Введение

1. Краткие сведения о конструкциях волноводных многощелевых антенн

Волноводные многощелевые антенны являются одним из видов линейных многоэлементных антенных решеток, причем принято различать резонансные и нерезонансные антенны.

В резонансных антеннах расстояние между центрами соседних щелей (излучателей) равно половине длины волны в волноводе: . Возбуждение щелей получается синфазным, и максимальное излучение формируется в направлении, перпендикулярном оси волновода. В концевом фрагменте резонансной антенны размещается короткозамыкатель для ее настройки в резонанс. В результате такая антенна может быть хорошо согласована с генератором только в весьма узкой полосе частот, причем при перестройке частоты изменяется не только согласование, но и другие параметры антенны [2].

В нерезонансных антеннах расстояние между центрами соседних щелей также одинаково, но оно либо больше, либо меньше . В результате щели возбуждаются падающей волной не синфазно, так что от излучателя к излучателю (от щели к щели) формируется линейное изменение фазы. В итоге направление максимального излучения нерезонансной антенны, оставаясь в плоскости оси волновода, отклоняется от внешней нормали к соответствующей стенке волновода на некоторый угол . При некачественном согласовании концевого фрагмента волновода в нем появляется доминирующая (над локальными неоднородностями за счет щелей) отраженная волна, которая, распространяясь к генератору, также возбуждает щели. Это приводит к появлению излучения (хотя и менее интенсивного) с противоположной стороны нормали под тем же углом к ней. Это излучение является нежелательным (паразитным), и для его устранения нерезонансная антенна снабжается качественной поглощающей нагрузкой. Такие антенны сохраняют хорошие параметры в более широкой полосе частот, чем резонансные [2].

2. Возбуждение щелей, их геометрические и эквивалентные электрические параметры

Щели в волноводе возбуждаются и излучают электромагнитную энергию во внешнее по отношению к волноводу окружающее пространство, если широкая сторона узкой щели пересекает поверхностные токи проводимости, текущие по внутренним стенкам волновода в направлениях, определяемых структурой распространяющейся волны [2]. Так, небольшая часть токов проводимости, текущих поперек щели, прорезанной в широкой стенке волновода вдоль его оси, огибает кромку щели на ее концах (рис. 1,а). Эти «огибающие» токи проводимости при обтекании щели текут вдоль оси щели и имеют противоположные направления по обеим сторонам вдоль оси щели. Однако большая часть тока проводимости продолжает течь в прежнем направлении через щель уже в виде тока смещения, величина которого пропорциональна скорости изменения во времени напряжения между кромками щели. Наличие тока смещения означает присутствие на кромках щели изменяющихся во времени поверхностных электрических зарядов с плотностью . Эти заряды (рис. 1,б) формируют в щели переменное электрическое поле, вектор напряженности которого нормален к кромкам щели и связан с поверхностной плотностью зарядов соотношением (напоминание: здесь и далее использованы комплексные амплитуды соответствующих гармонических величин зарядов, токов, напряжений, векторных напряженностей электрического и магнитного полей и т.д.) [10]:

, (1)

где – абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрического заполнения щели (не обязательно воздуха); – орт нормали к поверхности кромки (рис. 1,б).

На основании принципа эквивалентности наличие электрического поля в щели эквивалентно существованию в апертуре щели виртуального (воображаемого, реально не существующего) продольного магнитного тока с поверхностной плотностью , направление которого определяется ориентацией вектора и нормалью (с ортом ) во внешнее пространство, окружающее волновод (рис. 2) [1]:

. (2)

Ясно, что, находясь во внешнем окружающем пространстве, тем более в дальней его зоне, толщиной стенок волновода можно пренебречь. Таким образом, в возбужденной щели шириной поддерживается изменяющийся во времени магнитный ток с комплексной амплитудой и щель является физическим аналогом магнитного вибратора. Свойства таких вибраторов хорошо известны, и полученные при их анализе результаты можно использовать для оценивания характеристик многощелевых антенн.

Рис. 1

В прямоугольном волноводе с волной основного типа можно прорезать и другие щели. Так, на рис. 1,а, кроме уже упомянутой продольной щели (тип I), изображены: поперечная щель на широкой стенке (тип II); наклонно-смещенная щель на широкой стенке (тип III); наклонная щель на всю ширину узкой стенки (тип IV). Здесь же указаны основные геометрические параметры щелей.

Для оценивания влияния щели на режим работы волновода следует учитывать, что при ее возбуждении часть энергии упомянутой электромагнитной волны излучается, часть отражается к генератору, а оставшаяся часть проходит дальше по волноводу и возбуждает последующие щели. Поэтому представления о влиянии щелей на режим работы волновода и о формировании характеристик направленности антенны можно получить, если заменить волновод эквивалентной двухпроводной линией передачи, в которую на расстоянии друг от друга включены сосредоточенные проводимости или сопротивления в зависимости от типа щели. Наиболее простыми схемами замещения характеризуются резонансные (длиной полволны излучаемого сигнала) продольные и поперечные щели на широкой стенке, а также наклонные щели на узкой стенке волновода. При этом проводимости используемых в работе щелей определяются как [2, 8, 10]:

тип I , (3)

тип IV , . (4)