1.3 Диэлектрические стержневые антенны
Антенны этого типа широко используются как облучатели зеркальных антенн, а также в составе плоских антенных решеток. Наибольшее распространение получили диэлектрические антенны со стержнем круглого сечения, вставленным в круглый волновод. На частотах менее 3 ГГц круглый волновод обычно возбуждается от коаксиального кабеля (рис.1.5а), на частотах выше 3 ГГц чаще используется волноводное возбуждение с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому (рис.1.5б). Форма диэлектрического стержня может быть цилиндрической или конусной.
Диэлектрическая антенна как антенна бегущей волны имеет максимальный КНД
(1.6)
при оптимальном коэффициенте замедления фазовой скорости волны в стержне
(1.7)
где Vф – фазовая скорость в стержне;
С– скорость света 3∙108м/с.
В
еличина
замедления зависит от диаметра и
материала стержня и может быть определена
по графикам рис.1.6
В качестве параметра на графиках рис.1.6 взята относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня ε.
Для уменьшения отражения от конца диэлектрической антенны и снижения уровня боковых лепестков обычно применяют диэлектрические стержни конической формы. Для эффективного возбуждения стержня его начальный диаметр выбирают из соотношения:
.
Фазовая скорость волны на конце стержня должна соответствовать фазовой скорости волны в свободном пространстве и в соответствии с графиками на рис.1.6 определятся по формуле:
.
Если диаметр сечения стержня переменный, то можно приблизительно определить необходимые значения длины Lи диаметраd, исходя из предположения, что величинаξ определяется средним значением диаметра стержня.
Диаграмма направленности диэлектрической антенны, изображенной на рис.1.5, может быть рассчитана по приближенной формуле:
,
где
-
в плоскости
,
-
в плоскости
.
Угол θ отсчитывается от оси стержня.J1(x) – функция Бесселя с индексом 1.
Ширину главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности приближенно можно рассчитать по формуле:
.
Для того, чтобы в стержне не возбуждались высшие типы волн, искажающие диаграмму направленности антенны, необходимо выполнить соотношение:
.
1.4 Спиральные антенны
Спиральная антенна (1.7) состоит из проволочной спирали, питаемой коаксиальной линией, внутренний проводник которой присоединен к спирали, а наружный - к металлическому диску – рефлектору, который ослабляет излучение поля в заднее полупространство.
Диаметр диска выбирается (0,8-1,5)L, гдеL–длина спирали. Длина витка спиралиlсвязана с шагом спиралиS соотношениемS/l=sinγ,γ– угол подъема витка спирали.
Основное применение находят спирали с максимумом излучения вдоль оси при круговой или эллиптической поляризации в направлении максимального излучения. Для получения поля круговой поляризации связь между lиSвыбирается в соответствии с формулой:
,
(1.8)
где
- коэффициент замедления.
Диаграмма направленности цилиндрической спирали в угломестной плоскости рассчитывается по формуле:
, (1.9)
где n– число витков в спирали.
Ширина ДН по уровню половинной мощности равна:
. (1.10)
Формула для КНД в направлении максимального излучения имеет вид:
. (1.11)
Входное сопротивление:
[Ом]. (1.12)
Коэффициент эллиптичности в направлении оси zопределяется как:
. (1.13)
Формулы (1.10) – (1.13) применимы при условии, когда n>3, 12º≤γ≤16º. Для других значенийnи γ необходимо использовать более точные соотношения из [2].