Стержневая антенна. Диэлектрическая антенна. Расчет параметров и размеров антенны

Задание на курсовую работу

Введение

Расчет параметров и размеров антенны

Эксплуатация антенно-фидерного устройства

Список используемой литературы

Приложение 1

Задание на курсовую работу

Вариант 89

Данные для расчёта:

Диэлектрическая стержневая антенна

Диапазон рабочих частот , МГц = 350…500.

Излучаемая мощность , кВт = 0,90.

Ширина диаграммы направленности = 40…45.

Диэлектрическая проницаемость = 3,1.

Введение

В диапазоне СВЧ широко применяются антенны, возбуждаемые поверхностными волнами. Достоинством антенн поверхностных волн (АПВ) является их диапазонность, простота конструкции, небольшие размеры.

Хорошие аэродинамические качества АПВ позволяют использовать их в качестве маловыступающих антенн для подвижных объектов. АПВ состоит из двух частей: возбудителя электромагнитных волн (ЭМВ) и излучающей поверхности. Излучающая часть антенны представляет замедляющую структуру, что способствует увеличению направленности излучения по сравнению с первичным полем возбудителя. В зависимости от типа направляющей поверхности различают плоские, стержневые и дисковые АПВ.

Наибольшее распространение получили стержневые АПВ из диэлектрика, а также в виде металлических стержней с диэлектрической оболочкой.

Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью (υ ф < с). Они применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до 10 ГГц.а рис. 1 приведена наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны. Она представляет собой диэлектрический стержень 1, возбуждаемый круглым волноводом 2 с возбудителем 3 и питающим фидером 4.

В зависимости от требований, предъявляемых к антенне, поперечное сечение стержня, возбудитель и его питание могут изменяться. Наиболее часто используются цилиндрические и конические стержни.

Экспериментальные исследования показывают, что конические стержни позволяют получить большее ослабление боковых лепестков диаграммы направленности, чем цилиндрические стержни. Однако длина конических стержней при одинаковой ширине диаграммы направленности больше, чем длина цилиндрических.

Рис 1. Схема диэлектрической стержневой антенны

Диэлектрический стержень антенны можно рассматривать как отрезок диэлектрического волновода. Из теории диэлектрических волноводов известно, что в них могут распространяться как симметричные, так и несимметричные волны. Волны симметричного типа, как правило, не используются в диэлектрических стержневых антеннах, так как вследствие осевой симметрии они не излучают мощность вдоль оси стержня. Основной волной, используемой с этой целью, является несимметричная волна типа HЕ11, по своей структуре схожая с основной волной круглого металлического волновода H11. Отличие лишь в том, что поле HЕ11 существует и во внешнем пространстве.

С помощью одного стержня удается формировать диаграммы направленности шириной 2θ 0,5 ° > 20°…25°. Для получения более узких диаграмм направленности используются решетки, в которых диэлектрические стержневые антенны являются отдельными излучателями. С учетом направленных свойств излучателей, взаимосвязь между ними и влияние решений на входное сопротивление слабее, чем в решетках, состоящих из вибраторов и щелей, что облегчает настройку и управление решеткой.

Скорость распространения волны вдоль диэлектрического стержня мало зависит от длины волны. Поэтому диэлектрические стержневые антенны широкополосные и их полоса пропускания ограничивается, в основном, диапазонными свойствами возбуждающего устройства. При широкополосном возбудителе она может достигать 40-50% от f ср.

Преимуществом диэлектрических антенн является простота конструкции и малые поперечные размеры. Как и у всех антенн типа бегущей волны с замедленной фазовой скоростью, их особенностью является то, что сужение диаграммы направленности происходит за счет увеличения не поперечных размеров антенны, а продольных размеров при малом поперечном. Эта особенность определяет их применение, в частности, в авиационных радиоустройствах.

Недостатком диэлектрических стержневых антенн является сравнительно малая пропускаемая мощность и малая направленность излучения.

. Расчет параметров и размеров антенны

Выбор материала диэлектрика

Для изготовления излучателя выберем полистирол, параметры которого имеют следующие значения:

диэлектрическая проницаемость ;

тангенс диэлектрических потерь .

Определение диаметра стержня

Чтобы обеспечить преобразование большей части энергии в поверхностную волну, стержень у возбудителя делают толстым, а затем плавно уменьшают, чтобы приблизить фазовую скорость υ ф к скорости света. Рекомендуется выполнять стержни диаметром:

При МГц м, значит:

Расчет коэффициента замедления

По выбранному значению () и по графику из методической литературы (2, стр 41) находим коэффициент замедления, он равен:

При 0.83 1.205

Расчет длины стержня антенны

Длина диэлектрического стержня выбирается исходя из заданной ширины диаграммы направленности антенны.

При =40…45 соответственно L1.588…1.255 м.

С другой стороны, максимальный коэффициент направленного действия антенны достигается при длине стержня, равной

Отсюда L=1.723м.

Из этих выражений выбираем оптимальную длину стержня: L м

Расчет КНД антенны

Коэффициент направленного действия определяется по формуле:

D 0

Расчет диаграмм направленности

При расчете диаграммы направленности конической диэлектрической антенны используют выражения для расчёта диаграммы направленности цилиндрической антенны среднего диаметра, при этом предполагается, что волной в стержне, бегущей с постоянным замедлением вдоль его длины и отражением от конца стержня пренебрегают, тогда выражение для расчета диаграммы направленности получается как у линейной антенны с непрерывным распределением излучающих элементов, в которых распределение токов по длине соответствует закону бегущей волны.

где - волновое число, - угол между осью антенны и направлением в точку наблюдения.

Рис 2. Диаграмма направленности конической диэлектрической стержневой антенны в декартовой системе координат

Рис 3. Диаграмма направленности конической

диэлектрической стержневой антенны в полярной системе координат

диэлектрический антенна стержень

Расчет согласующего устройства

Для согласования волнового сопротивления коаксиального кабеля W ф с входным сопротивлением антенны необходимо найти нужную величину действующей высоты возбудителя (штыря) h д, при которой R вх =W.

Расстояние от закорачивающей стенки до оси штыря z 1 , выбирается равным l в /4, где l в - длина волны в волноводе с волной Н 11 при наличии диэлектрика

а волновое сопротивление круглого волновода, заполненного диэлектриком для волны H 11 , равно

417.034 Ом, отсюда 0.781 м и z 1 0.195 м

Тогда действующая высота штыря может быть найдена из выражения:

Возьмем для расчета коаксиальный кабель с внешним проводником из круглых проволок в ПЭ оболочке РК 50-33-17 с максимально допустимой мощностью на частотах 100 МГц и 1 ГГц 5 кВт и 0.9 кВт соответственно. Его волновое сопротивления 50 Ом, то 0.059 м

Геометрическая высота находится из соотношения:

Длина круглого волновода от вибратора до его раскрыва z 2 выбирается из условий обеспечения необходимого затухания высших типов волн. Обычно считают, что ослабление поля ближайшей высшей волны Е 01 должно быть не менее 10…20 дБ (100 раз по мощности). Если принять величину ослабления равную 20 дБ, тогда

где

При расчетах оказалось, что под корнем отрицательное число, это означает, что волна находится в докритическом режиме и не затухает. В этом случае надо исключить возможность ее возбуждения, для этого длину возбудителя примем 0.75 0.206. При этом закритическое затухание необходимо обеспечить для следующей волны высшего типа с , тогда м

Для согласования излучателя с питающим фидером следует применить четвертьволновый согласующий трансформатор с волновым сопротивлением равным

Расчет максимального напряжения в питающем фидере

При выборе коаксиального кабеля следует учесть не только коэффициент затухания на максимальной рабочей частоте, но и на надёжность его на электрический пробой. С этой целью производится его проверка по допустимости максимального рабочего напряжения с максимально допустимым напряжением для данной марки кабеля.

Для проверки надежности работы с точки зрения электрического пробоя коаксиального кабеля определим

КБВ можно принять равным (0.5…0.7), примем КБВ = 0.5, тогда

424.264 В

Напряжение короны коаксиального кабеля РК 50-33-17 кВ, то 4250 В, значит условие выполняется .

Расчет КПД фидерной линии

Длина фидерной линии выбирается из конструктивных соображений (10…100 м), примем l = 10 м

Коэффициент затухания фидера, дБ/м, находится из справочных значений

где 0.03 дБ на частоте 100 МГц, значит 0.062 дБ/м.

Значение коэффициента затухания подставляются в Нп/м из формулы

значит = 0.007

Модуль коэффициента отражения от конца цилиндрического стержня может быть оценен по формуле

Для конического стержня коэффициент отражения значительно меньше (обычно в 2…5 раза), примем 0.068. Тогда расчетное КПД по приведенной выше формуле составляет 0.868.

Расчет КПД антенно-фидерного устройства

Расчет производится по формуле:

КПД антенны определяется в основном потерями в диэлектрике и составляют примерно 0.5…0.7. Примем 0.7, тогда 0.521

Сделаем еще несколько замечаний, относящихся к КПД диэлектрической стержневой антенны.

Во-первых, отметим, что диэлектрические стержневые антенны сами по себе не имеют резонансных элементов и в этом смысле являются широкополосными (если только коэффициент замедления не выходит за пределы допустимых значений). Ширина рабочей полосы частот в диэлектрической антенне обусловливается резонансными свойствами возбуждающего элемента, т, е. вибратора в металлическом волноводе.

Во-вторых, диэлектрик антенны должен иметь малые потери, в противном случае КПД будет низок. Кроме того, возбуждающий вибратор в металлическом волноводе должен располагаться вне диэлектрика. Это приводит к повышению КПД вследствие того, что возбуждаемые вибратором высшие типы волн затухают вблизи него и не проникают в диэлектрическую среду.

Конструкция антенны

Конструкция антенны соответствует Рис 1, диэлектрический стержень изготавливается конусообразный, выбираются рассчитанные геометрические размеры и принятые для расчета материалы.

Рис 4. Чертеж рассчитанной конической диэлектрической стержневой антенны

. Эксплуатация антенно-фидерного устройства

Диэлектрическая стержневая антенна имеет высокий уровень бокового и заднего излучения. Диаграммы направленности таких антенн имеют достаточно широкие главные лепестки, поэтому их относят к классу слабонаправленных антенн. Поэтому чаще всего диэлектрические стержневые антенны применяют в качестве облучателей зеркальных антенн и коллиматоров.

Диэлектрическая стержневая антенна является широкополосной, такой режим требует определенных соотношений между размерами антенны и длиной волны. Эти размеры должны быть точно выдержаны, в целях обеспечения широкополосного режима.

Установка антенны должна производиться согласно паспорта на изделие, а так же различных нормативных документов на антенны, работающие в УКВ диапазоне. Для нормального режима необходимо обеспечить целостность механических частей антенны: жесткость крепления излучателя в волноводе и крепления коаксиального кабеля. Повреждение элементов ведет к ухудшению работы, снижению качества приема-передачи, ухудшению свойств широкополостности и увеличению коэффициента отражения.

Генератор, обеспечивающий питание антенны, должен работать стабильно, не снижая своего напряжения на выходе, чтобы не допустить уменьшение мощности излучения. Так же должно происходить перенапряжения, электрические свойства антенны не должны быть нарушены.

Эксплуатация антенны производится согласно нормативной документации, в которой оговорены сроки проведения регламентных работ. Регламентные работы представляют собой список необходимых действий для проверки точности работы антенны и ее параметров, а так же механических и электрических свойств.

Внешний осмотр необходимо проводить постоянно на наличие механических и электрических повреждений. Регулярно проводить чистку антенны от грязи и пыли, проверку фидерного тракта.

Список используемой литературы

Сазонов Д.М. «Антенны и устройства СВЧ». - М.: Высшая школа, 1988 г

Нечаев Е.Е. Методические указания и задания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Антенны и распространения радиоволн» . - М.: МГТУ ГА, 1996г

. «Антенны и устройства СВЧ». Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2006г

Гончаренко В.М., Каменев В.Г. «Проектирование антенн СВЧ». Учебное пособие. - М., 2006г

Ефимов И.Е., Шермина Г.А. «Волноводные линии передачи». - М.: Связь, 1979г

Белоруссов Н.И. «Электрические кабели, провода и шнуры».Изд.5. Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988г

Приложение 1

Таблица расчета диаграммы направленности в декартовой системе координат


	0.057 0.057 0.057 0.057 0.057 0.058 0.058 0.059 0.059 0.06 0.061 0.061 0.062 0.063 0.064 0.065 0.066 0.066 0.067 0.068 0.069 0.069 0.07 0.07 0.071 0.071 0.071 0.071 0.07 0.07 0.069 0.068 0.066 0.065 0.062 0.06 0.057 0.054 0.051	0.047 0.042 0.038 0.033 0.027 0.021 0.015 8.996e-3 2.366e-3 -4.482e-3 -0.012 -0.019 -0.026 -0.033 -0.04 -0.047 -0.054 -0.06 -0.066 -0.072 -0.077 -0.081 -0.085 -0.088 -0.09 -0.091 -0.091 -0.09 -0.088 -0.085 -0.081 -0.076 -0.07 -0.062 -0.054 -0.045 -0.035 -0.024 -0.013			6.84e-4 0.012 0.024 0.036 0.049 0.061 0.072 0.083 0.093 0.102 0.11 0.117 0.122 0.126 0.128 0.128 0.127 0.124 0.119 0.112 0.104 0.094 0.082 0.069 0.055 0.039 0.022 5.098e-3 -0.013 -0.031 -0.05 -0.068 -0.087 -0.105 -0.122 -0.138 -0.153 -0.167 -0.18		0.191 -0.2 -0.207 -0.213 -0.216 -0.217 -0.216 -0.213 -0.208 -0.201 -0.192 -0.181 -0.168 -0.153 -0.136 -0.118 -0.098 -0.077 -0.054 -0.031 -6.077e-3 0.019 0.045 0.072 0.099 0.126 0.154 0.181 0.209 0.236 0.263 0.289 0.315 0.341 0.366 0.39 0.413 0.436 0.458

	0.479 0.499 0.518 0.536 0.554 0.57 0.586 0.6 0.614 0.627 0.639 0.65 0.66 0.669 0.677 0.685 0.691 0.697 0.702 0.707 0.479 0.499 0.518 0.536 0.554 0.57 0.586 0.6 0.614 0.627 0.639 0.65 0.66 0.669 0.677 0.685 0.691 0.697 0.702	0.707 0.71 0.713 0.715 0.716 0.716 0.716 0.715 0.713 0.71 0.707 0.702 0.697 0.691 0.685 0.677 0.669 0.66 0.65 0.639 0.627 0.614 0.6 0.586 0.57 0.554 0.536 0.518 0.499 0.479 0.458 0.436 0.413 0.39 0.366 0.341 0.315 0.289 0.263			0.236 0.209 0.181 0.154 0.126 0.099 0.072 0.045 0.019 -6.077e-3 -0.031 -0.054 -0.077 -0.098 -0.118 -0.136 -0.153 -0.168 -0.181 -0.192 -0.201 -0.208 -0.213 -0.216 -0.217 -0.216 -0.213 -0.207 -0.2 -0.191 -0.18 -0.167 -0.153 -0.138 -0.122 -0.105 -0.087 -0.068 -0.05		0.031 -0.013 5.098e-3 0.022 0.039 0.055 0.069 0.082 0.094 0.104 0.112 0.119 0.124 0.127 0.128 0.128 0.126 0.122 0.117 0.11 0.102 0.093 0.083 0.072 0.061 0.049 0.036 0.024 0.012 -6.84e-4 -0.013 -0.024 -0.035 -0.045 -0.054 -0.062 -0.07 -0.076 -0.081

0.085 -0.088 -0.09 -0.091 -0.091 -0.09 -0.088 -0.085 -0.081 -0.077 -0.072 -0.066 -0.06 -0.054 -0.047 -0.04 -0.033 -0.026 -0.019			0.012 -4.482e-3 2.366e-3 8.996e-3 0.015 0.021 0.027 0.033 0.038 0.042 0.047 0.051 0.054 0.057 0.06 0.062 0.065 0.066 0.068	0.069 0.07 0.07 0.071 0.071 0.071 0.071 0.07 0.07 0.069 0.069 0.068 0.067 0.066 0.066 0.065 0.064 0.063 0.062		0.061 0.061 0.06 0.059 0.059 0.058 0.058 0.057 0.057 0.057 0.057 0.057

Таблица расчета диаграммы направленности в полярной системе координат


180 -179 -178 -177 -176 -175 -174 -173 -172 -171 -170 -169 -168 -167 -166 -165 -164 -163 -162 -161 -160 -159 -158 -157 -156 -155 -154 -153 -152 -151 -150 -149 -148 -147 -146 -145 -144 -143 -142	0.042 0.057 -0.086 -0.205 0.71 -0.194 -0.079 0.062 0.015 0.048 0.549 0.153 0.09 0.07 0.07 0.095 0.167 0.54 0.056 0.018 0.063 -0.076 -0.189 0.708 -0.201 -0.085 0.057 -0.045 -0.105 0.663 -0.069 -0.012 0.069 0.052 0.125 0.392 0.356 0.128 0.057		141 -140 -139 -138 -137 -136 -135 -134 -133 -132 -131 -130 -129 -128 -127 -126 -125 -124 -123 -122 -121 -120 -119 -118 -117 -116 -115 -114 -113 -112 -111 -110 -109 -108 -107 -106 -105 -104 -103		0.07 6.506e-3 -0.033 0.648 -0.078 -0.035 0.058 -0.089 -0.211 0.713 -0.203 -0.084 0.062 8.081e-3 0.032 0.566 0.126 0.08 0.071 0.069 0.104 0.195 0.522 0.07 0.024 0.064 -0.07 -0.177 0.704 -0.192 -0.081 0.057 -0.052 -0.123 0.672 -0.091 -0.023 0.068 0.049	102 -101 -100 -99 -98 -97 -96 -95 -94 -93 -92 -91 -90 -89 -88 -87 -86 -85 -84 -83 -82 -81 -80 -79 -78 -77 -76 -75 -74 -73 -72 -71 -70 -69 -68 -67 -66 -65 -64		0.12 0.416 0.33 0.128 0.06 0.07 0.019 -8.547e-3 0.636 -0.059 -0.027 0.058 -0.091 -0.215 0.715 -0.21 -0.087 0.061 1.321e-3 0.015 0.582 0.098 0.068 0.071 0.068 0.112 0.223 0.502 0.083 0.029 0.064 -0.062 -0.164 0.7 -0.181 -0.076 0.057 -0.059 -0.139		63 -62 -61 -60 -59 -58 -57 -56 -55 -54 -53 -52 -51 -50 -49 -48 -47 -46 -45 -44 -43 -42 -41 -40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30 -29 -28 -27 -26 -25		0.68 -0.111 -0.034 0.067 0.044 0.113 0.439 0.304 0.127 0.062 0.071 0.032 0.017 0.624 -0.04 -0.02 0.059 -0.091 -0.217 0.716 -0.215 -0.09 0.06 -5.656e-3 -3.198e-3 0.597 0.07 0.057 0.071 0.066 0.118 0.25 0.482 0.095 0.035 0.065 -0.054 -0.148 0.694

24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6	5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33		0.022 -0.013 0.059 -0.091 -0.217 0.716 -0.217 -0.091 0.059 -0.013 -0.022 0.611 0.043 0.044 0.071 0.065 0.123 0.277 0.461 0.105 0.04 0.066 -0.045 -0.13 0.687 -0.154 -0.065 0.057 -0.071 -0.168 0.694 -0.148 -0.054 0.065 0.035 0.095 0.482 0.25 0.118	34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72		0.066 0.071 0.057 0.07 0.597 -3.198e-3 -5.656e-3 0.06 -0.09 -0.215 0.716 -0.217 -0.091 0.059 -0.02 -0.04 0.624 0.017 0.032 0.071 0.062 0.127 0.304 0.439 0.113 0.044 0.067 -0.034 -0.111 0.68 -0.139 -0.059 0.057 -0.076 -0.181 0.7 -0.164 -0.062 0.064		73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111		0.029 0.083 0.502 0.223 0.112 0.068 0.071 0.068 0.098 0.582 0.015 1.321e-3 0.061 -0.087 -0.21 0.715 -0.215 -0.091 0.058 -0.027 -0.059 0.636 -8.547e-3 0.019 0.07 0.06 0.128 0.33 0.416 0.12 0.049 0.068 -0.023 -0.091 0.672 -0.123 -0.052 0.057 -0.081

112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130	0.192 0.704 -0.177 -0.07 0.064 0.024 0.07 0.522 0.195 0.104 0.069 0.071 0.08 0.126 0.566 0.032 8.081e-3 0.062 -0.084	131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149		0.203 0.713 -0.211 -0.089 0.058 -0.035 -0.078 0.648 -0.033 6.506e-3 0.07 0.057 0.128 0.356 0.392 0.125 0.052 0.069 -0.012			150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168		0.069 0.663 -0.105 -0.045 0.057 -0.085 -0.201 0.708 -0.189 -0.076 0.063 0.018 0.056 0.54 0.167 0.095 0.07 0.07 0.09		169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180		0.153 0.549 0.048 0.015 0.062 -0.079 -0.194 0.71 -0.205 -0.086 0.057 -0.042

1. Стержневая диэлектрическая антенна (см. рис.14.1, е) состоит из сплошного диэлектрического стержня, возбуждаемого отрезком волновода. Материалом для изготовления стержня служат диэлектрики с весьма малым значением тангенса угла потерь (порядка 10 -3 - 10 -4) и значением относительной диэлектрической проницаемости порядка нескольких единиц (полистирол, тефлон, стеатит).

Поперечное сечение стержня может быть прямоугольным, квадратным, однако наибольшее распространение получили диэлектрические антенны круглого сечения.

Рис. 14.7. Способы питания диэлектрических стержневых антенн:

а - коаксиальным фидером; б - волноводом.

При длине волны 10 см и более питание диэлектрической антенны осуществляется обычно с помощью коаксиального фидера (рис.14.7,а).

Первичным возбудителем при этом служит несимметричный вибратор, располагаемый внутри короткозамкнутого с одной стороны отрезка круглого волновода. Длина вибратора и его удаление от торца волновода выбираются по соображениям согласования антенны с фидером питания.

В диапазоне сантиметровых волн для питания диэлектрической антенны обычно используется волновод. В этом случае для согласования стержня с волноводом на конце волновода располагают согласующую камеру и срезают на конус начальный участок диэлектрического стержня (рис.14.7,6).

Приближенный расчет параметров диэлектрической антенны основан на предположении, что вдоль диэлектрического стержня распространяются такие же волны, как и вдоль бесконечно длинного диэлектрического волновода. При указанных выше способах возбуждения вдоль стержня может распространяться основная несимметричная волна типа НЕ 11 , структура которой показана на рис.14.8. Волна типа НЕ 11 , является поверхностной [З]. Часть энергии волны переносится стержнем, а часть - пространством, окружающим стержень. Интенсивность поверхностной волны убывает в радиальном направлении.

Рис. 14.8. Структура поля волны типа НЕ 11 .

Фазовая скорость, с которой электромагнитная волна распространяется вдоль диэлектрического стержня, зависит от диэлектрической проницаемости материала стержня, а также от отношения диаметра стержня d к длине волны (рис.14.9). Из рис.14.9 видно, что с уменьшением диаметра стержня (в сравнении с длиной волны) фазовая скорость приближается к скорости света. Для каждого значения диэлектрической проницаемости существует такая величина отношения d/l, при которой эти скорости уже практически равны. Величина диаметра стержня, соответствующая этому условию, может быть определена по формуле:

.(14.7)

Как известно (см.§3.4), в продольно излучающих антеннах односторонняя направленность достигается за счет того, что фаза питания каждого последующего элемента антенны отстает по отношению к фазе питания предыдущего элемента. В диэлектрической стержневой антенне это условие выполняется применением стержня с диаметром, плавно убывающим к концу (см. рис.14.7,а). Если диаметр в конце стержня выбран в соответствии с условием (14.7), то отражение от конца отсутствует, вдоль стержня распространяется бегущая волна, при этом каждый последующий элемент стержня питается с запаздыванием по фазе по сравнению с предыдущим.

Рис. 14.9. Зависимость обратной величины коэффициента замедления (1/x=v Ф /с) волны типа НЕ 11 от отношения d/l и от e Г.

В случае цилиндрического стержня часть энергии отражается от его конца и излучается преимущественно в обратном направлении. Это приводит к росту задних лепестков и за счет интерференции полей к увеличению уровня боковых лепестков.

Для неискаженного формирования ДН важно, чтобы вдоль стержня не распространялись высшие типы волн. Анализ показывает, что для этой цели максимальный диаметр стержня должен удовлетворять неравенству

d МАКС=> .(14.8)

При расчете поля излучения конический стержень заменяют цилиндрическим, диаметр которого примерно равен среднему диаметру конического стержня

d»(d МАКС +d МИН)/2.

Под излучающим раскрывом антенны понимают боковую поверхность стержня. Так как касательные к поверхности стержня составляющие электрического и магнитного полей известны из решения уравнений Максвелла для бесконечного диэлектрического волновода, то можно определить поле излучения стержня конечной длины . ДН антенны выражается формулой (14.2), где fс(q) - множитель системы, определяемый по формуле (14.3). Что касается множителя одиночных излучателей, из которых состоит непрерывная система, то он в Е- и Н-плоскостях соответственно имеет вид:

f 0 Е (q) = J 1 (ka sinq)/kasinq,(14.9)

fo H (q) = cos qJ 1 (kasinq)/kasinq,

где a=d/2, а угол q отсчитывается от оси стержня. Здесь под одиночным излучателем следует понимать участок поверхности стержня длиной dz (см. рис.14.7,а). Так как обычноL>>a, то форма ДН определяется в основном множителем системы.

Оптимальная длина диэлектрического стержня L ОПТ определяется по формуле (14.4), а КНД - по формуле (3.60). При увеличении длины стержня ширина главного лепестка уменьшается, если LL ОПТ резко возрастает уровень боковых лепестков и может наблюдаться раздвоение главного лепестка.

С помощью одностержневой антенны можно получить ширину главного лепестка обычно не уже 15-20°. Если требуются более узкие ДН, то применяют синфазную решетку стержневых излучателей. Заметим, что иногда диэлектрическая антенна применяется для получения воронкообразной ДН. В этих случаях используется осесимметричная волна типа Е 10 .

2. Ребристо-стержневая антенна (см. рис.14.1, г) состоит из ряда параллельных металлических дисков, расположенных вдоль оси антенны. Для крепления дисков служит металлический стержень. Для формирования волны типа НЕ 11 может быть применен возбудитель в виде рупора либо симметричного вибратора, перпендикулярного оси антенны, причем заднее излучение антенны в последнем случае устраняется диском - рефлектором.

Расчет электрических параметров ребристо-стержневой антенны производится аналогично расчету параметров диэлектрической стержневой антенны. Необходимые для расчета значения фазовой скорости поверхностной волны, распространяющейся вдоль ребристого стержня приведены в литературе .

Следует отметить, что ребристо-стержневую антенну можно рассматривать как директорную антенну, у которой круглые диски играют роль пассивных вибраторов. Так как эти диски являются «толстыми» то ребристо-стержневая антенна более диапазонна по направленным свойствам, чем обычная директорная антенна. Диапазонность ребристо-стержневой антенны по согласованию с линией питания зависит от типа возбудителя.

Ребристо-стержневые антенны находят применение на сантиметровых, дециметровых и метровых волнах. В последнем случае для уменьшения веса и парусности диски можно изготовлять из сетки или перфорированного листового материала.

Дисковые антенны поверхностных волн.

Плоские линейные и стержневые антенны поверхностных волн являются односторонне направленными антеннами. В отличие от них дисковые антенны поверхностных волн (см. рис.14.1. д,е) являются ненаправленными в плоскости диска и обладают направленностью в плоскости, содержащей ось симметрии диска.

Цилиндрическая поверхностная волна распространяется от расположенного в центре антенны возбудителя к периферии диска. Если мысленно разбить диск на ряд секторов, то каждый из них можно рассматривать как продольно-излучающую антенну поверхностных волн, главный лепесток которой направлен в сторону движения поверхностной волны и несколько отклонен от металлической подложки (из-за конечных размеров диска). ДН всей антенны имеет вид сплюснутого тора.

Направитель антенны изготовляют в виде либо диэлектрического, либо ребристого металлического диска, толщина которого убывает к периферии для согласования антенны со свободным пространством.

Для расчета ДН дисковой антенны определяют предварительно фазовую скорость поверхностной волны, а затем вычисляют поле излучения круглого раскрыва антенны.

Применение антенн поверхностных волн.

Отличительной особенностью антенн поверхностных волн является малая толщина направителя, что позволяет применять их в качестве маловыступающих (низкосилуэтных) или невыступающих антенн. Известно, например, применение линейной плоской антенны в качестве глиссадной антенны, встроенной заподлицо в посадочную полосу на аэродроме.

Широко применяются антенны поверхностных волн на летательных аппаратах. В этом случае роль металлической подложки играет обшивка летательного аппарата. Место установки антенны может существенно влиять на ее направленные свойства. Стержневые антенны для уменьшения лобового сопротивления устанавливаются по продольной оси летательного аппарата, обычно в его носовой или хвостовой части. Стержневые антенны применяются также в качестве облучателей зеркальных антенн.

В заключение отметим, что недостатком антенн поверхностных волн является относительно большой уровень боковых лепестков. Антенны с диэлектрическим направителем имеют заметные потери, а при увеличении длины волны резко возрастает их вес. Для уменьшения веса иногда применяют стержневые диэлектрические антенны полой (трубчатой) конструкции.

Выбор материала диэлектрика

Для изготовления излучателя выберем полистирол, параметры которого имеют следующие значения:

Диэлектрическая проницаемость;

Тангенс диэлектрических потерь.

Определение диаметра стержня

Чтобы обеспечить преобразование большей части энергии в поверхностную волну, стержень у возбудителя делают толстым, а затем плавно уменьшают, чтобы приблизить фазовую скорость х ф к скорости света. Рекомендуется выполнять стержни диаметром:

При МГц м, значит:

Расчет коэффициента замедления

При 0.83 1.205

Расчет длины стержня антенны

Длина диэлектрического стержня выбирается исходя из заданной ширины диаграммы направленности антенны.

При =40…45 соответственно L1.588…1.255 м.

Отсюда L=1.723м.

Из этих выражений выбираем оптимальную длину стержня: L м

Расчет КНД антенны

Коэффициент направленного действия определяется по формуле:

Расчет диаграмм направленности

где - волновое число, - угол между осью антенны и направлением в точку наблюдения.

Рис 2.

Рис 3.

диэлектрической стержневой антенны в полярной системе координат

диэлектрический антенна стержень

Расчет согласующего устройства

Для передачи с наименьшими потерями энергии в коаксиальном кабеле, следует создать режим бегущей волны. Чтобы получить режим бегущей волны, надо обеспечить равенство нагрузочного сопротивления и волнового сопротивления линии т.е. согласовать линию с нагрузкой. Однако такое согласование, при котором коэффициент бегущей волны (КБВ = 1) получить трудно. Практически уже хорошо, если КБВ = 0,8 ч 0,9. При этом ухудшение работы линии незначительно.

Расстояние от закорачивающей стенки до оси штыря z 1 , выбирается равным в /4, где в - длина волны в волноводе с волной Н 11 при наличии диэлектрика

а волновое сопротивление круглого волновода, заполненного диэлектриком для волны H 11 , равно

417.034 Ом, отсюда 0.781 м и z1 0.195 м

Тогда действующая высота штыря может быть найдена из выражения:

Геометрическая высота находится из соотношения:

Расчет максимального напряжения в питающем фидере

Для проверки надежности работы с точки зрения электрического пробоя коаксиального кабеля определим

КБВ можно принять равным (0.5…0.7), примем КБВ = 0.5, тогда

Напряжение короны коаксиального кабеля РК 50-33-17 кВ, то 4250 В, значит условие выполняется.

Расчет КПД фидерной линии

Длина фидерной линии выбирается из конструктивных соображений (10…100 м), примем l = 10 м

Коэффициент затухания фидера, дБ/м, находится из справочных значений

где 0.03 дБ на частоте 100 МГц, значит 0.062 дБ/м.

Значение коэффициента затухания подставляются в Нп/м из формулы

значит = 0.007

Модуль коэффициента отражения от конца цилиндрического стержня может быть оценен по формуле

Расчет КПД антенно-фидерного устройства

Расчет производится по формуле:

КПД антенны определяется в основном потерями в диэлектрике и составляют примерно 0.5…0.7. Примем 0.7, тогда 0.521

Сделаем еще несколько замечаний, относящихся к КПД диэлектрической стержневой антенны.

Конструкция антенны

С приходом микроэлектроники в СВЧ-диапазоне стали применяться патч-антенны, состоящие из двух прямоугольных или круглых элементов, залитых диэлектриком,как сэндвич. Радиолюбители объединили эту конструкцию с антенной типа "волновой канал" (Яги-антенна), и в результате получилась Патч-Яги (Patch-Yagi) или ребристо-стержневая антенна.

За основу конструкции взята заводская антенна Wi-Fi диапазона MD24-12 . Ее размеры были изменены, пропорционально длине волны принимаемого сигнала. Усиление конструкции составляет порядка 11 дб.

Честно признаемся, такую мы еще не собирали. Приводим ее здесь, так как очень понравилась простота и оригинальность конструкции.

Печатать

Ребристо-стержневая антенна состоит из пяти металлических квадратных пластин толщиной 0,3 - 2 миллиметра с отверстием посередине. Пластины надеты на шпильку с резьбой от М6 (для Wi-Fi и 3G) до 10 мм (для телевизионного диапазона) и закреплены гайками с обоих сторон. В наибольшей пластине просверлено второе отверстие под кабель.

Оплетка кабеля припаивается к наибольшей пластине, максимально близко к отверстию под кабель. Центральная жила припаивается к следующей пластине.

Если вам интересно, как управлять телевизором и приставкой с помощью одного пульта, посмотрите этот материал.

Вопрос по dvb-t2 в машине. Поставил антену триада nano tv прием отличный. Но сигнал при скорости 30 км.ч пропадает.(Приемник обычный,бытовой). Стоит ли поставить ещё одну антену (есть желание самому сделать) какую посоветуйте? И можно ли подключить через обычный тройник.

Admin 09.02.2019 10:46

Алексей, про телевидение в машине не скажу. Не пробовал. Есть предположение, что на скорости вообще невозможно принимать цифровое телевидение. Например, на скоростях выше 100 км/ч перестает работать 4G.

Admin 09.02.2019 14:31

Алексей 111, не могу сказать. Пока еще не встречал таких.

Сергей. 22.03.2019 09:39

Админ добрый день. Делаю такую антену для 26 и 39 каналов, средний 33 канал. У меня сомнения в размерах подключения кабеля к рефлектору. Рефлектор 431 мм, точка подключения кабеля снизу 216 мм-это середина получается, по рисунку одна четвёртая рефлектора. Это не ошибка вместо 216 мм может 116 мм. И боковой размер посмотрите.

Admin 22.03.2019 10:46

Сергей, не вижу ошибки. Посмотрите чертежи прототипа заводской wi-fi антенны (перейдите по ссылке на странице). Там чертежи. Кабель получается практически по середине (по высоте). Виноват, надо рисунок исправить.

Сергей 27.04.2019 16:04

Добрый день Админ! Cделал я такую антену на 26 и 39 каналы из аллюминия 1,5мм. До вышки 21км зона уверенного приёма, качество 95-100. Хорошая антена. Повернул её на 38км зона неуверенного приёма качество 59-63,по сравнению с антеной пушкой качество которой 86-95,в этой побольше ДЦБел, на тоже расстояние в том же направлении. Отличные антены. Фото высылаю.

Борис 03.11.2019 10:41

Хочу собрать антенну тройной квадрат из алюминиевого уголка 20/20 мм. замеры про́изводить по краю внутри или снаружи?

Admin 03.11.2019 11:32

Борис, замеры производятся по центру. 20/20 - слишком толстый конструктив, по моему мнению, его применение приведет к падению коэффициента усиления. Лучше возьмите тонкую трубку, например, тормозную от автомобиля. Посмотрите готовые конструкции.

sek8888 04.11.2019 12:19

Здравствуйте! Подскажите пожалуйста, если рефлектор антенны (ребристо-стержневая) сделать больше 100мм х 100мм вожможны проблемы с работой антенны? Извините если мой вопрос будет звучат глупо. :)

Admin 04.11.2019 14:24

sek8888, в случае Z-антенны с экраном рефлектор можно сделать большего размера без потерь, а для ребристо-стержневой антенны это должно привести к снижению коэффициента усиления, поскольку это разновидность патч-антенны для которой, как раз, важны размеры всех элементов.

Mixej-1962 20.11.2019 23:08

Здравствуйте! Подскажите пожалуйста, какое волновое сопротивление этой антенны и можно ли подключить 75-омный кабель на прямую к антенне?

Admin 21.11.2019 07:48

Mixej-1962, к сожалению, у меня нет данных по волновому сопротивлению этой антенны. 75-омный кабель подключают на прямую. Посмотрите фото антенн, присланных нашими читателями. Там есть эта антенна, владелец остался очень доволен результатами. Его задачей было принимать сигнал с разных вышек.

Владислав 11.12.2019 16:57

Я делал такую антенну на пробу для 3G UMTS 900 (925 МГц) из жести 0,5 мм на шпильке 8 с гайками, кабель SAT 703 на 75 Ом длиной 6 м, расстояние до вышки 9 км (холмы, лес). Чувствительна к поляризации (при отраженном сигнале она может быть произвольной), кабель располагал сбоку (если вниз, усиление резко падало). По сравнению с Тройным квадратом (8-9 дБ) и антенной-пушкой (13-15 дБ), дает свои расчетные 11 дБ усиление (разница в сигнале между антеннами в 2-3 дБ совпадает с примерным

Диэлектрические антенны представляют собой сплошные стержни или трубки из диэлектрика длиной в несколько волн и с поперечными размерами, сравнимыми с волной.

Диэлектрические антенны, как и линзовые, основаны на использовании особенностей распространения радиоволн в диэлектрических средах. Однако принцип их действия совершенно иной.

Известно, что при переходе электромагнитных волн из среды с одной диэлектрической проницаемостью в среду с другой проницаемостью на поверхности раздела сред появляются заряды и токи (так называемые поляризационные токи). Такие заряды и токи возникают и на поверхности стержней при распространении вдоль них электромагнитных волн, причем фаза и амплитуда зарядов в каждой точке поверхности стержня зависят от скорости распространения волны. Электромагнитное поле в любой точке пространства вне стержня, создаваемое зарядами и токами, зависит от закона их распределения на поверхности стержня.

Если размеры стержня и его материал подобрать так, чтобы скорость распространения радиоволн вдоль диэлектрической антенны была близка к скорости света, то максимальное излучение антенны будет направлено вдоль оси стержня в сторону движения волны.

Здесь мы имеем аналогию с антенной типа «волновой канал», в которой директоры также обеспечивают запаздывание фазы волны в направлении от активного вибратора в сторону максимального излучения. В директорных антеннах нужное распределение фаз и амплитуд токов подбирается за счет выбора местоположения и длины вибраторов. В диэлектрических же антеннах это достигается за счет выбора их размеров.

Когда диаметр стержня велик по сравнению с волной, то скорость распространения радиоволн вдоль стержня близка к скорости распространения радиоволн в диэлектрике, равной , где с - скорость света, а e Д - диэлектрическая проницаемость материала стержня.

При уменьшении диаметра стержня скорость распространения приближается к скорости света с .

Экспериментальные исследования показывают, что наилучшими направленными свойствами обладают такие стержни, площадь поперечного сечения которых S не превышает S max = , но не меньше S min = , где l 0 - длина рабочей волны в воздухе.

При этих размерах скорость распространения радиоволн вдоль стержня оказывается весьма близкой к скорости света.

Увеличение поперечного сечения стержня сверх значения Smax приводит к увеличению уровня боковых лепестков и не повышает усиления антенны. Снижение поперечного сечения против значения S min очень быстро приводит к расширению главного лепестка диаграммы направленности, следовательно, и к снижению коэффициента усиления антенны.

Длину диэлектрических стержневых антенн выбирают в пределах от 2 до 6 волн в зависимости от требуемого коэффициента усиления.

Если антенна в виде одного единственного стержня не обеспечивает нужной направленности, то в этом случае идут не по пути увеличения ее длины, а по пути применения систем из нескольких однотипных диэлектрических стержней, питаемых синфазно. Делается это потому, что дальнейшее увеличение длины диэлектрической антенны свыше 6 волн заметного выигрыша уже не дает.

На рис. 65 представлена диэлектрическая антенна из четырех полистироловых стержней, расположенных в один ряд, и приведены диаграммы направленности этой антенны. Так как отдельные диэлектрические стержни достаточно диапазонны в силу некритичности их размеров, то при выполнении системы питания отдельных стержней по параллельной схеме, показанной на рис. 65, антенная система в целом также сохраняет свои свойства в широком диапазоне волн.

Часто диэлектрические стержни делают конусообразными с сужением в сторону максимального излучения. При этом стремятся не к уменьшению веса, а к улучшению направленных свойств, так как придание стержню небольшой конусности снижает интенсивность побочных лепестков диаграммы направленности.

Для уменьшения поперечного сечения диэлектрические стержни изготовляют из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, обращая при этом внимание на величину потерь в этом диэлектрике, так как применение материала с высоким значением диэлектрической проницаемости и большим углом потерь влечет резкое ухудшение коэффициента полезного действия антенны.

Возбуждение (питание) диэлектрических антенн осуществляется либо вибратором, перпендикулярным оси стержня, либо волноводом, несущим основную поперечную магнитную волну. В первом случае вибратор для устранения тыльного излучения помещается в металлическую коробку, в открытый конец которой заделывается диэлектрический стержень (см. рис. 65). Такая коробка по существу является коротким волноводом.

Направленные свойства диэлектрических стержневых антенн практически не зависят от формы их поперечного сечения, которое может быть круглым, квадратным и т. д. Последнее обстоятельство весьма удобно в конструктивном отношении, так как сечению стержня может быть придана конфигурация питающего волновода, а сам стержень, будучи заделанным в волновод, автоматически разрешает задачу герметизации его внутренней полости.

Для наглядного представления о направленных свойствах диэлектрических антенн на рис. 66 они сопоставлены с антеннами, эквивалентными им по характеристике направленности и коэффициенту усиления.

Диэлектрические антенны эквивалентны:

стержень длиной в 1,8 волны - плоскостной синфазной антенне, состоящей из восьми полуволновых вибраторов с рефлектором;

стержни длиной в 3,3 волны - коническому рупору длиной в 5 волн и диаметром зева в две волны;

антенная система из четырех стержней - коническому рупору, имеющему в два раза большую длину и площадь поперечного сечения.

Кроме стержневых, применяются антенны в виде полых диэлектрических трубок диаметром около волны, возбуждаемых аналогично сплошным стержневым излучателем. Толщина стенок таких трубок берется в соответствии с диэлектрической проницаемостью материала трубки, но никогда не превосходит 0,1 рабочей длины волны. Антенны из диэлектрических полых трубок часто называют оболочечными.

Оболочечные диэлектрические антенны получаются несколько более громоздкими, но они обладают меньшим весом, а в силу больших поперечных размеров - и более узкими диаграммами направленности, чем стержневые антенны тойже длины. На рис. 67 для сравнения приведены диаграммы направленности волновода, сплошного диэлектрического стержня и диэлектрической оболочечной системы.

Диэлектрические антенны применяются как в качестве самостоятельных антенн, так и облучателей, заменяя с успехом рупорные антенны. Вес диэлектрических антенн пропорционален кубу рабочей волны, что делает нерациональным их применение на волнах, превышающих 10-25 см. На более же коротких волнах диэлектрические стержневые и оболочечные излучатели имеют целый ряд преимуществ, к которым следует отнести малые размеры при хорошей направленности, возможность их использования в весьма широком диапазоне волн, малый вес и небольшую парусность.

К недостаткам диэлектрических антенн относятся сложность системы питания (когда антенна состоит из ряда синфазных элементов) и наличие диэлектрических потерь, могущих значительно снизить к. п. д. антенны.

Стержневая антенна. Диэлектрическая антенна. Расчет параметров и размеров антенны

Комментарии: