Реферат: Щелевая антенна

<st1:place w:st=«on»>I.

</st1:place> СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Элементарныйщелевой излучатель представляет собой щель, прорезанную в идеально проводящемплоском экране неограниченных размеров. Параметры такого излучателя могут бытьопределены с помощью принципа двойственности. Принцип двойственностиприменительно к элементарному щелевому излучателю гласит: векторы Е и Нэлектромагнитного поля щели имеют такое же направление в пространстве иявляются такими же функциями координат, как соответственно Н и Е поляэлементарного электрического вибратора тех же размеров, что и щель.

Воспользовавшисьпринципом перестановочной двойственности можно показать, что поле, создаваемоесимметричным щелевым излучателем, совершенно такое же как и поле, создаваемоесимметричным электрическим вибратором, при взаимозамене направленийэлектрического и магнитного векторов.

Резонанснойщелью называют узкую щель, длина которой 2

l приблизительно равна половинедлины волны в свободном пространстве. Ширина щели d составляет обычно менее десятойдоли длины волны. На рис.1 представлены диаграммы направленности элементарногоэлектрического вибратора (а) и элементарного щелевого излучателя (б)соответственно в магнитной и электрической плоскостях.

Характеристикинаправленности одиночной щели, в отличие от элементарного щелевого излучателядлиной 2

l<img src="/cache/referats/19228/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">2, прорезанной в бесконечномэкране, рассчитываются по формулам:

в плоскости Н

<img src="/cache/referats/19228/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (1)

в плоскости Е

<img src="/cache/referats/19228/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> (2)

где <img src="/cache/referats/19228/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> и <img src="/cache/referats/19228/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> — угловые координатыточки наблюдения;

2

l — длина щели;

Израссмотрения приведенных формул следует, что щель, прорезанная в экране, несоздает направленного излучения в Е-плоскости и ее диаграмма направленностиимеет форму полуокружности с каждой стороны экрана. В Н-плоскости направленностьизлучения щели определяется формулой (1) и зависит от длины щели.

Выводыо направленности излучения щели, прорезанной в безграничном экране, можноиспользовать для определения диаграммы направленности щели, прорезанной в стенкеволновода, учитывая, что излучение происходит лишь в полупространство. ВН-плоскости диаграмма направленности будет по-прежнему определяться формулой(1), так как излучение вдоль оси щели отсутствует, а, следовательно, размерыэкрана в этом направлении существенной роли не играют. В Е-плоскости диаграмманаправленности щели, прорезанной в волноводе, зависит от размеров стенкиволновода и, следовательно, будет отличаться от полуокружности.

Поясним зависимость диаграммы направленностищели от размеров стенки волновода. Предположим, что щель прорезана в экранеконечных размеров. В Е-плоскости формируется за счет протекания поверхностныхтоков проводимости (рис.2) и создания на краю экрана резкой неоднородности враспределении электрического поля и возникновения так называемыхдиафрагмированных волн. В любом направлении от щели в Е-плоскостирезультирующий вектор электрического поля определяется геометрической суммойвектора электрических полей трех волн. Фаза результирующего поля в точкенаблюдения будет зависеть в основном от разности хода между диафрагмированнымиволнами и волной от щели. Соотношение фаз указанных векторов электрическихполей будет зависеть от размеров экрана.

Следовательно,будут направления, в которых диафрагмированные волн будут ослаблять поле щели,а также направления, в которых поле щели будет усилено. Таким образом,диаграмма направленности в плоскости Е от щели, прорезанной в экранеограниченных размеров, или в волноводе, будет иметь “волнистый характер”.Примеры диаграмм направленности волноводно-щелевых антенн в зависимости отразмеров экрана показаны на рис.2.

Болееточный расчет показывает, что размеры экрана в направлении, перпендикулярномоси щели, оказывают значительное влияние на диаграмму направленности и особеннотогда, когда щель располагается на площадке несимметрично, в то время какразмеры экрана в направлении оси щели мало влияют на ее направленные свойства.

Щельв волноводе возбуждается тогда, когда она широкой стороной пересекаетповерхностные токи, текущие по стенкам волновода. При возбуждении волноводаволной Н<img src="/cache/referats/19228/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> имеет место поперечныйток и продольный ток на широких стенках волновода (рис.3, а). Эпюрыраспределения токов по поперечному сечению волновода приведены на рис.3, б.Поперечный ток в середине широкой стенки волновода равен нулю и нарастает досвоего максимального значения к краям стенок. Распределение продольного токапредставлено на рис.3, в.

sitednl.narod.ru/1.zip- база сотовых по Петербургу

Какизвестно, плотность поверхностного тока <img src="/cache/referats/19228/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> связана с напряжениеммагнитного поля соотношением:

<img src="/cache/referats/19228/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> (3)

где <img src="/cache/referats/19228/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

Длятого чтобы щель излучала, ее следует прорезать вдоль силовых линий магнитногополя в волноводе или, что то же самое, поперек силовых линий тока проводимости,наводимого магнитным полем в стенках волновода. На рис.4 показаны возможныеспособы прорезания щели на широкой стенке волновода прямоугольного сечения,возбуждаемого волной типа Н<img src="/cache/referats/19228/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1038">

Интенсивностьвозбуждения щели зависит от ее положения на стенке волновода. Так, например,продольная щель при х<img src="/cache/referats/19228/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> не излучает и поэтомуне оказывает влияния на режим работы волновода. Примером такой щели являетсящель, по которой перемещается зонд в волноводной измерительной линии. По мереувеличения х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1041">

Интенсивностьвозбуждения щели зависит не только от ее расстояния от средней линии волноводах<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> от расстояниямежду центром щели и закорачивающим поршнем. В волноводе без щелей,закороченном на конце, существуют стоячие волны. При этом на конце волновода(закорачивающий поршень) в соответствии с граничными условиями на идеальнойметаллической поверхности существует узел составляющей <img src="/cache/referats/19228/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> и пучность <img src="/cache/referats/19228/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> (рис.5).

Чтобыпродольная возбуждалась с максимальной интенсивностью, ее центр надо поместитьв пучность <img src="/cache/referats/19228/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1046">

z<img src="/cache/referats/19228/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1047">- должно равняться нечетному числу <img src="/cache/referats/19228/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1048"><img src="/cache/referats/19228/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1049"><img src="/cache/referats/19228/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1050"> от поршня.

Известно,что волновод прямоугольного сечения с волной типа Н<img src="/cache/referats/19228/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> можно представитьэквивалентной двухпроводной линией с волновой проводимостью

<img src="/cache/referats/19228/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1052"> (4)

где <img src="/cache/referats/19228/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1053"> — волновоесопротивление.

Щель,прорезанная в стенке волновода, представляет для последнего некоторую нагрузкуи влияет на режим его работы. Часть энергии, идущей по волноводу, излучаетсящелью, часть отражается от нее, как от всякой неоднородности, и направляетсяобратно к генератору, часть проходит дальше. Влияние щели на режим работы волноводахарактеризуется входной проводимостью

Y<img src="/cache/referats/19228/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> и входным сопротивлениемZ<img src="/cache/referats/19228/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1055">. Входное сопротивление (проводимость)щели произвольной длины есть величина комплексная. В основном применяютсярезонансные щели (Х<img src="/cache/referats/19228/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1056">= В<img src="/cache/referats/19228/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1057">= 0). Чтобы щель была резонансной, еедлина должна быть несколько меньше <img src="/cache/referats/19228/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1058">

<img src="/cache/referats/19228/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1059"> (5)

Поперечнаящель, прорезанная в широкой стенке волновода, прерывает линии плотностипродольной составляющей поверхностного тока. Поэтому эту щель следуетрассматривать как сопротивление, последовательно включенное в провода эквивалентнойволноводу двухпроводной согласованной линии (рис.6, а). В случае резонанснойпоперечной щели нормированное входное сопротивление рассчитывается по формуле:

<img src="/cache/referats/19228/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> , (6) где <img src="/cache/referats/19228/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1061"> — длина волны вволноводе;

<img src="/cache/referats/19228/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1062"> — длина волны всвободном пространстве;

a — ширина широкой стенки волновода;

d — ширина узкой стенки волновода;

х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1063">

Израссмотрения формулы (6) видно, что входное сопротивление резонанснойпоперечной щели максимально, если центр этой щели совпадает с центром широкойстенки волновода (х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1065">

R<img src="/cache/referats/19228/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1066"> уменьшается по мере удаления центра поперечнойщели от центра широкой стенки.

Однимиз видов поперечных щелей является щель, прорезанная в пластине, закрывающейторец волновода (рис.7). Для улучшения направленных свойств торцеваяволноводная щелевая антенна снабжается специальным экраном. Щель возбуждаетсяпродольными токами, замыкающимися на внутренней поверхности пластины. В своюочередь щель возбуждает систему токов на внешней поверхности торца волноводаили экрана. Резонансное эквивалентное сопротивление такой щели при симметричномрасположении ее относительно широких стенок волновода определяется по формуле(6).

Продольнаящель прерывает линии плотности поперечной составляющей поверхностного тока.Поперечные токи как бы ответвляются от проводов эквивалентной линии впараллельно присоединенные к ним шлейфы. Поэтому продольную щель следуетрассматривать как сопротивление, присоединенное параллельно двухпроводнойлинии, т.е. как проводимость

G<img src="/cache/referats/19228/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1067"> (рис.6, б). Нормированная входная проводимостьрезонансной продольной щели рассчитывается по формуле:

<img src="/cache/referats/19228/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1068"> (7)

Израссмотрения формулы (7) следует, что входная проводимость продольнойрезонансной щели равна нулю, если щель находится в центре широкой стенки (х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1069"><img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1070">

a/ 2) или на боковой стенке. К аналогичному выводу можно придти из рассмотрениярис.3 и 4.

Приведенныеформулы для эквивалентного приведенного входного сопротивления и эквивалентнойприведенной входной проводимости получены для полуволновых щелей. Эта длинавесьма близка к резонансной длине щели, при которой эквивалентное реактивноесопротивление х

<img src="/cache/referats/19228/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1071"> иэквивалентная реактивная проводимость b<img src="/cache/referats/19228/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1072"> равны нулю. Так как <img src="/cache/referats/19228/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> и <img src="/cache/referats/19228/image063.gif" v:shapes="_x0000_i1074">

Какуказывалось ранее, резонансная длина щели несколько меньше <img src="/cache/referats/19228/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1075"><img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1076"><img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1077"><img src="/cache/referats/19228/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1078">

относительносередины широкой стенки волновода резонансная длина увеличивается, приближаяськ <img src="/cache/referats/19228/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1079">

Резонанснаядлина поперечной щели в широкой стенке прямоугольного волновода при смещении х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1080">

l = 0,488<img src="/cache/referats/19228/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1081">

Втех случаях, когда излучатель должен быть более широкополосным, находятприменение гантельные щели. Зависимость входного сопротивления гантельной щелиот ее размеров приведена на рис.8. С увеличением диаметра закругления

D точка резонанса смещается всторону больших длин волн и полоса пропускания увеличивается.

II.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Структурнаясхема установки для измерения эквивалентной проводимости, сопротивления и характеристикинаправленности щелей приведены на рис.9. Полуволновые резонансные излучателипрорезаны в металлической пластине, которая может перемещаться относительно осиволновода (рис.10). Величина смещения щели ( х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1083">

1.

Измерениевходного эквивалентного сопротивления резонансной щели, прорезанной вбесконечной проводящей поверхности:

-подключить к генератору торцевой щелевой излучатель (см. рис.7);

-установить частоту генератора (задается преподавателем);

-с помощью измерительной линии определить КСВ и запомнить положение одного изминимумов напряжения в линии. Закоротить излучающую щель. Определить, насколько и в какую сторону смещается при закорачивании щели зафиксированныйранее минимум напряжения в измерительной линии. Определить на круговойдиаграмме полных сопротивлений величину эквивалентного входного сопротивлениящели.

Рассчитатьвходное эквивалентное сопротивление торцевой полуволновой щели по формуле (6).Сравнить величины, полученные экспериментальным и расчетным путем.

2. Измерение эквивалентного входногосопротивления и проводимости поперечной и продольной резонансной щели,прорезанных в широкой стенке волновода;

-подключить к генератору согласно схеме (рис.9) волновод с продольной ипоперечной щелями. Переместить пластины со щелями так, чтобы середина поперечнойщели оказалась симметричной оси волновода. Направить максимум излучения на приемнуюрупорную антенну. Зафиксировать наличие излучения с помощью приемника.Короткозамыкателем настроить щелевой излучатель на максимум излучения.

Снять нормированную характеристикунаправленности в плоскости Н. Сравнить с расчетной.

Аналогичноп.1 определить входное эквивалентное сопротивление поперечной резонансной щелии сравнить с расчетными значениями (6).

Повернутьна 90<img src="/cache/referats/19228/image071.gif" v:shapes="_x0000_i1086"> излучающую поперечнующель и рупорную приемную антенну. Снять нормированную диаграмму направленностив плоскости Е. Сравнить с расчетной.

3.

Определитьэквивалентную входную проводимость продольной излучающей щели для трехположений ( х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1087"> х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1088"> х<img src="/cache/referats/19228/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1089">

Снятьнормированную диаграмму направленности в плоскостях Е, Н.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М., “Связь”, 1967

2. Жук М.С., Молочков Ю.Е. Проектирование антенно-фидерных устройств. М-Л, “Энергия”, 1966

3. Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. М., “Связь”, 1967

4.

Антенныи устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающихэлементов. Под ред. Д.И.Воскресенского. М., “Сов. радио”, 1972.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Диаграмма направленности антенны

25 Июня 2015