Антенны вращающейся поляризации и поверхностных волн.

Лекция 6.

Антенны поперечного и осевого излучения УКВ диапазона

Учебные вопросы:

Синфазные вибраторные антенные решетки и антенны в печатном исполнении.

Многощелевые волноводные антенны.

Директорные и логопериодические вибраторные антенны.

Антенны вращающейся поляризации и поверхностных волн.

 

1. Синфазные вибраторные антенные решетки и антенны в печатном исполнении

 

Рассматривается устройство синфазных вибраторных антенн, применяемых для создания направленного излучения в метровом и дециметровом диапазонах волн.

 

1.1. Синфазные вибраторные антенные решетки

Существует несколько модификаций схем питания вибраторов: последовательного питания, параллельного питания и их комбинации. Наиболее простой является схема, изображенная на рис. 1, а, в которой вертикальные группы вибраторов питаются последовательно, но соединяются между собой параллельно на входе антенны. Вибраторы вертикальной группы подсоединяются к вертикальной двухпроводной линии. Поскольку напряжение в точках линии, удаленных друг от друга на меняется на 180°, для обеспечения синфазности питания вибраторов провода фидера перекрещиваются.

Рисунок 1. Синфазные вибраторные антенные решетки

 

Входное сопротивление каждого вибратора определяется как сумма собственного и наведенных сопротивлений по формуле, приведенной в лекции 4.

Поскольку вибраторы подсоединяются к фидеру через полуволновые расстояния, то входные сопротивления вибраторов пересчитываются к началу линии (точки 1-1’и 2-2’ рисунок 1, а), так что оказываются включенными параллельно. Для того, чтобы результирующее активное сопротивление было соизмеримым с волновым сопротивлением фидера (реактивная компонента сопротивления устраняется благодаря настройке вибраторов в резонанс), необходимо, чтобы входное сопротивление вибраторов было велико. Это достигается выбором длины плеча вибраторов, близкой к при которой собственное входное сопротивление вибратора весьма значительно.

Распределение амплитуд токов, возбуждающих вибраторы вертикальной группы в схеме, изображенной на рис. 1, а, близко к равномерному. Для сужения ДН в горизонтальной плоскости число вертикальных групп вибраторов может быть увеличено. Неравномерное амплитудное распределение (для уменьшения уровня боковых лепестков) в горизонтальной плоскости может быть обеспечено подбором волновых сопротивлений параллельно включенных фидеров. Переход от двухпроводной линии к коаксиальному кабелю на выходе антенны осуществляется с помощью одной из схем симметрирующих устройств.

Недостатком описанной схемы является ее узкополосность, поскольку синфазность питания резко нарушается при отходе рабочей частоты от расчетной, при этом нарушается и амплитудное распределение в вибраторах вертикальной группы.

Значительно более широкополосной является схема, изображенная на рис. 1, б. Синфазность питания здесь достигается на любой частоте, поскольку расстояния от входа антенны до любого вибратора одинаковы. Число этажей и число вибраторов в этаже должно быть равно 2ⁿ, где n – 1, 2, 3, … Подобная схема питания значительно сложнее предыдущей, особенно при большом числе вибраторов.

Удовлетворительные результаты могут быть достигнуты при использовании более простой комбинированной схемы питания (рис/ 2), когда отдельные группы вибраторов, питаемые перекрещивающимся фидером, параллельно соединяются между собой в средних точках.

Рисунок 2. Комбинированная схема питания

 

Максимальное излучение синфазной решетки вибраторов ориентировано нормально к плоскости расположения вибраторов, причем направленность излучения в Е-плоскости (плоскости, параллельной осям вибраторов) определяется числом вибраторов в одном этаже, а в Н-плоскости (плоскости, перпендикулярной осям вибраторов) - числом этажей.

Однонаправленность излучения достигается применением экранов (рефлекторов), отстоящих от активного полотна на расстоянии примерно четверть длины волны. Рефлектор в диапазоне УКВ выполняется обычно либо сплошным, либо из проводов, параллельных вибраторам, натянутых на жесткой раме. Крепление вибраторов к экрану (рис/ 3) осуществляется с помощью металлических стержней, подсоединяемых к середине плеч вибраторов (в точке узла напряжения) и не оказывающих поэтому влияния на их работу.

Рисунок 3. Крепление вибраторов к экрану

 

1.2. Антенны в печатном исполнении

Применение в диапазоне УКВ наряду с двухпроводными коаксиальными линиями и волноводами полосковых линий передачи привело к созданию специальных полосковых антенн, выполняемых методом печатных схем. Основным преимуществом подобных антенн на дециметровых и сантиметровых волнах являются малая масса, простота конструкции, высокая точность изготовления, возможность создания не выступающих конструкций. Полосковые излучатели особенно удобны в качестве элементов антенных решето к, причем использование печатной технологии существенно упрощает реализацию разветвленной схемы питания элементов.

Существует большое количество разновидностей печатных антенн. Наибольшее распространение получили печатные излучатели резонансного типа, представляющие собой пластину, расположенную над металлическим экраном на диэлектрической подложке и возбуждаемую коаксиальной или полосковой линией. Примером печатного излучателя резонансного типа является антенна, изображенная на рис. 4, а. Антенна возбуждается несимметричной полосковой линией, расположенной с той же стороны экрана, что и антенна. Излучение антенны определяется электрическими токами, текущими по поверхности пластины и экрана, а также токами смещения в диэлектрической подложке.

Рисунок 4. Печатный излучатель резонансного типа

 

Определение структуры этих токов представляет собой весьма сложную электродинамическую задачу. По этой причине на практике используется более простая расчетная модель, согласно которой поле, созданное антенной, рассматривается как излучение магнитного тока, протекающего в щели между краем пластины и экраном перпендикулярно линиям электрического поля. Плотность магнитного тока определяется известным соотношением где - внешняя нормаль к щели. При расчете тока исходят из предположения, что структура поля между пластиной и экраном близка к структуре поля в объемном резонаторе с колебанием низшего типа имеющим продольную компоненту с одной вариацией вдоль оси y.

На рис. 4, б показано распределение магнитноготока в антенне исходя из резонаторного подхода к полосковой антенне. Излучение формируется в основном щелями I и II, токи в которых, равномерно распределенные по длине, синфазны друг другу и образуют максимум излучения вдоль нормали к экрану. Излучение остальных щелей можно практически не учитывать ввиду противоположного направления текущих в них токов (см. рис. 4, б).

Для реализации на полосковых линиях передачи особенно удобны схемы разветвленного типа (фрагмент одной из них дан на рис. 5), обладающие максимальной широкополосностью.

Рисунок 5. Схема разветвленного типа (фрагмент)

В зависимости от типа излучателя полосковые схемы питания могут располагаться с обратной или лицевой стороны от экрана.

Основным недостатком антенн в печатном исполнении являются малая электрическая прочность, узкополосность и сравнительно низкий КПД.

 

2. Многощелевые волноводные антенны

 

В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн для получения узких ДН, максимум которых ориентирован по нормали к антенне или отклонен от нее на некоторый угол, широко используются многощелевые волноводные антенны. Обычно применяются щели, прорезанные в узкой или широкой стенке прямоугольного волновода, работающего в режиме волны Н₁₀ и возбуждаемые токами, текущими на внутренней поверхности стенок волновода. Картина линий тока в фиксированный момент времени показана на рис. 6. Эпюры составляющих плотности тока приведены на рис. 7, здесь же указаны направления этих токов.

Рисунок 6. Линий тока в фиксированный момент времени

Рисунок 7. Эпюры составляющих плотности тока

 

Если щель, прорезанная в стенке волновода, пересекает линии плотности поверхностного тока, последний переходит в ток смещения, текущий перпендикулярно краям щели; между краями щели создается разность потенциалов. Подобная щель вызывает излучение электромагнитной энергии в окружающее пространство. Если узкая щель не прерывает линии плотности поверхностного тока, то она не возбуждается и соответственно не излучает.

Следовательно, продольная щель на узкой стенке волновода (см. рис. 6) вызывает излучение независимо от ее положения. На широкой стенке волновода интенсивность возбуждения продольной щели зависит от положения щели. Максимальная интенсивность получается, когда щель находится вблизи края стенки; при расположении продольной щели в середине широкой стенки она не излучает, так как плотность поперечного тока здесь равна нулю (см. рис. 6). Поперечная щель на узкой стенке не излучает; интенсивность излучения поперечной щели на широкой стенке уменьшается при смещении центра щели относительно середины. Наклонные излучающие щели мож­но прорезать как на узкой, так и на широкой стенке. Интенсивность возбуждения таких щелей можно регулировать изменением угла наклона.

Щель, прорезанная в стенке волновода, представляет для последнего некоторую нагрузку и влияет на режим его работы. Часть энергии, идущей по волноводу, излучается щелью, часть - отражается от нее, как от всякой неоднородности, и направляется обратно к генератору, часть - проходит дальше. Электродинамический анализ показывает, что влияние поперечной щели, прорезанной на широкой стенке волновода, учитывается подключением в длинную линию, эквивалентную волноводу, последовательно включенного сопротивления а продольной - параллельно включенной проводимости причем при настройке щели в резонанс (некотором изменении длины щели по сравнению с λ/2) реактивные компоненты обращаются в нуль.

Одним из возможных вариантов построения многощелевой волноводной антенны является антенна с нерезонансным возбуждением щелей, прорезанных в стенках волновода, нагруженного на согласованную нагрузку. В схемах с прямофазной связью щелей с волноводом, изображенной, например, на рис. 8, а, когда фазы возбуждения щелей совпадают с фазой бегущей волны в точках размещения щелей, сдвиг фаз между соседними щелями где - расстояние между центрами щелей; - длины волны в волноводе. Максимум излучения при этом отклоняется от нормали к оси волновода на угол

(1)

т.е. направление максимума излучения не зависит от шага . При использовании стандартных волноводов соответственно угол принимает значение Во избежание появления вторичных главных максимумов шаг не должен превышать значения, определяемого по формуле из лекции 4.

Для уменьшения и соответствующего уменьшения используются схемы с переменно-фазной связью, при которой Дополнительный сдвиг, равный , достигается, например, за счет шахматного расположения продольных щелей на широкой стенке волновода (рис. 8, а, б), возбуждаемых поперечными токами, текущими в разные стороны от оси волновода (см. рис. 7). Аналогичного эффекта можно достичь, прорезая наклонные щели на узкой стенке волновода с переменным углом наклона (рис. 8, в). Излучение таких щелей определяется в основном составляющей вектора в щелях, параллельной оси волновода.

Рисунок 8. Антенна с нерезонансным возбуждением щелей

 

В нерезонансных переменно-фазных антеннах шаг решетки выбирается несколько отличным от . При этом отражения от отдельных щелей в значительной степени взаимно компенсируют друг друга и антенна оказывается хорошо согласованной с питающим волноводом. Кроме того, можно считать, особенно при большом числе щелей что режим, близкий к бегущей волне, устанавливается по всей длине антенны. При одинаковом смещении щелей относительно средней линии или значении угла наклона щелей (рис. 8) наблюдается ослабление интенсивности возбуждения щелей по мере их приближения к нагрузке. Это объясняется постепенным уменьшением мощности, бегущей по волноводу, из-за излучения ее щелями («вытекания» энергии). Мощность, поглощаемая в согласованной нагрузке, составляет обычно 5…10% (КПД η = 0,9…0,95).

Расчет положения щелей производится исходя из требуемого амплитудного распределения вдоль антенны и величины КПД. В частности, постепенно увеличивая расстояние между продольными щелями и средней линией или увеличивая угол по мере приближения к нагрузке, можно реализовать равноамплитудное возбуждение щелей.

Ширина щели независимо от ее расположения выбирается исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы рабочих частот.

Диаграмма направленности многощелевой антенны в плоскости, проходящей через ось волновода, определяется как произведение где - ДН одной щели с односторонним излучением - может быть рассчитана по формулам для бесконечного экрана, а множитель системы зависит от амплитудного и фазового распределений вдоль антенны. При максимум излучения отклонен от нормали к оси антенны в сторону согласованной нагрузки, при - в сторону генератора. В плоскости, перпендикулярной оси волновода, ДН определяется только направленными свойствами одной щели, приблизительно так же, как для плоского экрана конечных размеров.

При изменении частоты генератора изменяется отношение и, следовательно, изменяется угол _гл. Это обстоятельство используется при создании антенн с частотным сканированием. Для повышения углочастотной зависимости, т.е. скорости изменения при изменении частоты генератора, используются волноводы змейкообразной формы либо специальные с повышенной дисперсией. Основным недостатком нерезонансных антенн является «эффект нормали», заключающийся в резком рассогласовании антенны с питающим волноводом на частоте, при которой шаг решетки и излучение должно быть направлено по нормали к антенне. При таком шаге отражения от отдельных щелей уже не компенсируют друг друга, в результате чего наблюдается сильное отражение энергии от входа антенны.

Для формирования максимума излучения по нормали к оси антенны используются резонансные антенны, например,на основе продольных щелей, размещаемых в шахматном порядке на широкой стенке волновода (рис. 9, а).

Рисунок 9. Резонансные антенны на основе продольных щелей, размещаемых в шахматном порядке на широкой стенке волновода

Щели располагаются на расстоянии что обеспечивает синфазность их возбуждения. Для устранения рассогласования, свойственного синфазному возбуждению щелей, антенны снабжают короткозамкнутым поршнем и специальным образом подбирают величину смещения щелей. Для максимальной интенсивности возбуждения продольных щелей необходимо, чтобы расстояние от поршня до центра крайней щели составляло при этом щель попадает в пучность поперечной со­ставляющей поверхностного тока (см. рис. 9, а).

Эквивалентная схема подобной антенны приведена на рисунке 9, б. При одинаковом смещении всех щелей относительно средней линии волновода эквивалентные проводимости всех щелей равны.

Поскольку напряжения (рис. 9, в) в точках, отстоящих вдоль длинной линии на равны по амплитуде, все щели, несмотря на уменьшение мощности, переносимой вдоль волновода, из-за излучения, возбуждаются с одинаковой интенсивностью. Суммарная входная проводимость антенны, состоящей из N щелей, будет равна где - эквивалентная проводимость одной щели. Для согласования антенны с питающим волноводом обычно выбирают тогда Последнее условие реализуется соответствующим выбором смещения щели x₁. При этом режим волны в антенне меняется от чисто стоячей (вблизи короткозамкнутого поршня, см. рис. 9, в) до бегущей на входе антенны. Для реализации неравно-амплитудного возбуждения, например, спадающего к краям для уменьшения УБЛ, необходимо смещение щелей уменьшать по мере удаления щелей от середины антенны. Практически удовлетворительное согласование получается только в очень узкой полосе частот, что является основным недостатком резонансных антенн.

Рассмотренные выше нерезонансные волноводно-щелевые антенны (ВЩА) представляют собой один из вариантов антенн вытекающей волны. Антенны этого типа реализуются путем внесения различных излучающих неоднородностей в линию передачи энергии, вызывающих «вытекание» части энергии, переносимой данной линией. Неоднородности могут быть выполнены в виде щелей, отверстий, решетки из металлических полосок или непрерывной узкой щели, прорезанной, например, в боковой стенке прямоугольного волновода. Распределение амплитуд в антенне вытекающей волны зависит в основном от размеров щелей и отверстий, а также от расстояний между ними. Фазовое распределение в антенне соответствует закону бегущей волны и определяется фазовой скоростью в невозмущенной линии передачи; следовательно, направление максимального излучения определяется в соответствии с (1). В практических конструкциях достигается Амплитудное и фазовое распределения могут регулироваться почти независимо друг от друга, особенно для длинных антенн, что позволяет реализовывать широкий класс ДН.