Щелевая антенна является одним из наиболее распространенных типов антенн, используемых для передачи и приема радиоволн в СВЧ диапазоне. Она представляет собой волновод или коаксиальный кабель, в стенке которого имеется узкая продольная щель.
Волны, распространяющиеся внутри волновода, через эту щель излучаются в пространство. Ширина щели значительно меньше длины волны, поэтому излучение происходит в узком направлении перпендикулярно оси щели.
Основные достоинства щелевых антенн:
- Высокая направленность излучения в плоскости, перпендикулярной щели.
- Простота и технологичность изготовления.
- Широкополосность (возможность работы в широком диапазоне частот).
- Малые габариты по сравнению с размером рабочей волны.
Недостатки:
- Низкий усиление.
- Высокий уровень боковых лепестков излучения.
- Низкая направленность в плоскости, параллельной щели.
Конструкция щелевой антенны
Конструктивно щелевая антенна представляет собой отрезок волновода или коаксиальной линии, в стенке которой выполнен продольный разрез - щель. Щель может располагаться как с торцевой стороны волновода, так и с боковой.
Ширина щели составляет около λ/10 - λ/20, где λ - длина волны. Высота щели равна высоте поперечного сечения волновода. Длина щели определяет диаграмму направленности антенны.
Для уменьшения боковых лепестков и повышения направленного действия щель может быть сужена к краям. Также возможно применение сложных щелей с несколькими прорезями.
Для питания щелевой антенны используется коаксиальный фидер, присоединяемый к торцу волновода. Для согласования волновода с фидером применяются специальные переходы.
Принцип работы
Принцип действия щелевой антенны основан на излучении электромагнитной волны сквозь узкую щель в проводящей поверхности. Внутри волновода распространяется волна нужной частоты и поляризации.
При попадании на щель, эта волна излучается в окружающее пространство. Из-за малой ширины щели по сравнению с длиной волны, излучение происходит в узком направлении, перпендикулярном плоскости щели.
Таким образом формируется высоконаправленный СВЧ пучок. Ширина диаграммы направленности в плоскости E (перпендикулярной щели) составляет обычно несколько градусов.
В плоскости Н (параллельной щели) диаграмма направленности зависит от длины щели и может достигать 180°.
Расчет щелевых антенн
Для расчета основных параметров щелевой антенны используются следующие соотношения:
- Ширина щели a = 0,1λ - 0,2λ
- Длина щели l = (3-5)λ
- Коэффициент направленного действия примерно равен 4l/λ
- Ширина главного лепестка диаграммы направленности в плоскости E: θ0 ≈ λ / l
Также можно воспользоваться приближенными аналитическими формулами для расчета диаграммы направленности и входного сопротивления щелевой антенны.
Для более точного анализа и оптимизации параметров применяются численные методы моделирования: метод моментов, метод конечных элементов.
Волноводно-щелевые антенны
В зависимости от используемого типа волновода, различают следующие разновидности щелевых антенн:
- Прямоугольные волноводно-щелевые антенны
- Круглые волноводно-щелевые антенны
- Коаксиальные щелевые антенны
Наиболее часто применяются антенны на основе прямоугольного и круглого волноводов. Выбор типа волновода зависит от рабочего диапазона частот.
Прямоугольные волноводно-щелевые антенны используются в X-диапазоне (8-12 ГГц), круглые - на более высоких частотах Ка-диапазона (26-40 ГГц) и выше.
Применение щелевых антенн
Благодаря своим достоинствам, щелевые антенны широко используются в различных областях радиотехники и телекоммуникаций.
Основные области применения:
- Радиолокация
- Спутниковая связь
- Радиорелейные линии
- Системы мобильной связи
- Беспроводные локальные сети
- Радиоастрономия
Щелевые антенны часто используются в составе антенных решеток. Это позволяет сформировать узкие многолепестковые диаграммы направленности и электронно управлять лучом за счет фазирования сигналов элементов.
Перспективным направлением является создание щелевых антенн на основе искусственных диэлектриков и метаматериалов для достижения предельно высокой направленности.
Таким образом, несмотря на достаточно давнюю историю, технология щелевых антенн продолжает активно развиваться и находить новые применения в современных радиоэлектронных системах.
Особенности конструкции
Для улучшения характеристик щелевых антенн применяются различные конструктивные решения. Например, щель может быть неоднородной - расширяющейся или сужающейся к краям. Это позволяет уменьшить уровень боковых лепестков диаграммы направленности.
Также используются многощелевые конструкции, когда на радиопрозрачной стенке волновода выполнено несколько щелей. Располагая их с определенным шагом можно формировать нужную диаграмму направленности.
Щелевые антенны для диапазона дмв
Для диапазона дмв (30-300 ГГц) также применяются щелевые антенны. В этих диапазонах используются волноводы прямоугольного сечения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
Особенности таких антенн - очень малые размеры щели и небольшие габариты самой антенны. Это накладывает повышенные требования к точности изготовления конструкции.
Применение скелетно-щелевых антенн
Разновидностью щелевых являются скелетно-щелевые антенны. В них волновод выполняется не сплошным, а решетчатым, из тонких параллельных стержней.
Преимущества такой конструкции - малый вес, простота изготовления. Скелетно-щелевые антенны часто используются в системах космической связи благодаря высокому отношению усиления к массе.
Линейные щелевые антенны
В линейных щелевых антеннах используется несколько последовательно расположенных излучателей в виде щелей. Это позволяет увеличить коэффициент усиления по сравнению с одиночной щелью.
Линейные антенны могут использовать общий волновод или иметь индивидуальные волноводы для каждого излучателя. Возможно применение фазированных щелевых антенных решеток.
Резонансные волноводно-щелевые антенны
Для расширения рабочего диапазона частот щелевых антенн используется резонансный принцип. В конструкции создаются элементы с резонансом на определенных частотах.
Например, может применяться дополнительная щель, вырез или диэлектрический стержень. Такая антенна сохраняет хорошие характеристики в широкой полосе частот.
Перспективы развития
Создание щелевых антенн с улучшенными характеристиками остается актуальной задачей. Перспективны исследования по использованию метаматериалов, новых типов диэлектриков, а также аддитивных технологий для усложнения конструкции щелей.
Развитие многолучевых антенных решеток и цифрового управления диаграммой направленности открывает новые возможности применения щелевых антенн в радиолокации, спутниковой связи и других областях.
Методы оптимизации параметров
Для получения оптимальных характеристик щелевой антенны необходим точный расчет и подбор ее параметров. Существует несколько методов оптимизации.
Аналитические методы базируются на решении уравнений излучения щели и позволяют получить приближенные формулы для основных параметров. Это дает общее представление о влиянии размеров щели на характеристики антенны.
Численное моделирование с использованием таких методов как метод моментов, метод конечных элементов дает более точные результаты. Позволяет оптимизировать форму и размеры щели, профиль амплитуды и фазы поля в щели.
Экспериментальная оптимизация проводится путем измерения параметров опытных образцов антенн. Полученные результаты используются для уточнения расчетных моделей.
Комплексное применение аналитических, численных и экспериментальных методов дает наиболее точный результат при оптимизации щелевых антенн.
Сравнение с другими типами антенн
По своим свойствам щелевые антенны занимают промежуточное положение между волноводными и открытыми антеннами. По сравнению с волноводами они обеспечивают излучение в пространство, а по сравнению с открытыми антеннами имеют меньшие размеры.
Преимущества щелевых антенн по сравнению с рупорными: более высокая направленность, меньшие габариты, большая широкополосность. Недостаток - более низкий КПД.
По сравнению с зеркальными антеннами щелевые имеют меньшие размеры, проще в изготовлении, но уступают в коэффициенте усиления и ширине диаграммы направленности.
Перспективные области применения
Благодаря своим свойствам, щелевые антенны находят применение в передовых областях радиотехники.
Их используют в радиолокационных станциях с ФАР для формирования узких диаграмм направленности с электронным сканированием.
В системах спутниковой связи они применяются благодаря высокому усилению и малому весу. Щелевые антенны используются в межспутниковых линиях связи.
Перспективно применение в беспроводной высокоскоростной связи на миллиметровых волнах, где нужна узкая диаграмма направленности.
Применение метаматериалов
Использование метаматериалов в конструкции щелевых антенн позволяет улучшить их характеристики.
Метаматериалы обладают уникальными электродинамическими свойствами, недостижимыми в природных материалах. Это открывает новые возможности управления диаграммой направленности.
В частности, применение метаматериалов позволяет существенно увеличить коэффициент направленного действия щелевых антенн по сравнению с традиционными конструкциями.
Применение в терагерцовом диапазоне
Перспективно использование щелевых антенн в терагерцовом диапазоне частот (0,1-10 ТГц). На этих частотах требуются компактные высоконаправленные антенны с широкой полосой.
Щелевые антенны на основе планарных волноводов с применением графена и других двумерных материалов позволяют решить эти задачи. Они могут использоваться в системах терагерцовой связи и изображения.
