Теоретическая часть

1. Назначение и особенности волноводно-щелевых антенн

Волноводно-щелевая антенна (ВЩА) относится к классу линейных (плоских) многоэлементных антенн. Излучающими элементами таких антенн являются щели, прорезаемые в стенках волноводов, объемных резонаторов или металлических основаниях полосковых линий. На практике находят применение ВЩА с неподвижной в пространстве диаграммой направленности (ДН), а также ВЩА с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием .

К достоинствам ВЩА можно отнести:

Отсутствие выступающих частей, что позволяет совмещать их излучающую поверхность с внешней поверхностью корпуса летательных аппаратов, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления;

Сравнительно несложное возбуждающее устройство и простота в эксплуатации.

Основным недостатком ВЩА является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в несканирующей ВЩА луч отклоняется от заданного положения в пространстве, что сопровождается изменением ширины ДН и нарушением согласования антенны с питающим фидером.

2. Основные параметры щели в волноводе

Щель, вырезанная в волноводе, будет возбуждаться, если ее широкая сторона пересекает токи, текущие по внутренним стенкам. При построении ВЩА на основе прямоугольного волновода с основной волной Н 10 необходимо учитывать, что в широкой стенке волновода имеются продольные и поперечные составляющие поверхностного тока, а в узкой стенке – только поперечные. Щели могут быть вырезаны в широкой и узкой стенках волновода.

Рассмотрим щель, расположенную на широкой стенке волновода продольно по отношению к осевой (средней) линии широкой стенки (рис.1).

Такая щель возбуждается поперечной составляющей тока, если она смещена относительно средней линии на расстояние х 1 . При х 1 =0 излучение щели отсутствует. Изменяя величину смещения щели х 1 , можно регулировать интенсивность ее излучения.

При возбуждении щели токами, текущими по внутренним стенкам волновода, происходит излучение электромагнитной энергии как во внешнее пространство, так и в волновод. Для анализа работы щели вводят понятия внешней и внутренней проводимостей щели, определяемых внешним и внутренним излучением щели соответственно. Зная величины данных проводимостей, можно определить резонансную частоту щелей разной длины и проследить ее зависимость от расположения на стенке волновода.

Как известно, щель, прорезанная в волноводе, нарушает режим его работы, вызывая отражение энергии: часть ее излучается, остальная проходит дальше по волноводу. Таким образом, можно считать, что щель служит нагрузкой для волновода, на которой рассеивается часть мощности, эквивалентной мощности излучения. Поэтому для упрощения анализа можно заменить волновод эквивалентной двухпроводной линией, в которую включены нагрузки параллельно или последовательно в зависимости от типа щели (продольная щель эквивалентна параллельному включению, поперечная щель – последовательному).

3. Разновидности ВЩА

По принципу, на котором основана работа ВЩА, различают резонансные и нерезонансные волноводно-щелевые антенны.

В резонансных антеннах расстояние между соседними щелями выбирают равным l В (щели, синфазно связанные с полем волновода) или l В /2 (щели, переменно-фазно связанные с полем волновода), где l В – длина волны в волноводе, и на конце волновода устанавливают короткозамыкающий поршень. Таким образом, резонансные антенны являются синфазными и, следовательно, направление их максимального излучения совпадает с нормалью к продольной оси антенны. Синфазное возбуждение продольных щелей, расположенных по разные стороны относительно средней линии, обеспечивается за счет дополнительного фазового сдвига по фазе на 180°, обусловленного противоположными по направлению токами по обеим сторонам осевой линии широкой стенки волновода.

Резонансную антенну можно хорошо согласовать с питающим фидером в достаточно узкой полосе частот. Действительно, так как каждая щель отдельно не согласована с волноводом, то все отраженные от щелей волны складываются на входе антенны синфазно и коэффициент отражения системы становится большим. Поэтому обычно отказываются от синфазного возбуждения отдельных щелей и выбирают расстояние между ними d¹l В /2.

Характерной особенностью получаемой таким образом нерезонансной волноводно-щелевой антенны (НВЩА) является более широкая полоса частот, в пределах которой имеет место хорошее согласование, так как отдельные отражения при большом числе излучателей почти полностью компенсируются. Однако отличие расстояния между щелями от l В /2 приводит к их несинфазному возбуждению падающей волной и отклонению направления главного максимума излучения от нормали к оси антенны. Для устранения отражения от конца волновода обычно устанавливают оконечную поглощающую нагрузку.

Как было указано выше, НВЩА имеет хорошее согласование с фидером в достаточно широком диапазоне. Исключение составляет случай, когда d»l В /2; при этом отраженные волны складываются в фазе и коэффициент бегущей волны (КБВ) в волноводе резко падает. Подобный характер изменения КБВ при приближении расстояния между щелями к величине l В /2 носит название эффекта нормали.

Недостатком НВЩА являются меньший, чем у резонансных антенн, коэффициент полезного действия (для его увеличения следует повышать интенсивность возбуждения щелей) и не устранимые амплитудные искажения (для их уменьшения следует снижать интенсивность возбуждения щелей). Исходя из этого, интенсивность возбуждения необходимо выбирать из компромиссных соображений.

4. Особенности антенн доплеровского измерения скорости и угла сноса самолета (антенн ДИСС)

Задача по определению истинного местоположения летательного аппарата (ЛА) в пространстве при воздействии на него метеорологических факторов может быть решена, если известны продольная и поперечная составляющие его скорости. Данные величины обычно определяются косвенно путем измерения доплеровских частот. Известно , что радиосигнал частотой f, отраженный от объекта (например, от ЛА), движущегося в пространстве со скоростью V, получает дополнительное приращение по частоте

,

где a - угол между вектором скорости и радиальным направлением на ЛА. Знак доплеровского приращения положительный, если объект движется навстречу источнику радиоизлучения, и отрицательный, если объект удаляется от него.

Антенны ДИСС позволяют, измеряя доплеровские составляющие, определять продольную и поперечную скорости ЛА, и скорость его перемещения в вертикальном направлении. Такие антенны формируют четыре луча так, как показано на рис.2.

Поскольку доплеровские составляющие, вызванные движением ЛА с некоторой скоростью, в передних и задних лучах имеют разный знак, а случайные (помеховые) составляющие в них приблизительно одинаковы, то, вычитая сигналы со второй пары лучей из сигналов первой пары, можно добиться компенсации помехи и, следовательно, повышения точности измерения скорости ЛА.

Антенны доплеровского измерения скорости и угла сноса самолета часто строятся на основе решеток ВЩА. Для защиты от атмосферных осадков и пыли раскрыв антенных решеток закрывают диэлектрической пластиной или помещают всю излучающую систему в радиопрозрачный обтекатель.

антенна волновод щель доплеровский

5. Расчёт ВЩА

5.1 Расчёт широкой стенки волновода

Решим систему уравнений, из которой найдем a и лкр.

а надо выбрать таким чтобы длина волны в волноводе состовляла 0.9 от критической длины волны.

5.2 Расчёт расстояния между щелями d, возьмём цmax=-20 град, d найдём решив уравнение.

Подробности Опубликовано 18.11.2019

Уважаемые читатели! C 18.11.2019 г. по 17.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к новой уникальной коллекции в ЭБС «Лань»: «Военное дело» .
Ключевой особенностью данной коллекции является образовательный материал от нескольких издательств, подобранный специально по военной тематике. Коллекция включает книги от таких издательств, как: «Лань», «Инфра-Инженерия», «Новое знание», Российский государственный университет правосудия, МГТУ им. Н. Э. Баумана, и некоторых других.

Тестовый доступ к Электронно-библиотечной системе IPRbooks

Подробности Опубликовано 11.11.2019

Уважаемые читатели! C 08.11.2019 г. по 31.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к крупнейшей российской полнотекстовой базе данных - Электронно-библиотечной системе IPR BOOKS . ЭБС IPR BOOKS содержит более 130 000 изданий, из которых более 50 000 - уникальные учебные и научные издания. На платформе Вам доступны актуальные книги, которые невозможно найти в открытом доступе в сети Интернет.

Доступ возможен со всех компьютеров сети университета.

«Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки»

Подробности Опубликовано 06.11.2019

Уважаемые читатели! 13 ноября в 10:00 библиотека ЛЭТИ в рамках договора о сотрудничестве с Президентской библиотекой им.Б.Н.Ельцина приглашает сотрудников и студентов Университета принять участие в конференции-вебинаре «Карты и схемы в фонде Президентской библиотеки». Мероприятие будет проходить в формате трансляции в читальном зале отдела социально-экономической литературы библиотеки ЛЭТИ (5 корпус пом.5512).

Журнал "Радио", номер 9, 1999г.

Если судить по иностранной радиолюбительской литературе, скелетно-щелевая антенна пользуется популярностью на частотах выше 20 МГц. В публикуемой статье предпринята попытка ответить на вопрос - насколько заявленный в литературе ее коэффициент направленного действия соответствует действительности.

В книгах по УКВ антеннам неоднократно описывалась так называемая скелетно-щелевая антенна, причем все без исключения публикации сообщали о ее весьма высоких параметрах, большом коэффициенте направленного действия (КНД), широкой полосе частот и удобстве настройки. Идея антенны предложена Дж. Рамсеем еще в 1949 г. , ее конструкция показана на рис.1, заимствованном из . Активный элемент антенны представляет собой три параллельных полуволновых диполя, расположенных в три этажа друг над другом.

Для уменьшения габаритов антенны концы верхнего и нижнего диполей согнуты под прямым углом по направлению к среднему диполю и соединены с ним. От него же они и возбуждаются. Средний диполь сделан разрезным и соединен с согласующей четвертьволновой двухпроводной линией, одновременно служащей для крепления рефлектора. Рефлектор выполнен как у волнового канала в виде одиночного вибратора, электрическая длина которого несколько больше полуволны. Размеры антенны в длинах волн и значения коэффициента укорочения k, зависящего от диаметра проводников (трубок) d, приведены на рис. 1. Перемещая точку питания XX вдоль двухпроводной линии, можно изменять входное сопротивление антенны от нулевого (около рефлектора) до примерно 400 Ом (в точке YY около активного элемента).

Распределение тока в активном элементе показано на рис. 2. Видно, что пучности (максимумы) тока расположены как раз посередине горизонтальных частей элемента, образуя трехэтажную синфазную систему. В вертикальных частях активного элемента токи невелики и направлены навстречу друг другу. Кроме того, здесь находятся четыре узла тока, поэтому излучение вертикальных частей в дальней зоне отсутствует. Напомним, что в дальней зоне практически полностью формируется диаграмма направленности антенны. Расстояние до дальней зоны составляет несколько длин волн. Оно тем больше, чем больше КНД антенны.

Активный элемент скелетно-щелевой антенны можно также рассматривать как два квадрата, совмещенных одной стороной и точками питания. Однако по сравнению с двумя полноразмерными квадратами периметр активного элемента скелетно-щелевой антенны получается несколько меньше, вероятно изза укорачивающего действия емкости между вертикальными проводниками элемента. Похожую антенну предложил К. Харченко , но в ней два квадрата запитаны с углов и совмещены точками питания.

У простой скелетно-щелевой антенны недостаточно эффективен рефлектор. Устранить этот недостаток можно, выполнив рефлектор точно так же, как и активный элемент (в виде такой же трехэтажной конструкции вибраторов). Двухпроводные линии теперь уже нельзя разместить между элементами, но никто не мешает провести их в плоскости каждого элемента к точке с нулевым потенциалом в середине нижнего горизонтального вибратора.

То, что получается после такой модификации, изображено на рис. 3. Размеры самих элементов остаются прежними, а расстояние между активным элементом и рефлектором уменьшается до 0,18. У этой антенны есть и еще одно достоинство. Перемещая по двухпроводным линиям закорачивающие перемычки, элементы удается подстраивать ее на нужную частоту, а передвигая перемычку рефлектора, легко настроить антенну на максимальный КНД или отношение излучения вперед-назад.

Для такой двухэлементной антенны, описанной в [ и ], сообщается о необычайно высоком КНД в 14...16 дБ! Если бы вторая из названных книг была не серьезным изданием, тогда еще можно было махнуть рукой и не принимать этой цифры всерьез. Но эта книга в целом очень хорошая и почти не содержит ошибок. Ее автор, конечно, не мог испытать все множество приведенных в ней конструкций. Следовательно, если это ошибка, то она появилась раньше, в каких-то других изданиях, и найти первоисточник теперь затруднительно. Вполне понятно, что синфазная система вибраторов должна давать больший КНД, чем одиночный вибратор, но вопрос - насколько? Хотя в на с. 100 и утверждается, что антенна "...фактически является шестиэлементной трехэтажной синфазной", но ведь вибраторы оказываются довольно близко друг к другу, и к тому же укорочены. Это неизбежно должно снизить эффективность. Таким образом, вопросов оказалось больше, чем ответов. К тому же знакомые автору радиолюбители собрались строить именно такую антенну на диапазон 10 метров и уже готовы были потратиться на материал, а он нынче недешев!

Чтобы получить ясный и четкий ответ на вопрос о КНД, был проведен эксперимент в диапазоне 432 МГц. Элементы были согнуты в соответствии с рис. 3 из отрезков эмалированного медного провода диаметром 1,5 мм, соединения пропаяны, а проводники линий в местах установки замыкающих перемычек и присоединения кабеля зачищены от изоляции. Вся конструкция была собрана на деревянном каркасе из сухих тонких реек. Кабель питания проходил от точек питания вдоль того проводника двухпроводной линии, с которым соединялась оплетка, вертикально вниз и подключался непосредственно к выходу генератора стандартных сигналов. Индикатором поля служил полуволновый диполь с детектором и микроамперметром. Он располагался на штативе на расстоянии нескольких метров от антенны. Антенна также закреплялась на примитивном поворотном штативе, который позволял изменять ее ориентацию.

Настроилась антенна достаточно легко и быстро, просто по максимуму излучения в главном направлении. При указанных размерах на частоте 432 МГц расстояния замыкающих перемычек от основания двухпроводных линий для настроенной антенны получились такими: у рефлектора - 43 мм, у активного элемента - 28 мм. Расстояние до точки подключения 50-омного кабеля было 70 мм.

При настройке на максимум КНД обнаруживается небольшой задний лепесток. Подстроив рефлектор, его можно подавить практически полностью. Излучение вбок, вверх и вниз отсутствовало.

КНД, точнее выигрыш антенны, равный произведению КНД и КПД, определялся следующим образом: на индикаторе отмечался уровень сигнала, создаваемый антенной в главном направлении, затем вместо антенны к питающему кабелю подсоединялся полуволновый диполь, расположенный в той же точке пространства. Уровень сигнала от генератора повышался настолько, чтобы получить на индикаторе те же самые показания. Отсчитанное по аттенюатору генератора изменение уровня сигнала численно равно выигрышу антенны относительно полуволнового диполя. Для данной антенны он оказался равным 7 dBd. Относительно изотропного (всенаправленного) излучателя он будет на 2,15 dB больше и составит около 9,2 dBi.

Обратите внимание на буквы d и i в обозначении децибелов - в литературе по антеннам так принято указывать, относительно какого излучателя измерен КНД. Ширина диаграммы направленности по половинной мощности составила в горизонтальной плоскости (по азимуту) около 60°, а в вертикальной плоскости (по углу места) около 90°. Имея эти данные, КНД можно рассчитать и еще одним способом: телесный угол, в который излучает антенна, равен произведению линейных углов, соответствующих ширине диаграммы и выраженных в радианах. Получаем значение около 1,5 стерадиана. В то же время изотропная антенна излучает в телесный угол 4 , или 12,6 стерадиана. КНД по определению есть отношение этих телесных углов и составляет 12,6/1,5 = 8,4 или 9,2 dBi.

Получив столь хорошее совпадение значений КНД, определенных двумя методами, автор решил, что измерять больше уже нечего и с легким разочарованием лишний раз убедился, что чудес в антенной технике не бывает. Тем не менее антенна работает очень хорошо и при небольших габаритах (330x120x120 мм в диапазоне 432 МГц) обеспечивает весьма приличный выигрыш.

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.