Что такое щелевая антенна
Щелевая антенна — это прорезь в металлической поверхности: в стенке волновода, в экране полосковой линии, в обшивке самолёта. Ток, текущий по металлу, огибает щель, и на её краях возникает переменное напряжение — щель излучает. Снаружи у такой антенны нет выступающих частей, поэтому щели ставят там, где антенна должна быть заподлицо с корпусом: на летательных аппаратах, ракетах, в радарах с вращающейся антенной.
Одна щель излучает слабо и широко. Практическую ценность имеют решётки: десятки щелей в стенке волновода складывают излучение в узкий луч с высоким усилением. Такая волноводно-щелевая решётка — классическая антенна судовых и аэродромных радаров, радиолокационных датчиков и спутниковых терминалов.
Принцип Бабине: щель и диполь
Щель — «негатив» диполя. По принципу Бабине диаграмма направленности полуволновой щели такая же, как у полуволнового диполя той же формы, только электрическое и магнитное поля меняются местами. Отсюда главное практическое следствие: поляризация щели перпендикулярна её длине. Продольная щель в горизонтальной стенке даёт поляризацию поперёк щели.
Сопротивления щели и диполя связаны формулой Zщели·Zдиполя = η0²/4, где η0 ≈ 377 Ом — сопротивление свободного пространства. Для полуволнового диполя 73 Ом получаем для щели около 485 Ом. Поэтому щель питают не в центре, а смещением относительно тока в стенке — подбирая, какую долю мощности она забирает.
| Параметр | Полуволновый диполь | Полуволновая щель |
|---|---|---|
| Входное сопротивление | ≈73 Ом | ≈485 Ом |
| Поляризация | вдоль диполя | поперёк щели |
| Выступает над корпусом | да | нет |
| Как питают | в разрыв в центре | током в стенке, смещением или наклоном |
Щели в стенке волновода
В прямоугольном волноводе по стенкам текут поверхностные токи. Щель, которая их пересекает, излучает; щель вдоль линий тока — нет. Продольная щель на оси широкой стенки токи не пересекает и молчит; сдвинутая от оси — начинает излучать, и чем больше смещение, тем сильнее. Так регулируют амплитуду каждой щели и формируют боковые лепестки решётки.
Продольные щели на широкой стенке с шагом в половину длины волны в волноводе, смещённые попеременно в разные стороны от оси.
Поле в волноводе меняет знак каждые полволны, поэтому соседние щели на расстоянии λв/2 были бы в противофазе. Их ставят по разные стороны от оси — это добавляет ещё 180°, и все щели излучают синфазно, луч идёт перпендикулярно стенке. Длина волны в волноводе λв больше, чем в свободном пространстве: для сечения WR90 на 9,4 ГГц λв = 44,5 мм против 31,9 мм снаружи.
Резонансная решётка и решётка бегущей волны
Резонансная
Волновод на конце закорочен, в нём стоячая волна, щели стоят точно через λв/2. Все щели синфазны, луч — строго по нормали, КПД высокий. Плата — узкая полоса: при уходе частоты шаг перестаёт быть равным λв/2, и согласование быстро ухудшается. Длинные резонансные решётки работают в полосе порядка процента.
Бегущей волны
Волновод на конце нагружен на поглотитель, волна бежит вдоль щелей, и каждая забирает свою долю. Шаг щелей делают немного меньше или больше λв/2, чтобы отражения от щелей не складывались. Полоса по согласованию широкая, но луч отклоняется от нормали и поворачивается с частотой: sin θ = λ/λв − λ/(2d).
Расчёт для решётки бегущей волны на волноводе WR90 с шагом щелей 20 мм: на краях диапазона луч уходит больше чем на 10°.
Этот эффект используют: меняя частоту, можно качать луч без механики — частотное сканирование в радиолокации. Если же нужно стабильное направление, решётку делают резонансной или короткой, а приёмник — узкополосным.
| Частота, ГГц | λв в WR90, мм | Направление луча, ° |
|---|---|---|
| 8,6 | 53,9 | −13,0 |
| 9,0 | 48,6 | −8,5 |
| 9,4 | 44,5 | −4,6 |
| 9,8 | 41,2 | −1,2 |
| 10,2 | 38,4 | +1,8 |
| 11,0 | 33,9 | +7,0 |
| 12,0 | 29,8 | +12,3 |
Усиление и размеры
Усиление решётки растёт с её площадью в длинах волн, как у любой апертурной антенны. Одна волноводная линейка даёт узкий луч только в плоскости вдоль волновода; поперёк он широкий. Поэтому узкий «карандашный» луч получают, собирая несколько волноводов рядом в плоскую решётку, а вытянутый «веерный» луч судового радара — длинной одиночной линейкой.
Волноводно-щелевые антенны каталога KADAMM работают в диапазонах X и Ku с усилением 15–22 дБ:
| Модель | Частоты, ГГц | Ку, дБ | Габариты, мм | Поляризация |
|---|---|---|---|---|
| АЩ-10700/12750-15 | 10,7-12,75 | 15 | 138×32×33 | вертикальная |
| АЩ-10700/12750-18 | 10,7-12,75 | 18 | 138×34×40 | вертикальная |
| АЩ-8600/9600-20 | 8,6-9,6 | более 20 | 205,7×77,7×48,8 | линейная |
| АЩ-9000/10000-22-SMA(р) | 9-10 | 22 | 260×89×20 | линейная |
У модели на 18 дБ ширина луча 45° в плоскости H и 9° в плоскости E — это как раз вытянутый луч линейки: узкий вдоль волновода и широкий поперёк.
Длина линейки и ширина луча
Для равномерно возбуждённой линейки ширина луча вдоль неё θ ≈ 51·λ/L градусов, где L — длина. Если щели возбуждают неравномерно — сильнее в центре, слабее к краям, — боковые лепестки падают с −13 до −25…−30 дБ, но луч расширяется примерно на треть. Для навигационного радара на 9,41 ГГц:
| Длина линейки, м | Щелей при шаге λв/2 | Ширина луча при равномерном возбуждении, ° |
|---|---|---|
| 0,6 | 27 | 2,71 |
| 1,2 | 54 | 1,35 |
| 1,8 | 81 | 0,90 |
| 2,4 | 108 | 0,68 |
Отсюда типичные размеры антенн судовых радаров: 1,2 м — для малых судов, 1,8–2,4 м — для крупных, где нужна разрешающая способность по азимуту меньше градуса. Сотня щелей в одной стенке — обычное дело, и каждая должна стоять на своём месте с точностью до десятых долей миллиметра.
Печатные щелевые антенны
Щель можно прорезать не только в волноводе, но и в экранном слое печатной платы. Её возбуждают микрополосковой линией с обратной стороны: линия пересекает щель и наводит на ней напряжение. Такие антенны технологичны в серии, компактны и легко собираются в решётки вместе с электроникой. Щелевое возбуждение используют и в патч-антеннах: патч над щелью в экране получает более широкую полосу, а линия питания отделена от излучателя экраном.
Вращающиеся антенны радаров
Обзорный радар вращает щелевую линейку по азимуту. Энергия из неподвижного передатчика проходит в антенну через вращающееся сочленение — волноводный или коаксиальный узел с бесконтактным переходом. От его потерь и стабильности КСВН при вращении зависит, не «моргает» ли дальность за оборот. Решётку закрывают обтекателем, который вращается вместе с ней и защищает щели от брызг и обледенения.
Где применяют щелевые антенны
- Судовые и береговые навигационные радары — длинные вращающиеся линейки X-диапазона.
- Метео- и аэродромные радары, радиолокационные датчики уровня и движения.
- Бортовые антенны летательных аппаратов: щели заподлицо с обшивкой не создают сопротивления.
- Спутниковые терминалы и плоские антенны Ku-диапазона.
- Радиорелейные и точка-точка антенны, где нужен плоский корпус.
- Печатные щелевые антенны в модулях Wi-Fi и датчиках — щель в экранном слое платы.
Изготовление и проверка
Щели фрезеруют или вырезают лазером в готовом волноводе, а плоские решётки собирают из фрезерованных пластин пайкой или диффузионной сваркой. После сборки проверяют КСВН по всей полосе и снимают диаграмму на полигоне или сканером ближнего поля: по ней видно, какие щели излучают не так, как задумано. Небольшие ошибки амплитуды подстраивают винтами в волноводе, большие исправляют только новой деталью.
В эксплуатации щелевой антенне почти нечему ломаться: нет кабелей, пайки излучателей и активных элементов. Опасны вмятины на стенке, коррозия внутри волновода и влага — поэтому тракт герметизируют и иногда продувают сухим воздухом.
Достоинства и ограничения
Достоинства: малые потери — волновод почти не рассеивает энергию; высокая допустимая мощность, что важно для радаров; прочная цельная конструкция без выступающих частей; точное управление амплитудой щелей и, значит, низкие боковые лепестки. Ограничения: узкая полоса резонансных решёток, отклонение луча у решёток бегущей волны, высокая точность изготовления — ошибка в положении щели на десятые доли миллиметра заметно поднимает боковые лепестки в диапазоне X и выше.
Колпак и влага. Щели открыты наружу, поэтому решётку закрывают радиопрозрачным обтекателем. Вода и лёд на поверхности сдвигают резонанс щелей и поднимают КСВН — обтекатель проектируют вместе с антенной.
Как выбрать щелевую антенну
- Диапазон: волноводное сечение определяет рабочую полосу, резонансная решётка — ещё уже.
- Направление луча: нужна ли нормаль на всех частотах или допустимо отклонение.
- Форма луча: веерный для обзорного радара или карандашный для связи и сопровождения.
- Усиление и боковые лепестки — по дальности и требованиям к помехам.
- Мощность: средняя и импульсная для радарного передатчика.
- Поляризация и вход: волноводный фланец или коаксиальный разъём.
- Условия: обтекатель, вращающееся сочленение для вращающихся антенн.
- Конструктив: волноводная линейка, плоская решётка или печатная щель на плате.
Модели KADAMM
Волноводно-щелевые и другие антенны СВЧ — в разделе KADAMM.
| Частоты | 8,6 – 12,75 ГГц |
| Моделей | 4 |
| Частоты | 1,3 – 27 ГГц |
| Моделей | 14 |
| Частоты | 6,57 – 18 ГГц |
| Моделей | 7 |
| Частоты | 1,8 – 59 ГГц |
| Моделей | 18 |