Изчисляване на размерите на облъчвателя - Радиоелектроника
2.2. изчисляване на размера на облъчвателя.
В нашия случай диелектрична пръчкова антена (тип антени с пътуваща вълна) се използва като захранване в двуогледална касегренова антена. Подобно на всички антени с пътуваща вълна, диелектричната пръчкова антена реализира аксиален режим на излъчване и работи по оста на система с бавни вълни, способна да поддържа повърхностни вълни. Антените с диелектрични пръти се използват при честоти от 2 GHz и по-високи и представляват диелектрични пръти (понякога тръби) с кръгло или правоъгълно напречно сечение с дължина L (вижте фиг. 2.2.) Няколко дължини на вълната, възбудени от сегмент от кръгъл или правоъгълен метален вълновод. В диелектричния прът се използва долната хибридна забавена електромагнитна вълна HE11 (виж фиг. 2.3.). Най-широко използваните диелектрични антени имат кръгъл прът, поставен в кръгъл вълновод.
Фигура 2.2.: а) цилиндрична; б) конична; D1=dMAX; D2=dMIN; 1 - цилиндричен прът (или тръба); 2 - краят на кръглия вълновод.
При честоти под 3 GHz кръгъл вълновод обикновено се възбужда от коаксиален кабел (в този случай диелектричната антена е цилиндричен прът), а при честоти над 3 GHz по-често се използва вълноводно възбуждане с плавен преход от правоъгълен вълновод към кръгъл (в този случай диелектричната антена е коничен прът).
В нашия случай работната честота е 11 GHz, така че ще използваме конична диелектрична пръчкова антена като захранване на рефлекторната антена. В допълнение, формата на диелектричните пръти е избрана да бъде с конична форма, за да се намали отражението на полето от края на диелектричната антена и да се намалинивото на страничните лобове (във вълновода, коничната част на пръта, която не се взема предвид при изчисляване на дължината на диелектричната антена L и равна на 1,5×lV, където ×lВ е дължината на вълната във вълновода, също се използва за намаляване на отражението на полето от края на диелектричния прът с по-голям диаметър на напречното сечение). Материалът на коничния диелектричен прът ще избере флуоропласт с относителна диелектрична константа er=2. Изчислете размерите на този облъчвател.
Диелектричната антена, като антена с пътуващи вълни, има максималния коефициент на насоченост на коефициента на насоченост (виж [1] стр. 9):
=6,971 (2,11.)
За ефективно възбуждане на пръта началният му диаметър трябва да отговаря на съотношението от [1] на стр. 10 е приблизително равно на:
=15,38 мм. (2.12.)
Фазовата скорост на вълната в края на пръта трябва да съответства на фазовата скорост на вълната в свободното пространство и в съответствие с израза от [1] на стр. 10 диаметърът на края на диелектричния прът, обърнат към външното пространство, се определя по формулата:
=9,72 мм. (2.13.)
Тъй като диаметърът на напречното сечение на диелектричния прът е променлив, необходимите стойности на L и d се изчисляват въз основа на предположението, че xOPT се определя от средната стойност на диаметъра на пръта:
=12,55 мм. (2.14.)
Въз основа на изчисления среден диаметър dSR на диелектричния прът, ние избираме оптималния коефициент на забавяне на фазовата скорост на вълната в пръта (близо до 1) от фиг. 1.6 в [1] на стр. 9 (от фигурата се вижда, че стойността на забавянето зависи от диаметъра и материала на пръта) [email protected], т.е. използвайки връзка 1.7 от [1], можем да изчислим дължината на диелектричния прът по формулата:
=258,91 мм. (2.15.)
За да се предотврати възбуждането на по-високи видове вълни в пръта, изкривяванедиаграмата на излъчване на диелектрична пръчкова антена, е необходимо да се изпълни връзката:
(2.16)
В нашия случай това съотношение е изпълнено, защото d= 12,55 мм. b основната вълна ще бъде вълна H10.
Фигура 2.4. показва разпределението на полето на основната вълна H10 в правоъгълен вълновод.
Ориз. 2.4. Структурата на полето на основната вълна H10 в правоъгълен вълновод (———— електрически силови линии; ——— магнитни силови линии).
Въз основа на мощността на предавателя в импулса и честотата на генератора на електропровода, от Таблица 7.7 [5] p. 186 избираме вълновод R-120 със следните параметри:
Ø Номинални размери:
а=19,03 мм., b=9,525 мм.;
Ø Критична вълнова честота H10, fKP= 7.869 GHz;
Ø Работен честотен диапазон 1.25fKP…1.9fKP, за вълна H10=9.84. 15.0 GHz;
Ø Номинална работна честота 1.5fKP =11.8GHz;
Ø Теоретично затихване на мед при 1.5fKP - a=0.133 dB/m;
Ø Пробивна мощност RPR = 0,201 MW;
Ø Номинална дебелина на стената S=1,27 mm;
Ø Линейно тегло на тръбата m = 0,72 kg.
За основната вълна H10:
мм. (2.21.)
mm.(2.22.)
Следващата критична честота в избрания правоъгълен вълновод ще бъде вълната H20c (). (2.23.)
Честотният диапазон, при който само основната вълна H10 може да се разпространява във вълновода, се дава от неравенството:
(2.24.)
Следователно в избрания вълновод в едномодов режим при дадена честота от 11 GHz вълната H10 ще се разпространява, а други видове вълни няма да се разпространяват при дадена честота в правоъгълен вълновод.
Възбуждането на вълната H11 в кръгъл вълновод е възможно чрез плавен преход с постепенна деформация на напречното сечение отправоъгълен вълновод към кръгъл. За да бъде влиянието на отражението незначително, дължината на такъв преход се приема равна на 2×lCB.
Сега трябва да изберете кръгъл вълновод, за да захранвате облъчвателя.
Предварително изчисленият край на пръта на конична диелектрична антена с най-голям диаметър на напречното сечение от 15,38 mm. и приблизително ще определи диаметъра на напречното сечение на кръговия вълновод.
Избираме кръгов вълновод от таблица 7.14 [5] на стр. 193 C‑120, който има следния дизайн и електрически параметри:
Ø Критична честота GHz трептения от формата:
Ø вътрешен диаметър в mm.:
Ø Номинална дебелина на стената в мм. - 1,27.
Ø Честота в GHz - 12.07;
Ø H11 затихване в dB/m:
Теоретично изчислено - 0,1524;
Ø Затихване на трептения тип H11 в dB/m, максималната стойност не е в таблицата.
Структурата на вълновото поле H11 в кръгов вълновод изглежда същата като на фиг. 2.5.
Ориз. 2.5. Структурата на полето H11 в кръгъл вълновод: (———— линии на електрическо поле; — — — линии на магнитно поле.
Електромагнитна вълна от вида Emn (Hmn) се разпространява по вълновода, ако условието (2.18.) е изпълнено.
Критичната дължина на вълната за вълни от типа Hmn се определя от връзката:
(2.25.)
където - hmn е "n"-ти корен от производната на функцията на Бесел от "m"-ти ред.
За вълни тип Emn:
(2.26.)
където ‑xmn е корен „n“ от функцията на Бесел от „m“ ред.
Нека изчислим критичните дължини на вълните за вълни, които могат да се разпространяват при честота от 11 GHz в избрания кръгъл вълновод.
За основната вълна H11:
29.298 мм.
22.88 мм.
17,95 мм.
14.34 мм.
Вълните E01, H21, H01 при дадена честота няма да се разпространят, тъй като условието (2.18) не е изпълнено.
Приблизителен изглед на дизайна, използван за съгласуване на плавен преход от правоъгълен вълновод към кръгъл, е показан на фиг. 2.6. и в приложение 4.
