідер за рахунок зниження КВВ в ньому;

Мінімізувати втрати у фідері та в результаті знизити нагрівання фідера при передачі по ньому потужності;

Мінімізувати випромінювання (прийом) електромагнітних хвиль фідером (зовнішньою стороною зовнішнього провідника коаксіального кабелю);

Створити щілинну антену, яка могла б використовуватися як самостійна антена, а також елемент антеної решітки;

Створити антену, зручну для монтажу на трубі або поясі гратчастої вежі.

Антена компактна, при вертикальній орієнтації циліндра випромінює горизонтально поляризовані хвилі. Може служити як випромінюючий елемент антеної решітки. Антенні грати щілинних випромінювачів можуть бути встановлені як безпосередньо на земній поверхні, так і на дахах високих будівель. Плавні контури поверхні антени перешкоджають скупченню на ній мокрого снігу та утворенню льоду. Антена завдяки круговій циліндричній формі має порівняно мале вітрове навантаження.

Включенням до складу антени обтічника вирішена задача захисту щілинної циліндричної антени відповідно до даного винаходу від впливу зовнішніх експлуатаційних факторів.

Рішення перерахованих вище завдань свідчить про те, що створено нову щілинну циліндричну антену, що забезпечує робочі характеристики в широкому діапазоні частот.

Рішення першої із зазначених завдань отримано в результаті того, що запропонована циліндрична щілинна антена збуджується симетрично щодо середини щілини.

Діапазон робочих частот запропонованої антени з боку коротших хвиль обмежений зміною форми діаграми спрямованості (ДН). Використовують щілини такої довжини, при якій ДН має лише один максимум, орієнтований перпендикулярно до осі антени. Зменшення довжини хвилі при постійних розмірах щілини може призвести до появи двох максимумів, відхилених від осі антени.

Збільшення довжини хвилі обмежується зменшенням коефіцієнта спрямованої дії (КНД). Воно виявляється значним, якщо діаметр циліндра менше 0,12 довжини хвилі у вільному просторі.

Запропонована антена може бути налаштована у вказаному діапазоні частот.

Розв'язання задачі створення кругової діаграми спрямованості в площині вектора отримано за рахунок того, що діаметр циліндра набагато менше довжини хвилі у вільному просторі.

Розв'язання третьої задачі, а саме забезпечення широкої смуги робочих частот як з вузькими, так і широкими щілинами отримано в результаті компенсації реактивної складової вхідного імпедансу антени.

Розв'язання задачі забезпечення простого методу компенсації реактивної складової вхідного імпедансу антени в діапазоні частот досягається використанням компенсації двох послідовно включених конденсаторів.

Розв'язання задачі: мінімізувати випромінювання (прийом) електромагнітних хвиль фідером - отримано за рахунок раціонального розміщення фідера на поверхні циліндра, введення до складу антени першого хомута, що проводить, забезпеченням гальванічного контакту зовнішнього провідника з першим хомутом по всьому його колу на виході з хомута.

Короткий опис креслень

На фіг. 1а) представлена ​​щілинна циліндрична антена 1 відповідно до цього винаходу. На фіг. 1б) показаний вид спереду щілинної циліндричної антени, на фіг. 1в) показаний вид зверху щілинної циліндричної антени. На фіг. 1б) та фіг. 1в) введено позначення:

1 - щілинна циліндрична антена,

2 - циліндричний корпус,

4 - перша кромка щілини,

5 - друга кромка щілини,

7 - перший хомут,

8 - другий хомут,

9 - узгоджуючий циліндр,

10 - узгоджувальний відрізок кабелю,

11 - вигин фідера (на повороті від вертикальної ділянки до горизонтальної ділянки, розташованої в околиці точки збудження щілини),

А - область збудження щілини.

На фіг. 2а) показана область А збудження щілини. На фіг. 2б) показано з'єднання зовнішнього провідника фідера з першим хомутом та першою кромкою щілини, пристрій узгодження вхідного імпедансу антени та його з'єднання з другою кромкою щілини. На фіг. 2в) показано в розрізі з'єднання зовнішнього провідника фідера з другим хомутом і другою кромкою щілини, узгоджуючий циліндр і узгоджуючий відрізок кабелю. На фіг. 2б) та фіг. 2в) додатково введені такі позначення:

12 - центральний провідник узгоджувального відрізка кабелю,

13 - центральний провідник фідера,

14 – зовнішній провідник фідера.

На фіг. 3 наведено еквівалентну схему антени; на фіг. 3 введені нові позначення:

15 - ємність конденсатора, утвореного внутрішньою поверхнею узгоджувального циліндра 9 і зовнішньою поверхнею зовнішнього провідника узгоджувального відрізка кабелю 10,

16 - ємність конденсатора, утвореного внутрішньою поверхнею зовнішнього провідника і центральним провідником узгоджувального відрізка кабелю 10,

17 - індуктивність, обумовлена ​​протіканням струмів по внутрішній та зовнішній поверхнях труби від першої кромки до другої кромки щілини (при відсутності конденсаторів 15 та 16),

18 - реальна частина вхідного опору антени (до підключення конденсаторів 15 та 16),

19 - умовна клема, що відповідає точці гальванічного контакту зовнішнього провідника фідера через перший провідний хомут з ​​кромкою 4,

20 - умовна клема, що відповідає точці на вході центрального провідника узгоджувального відрізка кабелю,

21 - точка гальванічного контакту узгоджувального циліндра через провідний хомут 2 з кромкою 5 щілини 3.

На фіг. 4 наведені експериментальні залежності реальної та уявної частин вхідного опору та КСВ від частоти першого та другого зразків щілинної циліндричної антени; на фіг. 4 введені позначення:

221 - залежність від частоти реальної частини вхідного опору першого зразка з узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 10,5 мм,

222 - залежність від частоти уявної частини вхідного опору першого зразка з узгоджувальним відрізком кабелю довжиною 10,5 мм,

223 - залежність від частоти КСВ антени першого зразка з узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 10,5 мм,

231 - залежність від частоти реальної частини вхідного опору другого зразка з узгоджувальним циліндром довжиною 11,5 мм та узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 20,5 мм,

232 - залежність від частоти уявної частини вхідного опору другого зразка з узгоджувальним циліндром довжиною 11,5 мм і узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 20,5 мм,

233 - залежність від частоти КСВ антени другого зразка другого зразка з циліндром, що узгоджує, довжиною 11,5 мм і узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 20,5 мм,

241 - залежність від частоти реальної частини вхідного опору другого зразка з узгоджувальним циліндром довжиною 7 мм і відрізком, що узгоджує, кабелю довжиною 24 мм,

242 - залежність від частоти уявної частини вхідного опору другого зразка з узгоджувальним циліндром довжиною 7 мм і узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 24 мм,

243 - залежність від частоти КСВ антени другого зразка з циліндром, що узгоджує, довжиною 7 мм і узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 24 мм,

251 - залежність від частоти реальної частини вхідного опору другого зразка з узгоджувальним циліндром довжиною 5 мм і узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 30 мм,

252 - залежність від частоти уявної частини вхідного опору другого зразка з узгоджувальним циліндром довжиною 5 мм і узгоджуючим відрізком кабелю довжиною 30 мм,

253 - залежність від частоти КСВ антени другого зразка з узгоджувальним циліндром довжиною 5 мм і відрізком, що узгоджує, кабелю довжиною 30 мм,

На фіг. 5 наведено приклади розподілу напруженості електричного поля вздовж лінії передачі 26, що представляє собою поздовжню щілину на циліндрі, і вздовж двопровідної лінії, використаної для збудження згаданої лінії передачі: а) частота генератора менше критичної частоти основної хвилі щілинної лінії на круговому циліндрі; б) частота генератора приблизно дорівнює критичній частоті основної хвилі щілинної лінії на круговому циліндрі; в) частота генератора більше критичної частоти основної хвилі щілинної лінії на круговому циліндрі.

На фіг. 5 введені позначення:

27 - зосереджений джерело напруги,

28 - двопровідна лінія передачі,

29 – вектори напруженості електричного поля.

На фіг. 6 представлена ​​силовими лініями структура електричного поля в деякий момент часу у внутрішній та зовнішній областях щілинної циліндричної антени в перерізі, перпендикулярному осі антени. На фіг. 6 введено позначення: 30 - силові лінії електричного поля.

На фіг. 7 наведено приклад застосування щілинної циліндричної антени по справжньому винаходу як елемент антенної решітки.

Здійснення винаходу

Звернемося до фіг. 1б, на якій представлена ​​щілинна антена 1 відповідно до цього винаходу. Антена виконана у вигляді циліндричного корпусу 2 з щілиною 3 з першою кромкою 4 і другою кромкою 5, фідера 6, першого провідного хомута 7, другого провідного хомута 8, узгоджуючого циліндра 9, що узгоджує відрізка кабелю 10 і елементів кріплення.

Циліндричний корпус 2 виконаний з провідного матеріалу, такого як, наприклад, латунь, алюмінієвий сплав, сталь або інший метал або металевий сплав з хорошою провідністю. Циліндричний корпус з 2 у поперечному перерізі має вигляд кола. Корпус у поперечному перерізі може мати вигляд квадрата, прямокутника, еліпса чи іншої кривої фасонного профілю.

Щілина 3 виконана в циліндричному корпусі 2 на всю глибину стінки корпусу фрезеруванням, лазерною різкою або іншою механічною операцією з утворенням першої кромки 4 і другої кромки 5, паралельних поздовжньої осі циліндричного корпусу.

Як фідер 6 може бути використаний серійний коаксіальний кабель. Узгоджувальний циліндр 9 для визначеності показаний у вигляді відрізка кругового циліндра.

Узгоджувальний відрізок кабелю 10 для визначеності показаний як короткого відрізка коаксіальної лінії. Узгоджувальний відрізок кабелю 10 частково розташований усередині узгоджувального циліндра 9, частково за 9.

Узгоджувальний циліндр 9, хомути 7 і 8 виконані з добре провідного матеріалу, наприклад, з латуні або алюмінієвого сплаву. Для забезпечення паяння покриті, наприклад, олово-вісмутовим сплавом.

Кінець узгоджувального відрізка кабелю 10, що протилежить щілини, розімкнуто і ні з чим не з'єднаний. Центральний провідник 11 узгоджувального відрізка кабелю 10 виходить з узгоджувального циліндра 9 і простягається до середини щілини 3.

Вказані вище пристрої та деталі взаємно розташовані відносно один одного та з'єднані між собою наступним чином.

Перший хомут 7 закріплений з утворенням гальванічного контакту на першій кромці 4 щілини, другий хомут 8 закріплений з утворенням гальванічного контакту на другій кромці 5 щілини, фідер 6 на поверхні циліндра 2 закріплений вздовж прямої лінії, діаметрально протилежної поздовжньої осі щілини, з вигином 13 точки збудження щілини, далі прокладений через перший хомут 7 з утворенням зовнішнім провідником 12 фідера гальу .

Другий кінець фідера 6 встановлений радіочастотний з'єднувач. При цьому як узгоджувальний відрізок кабелю 10 використовують або відрізок стандартного коаксіального кабелю, або відрізок спеціальної лінії передачі, що складається з зовнішнього провідника у вигляді трубки, центрального провідника у вигляді стрижня або трубки і порожнистого між ними діелектричного циліндра.

Для кріплення фідера 6 до циліндричного корпусу 2 можуть бути використані стандартизовані хомути, гвинти та гайки.

Принцип роботи антени

Антена працює в такий спосіб. Електромагнітні коливання в антені збуджуються в результаті застосування різниці потенціалів у двох точках 19 і 20, що протилежать один одному на першій 4 і другій 5 кромках щілини 3. Для ефективного збудження антени діаметр труби 2 повинен бути обраний таким, щоб частота генератора була б вище критичної частоти основний хвилі H 00 щілинної лінії на циліндричному хвилеводі. З метою ілюстрації цього положення були розглянуті (користуючись суворим рішенням крайової задачі електродинаміки) на модельній задачі три ситуації, представлені на фіг. 5.

На фіг. 5 зображена щілинна лінія на круглому хвилеводі, послідовно з'єднана з двопровідною лінією, до кінця якої підключений генератор напруги. На фіг. 5 наведено приклади розподілу напруженості електричного поля вздовж лінії передачі для наступних випадків: а) частота генератора менше критичної частоти основної хвилі щілинної лінії на круговому циліндрі; б) частота генератора приблизно дорівнює критичній частоті основної хвилі щілинної лінії на круговому циліндрі; в) частота генератора більше критичної частоти основної хвилі щілинної лінії на круговому циліндрі На фіг. 5 напруженість електричного поля пропорційна довжині вектора. Як видно з фіг. 5, у разі а) електромагнітна хвиля відбивається практично від входу до лінії передачі. Хвиля проникає в щілинну лінію на малу в довжинах волі глибину. У разі б) у щілинній циліндричній лінії передачі встановлюється експоненційно спадний розподіл поле. У разі в) щілинної циліндричної лінії передачі встановлюється стояча хвиля. При цьому довжина стоячої хвилі в щілинній лінії передачі більше, ніж довжина стоячої хвилі двопровідної лінії передачі.

Переважно вибирати діаметр труби рівним 0,14 довжини хвилі у вільному просторі. Довжину щілини доцільно вибрати близької до половини довжини хвилі основної хвилі H 00 щілинної лінії на циліндричному хвилеводі

Ширина щілини 3 вбирається у однієї тридцятої довжини хвилі. Тому нерівномірністю у розподілі струму на центральному провіднику кабелю в межах щілини 3 можна практично знехтувати. Отже, несиметричний коаксіальний кабель введений в область збудження антени таким чином, що він не порушує ні фізичної, ні електричної симетрії антени. Струми зсуву, що виникають між зовнішнім провідником фідера 6 і корпусом 2 на ділянці від вигину фідера до щілини, малі внаслідок того, що зовнішній провідник фідера 6 і корпус 2 мають гальванічний контакт між собою через посередництво першого хомута, що проводить 7. Гальванічний контакт зовнішнього провідника фідера і корпусу 2 зумовлює рівність напруженості електричного поля нулю у місці їхнього з'єднання. На ділянці фідера, розташованому вздовж прямої, діаметрально протилежної осі щілини, струми зміщення між зовнішнім провідником фідера 6 і корпусом 2 не збуджуються, оскільки на цій ділянці шляху потенціал дорівнює нулю. Отже, потенційно можливим випромінюванням щілини, що утворюється між зовнішнім провідником фідера 6 і корпусом 2, можна знехтувати. Таким чином, виключається антенний ефект фідера та пов'язані з ним непередбачувані спотворення діаграми спрямованості антени, зміни вхідного імпедансу антени, випромінювання кросполяризованого поля. Користуючись суворим рішенням рівнянь Максвелла за заданих ідеальних граничних умов, були обчислені тимчасовим методом силові лінії електричного поля різні моменти часу протягом періоду коливань напруги генератора. Силові лінії деякий момент часу показані на фіг. 6. Для зручності позначення елементів антени числами обраний момент часу, коли напруженість електричного поля в безпосередній околиці щілини мала, тому силові лінії цієї околиці на фіг.6 відсутні. Вдалині від щілини спостерігаються вже сформовані вихори поля, представлені силовими лініями, що не спираються на заряди на стінках циліндра. У проміжній зоні силові лінії беруть початок на нижній половині циліндра на представленому кресленні і закінчують шлях на верхній частині циліндра. У точці, що протилежить точці центру щілини, силова лінія не бере і не закінчує свій шлях, оскільки потенціал у цій точці дорівнює нулю. Ця точка є граничною точкою між нижньою та верхньою половинками циліндра. За вказаним вище правилом тут мала б брати початок і завершувати свій шлях силова лінія. Але це виявляється неможливим, т.к. вектори напруженості електричного поля, що стосуються нижньої та верхньої частини силової лінії, у цій точці протилежні один одному і, отже, гасять один одного. З цієї причини околиця лінії, що протилежить осі щілини, виявляється зручною для прокладання вздовж неї фідера з метою мінімізації антенного ефекту фідера.

Вказана вище конструкція антени забезпечує зручне регулювання узгодження антени з фідером. Розглянемо це докладніше, звернувшись до еквівалентної схеми антени на фіг. 3. На фіг. 3 числом 15 позначений перший конденсатор з ємністю 1 утворений внутрішньою поверхнею узгоджувального циліндра 9 і зовнішньою поверхнею зовнішнього провідника узгоджувального відрізка кабелю 10. При цьому роль діелектрика виконує оболонка кабелю. Числом 16 позначений другий конденсатор з ємністю 2 , утворений внутрішньою поверхнею зовнішнього провідника і поверхнею центрального провідника узгоджувального відрізка кабелю 10. Числом 17 позначена індуктивність L, обумовлена ​​протіканням струмів по внутрішній і зовнішній поверхонь труби від першої кромки 4 до першої кромки 4. Числом 18 позначено опір R, зумовлений втратами антени на випромінювання. Клема 19 відповідає точці гальванічного контакту зовнішнього провідника фідера за допомогою першого провідного хомута з кромкою 4. Клема 20 відповідає точці на вході центрального провідника узгоджувального відрізка кабелю. Числом 21 позначена точка гальванічного контакту узгоджувального циліндра через посередництво хомута 8 з краєм 5 щілини 3.

Два послідовно включених конденсатора 15 і 16 мають еквівалентну ємність 3:

Вхідний опір на клемах 19, 20 Z вх, обумовлений послідовним включенням еквівалентної ємності 3 і ланцюжка з паралельно включених опору R та індуктивності L, на частоті дорівнює:

На резонансної частоті уявна частина вхідного опору дорівнює нулю, тобто.

Зробивши в (2) заміну в знаменнику множника в квадратних дужках на його значення (3), отримаємо величину вх на резонансній частоті:

Ідеальне узгодження з фідер досягається при рівності вхідного опору антени хвильовому опору фідера. При заданих L і R регулювання за погодженням досягається підбором величини еквівалентної ємності 3 .

У граничному випадку, коли відсутня узгоджувальний циліндр (C 1 ), еквівалентна ємність 3 дорівнює ємності 2 - ємності узгоджувального відрізка кабелю. Зазвичай для узгодження антени з фідером потрібно мати невелике значення величини 2 . Іноді при роботі в метровому та дециметровому діапазонах хвиль потрібен узгоджуючий відрізок довжиною не більше десяти міліметрів. Невеликі по абсолютній величині зміни довжини відрізка кабелю призводять до порівняно великих відносних змін величини 2 . Тому при точному налаштуванні антени на робочу частоту потрібно змінювати довжину відрізка, що узгоджує, на частки міліметра. Необхідність підбору довжини узгоджувального відрізка кабелю з точністю до часток міліметра ускладнює процес налаштування антени.

Зовсім інша ситуація, коли маємо справу з двома послідовно включеними ємностями: ємністю C 1 та ємністю C 2 . Відомо, що послідовним включенням двох конденсаторів отримуємо еквівалентний конденсатор з ємністю менше, ніж ємності кожного конденсатора окремо. Тепер при фіксованому значенні З 1 змінюючи ємність C 2 у великих межах, отримаємо зміни величини еквівалентної ємності в невеликих межах.

Вихідна довжина узгоджувального відрізка кабелю, очевидно, повинна бути більшою в порівнянні з тим випадком, коли немає цього іншого конденсатора. Отже, зміна довжини узгоджувального відрізка кабелю тепер у відносних одиницях більша, а налаштування більш точної.

Тобто. налаштування антени на робочу частоту зміною довжини узгоджувального відрізка кабелю, наприклад, шляхом його підрізування не викликає труднощів, т.к. зміни довжини виконується на величини, що вимірюються міліметрами.

Антена має таку перевагу, що полягає в тому, що з введенням до складу антени узгоджувального циліндра підвищується електрична міцність антени. Найбільша напруженість електричного поля при збудженні антени виникає у відповідному відрізку кабелю. В антені з узгоджуючим циліндром різниця потенціалів між центральним провідником і кромкою труби тепер розподіляється між двома конденсаторами, перший з них утворений центральним провідником і зовнішнім провідником кабелю, другий конденсатор утворений зовнішнім провідником кабелю і узгоджуючим циліндром. Сума падінь напруги на цих двох конденсаторах дорівнює різниці потенціалів між центральним провідником і кромкою. Тобто. напруга кожному з конденсаторів менше, ніж загальне напруга, що й досягається підвищення електричної міцності антени.

Було виготовлено два зразки щілинної циліндричної антени. Перший зразок містив провідний циліндр з поздовжньою щілиною, фідер і узгоджуючий відрізок кабелю. У першому зразку був узгоджувального циліндра, першого провідного хомута і другого провідного хомута. Зовнішній провідник узгоджувального фідера мав гальванічний контакт безпосередньо з кромкою 4. Другий зразок відрізняється від першого тим, що додатково містить циліндр, що узгоджує, перший провідний хомут і другий провідний хомут. У другому зразку використаний узгоджуючий відрізок кабелю більшої довжини, ніж у першому зразку. У другому зразку узгоджувальний відрізок кабелю прокладений усередині узгоджувального циліндра і продовжується за його межами. Нижче буде наведено опис другого зразка, що відповідає даному винаходу. При описі зразка антени звертатимемося до позначень фіг. 1 та фіг. 2.

Зразок антени складається з циліндричного корпусу 2 зі щілиною 3 з першою кромкою 4 і другою кромкою 5, фідера 6, що узгоджує відрізка кабелю 10, узгоджує циліндра 9, першого хомута 7 і другого хомута 8 і елементів кріплення.

Корпус 2 довжиною 720 мм, діаметром 130 мм виконаний із лудженої жерсті товщиною 0,3 мм. Корпус у поперечному перерізі має вигляд кола. У корпусі вирізана щілина 3 довжиною 640 мм, шириною 30 мм з утворенням першої кромки 4 і другої кромки 5 паралельних поздовжньої осі циліндричного корпусу.

Як фідер 6 використаний серійний коаксіальний кабель РК-50-2-11.

Узгоджувальний відрізок фідера 10 виконаний у вигляді короткого коаксіального відрізка кабелю РК-50-2-11. Відрізок 10 коаксіального кабелю розташований усередині узгоджувального циліндра 9.

Узгоджувальний циліндр 9 виконаний з трубки латунної з внутрішнім діаметром 4 мм. При цьому виконані вимірювання при трьох довжинах трубки: 11,5 мм; 7 мм; 5мм.

Кінець узгоджувального відрізка кабелю 10, що протилежить щілини, розімкнуто і ні з чим не з'єднаний. Центральний провідник 11 узгоджувального відрізка 10 коаксіальної лінії виходить з узгоджувального циліндра 9 і простягається до середини щілини 3.

Фідер 6 закріплений на поверхні циліндра вздовж прямої, діаметрально протилежної поздовжньої осі щілини, вигнутий в околиці точки збудження антени, прокладений всередині першої хомута 7 і далі розташовується над щілиною 3, прокладений всередині узгоджувального циліндра 9 і далі триває за межами циліндра 9. надрізана та знята на довжині щілини. Зовнішній провідник (оплітка) розрізаний по колу на вході в другий хомут 8, обплетення розчесана в напрямку до кромки 4. Розчесана обплетення рівномірно розподілена по колу і припаяна до хомута 7. Таким чином, зовнішній провідник фідера 6 гальванічно з'єднаний через хомут 4 щілини, а центральний провідник 12 фідера 6 з'єднаний з центральним провідником 11 11 узгоджувального відрізка кабелю.

Для кріплення фідера 6 до корпусу 2 використані стандартизовані хомути, гвинти та гайки.

Виміряні на зразках значення реальної ReZ та уявної ImZ частин вхідного імпедансу антени прототипу та антени по справжньому винаходу в діапазоні частот наведені у вигляді графіків на фіг. 4а).

Виміряні на першому та другому зразках антени залежності КСВ від частоти наведені у вигляді графіків на фіг. 4б). Графік 22 відповідає першому зразку антени. При цьому довжина узгоджувального відрізка кабелю дорівнює 105 мм. Графіки 23, 24 і 25 відповідають другому зразку антени з довжиною узгоджувального циліндра 11,5 мм, 7 мм і 5 мм відповідно. При цьому довжина узгоджувального відрізка кабелю дорівнює 205 мм, 24 мм і 30 мм відповідно.

При налаштуванні першого зразка антени на резонансну частоту довжина відрізка кабелю, що узгоджується, змінювалася з дискретом 0,25 мм. Зміна довжини узгоджувального відрізка на 0,25 мм призводила до зміни резонансної частоти на 0,5 МГц. При налаштуванні другого зразка антени на резонансну частоту довжина відрізка кабелю, що узгоджується, змінювалася з дискретом 2 мм. Зміна довжини узгоджувального відрізка на 2 мм призводила до зміни резонансної частоти на 0,5 МГц. Як очевидно з розгляду графіків на фіг. 4, антена, налаштована на ту саму резонансну частоту при різних співвідношеннях довжини узгоджувального циліндра і довжини узгоджувального відрізка кабелю, має практично одну і ту ж залежність КСВ від частоти. Більш вигідно застосувати узгоджуючий циліндр меншої довжини.

Справді, збільшення DС 2 еквівалентної ємності З 3 можна знайти із співвідношення:

З цього співвідношення випливає: що менше ємність узгоджувального циліндра С 1 (чим менше довжина узгоджувального циліндра), тим менше змінюється еквівалентна ємність при одних і тих же приростах ємності С 2 (збільшення довжини узгоджувального відрізка кабелю). При цьому можливе застосування довших узгоджувальних відрізків кабелю.

З більш довгими узгоджуючими відрізками кабелю зручніше налаштовувати антену, т.к. при цьому можна використовувати традиційний інструмент для підрізування кабелю.

Вимірювання поляризаційних характеристик антени показали, що антена має лінійну поляризацію. Виконані на антені вимірювання свідчать, що антена вільна від антенного ефекту фідера.

Застосування винаходу

Винахід може бути застосований як самостійна антена, як елементи більш складних антен, випромінюючих елементів антенних решіток, опромінювачів дзеркальних і лінзових антен.

Антена при цьому може бути використана або як самостійна антена, або як елемент лінійної антеної решітки.

Запропонована широкосмугова вібраторна антена виявляється корисною у всіх тих випадках, коли потрібна або самостійна щілинна антена, або випромінюючий (приймальний) елемент більш складного антенного пристрою або антеної системи, від яких потрібні низькі втрати у фідері, високий кпд антени, малий рівень кросполяризацій.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Щілинна циліндрична антена, що містить провідний циліндричний корпус, в якому виконана поздовжня щілина з першою і другою кромками і фідер, що відрізняється тим, що містить перший хомут, закріплений на першій кромці щілини з утворенням гальванічного контакту, другий хомут, закріплений на другій кромці щілини з утворенням гальванічного контакту, узгоджуючий циліндр і узгоджуючий відрізок кабелю, узгоджуючий циліндр закріплений на другій кромці щілини і прокладений через другий хомут, узгоджуючий відрізок кабелю встановлений на другій кромці щілини і прокладений через узгоджуючий циліндр, фідер закріплений на поверхні циліндра уздовж прямої лінії, діаметрально протилежний поздовжньої осі щілини, із загином у бік щілини в околиці точки збудження щілини і прокладений через перший хомут з ​​утворенням зовнішнім провідником фідера гальванічного контакту з першим хомутом, центральний провідник фідера гальванічно з'єднаний з центральним провідником узгоджувального відрізка кабелю.

2. Щілинна циліндрична антена за п. 1, що відрізняється тим, що узгоджуючий циліндр виконаний у вигляді кругового провідного циліндра.

УДК 621.396.677.71

DOI: 10.14529/ctcr150203

Циліндрічна щілинна антена

Д.С. Клигач, В.А. Думчев, Н.М. Рєпін, Н.І. Войтович

Південно-Уральський державний університет, м. Челябінськ

Представлено щілинну циліндричну антену з оригінальним пристроєм узгодження з фідером. Антена виконана у вигляді поздовжньої щілини на металевій трубі з діаметром, набагато меншим за довжину хвилі; довжина щілини менша за довжину хвилі у вільному просторі. Параметри антени знайдені чисельним методом у строгій електродинамічній постановці задачі. При цьому в електродинамічній моделі антени враховано конструкцію пристрою узгодження. Теоретичні результати в робочому діапазоні частот перебувають у добрій кількісній відповідності до експериментальних результатів, отриманих на макетах антен. Запропоновані у статті спосіб та пристрій дозволяють простим та зручним чином узгодити антену з фідером.

Ключові слова: щілинна антена, смуга погодження, КСВ.

Вступ

Щілинна циліндрична антена була вперше запропонована в 1938 Аланом Блюмлейном (Alan D. Blumlein) з метою застосування в телевізійному мовленні в діапазоні ультракоротких хвиль з горизонтальною поляризацією і круговою діаграмою спрямованості (ДН) в горизонтальній площині. Щілинні антени не порушують аеродинаміку об'єктів, на яких вони встановлені, що надалі визначило їхнє широке застосування на підводних човнах, літаках, ракетах та інших рухомих об'єктах. Щілинні антени широко використовуються також як наземні антени.

В антені A. D. Blumlein щілина прорізана на всю довжину напівхвильової вертикальної циліндричної труби. Для налаштування антени за погодженням з фідером застосовано пристрій регулювання ширини щілини, що є незручним для практичного використання.

Відома щілинна циліндрична антена A. Alford , що містить металеву трубу з суцільною поздовжньою щілиною, короткозамикач на одному кінці щілини та пристрій для збудження антени на іншому кінці щілини. Діаметр труби дорівнює 0,12 X ... 0,15 X, де X - довжина хвилі у вільному просторі. У цій антені щілина шунтується зовнішньою та внутрішньою поверхнею труби. Антена внаслідок порівняно малого діаметра труби щодо довжини хвилі є індуктивним опіром. Іншим наслідком шунтування щілини є збільшення фазової швидкості порівняно з довжиною хвилі у вільному просторі; тим більше, що менше діаметр труби. Тому довжина щілини вибирається рівною кільком довжинам хвиль у вільному просторі.

Відома щілинна циліндрична антена для випромінювання горизонтально поляризованих хвиль високих частот , що містить провідний циліндр з поздовжньою щілиною, короткозамкнутої з обох кінців циліндра, що збуджується коаксіальним кабелем, зовнішній провідник якого гальванічно з'єднаний з першою кромкою щілини, а центральний .

Загальним недоліком цих антен є те, що в них немає досить простих пристроїв узгодження з фідером. Через це ускладнюється процес налаштування антени за погодженням із фідером на заданій робочій частоті.

Мета роботи - розробка циліндричної щілинної антени із простим пристроєм узгодження з фідером. Довжина антени має перевищувати однієї довжини хвилі у вільному просторі. Пристрій узгодження має бути зручним при налаштуванні циліндричної щілинної антени за погодженням на робочу смугу частот.

Для досягнення поставленої мети проводилися чисельні та натурні експерименти.

1. Постановка задачі

Відомий варіант збудження щілинної антени за допомогою коаксіального кабелю, при цьому зовнішній провідник коаксіального кабелю з'єднаний гальванічно з одним широким краєм щілини, а центральний провідник гальванічно з'єднаний з протилежним широким краєм щілини. В області щілини оболонка та зовнішній провідник коаксіального кабелю видалені, центральний провідник у діелектриці прокладений над щілиною. Якщо діаметр труби порівняно великий, то узгодження з кабелем за такого способу збудження щілини досягається вибором відстані від точки збудження до вузького краю щілини. При порівняно невеликому діаметрі труби такий спосіб не призводить до бажаної мети.

Відомий інший варіант збудження щілинної антени із застосуванням узгоджувального пристрою розімкнутого на кінці відрізка коаксіальної лінії передачі , який виявився ефективним, коли щілина виконана на металевій смузі.

Потрібно дослідити поведінку узгодження антени з фідером при згаданих способах збудження циліндричної щілинної антени за умови, що діаметр труби, в якій виконана щілина, набагато менше довжини хвилі.

2. Методи вирішення проблеми

2.1. Теоретичний метод

Для щілинної антени на циліндрі кінцевої довжини чисельний експеримент проводився у строгій постановці прямим просторово-часовим методом розв'язання рівнянь Максвелла в інтегральній формі. Прямий тимчасовий метод вирішує узагальнену на чотиривимірне простір крайову електродинамічну задачу. Крайова задача, сформульована для безперервного континууму, редукована до варіаційно- та проекційно-сіткових моделей. При цьому враховується реальна конструкція збудника та узгоджувального пристрою. На електродинамічну структуру впливає короткий відеоімпульс, що збуджує практично всі можливі типи власних коливань об'єкта, що досліджується, що робить високо інформативною реакцію, що спостерігається, розгорнуту в часі.

2.2. Експериментальний метод

Для проведення експериментальних досліджень було виготовлено три макети циліндричної щілинної антени. При цьому у всіх трьох макетах довжина щілини була та сама, рівна 0,888 довжини хвилі у вільному просторі.

На першому макеті збудження антени виконано коаксіальним кабелем, обплетення якого гальванічно з'єднана з однією кромкою щілини, а центральний провідник гальванічно з'єднаний з іншою кромкою щілини.

На другому макеті збудження антени виконано коаксіальним кабелем, обплетення якого гальванічно з'єднана з однією кромкою щілини, а його центральний провідник з'єднаний з центральним провідником узгоджувального відрізка кабелю, розміщеного на другому кромці щілини. Обплетення узгоджувального відрізка кабелю гальванічно з'єднане з другою кромкою щілини.

На третьому макеті збудження антени виконано коаксіальним кабелем, обплетення якого гальванічно з'єднана з однією кромкою щілини, а його центральний провідник з'єднаний з центральним провідником узгоджувального відрізка кабелю, який прокладений через циліндр, що узгоджує, гальванічно з'єднаний з другою кромкою щілини. При цьому обплетення узгоджувального відрізка кабелю гальванічно ні з чим не з'єднане.

Вимірювання параметрів циліндричної щілинної антени проводилися відповідно до схеми, наведеної на рис. 1, за допомогою вимірювача комплексних коефіцієнтів передачі та відображення ОГЛЯД-ЮЗ згідно з інструкцією з його експлуатації. Калібрування приладу при калібрувальних заходах - холостого ходу «ХХ», короткого замикання «КЗ», узгодженого навантаження «Нагр.» проводилися з підключенням калібрувальних заходів до вимірювального кабелю через перехід Е2-113/4.

Мал. 1. Схема вимірювань параметрів циліндричної щілинної антени

За допомогою вимірювача комплексних коефіцієнтів передачі та відображення вимірюються -КСВ, реальна та уявна частини комплексного опору в перерізі, що відповідає з'єднанню вимірювального кабелю з кабелем антени, яке нижче позначено як переріз Т2Т2.

Вимірювання проводилися на антеному полігоні з відсутністю відбиваючих предметів на відстані до 5 м. Щілинна антена встановлювалася вертикально з опорою нижньою частиною її циліндра на дерев'яну підставку, яка кріпилася до вимірювальної триноги. Висота установки щілинної антени (нижньої частини її циліндра) щодо поверхні полігону була не менше ніж 1,7 м.

З теорії лінії передачі кінцевої довжини (рис. 2) відомо, що повне еквівалентне опір-

ня лінії передачі Zг

у перерізі Т2Т2,

женном з відривом / від навантаження з опором, визначається за такою формулою: 2н + iZвtg (р/)

Zв + йнЧ (р/) "

Мал. 2. Лінія передачі кінцевої довжини

Тут 2в - хвильовий опір лінії передачі; Р – коефіцієнт фази; Zн – опір навантаження; Zг - внутрішній опір генератора; / - відстань від навантаження до аналізованого перерізу лінії передачі.

В експериментах роль відрізка кабелю довжиною/виконує кабель антени, роль відрізка кабелю між перерізами Т2Т2 та ТТ виконує вимірювальний кабель.

При вимірі за схемою на рис. 2 вимірювач комплексних коефіцієнтів передачі показує значення реальної та уявної частини вхідного опору антени, трансформованого на вхід кабелю антени, тобто 2(/) .

Щоб знайти опір безпосередньо на вході антени (без впливу трансформації опору вимірювальним кабелем), висловимо з формули (1) , вважаючи, що 2 (/) нам відомо.

2 (/)-iZ в^ (р/)

Zв - iZ (/) ^ (р/)■

Нижче наведені результати вимірювань є перерахованими за цією формулою.

3. Отримані результати

3.1. Варіант збудження антени з гальванічним контактом центрального провідника коаксіального кабелю з кромкою щілини

Для проведення натурних експериментів було виготовлено перший макет циліндричної щілинної антени (рис. 3).

Макет антени містить 1 корпус 2 з поздовжньою щілиною 3 і коаксіальний кабель 6. Корпус 2виконаний з відрізка циліндричної алюмінієвої труби довжиною 1ДА, із зовнішнім діаметром 0Д4А, і товщиною стінки 0,0044^. Поздовжня щілина 3 з першою 4 і другою 5 крайкою має довжину 0,888 і ширину 0,033. Довжина коаксіального кабелю 6 РК-50-2-11 дорівнює 640 мм, що становить половину довжини хвилі в кабелі робочої частоті 332 МГц.

Зовнішній провідник коаксіального кабелю закріплений першій кромці щілини з утворенням гальванічного контакту з корпусом антени. В області щілини оболонка та зовнішній провідник коаксіального кабелю видалені; центральний провідник гальванічно з'єднаний з другою кромкою щілини.

Кабель закріплений на поверхні циліндра вздовж прямої лінії, діаметрально протилежної поздовжньої осі щілини, із загином у бік щілини в точці навпроти точки збудження щілини. Отримані шляхом перерахунку експериментальних результатів за формулою (2) залежності реальної та уявної частини вхідного опору антени наведено на рис. 4 та 5, відповідно.

Мал. 3. Макет циліндричної щілинної антени

Експериментальна "* Теоретична

Частота, МГц

Експеримі Георетична ека

Частота. МГц

Мал. 4. Залежність реальної частини вхідного опору антени від частоти: а - у робочому діапазоні частот; б - у широкому діапазоні частот

Мал. 5. Залежність уявної частини вхідного опору від частоти: а - у робочому діапазоні частот; б - у широкому діапазоні частот

Залежність КСВ від частоти широкому діапазоні частот антени представлена ​​на рис. 6.

Експеримент * * Теоретична

300 400 500 600 700 800 900 1000

Частота, МГц

Мал. 6. Залежність КСВ від частоти у широкому діапазоні частот

З розгляду графіків, наведених на рис. 5 видно, що уявна частина вхідного опору антени в широкому діапазоні частот приймає позитивні значення, тобто є індуктивною. Отже, для компенсації індуктивної складової частини вхідного опору антени необхідно використовувати узгоджувальне пристрій ємнісного типу. Скористаємося на другому макеті як узгоджувальний пристрій розімкненим на кінці відрізком коаксіальною лінією передачі довжиною менше чверті довжини хвилі. Вхідний опір такого відрізка є ємнісним. В результаті такий пристрій узгодження компенсує індуктивну частину вхідного опору циліндричної щілинної антени.

3.2. Варіант збудження антени із застосуванням узгоджувального відрізка кабелю

Отже, у другому варіанті збудження антени як узгоджувальний пристрій застосований розімкнений на кінці відрізок коаксіальної лінії передачі, довжиною менше чверті довжини хвилі (рис. 7).

Як відомо, вхідний опір розімкнутого на кінці відрізка лінії передачі довжиною менше чверті довжини хвилі є ємнісним. В результаті послідовного включення такого пристрою узгодження робочої частоті компенсується індуктивна частина вхідного опору антени.

У другому макеті циліндричної щілинної антени застосований узгоджувальний пристрій відрізок коаксіальної лінії передачі 7, подібно до того, як автори застосували його в широкосмугової турнікетної щілинної антени з круговою діаграмою спрямованості з горизонтальною поляризацією поля випромінювання . Узгоджуючий відрізок довжиною 0,028Х, де X - довжина хвилі на середній частоті робочого діапазону частот, розміщений на другій кромці щілини з утворенням гальванічного контакту між зовнішнім провідником відрізка кабелю та трубою. Центральний провідник кабелю антени гальванічно з'єднаний із центральним провідником узгоджувального відрізка кабелю. Довжина кабелю антени дорівнює 640 мм.

Як і в першому макеті, кабель закріплений на поверхні циліндра вздовж прямої лінії, діаметрально протилежної поздовжньої осі щілини, із загином у бік щілини в околиці точки збудження щілини.

На графіку залежності реальної частини вхідного опору від частоти (рис. 8) видно, що в діапазоні частот 330-450 МГц значення реальної частини дорівнює (50 ± 10) Ом. Уявна частина вхідного опору в цьому діапазоні зростає від -50 до +120 Ом, на частоті 332 МГц значення уявної частини вхідного опору дорівнює нулю (рис. 9). На рис. 10 показано залежність КСВ від частоти в широкому діапазоні частот антени.

Мал. 7. Циліндрична щілинна антена

Експеримент Теоретична

"Г" 1 "-1- i

Експеримент Теоретична

1 ■ ■ ■ -,- -

Частота. МГц

Частота, МГц

Мал. 8. Залежність реальної частини вхідного опору антени від частоти: а - у робочому діапазоні частот; б - у широкому діапазоні частот

Okciicj "Гсорс HIMCHT і чеська

Експеримент Теоретична

Частота, МГц

Частота, МГц

Мал. 9. Залежність уявної частини вхідного опору антени від частоти: а - у робочому діапазоні частот; б - у широкому діапазоні частот

Експеримент * Теоретична

■ ■ 1 1 ■ « ■ ■

Частота. МГц

Мал. 10. Залежність КСВ від частоти у робочому діапазоні частот

Результати дослідження чисельним методом залежності резонансної частоти антени від довжини узгоджувального відрізка кабелю наведено на рис. 11.

На резонансній частоті уявна частина вхідного опору антени дорівнює нулю, при цьому КСВ набуває мінімального значення. Як випливає із розгляду графіків рис. 11 при збільшенні довжини узгоджувального відрізка кабелю мінімум КСВ зміщується в область низьких частот. При зміні довжини узгоджувального відрізка кабелю на 3 мм резонансна частота зміщується на 3,5 МГц, тобто при зміні довжини узгоджувального відрізка на 1 мм, зміщення точки

резонансу за частотою дорівнює приблизно 1,2 МГц. Тому при точному налаштуванні антени на робочу частоту потрібно змінювати довжину відрізка кабелю, що узгоджує, на частки міліметра. Необхідність підбору довжини узгоджувального відрізка кабелю з точністю до часток міліметра ускладнює процес налаштування антени.

Ек» -Те спсримент єретична

Частота, МГц

Мал. 11. Залежність КСВ антени від частоти за різної довжини узгоджувального відрізка:

а – 12 мм; б – 15 мм; - 18 мм; г - 21 мм

3.3. Варіант збудження антени із застосуванням узгоджувального відрізка кабелю та узгоджувального циліндра

З метою виконання зручнішого налаштування антени за узгодженням в антену введено додатково пристрій у вигляді короткого трубчастого циліндрика, званого далі узгоджуючим циліндром (рис. 12, 13). Узгоджуючий циліндр довжиною 0,011^, діаметром 0,0044^ розташований на трубі навколо другої кромки з утворенням гальванічного контакту з трубою. Узгоджувальний відрізок кабелю прокладено всередині циліндра, що узгоджує. Центральний провідник кабелю антени гальванічно з'єднаний із центральним провідником узгоджувального відрізка кабелю. На рис. 12 це з'єднання умовно показано у вигляді механічного з'єднання шляхом скручування центральних провідників. У реальному макеті узгоджуючий відрізок кабелю є природним продовженням збудливого кабелю, на якому в області щілини видалені оболонка та зовнішній провідник. Для забезпечення більшої площі гальванічного контакту з трубою кабель кріпиться до труби за допомогою муфт з отвором циліндричним і поверхнею циліндричної форми, прилеглої до труби.

Ідея включення узгоджувального циліндра до складу узгоджувального пристрою полягає у наступному. Внутрішня поверхня узгоджувального циліндра та зовнішня поверхня зовнішнього провідника узгоджувального відрізка кабелю утворюють циліндричний конденсатор. (Між обкладинками цього конденсатора розташована діелектрична оболонка коаксіального кабелю). Цей додатково утворений конденсатор послідовно з'єднаний з конденсатором, утвореним узгоджуючим відрізком кабелю. Як відомо, два послідовно включених конденсатора спільно мають ємність меншу, ніж менша ємність конденсато-

рів. Слід вибрати довжину циліндра, що узгоджує, такий, щоб утворений конденсатор мав би ємність за величиною, близьку необхідної ємності для узгодження. Тоді налаштування антени за узгодженням може бути виконано за рахунок зміни ємності великої величини. Тобто як узгоджувальний відрізок кабелю можна вибрати відрізок кабелю порівняно великої довжини, а налаштування вести шляхом його підрізування. При цьому виявляється, що частини кабелю, що відрізаються, будуть мати порівняно більшу довжину. Ця обставина робить налаштування антени зручнішою.

Мал. 12. Макет циліндричної щілинної антени з узгоджуючим циліндром та узгоджуючим відрізком кабелю: 1 - труба; 2 - узгоджувальний відрізок кабелю; 3 - узгоджуючий циліндр;

4 – щілина; 5 - фідер

Мал. 13. Перетин А-А узгоджувального пристрою на рис. 12: 1 - узгоджуючий циліндр; 2 – оболонка кабелю; 3 – зовнішній провідник коаксіального кабелю; 4 – діелектрик; 5 - центральний провідник коаксіального кабелю; 6 - стінка труби

Довжина узгоджувального відрізка 32 мм.

\VY\V\y\V\uVV і\v

\ V \ \ \ \ \ \ v k \ V 1 \ Л \

\\ \u \ v y- \v \v уУ J?" Х/ А V J /У // (/ / / // у

300 310 320 330 340 350 360

Частота, МГц

Мал. 14. Залежність КСВ антени від частоти за різної довжини узгоджувального відрізка

На рис. 14 наведені розрахункові залежності КСВ від частоти для різних значень довжини узгоджувального відрізка при незмінній довжині та діаметрі узгоджувального циліндра.

В електродинамічній моделі антени враховано всі конструктивні елементи, включаючи муфти. При збільшенні довжини узгоджувального відрізка мінімум КСВ зміщується в область низьких частот. При зміні довжини узгоджувального відрізка на 4 мм резонансна частота зміщується на 2 МГц, тобто при зміні довжини узгоджувального відрізка на 1 мм резонансна частота зміщується на 0,5 МГц. Таким чином, із введенням у конструкцію антени узгоджувального циліндра налаштування антени на задану частоту виявляється більш зручним.

4. Обговорення результатів

Отже, розглянута щілинна циліндрична антена, виконана на металевій трубі з діаметром набагато меншим за довжину хвилі. Труба має довжину більшу за довжину хвилі, а довжина щілини має довжину менше однієї довжини хвилі у вільному просторі, так що щілина закорочена

з обох кінців.

Вхідний опір такої антени при збудженні її в центрі коаксіальним кабелем таким чином, що його зовнішній провідник має гальванічний контакт з одним краєм щілини, а центральний провідник має гальванічний контакт з іншим краєм щілини має велику індуктивну складову. В результаті антена виявляється погано узгодженою з фідером. Зміщенням точки збудження вздовж широкої кромки щілини не вдається узгодити антену з фідером.

Послідовним включенням короткого узгоджувального відрізка кабелю вдається компенсувати на одній частоті реактивну (індуктивну) складову вхідного опору антени і таким чином досягти ідеального узгодження на одній робочій частоті. Однак при цьому виявляється велика критичність до довжини відрізка кабелю, що узгоджує.

Введення в конструкцію узгоджувального циліндра дозволяє зробити зручнішим налаштування антени на робочу частоту. Зручність це полягає в тому, що для зміщення резонансної частоти на деяку величину потрібно змінити довжину узгоджувального кабелю на велику величину порівняно з тією величиною, яка потрібна у його відсутності.

Запропоновані спосіб і пристрій дозволяють зручним чином узгодити антену з фідером, в якій діаметр труби набагато менше довжини хвилі, а довжина щілини менше довжини хвилі.

Як випливає з розгляду графіків на рис. 8-10, 14 в області робочих частот антени (330...334 МГц) спостерігається хороша кількісна відповідність між розрахунковими та експериментальними результатами. Розрахункові та експериментальні залежності від частоти реальної та уявної частини вхідного опору та КСВ збігаються між собою з графічною точністю. За межами робочого діапазону (при f< 328 МГц и при f >332 МГц) спостерігається помітна відмінність у розрахункових та експериментальних результатах. Цю відмінність можна пояснити тим фактом, що кабель антени в експериментах виявляє себе як прохідний резонатор, утворений відрізком лінії передачі, порівнянним з довжиною хвилі, навантаженим з одного кінця на опір вхідний антени, а з іншого кінця - на опір, утворене неоднорідністю у вигляді переходу з одного типу кабелю на інший тип кабелю через радіочастотні з'єднувачі. Згадана неоднорідність утворюється в результаті того, що кожен з кабелів має хвильовий опір, що відрізняється від 50 Ом на деяку величину. Крім того, радіочастотні з'єднувачі мають не ідеальне узгодження. Додаткова похибка в результати вимірювань вноситься тому, що з калібруванні приладу «0бзор-103» використовується додатковий перехід з роз'єму РТС на роз'єм «Експертиза». Резонансні властивості прохідного резонатора виявляються у вигляді осцилюючої складової на графіках залежності реальної та уявної частини вхідного опору антени від частоти. В околиці робочої частоти, де може бути досягнуто ідеальне узгодження, вплив прохідного резонатора виключається.

Висновок

Таким чином, виконані теоретичні та експериментальні дослідження трьох варіантів циліндричної щілинної антени з трьома варіантами пристроїв збудження:

З відомим пристроєм збудження (без застосування узгоджувальних пристроїв);

З влаштуванням збудження із застосуванням пристроїв узгодження антени з фідером у вигляді короткого відкритого на кінці відрізка кабелю;

З пристроєм збудження із застосуванням оригінального пристрою узгодження, що включає узгоджувальний відрізок коаксіального кабелю і узгоджувального циліндра.

При цьому у всіх трьох варіантах діаметр труби набагато менше довжини хвилі, довжина антени не перевищує однієї довжини хвилі у вільному просторі. Оригінальний пристрій узгодження забезпечує просте та зручне узгодження та налаштування циліндричної щілинної антени на робочу частоту. Теоретичні та експериментальні результати в області робочих частот перебувають у добрій кількісній відповідності.

Робота виконана за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки Російської Федерації в рамках комплексного проекту «Створення високотехнологічного виробництва антен і апаратних модулів для двочастотного радіомаячного комплексу системи посадки метрового діапазону формату ILSIII категорії ICAO для аеродромів цивільної авіації, включаючи аеродроми з високим рівнем снігового покриву місцевості» за договором № 02.G25.31.0046 між Міністерством освіти і науки Російської Федерації та Відкритим акціонерним товариством «Челябінський радіозавод «Політ» у кооперації з головним виконавцем НДДКТР – Федеральною державною бюджетною освітньою установою вищої професійної освіти «Південно-Уральський державний університет» ( національний дослідницький університет).

Література/References

1. British patent №515684. HF Electrical Conductors.

2. Voytovich N.I., Klygach D.S., Repin N.N. Slot Turnstile Antenna. 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP - 2013), 8-12 April 2013, Gothenburg, Sweden, 2013, p. 1208–1212.

3. Alford A. Long Slot Antennas. Proc. of the National Electronics Conference, Chicago, IL October 3-5, 1946, p.143.

4. Kraus J.D. Antennas - 1988, TATA McGRAW-HILL Edition, New Delhi, 1997. 894 p.

5. Voytovich N.I., Klygach D.S., Repin N.N. Slot Turnstyle Antenna. 2013 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), IEEE Xplore, pp. 1209–1212.

6. Weiland Т. A Discretization Method for Solution of Maxwell's Equations For Six-Component Fields. Electronics and Communication, (AEU), 1977, vol. 31, pp. 116-120.

7. Піменов А.Д. Технічна електродинаміка. М: Радіо і зв'язок, 2005. 483 с.

Клигач Денис Сергійович, канд. техн. наук, Південно-Уральський державний університет, м. Челябінськ; [email protected].

Думчев Володимир Анатолійович, інженер, Південно-Уральський державний університет, м. Челябінськ; [email protected].

Рєпін Микола Миколайович, інженер, Південно-Уральський державний університет, м. Челябінськ; [email protected].

Войтович Микола Іванович, д-р техн. наук, Південно-Уральський державний університет, м. Челябінськ; [email protected].

DOI: 10.14529/ctcr150203

A SLOTTED CYLINDER ANTENNA

D.S. Klygach, South Ural State University, Челябінськ, Російська Федерація, [email protected], V.A. Думчев, South Ural State University, Челябінськ, Російська Федерація, Володимир. [email protected],

N.N. Repin, South Ural State University, Челябінськ, Російська Федерація, [email protected],

N.I. Voytovich, South Ural State University, Челябінськ, Російська Федерація, [email protected]

Об'єднаний cylinder antenna з оригіналом керування пристроєм is presented в paper. Обкладинка cylinder antenna є виконана на аркуші longitudinal slot заснований на металевий кінець з діаметром дуже смалера, ніж wave length. Length of the slot is much smaller than the wave length in

free space. Antenna parametrи є загальним методом в стриманий електродинамічне формулювання проблеми. Для цього придбання будівництва зйомки є такою в акаунті в electrodynamic model of antenna. Відповідні теоретичні результати в antenna bandwidth of examined antenna demonstrate good quantitative match with experimental results. Метод і оригінал кампанії досліджуваний в матеріалі є характерним для ймовірності antenna дій з гравцем.

Keywords: slot antenna, pattern, bandwidth, VSWR.

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ ОПИС СТАТТІ

REFERENCE TO ARTICLE

Циліндрична щілинна антена / Д.С. Клигач,

B.А. Думчев, Н.М. Рєпін, Н.І. Войтович // Вісник ЮУрГУ. Серія "Комп'ютерні технології, управління, радіоелектроніка". – 2015. – Т. 15, № 2. –

C. 21-31. DOI: 10.14529/ctcr150203

Klygach D.S., Dumchev V.A., Repin N.N., Voy-tovich N.I. A Slotted Cylinder Antenna. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2015, vol. 15, no. 2, pp. 21-31. (in Russ.) DOI: 10.14529/ctcr150203

утворюється короткозамкнутий чвертьхвильовий відрізок двопровідної лінії. Маючи великий вхідний опір, він не дозволяє струмам відгалужуватися на зовнішню оболонку фідера. Оскільки опір між точками "а" і "б" велике, то плечі вібратора на частоті випромінювання електрично розв'язані, незважаючи на гальванічну зв'язок між ними. Краї щілин зазвичай роблять такими, що розширюються, щоб забезпечувалося узгодження хвильового опору фідера з вхідним опором вібратора.

			λ /2					U-коліно (рис. 3.20). Це
								вигнутий	коаксіальний фідер
								довжиною λ /2,	до внутрішнього про-
								воду якого приєднуються
								плечі вібратора. Зовнішня об-
								лочка фідера для харчування плечей не
								використовується та заземляється. На-
								напруги та струми в точках "а" і
			λ /2					"б" рівні за величиною і проти-
								схильні по фазі, що і вимагають-
								ється для симмет-
антени. Крім							симетрування		U-коліно зменшує

вхідний опір вібратора вчетверо. У зв'язку з цим його зручно застосовувати для живлення петлевого вібратора Пістелькорсу, вхідний опір якого становить 300 Ом, стандартним фідером з ρ ф =75 Ом.

3 . 2 . Щілинні антени

3.2.1. Типи щілинних антен. Особливості їхньої конструкції

Щілинна антена є вузькою щілиною, прорізаною в металевій поверхні екрану, оболонці резонатора або хвилеводу. Ширина щілини d<<λ , длина обычно близка к половине волны. Щели прорезаются так, чтобы они пересекали линии поверхностного тока, текущего по внутренней стенке волновода или резонатора (рис. 3.21). Возможны различные положения щелей (см. рис. 3.21): поперечная (1), продольная (2), наклонная (3), и разнообразные их формы: прямолинейные, уголковые, гантельные, крестообразные (рис. 3.22).

Високочастотний поверхневий струм, перетинаючи щілину, індукує по її краях змінні заряди (напруга), а на зворотній (зовнішній) стороні.

на поверхні збуджуються струми. Електричне поле в щілини та струми на поверхні є джерелами випромінювання та формують у просторі

		електромагнітне поле.
			Найпростішими
		є
		них розмірів зі щілиною,
		резонаторно-щілинні
		та хвилеводно-щілинні
			Порушення
		лухтових щілин в ек-
			здійснюється в
		метровому		діапазоні
		допомогою симетричної
		двопровідної лінії, а

а в дециметровому – за допомогою коаксіальної лінії передачі. При цьому зовнішній провідник приєднується до одного краю щілини, а внутрішній – до іншого. Для узгодження лінії передачі з антеною точку живлення зміщують від середини щілини до краю. Така антена може випромінювати обидві півсфери. У сантиметровому діапазоні та прилеглій до нього частині дециметрового діапазону застосовують резонаторні та хвилеводно-лужні антени (див. рис. 3.21, 3.22). У коаксіальних хвилеводах збуджуються лише поперечні чи похилі щілини, у прямокутних можливі різні варіанти розміщення щілин (див. рис. 3.21).

Ширина щілини впливає на активну та реактивну частини вхідного опору. Обидві складові зростають із збільшенням ширини щілини. Тому для компенсації Х вх треба зменшувати довжину щілини (укорочувати її). Зростання R вх призводить до розширення смуги пропускання щілинної антени. Зазвичай ширина щілини d вибирається в діапазоні (0,03 ... 0,15) . Для додаткового розширення смуги пропускання застосовують гантельні щілини та спеціальні конструкції збудливих пристроїв.

Крім діапазону на вибір ширини щілини впливає умова забезпечення електричної міцності. Концентрація електричних зарядів на кромках щілини призводить до місцевих перенапруг і виникнення електроенергії.

де E щ max - Напруженість електричного поля в пучності. Приймаючи E щ max = E пр (напруженість пробою, для сухого повітря E пр =30кВ/м), знаходимо

d min = U щ max / E ін.

Насправді вибирають d ≥ K зап d min , де K зап =2…4 - коефіцієнт запа-

Щілини більш складної форми, ніж прямокутні, можна як комбінації простих. Вони використовуються для отримання електромагнітних хвиль з необхідними поляризаційними властивостями. Наприклад, хрестоподібна щілина дозволяє отримати антену з еліптичною та круговою поляризацією. Напрямок обертання залежить від напряму усунення щілини від осі широкої стінки хвилеводу.

Щілинні антени відрізняються простотою конструкції, високою надійністю і відсутністю виступаючих частин, що дозволяє використовувати їх в літальних апаратах і наземних антенних системах як самостійні антен, опромінювачів складних антенних систем і елементів решіток антен.

3.2.2. Поодинока щілина. Принцип двоїстості Пістелькорсу

Розглянемо показники і параметри про ідеальної щілинної антени, тобто. одиночної щілини, прорізаної в плоскому екрані, що ідеально проводить. Розрахунок поля такої антени за допомогою рівнянь електродинаміки становить значні труднощі. Він значно полегшується, якщо скористатися принципом двоїстості, сформульованим Пістелькорсом 1944 року. Цей принцип ґрунтується на відомій з теорії електромагнітного поля перестановної двоїстості рівнянь Максвелла. Для щілини ці рівняння мають вигляд:

Якщо екран прибрати, а щілину замінити ідеальним плоским вібратором таких самих розмірів, як щілина (рис. 3.23), і з таким самим розподілом струму, як розподіл напруги вздовж щілини (еквівалентним вібратором, вирізаним з екрану для отримання щілини), то поле, що випромінюється їм, також бу-

дет задовольняти рівнянням Максвелла

rotHr B = iωε 0 EB

rotEB = − iωμ 0 H B ,

але вже за інших граничних умов:

на місці екрану – E τ

≠ 0, H τ = 0; на вібраторі - E B = 0, H B ≠ 0 . (3.29)

Порівнюючи граничні умови щілини (3.27) та еквівалентного вібратора (3.29), можна переконатися, що структури електричного поля поблизу щілини та магнітного поля поблизу вібратора збігаються. Граничні умови для еквівалентного вібратора виходять з граничних умов щілини шляхом перестановки Е ↔ Н . З урахуванням вищевикладеного для повного поля у всьому просторі можна записати:

E r щ = C 1 H B , H щ = C 2 E B ,

де 1 і 2 – постійні коефіцієнти.

Насправді зазвичай використовують напівхвильові щілини. При цьому незалежно від способу збудження амплітуда електричного поля в щілини максимальна у центрі і спадає до країв, тобто. відповідає закону розподілу струму у напівхвильовому вібраторі. Для вузької щілини (тонкого вібратора) граничні умови, а отже, і постійні коефіцієнти можна виразити че-

рез напруга в центрі щілини U 0 і струм у центрі вібратора I 0 (див. рис. 3.23):

	U 0 H				Звідки C = 2 U 0.

Тоді перший вираз (3.31) перепишеться у вигляді:

E щ =			H B .

Таким чином, принцип двоїстості стосовно щілинних антен формулюється так: електричне поле щілинної антени з точністю до постійного множника збігається з магнітним полем додаткового вібратора таких же розмірів, як щілина, і з таким же амплітудним розподілом.

Це означає, що ЕМП щілини та еквівалентного вібратора відрізняються

між собою тільки поворотом на 90° відповідних векторів E r щ і E B ,

H r щ і H B .

Застосовуючи принцип двоїстості, можна записати для діаграм спрямованості:

F щ(θ ) H = F B (θ ) E;

F щ(θ ) E = F B (θ ) H ,

де F щ (θ ) H , F щ (θ ) E - нормовані ДН щілини в площинах Н і Е соот-

ветливо; F B (θ) H, F B (θ) E - відповідні нормовані ДН напівхвильового вібратора.

При відліку кута від нормалі до площини щілини діаграма спрямованості напівхвильової щілини запишеться відповідно до рівності (3.33) у вигляді:

	cos(π sinθ )
F щ(θ ) H =				F щ (θ) E = 1.y				заходи екрану сущ-
					форму ДН, та їх під-
					ректувати
					площин.

розтирання щілини, так само як і вібратора, носить комплексний характер і залежить від її розмірів (довжини 2l і ширини d). Величини R щ вх і X щ вх підраховані для різних значень l/λ і наводяться у вигляді графіків у довідковій та навчальній літературі. Реактивна складова щілини має ємнісний характер. Налаштування щілини, проте, проводиться також її укороченням. Величина укорочення підраховується за такою формулою:

							ln(2λ d )

Як випливає з (3.35), ширші щілини коротшають на велику величину.

Вхідний опір щілини пов'язане з вхідним опором вібратора, що доповнює її. Цей зв'язок зручніше виражати через комплексну вхідну провідність щілини:

Z вхв

(60π )2

Таким чином, вхідна провідність щілини визначається вираз-

(60π )2

де A = 120 ln

− 0,577

Хвильовий опір щілини.

π d

Комплексна вхідна провідність напівхвильової щілини