Para una antena de varilla dieléctrica, la onda superficial es dirigida por una varilla dieléctrica y su excitador es un vibrador eléctrico, que es el extremo del alambre interior de un cable coaxial insertado en la varilla perpendicular a su eje, o una guía de ondas de metal. (Figura A6.1). Se suelen utilizar varillas dieléctricas en forma de cono truncado, mejorando al mismo tiempo las condiciones de adaptación de la antena al espacio libre. Las ventajas de las antenas de varilla dieléctrica incluyen la simplicidad de su diseño y las desventajas incluyen la baja potencia de radiación y una eficiencia relativamente baja debido a las pérdidas en el dieléctrico.

Los datos iniciales para calcular los principales parámetros de una antena dieléctrica son: rango de frecuencia de funcionamiento, ancho de haz a mitad de potencia, potencia de radiación, tipo de dieléctrico o constante dieléctrica https://pandia.ru/text/80/261/images/image008_87 .gif "ancho="85" alto="21 origen=">DIV_ADBLOCK135">

2. Se determinan los diámetros máximo y mínimo de la varilla cónica.

, (A6.1)

. (P6.2)

3. Se determina el coeficiente de desaceleración de la velocidad de fase de la onda en la varilla dieléctrica.

De acuerdo con el valor seleccionado de dmax y de acuerdo con el gráfico (Fig. A6.2), la desaceleración se encuentra a la izquierda ">

4. Encuentra la longitud de la varilla de la antena.

La longitud de la varilla dieléctrica se selecciona en función del ancho dado del patrón de antena. Podemos suponer que el ancho del patrón de radiación está determinado por la expresión

, (A6.3)

donde L es la longitud de la varilla de la antena.

Por otro lado, la máxima directividad de la antena se logra con una longitud de varilla igual a

. (P6.4)

De la expresión (A6.3), teniendo en cuenta (A6.4), se selecciona la longitud de la varilla dieléctrica de la antena.

5. Se calcula la directividad de la antena

. (P6.5)

6. Se calcula el patrón de antena.

El cálculo del patrón de radiación de una antena de varilla dieléctrica cónica se realiza de la misma forma que para una antena cilíndrica de diámetro medio dav. La expresión para calcular el patrón de radiación tiene la misma forma que para una antena de onda viajera lineal con una distribución continua de elementos radiantes. La característica de directividad se puede calcular mediante la fórmula

. (P6.6)

Si se calcula un conjunto de antenas que consta de N elementos, el patrón de radiación del sistema de antenas se determina mediante la expresión

, (A6.7)

donde https://pandia.ru/text/80/261/images/image020_51.gif" width="200" height="80 src=">, (P6.8)

dónde dP- la distancia entre los radiadores en el conjunto de antenas.

7. Se está desarrollando un dispositivo de coincidencia.

Para igualar la impedancia de onda de un cable coaxial WФ con la impedancia de entrada de la antena, es necesario encontrar el valor deseado de la altura efectiva del excitador (pin) HD, con la cual RIN = WФ.

Distancia desde la pared Z1, se elige igual a , donde es la longitud de onda en la guía de ondas con una onda H11 en presencia de un dieléctrico

, (A6.9)

y la impedancia de onda de una guía de onda circular llena con un dieléctrico para la onda H11 es

https://pandia.ru/text/80/261/images/image025_44.gif" ancho="187" alto="27">, (P6.11)

y su altura geométrica de la relación

. (P6.12)

La longitud de la guía de ondas circular Z2 se selecciona a partir de la condición de proporcionar la atenuación necesaria de tipos de ondas superiores. Por lo general, se cree que la atenuación para el tipo de onda superior más cercano E01 debe ser de al menos 10 ... 20 dB (100 veces en potencia). Si asumimos un valor de atenuación de 20 dB, entonces

, (A6.13)

donde https://pandia.ru/text/80/261/images/image029_39.gif" width="117" height="25 src=">.

8. Se calcula la tensión máxima en el alimentador.

Al elegir un cable coaxial, uno debe guiarse no solo por el valor mínimo de su coeficiente de atenuación a la frecuencia máxima de operación, sino también por la confiabilidad de la operación en términos de ruptura eléctrica. Para ello, se comprueba que el cable tenga la tensión máxima admisible.

Si se indica estrés corona Reino Unido, entonces podemos suponer que . KBV se puede tomar igual a (0.5 ... 0.7).

9. Se calcula la eficiencia de la línea de alimentación.

. (P6.15)

El valor del coeficiente de atenuación se sustituye en Np/m, y el módulo del coeficiente de reflexión para la onda HE11 se puede estimar mediante la fórmula

Para una varilla cónica, el coeficiente de reflexión es mucho más bajo (generalmente 2 ... 5 veces).

10. Se calcula la eficiencia del dispositivo alimentador de antena.

La eficiencia de la antena está determinada principalmente por las pérdidas en el dieléctrico y es de aproximadamente 0,5 ... 0,7.

11. Se está desarrollando el diseño de la antena.

Para reducir el peso de la antena se utilizan varillas huecas en forma de tubos dieléctricos..gif" width="69" height="24">.

1. Antena dieléctrica de varilla(ver Fig.14.1, e) consiste en una varilla dieléctrica sólida excitada por un segmento de la guía de ondas. El material para la fabricación de la varilla son dieléctricos con un valor muy pequeño de la tangente de pérdida (del orden de 10 -3 - 10 -4) y el valor de la permitividad relativa del orden de varias unidades (poliestireno, teflón, esteatita).

La sección transversal de la varilla puede ser rectangular, cuadrada, sin embargo, las antenas dieléctricas de sección transversal circular son las más utilizadas.

Arroz. 14.7. Formas de alimentar antenas de varilla dieléctrica:

a - alimentador coaxial; b - guía de ondas.

A una longitud de onda de 10 cm o más, la antena dieléctrica generalmente recibe energía de un alimentador coaxial (Fig. 14.7, a).

El excitador primario en este caso es un vibrador asimétrico ubicado dentro de un segmento de guía de ondas redondo cortocircuitado en un lado. La longitud del vibrador y su distancia desde el final de la guía de ondas se eligen por motivos de hacer coincidir la antena con el alimentador de potencia.

En el rango de ondas centimétricas, se suele utilizar una guía de ondas para alimentar una antena dieléctrica. En este caso, para hacer coincidir la varilla con la guía de ondas, se coloca una cámara de adaptación al final de la guía de ondas y la sección inicial de la varilla dieléctrica se corta en un cono (Fig. 14.7.6).

Un cálculo aproximado de los parámetros de una antena dieléctrica se basa en la suposición de que las mismas ondas se propagan a lo largo de la varilla dieléctrica que a lo largo de una guía de ondas dieléctrica infinitamente larga. Con los métodos de excitación anteriores, la onda asimétrica principal del tipo HE 11 puede propagarse a lo largo de la varilla, cuya estructura se muestra en la Fig. 14.8. El tipo de onda HE 11 es de superficie [Ç]. Parte de la energía de las olas es transferida por la barra y parte por el espacio que rodea la barra. La intensidad de la onda superficial disminuye en la dirección radial.

Arroz. 14.8. La estructura del campo de una onda del tipo HE 11 .

La velocidad de fase con la que se propaga una onda electromagnética a lo largo de una varilla dieléctrica depende de la constante dieléctrica del material de la varilla, así como de la relación entre el diámetro de la varilla d y la longitud de onda (figura 14.9). De la Fig. 14.9 se puede ver que con una disminución en el diámetro de la barra (en comparación con la longitud de onda), la velocidad de fase se aproxima a la velocidad de la luz. Para cada valor de la permitividad, existe tal valor de la relación d/l, en el cual estas velocidades son casi iguales. El valor del diámetro de la varilla correspondiente a esta condición se puede determinar mediante la fórmula:

.(14.7)

Como es sabido (ver §3.4), en las antenas de radiación longitudinal, la directividad unidireccional se logra debido al hecho de que la fase de suministro de cada elemento subsiguiente de la antena va a la zaga de la fase de suministro del elemento anterior. En una antena de varilla dieléctrica, esta condición se cumple utilizando una varilla con un diámetro que disminuye gradualmente hacia el final (ver Fig. 14.7, a). Si el diámetro en el extremo de la varilla se elige de acuerdo con la condición (14.7), entonces no hay reflexión desde el extremo, una onda viajera se propaga a lo largo de la varilla y cada elemento subsiguiente de la varilla se alimenta con un retraso de fase en comparación con al anterior.

Arroz. 14.9. Dependencia del valor recíproco del coeficiente de desaceleración (1/x=v F/s) de una onda de tipo HE 11 de la relación d/ly de e Ã.

En el caso de una barra cilíndrica, parte de la energía se refleja desde su extremo y se irradia predominantemente en la dirección opuesta. Esto conduce a un aumento de los lóbulos posteriores y, debido a la interferencia de campo, a un aumento del nivel de los lóbulos laterales.

Para la formación de RP sin distorsiones, es importante que los tipos de ondas más altas no se propaguen a lo largo de la barra. El análisis muestra que para este propósito el diámetro máximo de la varilla debe satisfacer la desigualdad

dMAX=> .(14.8)

Al calcular el campo de radiación, la barra cónica se reemplaza por una cilíndrica, cuyo diámetro es aproximadamente igual al diámetro promedio de la barra cónica.

d"(d MÁX + d MÍN)/2.

Debajo de la abertura radiante de la antena se comprende la superficie lateral de la varilla. Dado que las componentes de los campos eléctrico y magnético tangentes a la superficie de la varilla se conocen a partir de la solución de las ecuaciones de Maxwell para una guía de ondas dieléctrica infinita, es posible determinar el campo de radiación de una varilla de longitud finita. El diagrama de antena se expresa mediante la fórmula (14.2), donde fс(q) es el multiplicador del sistema, determinado por la fórmula (14.3). En cuanto al multiplicador de emisores individuales que forman un sistema continuo, en los planos E y H, respectivamente, tiene la forma:

f 0 E (q) \u003d J 1 (ka sinq) / kasinq, (14.9)

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

donde a=d/2, y el ángulo q se mide desde el eje de la varilla. Aquí, un solo radiador debe entenderse como una sección de la superficie de la varilla con una longitud dz (ver Fig. 14.7, a). Dado que normalmente L>>a, la forma del patrón está determinada principalmente por el multiplicador del sistema.

La longitud óptima de la barra dieléctrica L OPT está determinada por la fórmula (14.4) y KND, por la fórmula (3.60). Con un aumento en la longitud de la varilla, el ancho del lóbulo principal disminuye si L L OPT aumenta bruscamente el nivel de los lóbulos laterales y se puede observar la bifurcación del lóbulo principal.

Con una antena de varilla única, puede obtener el ancho del lóbulo principal generalmente no más estrecho que 15-20 °. Si se requieren patrones de radiación más estrechos, entonces se utiliza una matriz en fase de emisores de varilla. Tenga en cuenta que a veces se utiliza una antena dieléctrica para obtener un patrón en forma de embudo. En estos casos se utiliza una onda axisimétrica del tipo E 10.

2. Antena de varilla acanalada(ver Fig.14.1, d) consiste en una serie de discos metálicos paralelos ubicados a lo largo del eje de la antena. Se utiliza una varilla de metal para sujetar los discos. Para formar una onda de tipo HE 11 se puede utilizar un excitador en forma de bocina o vibrador simétrico perpendicular al eje de la antena, y la radiación trasera de la antena en este último caso es eliminada por un disco reflector.

El cálculo de los parámetros eléctricos de una antena de varilla nervada se realiza de manera similar al cálculo de los parámetros de una antena de varilla dieléctrica. Los valores de la velocidad de fase de una onda superficial que se propaga a lo largo de una varilla acanalada necesarios para el cálculo se dan en la literatura.

Cabe señalar que una antena de varilla acanalada se puede considerar como una antena directora, en la que los discos redondos desempeñan el papel de vibradores pasivos. Dado que estos discos son "gruesos", la antena de varilla acanalada tiene más rango en propiedades direccionales que una antena de director convencional. El alcance de la antena de varilla acanalada en coordinación con la línea eléctrica depende del tipo de excitador.

Las antenas de varilla acanalada se utilizan en ondas centimétricas, decimétricas y métricas. En este último caso, para reducir el peso y el viento, los discos pueden estar hechos de malla o material de lámina perforada.

Antenas de disco de ondas superficiales.

Las antenas planas y de varilla de onda superficial son antenas unidireccionales. Por el contrario, las antenas de disco de ondas superficiales (ver Fig. 14.1. e, f) no son direccionales en el plano del disco y tienen directividad en el plano que contiene el eje de simetría del disco.

Una onda de superficie cilíndrica se propaga desde el excitador ubicado en el centro de la antena hacia la periferia del disco. Si mentalmente divide el disco en varios sectores, cada uno de ellos puede considerarse como una antena de ondas superficiales que irradia longitudinalmente, cuyo lóbulo principal está dirigido en la dirección del movimiento de las ondas superficiales y está algo desviado del sustrato metálico. (debido a las dimensiones finitas del disco). El DN de toda la antena tiene la forma de un toro achatado.

La guía de la antena está hecha en forma de un disco de metal dieléctrico o acanalado, cuyo espesor disminuye hacia la periferia para hacer coincidir la antena con el espacio libre.

Para calcular el RP de una antena de disco, se determina preliminarmente la velocidad de fase de la onda superficial y luego se calcula el campo de radiación de la abertura circular de la antena.

Aplicación de antenas de onda superficial.

Una característica distintiva de las antenas de ondas superficiales es el pequeño espesor de la guía, lo que les permite ser utilizadas como perfil bajo(silueta baja) o no hablantes antenas Es conocido, por ejemplo, utilizar una antena plana lineal como antena de trayectoria de planeo construida al ras de una pista en un aeródromo.

Las antenas de ondas superficiales se utilizan ampliamente en aeronaves. En este caso, el revestimiento de la aeronave desempeña el papel de sustrato metálico. La ubicación de la antena puede afectar significativamente sus propiedades direccionales. Para reducir la resistencia, se instalan antenas de varilla a lo largo del eje longitudinal de la aeronave, generalmente en su morro o cola. Las antenas de varilla también se utilizan como alimentadores para antenas reflectoras.

En conclusión, observamos que la desventaja de las antenas de onda superficial es el nivel relativamente alto de lóbulos laterales. Las antenas con guía dieléctrica tienen pérdidas notables y, al aumentar la longitud de onda, su peso aumenta considerablemente. Para reducir el peso, a veces se utilizan antenas dieléctricas de varilla de diseño hueco (tubular).

Protección contra rayos de la antena de bebidas.

No hay antena más segura contra rayos que la antena de bebidas. Su lienzo está conectado a tierra en ambos lados, de modo que incluso un rayo directo no provocará la derrota del operador y la destrucción del equipo de radio. La antena de bebidas generalmente se ubica debajo de otros objetos conductores, lo que brinda protección adicional contra rayos. La antena Beverage no acumula estática, lo que se nota especialmente cuando se recibe antes de una tormenta; puede trabajar en ella incluso durante una tormenta sin temor a ser derrotado.

Dado que la antena de bebidas recibe efectivamente ondas polarizadas verticalmente (y los rayos simplemente las irradian), la antena de bebidas se puede utilizar como indicador de tormenta. Para hacer esto, puede conectar un LED al coaxial que sale de él. Cuando se acerca una tormenta eléctrica, comenzará a brillar al mismo tiempo que caen los rayos. Conectar un LED de este tipo a otra antena, un dipolo o un pin, a menudo hace que el LED falle.

Literatura: G.Z. Aizenberg, Antenas de onda corta, M.: Radio y comunicación, 1985.

Las antenas de varilla dieléctrica son varillas dieléctricas de sección transversal circular o rectangular, excitadas respectivamente por el campo H o H en una guía de ondas redonda o rectangular, en la que se inserta uno de los extremos de la varilla dieléctrica. La sección transversal de la varilla generalmente se estrecha un poco hacia el extremo opuesto; la longitud de la varilla es de 3-5 longitudes de onda. Hay una solución estricta [ 3] para ondas que se propagan a lo largo de una varilla dieléctrica cilíndrica redonda infinitamente larga. De esta solución se deduce que en la varilla pueden propagarse ondas eléctricas transversales y magnéticas transversales, tanto simétricas (H, ) como asimétricas (NO) en relación con el eje de la varilla, muy similar a las ondas correspondientes en una guía de ondas circular, y las ondas eléctricas y magnéticas asimétricas no pueden existir por separado. Las ondas simétricas no emiten radiación a lo largo del eje de la varilla y, por lo tanto, no se utilizan en una antena dieléctrica. , donde se necesita una onda cuyo campo tenga la dirección predominante de la polarización plana. Tal onda es una onda asimétrica de tipo H. Basado en una solución rigurosa, se pueden sacar las siguientes conclusiones con respecto a este tipo de onda:

1) La estructura del campo electromagnético en la barra es similar a la estructura del campo en la guía de ondas de suministro, excepto que en el límite dieléctrico-aire las componentes tangenciales del campo son continuas, es decir, el campo existe fuera de la barra; la transferencia de energía ocurre tanto dentro como fuera de la barra. Las corrientes superficiales en las paredes de la guía de ondas en la varilla dieléctrica se reemplazan por corrientes de desplazamiento en el aire, por lo tanto, además de la onda eléctrica transversal excitada por la guía de ondas, también surge una onda magnética transversal (Fig. I, 1).

2) La relación de las potencias transferidas dentro y fuera de la varilla p/p y la velocidad de fase de propagación a lo largo de ella son funciones de su radio relativo / y constante dieléctrica. Con un aumento gradual en el radio, la potencia transferida dentro de la varilla aumenta, y para un radio dado es mayor cuanto mayor es la constante dieléctrica (Fig. 1.2); la velocidad de fase de propagación disminuye, acercándose a la velocidad en un medio infinito con la permitividad de la varilla (Fig. 1.3). A diferencia de las ondas simétricas, las ondas asimétricas no tienen una frecuencia crítica, es decir, pueden existir en frecuencias bajas.

Arroz. yo,2. Dependencia de la relación de las potencias de onda dentro y fuera de la barra dieléctrica en su radio relativo y permitividad

Como ya se mencionó, las varillas en forma de cono se usan generalmente en antenas dieléctricas. La conicidad de la varilla es necesaria para aumentar la radiación desde su superficie lateral y hacer que esta radiación sea aproximadamente igual a lo largo de toda la longitud de la varilla.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 /

Arroz.1.3. Dependencia de la velocidad de fase de propagación en la varilla de su radio relativo /

En una barra cilíndrica hecha de un dieléctrico ideal, la radiación de la superficie lateral debe estar completamente ausente, en una barra real es pequeña y. disminuye hacia su final. Debido a la forma cónica, casi toda la energía transportada por la onda se irradia gradualmente, por lo que casi no hay reflejos y se establece un modo cercano a una onda viajera. Esto también se ve facilitado por un aumento gradual en la velocidad de fase, que al final de la barra se aproxima a la velocidad en el espacio libre, es decir la varilla es consistente con el espacio libre. La antena de varilla dieléctrica pertenece a las antenas de onda viajera y tiene radiación axial.

No existe una solución estricta para varillas de forma cónica y longitud finita. Debido a la pequeña conicidad y al modo de la onda viajera en cada sección de la barra, las conclusiones anteriores se utilizan para resolver el problema externo.

El problema externo se resuelve suponiendo que se conocen los campos en la superficie de la barra [Ç] o los campos en su sección transversal. El segundo método es más simple, pero requiere

sustitución de campos en el dieléctrico por corrientes equivalentes de acuerdo con el llamado "segundo principio de equivalencia".

Las ecuaciones de Maxwell para la región dentro de la varilla dieléctrica se pueden escribir como

putrefacción H=i, (6) podredumbre E=-yo,

donde suponemos que no hay corrientes externas y el dieléctrico es ideal (= 0). Sumamos y restamos el valor i en el lado derecho de la primera ecuación, luego obtenemos

putrefacción H=i()E+ i. (7)

El valor j= i()E (8)

puede considerarse como una corriente externa equivalente. En consecuencia, la varilla dieléctrica puede ser sustituida por un sistema de corrientes equivalentes (8) distribuidas de forma continua en el volumen ocupado por la varilla. La distribución de amplitud y fase de la corriente equivalente coincide con la distribución de amplitud y fase del vector de campo eléctrico dentro de la varilla.

Uno puede imaginar una varilla dieléctrica como un sistema lineal de emisores de discos excitados por agua corriente. La distribución de amplitud de las corrientes equivalentes en cada disco coincide aproximadamente con la distribución de amplitud de los campos en la abertura de una guía de ondas redonda o rectangular, dependiendo de la forma de la sección transversal de la varilla dieléctrica.

El patrón de radiación de la antena es igual al producto del patrón de radiación del disco y el patrón de radiación del sistema con una onda viajera:

Nos limitamos a considerar los diagramas de radiación de una antena de varilla con una sección transversal circular. En los planos E y H, la radiación de los campos de polarización transversal se compensa mutuamente, es decir, podemos suponer que cada disco está circulando por una corriente equivalente de la misma dirección, coincidiendo con la dirección del eje de la barra. X(Figura 1.1).

Los radiadores elementales en el caso de una antena dieléctrica no son radiadores de Huygens, sino corrientes elementales equivalentes j. Por lo tanto, los patrones direccionales de los discos difieren de los patrones direccionales de la apertura de la guía de ondas solo reemplazando los factores que caracterizan el patrón direccional del emisor de Huygens por un factor cos en el plano eléctrico y por la unidad en el plano magnético.

Usando estas sustituciones, obtenemos el patrón de radiación de una antena dieléctrica de varilla de sección transversal circular en los planos E y H:

F=cos(kasin) (10)

F()= (11)

donde a y L son el radio y la longitud promedio de la barra; j

Coeficiente de acortamiento de onda en la varilla (para onda lenta >1); = 1.841 - la primera raíz de la derivada de la función de Bessel de primer orden; J - función de Bessel y Lambda - función de primer orden;

norte es el factor de normalización.

El patrón de radiación de la antena es casi el mismo en ambos planos y está determinado principalmente por el último factor, cuanto más precisa, más delgada y más larga es la varilla. De acuerdo con esto, el Ph.D. máximo. D. La antena se obtiene con el factor de reducción de onda óptimo.

En qué Ph.D. d es igual a d

Con un factor de acortamiento diferente al óptimo, D= 4A , (12)

dónde un = encontrado en los gráficos.

En dieléctricos de alta calidad (trolitol, poliestireno, etc.), las pérdidas son muy pequeñas, la eficiencia de la antena es cercana a la unidad, por lo tanto, en los cálculos, se puede suponer que la ganancia es igual a k.s. d.

El diámetro máximo de la varilla se elige a partir de la condición de que la onda H se propague en la guía de onda llena de un dieléctrico, cuya longitud crítica en el aire es = 3.41a, y no se exciten ondas de tipos superiores, a partir de la onda E con una longitud de onda crítica = 2.62a. Por lo tanto, el diámetro máximo de la varilla debe satisfacer la condición

< d< (13)

El diámetro mínimo se puede encontrar determinando primero a partir de los requisitos para Ph.D. (I2), o al ancho del lóbulo principal del patrón de radiación, la longitud de la varilla L. Entonces puede calcular el valor del factor de acortamiento óptimo. Suponiendo que corresponde al diámetro promedio de la barra d, encontramos este último a partir de los gráficos, después de lo cual calculamos y el diámetro mínimo del 20% es consistente con las fórmulas anteriores. Además de las varillas cónicas de sección transversal circular, como ya se mencionó anteriormente, se utilizan varillas rectangulares que se estrechan. La figura 1.5 muestra una antena de varilla dieléctrica de sección transversal rectangular, que se estrecha linealmente en más de la mitad de la varilla (longitud de varilla 6λ). La misma figura muestra la curva de cambios en la velocidad de fase de la onda en diferentes secciones de la barra. La Figura 1.6 muestra el patrón de radiación medido experimentalmente de esta antena.

Figura 1.5 Figura 1.6

Para reducir las dimensiones de la antena y la conveniencia del diseño, corte la mitad de la varilla a lo largo del eje y colóquela sobre una lámina de metal. En este caso, la mitad cortada de la varilla se repone, por así decirlo, con una imagen especular. También se conocen intentos de reducir las pérdidas en la varilla mediante el uso de tuberías dieléctricas, pero esto conduce a un aumento del tamaño de la antena.

Para formar patrones de radiación con un lóbulo principal estrecho, se utilizan sistemas de varias antenas de varilla. De particular interés son las antenas de varillas múltiples, en las que las varillas están hechas de ferrita. Los radiadores de ferrita tienen una serie de ventajas sobre las varillas hechas de dieléctricos convencionales de alta calidad: trolitol, poliestireno, etc.

Las ferritas de alta frecuencia tienen bajas pérdidas y una alta constante dieléctrica (13). Debido a su tamaño muy pequeño (ej. = 3 cm diámetro de la varilla - alrededor de 6 mm, longitud alrededor de 11 cm) los radiadores se alimentan sumergiendo uno de sus extremos directamente en la guía de ondas o cavidad resonadora. Esto le permite crear antenas altamente direccionales de varios elementos de varios tipos: resonantes, no resonantes y con radiadores combinados.

Con la ayuda de dispositivos de magnetización, que pueden equiparse con varillas de ferrita, es posible rotar el plano de polarización y balancear rápidamente el haz eléctricamente de acuerdo con una ley determinada.

Introducción

En la actualidad, el sistema de radiodifusión por satélite es muy popular en los sistemas de telecomunicaciones. Esta popularidad ha llegado a ser tan grande que prácticamente no hay espacio libre para otros satélites cerca de la Tierra. Para cada país se asigna un lugar y se define estrictamente el número de satélites que puede poner en órbita. Un sistema de radiodifusión por satélite es un sistema de telecomunicaciones de este tipo, cuya conexión entre dos estaciones terrestres se produce con la ayuda de un repetidor ubicado en un satélite terrestre artificial. Estos sistemas operan en frecuencias ultra altas, proporcionando comunicación a largas distancias. Sin el uso de un repetidor de satélite, la transmisión en el rango de microondas solo es posible dentro de la línea de visión o utilizando numerosos repetidores terrestres.

La gran popularidad puede explicarse por el hecho de que, a veces, poner en órbita un satélite con equipo de retransmisión es más fácil, rápido y económico que instalar una línea terrestre de estaciones. Además, el sistema de radiodifusión por satélite cubre áreas de servicio más grandes que el terrestre.

Todos los sistemas de comunicación modernos se basan en la propagación de ondas electromagnéticas en espacios abiertos o estructuras de guía. Para la emisión y recepción de ondas electromagnéticas se utilizan dispositivos de antena que se conectan a los equipos de recepción y transmisión por medio de alimentadores. Las antenas están diseñadas para coordinar el sistema de alcantarillado artificial de ondas electromagnéticas con el entorno natural circundante de su propagación, es decir. mejorar la calidad de la comunicación sin costes energéticos adicionales. Para reducir la potencia del transmisor en el lado transmisor, la antena debe radiar EMW en la dirección del consumidor. En el lado receptor, la antena debe proporcionar una mayor sensibilidad a las ondas electromagnéticas que provienen del transmisor. Todo esto se logra mediante el uso de antenas altamente direccionales, lo que aumenta la confiabilidad de la transmisión de información sin aumentar la potencia radiada.

Características comparativas de las antenas

Tipos de antena	Propiedades básicas
Espejo: - espejo único axisimétrico; - dos espejos axisimétricos; - otoño-simétrico (offset); - bocina-parabólica; - periscópico;	Pueden proporcionar alta directividad, banda ancha y tener un diseño relativamente simple. A altas frecuencias, los requisitos de precisión de fabricación son muy estrictos. La polarización circular la proporciona el diseño del irradiador o la introducción de elementos adicionales, lo que complicará y hará que el diseño sea más pesado.
Bocina: - mi- sectoriales; - H- sectoriales; - piramidal; - cónico;	Son parte de la guía de ondas de suministro. Dispositivos de banda ancha, con una eficiencia de alrededor del 100%. Pero para lograr un alto factor de directividad, es necesario aumentar el ancho de la bocina, y esto empeora su emparejamiento con la guía de ondas, por lo que es necesario aumentar la longitud de la bocina en proporción al cuadrado del aumento de su dimensiones transversales. Para asegurar la polarización circular, es necesario introducir elementos adicionales en la solución de bocina, o usar un par de bocinas con un cambio de fase mutuo de 90 0 . DN se forma de 10 a 140 grados.
Lente: - desaceleración; - acelerando;	También proporcionan alta directividad de radiación/recepción, sin embargo, en comparación con los especulares, son menos exigentes en la precisión de las superficies de fabricación, tienen 3 grados de libertad (2 superficies refractivas y la ley de distribución del índice de refracción) para dar las propiedades adicionales de la antena (oscilación de gran angular del patrón de radiación, la distribución requerida de los campos de apertura de fase y amplitud). Además, no hay sombreado de la apertura por el irradiador. Las desventajas significativas son la gran masa, la banda estrecha y las pérdidas en el material de la lente.
Espiral: - cilíndrica; - cónico; - plano;	La principal ventaja es la facilidad de proporcionar una polarización EMW cercana a la circular sin la introducción de elementos adicionales y la simplicidad del diseño. Sin embargo, para obtener una antena altamente direccional, su longitud debe ser inaceptablemente grande (no se cumple la condición de resistencia mecánica).
- dieléctrico plano; - acanalado plano; - plano modulado; - disco dieléctrico; - disco acanalado; - varilla	Las dimensiones transversales son insignificantes, buenas propiedades de rango en términos del patrón de directividad y la impedancia de entrada. La tecnología de su fabricación es bastante simple. Alto nivel de lóbulos laterales, eficiencia - baja (debido a la absorción en el dieléctrico o la reflexión de las aletas metálicas). Varilla. Fácil de fabricar. Tienen pequeñas dimensiones transversales, buenas propiedades de rango en términos de DN e impedancia de entrada. Desventaja: alto nivel de lóbulos laterales en comparación con antenas de otros tipos, baja eficiencia (ya que la absorción se produce en el dieléctrico).
Guía de ondas ranurada:	Debido a la ausencia de partes sobresalientes, la superficie radiante se puede alinear con los contornos exteriores del cuerpo del avión; la distribución del campo en la abertura se puede elegir en un amplio rango cambiando la conexión del emisor con la guía de ondas; tiene un dispositivo excitador relativamente simple; fácil de operar; tiene una gama limitada de propiedades;

rango de frecuencia especificado

Datos iniciales de la opción 0412

Tema 04. Conjunto de antenas en fase de emisores de varilla dieléctrica para estación receptora VSAT.

Elección del diseño de la antena y el conjunto de antenas. El principio de funcionamiento de una antena de varilla dieléctrica.

La antena de varilla dieléctrica pertenece a las antenas de onda viajera con una velocidad de fase lenta (υ f<с). Они применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до10 Ггц

El diagrama más típico de una antena de varilla dieléctrica se muestra en la figura.

Arroz. 1. Antena de varilla dieléctrica:

1 - varilla dieléctrica, 2 - excitador,

3 - excitador, 4 - alimentador

Las más utilizadas son las varillas cilíndricas y cónicas. Los tubos dieléctricos se pueden usar junto con las varillas. Las varillas con una sección transversal redonda se utilizan con mayor frecuencia y esta sección transversal tiende a estrecharse hacia el extremo de la antena, lo que conduce a un aumento en la directividad y una mejor adaptación de la antena al entorno.

Una onda electromagnética excitada en un soporte se propaga en el interior de una varilla o tubo, reflejándose en sus paredes, como en una guía de ondas. Sin embargo, a diferencia de la guía de ondas, aquí la reflexión es incompleta, parcialmente la energía en todos los puntos de la superficie de la barra sale y se irradia. Debido a esto, se establece una onda viajera en la barra, y puede considerarse como una antena de onda viajera. El patrón de radiación de una antena de varilla depende de la longitud de la varilla l, su área de sección transversal al principio S 1 y al final S 2, del dieléctrico ε y la permeabilidad magnética m de la varilla.

Desde el punto de vista de la propagación de ondas de radio, las varillas son guías de ondas dieléctricas en las que pueden propagarse ondas de varios tipos. La más favorable para la emisión de energía es el tipo de onda HE 11, la configuración del campo eléctrico para este tipo de ondas se muestra en la figura:

Distribución del campo de ondas HE 11

Figura 2

La velocidad de fase de propagación de la onda a lo largo de la varilla depende de la constante dieléctrica del material, así como de la relación entre el diámetro de la varilla y la longitud de onda. La relación entre la cantidad de energía transferida dentro y fuera de la barra depende de los mismos parámetros. Así, para un diámetro de varilla pequeño, la velocidad de fase es cercana a la velocidad de la luz en el espacio libre. En este caso, la mayor parte de toda la potencia pasa fuera de la varilla y su papel es insignificante. Sin embargo, con un diámetro de barra igual a l 0 y más, la velocidad de fase de las ondas disminuye notablemente y se acerca a un valor correspondiente a la propagación de ondas en un dieléctrico ilimitado. A medida que aumenta el diámetro, aumenta la proporción de potencia concentrada en la barra.

Sin embargo, un aumento en la sección transversal de la barra crea condiciones para la excitación de ondas de tipos más altos, lo cual no es deseable. Existe un diámetro óptimo en el que se obtiene el factor de directividad máximo para una longitud determinada.

Además de las antenas con varillas dieléctricas sólidas, se utilizan antenas con varillas huecas o tubos dieléctricos. A diferencia de una barra dieléctrica sólida, un tubo dieléctrico se caracteriza por un nivel relativamente bajo de lóbulos laterales del patrón de radiación (alrededor del 10% del nivel del lóbulo principal).

Las antenas dieléctricas son varillas o tubos sólidos hechos de dieléctrico de varias ondas de largo y con dimensiones transversales comparables a una onda.

Las antenas dieléctricas, como las antenas de lente, se basan en el uso de las características de propagación de ondas de radio en medios dieléctricos. Sin embargo, su principio de funcionamiento es completamente diferente.

Se sabe que durante la transición de las ondas electromagnéticas de un medio con una permitividad a un medio con una permitividad diferente, aparecen cargas y corrientes (las denominadas corrientes de polarización) en la interfaz entre los medios. Tales cargas y corrientes también surgen en la superficie de las varillas cuando las ondas electromagnéticas se propagan a lo largo de ellas, y la fase y amplitud de las cargas en cada punto de la superficie de la varilla dependen de la velocidad de propagación de la onda. El campo electromagnético en cualquier punto del espacio fuera de la barra, creado por cargas y corrientes, depende de la ley de su distribución en la superficie de la barra.

Si las dimensiones de la varilla y su material se seleccionan de modo que la velocidad de propagación de las ondas de radio a lo largo de la antena dieléctrica sea cercana a la velocidad de la luz, entonces la radiación máxima de la antena se dirigirá a lo largo del eje de la varilla en el dirección de la onda.

Aquí tenemos una analogía con una antena tipo "wave channel", en la que los directores también aseguran el desfase de la onda en la dirección del vibrador activo hacia la máxima radiación. En las antenas directoras, la distribución deseada de fases y amplitudes de corriente se selecciona eligiendo la ubicación y longitud de los vibradores. En antenas dieléctricas, esto se logra eligiendo sus tamaños.

Cuando el diámetro de la varilla es grande en comparación con la onda, entonces la velocidad de propagación de las ondas de radio a lo largo de la varilla es cercana a la velocidad de propagación de las ondas de radio en el dieléctrico, igual a , donde Con es la velocidad de la luz, y e D es la constante dieléctrica del material de la barra.

A medida que el diámetro de la varilla disminuye, la velocidad de propagación se aproxima a la velocidad de la luz. Con.

Los estudios experimentales muestran que tales varillas tienen las mejores propiedades direccionales, cuyo área de sección transversal S no excede S max = , pero no menos que S min = , donde l 0 es la longitud de onda operativa en el aire.

Con estas dimensiones, la velocidad de propagación de las ondas de radio a lo largo de la varilla es muy cercana a la velocidad de la luz.

Un aumento en la sección transversal de la barra por encima del valor de Smax conduce a un aumento en el nivel de los lóbulos laterales y no aumenta la ganancia de la antena. La reducción de la sección transversal frente al valor de S min conduce muy rápidamente a la expansión del lóbulo principal del patrón de radiación y, por lo tanto, a una disminución de la ganancia de la antena.

La longitud de las antenas de varilla dieléctrica se elige en el rango de 2 a 6 ondas, dependiendo de la ganancia requerida.

Si la antena en forma de varilla única no proporciona la directividad deseada, entonces en este caso no van por el camino de aumentar su longitud, sino por el camino de utilizar sistemas de varias varillas dieléctricas del mismo tipo, alimentadas en fase. Esto se hace porque un mayor aumento en la longitud de la antena dieléctrica sobre 6 ondas ya no da una ganancia notable.

En la fig. 65 muestra una antena dieléctrica de cuatro varillas de poliestireno dispuestas en una fila, y muestra los diagramas de radiación de esta antena. Dado que las varillas dieléctricas individuales tienen un rango suficiente debido a la no criticidad de sus dimensiones, cuando el sistema de suministro de energía para varillas individuales se implementa de acuerdo con el circuito paralelo que se muestra en la Fig. 65, el sistema de antena en su conjunto también conserva sus propiedades en una amplia gama de longitudes de onda.

A menudo, las varillas dieléctricas se fabrican en forma de cono con un estrechamiento en la dirección de máxima radiación. En este caso, se esfuerzan no por reducir el peso, sino por mejorar las propiedades direccionales, ya que al darle a la barra una pequeña conicidad se reduce la intensidad de los lóbulos laterales del patrón de radiación.

Para reducir la sección transversal, las varillas dieléctricas se fabrican con materiales con una constante dieléctrica alta, prestando atención a la cantidad de pérdidas en este dieléctrico, ya que el uso de un material con una constante dieléctrica alta y un ángulo de pérdida grande conduce a una fuerte deterioro de la eficiencia de la antena.

La excitación (potencia) de las antenas dieléctricas se realiza mediante un vibrador perpendicular al eje de la varilla o mediante una guía de ondas que transporta la onda magnética transversal principal. En el primer caso, el vibrador para eliminar la radiación de retorno se coloca en una caja de metal, en cuyo extremo abierto se incrusta una varilla dieléctrica (ver Fig. 65). Tal caja es esencialmente una guía de ondas cortas.

Las propiedades direccionales de las antenas de varilla dieléctrica prácticamente no dependen de la forma de su sección transversal, que puede ser redonda, cuadrada, etc. En la guía de ondas, resuelve automáticamente el problema de sellar su cavidad interna.

Para una representación visual de las propiedades direccionales de las antenas dieléctricas en la fig. 66 se comparan con antenas equivalentes a ellas en directividad y ganancia.

Las antenas dieléctricas son equivalentes a:

una varilla con una longitud de 1,8 ondas: una antena plana en fase, que consta de ocho vibradores de media onda con un reflector;

varillas con una longitud de 3,3 ondas: un cuerno cónico con una longitud de 5 ondas y un diámetro de garganta de dos ondas;

un sistema de antena de cuatro varillas: un cuerno cónico que tiene el doble de longitud y área de sección transversal.

Además de las antenas de varilla, las antenas se utilizan en forma de tubos dieléctricos huecos con un diámetro de aproximadamente una onda, excitados de manera similar a un emisor de varilla sólida. El espesor de la pared de tales tubos se toma de acuerdo con la constante dieléctrica del material del tubo, pero nunca supera el 0,1 de la longitud de onda operativa. Las antenas dieléctricas de tubo hueco a menudo se denominan caparazón.

Las antenas de concha dieléctrica resultan ser algo más voluminosas, pero tienen menos peso y, debido a sus grandes dimensiones transversales, patrones de radiación más estrechos que las antenas de varilla de la misma longitud. En la fig. La Figura 67 muestra, a modo de comparación, los patrones de radiación de una guía de ondas, una varilla dieléctrica sólida y un sistema de capa dieléctrica.

Las antenas dieléctricas se utilizan como antenas independientes y alimentadores, reemplazando con éxito a las antenas de bocina. El peso de las antenas dieléctricas es proporcional al cubo de la onda operativa, lo que hace irracional su uso en ondas superiores a 10-25 cm. En longitudes de onda más cortas, los radiadores de varilla y coraza dieléctricos tienen una serie de ventajas, que incluyen pequeñas dimensiones con buena directividad, la posibilidad de su uso en un rango de longitud de onda muy amplio, bajo peso y baja resistencia al viento.

Las desventajas de las antenas dieléctricas incluyen la complejidad del sistema de suministro de energía (cuando la antena consta de varios elementos de modo común) y la presencia de pérdidas dieléctricas que pueden reducir significativamente la eficiencia de la antena.