12.3.1. Теория щелевых антенн

Щелевая антенна (ЩА) это всего лишь узкая щель в большом металлическом экране. Рассмотрение теории таких антенн обычно начинают с узкой щели в бесконечном проводящем экране и введения понятия магнитного тока щели. Но, несмотря на соблазн упростить изложение, делать так не буду. По двум причинам:

  1.    Бесконечных проводящих экранов не бывает. Возразят: мы ведь рассматривали обычные антенны в свободном пространстве, а его тоже не существует. Это так. Но обычную УКВ антенну довольно легко разместить так, чтобы вокруг нее было бы чистое пространство в радиусе несколько l (при этом параметры антенны будут близки к свободному пространству) А хорошо проводящий металлический лист такого радиуса на практике найти трудно. Особенно если учесть, что нам в нем еще и щель прорезать надо. На металлических же экранах реальных размеров параметры щелевой антенны (прежде всего усиление и форма ДН) существенно отличаются от случая бесконечного экрана. 
  2.    Магнитных токов щели не существует в природе. Это лишь математическая абстракция, позволяющая формально проще описать щелевую антенну. Но это описание имеет мало общего с реальными физическими процессами и понимание не облегчает, а затрудняет.

Поэтому пойдем путем реальности: проводящий экран конечных размеров, токи только электрические.

Пусть мы имеем тонкий прямоугольный лист металла. Стоит задача сделать из него антенну. Простейший способ показан на рис. 12.3.1,а): разрезать лист пополам и, вставив источник в середину, из двух половинок сделать широкополосный диполь. Токи в таком диполе (показаны стрелками) текут, как и обычно, из одного плеча в другое.


Рис. 12.3.1.

Но бывают ситуации, когда резать пополам лист металла нельзя (например, это часть готовой конструкции). Как возбудить токи в металле в таком случае? Да так же: сделать изолятор в середине. А что у нас кроме полного разреза (который мы договорились, делать нельзя) является изолятором? Короткозамкнутая l/4 линия (п. 3.2.4). Вот и сделаем такую линию (т.е. узкую щель) в металлическом листе. Точнее две таких линии 2•l/4 = l/2, поскольку источник от КЗ металлическим листом надо изолировать с двух сторон.

Результат показан на рис. 12.3.1,б. Это уже простейшая щелевая антенна. Источник в центре изолирован двумя l/4 щелями, т.е. включен в середине полуволновой щели. Поэтому ток источника не имеет иного пути, чем растекаться вправо и влево (по 12.3.1,б), т. е. по плечам диполя.

По распределению антенного (излучающего) тока обе антенны рис. 12.3.1 идентичны. Следовательно, одинаковы их усиления, диаграммы направленности и поляризации.

На рис. 12.3.1,а изображен обычный горизонтальный диполь, с горизонтальной (Н) поляризацией. А на рис. 12.3.1,б ЩА с вертикальной щелью. Но это почти одинаковые антенны. Поэтому говорят, что вертикальный экран с вертикальной щелью излучает Н-поляризованную волну. Аналогично горизонтальная щель в вертикальном экране вызывает излучение вертикально поляризованной волны, т.к. такая ЩА эквивалентна вертикальному диполю (поверните страницу с рис. 12.3.1 на 900 и увидите).

ЩА удобнее рассматривать именно как диполь с соответствующим протеканием токов. Тогда не придется запоминать правило про «поворот плоскости поляризации на 900 в ЩА». В кавычки последняя фраза взята потому, что физически ничего подобного ЩА не делает. Она просто работает как широкий петлевой диполь. А правило про «поворот» приходится вводить в том случае, когда используется не физическое объяснение работы ЩА (с реальными электрическими токами по металлу экрана), а упрощенно-математическое с магнитными токами щели (которые в природе не существуют).

Несмотря на подобие в работе, по входному сопротивлению обе антенны рис. 12.3.1 различаются существенно. В простом широкополосном диполе 12.3.1,а) через источник течет весь антенный ток и поэтому входное сопротивление получается низким. А в диполе 12.3.1,б) – только часть антенного тока. Остальной протекает мимо источника, по перемычкам выше и ниже щели. Точно так же, как и в петлевом диполе (п. 4.1.5). Только в простом петлевом диполе цельнометаллическая перемычка одна, а в диполе рис. 12.3.1,б) их две: сверху и снизу щели. Как мы видели в п. 4.1.5 такие перемычки сильно повышают входное сопротивление (одна – в 4 раза, две – в 9 раз при одинаковой толщине).

Присмотревшись, на рис. 12.3.1,б) можно увидеть несколько модифицированный трехпроводный петлевой диполь с двумя перемычками: провод (вернее полоса, шириной l/2) с источником посередине и две цельнометаллические перемычки сверху и снизу в обход источника. Поэтому входное сопротивление полуволновой щелевой антенны столь же высокое, как и упомянутого диполя и составляет сотни ом.

Вывод: l/2 щелевая антенна в металлическом листе конечных размеров представляет собой модифицированный (большая ширина всех частей) трехпроводный петлевой диполь.

Простой тонкий петлевой диполь имеет большую длину и малую ширину. Поэтому синусоидальное распределение тока в нем есть только по длине, а по ширине ток одинаков. ЩА же имеет соизмеримую длину и ширину. Поэтому в ней синусоидальное распределение существует не только по длине, но и по ширине.

Представить распределение токов по поверхности металла ЩА можно следующим образом:

На рис. 12.3.2 показано распределение напряженности электрического поля над квадратным металлическим листом с размерами 0,8l на 0,8l, возбужденным в середине полуволновой щелью (на этом рисунке она расположена вертикально, так же, как и на предыдущем). Шаг координатной сетки на этом рисунке – 0,08l.

Хорошо видно, что в точке питания щели напряжение максимально, т.е. входное сопротивление антенны высокое. Также рис. 12.3.2 показывает, что поле меняется не только вдоль, но и поперек щели. По углам квадрата видны области максимумов напряжений. Некоторая «сетчатость» поля на рисунке объясняется тем, что смоделирован не сплошной экран, а проволочная сетка с шагом 0,02l. Ее шаг и просматривается на распределении поля рис. 12.3.2.


Рис. 12.3.2.

Если щелью возбуждается большой лист металла, то областей максимумов станет несколько, и они будут повторяться каждые полволны, причем как по горизонтали, так и по вертикали. На рис. 12.3.3 показано распределение электрического поля над квадратным металлическим листом с размерами 2l на 2l, возбужденным в середине полуволновой щелью. В отличие от предыдущего рисунка модуль напряженности передан не только яркостью, но и высотой по координате Z. 

Картинка рис. 12.3.3 типична для металлической поверхности, возбужденной щелью: чередование минимумов и максимумов каждые полволны, как в поперечном, так и в продольном направлениях.
 Отмечу, что рисунки 12.3.2 и 12.3.3 показывают распределение только модуля электрического поля.  А фаза от одного пика до другого (т.е. каждые полволны) меняется на 1800.


Рис. 12.1.3

Понятно, что распределение токов по металлической поверхности (а, следовательно, и все основные параметры антенны) зависит от:

  1. размеров возбуждаемой металлической поверхности (длины и ширины).
  2. Размеров щели. Очевидно, что щель не только изолирует источник, но и меняет фазу возбуждающих токов по высоте (по рис. 12.3.1,б).
  3. Положения щели на поверхности (в центре, или смещена).

Из вышесказанного очевидно, что сама щель ничего не излучает и не является антенной. Излучают токи, протекающие по металлической поверхности. А щель является лишь способом питания и возбуждения этих токов. Таким же, например, как g-согласование. 

Поэтому название «щелевая антенна», строго говоря, неверно. Мы же не говорим «антенна g-согласования» (а если и говорим, то непременно уточняем: что за антенна запитана g-согласованием). Так и с щелью, мало сказать, что антенна возбуждена щелью. Надо еще и пояснить какая именно металлическая поверхность является антенной, возбуждаемой таким способом.

 Тем не менее, термин «щелевая антенна» уже давно прижился, и буду его придерживаться. Но под ним будет пониматься антенна в виде конкретной металлической поверхности, возбужденная при помощи щели заданных размеров и положения.

На главную - Main page