Плоские антенные решетки вытекающей волны
В качестве перспективных вариантов плоских АР стоит рассмотреть антенны (антенные решетки) вытекающей волны (АВВ) СВЧ и КВЧ, содержащие плоский диэлектрический волновод (ПДВ) и дифракционную решетку (ДР). В режиме излучения в ПДВ возбуждается плоская неоднородная (поверхностная) электромагнитная волна, которая, распространяясь вдоль его продольной оси, испытывает дифракцию на элементах решетки, в результате чего возникает излучение в окружающее пространство. Сказанное иллюстрируется рис. 7 [1, 8], на котором обозначено: 1 – ПДВ; 2 – металлический экран; 3 – щель связи с устройством возбуждения (находится под центральной лентой и вытянута вдоль оси OY); 4 – дифракционная решетка (ДР) из металлических лент.
Из теории АВВ данного типа известно, что условие излучения выполняется для пространственных гармоник (ПГ) поля дифракции с отрицательными номерами. Направление максимального излучения на n-й ПГ определяется углом θn max относительно нормали к продольной оси антенны в соответствии с известным выражением [8]:
,
(5)
где
– замедление фазовой скорости
поверхностной волны ПДВ, λ0
– рабочая
длина волны, d
– период решетки, n
– номер ПГ поля излучения,
– фазовая
скорость поверхностной волны.
Рис. 7. Иллюстрация принципа действия плоских АВВ
Анализ выражения (5) показывает, что АВВ присущи широкие возможности по реализации немеханического сканирования диаграммы направленности (ДН) путем перестройки рабочей длины волны, изменения замедления поверхностной волны ПДВ или изменения периода ДР. Наибольшая эффективность преобразования энергии поверхностной волны ПДВ в энергию излучения имеет место при использовании одноволнового режима излучения на −1-й пространственной гармонике (n=−1) [8].
Важными достоинствами АВВ являются: обеспечение высокого КПД за счет использования поверхностных волн при невысоких значениях замедления их фазовой скорости, возможность реализации требуемого амплитудного распределения поля в раскрыве, простота и компактность конструкции, высокая технологичность. КПД АВВ, обусловленный тепловыми потерями, достигает 80-90 % на частотах вплоть до нескольких десятков ГГц [8]. В отношении АВВ практически нет ограничений по рабочим частотам, и они особенно перспективны для использования в диапазоне КВЧ (миллиметровых волн). Так, например, известны АВВ, выполненные на основе двухслойного экранированного ПДВ с решеткой из металлических лент и устройства возбуждения поверхностных волн ПДВ в виде линейной полосковой решетки. Модификации данной антенны разработаны для частоты 24 ГГц и выше и обладают эффективностью 40-48 % при уровне боковых лепестков (УБЛ) ДН не более −20 дБ. Известна АВВ на основе подвешенного над экраном ПДВ с ленточными ДР на обеих поверхностях, возбуждаемого секториальным рупором с корректирующей линзой; на частоте 76,5 ГГц антенна обладает эффективностью 59 % при УБЛ не более −16 дБ.
В одном из новых вариантов плоской АВВ [9] устройство возбуждения ПДВ выполнено на основе гребенчатой полосковой линии, размещенной на самом ПДВ. Это делает конструкцию антенны полностью однослойной и позволяет эффективно использовать для ее производства технологию изготовления печатных плат. Общий вид конструкции антенны показан на рис. 8 [9], на котором обозначено: 1 — ПДВ; 2 — металлический экран; 3 — отражающие металлические бортики; 4 — элементы полосковой (ленточной) ДР; 5 — центральная полоска ДР с четвертьволновыми выступами 6, образующие переменнофазную гребенчатую полосковую линию — устройство возбуждения поверхностных волн в ПДВ; 7 — короткозамыкающие пластины; 8 — прямоугольное отверстие в экране для подключения питающего прямоугольного металлического волновода (вход/выход антенны); 9 — направление максимального излучения антенны (главного максимума ДН). Ширина центральной полоски — W; длина выступов — s; период следования выступов — dl, ширина выступов — wl. Таким образом, антенна имеет простую однослойную конструкцию. Отражающие элементы (короткозамыкатели ГПЛ) и бортики на торцах ПДВ легко реализуются либо в виде металлизированных отверстий (известная технология SIW — Substrate Integrated Waveguide), либо металлизированных кромок полосковой конструкции.
Рис. 8. Плоская однослойная антенна вытекающей волны
Благодаря использованию поверхностных волн подобная антенна принципиально характеризуется низкими тепловыми потерями и, следовательно, высоким КПД. В антенне используется параллельно-последовательное питание и, как и описанные выше ПАР (рис. 6), она работает в режиме излучения по нормали к плоскости раскрыва.
Пример конструктивных и электрических параметров плоской АВВ
Пример основных параметров конструкции и электрических характеристик одной из антенн типа [9] для диапазона 24 ГГц, полученных путем расчетов и компьютерного моделирования, приведен в таблице.
Параметры АВВ для полосы частот 23,9-24,5 ГГц
Размеры апертуры Lx×Ly |
156×156 мм2 |
Материал ПДВ: Teflon |
εr=2,1; tgδ=0,001; h=2 мм |
Ширина полос и период (dx) |
5,4 мм; 8,9 мм |
Ширина центральной полосы |
7,6 мм |
Полное число полос |
15 |
Полное число выступов |
34 |
Размеры и период выступов (dy) |
2,3×1 мм2; 4,45 мм |
Размеры входной щели |
11×5,5 мм2 |
Ширина ДН в E- и H-плоскостях |
4,5×4,5 град. |
Максимальный КУ |
30,7 дБ |
Полная эффективность антенны (min/max) |
0,5/0,6 |
КСВ (min/max) |
1,12/1,43 |
УБЛ ДН, не более |
–12 дБ |