Волноводно-щелевые антенны

Цель работы - изучение основных свойств линейных антенных решеток. Рассматриваются возможности создания линейного фазового распределения на примере волноводно-щелевых антенн, выясняется влияние амплитудного распределения на форму диаграммы направленности (ДН), условия появления побочных максимумов почти единичного уровня [2. С.239].

Из двух видов волноводно-щелевых антенн исследуются только нерезонансные решетки, нашедшие на практике наиболее широкое распространение. Резонансные решетки в силу их узкополосности применяются мало и в работе не рассматриваются.

3.1. Описание макетов и методики экспериментов

Антенна 1 (рис. 3.1) предназначена для исследования влияния амплитудного распределения тока на ДН. Макет представляет собой прямоугольный волновод с продольными полуволновыми щелями, прорезанными точно по середине его широкой стенки. Такие щели не возбуждаются регулярным полем волновода и для их возбуждения предусмотрены винты (рис. 3.1). Последние изготовлены из диэлектрика и ввинчиваются с противоположной щелям стенки волновода.

Рис. 3.1. Резонансная волноводно-щелевая антенна, подстраиваемая с помощью винтов

Когда винты полностью ввернуты, их концы с запрессованными в них металлическими штырьками выступают из волновода. Влияние диэлектрических винтов на волновод невелико, и щели практически не возбуждаются. Если винты вывинчивать, то их металлизированные концы заходят внутрь волновода, возбуждая щели. Изменением длины металлизированного участка, входящего в волновод, регулируется амплитуда напряжения в щели.

Операция подбора амплитудного распределения по антенне осуществляется на вспомогательной установке, которая размещается на лабораторном столе. Она состоит из стойки для закрепления клистронного генератора и исследуемой антенны. Распределение поля измеряется с помощью перемещающегося приемного зонда.

Антенная решетка в этом случае работает в передающем режиме. Для уменьшения СВЧ излучения в направлении оператора волновод располагается щелями вниз в сторону подставки вспомогательного устройства, которая покрыта поглощающим материалом. Измерительный зонд представляет собой короткий электрический вибратор с детектором, включенным непосредственно на его входе. Когда зонд находится вблизи центра щели, показания прибора пропорциональны квадрату амплитуды напряжения в щели. Сама настройка антенны на требуемое амплитудное распределение осуществляется путем последовательной регулировки винтов. Перед настройкой все винты должны быть максимально возможно закручены (следует помнить, что винты имеют небольшой диаметр и изготовлены из диэлектрика, поэтому к ним нельзя прилагать усилий!), а зонд подведен к последней щели, расположенной около поглощающей нагрузки. Далее винт настройки в той щели вывинчивается до тех пор, пока на приборе не появится отчетливая индикация сигнала с зонда (20-30 делений шкалы при положении входного делителя 1:1). Затем зонд перемещается к соседней щели и следующий винт выворачивается до появления сигнала, соответствующего заданному амплитудному распределению. После первого прохода от конца решетки к началу процедура повторяется в обратном порядке. Тщательная настройка требует нескольких проходов.

При равномерном распределении возбуждения и линейном изменении фазы множитель направленности линейной антенной решетки определяется формулой

, (3.1)

где N - число элементов в решетке; d - расстояние между элементами; q - угол, отсчитываемый от оси, вдоль которой располагаются излучатели решетки; k - волновое число, k=2p/l; l - длина волны в свободном пространстве; x - коэффициент замедления фазовой скорости возбуждения, x=DФ/kd; DФ - сдвиг по фазе между двумя соседними элементами решетки в радианах.

Если возбуждающие штыри или сами продольные щели в широкой стенке волновода располагаются, чередуясь по разные стороны от осевой линии, то фазовый сдвиг изменится дополнительно на p:

DФ = 2pd/l_в - p, (3.2)

где ; а - размер широкой стенки волновода. При этом

. (3.3)

ДН решетки в плоскости xz определяется произведением множителя направленности (3.1) на ДН отдельного элемента решетки, без учета влияния внешних размеров волновода определяется формулой

, (3.4)

справедливой для полуволновых продольных щелей.

Спадающее к краям амплитудное распределение тока по решетке приводит к снижению уровня боковых лепестков по сравнению с равномерным. Одновременно расширяется основной лепесток ДН.

Если создать амплитудное распределение, удовлетворяющее соотношению (рис.3.2)

; , (3.5)

где L - общая длина антенны; D - параметр, определяющий величину относительно уменьшения возбуждения на краю антенны по отношению к середине, то уровень наибольшего бокового лепестка подчиняется приближенному соотношению

УБЛ -[13+13D+22D²]. (3.6)

При этом ширина луча по половинной мощности определяется также приближенной формулой

, (3.7)

где множитель есть ширина основного луча линейного излучателя с равномерным амплитудным распределением и фазовым сдвигом между излучателями, обеспечивающим положение главного максимума в направлении

q=arccos x. (3.8)

Рис. 3.2. Амплитудное распределение тока в антенне

Если снять возбуждение четных щелей антенны 1 (полностью вывернув из волновода второй, четвертый, шестой винты), то образуется решетка из четырех излучателей с расстоянием между ними 45 мм, т.е. почти в полтора раза большим, чем длина волны. Во-первых, у такой решетки фазовый сдвиг уже не определяется формулой (3.2), а равен DФ = 2pd/l_в. Во-вторых, в зоне видимости множителя направ-ленности оказывается три лепестка с единичной амплитудой. А это значит, что в ДН решетки будет наблюдаться три лепестка высокого уровня. Из-за неравномерности ДН одного элемента (3.4) эти лепестки будут разными.

Как следует из формул (3.3) и (3.8), направление главного максимума волноводно-щелевых решеток с линейным законом распределения фазы зависит от соотношения фазовой скорости волны в волноводе и расстояния между щелями. Каждая бригада исследует ДН трех волноводно-щелевых антенн, выполненных по одной схеме (рис. 3.3) и отличающихся друг от друга только размером широкой стенки волновода, т.е. фазовой скоростью возбуждения.

Рис. 3.3. Резонансная волноводно-щелевая антенна

3.2. Расчетное задание

1. Рассчитать направления максимального излучения и ширину главного лепестка по половинной мощности для трех вариантов волноводно-щелевой антенны 2 (рис. 3.3). Расстояние между щелями d, число щелей N и размер широкой стенки волновода а каждая бригада берет из табл. 3.1. В таблице дана отличительная маркировка антенн (1-I, 2-III и т.д.) соответ-ствующих размеров, причем первая цифра соответствует номеру бригады.

Таблица 3.1

2. Рассчитать и построить зависимость ширины главного луча по половинной мощности и уровня максимальных боковых лепестков УБЛ щелевой волноводной антенны 1 (рис. 3.1) от величины (0 D 1,0 с шагом 0,25); N= 7; l= 3,2 см.

3. Рассчитать и построить в декартовых координатах нормированную диаграмму направленности в плоскости вектора Н антенны 1 в случае равномерного возбуждения:

а) всех семи щелей (D =0, d= 22,5 мм);

б) четырех щелей (D=0, d=45,0 мм).

Обратить внимание на существование побочных максимумов множителя направленности решетки почти единичного уровня и на некоторое их ослабление за счет направленных свойств самих щелевых антенн. В расчетах считать щели полуволновой длины.

4. Рассчитать амплитуды возбуждения щелей антенной решетки 1 для одного значения. Значение D каждая бригада берет из табл. 3.2.

Таблица 3.2

3.3. Экспериментальная часть

Все измерения ДН проводятся на универсальном измерительном стенде. Предварительное знакомство с формой ДН, качественная ее оценка проводится с помощью автомата вращения и электронно-лучевого индикатора. Окончательная запись ДН осуществляется по точкам с помощью стрелочного прибора. Изучение амплитудного распределения проводится с помощью описанного выше измерительного стенда.

Требования к технике безопасности при работе на стенде:

1. К работе на стенде допускаются лица, ознакомившиеся с программой проводимых работ и прошедшие общий инструктаж по технике безопасности в лаборатории кафедры АУ и РРВ .

2. Для исключения возможности СВЧ облучения смотровая дверка безэховой камеры имеет блокировку анодного напряжения генераторов. Категорически запрещается дотрагиваться до кнопок блокировки.

3. Для уменьшения СВЧ облучения на выносном стенде для подбора закона возбуждения щелевой антенны чувствительность приемного усилителя делается максимальной и соответственно уменьшается степень возбуждения всей решетки с помощью штырей. Анодное напряжение выносной головки включается только в моменты настройки решетки.

4. При любой возникшей неисправности в стенде немедленно обращаться к дежурному лаборанту либо преподавателю. Категорически запрещается пытаться самостоятельно исправлять возникшие дефекты.

Задание к экспериментальной части

1. Найти направление максимального излучения q_гл и ширину ДН по половинной мощности трех волноводно-щелевых антенн, отличающихся шириной волновода а.

Исследуемые антенны используются в приемном режиме. Поляризация передающей антенны - вертикальная.

2. Измерить ДН трех волноводно-щелевых антенных решеток (макет 2). Пользуясь декадным делителем, изучить структуру бокового излучения в секторе ±40⁰ от главного максимума. При снятии ДН в пределах главного лепестка отсчет углов производить через 2⁰, и результаты заносить в таблицу. В области боковых лепестков допускается запись направлений характерных максимумов и минимумов. После нормировки по максимуму излучения полученные ДН строятся по напряжению в декартовой системе координат.

3. Настроить антенну 1 на равномерное возбуждение в соответствии с методикой, изложенной в п. 3.1. Затем снять ее ДН.

4. Сохраняя настройку нечетных щелей антенны 1, полностью вывернуть винты возбуждения из четных щелей и подстроить еще раз оставшиеся щели, добившись их равномерного возбуждения. Снять диаграмму направленности волноводной решетки при увеличенном расстоянии между щелями, обратив внимание на побочные максимумы почти единичного уровня.

5. Произвести настройку антенны 1 на спадающее амплитудное распределение напряжения на краях этой антенны в соответствии с п. 5 расчетного задания. Учесть при этом квадратичность характеристики детектора зонда.

Измерить ширину главного луча по половинной мощности и уровень максимальных боковых лепестков. При измерении УБЛ пользоваться декадным переключателем усилителя.

3.4. Указание к составлению отчета

Отчет должен содержать :

а) результаты предварительного расчета зависимостей q_гл, q_0,5 и УБЛ антенн 1 и 2;

б) результаты предварительного расчета диаграмм направленности антенн 1 и 2;

в) результаты предварительного расчета амплитуд возбуждения щелевой антенны 1 для заданной величины D;

г) результаты всех измерений, совмещенные с соответствующими расчетными зависимостями и диаграммами направленности;

д) выводы по работе. Сопоставление результатов расчета и эксперимента. Анализ экспериментальных результатов.

3.5. Контрольные вопросы

1. Что понимается под идеальным линейным излучателем?

2. Что такое множитель направленности антенной решетки?

3. Что такое область видимости множителя направленности антенной решетки?

4. Какие параметры антенной решетки влияют на положение главного луча ДН?

5. Какие параметры антенной решетки влияют на ширину главного луча диаграммы направленности?

6. На какие параметры антенной решетки оказывает влияние форма амплитудного распределения?

7. Какие параметры антенной решетки влияют на уровень боковых лепестков ДН?

8. Каковы характерные особенности излучения дискретных линейных антенных решеток по сравнению с непрерывными?

9. Какие существуют способы подавления побочных главных максимумов ДН дискретных линейных антенных решеток?

10. Как расположить щели по длине волновода для получения синфазной антенны?

11. Нарисуйте все известные вам типы волноводно-щелевых антенн.

12. Как изменяется диаграмма направленности нерезо-нансной щелевой волноводной решетки при изменении длины волны?

13. Как изменяется диаграмма направленности нерезо-нансной щелевой волноводной решетки при изменении фазовой скорости в волноводе?

14. При каких условиях в нормированной диаграмме направленности щелевой волноводной решетки могут получиться побочные максимумы почти единичного уровня?

15. Каким образом оценивается экспериментально ширина основного луча диаграммы направленности антенн по полной мощности?

16. Каким образом экспериментально оценивается УБЛ диаграммы направленности исследуемых антенн?

Список рекомендованной литературы

1. Дупленков Д. А. и др. Теория излучения антенн: учеб. пособие / Д. А. Дупленков. - М.: Моск. энерг. ин-т, 1979. - С. 67-70, 70-86.

2. Марков Г.Т. Антенны / Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. - М.: Энергия, 1975. - С.202-207, 217-219, 237-245, 358-366.