CC BY
79
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
УДК 621.372
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОСТОЙ АНТЕННЫ НА СФЕРИЧЕСКОМ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ В МИЛЛИМЕТРОВОМ И СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНАХ ДЛИН ВОЛН
Трубин А.А.
В настоящее время формирование диаграмм направленности (ДН) антенн достигается, в основном, путем использования отражающих поверхностей различных форм, либо использования эффектов преломления волн - линзовые антенны [1]. Практически не применяются резонансные свойства тел, чаще всего ввиду частотной узкополосности их электрических свойств. Между тем, в коротковолновых диапазонах длин волн, удобно использовать специальные свойства диэлектрических тел с высшими типами собственных колебаний, поскольку в этом случае ограничения на размеры устройств уже не являются критическими.
В представленном сообщении показана возможность построения узконаправленной антенны, выполненной на основе сферического диэлектрического резонатора (ДР) с высшими типами колебаний высшего типа. Установлено, что формирование ДН такой антенны будет осуществляться за счет накопления поля в области диэлектрика с пространственным распределением, формирующим два узконаправленных потока излучения. Отмечены условия увеличения кпд устройства. Показана возможность увеличения коэффициента усиления.
Расчет параметров антенны
Известно, что распределения полей волновой зоны ДР с низшими типами колебаний имеют вид, подобный полю магнитного, или электрического диполя [2]. Поля излучения ДР с колебаниями высших типов не исследовались. Предполагая возможность использования резонаторов в качестве элементов антенн в коротко волновых диапазонах, зададим вопрос: существуют ли собственные колебания высших типов, обладающие узконаправленным пространственным распределением поля в волновой зоне? Ответ на него является положительным, по крайней мере для ДР сферической формы. Действительно, учитывая угловое распределение поля в сферической системе координат, обращают на себя внимание два класса собственных колебаний:
1) Собственные колебания магнитных Нпті и электрических £.пшг типов с п = т. В этом случае плотность потока мощности излучения ДР в волновой зоне будет пропорциональной величине
\ei$f<p)/emax\2^[(sinm<p)2 + (cosTTHp costf)2] ■ (sin (1)
2) Собственные колебания магнитных и электрических типов с m = 1;
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
51
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
п > 1. Плотность потока мощности излучения ДР в волновой зоне в этом случае будет изменяться по закону
^тах I [(sin<p):
(cos б)/білі
Р^1 (cos б)У
(2)
Здесь б - меридиональный, а <р - азимутальный угол сферической системы координат, связанной с центром шара.
Анализ параметров излучения
Поле излучения ДР, для случая 1) при п = ТП, в волновой зоне будет “сжато” в плоскости <р = const с максимумами излучения, лежащими в направлениях б = тг/2 (1). ДН резонатора будет многолучевой.
В случае 2) поле ДР оказывается “сосредоточенным” в направлениях б = 0, тт. Ширина главных максимумов излучения уменьшается с увеличением меридионального индекса п. Так для п = 10 коэффициент усиления антенны, с учетом излучения одного лепестка, будет равным 21,8; для п= 20 коэффициент усиления антенны становится равным 30,7, а для п = 30 коэффициент усиления будет равным 33,4. При этом, как следует из данных вычислений [2], мощность излучения сферического ДР для n » 1 становится незначительной. Мощность излучения может быть увеличена двумя способами: либо путем уменьшения диэлектрической проницаемости материала резонатора, либо использованием колебаний с бо-льтттими значениями радиальных индексов I > 1.
На рис. 1а приведены теоретические зависимости добротности излучения магнитных колебаний Н2 & 1; для диэлектриков, обычно применяемых в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах длин волн.
Рис. 1. Зависимость собственной добротности шара для колебаний магнитного типа Ч(ті = 20) от величины диэлектрической проницаемости материала (а). Угловая
зависимость плотности потока мощности собственных колебаний Н, Enli (б).
52
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
Рис. 2. Распределение амплитуды электрической компоненты поля (ті = 10 J магнитных колебаний кварцевого шара для разных значений радиального номера корня l. (Пунктирными линиями отмечена граница раздела диэлектрик-воздух)
Как следует из приведенных данных, добротности резонаторов можно уменьшить как для основных значений радиальных индексов I = 1, так и для индексов I = 2,3 и т.д. Уменьшение добротности при увеличении радиального индекса, как следует из данных, приведенных на рис.2, обусловлено увеличением амплитуд поля ДР в открытом пространстве. В случае больших Ті >> 1 при т = 1 ДН сферического ДР может быть одно лепестковой в полусфере б <nj2 в одной фиксированной плоскости, а в ортогональной плоскости много лепестковой, с главным лепестком, направленным ВДОЛЬ б = 0, 71 (см. рис.1 б).
Заключение
Проведенные вычисления показывают возможность реализации в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн одно элементной диэлектрической антенны с узкой ДН, выполненной на основе сферического ДР с магнитным, или электрическим типом собственных колебаний Н, Еп !;, изготовленного из диэлектрика, не высокой относительной проницаемости.
Литература
1. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ, Часть 1, Москва, Связь. - 1977, 381 с.
2. Ильченко М.Е., Трубин А.А. Электродинамика диэлектрических резонаторов, Киев, Наукова думка, 2004, 265 с.
3. Трубин А.А. Исследование характеристик излучения дискового диэлектрического резонатора // Вестник Киевского политехнического института. Серия - Радиотехника. Вып. 21,1984, с. 29-33.
Трубін О.О. Реалізація простої антени на сферичному діелектричному резонаторі в міліметровому та субміліметровому діапазонах довжин хвиль. Показана можливість реалізації вузько спрямованої одно пелюсткової антени на одному сферичному діелектричному резонаторі з коливаннями Hf ^ (Ті >> 1). Встановлено умови підвищення ккд та коефіцієнту підсилення запропонованого типу резонансної антени в міліметровому та субмилиметровому діапазонах довжин хвиль.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
53
Техніка та пристроїНВЧ діапазону. Антенна техніка
Ключові слова: антена, діелектричний резонатор, мікрохвильова техніка
Трубин А.А. Реализация простой антенны на сферическом диэлектрическом резонаторе в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Показана возможность реализации узконаправленной одно лепестковой антенны на одном диэлектрическом резонаторе сферической формы с колебаниями Н, Е1г ^ ^ (11 >> 1). Установлены условия повышения кпд и коэффициента усиления предложенного типа резонансной антенны в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Ключевые слова: антенна, диэлектрический резонатор, микроволновая техника
Trubin O. O. Implementing a simple antenna on a spherical dielectric resonator in the millimeter and submillimeter wavelengths. It’s demonstrated a possibility of realization of narrow one directed antenna on Spherical DR with magnetic or electric H, En г [ mode resonances (71 > > 1,771= 1). Increasing of efficiency and gain factor of presented kinds of antenna in millimeter and terahertz wave-length is established.
Key words: antenna, dielectric resonator, microwave theory
УДК 621.396.67
УЛЬТРАШИРОКОСМУГОВИЙ ЛОГОПЕРІОДИЧНИЙ ОПРОМІНЮВАЧ РЕФЛЕКТОРНОЇ АНТЕНИ ДІАПАЗОНУ ЧАСТОТ 1-20 ГГц
Дубровка Ф. Ф., Долженко Д. С.
В ультраширокосмугових системах передачі інформації, в системах ра-діомоніторингу, радіопротидії тощо, необхідно мати антени, що працюють у мультиоктавних смугах частот з потрібним підсиленням. У таких системах зазвичай використовують рефлекторні антени, робоча смуга частот яких визначається робочою смугою частот опромінювача. В ідеалі діаграма спрямованості (ДС), вхідний опір та положення фазового центру опромінювача не повинні залежати від частоти в робочій смузі частот. Найбільш повно задовольняють цим вимогам опромінювачі на основі логопе-ріодичних (ЛП) антен.
Метою цієї роботи є математичне моделювання та оптимізація характеристик опромінювача рефлекторної антени, побудованого на основі решітки в Н-площині із двох ЛП вібраторних антен [1, 2], що забезпечує в діапазоні частот 1-20 ГГц: КСХН < 2.5 при живленні коаксіальною лінією з хвильовим опором 50 Ом; вісесиметричну ДС; потрібну частотно незалежну ширину ДС на рівні -10 дБ та має надійну конструкцію, добре захищену від атмосферного впливу та механічних пошкоджень.
Результати дослідження
Загальний вигляд моделі конструкції опромінювача, без укриття та з укриттям, зображено на рис. 1. 54
54 Вісник Національного технічного університету України "КПІ"
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2010.-№42
