ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ПОТЕРЯМИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ АНТЕНН

February 26, 2013 by admin Комментировать »

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

Аннотация – Исследовано влияние диэлектриков с потерями в полости щели, а также диэлектрического укрытия на энергетические характеристики и направленные свойст- ва волноводно-щелевых излучателей произвольной электрической длины.

I.                                       Введение

Применение диэлектриков в конструкциях базовых элементов СВЧ и КВЧ диалазонов может значительно улучшить массогабаритные характеристики, расширить функциональные возможности устройств, создаваемых на их основе. Однако лри наличии диэлектриков усложняется структура электромагнитных лолей в электродинамических объемах, изменяются дислерсионные свойства волноведущих трактов, что существенно проявляется на характеристиках неоднородностей, размещаемых в них. Целью данной работы является исследование влияния диэлектриков с потерями, расположенных в полости щелей или заполняющих внешнее пространство на энергетические характеристики и направленные свойства щелевых излучателей различных размеров, а также возможности оптимизации характеристик.

II.                              Основная часть

Продольная щель произвольной длины / и ширины d прорезана в широкой стенке конечной толщины прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком с потерями. Полость щели и внешнее полупространство также заполнены диэлектриками с относительными диэлектрическими проницаемостями έ”= 8”(1-i-tg6”) и

gext ^ gext^-| _ j tggext J сООТВеТСТВеННО.

Рис. 1.

Fig. 1.

Методом магнитодвижущих сил [1] исследовано влияние диэлектриков, заполняющих внешнее полупространство на коэффициенты излучения |3ς|^η отражения |Sii|, а также на диаграмму направленности (ДН) и коэффициент направленного действия (КНД). На рис.1 приведены зависимости |3ς|^η КНД (D) от величины ε®** при 1д6®’“=0для щели с /=5λ, с(=1мм, прорезанной в широкой стенке прямоугольного волновода с поперечным сечением ахЬ=23х10мм^. КНД значительно возрастает по сравнению со случаем, когда ε®’“=1. Возрастание КНД связано с сужением ширины главного лепестка ДН и с уменьшением уровня бокового излучения. Максимум диаграммы направленности при этом смещается к нормали. На рис.2 приведены ДН продольной щели с /=5λ, излучающей в пространство с проницаемостью ε®’“=1, ε®’“=2 и tg6®’“=0, tg6®’“=10’^, tg6®’“=0.1. На рисунке не представлены ДН при 1д6®’“=10’®и tg6®’“=10”’, так как диаграммы направленности для этих вариантов совпали с данными, рассчитанными для случая идеального диэлектрика.

Использование диэлектрического укрытия может существенно улучшить форму диаграммы направленности: уменьшить ширину главного лепестка, уменьшить уровни боковых лепестков. Потери диэлектрика с tg6®’“ не более 0.01 практически не влияют на направленные свойства щелевых излучателей. Если потери значительные, например, tg6®’“=0.1, наблюдается сильный рост дальних боковых лепестков (кривая 4 на рис.2).

Рис. 2.

Fig. 2.

Таким образом, введением диэлектриков во внешнее полупространство, имеющих tg6®’“ не более 0.01, можно создать щелевые излучатели с коэффициентом направленного действия в несколько раз превышающим КНД при излучении в пространство οε®’“=1.

Для управления направленными характеристиками щелевых антенн и с целью защиты антенн от внешних воздействий может быть использовано диэлектрическое заполнение полости щели. В данной работе исследованы диаграммы направленности и энергетические коэффициенты щелей в зависимости от величины ε” и от значения tg6”. Рассмотрены как электрически короткие щели (//λ<1) так и электрически длинные. В [2] показано, что с увеличением значения Ι/λ возрастает коэффициент излучения щели и для некоторых значений ее длины он может достигать величины близкой к единице. Но для таких излучателей ДН может оказаться очень «плохой» [2], то есть она может иметь многолепестковую форму и высокий уровень бокового излучения. Введением диэлектрика в полость щели удается существенно улучшить форму диаграммы направленности.

Для электрически длинных щелевых излучателей зависимости коэффициентов излучения от геометрической длины щели при постоянной длине волны (λ=32ΜΜ) и ε”=2 при различных значениях tg6” представлены на рис. 3. На этом же рисунке показаны зависимости |Ss|^=f (/) для случая ε”=1. Внесение диэлектрика в полость щели изменяет значение резо-

нансной длины и уменьшает величину коэффициента излучения. Зависимости, приведенные на рис.З, соответствуют щелям с электрическими длинами не более 10λ. Согласно результатам работы [2] наиболее рациональным является использование щели длиной более 50λ. Для таких антенн, изменяя размеры щели (/ и d), а также ее расположение в стенке волновода, выбором ε” можно создать оптимальную ДН и в конечном итоге оптимальный коэффициент усиления (КУ). На рис.4 представлены ДН антенны длиной /=50λ. Применение диэлектрика в полости щели позволило существенно сузить главный лепесток, уменьшить боковое излучение. КНД увеличился от значения 80.3 (ε”=1) до величины 182.8 при ε”=2.95, tg6”=0. С увеличением потерь в диэлектрике уменьшается коэффициент излучения. Например, при

Рис. 5.

Fig. 4.

Рис. 3. Fig. 3.

то есть уменьшение коэффициента излучения произошло меньше, чем на 10%. Определяя КУ щелевой антенны как произведение КНД на КПД, видим, что даже при использовании диэлектриков со значительными потерями, например tg6”=0.05, введение их в полость щели приводит к возрастанию коэффициента усиления антенны. Соответствующие зависимости КУ, КНД и |3ς|^ от tg6”представлены на рис. 5. Видим, что при всех значениях tg6”<0.1 коэффициент усиления остается больше, чем для случая отсутствия диэлектрика, так как при ε”=1, G=80.06.

Таким образом, диэлектрическое укрытие и заполнение полости электрически длинной щели диэлектриком может быть перспективно для получения более высоких значений КНД и КУ, несмотря на возможные потери в диэлектрике.

IV.                           Список литературы

[1]  ФельдЯ. Н., Бененсон С. Л. Антенно-фидерные устройства. Москва, Изд-во ВВИА им. Жуковского, 1959, Ч. 2, 551 с.

[2]  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.

LOSSY DIELECTRICS INFLUENCE ON RADIATING CHARACTERISTICS OF WAVEGUI DE-SLOT ANTENNAS

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

\f. N. Karazin Kharkov National University 4 Svoboda Sq., Kharkov, 61077, Ukraine

Abstract – Influence of lossy dielectrics inserted into slot volumes and lossy dielectric coating on radiating and directional characteristics of waveguide-slot antennas was investigated.

I.                                         Introduction

Dielectrics introduction into design of microwave devices has changed engineering process, and considerably improved weight-dimensions parameters, expanded functionalities of such devices. However, at the presence of dielectrics the structure of electromagnetic fields becomes complicated and the dispersion properties of waveguides are varied. Investigation of lossy dielectrics effect on energy characteristics and directional properties of waveguide-slot radiators with various sizes is the purpose of the present paper.

II.                                        Main Part

Longitudinal slot having the length I and width d was cut in a narrow wall of rectangular waveguide with cross-section axb. The slot volume and free half-space are filled by dielectric with permittivity έ”= 8”(1-i-tg6”) and =8®>^'(1-i-tg5®’^’), respectively.

According to the method of magnetomotive forces [1] influence of lossy dielectrics on radiation (|Sz|^) and reflection (|Sii|) coefficients, as well as radiation patterns and gain was investigated.

Fig. 1 shows the radiation and directivity (D) coefficients of the slot with /=5λ, d=1mm, tg5®*’=0 versus ε®**. Radiation patterns of the slot (/=5λ) with different values of ε®** and tga®** are presented in Fig. 2. Using of dielectric coating can reduce the width of radiation pattern mainlobe and reduce side lobe levels.

Fig. 3 shows radiation coefficients of the slot with different values of ε” and tg5” versus the length of the slot (X=32mm) and Fig. 4 shows radiation patterns of the slot (/=50λ) with different values of ε”and tge”. Directivity, gain and radiation coefficients of the slot (/=50λ) versus tg5” are presented in Fig. 5. In the case when tg5”<0.1 and ε”=2.95 gain coefficient (G) is greater than in the case of ε”=1.

III.                                       Conclusion

Dielectric coating of waveguide-slot antennas and dielectric filling of electrically lengthy slots volume can be perspective for deriving higher values of directivity and gain coefficients in spite of possible dielectric losses.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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