Диэлектрические антенны

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 l₀ — 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.