7.5 Диэлектрические стержневые антенны

Конструкции диэлектрической стержневой антенны схематически показаны на рис. 7.22 и состоят из двух основных частей: возбуждающего устройства, обычно в виде коаксиально-волноводного перехода на круглом волноводе с волной основного типа H₁₁, и круглого диэлектрического стержня, представляющего собой отрезок регулярного (цилиндрического) или нерегулярного (конического) диэлектрических волноводов. В отличие от полого металлического волновода волны в диэлектрическом волноводе являются гибридными, т.е. имеют обе продольные составляющие электро-

Рис. 7.22  Диэлектрические антенны

магнитного поля. Основной является волна HE₁₁. Она не имеет критической длины волны, а структура ее поля в поперечном сечении близка к структуре поля волны H₁₁ круглого волновода. По этим причинам подобные конструкции получили широкое применение в антенной технике.

Фазовая скорость волны, распространяющейся вдоль стержня, лежит в пределах , гдес – скорость света в вакууме, – относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня. Расчетные зависимости от а/, где а – радиусы стержня и волновода,  – длина волны в вакууме, для  = 1 и некоторых значений приведены на рис. 7.23. Известно также, что в случае тонкого стержня(а  ) основная часть мощности переносится поверхностной волной вне диэлектрического стержня, а в случае толстого стержня (а) основная часть мощности переносится внутри стержня. В последнем случае потери будут больше.

Приближенный расчет нормированной ДН диэлектрической стержневой антенны в плоскостях Е ( = 0) и Н ( =    ) можно выполнить по формулам

J₀(kasin)cos  sin , (7.35)

J₀(kasin) sin , (7.36)

где J₀(kasin – функция Бесселя, ; угол отсчитывается от оси антенны; L – длина диэлектрического стержня вне волноводной секции.

Рис. 7.23  Зависимость коэффициента замедления  в диэлектрической антенне от ее волновых размеров

Формулы получены по теореме о перемножении диаграмм направленности элемента системы в виде открытого конца круглого волновода и МН ЛНС с бегущей вдоль нее замедленной волной с коэффициентом замедления  . Эти формулы не учитывают излучение от стыка диэлектрического стержня с волноводом и отражения от конца диэлектрического стержня, определяющие высокий уровень боковых лепестков, а также затухание в нем, вызванное излучением и тепловыми потерями. Поэтому совпадение теоретических и экспериментальных ДН возможно только в области главного лепестка. Учет потерь в диэлектрике приводит к исчезновению нулей в ДН.

Для получения максимального КНД диаметр 2а и длинаL цилинд-рического стержня (вне волноводной секции) должны иметь оптимальные размеры

(7.37)

Необходимая величина  ^опт при заданном значении обеспечивается соответствующим выбором радиуса стержня. Очевидно, что это можно выполнить на фиксированной длине волны. Обычно в качестве нее берется

средняя длина волны рабочего диапазона. Из условия существования в круглом волноводе волны основного типа находим  _ср  3а.

При расчете диэлектрической стержневой антенны по заданным значениям КНД или ширины ДН сначала по формулам (6.10) или (6.11) находят длину стержня L,далее по формуле (6.12) определяют коэффициент замедления ^опт,а затем по графикам на рис. 7.23 выбирают значения и диаметр стержня2а.

Для уменьшения излучения от стыка с волноводом и отражения от конца стержня, ему придают коническую форму. При этом наибольший диаметр выбирают равным внутреннему диаметру волновода, а наименьший выбирают так, чтобы средний по длине антенны коэффициент замедления был близок к оптимальному, т.е.

_ср  0,5(_max  _min)  ^опт . (7.38)

Оптимальные размеры конического стержня могут находиться также по формулам

(7.39) Амплитудные ДН конической стержневой антенны рассчитываются по фор-мулам (7.35) и (7.36) при условии замены конического стержня эквивалент-ным цилиндрическим стержнем.

Применение в возбуждающем устройстве конического рупора увеличивает эффективность возбуждения поверхностной волны и снижает уровень боковых лепестков. Поляризация поля излучения стержневой диэлектрической антенны определяется поляризацией возбуждающего устройства. Подобные антенны находят применение в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.