Материал: 736

80

Рис.3.19. Турникетный вибратор:

а - конструкция, б – амплитудная ДН, в – фазовая ДН

Если токи на входах вибраторов равны по амплитуде и синфазны, то турникетная антенна имеет линейную поляризацию. Режим всенаправленного в горизонтальной плоскости излучения используется в телевизионных передающих антеннах турникетного типа. В качестве элементов таких антенн обычно используются петлеобразные вибраторы с шунтовым питанием и увеличенным числом ветвей, предложенные Б. В. Брауде.

3.3. Щелевая антенна

Щелевая антенна представляет собой отверстие, прорезанное в металлической поверхности и возбуждаемое каким либо источником. Источник создает на кромках щели переменное напряжение. Если щель узкая, то напряжение вдоль нее имеет синусоидальное распределение, которое на концах щели должно обращаться в нуль. Обычно используются узкие щели с размерами d / λ = 0,03...0,05 и 2l / λ ≤ 0,5, где d - ширина щели, 2l – ее длина. Переменное электрическое поле щели является источником электромагнитных колебаний.

Щель, излучающая в обе стороны, называется двусторонней. Обычно применяются односторонние щели. Для формирования однонаправленного излучения щель выполняется в одной из стенок волновода или объемного резонатора. Щели бывают также разной конфигурации: прямоугольные, крестообразные, гантельные, уголковые, кольцевые (см. рис. 3.20) и другие.

81

Рис. 3.20. Формы щелей

Метод расчета щелевых антенн основывается на использовании принципа двойственности, который постулирует взаимозаменяемость электрического и магнитного полей и позволяет по известным характеристикам электрического вибратора находить соответствующие характеристики магнитного вибратора (щели) при их одинаковых электрических размерах и конфигурациях. В соответствии с этим принципом выполняют замены

R R R R

I э ® -I м , w ® -1w, E ® H , H ® E .

В случае тонкой линейной двусторонней щели длиной 2l , прорезанной в бесконечно протяженном плоском экране, из (3.7) можно записать

Eϕ = -wHθ ,

где U щ – напряжение на щели.

Сопоставляя (3.7) с (3.53) замечаем, что обе антенны, вибраторная и щелевая, имеют одинаковые ДН, только плоскости поляризации у них развернуты на угол 900 друг относительно друга, поскольку в первом случае присутствует

компонента поля Eθ , во втором Eϕ .

Для щелевой антенны вместо входного импеданса вводят входную проводимость Yщ . Выражение для нее найдем, приравняв компоненты на-

При выполнении этого соотношения будут равны и мощности излучения, из равенства которых следует

I max2 R∑ max = U щ2 G∑ щ .

Учтя (3.54), перепишем

82

Обобщив эту запись на полную мощность, получим связь комплексной входной проводимости щелевой антенны и входного импеданса электрического вибратора

Для односторонней щели проводимость будет в два раза меньше, так как для полупространства в два раза будет меньше полная мощность.

Эквивалентное волновое сопротивление полуволнового щелевого вибратора в свободном пространстве определяется по формуле

Укорочение полуволновой щели, необходимое для настройки ее в резонанс, равно

Входное сопротивление щелевого вибратора рассчитывается по формуле

Наибольшее применение нашла прямолинейная полуволновая щелевая антенна. На УКВ ее возбуждение осуществляется при помощи двухпроводной линии, подключенной к противоположным кромкам щели. На более высоких частотах возбуждение может осуществляться коаксиальным кабелем, оплетка и центральная жила которого также подсоединяются к противоположным кромкам щели, или посредством полосковой линии. С целью согласования точку возбуждения смещают из центра щели, где ее входное сопротивление велико и может достигать значения порядка 1 кОм. На СВЧ щель прорезают в стенке объемного резонатора, который возбуждается ка- ким-либо способом для получения нужной структуры поля, а его поле возбуждает щель. Распределение напряжения вдоль щели в этом случае может быть отличным от синусоидального.

В качестве примера на рис. 3.21 показан излучатель в виде продольной щели в коаксиальной линии и его ДН в горизонтальной (Е) и вертикальной (Н) плоскостях. Щель 1 прорезана в наружном проводнике 3 и возбуждается перемычкой 2 между внутренним проводником 4 коаксиальной линии и одной из кромок щели.

83

Рис.3.21. Щелевой излучатель на коаксиальной линии

Широкое применение щелевые антенны нашли в диапазоне СВЧ в качестве не выступающих бортовых антенн летательных аппаратов.

3.4. Цилиндрическая и коническая спиральные антенны

Подобные антенны относятся к антеннам бегущей волны. Однозаходная цилиндрическая спиральная антенна представляет собой проволочную спираль с постоянным шагом s, выполненную на цилиндрической поверхности радиуса r = а (рис. 3.22, а). Один конец спирали остается свободным, а другой соединен с внутренним проводником коаксиальной

Рис. 3.22. Цилиндрическая и коническая спиральные антенны

линии. Внешний проводник коаксиальной линии присоединяется к металлическому экрану, имеющему форму диска или многоугольника, который может быть сплошным или сетчатым. Экран служит для получения однонаправленного излучения и уменьшения токов, наводимых на внешнем проводнике коаксиального фидера. Диаметр экрана выбирается равным

84

(0,7...0,9)λср. Диаметр проводника спирали обычно на порядок меньше диаметра цилиндрической поверхности 2а. Число витков N = 4…8. Осевая длина

антенны L находится в пределах (0,5...3,0) λmax.

В зависимости от формы ДН и направления максимума излучения различают три режима: режим бокового или поперечного излучения (2πа << λ), режим осевого излучения (2πа λ) и режим наклонного излучения (2πа >> λ). Наиболее используемым является режим осевого излучения, обеспечивающий максимальный КНД и круговую поляризацию в направлении максимума ДН. Направление вращения плоскости поляризации совпада-

ет с направлением намотки спирали. Угол намотки спирали α отсчитывается от нормали к оси антенны и выбирается в пределах 120...200. Осевой режим сохраняется при условии

Максимальный коэффициент перекрытия по частоте, равный двум, получается при α 19о.

Приближенный расчет нормированной ДН цилиндрической спиральной антенны в плоскости ϕ = 0 можно провести по формулам

от оси антенны.

Формулы получены по теореме о перемножении диаграмм направленности элемента системы в виде кольцевого излучателя с бегущей со скоростью света волной тока и множителя направленности ЛНС с бегущей вдоль нее замедленной волной, характеризуемой коэффициентом замедления

ξ = с/Vф. Формулы (3.61), (3.62) не учитывают отражение от конца спирали, затухание тока в ней и влияние экрана на характеристики излучения. Для оценки ширины ДН (в градусах) можно пользоваться выражениями

На рис. 3.23 приведены расчетные (сплошная линия) и экспериментальные (пунктир) ДН для шестивитковой однозаходной цилиндрической спиральной

антенны. Поляризационная диаграмма приближенно определяется функцией

KЭ(θ) cosθ, (3.64) а

КНД в направлении оси антенны может быть рассчитан по формулам: