ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ И НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ АНТЕНН

May 2, 2012 by admin Комментировать »

Лященко В. А., Катрич В. А., Бердник С. Л., Булгакова А. А. Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина пл. Свободы 4, .Харьков – 61077, Украина Тел.: 38 (057) 7075585; e-mail: Sergey.L.Berdnik@univer.kharkov.ua

Аннотация – Исследовано влияние диэлектрического заполнения полости волновода и щели, а также диэлектрического укрытия на энергетические характеристики и направленные свойства волноводно-щелевых излучателей произвольной электрической длины.

I.  Введение

Применение диэлектриков в конструкциях базовых элементов СВЧ и КВЧ диапазонов изменило технологию их изготовления, привело к значительному улучшению массогабаритных характеристик, расширило функциональные возможности устройств, создаваемых на их основе. Однако при наличии диэлектриков усложняется структура электромагнитных полей в электродинамических объемах, изменяются дисперсионные свойства волноведущих трактов, что существенно проявляется на характеристиках неоднородностей, размещаемых в них. В частности, это сказывается на параметрах полых или нагруженных диэлектриком щелей, прорезанных в боковых поверхностях таких трактов. Внешние диэлектрические укрытия, выполняя защитные функции от внешних воздействий, одновременно изменяют характеристики антенн. Целью данной работы является исследование влияния диэлектриков на энергетические характеристики и направленные свойства щелевых излучателей различных размеров.

II.  Основная часть

В работе исследованы характеристики продольных щелей произвольной длины /, ширины d, прорезанных в широкой стенке конечной толщины прямоугольного волновода, заполненного идеальным диэлектриком с относительной проницаемостью ёп. Полость щели и внешнее полупространство также заполнены диэлектриками с относительными диэлектрическими проницаемостями £ и £xt соответственно.

Вопросы теории и расчета электродинамических характеристик таких щелей на основе метода моментов (Галеркина) и метода магнитодвижущих сил, а также физических закономерностей формирования поля излучения щелей, прорезанных в стенках полых волноводов, изложены нами в работе [1]. В [1] отмечается, что главной физической особенностью является то, что в щели, сколь угодно длинной по сравнению с длиной волны в свободном пространстве Я, возбуждается конечное число различных собственных функций щели, но наибольший вклад в формирование амплитудно-фазового распределения (АФР) поля на ее апертуре даютр-ая и g-ая гармоники, при которых на щели укладываются целые числа полуволн Xv\Xg (lg – длина волны в волноводе), причем отношение номеров гармоник p/q = А%/Я. Если гармоники с номерами р и q сильно отличаются друг от друга, то в раскрыве щели поле сильно осцилирует. Диаграмма направленности (ДН) такого излучателя может иметь несколько максимумов и большие уровни боковых лепестков. Введение в волновод диэлектрика изменяет отношение p/q = Яg/Я и, следовательно, изменяет АФР в раскрыве антенны.

На рис. 1 представлены результаты расчета коэффициентов излучения щелей |SE|2 в зависимости от отношения l/Я при постоянной длине волны (1=32 мм), а на рис. 2 – зависимости |SE|2-j{X). Ширина щелей d-1 мм. Кривые 1 соответствуют |SE|2 щелей, прорезанных в стенке полого волновода с поперечным сечением ах&=23х10 мм2, кривые 2 описывают зависимости |SE|2=/{1/Я) и |SE|2=/{Я) щелей, прорезанных в стенке волновода с размерами ахЬ=11.5×5 мм2, заполненном диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью dn =4. Расстояния от центральной линии широкой стенки до центров щелей равно а/4. Поперечное сечение волновода выбрано из условия одномодового режима возбуждения. Щели, прорезанные на расстоянии 0.1а от центра волновода, заполненного диэлектриком, характеризуются зависимостями |SE|2=Д1/Я) и |SE|2=^[Я) представленными кривыми 3 на рис. 1 и рис. 2. Расчеты показали, что для щелей, прорезанных в волноводах с диэлектрическим заполнением, резонансная длина излучателя определяется длиной волны, распространяющейся в волноводе и равна lpeзxpЯg/2 (р – целое число), если Я% <Я. Резонансные значения длин щелей, при которых наблюдаются максимумы излучения, сильно зависят от положения щели. Значительно изменяется ширина резонансных кривых |Se|2=/(A) по уровню 0.5|SE|2max. Таким образом, не изменяя ширину щели, введением диэлектрика можно создать узкополосную излучающую систему.

Рис. 1.                                     Рис. 2.

На рис.З приведены зависимости коэффициентов излучения |SE|2 и направленного действия D от ёп для щелевой антенны 1=5Я (1=32 мм), ^=1.5мм, расположенной в стенке толщиной 1.5 мм волновода с ах6=23х10 мм2. При ёп-Л КНД антенны низкий, диаграмма направленности для этого случая приведена на рис.4 (кривая 1). Введением диэлектрика в волновод можно существенно улучшить распределение в раскрыве щелевого излучателя и, следовательно, улучшить диаграмму направленности. ДН для случая £*”=1.2 представлена кривой 2 на рис.4.

На рис. 5 приведены коэффициент направленного действия D и коэффициент излучения |SE|2 в зависимости от £ диэлектрика, заполняющего щель длиной 5Я, расположенной в полом волноводе. Геометрические размеры щели и волновода такие же, как и в случае, представленном на рис. 3. Коэффициент направленного действия для ряда значений £ оказывается значительно большим, чем D для полой щели. ДН щели с ev= 1.5 представлена на рис. 4 кривой 3. Заполнение диэлектриком полости щели имеет большое практическое значение, так как масса диэлектрика при использовании волноводов со стандартной толщиной стенок оказывается небольшой, а увеличение коэффициента направленного действия при этом может быть значительным. Но как следует из графика рис. 5, уменьшается коэффициент излучения щели.

Рис. 3.                                     Рис. 4.

Использование диэлектрического укрытия наряду с функциями защиты антенны от внешних воздействий, приводит к изменению их электродинамических характеристик. Когда толщина диэлектрического укрытия составляет 0.2-0.3Ае (А- длина волны в диэлектрике), такая излучающая структура эквивалентна приближению заполнения диэлектриком всего полупространства над антенной.

На рис. 6 представлены зависимости |SE|2=J[^xt) и D=f{dx‘) для щелей с различной длиной: /=51 (кривые 1); /=101 (кривые 2); /=301 (кривые 3). Видно, что с увеличением диэлектрической проницаемости коэффициент направленного действия увеличивается в несколько раз по сравнению со значением D при £**’= 1. ДН щели длиной 51 с dx‘=5 приведена на рис. 4 кривой 4. Для коротких щелей наблюдается сильное уменьшение коэффициента излучения.

Рис. 5.                                     Рис. 6.

III.  Заключение

Таким образом, заполнение волновода диэлектриком проявляется в изменении резонансных частот щелевых излучателей, сужении рабочей полосы частот, что может быть использовано при решении задач ЭМС. Аналогичные явления будут наблюдаться и для щелей в стенках микрополосковых линий и волноводов, частично заполненных диэлектриком.

Использование диэлектриков с определенными значениями ev и dx‘ наряду с изменением частотноэнергетических характеристик щели, позволяет существенно уменьшить ширину и уровень боковых лепестков в ДН электрически длинных щелей.

IV. Список литературы

[1 ] Катрич В. А., Лященко В. А., Бердник С. Л. Электрически длинные волноводно-щелевые антенны с оптимальными излучающими и направленными характеристиками // Известия Вузов. Радиоэлектроника, 2003, № 2, Т.46, с. 51-60.

EFFECT OF DIELECTRICS ON RADIATING CHARACTERISTICS AND DIRECTIONAL PROPERTIES OF WAVEGUIDE-SLOT ANTENNAS

Lyaschenko V. A., Katrich V. A., Berdnik S. L., Bulgakova A. A.

V. N. Karazin Kharkov National University 4 Svoboda Sq., Kharkov – 61077, Ukraine e-mail: Sergey. L. Berdnik@univer.kharkov.ua

Abstract – Effects of dielectric loading of waveguide and slot volumes and also of dielectric coating on radiating and directional characteristics of waveguide-slot antennas is investigated.

I.  Introduction

Insertion of dielectrics into constructions of principal microwave and millimeter wave devices changed their fabrication method, improved the weight/size performances, and expanded their functionalities. However, the presence of dielectrics complicates the structure of electromagnetic fields inside electromagnetic volumes, and changes the dispersion properties of waveguides. So dielectrics affect the electrodynamic characteristics of slots cut in waveguides. External dielectric coatings also change characteristics of antennas. Investigation of dielectrics effects on energy characteristics and directional properties of the waveguide-slot radiators with different sizes is the purpose of the paper.

II.  Main part

Consider the longitudinal slot of length I and width d cut in a narrow wall of the rectangular waveguide with the axb cross- section. The waveguide, the slot volume and free half-space are loaded by dielectric with permittivities                                 respectively.

The analysis of electrically lengthy waveguide-slot antennas by the method of moments is performed in our work [1] where the maximum contribution into the field distribution along the slot is found to be created by harmonics with numbers p and q corresponding to an integer number of half-waves AI2 (A – free space wavelength) and lg/2 (lg – waveguide wavelength) along the slot length. The insertion of dielectrics into waveguide changes both the ratio p/q = Ag/A and the field distribution in antenna aperture.

Fig. 1 shows the slot radiation coefficients |rz|2 versus I/A, and Fig. 2 shows |ГЕ|2=Д/1). Curve 1 corresponds to the radiation coefficients of slots in the wall of the hollow waveguide with the cross-section axb=23×10 mm2. Curves 2 and 3 correspond to |ГЕ|2 of slots in the wall of the waveguide with the cross- section axb=11.5×5 mm2 loading by dielectric with dn=4. Distances between wall and slot axes equaled to a/4 (curves 1, 2) and 0.1a (curve 3). One can see that resonant slot lengths and slot bandwidth strongly depend on position of the slot.

The directive gain D and radiation coefficient |rz|2 of the slot with /=5Д versus permittivities dn and sv are shown in Fig. 3 and Fig. 5. Fig 4 shows the radiation patterns for £*"=1.2 (curve 2) and sv=1.5 (curve 3). In these cases the appreciable decrease of the sidelobe level is observed compared with case when £"=£v=1 (curve 1 in Fig. 5).

Fig. 6 shows the directive gain and the radiation coefficients of slots as a function of dxt for different lengths: 1=5A (curve 1), /=10Д (curve 2), /=30/1 (curve 3). The far-field radiation pattern for /=5/1, dx‘=5 is shown in Fig. 4 (curve 4).

III.  Conclusion

In conclusion, the loading the waveguide by a dielectric causes the modification of resonant frequencies of slot radiators and the bandwidth narrowing that can be used to solve of EC problem. The use of dielectrics with proper values d and dxt decreases a beamwidth and sidelobe level in the far-field radiation patterns of electrically lengthy slots.

Аннотация – Проведены исследования характеристик продольных щелей произвольной электрической длины с изменяющейся шириной, прорезанных в широкой стенке прямоугольного волновода.

I.  Введение

Одним из факторов, влияющих на частотноэнергетические характеристики щелевого излучателя наряду с такими как электрическая длина щели, расположение и ориентация щели в стенках волновода, полное или частичное заполнение диэлектриком электродинамических объёмов, связываемых щелью и полости самой щели [1], является ее ширина [2, 3].

Для создания на апертуре щелевого излучателя в стенках волноведущих трактов амплитудно-фазового распределения, позволяющего реализовать его оптимальные интегральные характеристики излучения (диаграмму направленности, коэффициент усиления), перспективно применение щелей с изменяющейся вдоль ее продольной оси шириной. В известной нам литературе подобные излучающие элементы, расположенные в стенках прямоугольного волновода, не рассматривались. Отсутствие методов расчета и анализа электродинамических характеристик таких щелей ограничивает возможность их практического применения.

II.  Основная часть

Продольная щель длиной I с линейно изменяющейся шириной d, прорезана в широкой стенке прямоугольного волновода с поперечным сечением axb, стенки которого предполагаются бесконечно тонкими и идеально проводящими. Волновод и внешнее полупространство заполнены идеальными диэлектриками с диэлектрическими проницаемостями е" и еех‘ соответственно.

Неизвестное поле в раскрыве излучателя Е аппроксимируем набором собственных функций с комплексными амплитудами Vp. Согласно методу наведенных магнитодвижущих сил количество гармоник и их амплитуды Vp определяем из условия непрерывности тангенциальных составляющих магнитных полей на поверхности щели. Ввиду осевой симметрии и с учетом соотношений d < I и d <Х предполагаем, что в щели возбуждается вертикальная (х-ая) составляющая электрического поля, т.е.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты