ПРИЛОЖЕНИЕ 6 верхностных волн. Они находят применение в дециметровом и сантиметровом

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
_____________________________________________________________________________________________
ПРИЛОЖЕНИЕ 6.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТЕРЖНЕВАЯ АНТЕННА
Диэлектрические стержневые антенны относятся к классу антенн поверхностных волн. Они находят применение в дециметровом и сантиметровом
диапазонах длин волн. Один стержень позволяет получить диаграмму направленности шириной 2 00,5  250 . Для получения узких диаграмм направленности ( 2 00,5  250 ) стержневые диэлектрические антенны можно соединять в
решетки.
Z1
Z2
dmax
dmin
h
Рис. П6.1
У диэлектрической стержневой антенны направляющим элементом поверхностной волны является диэлектрический стержень, а ее возбудителем либо электрический вибратор, представляющий собой конец внутреннего провода коаксиального кабеля, вводимый в стержень перпендикулярно к его оси,
либо металлический волновод (рис. П6.1). Обычно используются диэлектрические стержни в виде усеченного конуса, при этом улучшаются условия согласования антенны со свободным пространством. К числу преимуществ диэлектрических стержневых антенн относится простота их конструкции, а к числу
недостатков - малая мощность излучения и относительно невысокий КПД
вследствие потерь в диэлектрике.
Исходными данными для расчета основных параметров диэлектрической
антенны являются: диапазон рабочих частот f мин... f макс , ширина диаграммы
___________________________________________________________ 39
Диэлектрическая стержневая антенна
_____________________________________________________________________________________________
направленности по уровню половинной мощности 2 00,5 , мощность излучения
P , тип диэлектрика или величина диэлектрической проницаемости

мате-
риала антенны.
Порядок расчета размеров и параметров антенны.
1. Выбирается тип диэлектрика.
В качестве материала для изготовления диэлектрического стержня используются, как правило, материалы типа полистирола и фторопласта
(   2,2...2,6; tg  10 3...10 4 ).
2. Определяются максимальный и минимальный диаметры конического
стержня.
d макс  ср /  (  1) ,
(П6.1)
d мин  ср / 2,5 (  1) .
(П6.2)
3. Определяется коэффициент замедления фазовой скорости волны в диэлектрическом стержне.
По выбранному значению dмакс и по графику (рис. П6.2) находится замедление   с / vФ . Как правило, коэффициент замедления лежит в пределах
1,2 ... 1,4.
Vф/с
1,0
=2
0,8
2,5
0,6
3,0
0,4
5,0
10,0
0,2
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
d/
Рис. П6.2
40
________________________________________________________________
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
_____________________________________________________________________________________________
4. Находится длина стержня антенны.
Длина диэлектрического стержня выбирается исходя из заданной ширины диаграммы направленности антенны. Можно считать, что ширина диаграммы направленности определяется выражением
2 00,5  60 0  / L ,
(П6.3)
где L - длина стержня антенны.
С другой стороны, максимальный коэффициент направленного действия
антенны достигается при длине стержня, равной
L  cp / 2(  1) .
(П6.4)
Из выражения (П6.3) с учетом (П6.4) выбирается длина стержня диэлектрической антенны.
5. Рассчитывается КНД антенны
D0  (7...8) L / cp .
(П6.5)
6. Рассчитывается диаграмма направленности антенны.
Расчет диаграммы направленности конической диэлектрической стержневой антенны ведется так же, как и для цилиндрической антенны среднего
диаметра dср. Выражение для расчета диаграммы направленности имеет такой
же вид, как и для линейной антенны бегущей волны с непрерывным распределением излучающих элементов. Характеристику направленности можно рассчитать по формуле
F ( ) 
kL
(c / vФ  cos ))
2
.
kL
(c / vФ  cos )
2
sin(
(П6.6)
Если рассчитывается антенная решетка, состоящая из N элементов, то
диаграмма направленности антенной системы определяется выражением
FP ( )  F ( ) FN ( ) ,
(П6.7)
где FN ( ) - нормированный дифракционный множитель решетки.
Для синфазной решетки
N
(kdP sin  ))
1
2
FN ( )  
,
N sin( 1 (kd sin  ))
P
2
sin(
(П6.8)
где dP - расстояние между излучателями в антенной решетке.
___________________________________________________________ 41
Диэлектрическая стержневая антенна
_____________________________________________________________________________________________
7. Разрабатывается согласующее устройство.
Для согласования волнового сопротивления коаксиального кабеля WФ с
входным сопротивлением антенны необходимо найти нужную величину действующей высоты возбудителя (штыря) hД, при которой RВХ = WФ.
Расстояние от стенки Z1, выбирается равным B / 4 , где B - длина волны в волноводе с волной типа Н11 при наличии диэлектрика
B  CPWH11 / 120 ,
(П6.9)
а волновое сопротивление круглого волновода, заполненного диэлектриком
для волны Н11, равно
WH11 
120
 (

1,7d макс
(П6.10)
.
)
2
Действующая высота штыря может быть найдена из выражения
hД  0,625d макс (WФ / WH11 )1/ 2 ,
(П6.11)
а его геометрическая высота из соотношения
cos kh  1  khД .
(П6.12)
Длина круглого волновода Z2 выбирается из условия обеспечения необходимого затухания высших типов волн. Обычно считают, что ослабление для
ближайшей высшей волны типа Е01 должно быть не менее 10 ... 20 дБ (100 раз
по мощности). Если принять величину ослабления, равную 20 дБ, тогда
0,368м ин
Z2 
(
м ин
1,31d м акс
,
(П6.13)
) 
2
где 1,31d м акс  крE 0 1 .
Может оказаться, что под корнем будет отрицательное число, а это означает, что волна Е01 находится в докритическом режиме и не затухает. В этом
случае надо исключить возможность ее возбуждения и выбрать длину равную
0,75dмакс. При этом закритическое затухание необходимо обеспечить для следующей волны высшего типа Н21 с крH21  1,03d м акс .
8. Рассчитывается максимальное напряжение в фидере.
При выборе коаксиального кабеля следует руководствоваться не только
минимальной величиной его коэффициента затухания на максимальной рабочей частоте, но и надежностью работы с точки зрения электрического пробоя.
С этой целью производится проверка кабеля по максимально допустимому
напряжению.
42 ________________________________________________________________
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
_____________________________________________________________________________________________
U раб  2 PWФ / КБВ  U м аксдоп .
(П 6.14)
Если указывается напряжение короны UКОР, то можно считать, что
U максдоп  U KOP /(3...4) . КБВ можно принять равным (0,5 ... 0,7).
9. Рассчитывается КПД фидерной линии.
Ф 
(1 | Г |2 )e2l
.
1 | Г |2 e 4l
(П6.15)
Значение коэффициента затухания подставляются в Нп/м, а модуль коэффициента отражения для волны НЕ11 может быть оценен по формуле
| Г |   1 ,
(П6.16)
Для конического стержня коэффициент отражения значительно меньше
(обычно в 2 ... 5 раза).
10. Рассчитывается КПД антенно-фидерного устройства.
   ф А ,
(П6.17)
КПД антенны  A определяется, в основном, потерями в диэлектрике и
составляет примерно 0,5 ... 0,7.
11. Разрабатывается конструкция антенны.
Для уменьшения веса антенны применяют полые стержни в виде диэлектрических трубок. Наиболее удобными являются тонкостенные трубы с толщиной стенок    /(10...15)   1 . В качестве материала используется композиционные материалы с диэлектрической проницаемостью от 3 ... 4 до
10...15 и tg  10 3 .
___________________________________________________________ 43