Балтийский Государственный технический университет
им. Д.Ф.Устинова (“Военмех”) Кафедра И4
Реферат
ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА Группа И-4 Студент
Санкт-Петербург
2004
I. СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Элементарныйщелевой излучатель представляет собой щель, прорезанную в идеально проводящемплоском экране неограниченных размеров. Параметры такого излучателя могут бытьопределены с помощью принципа двойственности. Принцип двойственности применительнок элементарному щелевому излучателю гласит: векторы Е и Н электромагнитногополя щели имеют такое же направление в пространстве и являются такими жефункциями координат, как соответственно Н и Е поля элементарного электрическоговибратора тех же размеров, что и щель.
Воспользовавшисьпринципом перестановочной двойственности можно показать, что поле, создаваемоесимметричным щелевым излучателем, совершенно такое же как и поле, создаваемоесимметричным электрическим вибратором, при взаимозамене направлений электрическогои магнитного векторов.
Резонанснойщелью называют узкую щель, длина которой 2l приблизительноравна половине длины волны в свободном пространстве. Ширина щели d составляетобычно менее десятой доли длины волны. На рис.1 представлены диаграммынаправленности элементарного электрического вибратора (а) и элементарного щелевогоизлучателя (б) соответственно в магнитной и электрической плоскостях.
/>
Характеристикинаправленности одиночной щели, в отличие от элементарного щелевого излучателядлиной 2l/>/ 2, прорезанной вбесконечном экране, рассчитываются по формулам:
в плоскости Н
/>, (1)
в плоскости Е
/>, (2)
где /> и/> - угловые координаты точкинаблюдения;
2l — длина щели;
/>.
Из рассмотренияприведенных формул следует, что щель, прорезанная в экране, не создаетнаправленного излучения в Е-плоскости и ее диаграмма направленности имеет формуполуокружности с каждой стороны экрана. В Н-плоскости направленность излучениящели определяется формулой (1) и зависит от длины щели.
Выводы о направленностиизлучения щели, прорезанной в безграничном экране, можно использовать дляопределения диаграммы направленности щели, прорезанной в стенке волновода,учитывая, что излучение происходит лишь в полупространство. В Н-плоскости диаграмманаправленности будет по-прежнему определяться формулой (1), так как излучениевдоль оси щели отсутствует, а, следовательно, размеры экрана в этом направлениисущественной роли не играют. В Е-плоскости диаграмма направленности щели,прорезанной в волноводе, зависит от размеров стенки волновода и, следовательно,будет отличаться от полуокружности.
Пояснимзависимость диаграммы направленности щели от размеров стенки волновода.Предположим, что щель прорезана в экране конечных размеров. В Е-плоскостиформируется за счет протекания поверхностных токов проводимости (рис.2) исоздания на краю экрана резкой неоднородности в распределении электрическогополя и возникновения так называемых диафрагмированных волн. В любом направленииот щели в Е-плоскости результирующий вектор электрического поля определяетсягеометрической суммой вектора электрических полей трех волн. Фазарезультирующего поля в точке наблюдения будет зависеть в основном от разностихода между диафрагмированными волнами и волной от щели. Соотношение фазуказанных векторов электрических полей будет зависеть от размеров экрана.
Следовательно,будут направления, в которых диафрагмированные волн будут ослаблять поле щели,а также направления, в которых поле щели будет усилено. Таким образом,диаграмма направленности в плоскости Е от щели, прорезанной в экранеограниченных размеров, или в волноводе, будет иметь “волнистый характер”.Примеры диаграмм направленности волноводно-щелевых антенн в зависимости отразмеров экрана показаны на рис.2.
/>
Более точныйрасчет показывает, что размеры экрана в направлении, перпендикулярном оси щели,оказывают значительное влияние на диаграмму направленности и особенно тогда,когда щель располагается на площадке несимметрично, в то время как размерыэкрана в направлении оси щели мало влияют на ее направленные свойства.
Щель в волноводевозбуждается тогда, когда она широкой стороной пересекает поверхностные токи, текущиепо стенкам волновода. При возбуждении волновода волной Н/> имеет место поперечный токи продольный ток на широких стенках волновода (рис.3, а). Эпюры распределениятоков по поперечному сечению волновода приведены на рис.3, б. Поперечный ток всередине широкой стенки волновода равен нулю и нарастает до своегомаксимального значения к краям стенок. Распределение продольного токапредставлено на рис.3, в.
sitednl.narod.ru/1.zip- база сотовых по Петербургу
Как известно,плотность поверхностного тока /> связанас напряжением магнитного поля соотношением:
/>, (3)
где />-нормаль к рассматриваемой поверхности.
/>
Для того чтобыщель излучала, ее следует прорезать вдоль силовых линий магнитного поля вволноводе или, что то же самое, поперек силовых линий тока проводимости,наводимого магнитным полем в стенках волновода. На рис.4 показаны возможныеспособы прорезания щели на широкой стенке волновода прямоугольного сечения,возбуждаемого волной типа Н/>.
/>
Интенсивностьвозбуждения щели зависит от ее положения на стенке волновода. Так, например,продольная щель при х/> не излучает ипоэтому не оказывает влияния на режим работы волновода. Примером такой щелиявляется щель, по которой перемещается зонд в волноводной измерительной линии.По мере увеличения х/>плотностьповерхностного тока увеличивается, так как увеличивается напряженность магнитногополя, и, следовательно, интенсивность возбуждения щели возрастает. По мереувеличения интенсивности возбуждения щели входное сопротивление продольной щелии входная проводимость поперечной щели возрастают.
Интенсивностьвозбуждения щели зависит не только от ее расстояния от средней линии волноводах/>, но и от расстояния междуцентром щели и закорачивающим поршнем. В волноводе без щелей, закороченном наконце, существуют стоячие волны. При этом на конце волновода (закорачивающийпоршень) в соответствии с граничными условиями на идеальной металлическойповерхности существует узел составляющей /> ипучность /> (рис.5).
/>
Чтобы продольнаявозбуждалась с максимальной интенсивностью, ее центр надо поместить в пучность />, т.е. расстояние междупоршнем и щелью — z/> — должноравняться нечетному числу />/ 4. Длямаксимального возбуждения поперечной щели ее следует помещать в пучность />, т.е. на расстоянии равномчетному числу />/ 2 от поршня.
Известно, чтоволновод прямоугольного сечения с волной типа Н/> можнопредставить эквивалентной двухпроводной линией с волновой проводимостью
/>, (4)
где /> -волновое сопротивление.
Щель,прорезанная в стенке волновода, представляет для последнего некоторую нагрузкуи влияет на режим его работы. Часть энергии, идущей по волноводу, излучаетсящелью, часть отражается от нее, как от всякой неоднородности, и направляетсяобратно к генератору, часть проходит дальше. Влияние щели на режим работыволновода характеризуется входной проводимостью Y/> и входнымсопротивлением Z/>. Входноесопротивление (проводимость) щели произвольной длины есть величина комплексная.В основном применяются резонансные щели (Х/>= В/>= 0). Чтобы щель была резонансной, еедлина должна быть несколько меньше />/ 2. Приэтом, чем шире щель, тем больше должна быть величина укорочения. Здесь такжесуществует полная аналогия с симметричным вибратором. Приближенно укорочениеможет быть определено по формуле:
/> (5)
Поперечная щель,прорезанная в широкой стенке волновода, прерывает линии плотности продольной составляющейповерхностного тока. Поэтому эту щель следует рассматривать как сопротивление,последовательно включенное в провода эквивалентной волноводу двухпроводнойсогласованной линии (рис.6, а). В случае резонансной поперечной щелинормированное входное сопротивление рассчитывается по формуле:
/> , (6) где /> - длина волны в волноводе;
/> - длина волны в свободномпространстве;
a — ширинаширокой стенки волновода;
d — ширинаузкой стенки волновода;
х/> — расстояние от серединыширокой стенки до центра щели.
/>
Из рассмотренияформулы (6) видно, что входное сопротивление резонансной поперечной щели максимально,если центр этой щели совпадает с центром широкой стенки волновода (х/>= 0), так как в этом местемаксимален продольный ток, возбуждающий щель; R/> уменьшается помере удаления центра поперечной щели от центра широкой стенки.
Одним из видовпоперечных щелей является щель, прорезанная в пластине, закрывающей торецволновода (рис.7). Для улучшения направленных свойств торцевая волноводнаящелевая антенна снабжается специальным экраном. Щель возбуждается продольнымитоками, замыкающимися на внутренней поверхности пластины. В свою очередь щельвозбуждает систему токов на внешней поверхности торца волновода или экрана. Резонансноеэквивалентное сопротивление такой щели при симметричном расположении ееотносительно широких стенок волновода определяется по формуле (6).
Продольная щельпрерывает линии плотности поперечной составляющей поверхностного тока. Поперечныетоки как бы ответвляются от проводов эквивалентной линии в параллельноприсоединенные к ним шлейфы. Поэтому продольную щель следует рассматривать каксопротивление, присоединенное параллельно двухпроводной линии, т.е. какпроводимость G/> (рис.6, б).Нормированная входная проводимость резонансной продольной щели рассчитываетсяпо формуле:
/> (7)
Из рассмотренияформулы (7) следует, что входная проводимость продольной резонансной щели равнанулю, если щель находится в центре широкой стенки (х/>=0), и максимальна, если щель находится на краю широкой стенки (х/>= a / 2) или набоковой стенке. К аналогичному выводу можно придти из рассмотрения рис.3 и 4.
Приведенныеформулы для эквивалентного приведенного входного сопротивления и эквивалентнойприведенной входной проводимости получены для полуволновых щелей. Эта длинавесьма близка к резонансной длине щели, при которой эквивалентное реактивноесопротивление х/> и эквивалентная реактивная проводимостьb/> равны нулю. Таккак /> и />мало меняются вблизирезонанса, то этими формулами можно пользоваться и для резонансных щелей.
Как указывалосьранее, резонансная длина щели несколько меньше />/2 и тем меньше, чем шире щель. Кроме этого, резонансная длина щели зависит отсмещения ее х/>относительно широкой стенкиволновода. При фиксированной ширине продольной щели и увеличении смещения х/>от нуля до />/ 4
относительно середины широкой стенкиволновода резонансная длина увеличивается, приближаясь к />/ 2. При дальнейшемувеличении смещения щели ее резонансная длина начинает уменьшаться.
Резонанснаядлина поперечной щели в широкой стенке прямоугольного волновода при смещении х/>= 0 равна 2 l = 0,488/>, т.е. незначительноотличается от половины длины волны генератора. Наклонные щели в узкой стенке имеютрезонансную длину, приближенно равную половине длины волны в свободном пространстве.
В тех случаях,когда излучатель должен быть более широкополосным, находят применениегантельные щели. Зависимость входного сопротивления гантельной щели от ееразмеров приведена на рис.8. С увеличением диаметра закругления D точка резонансасмещается в сторону больших длин волн и полоса пропускания увеличивается.
/>
II.ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Структурнаясхема установки для измерения эквивалентной проводимости, сопротивления ихарактеристики направленности щелей приведены на рис.9. Полуволновыерезонансные излучатели прорезаны в металлической пластине, которая можетперемещаться относительно оси волновода (рис.10). Величина смещения щели ( х/>) отсчитывается по шкале. Водном крайнем положении волновод полностью закрыт, что соответствует короткомузамыканию исследуемого щелевого излучателя.
/>
1. Измерениевходного эквивалентного сопротивления резонансной щели, прорезанной вбесконечной проводящей поверхности:
— подключить кгенератору торцевой щелевой излучатель (см. рис.7);
— установитьчастоту генератора (задается преподавателем);
— с помощьюизмерительной линии определить КСВ и запомнить положение одного из минимумовнапряжения в линии. Закоротить излучающую щель. Определить, на сколько и вкакую сторону смещается при закорачивании щели зафиксированный ранее минимумнапряжения в измерительной линии. Определить на круговой диаграмме полныхсопротивлений величину эквивалентного входного сопротивления щели.
/>
Рассчитатьвходное эквивалентное сопротивление торцевой полуволновой щели по формуле (6).Сравнить величины, полученные экспериментальным и расчетным путем.
2. Измерениеэквивалентного входного сопротивления и проводимости поперечной и продольнойрезонансной щели, прорезанных в широкой стенке волновода;
— подключить кгенератору согласно схеме (рис.9) волновод с продольной и поперечной щелями.Переместить пластины со щелями так, чтобы середина поперечной щели оказаласьсимметричной оси волновода. Направить максимум излучения на приемную рупорнуюантенну. Зафиксировать наличие излучения с помощью приемника.Короткозамыкателем настроить щелевой излучатель на максимум излучения.
Снятьнормированную характеристику направленности в плоскости Н. Сравнить срасчетной.
Аналогично п.1определить входное эквивалентное сопротивление поперечной резонансной щели исравнить с расчетными значениями (6).
Повернуть на 90/> излучающую поперечную щельи рупорную приемную антенну. Снять нормированную диаграмму направленности вплоскости Е. Сравнить с расчетной.
3. Определитьэквивалентную входную проводимость продольной излучающей щели для трехположений ( х/>= 0, х/>= 6 мм, х/>=12 мм).
Снятьнормированную диаграмму направленности в плоскостях Е, Н.
Л И Т Е Р А Т УР А
1. КочержевскийГ.Н. Антенно-фидерные устройства. М., “Связь”, 1967
2. Жук М.С.,Молочков Ю.Е. Проектирование антенно-фидерных устройств. М-Л, “Энергия”,1966
3. АйзенбергГ.З. Антенны ультракоротких волн. М., “Связь”, 1967
4. Антенны иустройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающихэлементов. Под ред. Д.И. Воскресенского. М., “Сов. радио”, 1972.