A flat antenna based on a grooved dielectric waveguide

Full Text

Введение

Антенны на основе диэлектрических волноводных структур рассматриваются как альтернатива волноводно-щелевым антеннам (ВЩА) для использования в аппаратуре КВЧ и, тем более, ГВЧ диапазонов. Сохраняя основное достоинство - плоскую конструкцию с малыми электрическими размерами в поперечном направлении, антенны на основе диэлектрических волноводов обладают рядом серьезных преимуществ по сравнению с ВЩА. Прежде всего это значительно меньшая критичность основных параметров антенны к погрешностям изготовления и, следовательно, стоимость. Во-вторых, это меньший уровень тепловых потерь в антенне.

Первые работы в этом направлении, основанные на концепции «вытекающих» волн, относятся ко второй половине прошлого века [1]. К настоящему времени выполнено большое число работ, посвященных антеннам этого класса. Наиболее исследованы различные аспекты анализа и проектирования линейных антенн на основе диэлектрических волноводов, например [2-6]. Обзор наиболее известных работ содержится в [7]. Эти антенны представляют собой диэлектрический волновод с периодической системой нерегулярностей, чаще всего в виде идентичных металлических полосок, расположенных на его поверхности. Такие антенны обладают характеристиками, типичными для антенн с последовательным типом возбуждения. В ряде работ [3, 5] показана возможность дальнейшего улучшения электрических показателей путем применения квазипериодической системы неидентичных нерегулярностей. К настоящему времени вопросы построения линейных антенн на основе диэлектрических можно считать детально проработанными. Эти антенны могут формировать излучение с узкой диаграммой направленности в плоскости антенны и относительно широкой в поперечном направлении.

Для формирования излучения с узкой диаграммой направленности в обоих плоскостях предложено использовать двумерные диэлектрические волноводные структуры с периодической системой металлических нерегулярностей в двумерном плоском или радиальном волноводе [8-11, 18, 19]. Ими реализуются, как правило, однолучевые антенны поперечного излучения. Для реализации многолучевых антенн предложено формировать плоскую антенну из линейных антенных решеток, выполненных на желобковых диэлектрических волноводах в [14, 15, 17-20]. Возбуждение решетки линейных антенн осуществляется квазиоптическим распределительным устройством рупорного, зеркального или линзового типа. Возможности совершенствования плоских антенн, выполненных в виде системы линейных антенн типа «вытекающей» волны, к настоящему времени не исчерпаны. Рассмотрение нового варианта реализации плоской антенны, состоящей из линейных антенн на основе диэлектрического зеркального волновода, является целью настоящей работы

Материалы и методы

Двумерные антенные решетки

Двумерная антенная решетка образована системой линейных решеток и распределительным устройством, имеющим в общем случае несколько входов, каждому из которых соответствуют лучи различной ориентации в плоскости, перпендикулярной линейным решеткам, рис.1.

 

Рис. 1. Плоская двумерная антенная решетка

 

Могут использоваться распределительные устройства различных типов, как фидерные и квазиоптические. Их назначение состоит в возбуждении линейных решеток с требуемым линейным фазовым распределением соответственно заданной ориентации луча антенны в поперечной плоскости. В однолучевых антеннах КВЧ диапазона обычно используются устройства рупорно-линзового типа, реже в виде рупорно-зеркальной системы типа «пилбокс» [14-19].

Модифицированные антенны

Недостатком распределительных устройств однолучевых антенн рупорного типа (рис. 2) являются значительные габаритные размеры. Электрическая длина рупора $\raisebox{1ex}{$R_{horn}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\lambda $}\right.$ должна быть не меньше квадрата электрического размера апертуры антенны: $\raisebox{1ex}{$R_{horn}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\lambda $}\right.\ge {\left(\raisebox{1ex}{$L_{array}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\lambda $}\right.\right)}^2$. Введение линзы позволяет уменьшить длину рупора до величины порядка $\raisebox{1ex}{$L_{array}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\lambda $}\right.$. С целью упрощения конструкции антенны в [14] предложен способ построения, позволяющий исключить радиолинзу в распределительном устройстве рупорного типа. Согласно [14] антенна состоит из N диэлектрических волноводов с периодической системой нерегулярностей и возбуждающего их H-секториального рупора.

 

Рис. 2. Антенна с рупорно-линзовым распределительным устройством

 

Система нерегулярностей в каждом из волноводов выполнена смещенной относительно осевой линии (рис. 3) таким образом, чтобы обеспечивалось синфазное излучение элементов решетки

 

Рис. 3. Антенна со смещенными нерегулярностями

 

${\beta }_{horn}\sqrt{{R_{horn}}^2+x^2}$+${\beta }_{waveguide}y\left(x\right)$=${\beta }_{horn}\sqrt{{R_{horn}}^2+{\left(\frac{L_{ant}}{2}\right)}^2}$ (1)

При указанном выполнении антенного полотна со смещенными нерегулярностями обеспечивается излучение, ориентированное в поперечной плоскости по нормали к антенне.

Многолучевые антенны

В многолучевых антеннах – формирование отдельных лучей диаграмм направленности реализуется а основе использования в качестве распределительного устройства линз или зеркал специального профиля [17-20]. Число лучей равно числу облучателей. Один из наиболее успешных вариантов показан на рис. 4.

 

Рис.4. Трехлучевая антенна

 

В распределительном устройстве использована линза с вынужденным распространением, выполненная на основе прямоугольных волноводов с волной H₁₀. Профиль бифокальной линзы y_lens(x)- эллипс. Конструкция линзы должна обеспечивать равенство электрических длин путей

${\beta }_{lens}\left(x\right)y_{lens}\left(x\right)=const(x$). (2)

Возбуждение многолучевой диаграммы направленности осуществляют входные облучатели.

При реализации многолучевой антенны данного типа определенные трудности представляет выполнение условия (2). Для этого приходится либо использовать в составе линзы с волноводы с частичным диэлектрическим заполнением, либо имеющими различные размеры поперечного сечения. Использование принципа смещенных нерегулярностей в линейных антеннах позволяет упростить реализацию антенны. Для этого волноводная линза и система излучателей выполняются аналогичными описанной выше антенне, а условие равенства электрических длин (2) обеспечивается путем смещения систем нерегулярностей аналогично варианту построения однолучевой антенны, рис. 5.

 

Рис. 5. Модифицированная трехлучевая антенна

 

Условие равенства электрических длин выполняется, если профиль y(x) отвечает условию:

 ${\beta }_{lens}{y}_{lens}\left(x\right)={\beta }_{waveguide}y\left(x\right)$. (3)

В этом случае может быть реализована антенна с многолучевой диаграммой направленности в достаточно широком секторе углов.

Экспериментальные исследования

В качестве иллюстрации приводятся результаты расчетов для нескольких вариантов построения антенн, выполненных на основе диэлектрического зеркального волновода. Эксперимент осуществлялся путем численного моделирования излучения рассматриваемых антенн. Расчеты выполнены с использования аппарата электродинамического моделирования, реализующего метод конечных элементов.

Иллюстрирующие расчеты проведены для плоской антенны, состоящей из 11линейных антенн, выполненных на желобковом диэлектрическом волноводе. Каждая из линейных антенн содержит 16 металлических нерегулярностей в виде прямоугольных металлических полосок. Размеры волновода - 7.2 х 3.4 мм., ширина полосок 3 мм. Распределительное устройство - Н-секториальный рупор длиной 60 мм и высотой 3.4 мм. Частота - 37.5 ГГц.

Рассматривается три варианта: без фазокорректирующей линзы, с диэлектрической линзой (фторопласт 4) и без линзы со смещенными нерегулярностями. Согласно расчетам для варианта с фазокорректирующей линзой: КУ в главном луче ДН = 28.7 dBi, уровень боковых лепестков в поперечной плоскости = -18.2 dB, ширина луча -4.9⁰. Для антенны со смещенными нерегулярностями: КУ в главном луче ДН = 29.9 dBi, уровень боковых лепестков = -14.8 dB, ширина луча -3.5⁰. Диаграммы направленности приведены на рис. 6. Таким образом, результаты моделирования подтверждают работоспособность предложенного варианта построения плоской антенны на базе диэлектрического волновода.

 

Рис. 6. Диаграммы направленности: а) без корректирующей линзы, б) с корректирующей линзой, в) без линзы со смещенными нерегулярностями

 

Обсуждение полученных результатов

В данной работе исследовалась возможность построения плоской антенны, направленной в обоих главных плоскостях, выполненной на основе линейных излучателей в виде периодической системы нерегулярностей в желобковом диэлектрическом волноводе. Принцип построения антенн этого типа предложен ранее [14]. Однако, ни в указанной работе, ни в последующих опубликованных материалах не содержится достаточно обоснованных данных о работоспособности предлагаемого варианта построения антенны. Главной целью настоящей работы явилось подтверждение заявляемых достоинств путем проведения электродинамического моделирования. Как показали проведенные расчеты, использование принципа смещения систем нерегулярностей в диэлектрических волноводах, образующих двумерную антенную решетку, действительно позволяет строить плоские антенны с характеристиками, не уступающими выполненным традиционными средствами.

Практическая ценность: Предложенный в [14] метод построения антенны, основанный на использовании системы смещенных нерегулярностей в волноводах, позволяет упростить конструкцию антенны за счет исключения фазокорректирующей радиолинзы.

Условия применимости: Использование двумерных антенных решеток, выполненных на диэлектрических волноводах, наиболее целесообразно для радиоаппаратуры высокочастотны диапазонов, в частности перспективных средств телекоммуникаций.

Заключение

Проведенное исследование подтвердило эффективность предложенного способа построения антенн на основе принципа смещения систем нерегулярностей в диэлектрических волноводах, образующих двумерную антенную решетку. 

About the authors

Yu. E. Sedelnikov

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI

Author for correspondence.
Email: vskhayrova@kai.ru
Russian Federation, Kazan

M. N. Shaaban

Electrical Engineering Department, Faculty of Engineering, Al-Azhar University

Email: vskhayrova@kai.ru
Russian Federation, Egypt

References

Supplementary files