6.2. Перспективные щелевые антенные решетки свч и квч
Описанные выше плоские ВЩАР [2—5] в их классическом волноводном исполнении, а также новые щелевые решетки на основе плоскопараллельного волновода, появившиеся на рынке сравнительно недавно (10—15 лет назад), являются одними из наиболее эффективных малогабаритных антенн СВЧ и КВЧ. Благодаря их высоким электрическим параметрам они широко применяются в системах радиолокации и радиосвязи, включая системы приема передач спутникового телевизионного вещания. В числе наиболее эффективных плоских ЩАР следует выделить щелевые антенные решетки на основе радиального волновода (ЩАРРВ), разработанные для работы с фиксированной линейной или круговой поляризацией (в зарубежной литературе такие антенны получили сокращенное название RLSA). ЩАРРВ используются на частотах от 5,5 ГГц вплоть до 60 ГГц в системах приема передач спутникового телевизионного вещания (DBS), а также в аппаратуре беспроводных телевизионных и мультимедийных сетей [19, 20]. Конструкция антенны включает однослойный радиальный волновод с замедляющей структурой (например, в виде диэлектрической пластины), в верхней стенке которого имеется решетка излучающих щелей, и питающий узел, обычно зондового типа для подключения антенны с помощью коаксиального разъема. С момента начала разработок ЩАРРВ в конце 70-х гг. прошлого столетия их конструкции претерпели множество изменений, главным образом направленных на решение проблемы согласования с питающей коаксиальной линией передачи.
Один из современных вариантов щелевой антенной решетки на основе радиального волновода (ЩАРРВ), способной работать с фиксированной линейной или круговой поляризацией, показан на рис. 6.6. Такие антенны разработаны и производятся для использования на частотах до 60 ГГц в системах приема передач спутникового телевизионного вещания, а также в аппаратуре беспроводных сетей передачи информации.
Рис. 6.6. Плоская щелевая АР СВЧ на основе радиального волновода
В другом варианте антенна, рассчитанная на прием ЭМВ с фиксированной круговой поляризацией в диапазоне частот 12,2—12,5 ГГц в системах приема передач непосредственного спутникового теле- и радиовещания, при диаметре 60 см имеет эффективность от 70 до 87 % (КУ до 35 дБ) [19—21] . Таким образом, данная ЩАРРВ, будучи одной из самых компактных плоских антенн, по своей эффективности в диапазоне СВЧ превосходит лучшие образцы зеркальных параболических антенн. Однако, как показали последние исследования и разработки, на частотах около 60 ГГц максимальная эффективность ЩАРРВ аналогичной конструкции снижается и составляет лишь около 50 % . Известна и конструкция ЩАРРВ для частоты 60 ГГц с питанием с помощью прямоугольного металлического волновода через волноводно-коаксиальный переход. В [22] предложена ЩАРРВ, обеспечивающая работу с круговой поляризацией левого и правого вращения. Однако в силу сложности двухэтажной конструкции антенна не получила широкого распространения.
Рис. 6.7. Плоская ВЩАР СВЧ, изготовленная по SIW технологии
В работе [19] приведен обзор вариантов современных ЩАР КВЧ с синфазным и противофазным распределением мощности с помощью компактных волноводных делителей мощности.
Надо отметить, что современные плоские волноводно-щелевые АР изготавливаются как по традиционной технологии, предусматривающей фрезерование металлического основания для изготовления волноводных каналов, так и по новой перспективной технологии на основе SIW (substrate integrated waveguide) — волноводов, интегрированных с подложкой. В последнем случае волноводные каналы образуются путем создания металлических перемычек между слоями металлизации в фольгированных диэлектрических материалах (подобные волноводы в зарубежной литературе также часто называются post-wall waveguides) [22]. Вариант такой плоской ЩАР СВЧ и КВЧ на основе плоскопараллельного волновода с центральным возбуждением, рассчитанный для режима нормального излучения, показан на рис. 6.7 [22].
Так, плоская щелевая АР с синфазным питанием линейных решеток излучающих щелей на частоте 76 ГГц имеет эффективность 64 % и КУ 25,5 дБ; антенна аналогичной конструкции, но с противофазным питанием линеек щелей на частоте 26 ГГц имеет эффективность 60 %, КУ 32,4 дБ; SIW АР на основе плоскопараллельного металлического волновода со стенками из металлических стержней на частоте 60 ГГц имеет эффективность 60 % и КУ 27 дБ; ЩАРРВ (RLSA) на частоте 60 ГГц имеет эффективность 52 % и КУ 32 дБ.
В работе [23] сообщается о результатах разработки плоской 256-элементной волноводно-щелевой АР с равноамплитудным возбуждением раскрыва (рис. 6.8) для частоты 61,5 ГГц. По данным компьютерного моделирования, на частоте 61,5 ГГц эффективность антенны достигла 97,9 % (максимальный КУ 32,7 дБ); коэффициент отражения в полосе частот 60,5—62,5 ГГц менее −10 дБ, УБЛ ДН не более −12,7 дБ. Для изготовления антенны предполагается использовать диффузионную сварку.
Рис. 6.8. Плоская ВЩАР КВЧ с параллельно-последовательным питанием
Как видно, волноводно-щелевые АР используются на частотах вплоть до 60—80 ГГц и выше при относительной полосе в среднем до 5 % и коэффициенте усиления до 36 дБ; наивысшая эффективность (около 87 %) достигнута в щелевой решетке с однослойным радиальным волноводом на частотах 12—12,5 ГГц; однако в КВЧ диапазоне эффективность радиально-волноводной ПА снижается до 50—55 % . Таким образом, большинство современных плоских волноводных ЩАР обладают высокими электрическими параметрами в диапазонах СВЧ и КВЧ.