8. Антенны вытекающей волны
Возрастающие потребности современной техники радиосвязи и радиолокации СВЧ и особенно КВЧ диапазонов в эффективных компактных антеннах стимулируют исследования, направленные на создание альтернативных вариантов малогабаритных антенн, свободных от присущих полосковым и плоским волноводно-щелевым антенным решеткам недостатков. В числе таких антенн перспективными представляются антенны вытекающей волны (АВВ) [13, 29, 30, 33—37].
8.1. Принципы построения антенн вытекающей волны
Классическая АВВ представляет собой либо отрезок линии передачи с вытекающей рабочей модой, например прямоугольный металлический волновод с длинной продольной щелью в узкой стенке (рис. 8.1, а), либо структуру медленных волн с периодически расположенными вдоль ее оси рассеивающими неоднородностями — диэлектрический волновод с металлическими полосками и т.п. (рис. 8.1, б) [13, 35, 36].
В первом случае (непрерывная структура) направление максимального излучения (угол θ) определяется выражением [13]
,
(8.1)
где
— отношение рабочей длины волны к длине
волны в волноводе или отношению скорости
света с в свободном пространстве к
фазовой скорости волны vф
в волноводе). В структурах «быстрых»
волн фазовая скорость волны превышает
скорость света, поэтому направление
максимального излучения всегда
располагается в секторе между нормалью
к излучающей части антенны и ее продольной
осью.
Во втором случае (периодическая структура) возможны два варианта:
направляющая структура, как и в первом случае, поддерживает «быструю» волну с фазовой скоростью, превышающей скорость света; направление максимального излучения (угол θ) определяется выражением [13]
,
р<1 ;
(8.2)
направляющая структура поддерживает «медленную» волну с фазовой скоростью, меньшей скорости света (коэффициент р характеризует замедление фазовой скорости); направление максимального излучения (угол θn) определяется выражением [13]
,
,
(8.3)
антенна работает в режиме «обратной» волны. Максимальное излучение может быть направлено в сторону входа антенны, по нормали к излучающей части антенны или в сторону конца антенны. Номер n представляет собой номер так называемой пространственной гармоники поля излучения; заметим, что в зависимости от параметров структуры излучение может возникать не только на минус первой гармонике, но одновременно и на других гармониках с отрицательными номерами. Наилучшие характеристики антенна имеет в одноволновом режиме, когда поле излучения формируется только минус первой гармоникой. Подробнее этот вариант АВ, в сущности, представляющий собой дифракционную антенну, описывается ниже.
а б
Рис. 8.1. Варианты АВВ на основе непрерывной (а) и периодической (б) структуры
Как видно из (8.1) и (8.2), АВВ принципиально могут обеспечивать сканирование ДН путем изменения частоты, замедления или периода расположения неоднородностей [13, 35, 36].
АВВ первого типа, как правило, работают в режиме бегущей волны и создают наклонное излучение в направлении конца направляющей структуры (где установлена поглощающая нагрузка). АВВ второго типа используются в режимах как бегущей, так и стоячей волны и создают излучение, направленное в сторону нагрузки или, при использовании обратной волны, — в сторону узла возбуждения, а также могут обеспечивать излучение по нормали к плоскости структуры.
Использование режима излучения по нормали требует принятия специальных мер по компенсации отражений от рассеивающих неоднородностей (как и от щелей в резонансных волноводно-щелевых решетках) для предотвращения резкого снижения коэффициента усиления антенны. Тем не менее, АВВ обладают рядом важных достоинств:
- возможность обеспечения высокого КПД за счет использования поверхностных волн при невысоких значениях замедления их фазовой скорости;
- возможность реализации практически любого амплитудного распределения поля в раскрыве и формирования ДН с низким УБЛ;
- возможность одно- и двухкоординатного сканирования ДН, как частотного, так и на фиксированной частоте;
- простота и компактность конструкции, высокая технологичность.
КПД АВВ, учитывающий тепловые потери, достигает 80—90 % на частотах вплоть до нескольких десятков ГГц [34].
В целом в отношении АВВ практически нет ограничений по рабочим частотам и они являются одними из наиболее перспективных антенн для использования в диапазоне КВЧ. Это объясняет заметное в последние годы повышение интереса исследователей к антеннам данного типа.