Советы бывалого "чайника"

[erg757]

На практике мы имеем диэлектрические стержни, различных диаметров. Вот и давайте посмотрим как можно из этих стержней реализовать ДО, согласно тех теоретических данных, что приведены выше.
Так как с вопросом возбуждения всё ясно (производится посредством волновода, волной ТЕ11), рассмотрим сами стержни, а конкретно – желательно узнать насколько процессы прохождения волн, описанные в теории для идеального направителя и направителя с потерями имеют место на практике, в реально существующих направителях в виде цилиндрических стержней и определиться с тем, какие стержни какому направителю из описанных в теории соответствуют.
Для начала рассмотрим график зависимости относительной фазовой скорости распространения волны ТЕМ10 (НЕ11) от относительного диаметра стержня.

Из графика видно, что скорость распространения волны ТЕМ10 вдоль стержня находится в промежутке между скоростью света и некоторым установившемся значением, определяемым фазовой скоростью в неограниченной диэлектрической среде, определяемой формулой:

То есть фактически ВСЕ стержни, диаметр которых сопоставим с длиной волны, эквивалентны диэлектрическими направителями с джоулевыми потерями, со всеми вытекающими из этого последствиями. И только те стержни, диаметр которых МНОГО МЕНЬШЕ длины волны, являются направителями без потерь. Назовём эти стержни тонкими. Для таких стержней фазовая скорость распространения волны равна скорости света (скорости распространения волны в вакууме), т.е. получается так, что волна по тонкому стержню распространяется как по воздуху, без затухания. И ведь что самое интересное, для несимметричной волны типа ТЕМ10 не существует такого понятия как критическая длина волны или частота. То есть такая волна будет распространяться вдоль стержня практически при любом его диаметре и кажется, что сама ПРИРОДА велит нам сделать ДО (ДА) из стержня такого диаметра, при котором фазовая скорость распространения будет максимальной, а потери при распространении отсутствуют. Но к сожалению ПРИРОДУ обмануть не возможно и этот ИДЕАЛЬНЫЙ вариант так и останется чисто ТЕОРЕТИЧЕСКИМ… Дело в том, что в этом случае, поверхностная волна на стержне практически не образуется (я уже не говорю про её распространение вдоль стержня) и фактически сразу излучается в пространство. Это хорошо заметно из ещё одного графика:

На графике представлена зависимость относительной величины коэффициента затухания в стержне от его относительного диаметра. Обратите внимание на то, что коэффициент затухания равен нулю, при определённом конечном значении относительного диаметра, примерно такого же, при котором на предыдущем графике фазовая скорость распространения волны по стержню равна скорости распространения волны в пространстве. А эти факты могут говорить лишь о том, что распространения вдоль стержня практически нет и фактически происходит излучение волны стержнем. Теперь представьте себе, что такой тонкий стержень установлен в волновод. При этом по указанным выше причинам стержень практически не будет возбуждаться. Точнее на практике можно сказать, что слишком малая доля энергии будет иметь вид поверхностной волны и практически вся энергия будет излучаться, точно так же, как она излучается апертурой волновода и стержень если и окажет какое-то влияние на ДН, то влияние это будет очень незначительным (если предположить НАВСКИДКУ, вполне возможна коррекция симметрии ДН волновода… но для чего это волноводу?).
Таким образом, если мы хотим создать ДО (ДА) с заданной ДН и параметрами приёма (излучения) необходимо обеспечить необходимое возбуждение стержня, для чего бОльшая часть энергии должна быть направлена внутрь стержня. А как это сделать нам покажет ещё один график:

Из которого видно что для качественного возбуждения стержня, его диаметр должен быть достаточно большим. Вот и получаем на практике два противоречивых требования – для качественного возбуждения необходимо увеличивать диаметр стержня, а для уменьшения потерь его нужно уменьшать. При этом резкого изменения диаметра допустить нельзя по той причине, что резкое изменение диаметра стержня это фактически внесение неоднородности, что приводит к излучению энергии стержнем тогда, когда в этом нет необходимости. Поэтому в качестве компромисса стержень выполняют толстым у патрона, а по длине плавно уменьшают, стараясь свести фазовую скорость распространения к скорости света (эквивалентна скорости распространения в воздухе) при котором волна фактически ВСЯ излучается стержнем. При этом в области возбуждения наблюдается резкий скачок амплитуды волны в стержне, после чего амплитуда из-за потерь быстро спадает до тех пор, пока потери не будут уравновешены притоком энергии из окружающего стержень пространства, то есть фактически устанавливается режим бегущей волны, а амплитуда поля вплодь до конца антенны остаётся постоянной – потери энергии восполняются из окружающего пространства. При этом диаметр стержня в области возбуждения может оказаться много больше диаметра регулярной части стержня и между возбудителем и регулярной частью стержня стараются выполнить плавный переход для того, чтобы улучшить переход энергии стержня в поверхностную волну. Далее по длине регулярной части стержня, его диаметр очень плавно уменьшают до значения, обеспечивающего излучение. При этом, уже в режиме распространения бегущей волны происходит плавное перераспределение энергии – всё меньше энергии распространяется внутри, и всё больше энергии идёт снаружи стержня, при этом соответственно уменьшается доля энергии, поступающей из внешнего пространства. Вот для чего и применяют стержни конической формы. При этом, исходя из вопроса более качественного возбуждения и обеспечения требуемой плавности сужения при требуемой длине антенны плавное уменьшение диаметра НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО (и ДАЛЕКО НЕ ВСЕГДА) выполняется до диаметра, при котором скорость распространения равна скорости света. Напомню, что излучение может вызвать либо любая неоднородность (в нашем случае торец стержня), либо плавное сужение стержня до той величины при которой потери отсутствуют. Часто (исходя из требуемой длины антенны) выполняют плавный переход на конце стержня, длина которого составляет порядка половины длины волны. Вот именно этот плавный переход и выполняет функции согласования с пространством в случае если стержень по диаметру ещё слишком велик для излучения, а длину антенны не желательно иметь большой.
Остаётся только добавить, что под энергией переносимой стержнем и внешней средой понимается энергия поверхностной волны, распространяющейся вдоль границы раздела "воздух-диэлектрик" либо внутри, либо снаружи стержня. При этом в ПРАКТИЧЕСКОМ ПРИБЛИЖЕНИИ энергия, переносимая стержнем эквивалентна распространению волны в направителе с джоулевыми потерями, энергия переносимая внешней средой эквивалентна распространению волны в идеальном направителе. Как понимаете, на практике не существует жёсткого разделения между этими двумя теоретическими моментами и в реальном направителе в виде диэлектрического стержня, по всей его длине, одновременно присутствуют оба вида распространения и от параметров стержня зависит какой вид распространения преобладает. Вот по этой причине фазовая скорость распространения волны переносимой снаружи стержня РАВНА фазовой скорости волны переносимой стержнем и обе они уменьшаются с уменьшением диаметра стержня.
_________________
RSA

[альяно]

Вопрос "джоулевых потерь " - при создании облучателей
из диэлектрических СТЕРЖНЕЙ
практически не стоИт
так как в этом случае - стержень КОРОТКИЙ - а материал обычно
с ОЧЕНЬ малыми потерями - например фторопласт

А Для диэлектрических трубок - вообще другая физика - так как тут важен
не относительный диаметр ТРУБЫ - а толщина стенок

Трубка позволяет в бОльшем диапазоне менять ДН,
чем стержень
- путём изменения ТРЁХ параметров - длины трубки
её относительного диаметра и толщины стенки.
При этом "джоулевы потери" тут МИНИМАЛЬНЫ.

Так как в диэлектрических трубках волна идет по ВОЗДУХУ
внутри трубки ( или снаружи трубки )
Я это много раз объяснял - тем кто в ЭТО не может врубиться ....

erg757, я говорю, не про вас - а про различных "опровергателей" теорий

А использование НЕСКОЛЬКИХ трубок, вставленный одна в одну
легко позволяет синтезировать ТРЕБУЕМОЕ распределение.
Что и зафиксировано - в патенте на изобретение.

И ещё
я много раз повторяю, что цель ОБЛУЧАТЕЛЯ
создать вполне КОНКРЕТНОЕ распределение поля
в раскрыве зеркала
а не получить максимальный КНД !!!!

Есть такая игра - дартс




Многие считают, что смысл её - попасть дротиком - в центр круга.
Это не так ..
На самом деле СМЫСЛ игры в другом
- набрать НУЖНОЕ число очков - а для этого не всегда надо
попадать именно в ЦЕНТР ...
Каждый сектор имеет свою "цену,"
и игрок сам расчитывает в какие сектора ему надо попадать, чтобы
набрать ТРЕБУЕМУЮ сумму

Так и при создании облучателей

Тем более диэлектрических облучателей
тем более из трубок
и тем более - НЕ ДЛЯ открытого
конца волновода ...

А наши облучатели Ku диапазона - именно такие
они ТРУБЧАТЫЕ и расчитаны на использование НЕ в открытом
конце волновода
а СОВМЕСТНО с частью штатного облучателя конвертера !!!!

[erg757]

[альяно]

джоулевы потери зависят
и коэффициента диэлектрических потерь ( тангенс угла потерь )
материала - на данной частоте
У фторопласта - на частоте 11 Ггц - этот коэффицент крайне низок
( Тангенс угла диэлектрических потерь: не более 0,0002 )
.... и в столбике длинной - 20 мм - сильных потерь не будет
Это важно для длиных диэлектрических волноводов

[erg757]

[альяно]

[erg757]

Выбрав материал, мы выбираем и проницаемость и тангенс потерь, а после этого остаются геометрические размеры и форма.
_________________
RSA

[альяно]

Всё верно ....
просто материалов имеющих низкий тангенс диэлектрических потерь
на частоте 11 Ггц - не так много ...
это некоторые полимеры ... и специальные стёкла - ситаллы

=====================================

И ещё ...
в ВАШЕЙ теме хочу сделать акцент на ТО,
что облучатель для ПРИЕМНОЙ антенны и для ПЕРЕДАЮЩИЙ
имеет РАЗНЫЕ критерии оптимальности.

ЭТО ОЧЕНЬ принципиальный момент,
но многие не могут ЭТО понять !!!!

При приеме не надо гнаться за АБСОЛЮТНЫМ значением "мощности сигнала"
- а надо бороться за максимально чистый сигнал.
Слабый сигнал - но с хорошим соотношением сигнал\шум
- это значительно ЛУЧШЕ - чем сильный сигнал
но с плохим соотношением сигнал/шум.
Это связано с тем - что СЛАБЫЙ сигнал на приеме всегда можно
УСИЛИТЬ - обычным линейным усилителем.
На передаче "усиливать" сигнал - нЕчем - так как зеркало
это ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ элемент - передающего тракта !!!!!

Это не могут понять многие из тех кто пишет в САТ форумах.

Задача приемной антенны - получить максимально ЧИСТЫЙ сигнал
а не максимально СИЛЬНЫЙ сигнал.

А "чистота сигнала" - то-есть соотношение сигнал\шум
при сегодняшнем уровне схемотехники электроники
- почти полностью определяется ШУМОВОЙ температурой зеркала -
А снизить шумовую температуру зеркала - снижением
уровня шума конвертера - НЕЛЬЗЯ
Снизить ШУМОВУЮ температуру зеркала можно только
коррекцией её ДН - причем в области бокового излучения,
при этом даже ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ уменьшение усиления в ГЛАВНОМ направлении
- все равно даёт ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ эффект
особенно на МАЛЫХ антеннах и особенно в условиях индустриальных помех и шумов.

И это очень НОВЫЙ тренд ...
так как все предыдущие десятилетия - главным
шумящим элементом был сам конвертер
точнее транзистор его первого каскада ...
Вот поэтому
производители конвертеров и раппортовали каждый год - о снижении
коэффициента шума КОНВЕРТЕРА ...
Сейчас уже не раппортуют
- во первых снижать уже особо нЕкуда
а во вторых ( и это БОЛЕЕ ВАЖНО) - что - НЕТ СМЫСЛА

Нет смысла снижать шум вентилятора - когда рядом работает пылесос ...

Сегодня само зеркала - самый шумный элемент
и ШУМОВАЯ температура малого зеркала
при приеме спутника под углом возвышения 20-30 градусов над горизонтом
- раза в ЧЕТЫРЕ выше - чем шум СОВРЕМЕННОГО конвертера ....
Напомню, что, например,
на широте Москвы - самый высокий спутник над горизонтом
находится под угом возвышения 26 градусов
- а остальные популярные - ЗНАЧИТЕЛЬНО ниже
А значит и шумовая температура ЗЕРКАЛА - ещё выше !!!!

и главная задача конструкторов современных конвертеров
- создание оптимальных ОБЛУЧАТЕЛЕЙ - способных
обеспечить максимальное соотношение сигнал\шум ...

[erg757]

[альяно]

[erg757]