Дифракционные решетки в антеннах СВЧ и КВЧ диапазонов волн. Юдин В.И., Пастернак Ю.Г
.pdf
определяет максимально возможное значение эффективности ПАДТ Э 81 % . Вблизи брэгговского резонанса 2-го порядка коэффициент
усиления антенны резко падает из-за увеличения уровня КСВН, поэтому в описанной схеме не удается реализовать режимы нормального излучения (приема) электромагнитных волн.
Рассмотренные выше (рис. 4.11, 4.12) конструкции ПАДТ функционируют в режиме наклонного излучения от нормали к поверхности апертуры. Это обстоятельство приводит к пространственной разнесенности основных лепестков ДН на ортогональных линейных поляризациях и невозможности работы с волнами круговой поляризации. От указанных недостатков свободны ПАДТ, работающие в режиме нормального излучения (приема) ЭМВ в окрестности частоты резонанса Брэгга 2-го порядка. Ниже приводятся некоторые варианты конструкций подобных плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона.
6 |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
E1 |
4 |
3 |
2 |
4 |
|
|
|
|
3 |
E 2 |
2 |
|
П2
П1
1двумерно-периодичная гребенка со слоем диэлектрика
Рис. 4.12. Конструкция ПАДТ на основе двумерно-периодичной структуры, функционирующей в нерезонансном режиме
На рис. 4.13 показана конструкция ПАДТ, построенной по схеме торцевого (встречного) возбуждения ПДВ. Используются следующие обозначения:
1 – диэлектрическая линза гиперболического профиля; 2 – металлические перегородки, являющиеся боковыми стенками четырех H-плоскостных
рупоров с раскрывом 900; 3 – излучающие щели поляризационно-зависимого делителя мощности; 4 – металлическое основание ПАДТ; 5 – плоско-
волноводный поворот в Е-плоскости на 1800; 6 – отражательная двумерно-
периодичная ДР типа «гребенка»; 7 – ПДВ; 8 –ферритовый фарадеевский поляризатор, подключенный к делителю мощности.
Устройство функционирует следующим образом. Электромагнитные волны, сформированные передающим устройством, проходя через поляризатор 8, изменяют ориентацию плоскости поляризации, которая определяется значением управляющего напряжения. Возможны следующие режимы работы плоской антенны.
|
2 |
1 |
3 |
|
4 |
|
а) |
7
6
5 |
4 |
1 |
8 |
|
б)
Рис. 4.13. Конструкция ПАДТ, построенной по схеме встречного возбуждения ПДВ: а) устройство возбуждения ПДВ; б) принципиальная схема ПАДТ
1)СВЧ энергия поступает только в два вертикальные (или в горизонтальные) каналы возбуждающего устройства. При этом H-образные рупоры с диэлектрическими линзами 1 формируют плоские TEM-волны, которые, проходя через E-плоскостные повороты 5, возбуждают в системе «ПДВ + гребенка» (6, 7) неоднородные поверхностные волны (рабочими из них являются (+1)-я и (-1)-я ПГ Флоке), которые формируют иглообразную ДН с главным лепестком, ориентированным по нормали к апертуре антенны. При этом ПАДТ излучает ЭМВ соответственно с Е- (или Н-) линейным видом поляризации.
2)Пространственный поворот плоскости поляризации, создаваемый электрически управляемым устройством 8 не равен 00 или 900. В этом случае вертикальный и горизонтальный каналы ПАДТ возбуждаются синфазными волнами различной амплитуды, бегущими в ПДВ в ортогональных направлениях. Плавно изменяя управляющее напряжение, можно добиться любого угла поворота E-плоскости излучаемой (или принимаемой) волны. Следует отметить, что при использовании вместо управляемого поляризатора разделителя поляризации возможна работа ПАДТ в режиме дуплексной связи на одних и тех же частотах.
3)Для работы с круговой поляризацией между управляемым
поляризатором 8 и синфазным делителем мощности с излучающими щелями 3 включается фазосдвигающее устройство (ФСУ), создающее набег фазы 900 между вертикальным и горизонтальным каналами ПАДТ на средней частоте рабочего диапазона волн. ФСУ может быть конструктивно исполнено в виде металлического волновода квадратного сечения с диэлектрической вставкой, либо волновода прямоугольного сечения. Поворот плоскости поляризации в
поляризаторе 8 на величину 450 соответствует круговой поляризации левого и правого направлений вращения.
Использование в приведенной схеме ПАДТ зонированных линз позволяет увеличить ее эффективность на 5 10 % (при увеличении угла раскрыва рупора ухудшается амплитудное распределение в его раскрыве в следствии концентрации поля в центре линзы гиперболического профиля). В качестве возбуждающего устройства вместо рупорно-линзовых антенн может использоваться рупорно-щелевая антенна, устройство и физико-математическая модель которой изложены в главе 2 пособия.
Конструкция плоской СВЧ антенны, в которой в качестве возбуждающего устройства используется совокупность четырех отражающих сегментов параболического профиля, выполняющих также функцию поворота плоскости поляризации отраженной волны на угол 900, показана на рис. 4.14.
Параболические сегменты, осуществляющие поворот плоскости поляризации отраженных от них волн, накрыты частой ножевой ДР, пластины которой ориентированы под углом 450 к вектору напряженности электрической компоненты падающей ЭМВ. На рис. 4.14 показано: 1 
параболические секторные отражатели с поворотом плоскости поляризации на 900; 2 ПДВ; 3 – пирамидальные рупоры, возбуждающие в ПДВ волны E- типа; 4 синфазный делитель мощности; 5 – двумерно-периодичная гребенка; 6 управляемый ферритовый поляризатор.
2
3 4
E0 En |
|
En E0 |
|
1 
а)
2 |
3 |
4 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|||||||||||
|
|
|
б) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Рис. 4.14. Конструкция ПАДТ, возбуждаемой параболическими рефлекторами с поворотом плоскости поляризации на 90 0: а) вид сверху; б) вид сбоку
Рассмотрим принцип действия ПАДТ в режиме излучения ЭМВ с горизонтальной поляризацией. Электромагнитная волна, поступающая от передатчика, возбуждает горизонтально расположенные рупоры 3 (рис. 4.14), которые служат облучателями параболических отражателей 1. Вследствие запредельности пазов ДР 5 для E-поляризованной поверхностной волны ПДВ и неоптимального параметра связи ДР 5 и ПДВ 2 для волны указанного типа ее излучение во внешнее пространство пренебрежимо мало и определяется уровнем кросс-поляризации двумерно-периодичной апертуры ПАДТ (см. главу 2). Параболические отражатели формируют в ПДВ 2 поверхностные волны, которые, распространяясь во встречных направлениях, переизлучаются по нормали к антенной апертуре и создают игольчатую ДН. Недостатками данной схемы являются использование лишь около 80 % еѐ геометрической поверхности из-за особенностей конструкции возбуждающего устройства и низкая технологичность изготовления параболических отражателей, поворачивающих плоскость поляризации отраженной от них волны.
Преимуществом вышеприведенной конструкции ПАДТ по сравнению с изображенной на рис. 4.13 является уменьшенное значение толщины (за счет уменьшения количества слоев и отсутствия волноводных поворотов). Функциональные возможности обеих антенн одинаковы.
Рис. 4.15 служит для описания конструкции ПАДТ с центральным возбуждением. Центральный режим возбуждения излучающей апертуры ПАДТ характеризуется меньшим уровнем боковых лепестков (по сравнению со случаем торцевого возбуждения) и расширенной вдвое полосой рабочих частот.
На рис. 4.15 обозначено: 1 отражающий экран, выполняющий одновременно роль боковой крышки; 2 5 – уголковые делители мощности; 6 – поляризационно-зависимый делитель мощности; 7 – двумерно-периодичная гребенка; 8 – линейная гребенка; 9 – устройство возбуждения четырех ЛДВ. Сдвиги фаз величиной 1800, вносимые уголковыми делителями мощности 2 5,
компенсируются несимметричным расположением ЛДВ относительно линейных гребенок 8 (сдвигом ЛДВ на λ0/2).
ПАДТ функционирует следующим образом: прошедшие через управляемый поляризатор (не показанный на рис. 4.15) волны поступают через щели поляризационно-зависимого делителя мощности 6 в каналы устройства возбуждения 9 четырех линейных диэлектрических волноводов и распространяются в противоположных направлениях в ЛДВ, рассеиваясь на линейных гребенках 8. Дифракционное излучение четырех линейных возбуждающих устройств направляется посредством делителей 2 5, одновременно выполняющих функцию устройств возбуждения ПДВ, к отражателю 1. Поверхностные волны ПДВ, рассеиваясь на ДР 7, создают нормальное к апертуре ПАДТ излучение в режиме резонанса Брэгга 2-го порядка. Благодаря тому, что апертура антенны (рис. 4.15) состоит из четырех подрешеток квадратной формы, ширина формируемых ими лучей вдвое больше, чем у целой апертуры. Соответственно вдвое расширяется и полоса рабочих частот ПАДТ (по сравнению со случаем встречного режима возбуждения ПДВ) при одинаковом значении угло-частотной чувствительности дифракционной структуры. Достоинствами конструкции ПАДТ является простота, расширенная полоса частот, малая толщина.
В качестве линейного возбуждающего устройства могут использоваться следующие распространенные узлы: а) волноводно-щелевые резонансные антенны; б) комбинация ЛДВ с короткозамыкателем и ДР; в) антенны на основе желобкового волновода с парными полосками (в режиме дифракции Брэгга 2-го порядка).
3
ПДВ
2
6 |
4 |
1 |
|
|
5 |
а)
9 
8 
7
б)
Рис. 4.15. Конструкция ПАДТ с центральным возбуждением:
а) ПДВ, возбуждаемый четырьмя линейными дифракционными устройствами; б) комбинация четырех пар двумерно-периодичных и линейных гребенок
Проведенные авторами данного пособия экспериментальные исследования показывают, что наилучших результатов удается достичь при использовании возбуждающего устройства, основанного на желобковом металлическом волноводе с диэлектрической вставкой, на которую нанесены парные ленточные вибраторы (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Устройство возбуждения ПДВ на основе двух желобковых волноводов с парными ленточными вибраторами
Симметричное линейное возбуждающее устройство на основе желобкового волновода с парными металлическими излучающими полосковыми вибраторами имеет полосу частот около 5% (при снижении уровня коэффициента усиления на 3 дБ). На центральной частоте 11.5 ГГц общая эффективность достигает 90 %. КСВН в рабочей полосе частот не превышает 1.7. Уровень боковых лепестков устройства составляет –16.7 дБ. Параметры устройства выбраны следующими: внутренние размеры желобка - 10 10 мм2; сечение фторопластового волновода – 11.5 9.5 мм2; размеры полосковых вибраторов - 6.5 1 мм2 при толщине около 50 мкм. Период ДР равен 20 мм, расстояние между полосками – 4 мм. Каждое плечо УВ содержит по 10 пар полосок.
Частотные зависимости эффективности показанного выше линейного дифракционного устройства (сплошная линия) и рассмотренной в главе 2 рупорно-щелевой антенны (пунктирная линия) показаны на рис. 4.17. Видно, что оба варианта исследованных устройств возбуждения ПДВ имеют (5 6)- процентную полосу рабочих частот при нормальном направлении излучения.
КИП КПД |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10.8 |
10.9 |
11 |
11.1 |
11.2 |
11.3 |
11.4 |
11.5 |
11.6 |
11.7 |
11.8 |
11.9 |
12 |
f, ГГц |
Рис. 4.17. Частотные зависимости эффективности линейного дифракционного устройства и рупорно-щелевой антенны
Подводя итоги настоящего подраздела, можно сформулировать следующие выводы.
1)Процесс проектирования плоских антенн дифракционного типа СВЧ и КВЧ диапазонов волн характеризуется многоуровневой структурой: в силу высокой сложности конструкций ПАДТ даже при использовании профессиональных рабочих станций проблематично осуществить математическое моделирование антенны как единого электродинамического объекта (совместить решение внутренней и внешней задач).
2)Структурное моделирование ПАДТ наиболее целесообразно осуществлять по следующему алгоритму: анализ режима функционирования ПАДТ; оптимизация структурной схемы антенны; выбор одной из базовых конструкций, типов излучающей апертуры и возбуждающего устройства. Каждый из шагов данного алгоритма опирается на результаты численного математического моделирования и экспериментального исследования функционирования антенны на уровнях: структурной схемы (без учета конкретной конструкции ПАДТ, типа ее излучающей апертуры и возбуждающего устройства); решения внутренней задачи электродинамики, определяющего амплитудно-фазовое распределение поля на выходе возбуждающего устройства; вычисления дисперсионных характеристик излучающей апертуры; построения основных характеристик ПАДТ (амплитудно-фазового распределения в излучающем раскрыве, ДН, кроссполяризационной диаграммы, КСВН, частотных зависимостей коэффициента усиления и эффективности); оптимизации параметров ПАДТ в целом.
В следующем подразделе рассмотрен пример оптимизации степени взаимной связи между планарным диэлектрическим волноводом и ДР линейной дифракционной антенны КВЧ диапазона волн.