Мини-лекции. СВЧ, антенны волноводно-щелевые

 

  Под щелевыми антеннами понимают антенны в виде узких отверстий в металлической поверхности (экране). Отверстия в большинстве случаев делаются в виде прямоугольников с шириной в (0,03 - 0,05)длины волны и с длиной около половины длины волны. В качестве экранов используют как специально изготовленные определённого размера поверхности, так и естественные поверхности (обшивка корпуса самолёта и тд.) Большой класс подобных антенн занимают щелевые антенны на основе волноводов, в большинстве своём прямоугольных.

   ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ. ПОЛЯ.

   Так как мы в основном будем рассматривать антенны на основе волноводов, то и все поля будут привязаны к этим самым волноводам. На рис.1 Вы видите два примера волн в волноводах, типа ТЕ и ТМ. Что означают эти буковки и вообще какие-такие волны применяются в волноводах? Итак! Мы имеем следующие типы (классы) волн: 1. ТЕМ-волны волны типа Т, поперечные волны, у которых оба вектора E и H перпендикулярны оси Oz и не имеют продольных составляющих: Ez = 0, Hz = 0. Под продольными понимают направленными по длине волновода, оси Z. 1. Аббревиатура ТЕМ происходит от английского Transverse Electromagnetic. Примером ТЕМ-волны является плоская электромагнитная волна в неограниченном пространстве. С помощью ТЕМ-волн переносится энергия в двухпроводных (энергоснабжающих, телефонных), коаксиальных и полосковых линиях передачи. 2. ТЕ-волны (Transverse Electric), или магнитные волны, или волны типа Н, имеющие продольную составляющую магнитного вектора Hz при Ez = 0. 3. ТМ-волны (Transverse Magnetic), или электрические волны, или волны типа Е, имеющие продольную составляющую электрического вектора Еz при Hz = 0. При всём, что собственные волны полых металлических волноводов могут быть только волнами типа Е или Н. 4. Смешанные (гибридные) волны, обладающие обеими продольными составляющими (Ez, Hz). На практике такие волны не наблюдаются.

   Чтобы нам хоть немного соображать в этих чёртовых волноводах посмотрим на рис.2 и рис.3. На рис.2 чертёжик прямоугольного волновода. Так как стенки волновода имеют какую-то толщину никем не гарантированную, то? То размеры играющие основную роль в волноводных процессах отсчитываются от внутренних поверхностей. Длина входного отверстия волновода, [а] (ось Х), ширина [b] (ось Y).

   На рис.3 Вы видите попытку показать как формируется волновод?! Синими полосками показана линия передачи, нагруженная на Zн сопротивление нагрузки. Линия как бы согласована по всем статьям. Чтобы всё это хозяйство поддерживать применим четвертьволновые шлейфы в виде перевёрнутой П. Это металлический изолятор у которого сопротивление Z стремится к бесконечности. Аналогичный изолятор [П] опущен вниз до стыковки с нижним. Получается такая прямоугольная [О]! :-)) Если увеличивать число таких [О] до бесконечности и промежуток между ними уменьшать до нуля, то и получится наш прямоугольный волновод. Правда он стоит на узкой стенке... Но это ничего не меняет, в наших рассуждениях... Кроме? Кроме того, что длина стенки [а] должна быть равна половине длины волны, естественно в волноводе! Самые ходовые волны, это H10 и E11. Что это для нас означает? В смысле цифорки?

   В общем виде волны обозначают так: Hmn и Emn. Где m и n числа (0,1,2,3...) количество стоячих полуволн на сторонах волновода: m на стороне [a], а n на стороне [b]. Так волне Н10 соответствует m =1, а n =0 как на рис.4. Густоту силовых линий Е отображено в виде знакомой кривой красного цвета! Числа m и n показывают какое количество стоячих полуволн расположено на внутренних стенках волновода. Такое разнообразие волн в волноводах называют ТИПАМИ или МОДАМИ. Кстати! Для волн Е, m и n не могут быть равными нулю! При нулевых значениях такие волны просто не могут существовать! По этой причине на рис.1 [ТМ], распределение полей изображено ошибочно?! Я так думаю... Возможно из-за нежелания загромождать рисунок?.. А, поле предполагаемое, это Е11. То самое, что и отображено на рис.5.

   На рис.4 и рис.5 показаны поля основных мод соответственно: Н10 и Е11, а на рис.1а моды Н20 и Е32. Н20, на стороне [а] вмещаются две полуволны (целая волна), а на стороне [b] не одной! Зато мода Е32 наоборот, на [а] три, а на [b] только две! То есть та же Е11 размножена в виде того, что на рис.5, уменьшено в масштабе.

   ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ

   Итак, поверхность, прорезали щель и? И, что потом? Потом каким-то способом мы должны возбудить в щели те самые электромагнитные волны. При этом по проводящей поверхности, естественно будут течь ПОВЕРХНОСТНЫЕ токи. На рис.6 поперечные токи или щель поперечная. В данном случае на краях щели появляются заряды разной (+/-) полярности. Внутри образуется электрическое поле силовые линии которого перпендикулярны краям. В таком случае распределение линий будет происходить по синусоидальному закону, как и в случае с волноводом на рис.4. Красная кривая и есть полупериод и по совместительству полволны. По центру Е максимально, а на краях нуль! Напротив, на рис.7 Те же токи но обтекают щель двигаясь вдоль её длины. В данном случае поле внутри щели отсутствует или слишком мало, чтобы о нём говорить.

   Посмотрим на рис.11. Это ДВУХСТОРОННЯЯ щель и её диаграмма направленности (ДН). Вверху в плоскости перпендикулярной плоскости экрана, внизу в плоскости перпендикулярной оси щели. Если сравнить с ДН полуволнового вибратора, то визуально один в один. Получается, что щель и вибратор близнецы?.. Ну, почти... На рис.12 показаны близнецы: вибратор из тонкой металлической полосы и щель таких же размеров. В чём отличие? В расположении силовых линий Е и Н! У вибратора линии Н пересекают вибратор по ширине, а в щели линии Е! О чём это говорит? О разности поляризаций! Они повёрнуты относительно друг-друга на 90°! Естественно, всё это учитывается. А, как будет выглядеть ДН ОДНОСТОРОННЕЙ щели? А односторонняя это как? На рис.8 щель расположенная не на бесконечной металлической поверхности, а на прямоугольнике. Прямоугольном экране с сторонами 2Н и 2L. Но это ещё не всё. Щель с одной и поверхности экрана закрыта как в разрезе, на рис.9! Пространство (жёлтым цветом), место где организуется возбуждение щели. Противоположная сторона экрана называется ОСВЕЩЁННОЙ. Как же в данном случае будет выглядеть ДН? При Н = L и равны бесконечности, ДН будет выглядеть как на рис.9, внизу. Половина от ДН двухсторонней щели. При отношении Н и L к длине волны равной 1, ДН выглядит как на рис.7а. При отношении Н и L к длине волны менее 1 ДН будет стремиться как односторонняя от ДН вибратора, так ещё к окружности!

   А, к чему это я завёлся про односторонние щели? Потому как их в основном-то и применяют на практике! В частности как на рис.18 и рис.15. Это круглая щель и тоже односторонняя. На рис.15а поперечный разрез. С низу щель закрыта питание приходит оттуда, снизу. Коробочка выполняет роль согласователя антенны. А все остальные антенны? Остальные проектируются как щель (щели) вырезанные на стенках волноводов. Как и в случае антенн рис.15, 18 также будут односторонними. На рис.13 джентльментский набор волноводов с щелями разных типов (прямоугольных). Чёрные чёрточки и есть те самые щели.

   При быстром взгляде кажется, что все антенны построены одинаково и лишь расположение щелей разнообразит эту унылую картину,но? Но это не совсем так?! Во-первых, антенны подразделяются на резонансные и не резонансные. Во-вторых, расположение щелей на сторонах волноводов не от балды, а по особым правилам. Резонансные антенны, это такие, которые возбуждаются стоячей волной. Стало быть геометрия волновода имеет значение! И чтобы свести дебит с кредитом существуют так называемые короткозамыкающие ПОРШНИ. Либо с одного торца волновода, так и с двух, как на рис.14, 16. Это, чтобы архитектура типа (МОДЫ) волны попала куда надо. А куда надо, это куда? Вот на рис.17 как раз и показано куда? Вспомните начало мини-лекции и рис.6,7. Щель должна располагаться поперёк направления электрических линий (токов) в волноводе. И не просто так, а в месте где эти линии ГУЩЕ. Зелёные щели на рис.17 именно так и расположены. А вот красная, также как и на рис.7 она возбуждаться не будет. Двигая поршни мы можем во-первых, настроиться в резонанс с волной, точно подогнать геометрию волновода к архитектуре волны. Во-вторых подогнать ГУСТОТУ электрических линий под щели. В других источниках показывают расположение щелей вдоль магнитных линий. Ведь векторы Н и Е перпендикулярны друг-другу. Хотя для наглядности первый вариант лучше!

   А, что это там, на рис.13 с красными пирамидами? Пирамиды, это поглощающие нагрузки, создающие режим бегущих волн (в направление пирамид). Щели периодически пересекаются бегущей волной, а щели разобидевшись от такой наглости, шибко начинают возбуждаться. А, зачем столько много щелей на рис.14? Как показано на рис.7а ДН одной щели не шибко остро-направленная и посему строится решётка. Для создания нужной формы ДН! С учётом и поляризации излучения. Вот на рис.16 кусочек волновода с поперечными щелями... По-видимому преследовались какие-то особые цели?! По поводу косых щелей чёткого, короткого ответа я не нашёл?! Могу только предположить, что это расширит полосу частот, но уменьшит КПД!

На чём базируется расчёт и проектирование щелевых антенн?
1) На критической длине волны для данного волновода. Волны длиннее которой остальные существовать просто не могут! В общем виде это рис.10, зелёная формула. Для ходовой волны Н10 эта длина равна [2а]. Где [а] длина самой широкой стороне раскрыва волновода. По-другому на стороне должно уместиться полволны той самой критической.

2) Длина волны в свободном пространстве (воздух) вне волновода.

3) Длина волны в волноводе рис.10 пурпурного цвета формула. Формула подкручена под моду Н10 (критическая длина волны 2а). На рис.14 пример щелевой антенны и размеры для её изготовления.