Антени сантиметрових хвиль

 

1. Загальні відомості.

У діапазоні СМХ легко реалізуються антени, розміри яких в десятки разів перевершують довжину хвилі. Це дозволяє формувати дуже вузькі ДС, що дуже важливо для точного визначення напряму, наприклад, в радіолокації.

Гостронаправлені антени СМХ часто складаються з двох елементів: випромінювача і концентратора випромінювання. Випромінювачами є слабонаправленные антени: вібраторні, щілинні, рупорні, діелектричні. В якості концентраторів випромінювання можуть використовуватися, як і в оптиці, суцільні рефлектори – дзеркала або лінзи,

 

2. Щілинні антени.

 

Щілинний випромінювач.

Є вузькою щілиною в стінці хвилеводу або об'ємного резонатора завдовжки (рис. 5.47). Якщо підключити уявний ГВЧ між стінками в середині щілини, то по обидві сторони від нього утворюються чвертьхвильові КЗЛ, в яких виникає стояча хвиля. В середині щілини має місце пучность напруги і електричного поля, по краях – пучность струму і магнітного поля. Оскільки пучности електричного поля відповідає максимальний струм зміщення, то утворюється магнітне поле, силові лінії якого лежать в площині щілини і охоплюють лінії електричного поля. Якщо зіставити структури полів щілинного і електричного вібраторів однакової форми і розмірів, то виявиться, що (рис. 13.43):

 

 

 

Рис. 5.47. Щілинна антена:

а) порівняння з вібратором; б) діаграми спрямованості

 

- однойменні поля в них взаємно перпендикулярні;

- зміна струму (магнітного поля) уздовж одного з них відповідає зміні напруги (магнітного поля) уздовж іншого.

На цій підставі щілинний випромінювач називають магнітним вібратором. Як випромінювач він відрізняється від електричного вібратора тільки поворотом площини поляризації (векторів E і Н) на 90. На такий же кут виявляється поверненою і діаграма спрямованості, форма якої зберігається. Зазвичай щілинна антена випромінює тільки в одному напрямі, оскільки протилежне екранується хвилеводом або резонатором. У цьому випадку ДС ділиться навпіл; напіввісімка в площини щілини і півколо в площині перпендикулярної щілини. Це справедливо для щілинного випромінювача, що прорізається в нескінченно великому, тонкому і ідеально провідному екрані. У реальних умовах розміри екрану (стінки хвилеводу) кінцеві. Це призводить до спотворення форми ДС.

 

Хвилеводно-щілинна антена

Є хвилеводом, в стінках якого прорізають збуджувані щілини. На рис. 5.47 показані магнітні силові лінії хвилі H₁₀ в прямокутному хвилеводі і щілини, розташовані уздовж них, що необхідно для збудження коливань.

 

Рис. 5.48 Способи синфазного збудження щілин

 

Синфазна щілинна антена складається з множини однаково спрямованих і синфазних збуджуваних щілин. Щілини в широкій стінці хвилеводу можуть бути подовжні і поперечні. Подовжні щілини мають бути зміщені відносно середньої лінії, оскільки на ній подовжнього магнітного поля немає. Для синфазного збудження відстань між сусідніми щілинами, розташованими з одного боку від осі має бути рівне . Якщо щілини розташувати симетрично в "шаховому" порядку, то відстань скорочується удвічі ( ). Відстань між поперечними щілинами або подовжніми у бічній стінці також – . Положення подовжньої щілини відносно середньої лінії вузької стінки байдуже, оскільки по усій її ширині магнітне поле рівномірне. Збуджуються коливання також і в похилих щілинах. Збільшення числа щілин уздовж середньої лінії забезпечує звуження ДС в площині цієї лінії. Якщо вимагається звузити ДС в поперечній площині слід розташувати паралельно декілька таких антен.

Для запобігання відзеркалення, у кінці хвилеводу встановлюється навантаження що поглинає енергію, що не випромінюється, яка зазвичай не перевищує 10% від тієї, що поступає на вхід. Коефіцієнт посилення багатощілинних антен можна розрахувати по формулі; де: n – число щілин. Такі антени знаходять застосування в доплерівських РЛС.

 

Діелектрична антена

Діелектрична антена конічної форми (рис. 5.49). Хвиля типу НЕ₁₁ збуджується або з коаксіального фідера за допомогою зонду, або від круглого металевого хвилеводу з хвилею Н₁₁. Як відзначалося, на поверхні діелектричного хвилеводу відбувається часткове відзеркалення, а часткове заломлення променя, що виходить з хвилеводу. Його діаметр плавно зменшується, що призводить до вирівнювання променів (робить їх паралельними) і узгоджує опір антенні з опором середовища рис. 5.49.

 

Рис 5.49. Поперечний переріз стержневої діелектричної антени

 

У зв'язку з незначними втратами, ККД антени високий, тому КДС і КП майже рівні: , де: – довжина антени.

Для отримання гострішої спрямованості використовують багатостержневі діелектричні антени з синфазним збудженням.

Важливою перевагою антени є її нечутливість до зміни площини поляризації хвилі. Тому вона використовується як опромінювач в антенних системах літакових панорамних РЛС, випромінюючих як вертикально, так і горизонтально поляризовані хвилі.

Спіральна антена

Спіральні антени широко застосовуються в сантиметровому, дециметровому діапазонах хвиль в якості антен осьового випромінювання з поляризацією поля, що обертається. Розглянемо циліндричну спіральну антену, зображену на рис.5.50 а. Антена складається з дротяної спіралі 1, завдовжки декілька l, при діаметрі витка D » l/p. Один кінець спіралі залишається вільним, а інший сполучений з внутрішнім провідником коаксіальної лінії 3. Зовнішній провідник коаксіальної лінії приєднується до металевого екрану 2. У спіралі виникає хвиля електричного струму, що біжить, і максимум випромінювання виявляється орієнтованим уздовж осі у бік руху хвилі струму.

 

Рис. 5.50. Циліндрична спіральна антена (а) і розгортка одного витка спіралі (б)

 

Спіраль характеризується наступними параметрами: завдовжки витка ₀, кроком d = (0,15...0,3) l, кутом підйому спіралі a = 12…15°, завдовжки L, діаметром D, числом витків n(3 < n < 11).

 

Для такого режиму роботи спіральної антени характерне те, що вхідний опір кожного витка виходить близьким хвилевому опору, а оскільки сусідні витки збуджуються майже у фазі внаслідок незначної відстані d/l, то режим в спіралі діаметром l/p близький до режиму біжучої хвилі. Фазова швидкість хвилі збудження сусідніх витків уздовж осі Z виявляється дещо менше швидкості світла, і отримується антена подовжнього випромінювання з уповільненою фазовою швидкістю. Антена є широкосмуговою (f_макс/ f_мин=1,7). Розглянута картина випромінювання витка спіралі справедлива у тому випадку, коли в дроті спіралі мають місце малі відзеркалення від кінця спіралі. Відомо, що при великому числі витків (n > 3) відбита від кінця спіралі хвиля по амплітуді мала і нею можна нехтувати. У свою чергу, інтенсивне випромінювання енергії в навколишній простір, супроводжуючий рух хвилі уздовж дроту спіралі, приводить також і до обмеження максимального числа витків. Встановлено, що збільшення числа витків сверходиннадцати (n > 11) не призводить до скільки-небудь істотного звуження ДС.

Таким чином, енергія хвилі витрачається на випромінювання в перших одинадцяти витках, а подальші витки не живляться. Тому число витків спіралі слід вибирати в межах від 4 до 11.

Якщо діаметр спіралі D << l/p, то струми в діаметрально протилежних точках витка мають в просторі протилежний напрям і опір випромінювання витка дуже малий. В цьому випадку спіраль можна розглядати як сукупність елементарних плоских рамок і електричних диполів. У антені встановлюється режим стоячої хвилі, випромінювання уздовж осі спіралі дорівнює нулю, а максимум випромінювання кожного витка і усієї антени виходить в поперечній площині спіралі (рис.5.51 а).

При D >> l/p струми в діаметрально протилежних точках витка і в сусідніх витках опиняються не у фазі, режим біжучої хвилі, порушується і випромінювання уздовж осі Z від окремих елементів витка взаємно компенсується. Максимум ДС антени виявляється орієнтованим під деяким кутом до осі антени (рис. 5.51 в).

 

Рис. 5.51. Режими випромінювання спіральної антени

 

ДС спіральної антени в режимі осьового випромінювання можна розрахувати по формулі (2.8), вважаючи в ній . Вхідний опір спіралі в режимі осьового випромінювання дорівнює приблизно 150 Ом і є майже чисто активним.

До достоїнств циліндричних спіральних антен слід віднести простоту конструкції і диапазонность.

Недоліком є неможливість формування за допомогою однієї спіралі ДС шириною менше 25°, оскільки число витків n не беруть більше 11.

 

Рис. 5.52 Конічних спіральних антен

 

Окрім циліндричних спіральних антен застосовуються також конічні спіральні антени. Приклади таких антен показані на рис. 5.52. У одному випадку спіраль живиться біля основи, в іншому – у верхнього кінця. Конічні спіральні антени мають кращі діапазонні властивості, ніж циліндричні спіральні антени.

 

Рупорна антена.

1). Поверхневі антени. Ця антена відноситься до класу поверхневих (апертурних) антен. Їх головна особливість в тому, що випромінювачем є не лінійний вібратор, а поверхня, що називається поверхнею раскриву. Її площа позначається – і чим ефективніше користується поверхня раскрыва, тим більше коефіцієнт посилення антени.

2). Хвилеводний випромінювач. Відкритий кінець хвилеводу називається раскривом. Хвилі, що біжать, досягають раскрыва, частково випромінюються, а частково відбиваються, оскільки хвилеві опори хвилеводу і вільного простору не погоджені. Тому хвилеводний випромінювач малоефективний.

3). Рупорний випромінювач. Ідея такого випромінювача проста. Потрібно так деформувати випромінюючу частину хвилеводу, щоб забезпечити його узгодження з вільним простором. Для прямокутного хвилеводу з хвилею Н_10, хвилевий опір рівний:

 

Для узгодження потрібно "наблизити" значення до = 377 Ом, тобто k наблизити до одиниці. Це досягається розширенням хвилеводу – збільшенням а. Такий рупор називається секторним, H-плоскостным. У рупорі плоский фронт хвилі перетвориться в циліндричний, фазова швидкість наближається до швидкості світла, а довжина хвилі в хвилеводі – до довжини хвилі у вільному просторі.

 

 

Рис. 5.53 Рупорів

 

Коефіцієнт посилення рупорної антени пропорційний відношенню площі раскрыва до квадрата довжини хвилі:

 

Тут; (рис. 5.53)

Окрім H -плоскостного, можливі площинною, секторний, пірамідальний і конічний рупори (рис. 5.53 би, в, г).

 

Рефлекторна – дзеркальна антена

1). Концентратори випромінювання. Рефлекторні і лінзові антени за принципом дії наближаються до оптичних дзеркал і лінз. Вони не є випромінювачами, але забезпечують концентрацію слабонаправленного випромінювання у вузький промінь. Первинне випромінювання створюється однією з розглянутих вище антен, яка, в даному випадку, називається опромінювачем.

 

 

Рис. 5.54. Параболічний рефлектор

 

2). Параболічний рефлектор. Як відомо, точковий опромінювач випромінює промені, що радіально розходяться, з сферичним фронтом. При однонапрямленому випромінюванні промені мають бути паралельні, а фронт хвилі – плоским. Оскільки фронт хвилі – це поверхня рівних фаз, то довжини шляхів усіх променів від опромінювача, що знаходиться у фокусі F, до площини фронту хвилі (її проекція на рис. 5.54 – директриса АВ), мають бути рівні. Як відомо з математики, геометричне місце точок, сумка відстаней від яких до цієї точки F і до цієї прямої АВ, постійна, називається параболою. Отже параболічне дзеркало концентрує промені, що розходяться, в паралельні.

Для отримання голчастої ДС, використовується рефлектор у вигляді параболоїда обертання (рис. 5.55), Така ДС використовується літаковою панорамою РЛС, для виявлення перешкод в режимі "гори-грози".

Ширина ДС параболоїда розраховується по формулі:

 

де: – ширина ДС в градусах; d – діаметр раскрыва. Коефіцієнт посилення досягає значень: , де: – площа раскрыва.

Приклад: При якому діаметрі раскрыва антена літакової ПРЛС забезпечується ширина ДС в 3 градуси, якщо

Відповідь: d=70 см

Як видно з рішення задачі, в трьохсантиметровому діапазоні габарити антен, що забезпечують вузьку ДС, виявляються цілком прийнятними для літальних апаратів.

3). Рефлектори спеціальної форми.

Зміна конфігурації відбивача призводить до зміни форми ДС. Так, в літакових ПРЛС в режимі «огляд землі» використовується віялова (косеканс-квадратична) ДС у вертикальній площині і вузька голчаста – в горизонтальній.

Віялова ДС забезпечує такий розподіл енергії РХ в просторі, при якому більше видалені участі земної поверхні опромінюються більшою енергією. Це дозволяє виключити залежність рівня відбитого сигналу від відстані до відбиваючого об'єкту.

 

 

Рис. 5.55. Діаграми спрямованості (а); і пристрій (б) антени ПРЛС

 

На рис. 5.55 а показані віялова і голчаста ДС. Для отримання будь-якої ДС, від однієї антени можна використати два рефлектори (рис. 5.55 б). Параболоїдний суцільний рефлектор – для отримання голчастої ДС і рефлектор спеціальної форми, набраний з вертикально (чи горизонтально) розташованих тонких провідників.

Якщо напрям поляризації (вектору E співпадає з напрямом провідників, то в них наводиться ЕРС. виникає струм і відбувається перевипромінювання-відзеркалення. Якщо змінити напрям поляризації на 90°, то ЕРС. у провідниках не наведеться. Відображення піде від суцільного параболоїдного рефлектора. Для цього використовують феритовий обертач площини поляризації.

Лінзові антени

1). Діелектрична (уповільнююча) лінза. Для перетворення променів, що розходяться, від точкового випромінювача в паралельні, можна використати явище їх заломлення на межі двох середовищ з різною діелектричною проникністю.

 

 

Рис. 5.56. Заломлення хвиль діелектричною лінзою

 

На рис. 5.56 показана опукла лінза з діелектрика. Промені з точкового випромінювача сповільнюються лінзою. Їх швидкість зменшується в раз. Випереджаючі промені близькі до осі лінзи проходять в ній більший шлях і витрачають на це більший час, ніж похилі відстаючі промені. При правильному виборі товщини і профілю лінзи, в результаті заломлення, можна отримати пучок паралельних променів з фронтом, паралельним площині раскрива. Аналіз показує, що цій вимозі відповідає гіперболічний профіль опуклої сторони лінзи.

 

 

Рис. 5.57 Прискорююча лінза

 

2). Прискорююча лінза. Те ж завдання можна вирішити, якщо замість уповільнення використати відхилення фазової швидкості хвилі, яке, як відомо, виникає в хвилеводах. З цією метою використовують увігнуту лінзу (рис. 5.57), в якій за допомогою подовжніх металевих стінок утворені хвилеводні канали. Випереджаючі промені проходять в лінзі менший шлях, ніж ті, що відстають, цим досягається випрямлення фронту хвилі.

 

5.9 Фазовані антенні решітки