Разработка методики расчета многощелевой антенны.
А.Н. Лисовский
В диапазоне СВЧ щелевые антенны применяются в качестве самостоятельных излучателей и в виде элементов антенных решеток с высокой направленностью. Возможность выполнения щелевых антенн заподлицо с металлической поверхностью дает делает их чрезвычайно удобными для применения на скоростных самолетах и ракетах.
Проектирование многощелевых антенн заключается в создании антенн, обеспечивающих требуемые ДН или КНД, и состоит из следующих этапов:
1) выбор типа антенны и типа щелей;
2) выбор требуемого АФР;
3) конструктивного расчета, в котором основное место занимает возбуждение щелей с целью обеспечения выбранного амплитудного распределения;
4)
электрического расчета антенны (ДН, КНД, ПХ, 
).
Многощелевые антенны могут быть выполнены на прямоугольном волноводе, коаксиальной, полосковой линиях и на различных модифицированных линиях передачи (П- и Н- волноводах, змейковом, спиральном и др.) Щели на питающих линиях могут быть продольными, поперечными, наклонными или крестообразными. При слабой связи щелей с питающим фидером можно получить АФР, близкое к требуемому, что дает возможность с помощью многощелевых антенн получить ДН различной формы с заданным углом наклона главного максимума и определенным уровнем боковых лепестков.
Выбор закона амплитудного распределения целесообразно производить на
основании требований к уровню бокового лепестка (
), а фазового – в зависимости от направления главного
максимума (
).
Расчет многощелевой антенны по заданным техническим требованиям можно осуществить по схеме, приведенной на рис. 1.
1. Выбор питающей линии, типа щелей и их ширины 
.
В сантиметровом диапазоне целесообразнее использовать волноводную щелевую антенну, в дециметровом – коаксиальную щелевую. Многоцелевые антенны на полосковых линиях можно использовать на СМВ и ДМВ. Вес и габариты таких антенн получаются меньшими, чем на коаксиальном фидере и волноводе, по величине затухания и пропускаемой мощности полосковые линии уступают волноводам и почти не уступают коаксиальным фидерам. Полоса пропускания антенны определяет ширину щелей и их тип (обычные, гантельные, V-образные и т. д.). Для передающей антенны ширина щели выбирается из условия электрической прочности:
(1)
где 
– коэффициент запаса
по пробивному напряжению;
– напряжение в центре
щели;
– излучаемая щелью
мощность;
– проводимость излучения щели;
– 30 кв/см для воздуха.
Полоса пропускания щели тем больше, чем больше ее
ширина 
, относительная полоса пропускания определяется формулой:
(2)
где 
– сопротивление
излучения щели;
– волновое
сопротивление дополнительного вибратора.
Приближенную количественную оценку полосы пропускания можно дать через добротность Q, так как:
(3)
Для приемной антенны – из условия обеспечения требуемой
полосы пропускания (коэффициент перекрытия по частоте – 
) (формулы 2, 3).
2. Расчет расстояния между щелями 
, их длины L.
Зная направление главного максимума и замедление 
, определяем способ питания щелей и номер главного максимума
по номограммам рис. 2 а, б.
|
|
|
а) б)
Рис. 2 Номограмма для расчета многощелевых антенн при а – π способе питания, б – 2π способе питания.
Для синфазной антенны расстояние между щелями выбрать проще:
оно может быть равно 
или 
в зависимости от
способа питания. Для волноводов и коаксиальных фидеров с
воздушным заполнением 
целесообразно
применять 
– способ возбуждения,
при котором 
. В полосковых линиях при 
целесообразнее
использовать 
– способ (
). Обычно в многощелевых антеннах используют резонансные
полуволновые щели. Это объясняется возможностью согласования такой щели
с питающим фидером и синфазным ее возбуждением. Иногда для изменения
интенсивности возбуждения щелей можно выполнять щели различной длины.
Укорочение полуволновой щели можно рассчитать по формуле:
(4)
3. Выбор закона АФР вдоль антенны.
Амплитудное распределение влияет в сильной степени на
уровень боковых лепестков (
) и ширину главного (
). Поэтому по требуемому уровню бокового лепестка () определяется для 
, p и 
амплитудного распределения.
Зная p и , можно определить 
(первое приближение).
Линейное фазовое распределение определяет направление главного максимума 
и заданно выбором
расстояния между щелями.
4. Определение длины антенны l и числа щелей N.
Так как:
, (5)
где 
– коэффициент
расширения – определяется по графику, то число щелей можно определить по
формуле
(6)
Теперь, зная N,
по заданному необходимо уточнить 
и амплитудного
распределения, а по и 
(второе приближение),
затем по формуле (6) найти число щелей N.
5. Расчет эквивалентных проводимостей щелей 
Эквивалентные проводимости щелей определяются по формуле
(7)
или
(8)
Для прямофазной антенны,
когда расстояние между щелями не равно 
, необходимо 
(формула 2.5) каждый
раз пересчитывать в сечение n-й щели с помощью
диаграммы Вольперта. Если амплитудное распределение
вдоль антенны равномерное, то
, (9)
т.е. проводимости всех щелей при этом одинаковые.
6. Расчет возбуждающих устройств.
Обеспечение рассчитанных проводимостей можно осуществить в различных антеннах по разному. В прямоугольном волноводе – смещением щелей с оси волновода
(10)
где
(11)
– замедление в
волноводе.
7. Расчет ДН.
Получив конструктивные размеры антенны, необходимо
рассчитать ДН и сравнить полученные значения и с
заданными. Расчет ДН в экваториальной плоскости можно рассчитать, используя
рис. 2 а.
8. Расчет КНД.
КНД определяется по формуле
(12)
9. Выбор оконечной нагрузки.
Если антенна синфазная, то для увеличения КПД (
) необходимо в качестве оконечной нагрузки поставить короткозамыкающий поршень, расположенный от середины
последней щели на расстоянии
, n=0, 1, 2, … (13)
в случае продольных щелей;
, n=0, 1, 2, … (14)
при поперечных щелях.
Если антенна прямофазная, то на конце ее необходимо ставить согласованную нагрузку. В согласованной нагрузке теряется (5 – 10)% подводимой к антенне мощности, что в значительной степени определяет КПД антенны. Для небольших антенн потерями в фидерной линии можно пренебречь, и тогда КПД определяется так:
(15)
В случае, если спроектированная антенна не удовлетворяет заданным техническим требованиям, расчет необходимо повторить, скорректировав выбираемые величины.
