Диэлектрические антенны

ДА относятся к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью . Они применяются на границе см- и дм- диапазонов волн ( ГГц).

Типичная схема ДА:

1-диэлектрический стержень (цилиндрический или конический), материал с малыми диэлектрическими потерями (например, полистирол ε=2,5, ),

4 –круглый волновод (обеспечивает распространение энергии только в сторону стержня)

2 – возбудитель,

3 – фидер.

Выбор типа волны ДА

Диэлектрический стержень ДА можно рассматривать как отрезок диэлектрического волновода. В нем могут распространяться как симметричные, так и несимметричные волны. Волны симметричного типа не используются в ДА, так как вследствие осевой симметрии они не излучают вдоль оси стержня. Основной волной ДА является волна несимметричного типа . (в отличие от в круглом волноводе касательные к границе диэлектрика отличны от нуля из-за существования поля вне диэлектрического стержня, так как есть Е продольное в , то есть в диэлектрическом волноводе несимметричные волны типа Н и Е).

ЭМП волны в ДА существует не только внутри, но и вне стержня. Если велико, то ЭМП в основном концентрируется внутри стержня и распространяются как в волноводе и фазовая скорость в ДА примерно такая же как в неограниченной среде с ε данного стержня . По мере уменьшения все большая часть энергии переносится вне стержня, усиливается излучение энергии во внешнюю среду, фазовая скорость возрастает и когда , .

Диэлектрический стержень можно рассматривать как среду, в которой возбуждаются эквивалентные токи – токи поляризации (вдоль линий Е). Тогда каждый элемент объема стержня рассматривается как элементарный излучатель, в котором течет эквивалентный ток. Поле, созданное всей ДА, равно сумме полей всех элементарных вибраторов.

Для наилучшего использования свойств антенны бегущей волны (ДА), необходимо, чтобы отдельные элементы стержня имели излучение в направлении оси ДА, для этого токи должны быть в основном поперечные (перпендикулярные оси Z). С этой целью в волне, возбужденной в диэлектрическом стержне, должна преобладать поперечная составляющая вектора Е (например волна , в которой Е параллельна оси Y).

Соответственно изменяется и волновое сопротивление. Погонная емкость диэлектрика больше, чем у воздуха. Следовательно, волновое сопротивление диэлектрика меньше, чем у воздуха. Тогда чем больше , тем большая часть энергии переносится внутри диэлектрика, тем меньше . Такая зависимость определяет целесообразность применения конусообразных стержней в качестве ДА. Возле металлического волновода стержень должен иметь максимальный диаметр.

(энергия переносится как в волноводе),

а на конце:

(излучатель полностью согласован с воздухом)

В результате уменьшения d усиливается излучение с его поверхности и уменьшается отражение от конца стержня.

Следовательно, в очень тонких стержнях все поле вне его и антенна оказывается слабонаправленная, а в очень толстых стержнях все поле внутри его и имеют место большие потери.

Направленные свойства ДА

ДА относится к классу антенн бегущих волн, поэтому ее ДН:

,

где (следовательно зависит от d).

,

где - ДН элементарного излучателя, другой множитель характеризует влияние поперечного размера, его влияние заметно лишь при , при , им можно пренебречь.

плоскость Е,

- плоскость Н – ДН несколько шире.

Для конических стержней этим выражением можно пользоваться в предположении .

КНД ДА имеет максимальное значение при , определяемой выражением и равен КНД:

а) если , то имеет место увеличение ширины основного лепестка ДН и уменьшение уровня боковых лепестков.

б) , основной лепесток сужается, то растут боковые,

в) - раздвоение основного лепестка.

Если, согласно расчету, длина стержня >10h, то переходят к варианту многостержневой антенны, в которой все стержни возбуждаются синфазно. Тогда ДН:

N – число стержней.

Диапазонность антенны

ДН ДА определяется во многом , то есть скоростью распространения волны вдоль диэлектрического стержня, но она мало зависит от длины волны. Поэтому ДА широкополосны и их полоса пропускания ограничивается в основном диапазонными свойствами возбуждающего устройства. Так она может достигать 40-50%.

Линзовые антенны

Линзовые антенны – это антенны, состоящие из облучателя и линзы, выполненной из материала с . Назначение линзы – трансформация сферической или цилиндрической волны, возбуждаемой облучателем, в плоскую, за счет преломления волны в линзе, так как плоский фронт обеспечивает наибольшую направленность. То есть линза в ЛА преобразует слабонаправленные волны облучателя в остронаправленные.

Требования к облучателю:

1. Вся энергия, излеченная облучателем, должна попадать на линзу, а не рассеиваться в других направлениях.

2. Фронт волны, излучаемой облучателем, должен быть близким.

При выполнении этих требований облучатель рассматривается как точечный или линейный источник ЭМВ.

В качестве облучателя используются:

1) небольшой рупор,

2) открытый конец волновода,

3) вибратор с пассивным рефлектором.

Облучатель располагается так, чтобы фокус линзы совпал с фазовым центром облучателя. Поверхность линзы, обращенная к облучателю, называемая освещенной, обычно имеет криволинейные контуры и создает требуемое преломление волн; противоположная поверхность линзы – плоская (теневая), называется раскрывом. Раскрыв может быть прямоугольный и круглый.

Принцип действия линзы основан на том, что линза представляет собой среду, в которой фазовая скорость распространения ЭМВ либо больше скорости света( ), либо меньше ее ( ). Соответственно линзы разделяются на ускоряющие ( ) и замедляющие ( ).

1. Ускоряющие линзы

Выравнивание фазового фронта волны происходит за счет того, что участки волновой поверхности часть своего пути проходят в линзе с повышенной фазовой скоростью. И эти участки различны для разных лучей: чем сильнее луч отклонен от оси линзы, тем больший участок пути он проходит с повышенной фазовой скоростью внутри линзы. Таким образом профиль ускоряющей линзы должен быть вогнутым.

2. Замедляющие линзы

В них выравнивание фазового фронта происходит за счет замедления середины волновой поверхности. Следовательно, профиль замедляющей линзы выпуклый.

Кроме того, преломление лучей должно быть таким, чтобы они шли параллельно оси линзы. То есть профиль линзы должен быть выбран таким образом, чтобы длина пути от источника (облучателя), до любой точки раскрыва была одинаковая.

По структуре преломляющей среды линзовые антенны разделяются на:

1) диэлектрические,

2) металлопластинчатые (волноводные),

3) металлодиэлектрические (из искусственного диэлектрика)

Диэлектрические линзы

Изготавливают из высокочастотных диэлектриков с , следовательно, диэлектрические линзы – замедляющие.

f – фокус линзы, - угол раскрыва.

Из условия равенства оптических путей лучей, проходящих через линзу, уравнение линзы:

- уравнение гиперболы

Толщина линзы: Следовательно, m тем меньше, чем меньше ширина раскрыва d, тем больше f и n. Из конструктивных соображений желательно уменьшать как m, так и f. Но это противоречит друг другу. Можно только уменьшить d и увеличить n, но первое приведет к снижению направленности линзы, а второе к увеличению отражения от линзы, следовательно, КПД уменьшится.

Поэтому диэлектрические линзы изготавливают из высокочастотных диэлектриков с малыми потерями и показателем преломления немного больше единицы: полистирол ( , ) и фторопласт ( , ), но даже и в этом случае линзы имеют большую ширину и массу, поэтому они применяются там, где не требуется высокая направленность и можно использовать линзы небольших размеров.

Металлопластинчатые линзы

Они состоят из нескольких металлических пластин, расположенных на расстоянии а: .

Возбуждаемые облучатели ЭМВ с электрическим полем параллельным поверхности пластин, проходят между пластинами: как через волновод (то есть пластины выполняют роль узких стенок прямоугольного волновода) и в линзе распространяется волна с

Так следовательно линза ускоряющая.

Уравнение поверхности аналогично уравнению диэлектрической линзы, только . В этом случае это уравнение эллипса.

Полная ширина линзы: m+m’ больше чем ширина замедляющей линзы, но масса ее меньше.

Металлодиэлектрические линзы

Они изготавливаются из диэлектрика с малым ε с впрессованными в него металлическими частицами, в которых под действием электрического поля возникает движение электронов, что вызывает вторичное ЭМ поле, которое запаздывает относительно первичного, следовательно фазовая скорость волны в диэлектрике замедляется: n>1, следовательно, эти линзы замедляющие.

Эти линзы отличаются малым весом и высоким КПД.

Рупорно-линзовые антенны

А) с линзовой вставкой

В рупоре при малой его длине сильно нарушается синфазность поля в его раскрыве, что препятствует получению высокой направленности. Синфазное поле можно создать с помощью линзовой вставки. При этом уменьшается ширина ДН, снижается интенсивность боковых лепестков.

Б) рупор с металловоздушной линзой

Рупор изгибается таким образом, что длина любого луча от фазового центра до раскрыва рупора получается одинаковой, что обеспечивает синфазность поля на выходе антенны.

Сравнительная оценка линзовых антенн

А) направленность

Так как линзовые антенны апертурные, то их направленные свойства определяются амплитудно-фазовым распределением поля по раскрыву. У всех антенн оно может считаться синфазным и неравномерным по амплитуде (вследствие направленных свойств облучателя и увеличения расстояния от облучателя до преломляющей поверхности линзы. В ускоряющей линзе амплитудная неравномерность поля в раскрыве несколько компенсируется тем, что длина пути волны от облучателя до линзы уменьшается с удалением от оси линзы. Поэтому КНД у замедляющей меньше, чем у ускоряющей.

Б) Потери

Потери меньше в металлопластинчатых линзах

В) Диапазон работы

Больше диапазон у замедляющих линз.

Зеркальные антенны

Это апертурные антенны, в которых используется явление отражения волн от металлического зеркала (рефлектора) для преобразования слабонаправленных ЭМВ, создаваемых облучателем, в слабанаправленные, излучаемые в пространство.

Наиболее часто используются зеркала в форме:

1) параболоида вращения (поверхность, описываемая параболой при ее вращении вокруг своей оси).

2) параболический цилиндр (получается при перемещении параболы вдоль параллельных прямых - образующих цилиндра).

Параметра рефлекторов:

1) параболоид

Раскрыв – круглый с диаметром d, F – фокус, f – фокусное расстояние.

- угол раскрыва зеркала у .

Уравнение параболы:

2) параболический цилиндр.

Раскрыв – прямоугольный с размерами a и b. - фокальная линия (параллельная образующим и проходящая через фокус).

Рефлектор считается:

1) глубоким (короткофокусным), если и фокус F находится внутри зеркала.

2) мелким (длиннофокусным) и F вынесен из плоскости раскрыва.

Облучатель располагают таким образом, чтобы его фазовый центр совпадал с фокусом зеркала (чтобы центр сферической волны находился в фокусе).

Принцип действия зеркальной антенны

Любая точка параболы равноудалена от фокуса F и директрисы DD’.

FO=OO’, FA=AA’.

Пусть волна, падающая на зеркало имеет сферический фронт, тогда после отражения от зеркала они распространяются параллельно фокальной оси, так если провести нормаль через точку А, то .

Тогда длина лучей от облучателя до фокальной плоскости ,

,

,

но А’A’’=O’F следовательно волны, исходящие из фокуса, проходят к плоскости A’’F одинаковое расстояние и совпадают по фазе, этот вывод распространяется на любую плоскость параллельную A’’F и в частности на плоскость раскрыва.

Таким образом, сферическая (цилиндрическая, в случае параболического цилиндра) волна, излучаемая облучателем, преобразуется в плоскую, обладающую максимальной направленностью.

Направленные свойства параболоида вращения

Излучение зеркальной антенны может быть рассмотрено как излучение плоского раскрыва, являющегося совокупностью элементов Гюйгенса. Направленность излучения определяется амплитудно-фазовым распределением поля по раскрыву. Исходя из принципа действия элемента Гюйгенса – синфазны.

Амплитудное распределение поля по раскрыву – неравномерно. Причины этого:

1) от облучателя до рефлектора распространяются сферические (цилиндрические) волны, а после отражения от рефлектора – плоские. В сферической волне амплитуда поля изменяется обратно пропорционально расстоянию от отражателя 1/r (в цилиндрической , а в плоской – амплитуда поля постоянна. По мере отклонения от оси антенны пути сферических волн, идущих от облучателя до рефлектора удлиняются, следовательно, амплитуда уменьшается.

2) неравномерность излучаемого облучателем поля по условным координатам.

Тогда амплитудное распределение поля в раскрыве антенны:

ДН зеркальной антенны: