Hkja) Re(k,a} Im(k,a)

P,mp,DJ 0,05 0,1 0,3 d/a

Рис. 3. 24 Рис. 3. 25

Рис. 3.24. Зависимость ширины диаграммы в главных плоскостях от параметров дисковой МПА

Рис. 3.25. Действительная и мнимая части собственного волнового числа метал лического диска на диэлектрической подложке

Были предприняты попытки применения аналитических методов к решению задачи излучения металлического диска над слоем диэлектрика. В [77], например, на основе сшивания асимптотического разложения полей в частичных областях задачи и последующего использования техники метода Винера - Хопфа получено следующее представление для комплексных собственных волновых чисел диска:

А

тЧ. 2 f--!-(lni:+ 1)--+ (-1) \

?/К^7 (тч;

1? COS 2mcp

о cos 9

X (е

где Р„ -корни уравнения У'(р; )=0,

02 + COS 2<р тп J

(3.71)

/ 1-е: V

1п5 + е;1п7г--(е; - 1)1п2+1.

Формула (3.71) пригодна как для осесимметричных {т = 0), так и для н^осесимметричных собственных колебаний диска. На рис. 3.25 приведены зависимости активной и реактивной (связанной с потерями на излучение) частей собственного волнового числа дисковой антенны, функционирующей в режиме колебаний с первой вариацией тока по периметру диска (т=1). Напомним, 124

Рис. 3.27. Дисковая (а) и кольцевая (б) МПА

Рис. 3.26. Кольцевая МПА

то нулевым приближением собственного волнового числа являет-я величина (iG)o= (оо)о=1.84118.

3.3.3 Характеристики кольцевых МПА. Кольцевые излучатели рис. 3.26) применяют наряду с дисковыми и имеют перед ними 1яд преимуществ: по-первых, высвободившаяся центральная зона южет быть использована для размещения второго - более высо-ючастотного излучателя и антенна может быть использована в ТОМ случае как двухчастотная [12]; во-вторых, полоса частот коль-1евой антенны, как будет показано ниже, может оказаться в некоторых случаях шире, чем у дисковой с теми же размерами; -третьих, резонансная частота основного типа колебаний ниже

Еоответствующей величины дисковой антенны тех же размеров. )бъяснением последнего факта может служить то обстоятельство, то средний путь тока в кольцевой антенне больше, чем в диско-ой (рис. 3.27).

Кольцевые МПА могут быть исследованы как резонаторным, так и токовым методом. В последнем случае в качестве пробных Вфункций могут быть использованы системы ортогональных соб- ственных функций коаксиального волновода [16, 107].

Собственные колебания кольцевых резонаторов были исследованы задолго до их использования в качестве малогабаритных антенн [78, 79]. Для определения собственных частот применялся, например, метод реакции , который сводит задачу определения собственных частот к решению трансцендентного уравнения типа

J EidS = 0. где J - поверхностный ток на кольце, Е - напряжен-

ность электрического поля, порожденная этим током в структуре. Хорошую сходимость рещения обеспечивает такой выбор си-I стемы пробных функций, каждая из которых удовлетворяет усло-{ виям на ребре.

На рис. 3.28 приведены графики зависимости резонансной частоты низшего типа колебаний (по) от среднего радиуса коль-

ца- {G + fe)/2 для двух значений е[ [79] Точками отмечены экспериментальнпе результаты.

Антенные характеристики металлического кольца на диэлектрической подложке исследованы в [80]. На рис. 3 29 приведены заимствованные из этой работы графики частотной зависимости добротности и потерь а - 01(0,. -j- Gj).

Большой практический интерес представляет использование кольцевой МП.Л, функционирующей в режиме колебании типа Ei2o- На рис. 3.30 схематически представлены распределения электрического и эквивалентного магнитного токов для колебаний основного (Ецо) и высшего {£i2o) типов. В первом случае эквивалентные магнитные токи на внешней и внутренней кромках кольца противофазны, что снижает эффективность излучения МПА и делает ее узкополосной; во втором - упомянутые токи синфазны. что способствует их эффективному из.1\-чению.

В [13] методом асимптотического разложения полей и в результате использования принципа возмущений исследованы свойства кольцевой МПА в режиме волны Еш- На рис. 3.31 приведены зависимости Re{ftia) и Im(ifl) от относительной толщины подложки. Там же приведены результаты, характеризующие широкополос-ность кольцевой и дисковой МПА (рис. 3.32). По критерию широ

{б+а)/2,см

Рис. 3.28. Зависимость резоиаисиой частоты от среднего радиуса кольца: / - е', = 2,35, d = =0,079 см; 2 -е', = 9,85, rf=0,0635 см

60 40 20

0,1 1,0 10

Рис. 3.29. Частотная зависимость характеристик кольцевой МПА:

а) добротности; б) КПД (------rf=0,636 см, - rf=0,318 см, -

=0,159 см)

--rf=

Re(l(,a) 0,4

Зле к три ческий ток . /

Зквиваяентныи магнитный ток

Рис. 3.30

Рис. 3 30. Распределение токов на кольцевых МПА, функционирующих в режимах колебаний:

с) £iio; б) £,20

Рис. 3.31. Зависимость активной и реактивной частей собственного волнового числа кольцевой МПА (тип колебаний £120) от толщины подложки (е', = 2,65, Ь = 1,5 а)

кополосности несомненны преимущества кольцевой антенны, работающей в режиме колебаний £120.

Экспериментальные исследования частотного поведения входного сопротивления и его зависимость от точки включения возбуждающего устройства даны в [81]. На рис. 3.33 приведены ча-

4f,% 15

R.X,Om

0,05 0,1

Рис. 3.32. Сравнительная широко-полосность МПА: (/ - кольцо, тип колебаний Ь =

= 1,5(7, ft,a=0,81; 2 -диск, тип колебаний ft,a=,6; 3 -кольцо, тнп колебаний е^, Ь=1,5о, ft,a=6,4)

Рис. 3.33. Частотная зависимость f. входного сопротивления кольцевой МПА (тип кoлeбaниif £,2о)

О

3000 3025 3050 f, ИЩ

стотные характеристики активной и реактивной частей входного сопротивления для одной из моделей кольцевой МПА, функционирующей в режиме колебаний типа £120.

Кольцевая МПА с колебаниями высшего типа благодаря синфазному сложению полей от четырех эквивалентных магнитных токов, изображенных на рис. З.ЗО.б, имеет высокую направленность. Например, для антенны с параметрами; ej=2,65, Ь = 1,5о. d = 0,01o, А]0==6,3765 КНД составляет 14,9 дБ. В то же время ДН в плоскости вектора Е имеет два значительных боковых лепестка, значение которых может быть несколько снижено увеличением отношения bja.

3.4. НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МПА

3.4.1. Методы расширения рабочей полосы частот МПА. Как

уже было отмечено, одним из основных недостатков плоских МП.\ является их узкополосность. Ограничение полосы происходит из-з;1 резкого рассогласования антенны уже при незначительных расстройках частоты от резонанса. Рабочую полосу МПА определя ют по частотной зависимости входного сопротивления или npi ближенно через ее добротность Af=(/CcB-1)/Q V Ясв, где Ксв-коэффиииент стоячей волны на входе МПА (обычно берется pai<-ным 2),

Как было показано в 3.2.4, на примере прямоугольной аитег-ны ее добротность определяется потерями разной природы: в электрике, в металле, на образование поверхностных волн, v . полезное излучение. Каждая из этих составляющих сложным о' разом зависит от частоты, геометрических и электрофизических параметров антенны.

В табл. 3.4 приведены расчетные и экспериментальные значения, соответственно А/р, Afs -полосы для нескольких моделей аг-тенн (tg6 = 0,01, 0 = 5-10 ) [82].

Таблица

Дополнительно к результатам, полученным в 3.2.4, приведе.м здесь сведения о добротности и полосе МПА других конфигураций. Частотная зависимость R и X для дисковой антенны при трех значениях толщины диэлектрической подложки приведена на рис. 3.34 (ej=2,3, а=6,8 см, р/о=0,95). Точками и крестика.ми отмечены экспериментальные значения сопротивлений [83].

т

f.Mrq

ОМ d/Ko

Рис. 3.35. Зависимость полосы частот от относительной толщины подложки

Рис. 3.34. Частотная зависимость л'пТ°° сопротивления дисковой МИА при различны.х толщинах подложки:

8, = 2,3, 0=6,8 см, ро/а=0,95

Характер зависимости Af от d/Ao для прямоугольной и круглой антенн приблизительно одинаков. На рис. 3.35 приведены зависимости полосы дисковой антенны от толщины диэлектрической подложки. Точками отмечены экспериментальные данные для f, = = 2,5 [74]. Как показали исследования [84], дисковая антенна

(является относительно более широкополосной из антенн простейшей конфигурации (прямоугольной, треугольной и круглой). На рис. 3.36 показана частотная зависимость Q и Af для трех типов антенн.

Г.ГГц

Г,ГГц

т^йьноТмпТ добротность ( ) =2,32. rf=0,i59 см .9-1157

полоса (б) прямоугольной, круглой