Волноводно-щелевая антенна

диапазонов.

Представим некоторые  антенны из этой области:

1. Щелевая антенна (секторная), NN-SV-14 (14 dBi, 90°x12°)

                                             

                               Рисунок 1.1 – щелевая антенна(секторная)

 

 

Антенна спроектирована для построения базовых станций  с секторной организаций. Одна антенна формирует сектор 90 градусов. Антенна имеет такие особенности, как широкий лепесток в горизонтальной плоскости и сравнительно широкий (по сравнению с 11 дБ все направленными антеннами) - в вертикальной.

 

 

 

Особенностью является отсутствие у диаграммы направленности боковых и задних лепестков. Антенны производятся в заводских условиях по нормам и с использованием технологий военной электроники. Используемые материалы - алюминиевый и латунный прокат, пенополиуретан, тефлон, высокотемпературные краски.

 

Таблица 1.1 - Технические  характеристики антенны 

 

Тип антенны	Волноводно-щелевая
Входное сопротивление	50 Ом
Рабочий диапазон частот	2400 - 2500 МГц
Коэффициент усиления в  рабочей полосе частот	14 dB
Поляризация	Вертикальная (горизонтальная - на заказ)
Ширина ДН в вертикальной плоскости (вектор Е)	12°
Ширина ДН в горизонтальной плоскости (вектор Н)	90°
КСВ в рабочей полосе частот	Не хуже1.2:1
Разъем	Гнездо N типа (female)
Габариты	600 х 120 x 30 мм
Масса	2,5 кг
Способ молниезащиты	Необходим внешний грозоразрядник
Крепление	на трубу диаметром 40-50 мм под любым углом
Исполнение	Внешнее, всепогодное

 

2. Решетка волноводно-щелевая

 

                                       

                       Рисунок 1.2 - Решетка волноводно-щелевая

 

Решетка волноводно-щелевая  предназначена для установки  в антенну А813-0106.1 или другие подобные антенны, предназначенные для работы в составе бортовых метеорадиолокационных  комплексов в диапазоне частот 9345±30МГц. 

 

Таблица 1.2 - Технические характеристики антенны

 

Ширина диаграммы направленности	5°x 5°
Уровень боковых лепестков (в главных  сечениях ДН)	-27..-28 дБ
Коэффициент усиления	31 дБ
КСВ входа	1,2
Диаметр	440 мм
Масса	940 г

 

1.3 Секторная антенна SFA-15

 

                                Рисунок 1.3 - Секторная антенна SFA-15

 

Антенна построена по схеме фазированной антенной решетки  и специально спроектирована для  построения базовых станций с  секторной организаций.

    Одна антенна  формирует сектор 60 градусов. Антенна  имеет такие особенности, как полное отсутствие боковых лепестков в задней полусфере, широкий лепесток в горизонтальной плоскости и сравнительно широкий (по сравнению с 11 дБ всенаправленными антеннами) – в вертикальной. Именно отсутствие задних и боковых лепестков в диаграмме направленности антенны позволяет строить эффективные многосекторные системы даже при установке антенн, работающих на соседних или одних частотах, в ближней зоне.

 

    Антенна замкнута  по постоянному току, что избавляет  от необходимости использовать грозозащиту. Грозозащитные мероприятия сводятся к заземлению антенной мачты и внешней оплетки кабеля, что обеспечивается компактным коаксиальным переходником.

    Полностью  герметичное исполнение антенны  и применение специальных конструктивных  решений обеспечивают работоспособность антенны в тяжелых климатических условиях, включая мокрый снег, без существенного ухудшения характеристик.

 

                                              

                   Рисунок 1.4 - Диаграмма направленности (вектор Е)

 

                                       

        Рисунок 1.5 - Диаграмма направленности (вектор Н)

 

    Таблица 1.3 - Технические характеристики антенны

Тип антенны	Фазированная решетка
Коэффициент усиления в  рабочей полосе частот	>14,5 dBi
Поляризация	Линейная
Диаграмма направленности	67°х12°
КСВ в рабочей полосе частот	<1.4:1
Разъем	Гнездо N типа (female)
Габариты	490х125х25мм
Масса	не более 2,5 кг
Способ молниезащиты	заземление антенной мачты
Крепление	на горизонтальную трубу  диаметром 20-40 мм
Исполнение	Всепогодное

 

 

 

 

      1.2. Описание геометрии антенны

Щели, прорезанные в  стенках волновода, возбуждаются токами, протекающими по его внутренней поверхности. Распределение поверхностного тока определяется типом волны, распространяющейся в волноводе, а интенсивность возбуждения щели зависит от числа пересекающих её линий тока. Чем больше проекция щели на нормаль к линиям тока и чем больше его плотность, тем сильнее возбуждается щель и больше напряжённость излучаемого ею поля. Таким образом, интенсивность поля излучения можно регулировать путём выбора положения щели на поверхности волновода. Примеры расположения щелей и протекание токов показаны на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Расположение щелей на стенках волновода: а — продольная щель; б — поперечно смещённая щель; в — наклонная щель в боковой стенке; г — наклонная щель; д — гантелеобразная щель

Продольная щель пересекает поперечный ток, если она сдвинута относительно средней линии широкой стенки волновода. Поперечная щель возбуждается продольными токами. Интенсивность её возбуждения уменьшается при смещении от средней линии. Наклонно-смещённая щель пересекается как продольными, так и поперечными токами. Когда угол наклона щели относительно средней линии широкой стенки волновода равен нулю, излучение щели отсутствует. Наклонная щель, прорезанная на узкой стенке волновода при угле наклона равном нулю, относительно нормали к широкой стенке волновода, — не возбуждается. Если этот угол равен 90° то излучение максимально. Однако протекание токов в стенках вблизи от этих щелей можно изменить таким образом, чтобы излучение происходило. Для этого используются так называемые реактивные вибраторы, представляющие собой металлические стержни, ввинчиваемые в волновод рядом со щелью, и нарушающие симметрию тока в стенке волновода.

Наклонные щели в узкой стенке обычно несколько вдаются в широкие  стенки волновода. При прорезании таких  щелей в волноводе оказывается, что практически независимо от угла наклона щели (не более 15°) при фиксированной  глубине выреза реактивная проводимость щели мала и незначительно влияет на постоянную распространения волновода. Кроме того, подобные щели обладают тем ценным качеством, что их реактивная проводимость при изменении частоты меняется значительно меньше, чем у щелей, прорезанных в широкой стенке волновода. В соответствии с этим наклонные щели в узкой стенке волновода являются предпочтительными как с электрической, так и конструктивной точек зрения, особенно в больших антенных системах.

Путём совмещения центров щелей (а) и (б) (см. рисунок 1.1) можно получить крестообразную щель. При расположении центра крестообразной щели в соответствующем месте на широкой стенке прямоугольного волновода она излучает волны, поляризованные по кругу. Это свойство щелевых излучателей используется в расчётах многощелевых решёток с целью создания необходимого распределения амплитуд возбуждения вдоль антенны.

Одиночный щелевой излучатель обладает слабыми направленными свойствами. Поэтому практическое применение находят многоэлементные щелевые антенны, направленные свойства которых существенно зависят от числа щелей, их взаимного расположения на стенках волновода и режима работы передающей линии. В соответствии с этим различают резонансные и нерезонансные антенны. В каждом из этих классов возможно построение антенн с так называемыми согласованными щелями.

В резонансных волноводных антеннах щели возбуждаются синфазно. Это достигается  расположением их относительно друг друга на расстоянии L, где L — длина волны в волноводе (рисунок 1.3). При этом на конце волновода может быть короткозамыкающий поршень или поглощающая нагрузка. Если в конце антенны на расстоянии L/4 от последней щели находится короткозамыкающий поршень, то все щели оказываются расположенными в пучности тока.

Для уменьшения длины антенны при данном числе щелей их прорезают в шахматном порядке по обе стороны от средней линии широкой стенки волновода (рисунок 1.3б) на расстоянии L/2 друг от друга. При таком расположении они возбуждаются синфазно, так как поверхностные токи (см. рисунок 1.1) пересекают их в одном направлении.

Полагая, что взаимное влияние щелей пренебрежимо мало, а размеры и интенсивность  их возбуждения одинакова (рисунок 1.2), направленные свойства многоэлементной антенны можно характеризовать следующей функцией направленности

 

 

 

 

 

 

,     (1.1)

 

где N — число щелей; d — расстояние между щелями; y₀ — разность фаз токов соседних излучателей; q — угол, отсчитываемый в плоскости Н от нормали к плоскости антенны; F₁(q) — функция направленности одиночного излучателя.

 

 

Рисунок 1.2 — К определению ДН малоэлементной антенны

 

Рисунок 1.3 — Щели в  резонансных антеннах: а — расстояние между

щелями L; б — расстояние между щелями L/2

 

 

 

Для щели длиной 2l в плоскости Н эта функция имеет вид

.    (1.2)

 

 

1.3. Описание ДН решетки при помощи полиномов Чебышева

Рассмотрим линейную решетку N излучателей (рисунок 1.4). Полагаем, что начало координат совмещено с серединой решетки, вибраторы возбуждаются синфазно и распределение неизвестных амплитуд относительно центра симметрично, т.е. I _—1 = I ₁, I _—2 = I ₂, I _-n = I _n, … I _—n = I_n.

Рисунок 1.4 —  Линейная решетка: а — четное число  излучателей N=2n; б — нечетное число излучателей N=2n+1

 

Поле излучения n-ой пары вибраторов будет

 

.   (1.3)

 

Если F₁(q,j)=const, то с точностью до постоянного множителя полное поле всей антенны равно:

• для четного числа вибраторов N = 2n

 

,

; (1.4)

 

• для нечетного N= 2n+1

 

.   (1.5)

 

C помощью подстановки и полиномов Чебышева тригонометрические ряды (1.4) и (1.5) приводятся к рядам (N-1) степени

 

,  ,  (1.6)

 

где .

Очевидно, изменяя коэффициенты I_n этих рядов, можно изменять ДН антенны. Поэтому, если потребовать, чтобы ДН была оптимальной, необходимо, чтобы она описывалась полиномом Чебышева N-1 степени

T_N-1(y). Сравнивая этот полином с соответствующим выражением (1.6), можно определить неизвестные коэффициенты I_n. Однако при максимальные значения полинома T_N-1(y)=cos[(N-1)×arccos(y)] не превосходят единицы, поэтому функция T_N-1(y) в данном интервале не описывает главного лепестка ДН. Для приведения полинома T_N-1(y) к необходимому виду надо сжать шкалу абсцисс, положив y= a₀×x, где a₀ ³ 1 — коэффициент сжатия.

Таким образом, из выражений (1.6) получаем следующие уравнения

• для четного N

 

;   (1.7)

 

• для нечетного N

 

;   (1.8)

 

позволяющее определить I_n:

 

• для четного N= 2n

 

;   (1.9)

 

• для нечетного N= 2n+1

 

.   (1.10)

 

Если в оптимальной  антенне создать линейный фазовый  набег, то главный лепесток ДН отклонится на угол q_м, определяемый из соотношения

 

.     (1.11)

 

При этом в вышеприведенных формулах необходимо сделать подстановку

 

    (1.12)

Основные свойства антенны  с Чебышевской характеристикой направленности

 

Выражение для функции  направленности

 

   (1.13)

 

позволяет определить максимальное значение главного лепестка ДН, соответствующее  точке

 

 .    (1.14)

 

Из свойств полиномов  Чебышева следует, что максимальное значение всех боковых лепестков равно единице, поэтому их относительный уровень будет 1/R. Из (1.14) можно определить коэффициент сжатия