На рисунке 1 показана схема распространённого щелевого волновода, представляющего собой длинный и узкий волновод со щелью посередине. Эта щель может использоваться для передачи электромагнитных волн.

Рисунок 1. Геометрия наиболее распространенных щелевых волноводных антенн.

Антенна, расположенная на переднем конце (открытая грань Y = 0 в плоскости xz), питается. Дальний конец обычно представляет собой короткозамкнутую цепь (металлический корпус). Волновод может возбуждаться коротким диполем (показан на обратной стороне щелевой антенны) на странице или другим волноводом.

Чтобы начать анализ антенны, показанной на рисунке 1, рассмотрим её схемную модель. Сам волновод действует как линия передачи, а щели в волноводе можно рассматривать как параллельные проводимости. Волновод закорочен, поэтому приблизительная схемная модель показана на рисунке 1:

Рисунок 2. Схематическая модель щелевой волноводной антенны.

Последний паз находится на расстоянии «d» от конца (который закорочен, как показано на рисунке 2), а элементы паза расположены на расстоянии «L» друг от друга.

Размер канавки определяет направление волны. Длина волны волновода – это длина волны внутри волновода. Длина волны волновода ( ) зависит от ширины волновода («a») и длины волны в свободном пространстве. Для доминирующей моды TE01 длины волн волновода следующие:

Расстояние между последней щелью и концом «d» часто выбирается равным четверти длины волны. Теоретически линия передачи, линия короткого замыкания длиной четверть волны, передаваемая вниз, представляет собой разомкнутую цепь. Таким образом, рисунок 2 сводится к следующему:

изображение 3. Модель цепи щелевого волновода с использованием преобразования четверти длины волны.

Если параметр «L» выбран равным половине длины волны, то входное омическое сопротивление ž будет наблюдаться на расстоянии, равном половине длины волны z Ом. Именно «L» является причиной того, что конструкция антенны имеет размер, приблизительно равный половине длины волны. Если волноводная щелевая антенна спроектирована таким образом, то все щели можно считать параллельными. Следовательно, входная проводимость и входное сопротивление щелевой антенной решетки с числом элементов «N» можно быстро рассчитать следующим образом:

Входное сопротивление волновода является функцией сопротивления щели.

Обратите внимание, что указанные выше параметры конструкции действительны только на одной частоте. По мере увеличения частоты, при которой работает волновод, характеристики антенны ухудшаются. В качестве примера частотных характеристик щелевого волновода на рисунке S11 представлены измерения выборки в зависимости от частоты. Волновод рассчитан на работу на частоте 10 ГГц. Сигнал подаётся на коаксиальный фидер, расположенный внизу, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Щелевая волноводная антенна питается от коаксиального кабеля.

Полученный график S-параметров показан ниже.

ПРИМЕЧАНИЕ: Антенна имеет очень большой спад на частоте S11 около 10 ГГц. Это показывает, что большая часть потребляемой мощности излучается на этой частоте. Полоса пропускания антенны (если определить её как S11 менее -6 дБ) простирается примерно от 9,7 ГГц до 10,5 ГГц, что даёт относительную ширину полосы пропускания 8%. Обратите внимание, что также наблюдается резонанс в области частот 6,7 и 9,2 ГГц. Ниже 6,5 ГГц, ниже частоты среза волновода, излучение энергии практически отсутствует. Приведённый выше график S-параметров даёт хорошее представление о том, с какой полосой пропускания аналогичны частотные характеристики щелевого волновода.

Ниже показана трёхмерная диаграмма направленности щелевого волновода (рассчитанная с помощью пакета численного моделирования электромагнитных волн FEKO). Коэффициент усиления этой антенны составляет приблизительно 17 дБ.

Обратите внимание, что в плоскости XZ (плоскости H) ширина луча очень узкая (2–5 градусов). В плоскости YZ (плоскости E) ширина луча значительно больше.