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%.