Приём вкр для публикации в эбс спбгэту "лэти". Скелетно-щелевая антенна: мифы и реальность Одиночная щель

в закритическом режиме при их распространении между параллельными металлическими пластинами мож­но определить расстояние между выступами; d 0 (рис, 5.12), их длину 1{/и толщину - \ - ., \ ^

На рис. 5.13 и 5.14 показаны примеры, конструктив­ного выполнения волноводно-щелевых нерезонансных

антенн с наклонными щелями на узкой стенке волновода при питании антенны прямоугольным волноводом (рис. 5.13) и с продольными щелями на широкой стенке при питании коаксиальным кабелем (рис. 5.14).

Пример конструктивного выполнения волноводно-ще- левой антенны с электромеханическим качанием луча (со съемной верхней щелевой стенкой) приведен на рис. 5.15. Назначение отдельных элементов антенны указано на том- же рисунке.

На рис. 5.1-6,а показан один из вариантов двумерной волноводно-щелевой антенны [Л 11], состоящей из восьми параллельных алюминиевых волноводов, в каждом из которых прорезано десять гантельных щелей. Гантель­ные щели по сравнению с обычными прямоугольными обладают большей полосой пропускания [ЛО 9]. Особен­ностью антенны является то, что четные и нечетные вол­новоды питаются с разных сторон с помощью делителей мощности и весь раскрыв используется для формирова­ния четырех лучей, схема расположения которых в про­странстве показана пунктиром на рис. 5.16,6, Такие ан­тенны применяются, например * в самол ётных допплеров- ских автономных навигационных устройствах, предназна­ченных для определения скорости и угла сноса само­лета.

Набор из нескольких линейных*волноводно-щелевых антенн, расположенных по образующим конической ча­сти летательного аппарата (рис. 5.17) / может использо­ваться для формирования требуемой формы диаграммы направленности [ЛО 7]..

Для защиты.от атмосферных" осадков и пыли раскрыв волноводно-щелевой антенны должен быть закрыт ди­электрической пластиной или же вся излучающая си­стема должна быть помещена в радиопрозрачиый обте­катель. /у.-"-; ;7 ";;>■-■

5.9. Примерный порядок^ расчета волноводно-щелевых

При разработке или проектировании щелевых антенн исходными данными могут быть:

Ширина ДН в двух главных плоскостях или в одной

20q 5 и уровень боковых лепестков;

Коэффициент направленного действия £) 0 ;

Амплитудное:или амплитудно-фазовое распределе­ние по/ антенне и число излучателей N; диапазон частот

Остановимся на порядке расчета для.следующих двух вариантов:

Вариант 1. Задано амплитудное распределение по раскрыву антенны и число излучателей N.

Вариант 2. Задана ширина диаграммы направленно­сти в одной или двух главных плоскостях и уровень бо­кового излучения.

Вначале выбирается тип волноводно-щелевой антен­ны. Если задано углово"е положение главного максиму­ма ДН 0 ГЛ \И антенна должна обеспечить работу в поло­се частот, выбирают нерезонансную антенну. Если же по заданию на проектирование антенна узкополосная, но должна иметь высокое значение к. п. д. - предпочтитель­нее резонансная антенна.

Вариант 1. При заданном законе изменения ампли­туд по раскрыву антенны первоначально определяется расстояние между излучателями d в выбранном для по­строения антенны волноводе данного диапазона частот: В резонансной антенне с перёменнофазными щелями В нерезонансной антенне величина d может быть выбрана двояким,образом. Если задано положение главного максимума ДН в пространстве 6 № то по фор­муле (5.26) находится необходимая величина rf. Если же угол Эгл не задан, то расстояние между излучателями выбирается d^\"k B /2 и притом так, чтобы на крайних- ча­стотах заданного диапазона не было резонансного возбуждения антенны [формула (5.22)]: Далее расчет ведётся в следующем порядке.

Ц С учетом общей эквивалентной схемы антенны, (см. рис. 5.8,6) рассчитывают эквивалентные нормированные проводимости g n (или сопротивления г п) всех N щелей антенны (см. § 5,4).

2. Зная величину gv или г п / по: формулам табл. 5.1 (§ 5.2) определяют смещение центра щелей относи­тельно середины широкой стенки волновода, или угол их наклона 6 в боковой стенке.

Р 3. Рассчитав проводимость излучения щели в волно­воде (т. е. внешнюю прово димость),f по известному зна­чению мощности на входе, (в случае передающей антен­ны) определяют напряжение в пучности щели U m [фор­мула (5.3)], а следовательно, и ширину щели di [форму­ла (5.4)].

4. При известном местоположении щелей на стенке волновода и их ширине по данным § 5.2 находят резо­нансную длину щелей в волноводе.

5. Вычисляют ДН антенны (см. § 5.7) ^ ее к. н. д. и к. у.

Вариант 2. Сначала находят расстояние между излу­чателями аналогично первому варианту расчета. Затем выбирают амплитудное распределение по антенне, обес-

10* 147 начинающее ДН с заданным уровнем боковых лепестков. Далее по известному теперь амплитудному распределе­нию находят длину антенны (соответственно и число излучателей), обеспечивающую требуемую ширину ДН на уровне 0,5 мощности (формулы табл. 5.2 § 5.7). Даль­нейший расчет совпадает с пп. 1-5 предыдущего вариан­та расчета.

Кроме электрического расчета собственно антенны рассчитывают питающую линию и возбудитель, подби­рают необходимый тип вращающегося сочленения, когда это требуется по заданию на проектирование, и опреде­ляют его основные характеристики.

Литература

Г. К ю н PV Микроволновые антенны. ТТёр. с; нем. под ред. М. П. Долуханова. Изд-во «Судостроение», 1967.

"2. Пиет о л ь к ор с А. А. Общая теория дифракционных антенн. ЖТФ, 1944, т. XIV, № 12, ЖТФ, 1946, т. XVI, (Nb 1.

3. «Пособие по курсовому проектированию антенн». ВЗЭЙС, 1967.

4. Я ц у к Л. П., С м и р н о в а Н. ! В. Внутренние проводимости нерезонансных щелей в прямоугольном волноводе. «Известия вузов», Радиотехника, 1967, т. X, 4.

"5. В ещ"Н и к о в а И. Е., Е в ет р о и о в Г. А. Теория согласо­ванных щелевых излучателей. «Радиотехника и электроника», 1965, т. X, № Щ

6. Е в с т р. о и о в Г. А., Ц а р а п к и н С. А, Исследование волно- водно-щелевых антенн: с идентичными резонансными излучателями. «Радиотехника и электроника», 1965, т. X, № 9.

7. Е в ст р о п о в Г. А., Ц а р a ilk и н С. "А: Расчет волново"дно- щелевых антенн с учетом взаимодействия излучателей по основной волне. «Радиотехника и- электроника», 1966, т. XI, № 5.

8. Ш у б а р и н Ю. В. Антенны сверхвысоких частот. Изд-во Харьковского университета, 1960.

9. «Сканирующие антенные системы СВЧ», т. I. Пер. с англ., под ред. Г. Т. Маркова и А. Ф. Чаплина. Изд-во «Советское радио», 1966.

10. Ш й р м а н Я. Д. Радиовблноводы и объемные резонаторы. Связьиздат, 1959.

11. Р е з ник о в Г. Б. Самолетные антенны. Изд-во «Советское радио» , 1962.

РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ Шй

6.1. Основные характеристики рупорных антенн

Волноводно-рупорные антенны являются простейши­ми антеннами сантиметрового диапазона волн.

Они могут формировать диаграммы направленности шириной от 100- 140° (при раскрыве специальной фор­мы) до 10щ520° в пирамидальных рупорах. Возможность дальнейшего сужения диаграммы рупора ограничивается необходимостью резкого увеличения его длины.

Волноводно-рупорные антенны являются широкопо­лосными устройствами и обеспечивают примерно полу­торное перекрытие по диапазону. Возможность измене­ния рабочей частоты в еще больших пределах ограничи­вается возбуждением и распространением высших типов волн в питающих волноводах. Коэффициент полез­ного действия рупора высокий (около 100%). Рупорные антенны,просты в изготовлении. Сравнительно неболь­шое усложнение (включение в волноводный тракт фази­рующей секции) обеспечивает создание поля с круговой поляризацией.

Недостатками рупорных антенн являются: а) гро­моздкость конструкции, огр а н ичив а ю щ а я возможность получения узких диаграмм направленности; б) трудно­сти в регулировании амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве, которые ограничивают возможность снижения уровня боковых лепестков и создания диа­грамм направленности специальной формы.

Рупорные излучатели могут применяться как само­стоятельные антенны или, так же каж и открытые концы волноводов, в качестве элементов более сложных антен­ных устройств. Как самостоятельные антенны рупоры используются в радиорелейных линиях, в станциях ме­теослужбы, весьма широко в радиоизмерительной аппа­ратуре, а также в некоторых станциях специального на­значения. Широко - используются небольшие рупоры. и открытые концы волноводов в качестве облучателей

параболических зеркал и линз. Облучатели в виде линей- , ки рупоров или открытых, концов волноводов могут быть использованы для формирования диаграВм направ­ленности специальной формы, управляемых^ диаграмм или, например, при- использовании одного и того же па­раболоида для создания -карандашной и косекансной] диаграмм!® направленности. Четырехрупорный или вось- мирупорный излучатель может применяться при: Моно­импульсном способе пеленгации. С этой же целью могут быть использованы секториальные рупоры с высшими. : типами волн (#ю, Нщ #зо). Для формирования узких диаграмм направленности могут б ы ть и с п 6 л ь з ов а н ы дву­хмерные решетки, с0ста1влен!ные из открытых концов вол­новодов или,небольших рупоров. Возможно;п о строение плоских или выпуклых фазированных решеток.

ПараграфЩ 6.2-6.9 посвящены, рассмотрению мётоди- щ. расчета рупорных излучателей. В параграф ах 6.10- 6.12 изложены некоторые особенности проектирования рупорно-волноводных фазированных решеток.

6.2. Метод расчета

Расчет рупорных антенн основан на результатах их.анализа, т. е. первоначально ориентировочно задаются; " геометрическими размерами антенны, а затем опреде­ляют ее электрические параметры. Если размеры выёрд- ны неудачно, то расчет повторяется снова.

Поле излучения рупорной антенны; как и всех антенн СВЧ, определяется приближенным методом. Сущность приближения; заключается в том, что несмотря на связь между полем внутри и вне рупора, внутреннюю задачу, решающи^ внешней, и полученные из. этого

решения значения поля в плоскости раскрыва рупора используют для решения внешней Задачи [ДО 1, ЛО 13].

Амплитудное распределение поля в раскрыве рупора принимается таким жё, как в питающем его волноводе. Например, . при возбуждении.;, рупора прямоугольным ВОЛНОВОДОМ С волной #10, вдоль оси Х- (проходящей в плоскости Н) распределение амплитуды поля, косину­соида л ьное, а вдоль оси Y (проходящей, в плоскости Е) амплитудное распределение равномерное. В связи с тем, что фронт волны в рупоре не остается плоским," а транс­формируется в цилиндрический в секториальном; рупоре и в сферический в пирамидальном и коническом, то фа­за поля по раскрыйу; меняется по квадратичному за­кону.

Описанные амплитудное и фазовое распределения поля по раскрыву являются приближенными. Некоторое уточнение дает учет отражения от раскрыва хотя бы только основного типа волны. При этом надо иметь в виду, что коэффициент отражения Г уменьшается с увеличением раскрыва.

Диаграмма направленности рупорной антенны по из­вестному полю в раскрыве может рассчитываться мето­дом волновой оптики на основе принципа Гюйгенса и формулы Кирхгофа [ЛО 13, JIO 11, J10 1]. Применение формулы Кирхгофа к электромагнитному полю не является строгим. Рядом авторов были внесены уточне­ния, учитывающие особенности электромагнитного поля антенны. В силу этого в литературе для расчета диа­граммы направленности имеется несколько различных, но похожих друг на друга формул, которые дают близ­кие результаты. Расчетные формулы будут приведены ниже в § 6.5. Имея выражение для диаграммы направ­ленности, можно найти коэффициент направленного дей­ствия антенны^ зависимость ширины диаграммы направ­ленности от размеров раскрыва!и другие характеристи­ки антенны.

6.3. Выбор геометрических размеров рупора и волноводного излучателя

Рупорная антенна (рис; 6.1) состоит из рупора I, волновода и возбуждающего устройства 3

Если генератор, питающий антенну * имеет коаксиаль­ный выход, то возбуждение антенного волновода 2 осу­ществляется чаще всего штырем, р аспол оженным пер - пендикулярно широкой стенке j волновода, возбуждение к штырю подводится коаксиальным кабелем. Если гене­ратор, питающий антенну, имеет вОлноводный выход, то фидерный тракт выполняется обычно в виде прямоуголь- ногб волновода с волной Н 10 . Волноводный фидер непо­средственно переходит в волновод 2, возбуждающий ру­пор. Расчет возбуждающего устройства в виде; не­симметричного штыря будет приведен в следующем параграфе.

Выбор размеров волновода

Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода а и b .производится из условия распростране­ния в волноводе только основного типа волны #ю:

Соотношение (6.1) представлено на графике рис. 6.2, ко­торый может быть использован для нахождения разме­ров а. Размер Ь должен удовлетворять условию b

Приведем некоторые соображения по расчету зондо­вого перевода (см. рис. 6.3).

Входное сопротивление штыря в волноводе, так же как несимметричного вибратора в свободном пространст­ве, является в общей случае комплексной величиной. Активная часть входного сопротивления зависит: в ос­новном от длины штыря, реактивная - от длины и тол­щины. В" отличие от свободного пространства входное сопротивление штыря в волновбде зависит от структуры поля в волноводе вблизи штыря.

Расчет; реактивной составляющей входного сопротив­ления дает неточные результаты и проводить его не име­ет смысла. Для обеспечения согласования реактивная составляющая входного сопротивления должна быть равна, нулю. Активную составляющую входного сопро­тивления можно считать равной сопротивлению Излуче­ния штыря в волноводе Она должна; быть равн!

Сопротивление излучения штыря в прямоугольном волноводе в режиме бегущей волньь определяется сле­дующим соотношением:

Щри наличии отраженной волны в прямоугольном; волноводе сопротивление штыря несколько изменяется:-

волновому сопротивл ению фидер а.

реактивных частей проводимостей справа и слева от штыря, а именно:

В приведенных формулах приняты следующие обо­значения: а и ЬЩ- размеры поперечного сечения волно­вода; Х\ - положение штыря на широкой -,стен.кё волно­вода, чаще; всего штырь располагается в середине ши­рокой стенки, т. е. Xi = a/2; Zi.-- расстояние от штыря до закорачивающей стенки волновода; гщ- расстояние от штыря до ближайшего узла напряжения; к. б. в. - ко­эффициент бегущей волны в волноводе; Х^ф- длина вол­ны в волноводе; р в -4 волновое сопротивление волновода

/г д - действующая высота штыря в волно­

воде, геометрическая высота которого /, определяется по формуле

Задаваясь величинами х\ и можно по формулам (6.18), (6.19) и (6.21) найти высоту штыря /, при кото­рой получается требуемое /? В х.

Для полного согласования в конструкциях должны предусматриваться два органа регулировки. Например, можно регулировать высоту штыря / и положение за­корачивающей стенки в волноводе U (см. рис. 6.3) или размеры k и S (см. рис. 6.4,6). В ряде случаев для упро­щения конструкции ограничиваются одной; регулиров­кой и допускают некоторое* рассогласование в питаю­щем коаксиале.

6.5. Расчет коэффициента отражения

Отражение в рупорной антенне возникает в двух сече­ниях: в раскрыве рупора (1\) и в его горловине (Г 2).

Рассмотрим коротко каждый из коэффициентов отраже­ния. Коэффициент отражения от раскрыва Т\ является|ком- гглексной величиной; его модуль и фаза зависят от раз­меров раскрыва. Строгое решение задачи для открытого конца волновода, зажатого _между двумя бесконечными плоскостями, проведенное Вайнштейном Л. А.; позво­ляет установить, что.модуль коэффициента отражения уменьшается с увеличением размеров раскрыва, а фаза приближается к нулю.

Приближенно модуль коэффициента отражения от раскрыва для основного типа" волны может быть опре­делен из соотношения

Постоянная распространения в прямоугольном вол­новоде, г поперечное сечение которого равно раскрыву рупора;/" д*// г: . ? \ ^

Постоянная распространения в круглом волноводе, диаметр которого равен диаметру раскрыва коническо­го рупора.

Коэффициент отражения по длине рупора от раскры­ва к горловине изменяется не только по фазе, но и по амплитуде. При размерах раскрыва в несколько длин

Коэффициент отражения fi от открытого конца пря­моугольного волновода (23X10) мм 2 на волне 3,2 см, из­меренный экспериментально, равен

Рассмотрим коэффициент отражения от горловины ру­пора Г 2 .

При определении коэффициента Г 2 предполагается, что

в рупоре установилась бегущая волна. Задача решается методом сшивания полей >в месте соединения волновода

Выбор размеров рупора

Размеры раскрыва пирамидального или секториаль- ного рупора а р и Ь р (см. рис. 6.1) выбираются по требуе­мой ширине диаграммы направленности в соответствую­щей плоскости или по к. н. д.

Ширина диаграммы направленности связана с раз­мерами раскрыва a v и b v следующими соотношениями:

Уважаемые читатели! C 18.11.2019 г. по 17.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к новой уникальной коллекции в ЭБС «Лань»: «Военное дело» .
Ключевой особенностью данной коллекции является образовательный материал от нескольких издательств, подобранный специально по военной тематике. Коллекция включает книги от таких издательств, как: «Лань», «Инфра-Инженерия», «Новое знание», Российский государственный университет правосудия, МГТУ им. Н. Э. Баумана, и некоторых других.

Тестовый доступ к Электронно-библиотечной системе IPRbooks

Уважаемые читатели! C 08.11.2019 г. по 31.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к крупнейшей российской полнотекстовой базе данных - Электронно-библиотечной системе IPR BOOKS . ЭБС IPR BOOKS содержит более 130 000 изданий, из которых более 50 000 - уникальные учебные и научные издания. На платформе Вам доступны актуальные книги, которые невозможно найти в открытом доступе в сети Интернет.

Доступ возможен со всех компьютеров сети университета.

«Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки»

Уважаемые читатели! 13 ноября в 10:00 библиотека ЛЭТИ в рамках договора о сотрудничестве с Президентской библиотекой им.Б.Н.Ельцина приглашает сотрудников и студентов Университета принять участие в конференции-вебинаре «Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки». Мероприятие будет проходить в формате трансляции в читальном зале отдела социально-экономической литературы библиотеки ЛЭТИ (5 корпус пом.5512).

образуется короткозамкнутый четвертьволновый отрезок двухпроводной линии. Обладая большим входным сопротивлением, он не позволяет токам ответвляться на внешнюю оболочку фидера. Поскольку сопротивление между точками "а" и "б" велико, то плечи вибратора на частоте излучения электрически развязаны, несмотря на гальваническую связь между ними. Края щелей обычно делают расширяющимися, чтобы обеспечивалось согласование волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением вибратора.

входное сопротивление вибратора в 4 раза. В связи с этим его удобно применять для питания петлевого вибратора Пистелькорса, входное сопротивление которого составляет 300 Ом, стандартным фидером с ρ ф =75 Ом.

3 . 2 . Щелевые антенны

3.2.1. Типы щелевых антенн. Особенности их конструкции

Щелевая антенна представляет собой узкую щель, прорезанную в металлической поверхности экрана, оболочке резонатора или волновода. Ширина щели 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).

Высокочастотный поверхностный ток, пересекая щель, индуцирует по ее краям переменные заряды (напряжение), а на обратной (наружной) сторо-

не поверхности возбуждаются токи. Электрическое поле в щели и токи на поверхности являются источниками излучения и формируют в пространстве

а в дециметровом – с помощью коаксиальной линии передачи. При этом внешний проводник присоединяется к одной кромке щели, а внутренний – к другой. Для согласования линии передачи с антенной точку питания смещают от середины щели к ее краю. Такая антенна может излучать в обе полусферы. В сантиметровом диапазоне и прилегающей к нему части дециметрового диапазона применяют резонаторные и волноводно-щелевые антенны (см. рис. 3.21, 3.22). В коаксиальных волноводах возбуждаются только поперечные или наклонные щели, в прямоугольных возможны различные варианты размещения щелей (см. рис. 3.21).

Ширина щели оказывает влияние на активную и реактивную части входного сопротивления. Обе составляющие возрастают с увеличением ширины щели. Поэтому для компенсации Х вх надо уменьшать длину щели (укорачивать ее). Рост R вх приводит к расширению полосы пропускания щелевой антенны. Обычно ширина щели d выбирается в диапазоне (0,03…0,15)λ . Для дополнительного расширения полосы пропускания применяют гантельные щели и специальные конструкции возбуждающих устройств.

Помимо диапазонности на выбор ширины щели влияет условие обеспечения электрической прочности. Концентрация электрических зарядов на кромках щели приводит к местным перенапряжениям и возникновению элек-

где E щ max - напряженность электрического поля в пучности. Принимая E щ max = E пр (напряженность пробоя, для сухого воздуха E пр =30кВ/м), находим

На практике выбирают d ≥ K зап d min , где K зап =2…4 - коэффициент запа-

Щели более сложной формы, чем прямоугольные, можно рассматривать как комбинации простых. Они используются для получения электромагнитных волн с требуемыми поляризационными свойствами. Например, крестообразная щель позволяет получить антенну с эллиптической и круговой поляризацией. Направление вращения зависит от направления смещения щели от оси широкой стенки волновода.

Щелевые антенны отличаются простотой конструкции, высокой надежностью и отсутствием выступающих частей, что позволяет использовать их в летательных аппаратах и наземных антенных системах в качестве самостоятельных антенн, облучателей сложных антенных систем и элементов антенных решеток.

3.2.2. Одиночная щель. Принцип двойственности Пистелькорса

Рассмотрим характеристики и параметры так называемой идеальной щелевой антенны, т.е. одиночной щели, прорезанной в идеально проводящем плоском экране. Расчет поля такой антенны с помощью уравнений электродинамики представляет значительные трудности. Он существенно облегчается, если воспользоваться принципом двойственности, сформулированным Пистелькорсом в 1944 году. Этот принцип основан на известной из теории электромагнитного поля перестановочной двойственности уравнений Максвелла. Для щели эти уравнения имеют вид:

Если экран убрать, а щель заменить идеальным плоским вибратором таких же размеров, как щель (рис. 3.23), и с таким же распределением тока, как распределение напряжения вдоль щели (эквивалентным вибратором, вырезанным из экрана для получения щели), то поле, излучаемое им, также бу-

Сравнивая граничные условия щели (3.27) и эквивалентного вибратора (3.29), можно убедиться, что структуры электрического поля вблизи щели и магнитного поля вблизи вибратора совпадают. Граничные условия для эквивалентного вибратора получаются из граничных условий для щели путем перестановки Е ↔ Н . С учетом вышеизложенного для полного поля во всем пространстве можно записать:

где С 1 и С 2 – постоянные коэффициенты.

На практике обычно используют полуволновые щели. При этом независимо от способа возбуждения амплитуда электрического поля в щели максимальна в центре и спадает к краям, т.е. соответствует закону распределения тока в полуволновом вибраторе. Для узкой щели (тонкого вибратора) граничные условия, а значит, и постоянные коэффициенты можно выразить че-

рез напряжение в центре щели U 0 и ток в центре вибратора I 0 (см. рис. 3.23):

Тогда первое выражение в (3.31) перепишется в виде:

Таким образом, принцип двойственности применительно к щелевым антеннам формулируется так: электрическое поле щелевой антенны с точностью до постоянного множителя совпадает с магнитным полем дополнительного вибратора таких же размеров, как щель, и с таким же амплитудным распределением.

Это означает, что ЭМП щели и эквивалентного вибратора отличаются

между собой только поворотом на 90° соответствующих векторов E r щ и E B ,

H r щ и H B .

Применяя принцип двойственности, можно записать для диаграмм направленности:

F щ(θ ) H = F B (θ ) E ;

F щ(θ ) E = F B (θ ) H ,

где F щ (θ ) H , F щ (θ ) E - нормированные ДН щели в плоскостях Н и Е соот-

ветственно; F B (θ ) H , F B (θ ) E - соответствующие нормированные ДН полуволнового вибратора.

При отсчете угла θ от нормали к плоскости щели диаграмма направленности полуволновой щели запишется в соответствии с равенством (3.33) в виде:

ротивление щели, так же как и вибратора, носит комплексный характер и зависит от ее размеров (длины 2l и ширины d ). Величины R щ вх и X щ вх подсчитаны для разных значений l /λ и приводятся в виде графиков в справочной и учебной литературе. Реактивная составляющая щели носит емкостной характер. Настройка щели тем не менее производится также ее укорочением. Величина укорочения подсчитывается по формуле:

Как следует из (3.35), более широкие щели укорачиваются на большую величину.

Входное сопротивление щели связано со входным сопротивлением дополняющего ее вибратора. Эту связь удобнее выражать через комплексную входную проводимость щели:

Комплексная входная проводимость полуволновой щели

Журнал "Радио", номер 9, 1999г.

Если судить по иностранной радиолюбительской литературе, скелетно-щелевая антенна пользуется популярностью на частотах выше 20 МГц. В публикуемой статье предпринята попытка ответить на вопрос - насколько заявленный в литературе ее коэффициент направленного действия соответствует действительности.

В книгах по УКВ антеннам неоднократно описывалась так называемая скелетно-щелевая антенна, причем все без исключения публикации сообщали о ее весьма высоких параметрах, большом коэффициенте направленного действия (КНД), широкой полосе частот и удобстве настройки. Идея антенны предложена Дж. Рамсеем еще в 1949 г. , ее конструкция показана на рис.1, заимствованном из . Активный элемент антенны представляет собой три параллельных полуволновых диполя, расположенных в три этажа друг над другом.

Для уменьшения габаритов антенны концы верхнего и нижнего диполей согнуты под прямым углом по направлению к среднему диполю и соединены с ним. От него же они и возбуждаются. Средний диполь сделан разрезным и соединен с согласующей четвертьволновой двухпроводной линией, одновременно служащей для крепления рефлектора. Рефлектор выполнен как у волнового канала в виде одиночного вибратора, электрическая длина которого несколько больше полуволны. Размеры антенны в длинах волн и значения коэффициента укорочения k, зависящего от диаметра проводников (трубок) d, приведены на рис. 1. Перемещая точку питания XX вдоль двухпроводной линии, можно изменять входное сопротивление антенны от нулевого (около рефлектора) до примерно 400 Ом (в точке YY около активного элемента).

Распределение тока в активном элементе показано на рис. 2. Видно, что пучности (максимумы) тока расположены как раз посередине горизонтальных частей элемента, образуя трехэтажную синфазную систему. В вертикальных частях активного элемента токи невелики и направлены навстречу друг другу. Кроме того, здесь находятся четыре узла тока, поэтому излучение вертикальных частей в дальней зоне отсутствует. Напомним, что в дальней зоне практически полностью формируется диаграмма направленности антенны. Расстояние до дальней зоны составляет несколько длин волн. Оно тем больше, чем больше КНД антенны.

Активный элемент скелетно-щелевой антенны можно также рассматривать как два квадрата, совмещенных одной стороной и точками питания. Однако по сравнению с двумя полноразмерными квадратами периметр активного элемента скелетно-щелевой антенны получается несколько меньше, вероятно изза укорачивающего действия емкости между вертикальными проводниками элемента. Похожую антенну предложил К. Харченко , но в ней два квадрата запитаны с углов и совмещены точками питания.

У простой скелетно-щелевой антенны недостаточно эффективен рефлектор. Устранить этот недостаток можно, выполнив рефлектор точно так же, как и активный элемент (в виде такой же трехэтажной конструкции вибраторов). Двухпроводные линии теперь уже нельзя разместить между элементами, но никто не мешает провести их в плоскости каждого элемента к точке с нулевым потенциалом в середине нижнего горизонтального вибратора.

То, что получается после такой модификации, изображено на рис. 3. Размеры самих элементов остаются прежними, а расстояние между активным элементом и рефлектором уменьшается до 0,18. У этой антенны есть и еще одно достоинство. Перемещая по двухпроводным линиям закорачивающие перемычки, элементы удается подстраивать ее на нужную частоту, а передвигая перемычку рефлектора, легко настроить антенну на максимальный КНД или отношение излучения вперед-назад.

Для такой двухэлементной антенны, описанной в [ и ], сообщается о необычайно высоком КНД в 14...16 дБ! Если бы вторая из названных книг была не серьезным изданием, тогда еще можно было махнуть рукой и не принимать этой цифры всерьез. Но эта книга в целом очень хорошая и почти не содержит ошибок. Ее автор, конечно, не мог испытать все множество приведенных в ней конструкций. Следовательно, если это ошибка, то она появилась раньше, в каких-то других изданиях, и найти первоисточник теперь затруднительно. Вполне понятно, что синфазная система вибраторов должна давать больший КНД, чем одиночный вибратор, но вопрос - насколько? Хотя в на с. 100 и утверждается, что антенна "...фактически является шестиэлементной трехэтажной синфазной", но ведь вибраторы оказываются довольно близко друг к другу, и к тому же укорочены. Это неизбежно должно снизить эффективность. Таким образом, вопросов оказалось больше, чем ответов. К тому же знакомые автору радиолюбители собрались строить именно такую антенну на диапазон 10 метров и уже готовы были потратиться на материал, а он нынче недешев!

Чтобы получить ясный и четкий ответ на вопрос о КНД, был проведен эксперимент в диапазоне 432 МГц. Элементы были согнуты в соответствии с рис. 3 из отрезков эмалированного медного провода диаметром 1,5 мм, соединения пропаяны, а проводники линий в местах установки замыкающих перемычек и присоединения кабеля зачищены от изоляции. Вся конструкция была собрана на деревянном каркасе из сухих тонких реек. Кабель питания проходил от точек питания вдоль того проводника двухпроводной линии, с которым соединялась оплетка, вертикально вниз и подключался непосредственно к выходу генератора стандартных сигналов. Индикатором поля служил полуволновый диполь с детектором и микроамперметром. Он располагался на штативе на расстоянии нескольких метров от антенны. Антенна также закреплялась на примитивном поворотном штативе, который позволял изменять ее ориентацию.

Настроилась антенна достаточно легко и быстро, просто по максимуму излучения в главном направлении. При указанных размерах на частоте 432 МГц расстояния замыкающих перемычек от основания двухпроводных линий для настроенной антенны получились такими: у рефлектора - 43 мм, у активного элемента - 28 мм. Расстояние до точки подключения 50-омного кабеля было 70 мм.

При настройке на максимум КНД обнаруживается небольшой задний лепесток. Подстроив рефлектор, его можно подавить практически полностью. Излучение вбок, вверх и вниз отсутствовало.

КНД, точнее выигрыш антенны, равный произведению КНД и КПД, определялся следующим образом: на индикаторе отмечался уровень сигнала, создаваемый антенной в главном направлении, затем вместо антенны к питающему кабелю подсоединялся полуволновый диполь, расположенный в той же точке пространства. Уровень сигнала от генератора повышался настолько, чтобы получить на индикаторе те же самые показания. Отсчитанное по аттенюатору генератора изменение уровня сигнала численно равно выигрышу антенны относительно полуволнового диполя. Для данной антенны он оказался равным 7 dBd. Относительно изотропного (всенаправленного) излучателя он будет на 2,15 dB больше и составит около 9,2 dBi.

Обратите внимание на буквы d и i в обозначении децибелов - в литературе по антеннам так принято указывать, относительно какого излучателя измерен КНД. Ширина диаграммы направленности по половинной мощности составила в горизонтальной плоскости (по азимуту) около 60°, а в вертикальной плоскости (по углу места) около 90°. Имея эти данные, КНД можно рассчитать и еще одним способом: телесный угол, в который излучает антенна, равен произведению линейных углов, соответствующих ширине диаграммы и выраженных в радианах. Получаем значение около 1,5 стерадиана. В то же время изотропная антенна излучает в телесный угол 4 , или 12,6 стерадиана. КНД по определению есть отношение этих телесных углов и составляет 12,6/1,5 = 8,4 или 9,2 dBi.

Получив столь хорошее совпадение значений КНД, определенных двумя методами, автор решил, что измерять больше уже нечего и с легким разочарованием лишний раз убедился, что чудес в антенной технике не бывает. Тем не менее антенна работает очень хорошо и при небольших габаритах (330x120x120 мм в диапазоне 432 МГц) обеспечивает весьма приличный выигрыш.

УДК 621.396.677.71

DOI: 10.14529/ctcr150203

ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА

Д.С. Клыгач, В.А. Думчев, Н.Н. Репин, Н.И. Войтович

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

Представлена щелевая цилиндрическая антенна с оригинальным устройством согласования с фидером. Антенна выполнена в виде продольной щели на металлической трубе с диаметром, много меньшим длины волны; длина щели меньше длины волны в свободном пространстве. Параметры антенны найдены численным методом в строгой электродинамической постановке задачи. При этом в электродинамической модели антенны учтена конструкция устройства согласования. Теоретические результаты в рабочем диапазоне частот находятся в хорошем количественном соответствии с экспериментальными результатами, полученными на макетах антенн. Предложенные в статье способ и устройство позволяют простым и удобным образом согласовать антенну с фидером.

Ключевые слова: щелевая антенна, полоса согласования, КСВ.

Введение

Щелевая цилиндрическая антенна была впервые предложена в 1938 г. Аланом Блюмлейном (Alan D. Blumlein) с целью применения в телевизионном вещании в диапазоне ультракоротких волн с горизонтальной поляризацией и круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости . Щелевые антенны не нарушают аэродинамику объектов, на которых они установлены, что в дальнейшем определило их широкое применение на подводных лодках, самолетах, ракетах и других подвижных объектах. Щелевые антенны широко используются также в качестве наземных антенн .

В антенне A. D. Blumlein щель прорезана на всю длину полуволновой вертикальной цилиндрической трубы. Для настройки антенны по согласованию с фидером применено устройство регулировки ширины щели, что неудобно для практического использования.

Известна щелевая цилиндрическая антенна A. Alford , содержащая металлическую трубу со сплошной продольной щелью, короткозамыкатель на одном конце щели и устройство для возбуждения антенны на другом конце щели. Диаметр трубы равен 0,12X...0,15X, где X - длина волны в свободном пространстве. В этой антенне щель шунтируется внешней и внутренней поверхностью трубы. Антенна вследствие сравнительно малого диаметра трубы относительно длины волны представляет собой индуктивное сопротивление. Другим следствием шунтирования щели является увеличение фазовой скорости по сравнению с длиной волны в свободном пространстве; тем большее, чем меньше диаметр трубы. Поэтому длина щели выбирается равной нескольким длинам волн в свободном пространстве.

Известна щелевая цилиндрическая антенна для излучения горизонтально поляризованных волн высоких частот , содержащая проводящий цилиндр с продольной щелью, короткозамкну-той с обоих концов цилиндра, возбуждаемой коаксиальным кабелем, внешний проводник которого гальванически соединён с первой кромкой щели, а центральный проводник гальванически соединён со второй кромкой щели.

Общим недостатком этих антенн является то, что в них нет достаточно простых устройств согласования с фидером. Из-за этого усложняется процесс настройки антенны по согласованию с фидером на заданной рабочей частоте.

Цель работы - разработка цилиндрической щелевой антенны с простым устройством согласования с фидером. Длина антенны не должна превышать одной длины волны в свободном пространстве. Устройство согласования должно быть удобным при настройке цилиндрической щелевой антенны по согласованию на рабочую полосу частот.

Для достижения поставленной цели проводились численные и натурные эксперименты.

1. Постановка задачи

Известен вариант возбуждения щелевой антенны с помощью коаксиального кабеля, при этом внешний проводник коаксиального кабеля гальванически соединен с одним широким краем щели, а центральный проводник гальванически соединён с противоположным широким краем щели. В области щели оболочка и внешний проводник коаксиального кабеля удалены, центральный проводник в диэлектрике проложен над щелью. Если диаметр трубы сравнительно велик, то согласование с кабелем при таком способе возбуждения щели достигается выбором расстояния I от точки возбуждения до узкого края щели. При сравнительно небольшом диаметре трубы такой способ не приводит к желаемой цели.

Известен другой вариант возбуждения щелевой антенны с применением в качестве согласующего устройства разомкнутого на конце отрезка коаксиальной линии передачи , который оказался эффективным, когда щель выполнена на металлической полосе.

Требуется исследовать поведение согласования антенны с фидером при упомянутых способах возбуждения цилиндрической щелевой антенны при условии, что диаметр трубы, в которой выполнена щель, много меньше длины волны.

2. Методы решения проблемы

2.1. Теоретический метод

Для щелевой антенны на цилиндре конечной длины численный эксперимент проводился в строгой постановке прямым пространственно-временным методом решения уравнений Максвелла в интегральной форме . Прямой временной метод решает обобщённую на четырёхмерное пространство краевую электродинамическую задачу. Краевая задача, сформулированная для непрерывного континуума, редуцирована к вариационно- и проекционно-сеточным моделям. При этом учитывается реальная конструкция возбудителя и согласующего устройства. На электродинамическую структуру воздействует короткий видеоимпульс, возбуждающий практически все возможные типы собственных колебаний исследуемого объекта, что делает высоко информативной наблюдаемую реакцию, развёрнутую во времени.

2.2. Экспериментальный метод

Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены три макета цилиндрической щелевой антенны. При этом во всех трёх макетах длина щели была одна и та же, равная 0,888 длины волны в свободном пространстве.

На первом макете возбуждение антенны выполнено коаксиальным кабелем, оплетка которого гальванически соединена с одной кромкой щели, а его центральный проводник гальванически соединён с другой кромкой щели.

На втором макете возбуждение антенны выполнено коаксиальным кабелем, оплетка которого гальванически соединена с одной кромкой щели, а его центральный проводник соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля, размещенного на второй кромке щели. Оплетка согласующего отрезка кабеля гальванически соединена со второй кромкой щели.

На третьем макете возбуждение антенны выполнено коаксиальным кабелем, оплетка которого гальванически соединена с одной кромкой щели, а его центральный проводник соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля, который проложен через согласующий цилиндр, гальванически соединенный со второй кромкой щели. При этом оплетка согласующего отрезка кабеля гальванически ни с чем не соединена.

Измерения параметров цилиндрической щелевой антенны проводились в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1, с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения ОБЗОР-ЮЗ согласно инструкции по его эксплуатации. Калибровки прибора при калибровочных мерах - холостого хода «ХХ», короткого замыкания «КЗ», согласованной нагрузки «Нагр.» проводились с подключением калибровочных мер к кабелю измерительному через переход Э2-113/4.

Рис. 1. Схема измерений параметров цилиндрической щелевой антенны

С помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения измеряются -КСВ, реальная и мнимая части комплексного сопротивления в сечении, соответствующем соединению измерительного кабеля с кабелем антенны, которое ниже обозначено как сечение Т2Т2.

Измерения проводились на антенном полигоне с отсутствием отражающих предметов на расстоянии до 5 м. Щелевая антенна устанавливалась вертикально с опорой нижней частью ее цилиндра на деревянную подставку, которая крепилась к измерительной треноге. Высота установки щелевой антенны (нижней части ее цилиндра) относительно поверхности полигона была не менее 1,7 м.

Из теории линии передачи конечной длины (рис. 2) известно , что полное эквивалентное сопротивле-

ние линии передачи Zг

в сечении Т2Т2,

женном на расстоянии / от нагрузки с сопротивлением, определяется по следующей формуле: 2н + iZвtg (р/)

Zв + йнЧ (р/) "

Рис. 2. Линия передачи конечной длины

Здесь 2в - волновое сопротивление линии передачи; Р - коэффициент фазы; Zн - сопротивление нагрузки; Zг - внутреннее сопротивление генератора; / - расстояние от нагрузки до рассматриваемого сечения в линии передачи.

В экспериментах роль отрезка кабеля длиной / выполняет кабель антенны, роль отрезка кабеля между сечениями Т2Т2 и ТТ выполняет измерительный кабель.

При измерении по схеме на рис. 2 измеритель комплексных коэффициентов передачи показывает значения реальной и мнимой части входного сопротивления антенны, трансформированного на вход кабеля антенны, т. е. 2(/) .

Для того чтобы найти сопротивление непосредственно на входе антенны (без влияния трансформации сопротивления измерительным кабелем), выразим из формулы (1) , полагая, что 2 (/) нам известно.

2 (/)-iZ в^ (р/)

Zв - iZ (/) ^ (р/)■

Приведённые ниже результаты измерений являются пересчитанными по этой формуле.

3. Полученные результаты

3.1. Вариант возбуждения антенны с гальваническим контактом центрального проводника коаксиального кабеля с кромкой щели

Для проведения натурных экспериментов был изготовлен первый макет цилиндрической щелевой антенны (рис. 3).

Макет антенны 1 содержит корпус 2 с продольной щелью 3 и коаксиальный кабель 6. Корпус 2выполнен из отрезка цилиндрической алюминиевой трубы длиной 1ДА, с внешним диаметром 0Д4А, и толщиной стенки 0,0044^. Продольная щель 3 с первой 4 и второй 5 кромкой имеет длину 0,888^ и ширину 0,033^. Длина коаксиального кабеля 6 РК-50-2-11 равна 640 мм, что составляет половину длины волны в кабеле на рабочей частоте 332 МГц.

Внешний проводник коаксиального кабеля закреплён на первой кромке щели с образованием гальванического контакта с корпусом антенны. В области щели оболочка и внешний проводник коаксиального кабеля удалены; центральный проводник гальванически соединён со второй кромкой щели.

Кабель закреплён на поверхности цилиндра вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в сторону щели в точке напротив точки возбуждения щели. Полученные путём пересчёта экспериментальных результатов по формуле (2) зависимости реальной и мнимой части входного сопротивления антенны приведены на рис. 4 и 5, соответственно.

Рис. 3. Макет цилиндрической щелевой антенны

Экспериментальная " * Теоретическая

Частота, МГц

Экспериме Георетиче нтальная екая

Частота. МГц

Рис. 4. Зависимость реальной части входного сопротивления антенны от частоты: а - в рабочем диапазоне частот; б - в широком диапазоне частот

Рис. 5. Зависимость мнимой части входного сопротивления от частоты: а - в рабочем диапазоне частот; б - в широком диапазоне частот

Зависимость КСВ от частоты в широком диапазоне частот антенны представлена на рис. 6.

Эксперимент * * Теоретическая

300 400 500 600 700 800 900 1000

Частота, МГц

Рис. 6. Зависимость КСВ от частоты в широком диапазоне частот

Из рассмотрения графиков, приведённых на рис. 5, видно, что мнимая часть входного сопротивления антенны в широком диапазоне частот принимает положительные значения, т. е. является индуктивной. Следовательно, для компенсации индуктивной составляющей части входного сопротивления антенны необходимо использовать согласующее устройство ёмкостного типа. Воспользуемся на втором макете в качестве согласующего устройства разомкнутым на конце отрезком коаксиальной линией передачи длиной менее четверти длины волны. Входное сопротивление такого отрезка является ёмкостным. В результате такое устройство согласования компенсирует индуктивную часть входного сопротивления цилиндрической щелевой антенны.

3.2. Вариант возбуждения антенны с применением согласующего отрезка кабеля

Итак, во втором варианте возбуждения антенны в качестве согласующего устройства применён разомкнутый на конце отрезок коаксиальной линии передачи, длиной менее четверти длины волны (рис. 7).

Как известно , входное сопротивление разомкнутого на конце отрезка линии передачи длиной менее четверти длины волны является ёмкостным. В результате последовательного включения такого устройства согласования на рабочей частоте компенсируется индуктивная часть входного сопротивления антенны.

Во втором макете цилиндрической щелевой антенны применен в качестве согласующего устройства отрезок коаксиальной линии передачи 7, подобно тому, как авторы применили его в широкополосной турникетной щелевой антенне с круговой диаграммой направленности с горизонтальной поляризацией поля излучения . Согласующий отрезок длиной 0,028Х, где X - длина волны на средней частоте рабочего диапазона частот, размещён на второй кромке щели с образованием гальванического контакта между внешним проводником отрезка кабеля и трубой. Центральный проводник кабеля антенны гальванически соединён с центральным проводником согласующего отрезка кабеля. Длина кабеля антенны равна 640 мм.

Как и в первом макете, кабель закреплён на поверхности цилиндра вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в сторону щели в окрестности точки возбуждения щели.

На графике зависимости реальной части входного сопротивления от частоты (рис. 8) видно, что в диапазоне частот 330-450 МГц, значение реальной части равно (50 ± 10) Ом. Мнимая часть входного сопротивления в этом диапазоне возрастает от -50 до +120 Ом, на частоте 332 МГц значение мнимой части входного сопротивления равно нулю (рис. 9). На рис. 10 показана зависимость КСВ от частоты в широком диапазоне частот антенны.

Рис. 7. Цилиндрическая щелевая антенна

Эксперимент Теоретическая

" Г " 1 " -1- i

Эксперимент Теоретическая

1 ■ ■ ■ -,- -

Частота. МГц

Частота, МГц

Рис. 8. Зависимость реальной части входного сопротивления антенны от частоты: а - в рабочем диапазоне частот; б - в широком диапазоне частот

Okciicj "Гсорс HIMCHT и ческая

Эксперимент Теоретическая

Частота, МГц

Частота, МГц

Рис. 9. Зависимость мнимой части входного сопротивления антенны от частоты: а - в рабочем диапазоне частот; б - в широком диапазоне частот

Эксперимент * Теоретическая

■ ■ 1 1 ■ « ■ ■

Частота. МГц

Рис. 10. Зависимость КСВ от частоты в рабочем диапазоне частот

Результаты исследования численным методом зависимости резонансной частоты антенны от длины согласующего отрезка кабеля приведены на рис. 11.

На резонансной частоте мнимая часть входного сопротивления антенны равна нулю, при этом КСВ принимает минимальное значение. Как следует из рассмотрения графиков рис. 11, при увеличении длины согласующего отрезка кабеля минимум КСВ смещается в область низких частот. При изменении длины согласующего отрезка кабеля на 3 мм резонансная частота смещается на 3,5 МГц, т. е. при изменении длины согласующего отрезка кабеля на 1 мм, смещение точки

резонанса по частоте равно примерно 1,2 МГц. Поэтому при точной настройке антенны на рабочую частоту требуется изменять длину согласующего отрезка кабеля на доли миллиметра. Необходимость подбора длины согласующего отрезка кабеля с точностью до долей миллиметра затрудняет процесс настройки антенны.

Эк »-Те спсримент еретическая

Частота, МГц

Рис. 11. Зависимость КСВ антенны от частоты при различной длине согласующего отрезка:

а - 12 мм; б - 15 мм; в - 18 мм; г - 21 мм

3.3. Вариант возбуждения антенны с применением согласующего отрезка кабеля и согласующего цилиндра

С целью выполнения более удобной настройки антенны по согласованию в антенну введено дополнительно устройство в виде короткого трубчатого цилиндрика, называемого далее согласующим цилиндром (рис. 12, 13). Согласующий цилиндр длиной 0,011^, диаметром 0,0044^ расположен на трубе в окрестности второй кромки с образованием гальванического контакта с трубой. Согласующий отрезок кабеля проложен внутри согласующего цилиндра. Центральный проводник кабеля антенны гальванически соединён с центральным проводником согласующего отрезка кабеля. На рис. 12 это соединение условно показано в виде механического соединения путём скрутки центральных проводников. В реальном макете согласующий отрезок кабеля является естественным продолжением возбуждающего кабеля, на котором в области щели удалены оболочка и внешний проводник. Для обеспечения большей площади гальванического контакта с трубой кабель крепится к трубе с помощью муфт с цилиндрическим отверстием и поверхностью цилиндрической формы, прилегающей к трубе.

Идея включения согласующего цилиндра в состав согласующего устройства заключается в следующем. Внутренняя поверхность согласующего цилиндра и внешняя поверхность внешнего проводника согласующего отрезка кабеля образуют цилиндрический конденсатор. (Между обкладками этого конденсатора расположена диэлектрическая оболочка коаксиального кабеля). Этот дополнительно образованный конденсатор последовательно соединён с конденсатором, образованным согласующим отрезком кабеля. Как известно, два последовательно включенных конденсатора совместно имеют ёмкость меньшую, чем меньшая ёмкость соединяемых конденсато-

ров. Следует выбрать длину согласующего цилиндра такой, чтобы образованный конденсатор имел бы ёмкость по величине, близкую требуемой ёмкости для согласования. Тогда настройка антенны по согласованию может быть выполнена за счёт изменения ёмкости большой величины. То есть в качестве согласующего отрезка кабеля можно выбрать отрезок кабеля сравнительно большой длины, а настройку вести путём его подрезания. При этом оказывается, что отрезаемые части кабеля будут иметь сравнительно большую длину. Это обстоятельство делает настройку антенны более удобной.

Рис. 12. Макет цилиндрической щелевой антенны с согласующим цилиндром и согласующим отрезком кабеля: 1 - труба; 2 - согласующий отрезок кабеля; 3 - согласующий цилиндр;

4 - щель; 5 - фидер

Рис. 13. Сечение А-А согласующего устройства на рис. 12: 1 - согласующий цилиндр; 2 - оболочка кабеля; 3 - внешний проводник коаксиального кабеля; 4 - диэлектрик; 5 - центральный проводник коаксиального кабеля; 6 - стенка трубы

Длина согласующего отрезка 32 мм - »-Эксперимент - Теоретическая Длина согласующего отрезка 28 мм -- Эксперимент «-- Теоретическая Длина согласующего отрезка 26 мм --- Эксперимент -Теоретическая

\ V Y\ V\ y\ V\ \\ u V V и \\ v

\\ V \\ \ \ \ \\ v k\ V 1 \ Л \

\\ \ u \ v y- \ \v \v уУ J?" Х/ А V J /У // (/ / / // у

300 310 320 330 340 350 360

Частота, МГц

Рис. 14. Зависимость КСВ антенны от частоты при различной длине согласующего отрезка

На рис. 14 приведены расчётные зависимости КСВ от частоты для различных значений длины согласующего отрезка при неизменной длине и диаметре согласующего цилиндра.

В электродинамической модели антенны учтены все конструктивные элементы, включая муфты. При увеличении длины согласующего отрезка, минимум КСВ смещается в область низких частот. При изменении длины согласующего отрезка на 4 мм, резонансная частота смещается на 2 МГц, т. е. при изменении длины согласующего отрезка на 1 мм, резонансная частота смещается на 0,5 МГц. Таким образом, с введением в конструкцию антенны согласующего цилиндра настройка антенны на заданную частоту оказывается более удобной.

4. Обсуждение результатов

Итак, рассмотрена щелевая цилиндрическая антенна, выполненная на металлической трубе с диаметром много меньшим длины волны. Труба имеет длину большую длины волны, а длина щели имеет длину менее одной длины волны в свободном пространстве, так что щель закорочена

с обоих концов.

Входное сопротивление такой антенны при возбуждении её в центре коаксиальным кабелем таким образом, что его внешний проводник имеет гальванический контакт с одним краем щели, а центральный проводник имеет гальванический контакт с другим краем щели имеет большую индуктивную составляющую. В результате антенна оказывается плохо согласованной с фидером. Смещением точки возбуждения вдоль широкой кромки щели не удаётся согласование антенны с фидером.

Последовательным включением короткого согласующего отрезка кабеля удаётся скомпенсировать на одной частоте реактивную (индуктивную) составляющую входного сопротивления антенны и таким образом добиться идеального согласования на одной рабочей частоте. Однако при этом обнаруживается большая критичность к длине согласующего отрезка кабеля.

Введение в конструкцию согласующего цилиндра позволяет сделать более удобной настройку антенны на рабочую частоту. Удобство это заключается в том, что для смещения резонансной частоты на некоторую величину требуется изменить длину согласующего кабеля на большую величину, по сравнению с той величиной, которая требуется в его отсутствии.

Предложенные способ и устройство позволяют удобным образом согласовать антенну с фидером, в которой диаметр трубы много меньше длины волны, а длина щели меньше длины волны.

Как следует из рассмотрения графиков на рис. 8-10, 14 в области рабочих частот антенны (330...334 МГц) наблюдается хорошее количественное соответствие между расчётными и экспериментальными результатами. Расчётные и экспериментальные зависимости от частоты реальной и мнимой части входного сопротивления и КСВ совпадают между собой с графической точностью. За пределами рабочего диапазона (при f < 328 МГц и при f > 332 МГц) наблюдается заметное отличие в расчётных и экспериментальных результатах. Это отличие можно объяснить тем фактом, что кабель антенны в экспериментах проявляет себя как проходной резонатор, образованный отрезком линии передачи, соизмеримым с длиной волны, нагруженным с одного конца на входное сопротивление антенны, а с другого конца - на сопротивление, образованное неоднородностью в виде перехода с одного типа кабеля на другой тип кабеля через соединители радиочастотные. Упомянутая неоднородность образуется в результате того, что, каждый из кабелей имеет волновое сопротивление, отличающееся от 50 Ом на некоторую величину. Кроме того, соединители радиочастотные имеют не идеальное согласование. Дополнительная погрешность в результаты измерений вносится оттого, что при калибровке прибора «0бзор-103» используется дополнительный переход с разъёма РТС на разъём «Экспертиза». Резонансные свойства проходного резонатора проявляются в виде осциллирующей составляющей на графиках зависимости реальной и мнимой части входного сопротивления антенны от частоты. В окрестности рабочей частоты, на которой может быть достигнуто идеальное согласование, влияние проходного резонатора исключается.

Заключение

Таким образом, выполнены теоретические и экспериментальные исследования трёх вариантов цилиндрической щелевой антенны с тремя вариантами устройств возбуждения:

С известным устройством возбуждения (без применения согласующих устройств);

С устройством возбуждения с применением устройств согласования антенны с фидером в виде короткого открытого на конце отрезка кабеля;

С устройством возбуждения с применением оригинального устройства согласования, включающего в себя согласующий отрезок коаксиального кабеля и согласующего цилиндра.

При этом во всех трёх вариантах диаметр трубы много меньше длины волны, длина антенны не превышает одной длины волны в свободном пространстве. Оригинальное устройство согласования обеспечивает простое и удобное согласование и настройку цилиндрической щелевой антенны на рабочую частоту. Теоретические и экспериментальные результаты в области рабочих частот находятся в хорошем количественном соответствии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства антенн и аппаратных модулей для двухчастотного радиомаячного комплекса системы посадки метрового диапазона формата ILSIII категории ICAO для аэродромов гражданской авиации, включая аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и сложным рельефом местности» по договору № 02.G25.31.0046 между Министерством образования и науки Российской Федерации и Открытым акционерным обществом «Челябинский радиозавод «Полёт» в кооперации с головным исполнителем НИОКТР - Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Литература/References

1. British patent № 515684. HF Electrical Conductors.

2. Voytovich N.I., Klygach D.S., Repin N.N. Slot Turnstile Antenna. 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP - 2013), 8-12 April 2013, Gothenburg, Sweden, 2013, p. 1208-1212.

3. Alford A. Long Slot Antennas. Proc. of the National Electronics Conference, Chicago, IL October 3-5, 1946, p.143.

4. Kraus J.D. Antennas - 1988, TATA McGRAW-HILL Edition, New Delhi, 1997. 894 p.

5. Voytovich N.I., Klygach D.S., Repin N.N. Slot Turnstyle Antenna. 2013 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), IEEE Xplore, pp. 1209-1212.

6. Weiland Т. A Discretization Method for the Solution of Maxwell"s Equations For Six-Component Fields. Electronics and Communication, (AEU), 1977, vol. 31, pp. 116-120.

7. Пименов А.Д. Техническая электродинамика. М.: Радио и связь, 2005. 483 с.

Клыгач Денис Сергеевич, канд. техн. наук, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; [email protected].

Думчев Владимир Анатольевич, инженер, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; [email protected].

Репин Николай Николаевич, инженер, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; [email protected].

Войтович Николай Иванович, д-р техн. наук, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; [email protected].

DOI: 10.14529/ctcr150203

A SLOTTED CYLINDER ANTENNA

D.S. Klygach, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected], V.A. Dumchev, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, vladimir. [email protected],

N.N. Repin, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected],

N.I. Voytovich, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected]

A slotted cylinder antenna with the original matching device is presented in the paper. A slotted cylinder antenna is made on the shape of longitudinal slot based on a metallic tube with diameter much smaller than the wave length. The length of the slot is much smaller than the wave length in

free space. The antenna parameters are found by numerical method in the strict electrodynamic formulation of the problem. For this purpose the construction of the matching device is taken into account in the electrodynamic model of the antenna. Reached theoretical results in antenna bandwidth of examined antenna demonstrate good quantitative match with experimental results. The method and original matching device suggested in the paper are characterized by simplicity of the antenna matching with a feeder.

Keywords: slot antenna, pattern, bandwidth, VSWR.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

REFERENCE TO ARTICLE

Цилиндрическая щелевая антенна / Д.С. Клыгач,

B.А. Думчев, Н.Н. Репин, Н.И. Войтович // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2015. - Т. 15, № 2. -

C. 21-31. DOI: 10.14529/ctcr150203

Klygach D.S., Dumchev V.A., Repin N.N., Voy-tovich N.I. A Slotted Cylinder Antenna. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2015, vol. 15, no. 2, pp. 21-31. (in Russ.) DOI: 10.14529/ctcr150203