книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны

стенки волновода щель должна быть продольной (3). Поперечная щель 5, расположенная на узкой стенке волновода, не вызывает излучения Если требуется создать максимальное излучение с ши­ рокой стенки волновода, то можно для этого использовать либо поперечную щель 4, которая совпадает с поперечной составляющей магнитного поля и перпендикулярна продольной составляющей тока, либо расположенные но краям стенки продольные щели /, 2, которые пересекают поперечный ток максимальной напряженности. По мере приближения к середине широкой стенки волновода по­ перечный ток и продольное магнитное поле уменьшаются до нуля, а поэтому щель 6 не излучает, а щели 7, 8 возбуждают поля проме­ жуточной интенсивности.

Рис. 6.19. Зависимость между интенсивностью излучения через щель и местом расположения ее на стенке волновода.

Волноводно-щелевые антенны. Для усиления направленного действия щелевой антенны ее составляют из нескольких щелей, которые вырезают в стенках волновода или объемного резонатора, и возбуждают соответствующим образом. Чаще всего применяют синфазное возбуждение продольных щелей, расположенных на широ­ кой стенке волновода то по одну, то по другую сторону от средней линии с интервалом в Ав/2 (рис. 6.20, а).

Чтобы убедиться в том, что в данной конструкции щели обра­ зуют синфазною решетку излучателей, обратим внимание на оди­ наковую фазу магнитного поля волны Н10во всех этих щелях. Такое размещение их позволяет, кроме того, согласовать волновод со щелью, подбирая расстояние от щели до середины широкой стенки.

С одного конца волновод подключается к источнику возбуж­ дения, а с другого замыкается накоротко поршнем, удаленным от ближайшей (я-й) щели на \„/4. Согласно эквивалентной схеме (рис. 6.20, б) входная проводимость этой щели со стороны поршня

выходящей из волновода, приблизительно совпадает с его отверсти­ ем. По принципу Гюйгенса каждый элементарный участок волново­ го фронта возбуждает вторичные волны, в результате чего и обра­ зуются электромагнитные волны во внешней среде. Элементарный излучатель такого вида называют элементом Гюйгенса.

Чтобы сохранить принятый в курсе порядок изучения антенн, рассмотрим направленные свойства волноводного излучателя в такой последовательности: 1) определим функцию направленности

Рис. 6.21. Прямоугольное излучающее отверстие с выделен­ ным на нем элементом Гюйгенса (а) и диаграммы направленно­ сти этого элемента (б, в).

элемента Гюйгенса, 2) найдем множитель решетки, учитывающий интерференцию полей всех элементов Гюйгенса волноводного из­ лучателя, 3) определим функцию направленности излучателя.

Элемент Гюйгенса. Поля излучения элемента Гюйгенса можно представить как сумму полей двух известных нам элементарных излучателей — электрического и магнитного диполей Герца. Ось первого перпендикулярна вектору Н, а второго — вектору Е , и так как на плоском волновом фронте электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны, то диполи находятся под прямым углом.

Выделим элемент Гюйгенса прямоугольной формы с равными сторонами dy, dz в середине отверстия прямоугольного волновода (рис. 6.21, а) и определим функции направленности элемента: /^(ф^)

в плоскости zx и F2(Фа) в плоскости ух. Оба диполя данного элемента создают электрические (как и магнитные) поля с равной амплитудой в главных направлениях но так как диполи находятся под пря­ мым углом, то их диаграммы направленности по-разному ориенти­ рованы в пространстве.

Электрический диполь в плоскости zx (рис. 6.21, б) обладает направленностью согласно уравнению F'(<pf ) = sin<p< (штрих-пунк­ тирная линия), поскольку эта плоскость для него является мери­

(пунктирная линия). Результирующая диаграмма направленности (сплошная линия) выражается уравнением кардиоиды

Плоскость ху. наоборот является экваториальной для электри­ ческого диполя и меридиональной для магнитного, следовательно, диаграммы направленности электрического и магнитного диполей и всей площадки в плоскости ху (рис. 6.21, в) соответственно выра­ жаются уравнениями:

F' (Фа) = 1, F" (фя) = sin фа,

Заметим, что угол фй отсчитывается от оси электрического ди­ поля (вектора Е), а угол фа — от оси магнитного диполя (вектора

В соответствии со значениями к т(Чь) и кт(фа) нормированные функ­ ции направленности элемента Гюйгенса имеют следующий вид:

Множитель непрерывной плоской решетки. Имеется плоский раскрыв прямоугольной формы со сторонами а, Ь, который по всей поверхности возбуждается равномерно и синфазно (рис. 6.22, а). Сначала определим множитель линейной решетки элементов Гюйген­ са, расположенных по стороне а раскрыва. Для этого каждый эле­ мент Гюйгенса, пересекаемый плоскостью ху, заменяем точечным ненаправленным излучателем, расположенным в центре элемента (рис. 6.22, б).

Обозначим через dEm амплитуду напряженности поля точеч­ ного излучателя на расстоянии г от решетки, р — число элементов Гюйгенса на стороне а раскрыва, dy — размер одного элемента по той же стороне. Тогда поля соседних излучателей в направлении

На этом основании амплитуда Е результирующего поля пря­ моугольной решетки может быть представлена как замыкающая сто­ рона многоугольника векторов, каждый из которых равен dEm и рас­

положен под углом йф к соседнему вектору (рис. 6.22, в). Анало­ гичное построение (см. § 32) дало выражение (64), на основании которого множитель одной горизонтальной прямолинейной решетки равен

няем самим углом. В результате получаем

Фазовый центр рассмотренного ряда элементов Гюйгенса на­ ходится в средней точке 0 этого ряда. Следовательно, такое же поле может быть получено от эквивалентного излучателя, помещенного в точку 0. Произведя аналогичную замену во всех остальных го­ ризонтальных линейных решетках, получаем вертикальный ряд из

п = b/dz элементов Гюйгенса (рис. 6.22, г), каждый из которых ха­ рактеризуется множителем решетки /р1. Учитывая, что в точке М с угловыми координатами срп и ср4, где <ра отсчитывается от стороны а, — от стороны Ь, разность хода волн от двух соседних эле­

Y cos Ф&sin Фа

Теперь можно написать общий множитель всей плоской решетки:

f p ~ f \ ) l (Фа) / Р2 ( Ф в . Ф » ) в

sin I — cos (prt J sin I — cos (pft sin cpa

= рп

Диаграмма направленности прямоугольного отверстия с рав­ номерным и синфазным распределением поля. Достаточно ввести множитель в виде соответствующей нормированной функции направ­ ленности элемента Гюйгенса (116) в выражение (118), чтобы полу­ чить нормированные функции направленности F(<pa) для горизон­ тальной плоскости ху(уь = 90°) и F(yh) для вертикальной плоскости zx{<pa = 9(Г) прямоугольного отверстия с синфазным и равномерным распределением поля:

• cos

Исследуем эти функции:

1. В положительном направлении оси х(<ра = ф* — 90°) обе функции максимальны

отверстие антенны, возбуждаемое равномерно и синфазно, создает максимальное излучение вперед в направлении, перпендикулярном плоскости отверстия, а в обратном направлении никакого излу­ чения нет (рис. 6,23).

Рис. 6.23. Пространственная диаграмма направ­ ленности прямоугольного излучающего отверстия.

2.Выражения (1.19), (120) показывают, что форма диаграммы

направленности прямоугольного отверстия в горизонтальной и вер­ тикальной плоскостях зависит от отношения к длине волны только того размера отверстия, которое отсчитывается в данной плоскости (<для х у от величины а/Х, а для гх от ЫХ).

3. В области, близкой к максимуму излучения отверстия, функ­ ция направленности элемента Гюйгенса (рис. 6.24, а) настолько тупая по сравнению с множителем плоской решетки (рис. 6.24, б), что для дальнейшего анализа можно пренебречь первой функцией (рис. 6.24, в). Полное подобие функций F(фа) и F(<fb) позволяет огра-

Рис. 6.24 Диаграмма направленности излучающего итверстия прямоугольной формы (в) и ее элементы (а, б).

ничиться исследованием диаграммы направленности отверстия только в одной плоскости, например в вертикальной:

“cos Фь

4.Максимумы излучения синфазного отверстия, как и син­ фазных многовибраториых антенн, получаются в тех направлениях

Фь = фь макс, для которых поля Е ^Е ы т крайних вибраторов (эле­ ментов Гюйгенса) имеют сдвиг по фазе, равный нечетному числу п (рис. 5.30, а) или, что одно и то же, разность хода волн от них равна нечетному числу Х/2. Согласно рис. 6.22, г это записывается так:

(2k + I) Л

Если подставить полученные значения со5ф&ЛШКс в выражение (121), то соотношение мощностей в направлениях главного, второго, третьего и т. д. максимумов окажется равным 100, 4,5, 0,16%...

Таким образом, диаграмма направленности прямоугольного отверстия с синфазным и равномерным возбуждением многолепест­ ковая, причем интенсивность боковых лепестков сравнительно вы­ сокая.