Шановні читачі! З 18.11.2019 р. по 17.12.2019 р. нашому університету надано безкоштовний тестовий доступ до нової унікальної колекції в ЕБС «Лань»: «Військова справа».
Ключовою особливістю цієї колекції є освітній матеріал від кількох видавництв, підібраний спеціально з військової тематики. Колекція включає книги від таких видавництв, як: «Лань», «Інфра-Інженерія», «Нове знання», Російська державний університетправосуддя, МДТУ ім. Н. Е. Баумана, та деяких інших.

Тестовий доступ до Електронно-бібліотечної системи IPRbooks

Шановні читачі! З 08.11.2019 р. по 31.12.2019 р. нашому університету надано безкоштовний тестовий доступ до найбільшої російської повнотекстової бази даних – Електронно-бібліотечної системи IPR BOOKS. ЕБС IPR BOOKS містить понад 130 000 видань, з яких понад 50 000 – унікальні навчальні та наукові видання. На платформі Вам доступні актуальні книги, які неможливо знайти у відкритому доступіу мережі Інтернет.

Доступ можливий із усіх комп'ютерів мережі університету.

«Карти та схеми у фонді Президентської бібліотеки»

Шановні читачі! 13 листопада о 10:00 бібліотека ЛЕТІ в рамках договору про співпрацю з Президентською бібліотекою ім. Захід проходитиме у форматі трансляції у читальній залі відділу соціально-економічної літератури бібліотеки ЛЕТИ (5 корпус прим.5512).

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 узгодження з фідером, некритичними до розмірів при налаштуванні антени на резонансну робочу частоту. Щілинна циліндрична антенамістить провідний циліндричний корпус з поздовжньою щілиною з першою та 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, що узгоджує відрізок кабелю 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 прорізана щілина, привернули до неї увагу фахівців, що проектують радіосистеми 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 антенаАндрія Альфорда, створена в 1946 році та 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 видуу 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 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 стороноюзовнішнього 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 внаслідок компенсації реактивної складової вхідного імпедансу антени.

Розв'язання задачі забезпечення простого методукомпенсації 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 вигляд спереду щілинної циліндричної антени, на фіг. 1в) показаний вид зверху щілинної циліндричної антени. На фіг. 1б) та фіг. 1в) введені 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 і 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 узгоджуючим 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 наведені 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 проводить 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 лініїУ 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 узгоджується, 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 латунної трубки з внутрішнім діаметром 4мм. 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 (прийомний) елемент складнішого 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 та 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 кромку щілини і прокладений через узгоджуючий циліндр, фідер закріплений на поверхні циліндра вздовж прямої лінії, діаметрально протилежної 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.

в закритому режимі при їх поширенні між паралельними металевими пластинамиможна визначити відстань між виступами; d 0 (рис, 5.12), їх довжину 1(/і товщину - \ - ., \ ^

На рис. 5.13 та 5.14 показані приклади, конструктивного виконання хвилеводно-щілинних нерезонансних

антен із похилими щілинами на вузькій стінці хвилеводу при живленні антени прямокутним хвилеводом (рис. 5.13) та з поздовжніми щілинами на широкій стінці при живленні коаксіальним кабелем (рис. 5.14).

Приклад конструктивного виконання хвилеводно-щілинної антени з електромеханічним хитанням променя (зі знімною верхньою щілинною стінкою) наведено на рис. 5.15. Призначення окремих елементів антени вказано на тому ж малюнку.

На рис. 5.1-6,а показаний один з варіантів двовимірної хвилеводно-щілинної антени [Л 11], що складається з восьми паралельних алюмінієвих хвилеводів, у кожному з яких прорізано десять гантельних щілин. Гантельні щілини в порівнянні зі звичайними прямокутними мають більшу смугу пропускання [ЛО 9]. Особливістю антени є те, що парні та непарні хвилеводи живляться з різних боків за допомогою дільників потужності та весь розкрив використовується для формування чотирьох променів, схема розташування яких у просторі показана пунктиром на рис. 5.16,6, Такі антени застосовуються, наприклад * у літакових допплерівських автономних навігаційних пристроях, призначених для визначення швидкості та кута зносу літака.

Набір з декількох лінійних хвилеводно-щілинних антен, розташованих по утворюючій конічній частині літального апарату (рис. 5.17) / може використовуватися для формування необхідної форми діаграми спрямованості [ЛО 7].

Для захисту від атмосферних опадів і пилу розкрив хвилеводно-щілинної антени повинен бути закритий діелектричною пластиною або ж вся випромінююча система повинна бути поміщена в радіопрозорий обтічник. /у.-"-; ;7 ";;>■-■

5.9. Приблизний порядок розрахунку хвилеводно-щілинних

При розробці або проектуванні щілинних антен вихідними даними можуть бути:

Ширина ДН у двох головних площинах або в одній

20q 5 і рівень бічних пелюсток;

Коефіцієнт спрямованої дії £) 0;

Амплітудне:або амплітудно-фазовий розподіл по/антені та число випромінювачів N; діапазон частот

Зупинимося на порядку розрахунку для наступних двох варіантів:

Варіант 1. Задано амплітудне розподіл розкриття антени і число випромінювачів N.

Варіант 2. Встановлено ширину діаграми спрямованості в одній або двох головних площинах та рівень бічного випромінювання.

Спочатку вибирається тип хвилеводно-щілинної антени. Якщо задано кутове положення головного максимуму ДН 0 ГЛ \І антена повинна забезпечити роботу в смузі частот, вибирають нерезонансну антену. Якщо ж за завданням на проектування антена вузькосмугова, але повинна мати високе значення к. п. д. - краще резонансна антена.

Варіант 1. При заданому законі зміни амплітуд з розкриття антени спочатку визначається відстань між випромінювачами d у вибраному для побудови антени хвилеводі даного діапазону частот: У резонансній антені з переміннофазними щілинами В нерезонансної антени величина d може бути обрана двояким образом. Якщо задано положення головного максимуму ДН у просторі 6 №, то за формулою (5.26) знаходиться необхідна величина rf. Якщо ж кут Егл не заданий, то відстань між випромінювачами вибирається d^"k B /2 і притому так, щоб на крайніх частотах заданого діапазону не було резонансного збудження антени [формула (5.22)]: Далі розрахунок ведеться в наступному порядку.

Ц З урахуванням загальної еквівалентної схеми антени (див. рис. 5.8,6) розраховують еквівалентні нормовані провідності g n (або опору г п) всіх N щілин антени (див. § 5,4).

2. Знаючи величину gv або г п/з: формул табл. 5.1 (§ 5.2) визначають зсув центру щілин щодо середини широкої стінки хвилеводу, або кут їх нахилу 6 в бічній стінці.

Р 3. Розрахувавши провідність випромінювання щілини у хвилеводі (тобто зовнішню провідність), f за відомим значенням потужності на вході, (у разі передавальної антени) визначають напругу в пучності щілини U m [формула (5.3)], а отже, та ширину щілини di [формула (5.4)].

4. При відомому місці щілин на стінці хвилеводу та їх ширині за даними § 5.2 знаходять резонансну довжину щілин у хвилеводі.

5. Обчислюють ДН антени (див. § 5.7) ^ її к. н. д. і к. в.

Варіант 2. Спочатку знаходять відстань між випромінювачами аналогічно до першого варіанту розрахунку. Потім вибирають амплітудне розподіл по антені, забезпе-

10* 147 початківець ДН із заданим рівнем бічних пелюсток. Далі за відомим тепер амплітудним розподілом знаходять довжину антени (відповідно і кількість випромінювачів), що забезпечує необхідну ширину ДН на рівні 0,5 потужності (табл. 5.2 § 5.7). Подальший розрахунок збігається із пп. 1-5 попереднього варіанта розрахунку.

Крім електричного розрахунку власне антени розраховують лінію живлення і збудник, підбирають. необхідний типзчленування, що обертається, коли це потрібно за завданням на проектування, і визначають його основні характеристики.

Література

Г. К ю н PV Мікрохвильові антени. ТЕР. с; ньому. за ред. М. П. Долуханова. Вид-во «Суднобудування», 1967.

"2. Піє о л к ор с А. А. Загальна теорія дифракційних антен. ЖТФ, 1944, т. XIV, № 12, ЖТФ, 1946, т. XVI, (Nb 1.

3. «Посібник з курсового проектування антен». ВЗЕЙС, 1967.

4. Я ц у к Л. П., С мирна Н. ! В. Внутрішні провідності нерезонансних щілин у прямокутному хвилеводі. «Известия вузів», Радіотехніка, 1967, т. X, 4.

"5. Вещ"Нікова І. Є., Єв трой і в Г. А. Теорія узгоджених щілинних випромінювачів. «Радіотехніка та електроніка», 1965, т. X, № Щ

6. Єв с т р. о і о в Г. А., Ц а р а п к ин С. А, Дослідження хвилеводно-щілинних антен: з ідентичними резонансними випромінювачами. «Радіотехніка та електроніка», 1965, т. X, № 9.

7. Є в ст р о п о Г. А., Ц а р a ilk і н С. "А: Розрахунок хвилево"дно-щілинних антен з урахуванням взаємодії випромінювачів по основній хвилі. «Радіотехніка і електроніка», 1966, т. XI, № 5.

8. Шубарін Ю. В. Антени надвисоких частот. Вид-во Харківського університету, 1960.

9. «Скануючі антенні системи НВЧ», т. I. Пер. з англ., за ред. Г. Т. Маркова та А. Ф. Чапліна. Вид-во «Радянське радіо», 1966.

10. Ш й р м а н Я. Д. Радіовбловоди та об'ємні резонатори. Зв'язоквидав, 1959.

11. Різник Г. Б. Літакні антени. Вид-во «Радянське радіо», 1962.

РУПОРНІ АНТЕННИ Ший

6.1. Основні характеристики рупорних антен

Хвильово-рупорні антени є найпростішими антенами сантиметрового діапазону хвиль.

Вони можуть формувати діаграми спрямованості шириною від 100 - 140 ° (при розкритті спеціальної форми) до 10-520 ° в пірамідальних рупорах. Можливість подальшого звуження діаграми рупора обмежується необхідністю різкого збільшення його довжини.

Хвильововодно-рупорні антени є широкосмуговими пристроями та забезпечують приблизно півторне перекриття по діапазону. Можливість зміни робочої частоти в ще більших межах обмежується збудженням і поширенням вищих типів хвиль у живильних хвилеводах. Коефіцієнт корисної дії рупора високий (близько 100%). Рупорні антени,прості у виготовленні. Порівняно невелике ускладнення (включення до хвилеводного тракту фазуючої секції) забезпечує створення поля з круговою поляризацією.

Недоліками рупорних антен є: а) громіздкість конструкції, обмежуючи можливість отримання вузьких діаграм спрямованості; б) труднощі в регулюванні амплітудно-фазового розподілу поля в розкриві, які обмежують можливість зниження рівня бічних пелюсток та створення діаграм спрямованості спеціальної форми.

Рупорні випромінювачі можуть застосовуватися як самостійні антени або, так само як і відкриті кінці хвилеводів, як елементи більш складних антенних пристроїв. Як самостійні антени рупори використовуються в радіорелейних лініях, станціях метеослужби, дуже широко в радіовимірювальній апаратурі, а також в деяких станціях спеціального призначення. Широко – використовуються невеликі рупори. і відкриті кінці хвилеводів як опромінювачі

параболічних дзеркал та лінз. Опромінювачі у вигляді ліній-, ки рупорів або відкритих, кінців хвилеводів можуть бути використані для формування діаграм спрямованості спеціальної форми, керованих діаграм або, наприклад, при використанніодного і того ж параболоїда для створення -олівцевої та косекансної] діаграм!® спрямованості. Чотирьохрупорний або восьмирупорний випромінювач може застосовуватися при: Моноімпульсному способі пеленгації. З цією ж метою можуть бути використані секторальні рупори з вищими. : типами хвиль (#ю, Нщ #зо). Для формування вузьких діаграм спрямованості можуть бути і з п 6 л ь з ов ані двомірні решітки, сставлені з відкритих кінців хвилеводів або, невеликих рупорів. Можливо; побудова плоских або опуклих фазованих решіток.

Параграф 6.2-6.9 присвячені розгляду мето- щ. розрахунку рупорних випромінювачів У параграфах 6.10-6.12 викладено деякі особливості проектування рупорно-хвильововодних фазованих решіток.

6.2. Метод розрахунку

Розрахунок рупорних антен заснований на результатах їхнього аналізу, тобто спочатку орієнтовно задаються; геометричними розмірами антени, а потім визначають її електричні параметри. Якщо розміри вирдні невдало, то розрахунок повторюється знову.

Поле випромінювання рупорної антени; як і всіх антен НВЧ, визначається наближеним методом. Сутність наближення; полягає в тому, що незважаючи на зв'язок між полем всередині і поза рупором, внутрішнє завдання, що вирішують зовнішньої, і отримані з. цього

Розв'язання значення поля в площині розкриття рупору використовують для вирішення зовнішньої задачі [ДО 1, ЛВ 13].

Амплітудне розподіл поля в розкриві рупора приймається таким же, як у хвилеводі, що живить його. Наприклад, . при збудженні.;, рупора прямокутним волноводом З хвилею # 10, вздовж осі Х- (що проходить в площині Н) розподіл амплітуди поля, косинусоїдальний, а вздовж осі Y (проходить, в площині Е) амплітудне розподіл рівномірне. У зв'язку з тим, що фронт хвилі в рупорі не залишається плоским, а трансформується в циліндричний в секторіальному; рупорі і в сферичний в пірамідальному і конічному, то фаза поля по розкрію; змінюється за квадратичним законом.

Описані амплітудні та фазові розподіли поля по розкриттю є наближеними. Деяке уточнення дає облік відображення від розкриття хоча б лише основного типу хвилі. При цьому треба мати на увазі, що коефіцієнт відображення Р зменшується із збільшенням розкриття.

Діаграма спрямованості рупорної антени за відомим полем у розкриві може розраховуватися методом хвильової оптики на основі принципу Гюйгенса та формули Кірхгофа [ЛО 13, JIO 11, J10 1]. Застосування формули Кірхгофа до електромагнітного поля не є суворим. Поруч авторів було внесено уточнення, що враховують особливості електромагнітного поляантени. Через це у літературі до розрахунку діаграми спрямованості є кілька різних, але схожих друг на друга формул, які дають близькі результати. Розрахункові формули будуть наведені нижче у § 6.5. Маючи вираз для діаграми спрямованості, можна знайти коефіцієнт спрямованої дії антени^ залежність ширини діаграми спрямованості від розмірів розкривають інші характеристики антени.

6.3. Вибір геометричних розмірів рупора та хвилеводного випромінювача

Рупорна антена (рис; 6.1) складається з рупора I, хвилеводу та збуджуючого пристрою 3

Якщо генератор, що живить антену * має коаксіальний вихід, то збудження антенного хвилеводу 2 здійснюється найчастіше штирем, розповсюдженим пер - пендикулярно широкої стінці j хвилеводу, збудження до штиря підводиться коаксіальним кабелем. Якщо генератор, що живить антену, має Волноводний вихід, то фідерний тракт виконується зазвичай у вигляді прямокут-нігб хвилеводу з хвилею Н 10 . Хвильоводний фідер безпосередньо переходить у хвилевід 2, що збуджує рупор. Розрахунок збуджуючого пристрою у вигляді; несиметричного штиря буде наведено у наступному параграфі.

Вибір розмірів хвилеводу

Вибір розмірів поперечного перерізу прямокутного хвилеводу а і b проводиться з умови поширення в хвилеводі тільки основного типу хвилі #ю:

Співвідношення (6.1) представлено на графіку рис. 6.2 який може бути використаний для знаходження розмірів а. Розмір Ь повинен задовольняти умові b

Наведемо деякі міркування щодо розрахунку зондового перекладу (див. рис. 6.3).

Вхідний опір штиря у хвилеводі, як і несиметричного вібратора у вільному просторі, є у випадку комплексною величиною. Активна частина вхідного опору залежить: переважно від довжини штиря, реактивна - від довжини і товщини. На відміну від вільного простору вхідний опір штиря в хвилевбді залежить від структури поля в хвилеводі поблизу штиря.

Розрахунок; Реактивна складова вхідного опору дає неточні результати і проводити його не має сенсу. Для забезпечення узгодження реактивна складова вхідного опору має дорівнювати нулю. Активну складову вхідного опору можна вважати рівною опору Випромінювання штиря у хвилеводі Вона повинна; бути рівн!

Опір випромінювання штиря в прямокутному хвилеводі в режимі хвиля, що біжить, визначається наступним співвідношенням:

Ще наявності відбитої хвилі в прямокутному; хвилеводі опір штиря дещо змінюється:-

хвильовому опору фідера.

реактивних частин провідностей праворуч і ліворуч від штиря, а саме:

У наведених формулах прийнято такі позначення: а і ЬЩ-розміри поперечного перерізу хвилеводу; Х - положення штиря на широкій -, стен.ке хвилеводу, частіше; всього штир розташовується у середині широкої стінки, т. е. Xi = a/2; Zi.-- відстань від штиря до стінки хвилеводу, що закорочує; гщ-відстань від штиря до найближчого вузла напруги; к. б. в. - коефіцієнт хвилі, що біжить у хвилеводі; Х^ф-довжина хвилі в хвилеводі; р в -4 хвильовий опір хвилеводу

/г д - діюча висота штиря в хвилі

воді, геометрична висота якого /, визначається за формулою

Задаючись величинами х і можна за формулами (6.18), (6.19) і (6.21) знайти висоту штиря /, при якій виходить необхідне /? У х.

Для повного узгодження у конструкціях повинні передбачатися два органи регулювання. Наприклад, можна регулювати висоту штиря / і положення стінки, що закорочує, в хвилеводі U (див. рис. 6.3) або розміри k і S (див. рис. 6.4,6). У ряді випадків для спрощення конструкції обмежуються однією; регулюванням і допускають деяке * неузгодженість в живильному коаксіалі.

6.5. Розрахунок коефіцієнта відображення

Відображення в рупорної антени виникає у двох перерізах: у розкриві рупора (1) і його горловині (Г 2).

Розглянемо коротко кожен із коефіцієнтів відображення. Коефіцієнт відбиття від розкриття Т\ є | комплексним величиною; його модуль та фаза залежать від розмірів розкриття. Суворе рішення задачі для відкритого кінця хвилеводу, затиснутого між двома нескінченними площинами, проведене Вайнштейном Л. А.; дозволяє встановити, что.модуль коефіцієнта відбиття зменшується зі збільшенням розмірів розкриття, а фаза наближається до нуля.

Приблизно модуль коефіцієнта відображення від розкриття для основного типу хвилі може бути визначений із співвідношення

Постійне поширення у прямокутному хвилеводі, г поперечний переріз якого дорівнює розкриву рупора;/" д*// г: . ? \ ^

Постійне поширення в круглому хвилеводі, діаметр якого дорівнює діаметру розкриття конічного рупора.

Коефіцієнт відбиття по довжині рупора від розкриття до горловини змінюється не тільки по фазі, але і по амплітуді. При розмірах розкриття в кілька довжин

Коефіцієнт відбиття fi від відкритого кінця прямокутного хвилеводу (23X10) мм 2 на хвилі 3,2 см, виміряний експериментально, дорівнює

Розглянемо коефіцієнт відбиття від горловини рупора Г 2 .

При визначенні коефіцієнта Р 2 передбачається, що

в рупорі встановилася хвиля, що біжить. Завдання вирішується методом зшивання полів у місці з'єднання хвилеводу

Вибір розмірів рупора

Розміри розкриття пірамідального або секторіального рупора а р і Ь р (див. рис. 6.1) вибираються за необхідною шириною діаграми спрямованості у відповідній площині або к. н. буд.

Ширина діаграми спрямованості пов'язана з розмірами розкриття a v і b v наступними співвідношеннями:

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.

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

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

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-

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:

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):

Тоді перший вираз (3.31) перепишеться у вигляді:

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:

розгортання 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:

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:

Комплексна вхідна провідність напівхвильової щілини