Щелевая антенна диаграмма. Приём вкр для публикации в эбс спбгэту "лэти". Двумерная антенная решётка
Знаете ли Вы,
что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.
Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").
Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
- Перевод
Статья на перевод предложена alessandro893 . Материал взят с обширного справочного сайта, описывающего, в частности, принципы работы и устройство радаров.
Антенна – это электрическое устройство, преобразующее электроэнергию в радиоволны и наоборот. Антенна используется не только в радарах, но и в глушилках, системах предупреждения об облучении и в системах коммуникаций. При передаче антенна концентрирует энергию передатчика радара и формирует луч, направляемый в нужную сторону. При приёме антенна собирает возвращающуюся энергию радара, содержащуюся в отражённых сигналах, и передаёт их на приёмник. Антенны часто различаются по форме луча и эффективности.
Слева – изотропная антенна, справа – направленная
Дипольная антенна
Дипольная антенна, или диполь – самый простой и популярный класс антенн. Состоит из двух одинаковых проводников, проводов или стержней, обычно с двусторонней симметрией. У передающих устройств к ней подаётся ток, а у принимающих – принимается сигнал между двумя половинами антенны. Обе стороны фидера у передатчика или приёмника соединены с одним из проводников. Диполи – резонирующие антенны, то есть их элементы служат резонаторами, в которых стоячие волны переходят от одного конца к другому. Так что длина элементов диполя определяется длиной радиоволны.
Диаграмма направленности
Диполи – это ненаправленные антенны. В связи с этим их часто используют в системах связи.
Антенна в виде несимметричного вибратора (монопольная)
Несимметричная антенна представляет собой половину дипольной, и монтируется перпендикулярно проводящей поверхности, горизонтальному отражающему элементу. Коэффициент направленного действия монопольной антенны вдвое больше, чем у дипольной антенны удвоенной длины, поскольку под горизонтальным отражающим элементом нет никакого излучения. В связи с этим КНД такой антенны в два раза выше, и она способна передавать волны дальше, используя ту же самую мощность передачи.
Диаграмма направленности
Антенна "волновой канал ", антенна Яги-Уда, антенна Яги
Диаграмма направленности
Уголковая антенна
Тип антенны, часто используемой на УКВ и УВЧ-передатчиках. Состоит из облучателя (это может быть диполь или массив Яги), укреплённого перед двумя плоскими прямоугольными отражающими экранами, соединёнными под углом, обычно в 90°. В качестве отражателя может выступать лист металла или решётка (для низкочастотных радаров), уменьшающая вес и уменьшающая сопротивление ветру. У уголковых антенн широкий диапазон, а усиление составляет порядка 10-15 дБ.
Диаграмма направленности
Вибраторная логопериодическая (логарифмическая периодическая) антенна, или логопериодическая решетка из симметричных вибраторов
Логопериодическая антенна (ЛПА) состоит из нескольких полуволновых дипольных излучателей постепенно увеличивающейся длины. Каждый состоит из пары металлических стержней. Диполи крепятся близко, один за другим, и подключаются к фидеру параллельно, с противоположными фазами. По виду такая антенна похожа на антенну Яги, но работает она по-другому. Добавление элементов к антенне Яги увеличивает её направленность (усиление), а добавление элементов к ЛПА увеличивает её полосу частот. Её главное преимущество перед другими антеннами – чрезвычайно широкий диапазон рабочих частот. Длины элементов антенны относятся друг к другу по логарифмическому закону. Длина самого длинного из элементов составляет 1/2 от длины волны самой низкой из частот, а самого короткого – 1/2 от длины волны самой высокой частоты.
Диаграмма направленности
Спиральная антенна
Спиральная антенна состоит из проводника, закрученного в виде спирали. Обычно они монтируются над горизонтальным отражающим элементом. Фидер соединяется с нижней частью спирали и горизонтальной плоскостью. Они могут работать в двух режимах – нормальном и осевом.
Нормальный (поперечный) режим: размеры спирали (диаметр и наклон) малы по сравнению с длиной волны передаваемой частоты. Антенна работает так же, как закороченный диполь или монополь, с такой же схемой излучения. Излучение линейно поляризуется параллельно оси спирали. Такой режим используется в компактных антеннах у портативных и мобильных раций.
Осевой режим: размеры спирали сравнимы с длиной волны. Антенна работает как направленная, передавая луч с конца спирали вдоль её оси. Излучает радиоволны круговой поляризации. Часто используется для спутниковой связи.
Диаграмма направленности
Ромбическая антенна
Ромбическая антенна – широкополосная направленная антенна, состоящего из одного-трёх параллельных проводов, закреплённых над землёй в виде ромба, поддерживаемого в каждой вершине вышками или столбами, к которым провода крепятся при помощи изоляторов. Все четыре стороны антенны одинаковой длины, обычно не менее одной длины волны, или длиннее. Часто используются для связи и работы в диапазоне декаметровых волн.
Диаграмма направленности
Двумерная антенная решётка
Многоэлементный массив диполей, используемых в КВ диапазонах (1,6 – 30 МГц), состоящий из рядов и столбцов диполей. Количество рядов может быть 1, 2, 3, 4 или 6. Количество столбцов – 2 или 4. Диполи горизонтально поляризованы, а отражающий экран располагается за массивом диполей для обеспечения усиленного луча. Количество столбцов диполей определяет ширину азимутального луча. Для 2 столбцов ширина диаграммы направленности составляет около 50°, для 4 столбцов - 30°. Главный луч можно отклонять на 15° или 30° для получения максимального охвата в 90°.
Количество рядов и высота самого нижнего элемента над землёй определяет угол возвышения и размер обслуживаемой территории. Массив из двух рядов обладает углом в 20°, а из четырёх – в 10°. Излучение двумерной решётки обычно подходит к ионосфере под небольшим углом, и из-за низкой частоты часто отражается обратно к поверхности земли. Поскольку излучение может многократно отражаться между ионосферой и землёй, действие антенны не ограничено горизонтом. В результате такая антенна часто используется для связи на дальние расстояния.
Диаграмма направленности
Рупорная антенна
Рупорная антенна состоит из расширяющегося металлического волновода в форме рупора, собирающего радиоволны в луч. У рупорных антенн очень широкий диапазон рабочих частот, они могут работать с 20-кратным разрывом его границ – к примеру, от 1 до 20 ГГц. Усиление варьируется от 10 до 25 дБ, и часто они используются в качестве облучателей более крупных антенн.
Диаграмма направленности
Параболическая антенна
Одна из самых популярных антенн для радаров – параболический отражатель. Облучатель располагается в фокусе параболы, и энергия радара направляется на поверхность отражателя. Чаще всего в качестве облучателя используется рупорная антенна, но можно использовать и дипольную, и спиральную.
Поскольку точечный источник энергии находится в фокусе, он преобразуется в волновой фронт постоянной фазы, что делает параболу хорошо приспособленной для использования в радарах. Изменяя размер и форму отражающей поверхности, можно создавать лучи и схемы излучения различной формы. Направленность параболических антенн гораздо лучше, чем у Яги или дипольной, усиление может достигать 30-35 дБ. Главный их недостаток – неприспособленность к низким частотам из-за размера. Ещё один – облучатель может блокировать часть сигнала.
Диаграмма направленности
Антенна Кассегрена
Антенна Кассегрена очень похожа на обычную параболическую, но использует систему из двух отражателей для создания и фокусировки луча радара. Основной отражатель параболический, а вспомогательный – гиперболический. Облучатель находится в одном из двух фокусов гиперболы. Энергия радара из передатчика отражается от вспомогательного отражателя на основной и фокусируется. Возвращающаяся от цели энергия собирается основным отражателем и отражается в виде сходящегося в одной точке луча на вспомогательный. Затем она отражается вспомогательным отражателем и собирается в точке, где расположен облучатель. Чем больше вспомогательный отражатель, тем ближе он может быть к основному. Такая конструкция уменьшает осевые размеры радара, но увеличивает затенение раскрыва. Небольшой вспомогательный отражатель, наоборот, уменьшает затенение раскрыва, но его нужно располагать подальше от основного. Преимущества по сравнению с параболической антенной: компактность (несмотря на наличие второго отражателя, общее расстояние между двумя отражателями меньше, чем расстояние от облучателя до рефлектора параболической антенны), уменьшение потерь (приёмник можно разместить близко от рупорного излучателя), уменьшение интерференции по боковому лепестку для наземных радаров. Основные недостатки: сильнее блокируется луч (размер вспомогательного отражателя и облучателя больше, чем размер облучателя обычной параболической антенны), плохо работает с широким диапазоном волн.
Диаграмма направленности
Антенна Грегори
Слева – антенна Грегори, справа - Кассегрена
Параболическая антенна Грегори очень похожа по структуре на антенну Кассегрена. Отличие в том, что вспомогательный отражатель искривлён в противоположную сторону. Конструкция Грегори может использовать меньший по размерам вспомогательный отражатель по сравнению с антенной Кассегрена, в результате чего перекрывается меньшая часть луча.
Офсетная (асимметричная) антенна
Как следует из названия, излучатель и вспомогательный отражатель (если это антенна Грегори) у офсетной антенны смещены от центра основного отражателя, чтобы не блокировать луч. Такая схема часто используется на параболических антеннах и антеннах Грегори для увеличения эффективности.
Антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной
Ещё одна схема, предназначенная для борьбы с блокированием луча вспомогательным отражателем,- это антенна Кассегрена с плоской пластиной. Она работает с учётом поляризации волн. У электромагнитной волны есть 2 компоненты, магнитная и электрическая, всегда находящиеся перпендикулярно друг другу и направлению движения. Поляризация волны определяется ориентацией электрического поля, она бывает линейной (вертикальной/горизонтальной) или круговой (круговой или эллиптической, закрученной по или против часовой стрелки). Самое интересное в поляризации – это поляризатор, или процесс фильтрации волн, оставляющий только волны, поляризованные в одном направлении или в одной плоскости. Обычно поляризатор изготавливают из материала с параллельным расположением атомов, или это может быть решётка из параллельных проводов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны. Часто принимается, что расстояние должно быть примерно в половину длины волны.
Распространённое заблуждение состоит в том, что электромагнитная волна и поляризатор работают схожим образом с колеблющимся тросом и дощатым забором – то есть, к примеру, горизонтально поляризованная волна должна блокироваться экраном с вертикальными щелями.
На самом деле, электромагнитные волны ведут себя не так, как механические. Решётка из параллельных горизонтальных проводов полностью блокирует и отражает горизонтально поляризованную радиоволну и пропускает вертикально поляризованную – и на оборот. Причина следующая: когда электрическое поле, или волна, параллельны проводу, они возбуждают электроны по длина провода, и поскольку длина провода многократно превышает его толщину, электроны могут легко двигаться и поглощают большую часть энергии волны. Движение электронов приведёт к появлению тока, а ток создаст свои волны. Эти волны погасят волны передачи и будут вести себя как отражённые. С другой стороны, когда электрическое поле волны перпендикулярно проводам, оно будет возбуждать электроны по ширине провода. Поскольку электроны не смогут активно двигаться таким образом, отражаться будет очень малая часть энергии.
Важно отметить, что, хотя на большинстве иллюстраций у радиоволн всего 1 магнитное и 1 электрическое поле, это не значит, что они осциллируют строго в одной плоскости. На самом деле можно представлять, что электрические и магнитные поля состоят из нескольких подполей, складывающихся векторно. К примеру, у вертикально поляризованной волны из двух подполей результат сложения их векторов вертикальный. Когда два подполя совпадают по фазе, результирующее электрическое поле всегда будет стационарным в одной плоскости. Но если одно из подполей медленнее другого, тогда результирующее поле начнёт вращаться вокруг направления движения волны (это часто называют эллиптической поляризацией). Если одно подполе медленнее других ровно на четверть длины волны (фаза отличается на 90 градусов), то мы получим круговую поляризацию:
Для преобразования линейной поляризации волны в круговую поляризацию и обратно необходимо замедлить одно из подполей относительно других ровно на четверть длины волны. Для этого чаще всего используется решётка (четвертьволновая фазовая пластина) из параллельных проводов с расстоянием между ними в 1/4 длины волны, расположенных под углом в 45 градусов к горизонтали.
У проходящей через устройство волны линейная поляризация превращается в круговую, а круговая – в линейную.
Работающая по этому принципу антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной состоит из двух отражателей равного размера. Вспомогательный отражает только волны с горизонтальной поляризацией и пропускает волны с вертикальной поляризацией. Основной отражает все волны. Пластина вспомогательного отражателя располагается перед основным. Он состоит из двух частей – это пластина со щелями, идущими под углом в 45°, и пластина с горизонтальными щелями шириной менее 1/4 длины волны.
Допустим, облучатель передаёт волну с круговой поляризацией против часовой стрелки. Волна проходит через четвертьволновую пластину и превращается в волну с горизонтальной поляризацией. Она отражается от горизонтальных проводов. Она опять проходит через четвертьволновую пластину, уже с другой стороны, и для неё провода пластины ориентированы уже зеркально, то есть, будто бы повёрнуты на 90°. Предыдущее изменение поляризации отменяется, так что волна снова приобретает круговую поляризацию против часовой стрелки и идёт обратно к основному отражателю. Отражатель меняет поляризацию с идущей против часовой стрелки на идущую по часовой. Она проходит через горизонтальные щели вспомогательного отражателя без сопротивления и уходит в направлении целей вертикально поляризованной. В режиме приёма всё происходит наоборот.
Щелевая антенна
Хотя у описанных антенн довольно большое усиление по отношению к размеру апертуры, у всех них есть общие недостатки: большая восприимчивость по боковым лепесткам (подверженность мешающим отражениям от земной поверхности и чувствительность к целям с низкой эффективной площадью рассеяния), уменьшение эффективности из-за блокирования луча (проблема с блокированием есть у малых радаров, которые можно использовать на летающих аппаратах; большие радары, где проблема с блокированием меньше, нельзя использовать в воздухе). В результате была придумана новая схема антенны – щелевая. Она выполнена в виде металлической поверхности, обычно плоской, в котором прорезаны отверстия или щели. Когда её облучают на нужной частоте, электромагнитные волны испускаются из каждого слота – то есть, слоты выступают в роли отдельных антенн и формируют массив. Поскольку луч, идущий из каждого слота, слабый, их боковые лепестки также очень малы. Щелевые антенны характеризуются высоким усилением, малыми боковыми лепестками и малым весом. В них могут отсутствовать выступающие части, что в ряде случаев является их важным преимуществом (например, при установке на летательных аппаратах).
Диаграмма направленности
Пассивная фазированная антенная решётка (ПФАР)
Радар с МИГ-31
С ранних времён создания радаров разработчиков преследовала одна проблема: баланс между точностью, дальностью и временем сканирования радара. Она возникает оттого, что у радаров с более узкой шириной пучка повышается точность (увеличивается разрешение) и дальность при той же мощности (концентрация мощности). Но чем меньше ширина пучка, тем дольше радар сканирует всё поле зрения. Более того, радару с большим усилением потребуются антенны большего размера, что неудобно для быстрого сканирования. Для достижения практичной точности на низких частотах радару потребовались бы настолько громадные антенны, что их было бы затруднительно поворачивать с механической точки зрения. Для решения этой проблемы была создана пассивная фазированная антенная решётка. Она полагается не на механику, а на интерференцию волн для управления лучом. Если две или более волн одного типа осциллируют и встречаются в одной точке пространства, суммарная амплитуда волн складывается примерно так же, как складываются волны на воде. В зависимости от фаз этих волн интерференция может усиливать или ослаблять их.
Луч можно формировать и управлять им электронным способом, контролируя разность фаз группы передающих элементов – таким образом можно контролировать, в каких местах происходит усиливающая или ослабляющая интерференция. Из этого следует, что в радаре самолёта для управления лучом из стороны в сторону должно быть не менее двух передающих элементов.
Обычно радар с ПФАР состоит из 1 облучателя, одного МШУ (малошумящего усилителя), одного распределителя мощности, 1000-2000 передающих элементов и равного количества фазовращателей.
Передающими элементами могут быть изотропные или направленные антенны. Некоторые типичные виды передающих элементов:
На первых поколениях истребителей чаще всего использовались патч-антенны (полосковые антенны), поскольку их проще всего разрабатывать.
Современные массивы с активной фазой используют желобковые излучатели из-за их широкополосных возможностей и улучшенного усиления:
Вне зависимости от типа используемой антенны увеличение количества излучающих элементов улучшает характеристики направленности радара.
Как мы знаем, при одинаковой частоте радара увеличение апертуры приводит к уменьшению ширины пучка, что увеличивает дальность и точность. Но у фазированных решёток не стоит увеличивать расстояние между излучающими элементами в попытке увеличения апертуры и уменьшения стоимости радара. Поскольку если расстояние между элементами больше, чем рабочая частота, могут появляться побочные лепестки, заметно ухудшающие эффективность радара.
Самая важная и дорогая часть ПФАР – фазовращатели. Без них невозможно управлять фазой сигнала и направлением луча.
Они бывают разных видов, но в целом их можно разделить на четыре типа.
Фазовращатели с временной задержкой
Простейший тип фазовращателей. Сигналу на прохождение линии передачи нужно время. Эта задержка, равная фазовому сдвигу сигнала, зависит от длины линии передачи, частоты сигнала и фазовой скорости сигнала в передающем материале. Переключая сигнал между двумя или более линиями передач заданной длины, можно управлять фазовым сдвигом. Переключающие элементы – это механические реле, pin-диоды, полевые транзисторы или микроэлектромеханические системы. pin-диоды часто используются из-за высокой скорости, низких потерь и простых цепей смещения, обеспечивающих изменение сопротивления от 10 кОм до 1 Ом.
Задержка, сек = фазовый сдвиг ° / (360 * частота, Гц)
Их недостаток в увеличении фазовой ошибки с увеличением частоты и увеличении размера с уменьшением частоты. Также изменение фазы изменяется в зависимости от частоты, поэтому для слишком малых и больших частот они неприменимы.
Отражательный/квадратурный фазовращатель
Обычно это квадратурное устройство связи, разделяющее входной сигнал на два сигнала, различающихся по фазе на 90°, которые затем отражаются. Затем они комбинируются по фазе на выходе. Эта схема работает благодаря тому, что отражение сигнала от проводящих линий могут быть смещены по фазе по отношению к падавшему сигналу. Сдвиг по фазе изменяется от 0° (открытая цепь, нулевая ёмкость варактора) до -180° (цепь закорочена, ёмкость варактора бесконечна). Такие фазовращателя обладают широким диапазоном работы. Однако физические ограничения варакторов приводят к тому, что на практике сдвиг по фазе может достигать только 160°. Но для большего сдвига возможно комбинировать несколько таких цепей.
Векторный IQ-модулятор
Так же, как и у отражательного фазовращателя, здесь сигнал разделяется на два выхода с 90-градусным смещением фазы. Входящая фаза без смещения называется I-каналом, а квадратура с 90-градусным смещением называется Q-каналом. Затем каждый сигнал проходит через двухфазный модулятор, способный сдвигать фазу сигнала. Каждый сигнал подвергается сдвигу фазы на 0° или 180°, что позволяет выбрать любую пару квадратурных векторов. Затем два сигнала рекомбинируются. Поскольку затухание обоих сигналов можно контролировать, у выходящего сигнала контролируется не только фаза, но и амплитуда.
Фазовращатель на фильтрах верхних/нижних частот
Был изготовлен для решения проблемы фазовращателей с временной задержкой, не способных работать на большом диапазоне частот. Работает путём переключения пути сигнала между фильтрами верхних и нижних частот. Похож на фазовращатель с временной задержкой, только вместо линий передачи используются фильтры. Фильтр верхних частот состоит из последовательности индукторов и конденсаторов, обеспечивающих опережение по фазе. Такой фазовращатель обеспечивает постоянный сдвиг фазы в диапазоне рабочих частот. Также его размер гораздо меньше, чем у предыдущих перечисленных фазовращателей, поэтому он чаще всего используется в радарах.
Если подытожить, то по сравнению с обычной отражающей антенной, основными преимуществами ПФАР будут: высокая скорость сканирования (увеличение количества отслеживаемых целей, уменьшение вероятности обнаружения станцией предупреждения об облучении), оптимизация времени нахождения на цели, высокое усиление и малые боковые лепестки (тяжелее заглушить и обнаружить), случайная последовательность сканирования (сложнее заглушить), возможность использовать особые техники модуляции и обнаружения для извлечения сигнала из шума. Основные недостатки – высокая стоимость, невозможность сканирования шире 60 градусов в ширину (поле зрения стационарного фазового массива – 120 градусов, механический радар может расширить его до 360).
Активная фазированная антенная решётка
Снаружи АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) отличить сложно, но внутри они кардинально различаются. ПФАР использует один или два высокомощных усилителя, передающего один сигнал, который затем делится на тысячи путей для тысяч фазовращателей и элементов. Радар с АФАР состоит из тысячи модулей приёма/передачи. Поскольку передатчики находятся непосредственно в самих элементах, у него нет отдельных приёмника и передатчика. Различия в архитектуре представлены на картинке.
У АФАР большинство компонентов, таких, как усилитель слабых сигналов, усилитель большой мощности, дуплексор, фазовращатель уменьшены и собраны в одном корпусе под названием модуля приёма/передачи. Каждый из модулей представляет собой небольшой радар. Архитектура их следующая:
Хотя АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) используют интерференцию волн для формирования и отклонения луча, уникальный дизайн АФАР даёт много преимуществ по сравнению с ПФАР. К примеру, усилитель слабого сигнала находится рядом с приёмником, до компонентов, где теряется часть сигнала, поэтому у него отношение сигнал/шум лучше, чем у ПФАР.
Более того, при равных возможностях обнаружения у АФАР меньше рабочий цикл и пиковая мощность. Также, поскольку отдельные модули АФАР не полагаются на один усилитель, они могут одновременно передавать сигналы с разными частотами. В результате АФАР может создавать несколько отдельных лучей, разделяя массив на подмассивы. Возможность работать на нескольких частотах приносит многозадачность и способность развёртывать системы радиоэлектронного подавления в любом месте по отношению к радару. Но формирование слишком большого количества одновременных лучей уменьшает дальность действия радара.
Два главных недостатка АФАР – высокая стоимость и ограниченность поля зрения 60 градусами.
Гибридные электронно-механические фазированная антенные решётки
Очень высокая скорость сканирования ФАР сочетается с ограничением поля зрения. Для решения этой проблемы на современных радарах ФАР располагаются на подвижном диске, что увеличивает поле зрения. Не стоит путать поле зрения с шириной пучка. Ширина пучка относится к лучу радара, а поле зрения – общий размер сканируемого пространства. Узкие пучки часто нужны для улучшения точности и дальности действия, а узкое поле зрения обычно не нужно.
Теги: Добавить метки
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: 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 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» . 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. 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).
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
Подробности
Опубликовано 11.11.2019
«Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки»
Подробности
Опубликовано 06.11.2019
