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:
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 , после чего вычисляем и минимальный диаметр20% 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.
Введение
В настоящее время в телекоммуникационных системах большой популярностью пользуется спутниковая система вещания. Эта популярность стала настолько большой, что около Земли уже практически нет свободного места для других спутников. Для каждой страны выделено место и строго определено количество спутников, которое она может вывести на орбиту. Спутниковая система вещания – это такая телекоммуникационная система, связь между двумя наземными станциями которой происходит с помощью ретранслятора, находящегося на искусственном спутнике Земли. Данные системы работают на сверхвысоких частотах, обеспечивая связь на больших расстояниях. Без использования спутникового ретранслятора вести вещание в диапазоне СВЧ можно лишь в пределах прямой видимости либо с использованием многочисленных наземных ретрансляторов.
Объяснить большую популярность можно тем, что иногда запустить на орбиту спутник с ретрансляционной аппаратурой проще, быстрее и дешевле, чем проложить наземную линию станций. Также спутниковая система вещания охватывает большие площади обслуживания, чем наземная.
Все современные системы связи основаны на распространении электромагнитных волн в открытом пространстве или направляющих структурах. Для излучения и приема электромагнитных волн используют антенные устройства, соединяемые с приемно-передающей аппаратурой посредством фидеров. Антенны предназначены для согласования искусственной системы канализаций электромагнитных волн с окружающей естественной средой их распространения, т.е. улучшения качества связи без дополнительных затрат энергии. Для уменьшения мощности передатчика на передающей стороне антенна должна излучать ЭМВ в направлении потребителя. На приемной стороне антенна должна обеспечивать повышенную чувствительность к приходящим от передатчика электромагнитным волнам. Это все достигается применением высоконаправленных антенн тем самым, повышая достоверность передачи информации без повышения излучаемой мощности.
Сравнительная характеристика антенн
| Типы антенн | Основные свойства |
| Зеркальные: - осесимметричные однозеркальные; - осесимметричные двухзеркальные; - осенесимметричные (офсетные); - рупорно-параболические; - перископические; | Могут обеспечить высокую направленность, широкополосны, имеют сравнительно простую конструкцию. На высоких частотах требования к точности изготовления очень жесткие. Круговая поляризация обеспечивается конструкцией облучателя или введением дополнительных элементов, что усложнит и утяжелит конструкцию. |
| Рупорные: - Е -секториальные; - Н -секториальные; - пирамидальные; - конические; | Являются частью питающего волновода. Широкополосные устройства, с коэффициентом полезного действия около 100%. Но для достижения высокого КНД необходимо увеличивать ширину раскрыва рупора, а этим ухудшается его согласование с волноводом, так что нужно увеличивать длину рупора пропорционально квадрату увеличения его поперечных размеров. Чтобы обеспечить круговую поляризацию, необходимо вводить дополнительные элементы в раствор рупора, либо применять пару рупоров с взаимным смещением фаз 90 0 . Формируют ДН от 10 до 140 градусов. |
| Линзовые: - замедляющие; - ускоряющие; | Также обеспечивают высокую направленность излучения/приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности, имеют 3 степени свободы (2 поверхности преломления и закон распределения коэффициента преломления) для придания антенне дополнительных свойств (широкоугольное качание диаграммы направленности, требуемое распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву). Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Существенными недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы. |
| Спиральные: - цилиндрические; - конические; - плоские; | Основное преимущество – легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности). |
| - плоские диэлектрические; - плоские ребристые; - плоские модулированные; - дисковые диэлектрические; - дисковые ребристые; - стержневые | Поперечные размеры незначительны, хорошие диапазонными свойствами по диаграмме направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Большой уровень боковых лепестков, КПД – низкий (за счет поглощения в диэлектрике или переотражения от металлических рёбер).Стержневые. Просты в изготовлении. Обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по ДН и входному сопротивлению. Недостаток: большой по сравнению с антеннами других типов уровень боковых лепестков, маленькое значение КПД (т.к. происходит поглощение в диэлектрике). |
| Волноводно-щелевые: | Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата; распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство; проста в эксплуатации; имеет ограниченный диапазон свойств; |
заданного диапазона частот
Исходные данные варианта 0412
Тема 04. Антенная синфазная решетка диэлектрических стержневых излучателей для приемной VSАТ станции.
Выбор конструкции антенны и антенной решетки. Принцип работы диэлектрической стержневой антенны
Диэлектрическая стержневая антенна относится 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 до10 Ггц
Наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны приведена на рисунке.
Рис. 1. Диэлектрическая стержневая антенна:
1 – диэлектиричекий стержень, 2 – возбуждающее устройство,
3 – возбудитель, 4 – питающий фидер
Наиболее часто используются цилиндрические и конические стержни. Наряду со стержнями могут использоваться диэлектрические трубки. Наиболее часто используют стержни с круглым поперечным сечением и это поперечное сечение, как правило, сужается к концу антенны, что приводит к некоторому повышению КНД и лучшему согласованию антенны с окружающей средой.
Электромагнитная волна, возбужденная в обойме, распространяется внутри стержня или трубки, отражаясь от их стенок, как и в волноводе. Однако, в отличие от волновода, здесь отражение неполное, частично энергия во всех точках поверхности стержня выходит наружу и излучается. Благодаря этому в стержне устанавливается бегущая волна, и сам он может рассматриваться как антенна бегущей волны. Диаграмма направленности стержневой антенны зависит от длины стержня l, площади поперечного сечения его в начале S 1 и конце S 2 , от диэлектрической ε и магнитной m проницаемостей стержня.
С точки зрения распространения радиоволн стержни являются диэлектрическими волноводами, в которых могут распространяться волны различных типов. Наиболее благоприятным для излучения энергии является тип волны HЕ 11 , конфигурация электрического поля для этого типа волн показана на рисунке:
Распределение поля волны HE 11
Рис.2
Фазовая скорость распространения волн вдоль стержня зависит от диэлектрической проницаемости материала, а также от соотношения между диаметром стержня и длиной волны. От этих же параметров зависит соотношение между величиной мощности переносимой внутри стержня и вне его. Так, при малом диаметре стержня фазовая скорость близка к скорости света в свободном пространстве. При этом большая часть всей мощности проходит вне стержня и его роль незначительна. Однако с диаметром стержня равным l 0 и больше, фазовая скорость волн заметно понижается и приближается к значению, соответствующему распространению волн в неограниченном диэлектрике. При увеличении диаметра увеличивается доля мощности, концентрирующаяся в стержне.
Однако увеличение сечения стержня создает условия для возбуждения волн высших типов, что нежелательно. Существует некоторый оптимальный диаметр, при котором для заданной длины получается максимальный КНД.
Помимо антенн со сплошными диэлектрическими стержнями, применяют антенны с полыми стержнями или диэлектрическими трубами. В отличие от сплошного диэлектрического стержня для диэлектрической трубы характерен сравнительно малый уровень боковых лепестков диаграммы направленности (около 10% от уровня основного лепестка).