книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны

Однако, если требуется максимальный коэффициент направлен­ ного действия, то коэффициент замедления волны тока k3 нужно

несколько изменить до оптимального значения к30пт, при котором в направлении оси О'О" поля первого и последнего витков спирали на­ ходятся в противофазе (см. § 35). Иначе говоря, необходимо допол­ нительно задержать волну тока в спирали на время 742, а в каждом витке ее — на Т/2р = Х/2рс:

кv =T+f+5b=7 (l +’+ i)'

Отсюда находим оптимальный коэффициент замедления вдоль про­ вода спирали:

подъема спирали, соответствующий оптимальным условиям ра­

Длина спирали /д подбирается в соответствии с оптимальным коэффициентом замедления вдоль оси спирали

Опытным путем установлено, что с увеличением длины вол­ ны Кфазовая скорость v уменьшается, а следовательно, коэффициент замедления k' = с / оопт увеличивается. Это значит, что условие (97) осевого излучения с максимальным коэффициентом направлен­ ного действия антенны поддерживается автоматически. Кроме того,

Волна Н10 выходя из рупора У распространяется вдоль оси х над поверхностью 2, как волна ТЕМ. Магнитное поле на этой по­

координатной плоскости zx. Поперечная составляющая электри­ ческого поля Е2 и магнитное поле Ну совпадают по фазе. За счет этих составляющих бегущая волна переносит энергию вдоль оси х.

Рис. 6.13. Антенна поверхностных волн.

Амплитуда напряженности электрического поля распределяется по стороне а, как в рупоре, по косинусоидальному закону: Ег мак­ симальна при у = 0 и равна нулю при у = ±а/2.

Для составления уравнений диаграмм направленности антенны рассмотрим два сечения замедляющей структуры: электрической плоскостью zx и магнитной ху (первое сечение заштриховано на рис. 6.13, б). Поперечные составляющие электрического поля эк­ вивалентны элементарным поперечным электрическим вибраторам, образующим бегущие волны с фазовой скоростью v по длине струк­ туры /д. Отсюда находим функцию направленности в плоскости Е:

ства элементарного вибратора в плоскости £, а второй (множитель решетки) — взаимодействие этих вибраторов с учетом их непрерыв­ ного распределения по длине /д антенны бегущей волны (см. форму­ лу (92)1.

В плоскости Н каждый элементарный вибратор ненаправлен­ ный, вместе с тем по стороне а поля распределяются косинусоидаль­ но. Это определяет следующую функцию направленности:

(104)

Заметим, что углы ф и 0 отсчитываются от оси х.

Антенна поверхностных волн, как одна из антенн бегущих волн, имеет оптимальный коэффициент замедления

и соответственно максимальный коэффициент направленного дей­ ствия, равный

D » (7 -г 8) -у- .

Антенны поверхностных волн используются на сантиметровых волнах. Они широкополосны, просты по конструкции, малы по вы­ соте и надежны в эксплуатации. Эти качества делают их перспектив­ ными для применения в авиации.

42. Щелевые антенны

Щелевыми называются такие антенны, в которых излучение и прием электромагнитных волн осуществляются при помощи одной или нескольких щелей, прорезанных в волноводе или объемном ре­ зонаторе. Теория щелевых (дифракционных) антенн разработана советскими учеными М. С. Нейманом, А. А. Пистолькорсом и Я. Н. Фельдом. В основу этой теории положен принцип двойствен­ ности, вытекающий из симметрии уравнений Максвелла относитель­ но электрического и магнитного полей. Пользуясь этим принципом,

ученым удалось применить основные положения теории проволоч­ ных антенн к щелевым антеннам.

Излучатель в виде одиночной щели. Если в неограниченной проводящей плоскости (рис. 6.14, а) прорезать полуволновую узкую щель и к середине ее а, b подвести питание от генератора соответ­ ствующей частоты, то возникнут бегущие волны, которые, достиг­ нув cdt ef9отражаются как от короткозамкнутых концов линии. В ре­ зультате по всей длине щели образуются стоячие волны. Узел на­ пряжения U и электрического ноля Е получается на концах щели, а пучности U и Е — на расстоянии Х/4 от cci, ef, т. е. в середине щели.

Рис. 6.14. Магнитный (а) и электрический (б) полуволновые вибраторы.

По такому же закону, как показано на рис. 6.14, б, распределяются вдоль линейного металлического вибратора, совпадающего по кон­ туру с данной щелью, ток / (длина стрелок пропорциональна току) и магнитное поле Я (число линий поля пропорционально Я). Даже в структуре полей имеется аналогия: магнитное поле металлического вибратора расположено в плоскости, перпендикулярной его оси, и не имеет продольной тангенциальной составляющей на поверх­ ности вибратора; электрическое поле щели расположено в плоско­ сти, перпендикулярной широкой стороне щели, и не имеет на ней продольной составляющей.

Наличие в щели переменного электрического поля означает, что в ней имеется ток смещения. Этот ток, очевидно, способен вы­ ходить за пределы плоскости щели. Вызванное им магнитное поле перпендикулярно линиям тока смещения, т. е. направлено парал­ лельно оси щели. От полученного магнитного поля возбуждается новое переменное электрическое поле (ток смещения) и т. д. Таким

Ширина щели должна быть достаточной, чтобы напряжение в пучности не вызывало пробоя в щели. Эго напряжение вычисляет­ ся по мощности, излучаемой щелью, P zщ и проводимости G^m этой щели.

Реальные условия работы щелевых антенн несколько отличают­ ся от описанных. Так, например, щели обычно прорезают в стенках волновода или объемного резонатора. Эти щели должны пересекать линии тока проводимости, чтобы последний переходил в ток сме­ щения, который возбуждает электромагнитные волны. В случае применения щели, прорезанной в стенке прямоугольного волновода, излучение происходит над ограниченной поверхностью и только по одну сторону от нее. Первое обстоятельство вызывает некоторое из­ менение диаграммы направленности, а второе - двукратное умень­ шение мощности излучения и соответственно активной проводимости щели. В случае полуволновой щели в волноводе (RZB = 73,1 ом) активная проводимость равна

Следует иметь в виду, что эта формула относится к проводи­ мости щели в направлении к свободному пространству. В реальной антенне щель влияет и на внутренние ноля волновода или объемно­ го резонатора, в результате чего имеет место отражение от щели. Это необходимо учитывать при согласовании волновода или резо­ натора со щелью.

Соотношение между мощностью излучения и мощностью проходящих волн зависит от положения щели в волноводе и может быть учтено при помощи схем эквивалентных длинных линий.

Прямоугольный волновод, показанный на рис. 6.18, эквивалентен двухпроводной линии //' — kk' Продольная щель / пересекается попереч­ ными токами, а поэтому она вносит некоторую проводимость в участок вол­

на боковых стенках волновода протекает максимальный поперечный ток. Поперечная щель 2 пересекается продольным током. Это равнозначно тому, что щель 2 на участке dd' — ее' вносит какое-то последовательное сопро-