L6_393-398 (Линии передачи СВЧ-диапазона, В.М. Максимов)

Антенны в виде некоторой замедляющей структуры, расположенной на экране, относятся к числу плоскостных антенн поверхностных волн. Кроме дисковых антенн (см. рис. ХЧ1!.1), ненаправленных в горизонтальной плоскости, известны плоскостные прямоугольные антенны. На рис. ХЧП.З, в, г показан пример такой антенны, возбуждаемой рупором. Здесь излучение получается направленным не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной.

Характерным для плас- т костных антенн поверхностных волн является то, что максимум диаграммы направленности получается не вдоль плоскости экрана, а под небольшим углом к ней. Это от- б клонение луча получается вследствие явления дифракции на краях экранов ограниченных размеров (так же, как для щелевых антенн в ограниченных экранах, рассмотРенных в гл.

Х1). Рис. ХЧПА. Стержневые кытеииы: з заряду С ПЛОСКОСТИЫМИ о — коиический стержень кз дкелектрика: б — ко- Н г СН лмй дизлектрическкй стержеиь; в — металлический стержень с замедлившей структурой в виде систетенны поверхностных волн, мм кольдевмх каиавок. в которых волны направлены вдоль прямолинейного стержня. Этот стержень выполняется из диэлектрика цилиндрической или конической формы и может быть сплошным или полым (рис.

ХЧП.4, а, б). В качгспуве замедляющей структуры можно применять также мепшллический стержень с насаженной на него системой колец (или дисков), образуюи(их канавки (рис. ХЧП.4, в). Такие антенны возбуждаются проволочным вибратором или рупором. У стержневых антенн максимум излучения ориентирован вдоль оси стержня.

ХЧПЗЬ СТЕРЖНЕВЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ Пример конструкции и соответствующая диаграмма направленности стержневой диэлектрической антенны показана на рис. ХУ11.5. Электромагнитное поле высокой частоты возбуждается в диэлектрическом стержне отрезком круглого металлического волновода, который в свою очередь возбуждается с помощью штырька, соединенного с центральной жилой питающего коаксиального кабеля.

Подробная теория такой антенны является весьма громоздкой и рассматривается в специальной литературе !6, 361. Здесь излагаются лишь физические принципы работы антенны и приводятся упрощенные выражения для расчета электрических параметров. 393 Фазовая скорость (о ) распространения волн вдоль стержня зависит от диэлектрической проницаемости материала, а также от соотношения между диаметром стержня (с1) и длиной волны (Х,). От этих же параметров зависит соотношение между величиной мощности переносимой внутри стержня и вие его. Так, при малом диаметре (с( ( )г /4) фазовая скорость волн вдоль стержня близка к скорости света в свободном пространстве.

При этом большая часть всей мощности проходит вне стержня и роль последнего незначительна. Однако для стержней с диаметром, равным Х, и большим, фазовая скорость волн заметно понижается и приближается к значению, соответствующему распространению волн гааксиальный фидер Рис. Хтг!1.5 Поперечное сечение стержневой лиэлекгричесиой антенны длиной бл (а), диаграмма направленности (6).

в неограниченном диэлектрике, т. е. к величине оэ — — сг'у'е, где н— относительная диэлектрическая проницаемость. При увеличении диаметра стержня увеличивается доля мощности, концентрирующейся а стержне. Однако увеличение сечения стержня создает условия для возбуждения волн высших типов, что нежелательно. Существует некоторый оптимальный диаметр диэлектрического стержня, при котором для задачкой длины получается максимальный КНД. Расчет оптимальных соотношений диэлектрического стержня рассматривается ниже.

При указанном на рис. ХУП.5 способе возбуждения в диэлектрическом стержне возбуждаются волны (рис. ХЧ11.6), аналогичные волнам типа Нгг в круглом металлическом волноводе. Отличие заключается в том, что линии электрического поля пе строго перпендикулярны к границе диэлектрик — воздух и вне диэлектрического стержня существует наружное поле. Возникающие в стержне волны вызывают поляризацию диэлектрика вдоль силовых линий электрического поля (т. е. в плоскостях перпендикулярных оси стержня). Эти полярнзационные токи могут рассматриваться как элементарные излучатели, сдвинутые между собой по фазе, 394 как в бегущей волне, ! 1оле излучения всей антенны будет определяться суммой полей всех элементарных источников и как для антенны бегущей волны опишется выражением /(0) = Р„(0) Р, (О), (ХЧИ.1) где Р„(0) — множитель системы, который для антенны бегущей волны (в пренебрежении потерями и отражением от конца) определяется выражением (Ш.25): Р„(0) = з! и — (5 — соз 9) ! — (я — соз О) кЕ /кЕ 2 / 2 (5 — длина стержня; Π— угол, отсчитываемый относительно его оси; $ = с/оэ); Р1(О) — множитель, определяемый направленным действием одиночного элемента.

На основании выводов Н. В. Зернова Р,(0) /а(щ з!п О), (ХЧИ.З) где лв — функция Бесселя нулевого порядка; а — средний радиус стержня. Множитель Р, (О) с изменением О меняется незначительно, и потому результирующая диаграмма для яе очень'коротких стержней практически целиком определяется множителем Р„(0). д,/г Риг ХЧ!Ьв Картина электромагнитного поля в ди- электрическом стержне а — в поперечном сечении, б — в продольном сечении, ке — длина валим в стержне, линни элентрнчесвого паля 1 — к ленни мвгиитиога полн (- †- 1 Остановимся несколько подробнее на выражении (ХЧИ.2) для Р„(О). Коэффициент укорочения волны зависит от е материала стержня и отношения б//Л.

Для стержня конической формы (рис. ХЧИ.5) $ = ($1 + $1)/2, (ХЧИг4) ГдЕ 51 СООтВЕтетВуЕт Г/ ,н,/Л, а яп СООтВЕтСтВуЕт д „„/Л. Графики зависимости оэ/с = 1/$ = /(с(/Л) для разных значений и приведены иа рис. ХЧИ.7 151. Между длиной стержня Е (в долях волны) и коэффициентом й, как для всякой антенны бегущей волны, существует оптимальное соотношение (И!.101), при котором получается максимальный КНД вдоль оси антенны: $,„, = ! + Л/2 Е (ХЧИ.5) или /.,„, = Л/2 (5 1). (ХЧИ.ба) Ззз Так, например, для стержневой антенны (см. рис. ХНП.5) длиной й = 6 Л $,„, = 1,083; 1/$,в, = о,/с = 0,92. Учитывая, что для полистирола в = 2,5, получаем (ддя о /с = = 0,92) по графику рис.

ХНП.7 (г(/Л)„, ~ 0,4. При оптимальных параметрах антенны выражение для диаграммы направленности принимает вид Р (О)' р (О) = зйп ~ — ! и — — соз 9 )~ ( — ~1+ — — соз О ) . Гквг Л ~1/кЕ/ Л Д/ 2 х 28 (ХН11.6) В рассматриваемом примере для /. = 6 Л г(О) = з!п [Оп(1,083 — соз О)!/Оп(1,083 — соз 9). На рис. ХНП.8 показана диаграмма направленности, рассчитанная по последней формуле. Как видно из рисунка, ширина диаграммы по бв Г с г,б Г(О) Об Об О+ бб бд б а,г дч бб дв а я Рис. ХНП/Л Графики зависимости Рис. ХНРЛ8. Расчетная диаграмма на.

ов/с=/(г//Л) для разных значений к правленности дизлектрнческого стержня длиной /.=8Лз г/очт=п бхо. половинной мощности равна примерно 25'. Первый боковой лепесток составляет около з/, от максимума диаграммы, направленного вдоль оси антенны. В диэлектрической антенне из цилиндрического стержня на конце антенны возникают отраженные волны, увеличивающие боковые лепестки. Для уменьшения отражений от конца и соответственно снижения уровня боковьвх лепестков обычно применяются диэлектрические стержни конической формы.

Так, например, для антенны длиной (. = 6 Л вместо цилиндрического стержня диаметром г(,„, = 0,4 Л лучше взять конический стержень сг(мено =- 0,5ЛиИмнн = О,ЗЛ(см. рис. ХН!1.5). 328 Для определения оптимальных значений максимального и минимального диаметра конических стержней рекомендуются также следующие формулы, полученные на основании опытных данных: та Рис. ХЧ!1.1О. Антенна иа четырех кивлектрнческих стержней, питаемых синфавно. Рис. ХУ!!Д. Йиаграммы направленности личлектрических антенн конической формы оРн Равличаой алине; ччччч 0,45Х; Н„.,-О,ЗХ.' антенны бегущей волны (см.

9 П1.3). При оптимальных размерах антенны, когда выполняется условие (ХЧ!1.5), КНД определяется выражением /) /)мако (7 — 8) /./)г. (Х Ч11. 9) Коэффициент полезного действия диэлектрических антенн из хороших диэлектриков, таких, как полистирол, мало отличается от единицы. При проектировании стержневой диэлектрической антенны ее длину можно определить по заданной ширине диаграммы или по КНД 397 г(макс = Х/3 и/ !)! г(мин = 0 63 г(мако' (ХЧ!!'7) Например, при е = 2,5 г(м,„, = 0,46)!, с!мин = 0,3 )!. На рис.

ХЧ!!.9 изображены расчетные (йунктир) и экспериментальные (сплошные кривые) главного лепестка диаграммы направленности диэлектрических антенн конической формы различной длины при с(мане = 0,451! и г(чни = 0,31! (6!. ' гд* Ширину диаграммы направленности (по половинной мощности) можно рассчитать по приближенной формуле 2а' ((2 Ое,у)' '~' 60 )г Х/1 (ХЧ!! 8) 20' Коэффициент направленного дей- ствия диэлектрической антенны может р быть определен как для всякой с помощью формул (ХЧП.8), (ХЧП.9). Затем, выбрав диэлектрик с малыми потерями, можно по формулам (ХЧП.?) определить поперечные размеры стержня. Одиночные диэлектрические стержни характеризуются сравнительно небольшими значениями КНД.