Характеристики некоторых диэлектрических материалов

 

выбирается из соотношения

 

 .                                                 (8.5)

 

 

При частичном заполнении круглого волновода диэлектриком величина  выбирается из условия существования в незаполненном волноводе волны типа . Для выбранного диаметра стержня ‚ и диэлектрической проницаемости  из рис. 8.4 определяется величина замедления  поверхностной волны, распространяющейся вдоль стержня. Как правило, величина .  Длина стержня выбирается оптимальной из условия (8.4). Величина  менее 1,1 может привести к чрезмерной

 

Рис. 8.8. Зависимость оптимальной длины стержня  от диаметра  .

Рис. 8.9. Зависимость ширины диаграммы направленности  и уровня боковых лепестков  [ дб ] от диаметра стержня  .

длине , для которой рассматриваемый метод расчета несправедлив. Зависимость  от диаметра стержня приведена на рис. 8.8 [Л 3]. Характер зависимости ширины диаграммы направленности по уровню половинной мощности  и уровня боковых лепестков с  от диаметра стержня при его оптимальной длине приведен на рис. 8.9 [Л 3].

На практике обычно применяются цилиндрические стержни с диаметром . Для таких стержней диаграмма направленности антенны определяется множителями  и  из рис. 8.6 при  . Однако, как следует из рис. 8.6, ширина основного лепестка диаграммы направленности  весьма мало зависит от величины . Поэтому при расчете антенны по заданной ширине диаграммы направленности в плоскости  используется

 

 

                                       (8.6)

 

В плоскости  диаграмма направленности оказывается несколько шире, чем в плоскости , из-за отсутствия множителя .

Рис. 8.10. Зависимость ослабления боковых лепестков  [ дб ] диаграммы направленности антенны с коническим стержнем

    Наряду с цилиндрическими стержнями получили распространение конические стержни (см. рис. 8.3‚б). Экспериментальные исследования показывают, что они позволяют получить большее ослабление боковых лепестков диаграммы направленности, чем цилиндрические стержни. Однако длина конических стержней при одинаковой ширине диаграммы направленности больше, чем в цилиндрических.

На рис. 8.10 приведена зависимость ослабления боковых лепестков диаграммы направленности антенны с коническим стержнем в зависимости от соотношения его диаметров

 

 .

 

Величина  для конического стержня определяется из условия (8.5)‚ а величину  следует выбирать из соотношения

 

 .                                          (8.7)

 

Примером оптимального соотношения диаметров конического полистиролового стержня   являются:  ,  .

Расчет диаграммы направленности антенны с коническим стержнем проводится так же, как и для антенны с цилиндрическим стержнем, при условии замены конического стержня цилиндрическим среднего диаметра.

 

 

К. н. д. и усиление антенны

Коэффициент направленного действия (к. н. д.) диэлектрической стержневой антенны оптимальной длины в осевом направлении вычисляется по формуле

 

                                            (8.8)

 

Формула (8.8) характерна для к. н. д. антенны бегущей волны с равномерным непрерывным распределением элементарных диполей по оси антенны, которая является приближенной моделью диэлектрической стержневой антенны.

К. н. д. антенны можно вычислить также по известной ширине диаграммы направленности в плоскости  и Н.

Коэффициент усиления антенны зависит от величины тепловых потерь в диэлектрическом стержне, которые обычно пренебрежимо малы. Поэтому величину коэффициента усиления антенны можно считать равной величине       к. н. д.

 

 

Возбуждение антенны

Эффективность возбуждения антенны характеризуется отношением величины мощности, переносимой волной  в стержне к полной мощности, подводимой к антенне. Эффективность возбуждения во многом зависит от выбора типа возбудителя. Исследования показывают, что наиболее эффективными возбудителями волны тина  в диэлектрическом стержне являются штыревой вибратор и линейная щель, прорезанная в торцевой стенке круглого волновода. Для щели характерна зависимость эффективности возбуждения от замедления волны в стержне. Этого недостатка лишен штыревой вибратор, который обеспечивает более устойчивое возбуждение.

При длине волны   см распространение получила схема возбуждения рис. 8.1, гири которой штыревой вибратор возбуждения возбуждает диэлектрический стержень, заполняющий круглый волновод. Вибратор является продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, питающей антенну. Такой возбудитель называют волноводно-коаксиальным переходом.

 

 

Размеры и положение вибратора в круглом волноводе выбираются так, чтобы отражения, вызываемые его входным сопротивлением  в питающей коаксиальной линии в рабочем диапазоне частот, были достаточно малыми. Это обеспечивает минимальные потери в коаксиальной линии, увеличивает ее электрическую прочность и облегчает согласование антенны с генератором или приемником.

Строгий расчет входного сопротивления  волноводно-коаксиального перехода весьма сложен. При упрощенном методе расчета предполагается, что вибратор возбуждает только основную волну типа  в круглом волноводе, и мощность, излучаемая вибратором, приравнивается мощности переносимой этой волной. Это предположение позволяет вычислить сопротивление излучения вибратора, составляющего активную часть входного сопротивления . Расчет проводится по формуле

 

 ,                               (8.9)

 

где

 - волновое сопротивление круглого волновода для волны типа  ;

 - действующая длина вибратора;

 - длина волны  в волноводе, заполненном диэлектриком;

 - длина волны рабочего диапазона в диэлектрике;

 - критическая длина волны  ,  .

 

Из выражения (8.9) следует, что величина  может существенно меняться с изменением  и достигает максимального значения при .

Реактивная часть входного сопротивления  волноводно-коаксиального перехода обусловлена возбуждением высших типов волн. Волновод для этих волн является закритическим и они локализованы вблизи вибратора. Теоретический расчет величины  оказывается достаточно сложным и на практике она определяется обычно экспериментально. Величина , как и величина  зависит от положения вибратора в волноводе и может изменяться

 

 

при его смещении в осевом направлении и в направлении, поперечном оси.

Согласование  с питающей коаксиальной линией осуществляется подбором величины  из (8.9), равным волновому сопротивлению линии, изменением длины вибратора при  .

Изменение положения вибратора в круглом волноводе нерационально, так как ведет к значительному искажению поля основной волны и появлению интенсивных волн высших типов, ухудшающих диапазонные свойства волноводно-коаксиального перехода. Поэтому для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления  в коаксиальной линии используются согласующие элементы в виде шайб, четвертьволновых трансформаторов или шлейфов с подвижными замыкателями.

Длина стакана  (см. рис. 8.1) от вибратора до раскрыва круглого волновода выбирается так, чтобы высшие типы волн не искажали распределение поля основной волны в раскрыве волновода. Ослабление амплитуд  , ближайших к основной волне высших типов волн, рассчитывается по формуле

 

[ дб ]                                    (8.10)

где - коэффициент затухания волн высших типов;  - волновое число в диэлектрике;  - критические длины волн в круглом волноводе (табл. 8.2).

 

Таблица 8.2

Критические длины волн  в круглом волноводе

Величина ослабления  должна быть более 40 дб.

Наряду с рассмотренной схемой возбуждения антенны (см. рис. 8.1) находит применение схема возбуждения, представленная на рис. 8.11, Штыревой вибратор

 

 

возбуждает волну  в отрезке прямоугольного волновода 1, которая, в свою очередь, через переходник 2 и круглый волновод З возбуждает диэлектрический стержень 4. Волноводно-коаксиальный переход для прямоугольного волновода имеет несколько лучшие диапазонные свойства и позволяет согласовать  перехода с питающей ‚коаксиальной линией выбором положения вибратора в прямоугольном волноводе как при его смещении по , так и по Х. Расчет активной части входного сопротивления  перехода проводится, как в гл. 6.

 

Рис. 8.11. Схема возбуждения диэлектрического стержня антенны прямоугольным волноводом.
1 - прямоугольный волновод; 2 - переходник от прямоугольного волновода к круглому; 3 - круглый волновод; 4 - диэлектрический стержень.

 

Длина отрезков прямоугольного 1, круглого 2 волноводов и переходника 3 выбирается в соответствии с соотношением (8.10).

Величина  выбирается равной волновому сопротивлению питающей коаксиальной линии. Компенсация реактивной части входного сопротивления Хм проводится экспериментальным подбором смещения вибратора по  и Х.

При уменьшении длины волны рабочего диапазона   см коаксиальная линия для питания антенны не используется из-за быстрого роста потерь в линии и технологических трудностей ее изготовления.

В этом случае используется волноводное питание антенны путем прямого перехода от прямоугольного волновода к круглому или с помощью двойного волноводно-коаксиального перехода (рис. 8.12). Расчет двойного перехода проводится на основе выражений для одиночных волноводно-коаксиальных переходов 1 и 2. Согласование двойного коаксиального перехода с. волноводной линией осуществляется выбором положения вибратора в

 

 

прямоугольном волноводе (z, x). Согласование одиночных волноводно-коаксиальных переходов между собой осуществляется размещением согласующих элементов в переходнике 3 и выбором длины последнего.

С целью уменьшения потерь:в возбуждающем устройстве используется частичное заполнение круглого волновода диэлектриком. Форма стержня, вставляемого в круглый волновод, подбирается обычно экспериментально с целью уменьшения отражений, возникающих для основной волны  в волноводе.

 

Рис. 8.12. Волноводное питание антенны при помощи двойного волноводно-коаксиального перехода:
1 - переход в круглый волновод; 2 - переход в прямоугольный волновод;                                               3 - коаксиальный переходник.

 

Частотные свойства входного сопротивления антенны зависят от изменения отражений, возникающих в волноводно-коаксиальном переходе и в диэлектрическом стержне в рабочем диапазоне частот.

Для улучшения диапазонных свойств волноводно-коаксиального перехода, а также его электрической прочности используются вибраторы специального вида [ЛО 1].

Величина коэффициента отражения от конца диэлектрического стержня поля основной волны оценивается по формуле

 

 ,

 

где у - коэффициент замедления.

С увеличением диаметра стержня коэффициент  увеличивается. Обычно, для цилиндрических стержней с диаметром  и  величина . Для конических стержней эта величина будет еще меньше.

Рис. 8.13. Общий вид диэлектрической стержневой антенны с коническим стержнем.

 

Поэтому отражениями от конца стержня можно пренебречь.

На рис. 8.13 приведен общий вид антенны с коническим стержнем.