14.2.2. Линейные решетки

В качестве всенаправленных антенн применяются [184, 554, 744] кольцевые решетки из равноотстоящих одинаковых элементов. Было исследовано излучение диполей, расположенных на проводящем цилиндре [550], и разработана техника синтеза кольцевых антенных решеток [551]. Метод [552, 553] анализа кольцевых решеток из диполей был обобщен [89] для случая произвольных одинаковых элементов. Обычно в антеннах СВЧ используется щелевой круглый волновод, по которому распространяется волна всенаправленное излучение, но с повернутой на 90° поляризацией, получается, если использовать волну Изучены также диаграммы направленности щелевых решеток, расположенных на эллиптическом цилиндре [529] и конусе [170].

Обычная линейная решетка представляет собой систему элементарных излучателей, расположенных вдоль питающей линии передачи, и имеет несимметричную диаграмму направленности, широкую в плоскости, перпендикулярной к оси решетки. Для работы в режиме бокового излучения элементы должны возбуждаться синфазно; кроме того, для исключения лепестков второго порядка расстояние между элементами должно быть заметно меньше длины волны. Такая антенна может состоять либо из системы диполей [110, 248, 685], либо из системы излучающих щелей. Для решетки из щелей, прорезанных в стенке прямоугольного волновода [512], указанные условия возбуждения выполняются при расположении щелей на расстоянии, приблизительно равном Необходимое попеременное изменение полярности возбуждения получается для шунтовых смещенных щелей за счет смещения в соответствующую сторону от средней линии, а для шунтовых наклонных щелей — за счет наклона в противоположных направлениях. Два типа таких решеток показаны на рис. 14.3.

В резонансной решетке щели располагаются точно на расстоянии друг от друга, а короткозамыкатель находится на расстоянии от конца щели. В этом случае все щели оказываются включенными параллельно и излучаемая щелью мощность будет пропорциональна ее проводимости. Таким образом, распределение проводимостей должно быть пропорционально заданному распределению мощности в решетке. Если активная проводимость всей решетки выбрана равной единице, то решетка будет согласованной, однако при отклонении частоты от расчетной резко возрастает входная реактивная проводимость. Например, если значение КСВН не должно превышать 1,4 при полосе пропускания 0,25%, то допустимо использовать решетку в Таким образом, резонансные решетки очень чувствительны к частоте, однако достоинством их

является излучение в направлении, нормальном к оси. Они находят применение в качестве коротких антенн.

Полосу частот можно значительно расширить, если электрическое расстояние между излучающими щелями выбрать несколько отличным от что приводит к нерезонансной решетке [482]. При этом импедансная диаграмма будет приближаться к стабильному циклу, для которого добавочная активная проводимость, вносимая элементами, компенсируется изменением электрического расстояния между этими элементами таким образом, что полная проводимость на диаграмме попадает в исходную точку.

Рис. 14. 3. Линейные решетки из щелевых излучателей. Оконечная нагрузка и значение выбираются в зависимости от еидэ решетки (резо нансная или нерезонаисная).

Величина этой устойчивой полной проводимости оценивалась методом эквивалентной схемы [189], матричным методом [511] и методом замены решетки эквивалентной линией передачи с нагрузками [100]. Все эти методы показывают, что для получения точного согласования и соответствующих фазовых и амплитудных соотношений должно выполняться условие

где I — расстояние между элементами, средняя активная проводимость щелей. Экспериментальные данные [158], показывающие, как изменяется сдвиг фаз между щелями и как изменяется характеристическая полная проводимость эквивалентной непрерывно нагруженной линии в зависимости от расстояния между элементами около резонанса, позволяют сделать заключение, что для практических расчетов приемлемо следующее условие:

Из этого условия следует, что максимальное значение КСВН будет равно 1,2 при величине около 200°. Такое отклонение

фазового сдвига от 180° означает, что главный лепесток диаграммы направленности может заметно отклоняться от направления нормали.

Трудностей, связанных с согласованием в случае нерезонансной решетки, не возникает, но зато появляются трудности, обусловленные созданием заданного амплитудного распределения, поскольку возбуждение излучающих элементов происходит неодинаково. Имеется много способов получения заданного распределения; обычно используется способ неодинаковой связи элементов с возбуждающей линией, при котором первый элемент получает большую долю мощности, нежели последующий. Для этого, как показано на рис. 14.3, по мере продвижения к концу решетки шунтовые смещенные щели располагаются дальше от средней линии, а шунтовые наклонные щели наклоняются на больший угол. В таких решетках необходимо принимать меры для устранения отраженной волны, так как иначе с противоположной стороны нормали возникнет паразитный лепесток. Для его устранения обычно на конце решетки устанавливается согласованная нагрузка, у которой активная проводимость подбирается так, чтобы в ней поглощалось около 5% полной мощности. При изменении частоты эта поглощенная мощность несколько изменяется; например, в типичной 100-элементной линейной решетке из шунтовых наклонных щелей при изменении частоты на 2% доля поглощенной мощности возрастала от 5 до 8%.

Как у резонансных, так и у нерезонансных решеток направление луча диаграммы направленности зависит от частоты. Часто это бывает нежелательно, поэтому были предложены другие системы решеток [427], отличающиеся тем, что их возбуждение производится посредине. Такую систему можно рассматривать как совокупность двух частичных решеток, возбуждаемых с конца. Эти две решетки располагаются так, чтобы на рабочей частоте их суммарная диаграмма направленности представляла собой заданную диаграмму. При изменении частоты частичные диаграммы направленности смещаются в противоположных направлениях, а их суммарная диаграмма остается направленной вдоль нормали к решетке.

Для нерезонансных решеток, состоящих из щелей в волноводе, опубликованы [113, 178] полезные вспомогательные данные, которые представлены в удобном для расчета виде. Даны описания типичных образцов решеток, применяемых в корабельных радиолокаторах [62], на управляемых ракетах [523] и для связи [311]. Для работы на частоте 35 Ггц была разработана [83] решетка с высокой разрешающей способностью, в которой использовался волновод с сечением см. Решетка имела длину и содержала 432 шунтовые наклонные щели, которые были прорезаны в стенке волновода толщиной всего лишь около в решетке использовалось тейлоровское [466) распределение амплитуд, соответствующее диаграмме направленности с уровнем боковых лепестков . Величина КСВН антенны не превосходила 1,08 в полосе

частот ширина луча составляла 14, а уровень боковых лепестков был меньше — 24 дб. С помощью решеток из щелей с регулируемой связью можно создавать антенны с различными диаграммами направленности [465]. Кроме того, линейные антенны применяются [197] для излучения с переменной поляризацией, а применение специальной системы, питания позволяет формировать сразу несколько независимых лучей [635, 678, 695].

Электромагнитные волны также излучаются на неоднородностях в направляющих структурах. Например, можно создать режим бокового излучения [323] для диэлектрического стержневого волновода, если вдоль его разместить диэлектрические диски с интервалом около Были проведены аналогичные исследования [122], в которых использовались металлические провода и кольца, причем для упрощения эксперимента применялась линия с зеркальным изображением, описанная в разд. 10.4.4. Решетка с боковым излучением из 12 элементов с распределением Дольфа-Чебышева с теоретическим уровнем боковых лепестков — 20 дб, формировала на частоте диаграмму направленности с шириной луча измеренный уровень боковых лепестков находился в хорошем согласии с теоретическим.