ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТЕРЖНЕВЫЕ АНТЕННЫ

Грозозащита антенны Бевереджа.

Нет более безопасной в грозовом отношении антенны, чем антенна Бевереджа. Полотно ее заземлено с двух сторон, так что даже прямое попадание молнии в нее не приведет к поражению оператора и разрушению радиоаппаратуры. Антенна Бевереджа обычно расположена ниже других проводящих предметов, чем обеспечивается ее дополнительная защита от грозы. Антенна Бевереджа не накапливает статику, что особенно заметно при приеме перед грозой, на нее можно работать даже во время грозы, не опасаясь поражения.

Так как антенна Бевереджа эффективно принимает волны с вертикальной поляризацией (а молния как раз и излучает их), то антенну Бевереджа можно использовать как индикатор грозы. Для этого можно подключить к коаксиалу, идущему от нее, светодиод. При приближении грозы он начнет светиться в такт ударам молнии. Подключение же такого светодиода к другой антенне – диполю или штырю – часто вызывает выход из строя светодиода.

Литература: Г.З.Айзенберг, Коротковолновые антенны, М.: Радио и связь, 1985г.

Диэлектрические стержневые антенны представляют собой ди­электрические стержни круглого или прямоугольного сечения, возбуждаемые соответственно полем Hили Hв круглом или прямоугольном волноводе, в который вставляют один из концов диэлектрического стержня. Поперечное сечение стержня обычно вы­полняется несколько суживающимся к противоположному концу; длина стержня составляет 3—5 длин волн. Существует строгое решение[3] для волн, распространяющихся вдоль круглого цилиндрического бесконечно длинного диэлектриче­ского стержня. Из этого решения следует, что в стержне могут рас­пространяться поперечно-электрические и поперечно-магнитные волны, как симметричные (H, ), так и несимметричные (Н, Е) отно­сительно оси стержня, весьма сходные с соответствующими волнами в круглом волноводе, причем несимметричные электрические и маг­нитные волны порознь существовать не могут.Симметричные волны не дают излучения вдоль оси стержня и поэтому не используются в диэлектрической антенне, где нуж­на волна, поле которой имеет преимущественное направление пло­скости поляризации. Такой волной является несимметричная волна типа H.На основании строгого решения можно сделать следующие выводы относительно волны этого типа:

1) Структура электромагнитного поля в стержне аналогична струк­туре поля в питающем волноводе, за исключением того, что на гра­нице диэлектрик — воздух касательные составля­ющие поля непрерывны, т. е. поле существует и вне стержня; перенос энер­гии происходит как внут­ри, так и вне стержня. Поверхностные токи на стенках волновода в ди­электрическом стержне за­меняются токами смеще­ния в воздухе, поэтому кроме поперечно-электрической волны возбуж­денной волноводом, возни­кает и поперечно-магнитная волна (рис. I,1).

2) Отношение мощностей, переносимых внутри и вне стержня р/pи фазовая скорость распространения вдоль него являются функ­циями его относительного радиуса /и диэлектрической проницае­мости. При постепенном увеличении радиуса мощность, переносимая внутри стержня, возрастает, причем при данном его радиусе она тем больше, чем выше диэлектрическая проницаемость (рис. 1,2); фазовая скорость распространения уменьшается, приближаясь к ско­рости в безграничной среде с диэлектрической проницаемостью стержня (рис. 1,3). В отличие от симметричных, несимметричные волны не имеют критической частоты, т. е. могут существовать при низких частотах.

/

Рис. I,2. Зависимость отношения мощностей волны внутри и вне диэлектрического стержня от его отно­сительного радиуса /и диэлектрической проницае­мости

Как уже упоминалось, в диэлектрических антеннах применяют обычно конусообразные стержни. Конусообразность стержня необхо­дима, чтобы увеличить излучение с его боковой поверхности и сделать это излучение приблизительно одинаковым по всей длине стержня.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 /

Рис. 1,3. Зависимость фазовой скорости распространения в стержне от его относительного радиуса /

В цилиндрическом стержне из идеального диэлектрика излуче­ние с боковой поверхности должно вообще отсутствовать, в реальном стержне оно невелико и. убывает к его концу. Благодаря конусообразной форме постепенно излучается почти вся энергия, переносимая волной, поэтому почти не возникает отражений и устанавливается режим, близкий к бегущей волне. Этому способствует также постепенное увеличение фазовой скорости, которая на конце стержня приближается к скорости в свободном пространстве, т.е. стержень согласуется со свободным пространством. Диэлектрическая стержневая антенна относится к антеннам бегущей волны и имеет осевое излучение.

Строгое решение для стержней конической формы и конечной длины отсутствует. Благодаря небольшой конусообразности и режиму бегущей волны в каждом сечении стержня используют при решении внешней задачи приведенные выше выводы.

Внешнюю задачу решают, считая известными либо поля на поверхности стержня [З], либополя в его поперечном сечении. Второй способ является более простым, но требует

замены полей в диэлек­трике эквивалентными токами в соответствии с так так называемым «вторым принципом эквивалентности».

Уравнения Максвелла для области внутри диэлектрического стержня можно записать в виде

rot Н =i, (6) rot E =-i,

где предполагаем, что сторонние токи отсутствуют, а диэлектрик - идеальный (= 0). Прибавим и отнимем в правой части первого уравнения величину i, тогда получим

rot Н =i()E+ i. (7)

Величину j= i()E (8)

можно рассматривать как эквивалентный сторонний ток. Следова­тельно, диэлектрический стержень можно заменить системой экви­валентных токов (8), непрерывно распределенных в объеме, занимаемом стержнем. Амплитудное и фазовое распределение экви­валентного тока совпадает с амплитудным и фазовым распределе­нием вектора электрического поля внутри стержня.

Можно представить диэлектрический стерженькак линейную систему дисковых излучателей, возбуждаемых бегущей водной. Ам­плитудное распределение эквивалентных токов в каждом диске при­близительно совпадает с амплитудным распределением полей в раскрыве круглого или прямоугольного волновода в зависимости от формы сечения диэлектрического стержня.

Диаграмма направленности антенны равна произведению диа­граммы направленности диска на диаграмму направленности систе­мы с бегущей волной:

F()=F()F() (9)

Ограничимся рассмотрением диаграмм направленности стержне­вой антенны круглого поперечного сечения. В плоскостях E и H из­лучение полей поперечной поляризации взаимно компенсируется, т. е. можно считать, что каждый диск обтекается эквивалентным током одинакового направления, совпадающим с направлением оси стержня х (рис. 1.1).

Элементарными излучателями в случае диэлектрической антенны являются не излучатели Гюйгенса, а элементарные эквивалентные токи j. Поэтому диаграммы направленности дисков отличаются от диаграмм направленности раскрыва волновода только заменой множителей, характеризующих диаграмму направ­ленности излучателя Гюйгенса, на множитель cos в электрической плоскости и на единицу — в магнитной.

Воспользовавшись этими заменами получим диаграмму направленности диэлектри­ческой стержневой антенны круглого поперечного сечения в плоско­стях Е и H:

F=cos(kasin) (10)

F()= (11)

где aи L— средний радиус и длина стержня; J

—коэффициент укорочения волны в стержне (для замедленной волны >1); = 1,841 —первый корень производной бесселевой функции пер­вого порядка; J- функция Бесселя и Лямбда - функция первого порядка;

N — нормирующий множитель.

Диаграмма направленности антенны почти одинакова в обеих пло­скостях и определяется в основном последним множителем, тем точ­нее, чем тоньше и длиннее стержень. В соответствии с этим мак­симальный к. н. д. антенны получается при оптимальном коэффициенте укорочения волны

, при котором к. н. д. равен D.

При коэффициенте укорочения, отличающемся от оптимального, D= 4A , (12)

где А =находят по графикам.

В высококачественных диэлектриках (тролитул, полистирол и т. п.) потери весьма малы, коэффициент полезного действия антенны бли­зок к единице, поэтому при расчетах можно полагать коэффициент усиления равным к. н. д.

Максимальный диаметр стержня выбирается из условия, чтобы в волноводе, заполненном диэлектриком, распространялась волна H, критическая длина которой в воздухе составляет =3,41a, и не возбуждались волны высших типов, начиная с волны Eс критической длиной волны =2.62a. Следовательно, максимальный диаметр стержня должен удовлетворять усло­вию

< d< (13)

Минимальный диаметр можно найти, определив предварительно из требований, предъявляемых либо к к. н. д. (I2), либо к ши­рине главного лепестка диаграммы направленности, длину стержня L. Затем можно вычислить значение оптимального коэффициента укорочения . Предполагая, что соответствует среднему диаметру стержня d, находим последний по графикам [3], после чего вычисляем и минимальный диаметр

(14)

В литературе [1] рекомендуется для обеспечения оптимального

к. н. д. выбирать диаметры стержня по следующим полуэмпирическим формулам:

d d (15)

На рио.1.4 приведены экспериментальные диаграммы направленности оптимальной диэлектрической антенны из полистирола однородного прямоугольного сечения с размерами около λ/2 – λ/3 для трех раз­личных длин: L/ λ = 3, 6, 9. На этомже рисунке

Рис.1.4

приведены измеренные значения коэффициента направленного действия в децибелах. Рассмотрение приведенных кривых указывает на наличие у диэлектрических антенн больших боковых лепестков, а также на отсутствие нулей излучения между лепестками, что объясняется затуханием волны при распространении в диэлектрическом стерж­не, связанным с потерей энергии на нагревание диэлектрика. Ширина главного лепестка и коэффициент направленности действия с точностью до 20% согласуются с приведенными выше формулами. Кроме конических стержней круглого сечения применяют, как уже указывалось выше, суживающиеся прямоугольные стержни. На рис.1.5 показана диэлектрическая стержневая антенна прямоугольного поперечного сечения линейно заостряющаяся на протяжении более половины стержня ( длина стержня 6λ). На этом же рисунке показана кривая изменения фазовой скорости волны в различных сечениях стержня. На рис.1.6 приведена экспериментально измеренная диаграмма направленности этой антенны.

Рис.1.5 Рис.1.6

С целью уменьшения габаритов антенны и конструктивных удобств срезают половину стержня вдоль оси и помещают его на металли­ческий лист. Срезанная половина стержня при этом как бы воспол­няется зеркальным изображением. Известны также попытки умень­шить потери в стержне применением диэлектрических труб, однако это приводит к увеличению размеров антенны.

Для формирования диаграмм направленности с узким главным лепестком применяют системы из нескольких стержневых антенн. Особенный интерес представляют многостержневые антенны, в кото­рых стержни изготовлены из феррита. Ферритовые излучатели имеют ряд преимуществ по сравнению со стержнями, изготовлен­ными из обычных высококачественных диэлектриков — тролитула, полистирола и т. п.

Высокочастотные ферриты имеют малые потери и высокую диэлек­трическую проницаемость (13). Благодаря весьма малым разме­рам (например, при = 3 см диаметр стержня — около 6 мм, длина около 11 см) питание излучателей осуществляют путем погружения одного их конца непосредственно в волновод или объемный резона­тор. Это позволяет создавать многоэлементные остронаправленные антенны различных типов—резонансные, нерезонансные и c согласованными излучателями.

С помощью подмагничивающих устройств, которыми могут быть снабжены ферритовые стержни, можно осуществить поворот плоско­сти поляризации и быстрое электрическое качание луча по задан­ному закону.