8.2. Плоские антенные решетки вытекающей волны
В числе новых интересных разработок можно отметить диэлектрические АВВ, описанные в [38, 39]. Так, антенна [38] выполнена на основе двухслойного экранированного плоского диэлектрического волновода (ПДВ) с решеткой из металлических лент и устройства возбуждения поверхностных волн ПДВ в виде линейной полосковой решетки. В первом варианте ПДВ возбуждается со стороны торца и антенна при изменении рабочей частоты фактически работает в режиме частотного сканирования ДН. Во втором варианте ПДВ возбуждается в центре, так что на определенной частоте антенна излучает по нормали к плоскости раскрыва с естественным постепенным расщеплением главного лепестка ДН при изменении частоты. В [38, 39] представлено несколько модификаций данной антенны, разработанных для частот 24 и 76 ГГц, обладающих эффективностью 40—70 %. Надо отметить, что эффективность названных антенн ограничена, главным образом, потерями в линейных полосковых решетках, используемых для возбуждения излучающего раскрыва. Варианты конструкций таких АВВ показаны на рис. 8.2.
Рис. 8.2. АВВ СВЧ с торцевым возбуждением и компенсацией отражений для работы в режиме нормального излучения
Другая интересная антенна, в которой используется распространение волн меду параллельными металлическими пластинами на основе однослойной структуры с решеткой щелей, предложена в [40]. Один из вариантов конструкции, реализуемый с помощью SIW технологии, показан на рис. 8.3. В данном варианте двумерная щелевая решетка 1 на основе плоскопараллельного металлического волновода 2 с диэлектрическим заполнением возбуждается с помощью линейной щелевой решетки 3, выполненной в виде набора металлических стержней, изготовленных путем сквозной металлизации отверстий в фольгированном диэлектрике. Предложены варианты антенны с торцевым и центральным возбуждением плоскопараллельного волновода, соответственно, обеспечивающие режимы частотного сканирования или нормального излучения. Конструкция антенны очень проста и отличается высокой технологичностью. Эффективность антенны достигает 40—50 % на частотах КВЧ диапазона.
Рис. 8.3. Антенна вытекающей волны на основе плоскопараллельного волновода со щелевой решеткой
8.3. Плоские дифракционные антенны
Особый интерес с точки зрения использования в аппаратуре радиосвязи КВЧ вызывают плоские дифракционные антенны (ПДА) построенные в виде структур, содержащих диэлектрические волноводы (ДВ) и дифракционные решетки (ДР) различных конструкций — металлические гребенки, эшелетты, полосковые (ленточные) решетки и др. [13, 34, 41, 42].
ПДА часто относят к антеннам вытекающей волны (АВВ), хотя, как сказано выше, АВВ может быть построена на основе направляющей структуры быстрых волн без использования решетки.
Принцип действия ПДА основан на известном эффекте прямого и обратного преобразования поверхностных волн в объемные (ППВО) диэлектрического волновода при их взаимодействии с дифракционной решеткой [41, 42]. Использование эффекта ППВО открывает широкие возможности построения компактных антенн, в том числе с управляемыми характеристиками излучения практически во всем диапазоне КВЧ, по эффективности превосходящих полосковые и микрополосковые антенные решетки и не уступающие ВЩАР [34, 43]. Для пояснения принципа действия ПДА воспользуемся рис. 8.4, на котором показана структура на основе ДР в виде металлической полосковой решетки (выбор типа и конструкции ДР не является принципиальным [34, 43]).
В режиме торцевого возбуждения (рис. 8.4, а) в ПДВ 1 возбуждается неоднородная (поверхностная) волна. Распространяясь вдоль оси ОX, эта волна испытывает дифракцию на элементах ДР и при определенных параметрах структуры n-е пространственные гармоники (ПГ) поля дифракции излучаются в направлениях, лежащих в плоскости XOZ под углами θnmax, которые определяются таким же выражением (8.2), как и для периодической АВВ с медленной волной:
sinθnmax=βn/k0≈β/k0+2πn/(k0d)=γ(λ0)+nλ0/d, (8.4)
где βn — продольная постоянная распространения n-й ПГ; β0=β−jα — комплексная продольная постоянная распространения основной ПГ; β —фазовая постоянная основной ПГ; α — постоянная ослабления (вытекания); k0=2π/λ0 — волновое число свободного пространства; γ(λ0)=c/vф((λ0) — замедление фазовой скорости поверхностной волны ПДВ; λ0 — рабочая длина волны; d — период решетки; n — номер ПГ поля излучения.
а б
Рис. 8.4. К описанию использования эффекта ППВО в ПДА
Условия излучения выполняются для ПГ с отрицательными номерами, т.е. n=−1; −2; … [13, 41, 42]. При использовании эффекта ППВО в антеннах наиболее предпочтителен одноволновый режим работы на −1-й ПГ, в котором обеспечиваются наилучшие электрические параметры антенн [13, 34, 41—43 ]. Ширина главного дифракционного лепестка (ДН) и значения КПД излучения зависят от величины постоянной ослабления α. Выражение (8.4) также показывает, что ПДА, как и АВВ, присущи широкие возможности по реализации немеханического сканирования ДН путем перестройки рабочей длины волны, изменения замедления поверхностной волны ПДВ или изменения периода ДР. Известно, что эффективность преобразования энергии неоднородной плоской волны ПДВ в энергию излучения −1-й ПГ может достигать 70 и более процентов [34, 41—43].
В режиме приема однородная плоская ЭМВ, падающая из свободного пространства на структуру в виде ПДВ 1 и ДР 2 под углом θ в плоскости XOZ испытывает дифракцию на решетке. При этом спектр рассеянного решеткой поля описывается бесконечным рядом пространственных гармоник (ПГ). Нулевая ПГ является зеркально отраженной волной, излучаемой обратно в свободное пространство. Часть ПГ представлена также излучающимися волнами, уходящими от структуры в окружающее пространство; некоторая же часть ПГ представлена медленными волнами, распространяющимися в противоположные стороны вдоль плоскости решетки вдоль оси ОX с фазовыми скоростями, меньшими скорости света. При определенных условиях лишь одна медленная ПГ с номером n=−1 имеет наибольшую амплитуду и при совпадении ее фазовой скорости с фазовой скоростью поверхностной волны ПДВ возбуждает его. Поверхностная волна ПДВ может быть принята каким-либо устройством вывода СВЧ колебаний, например секториальным рупором. Соответственно, вся структура совместно с устройством вывода энергии из ПДВ может играть роль высокоэффективной ПДА СВЧ (КВЧ), КПД которой, как и АВВ, оценивается с помощью известного выражения [35]
η=1−e−2αL, (8.5)
где L — продольный размер (длина) структуры в направлении оси ОХ.
В режиме центрального возбуждения (рис. 8.4, б) излучающий раскрыв ПДА представляет собой две симметричные подрешетки, так что вдоль ПДВ распространяются две поверхностные волны с одинаковыми по величине и противоположными по знаку фазовыми скоростями. На длинах волн, при которых выполняется условие γ(λ0)=λ0/d [34, 43], можно обеспечить синфазное сложение излучений подрешеток в дальней зоне; при этом ДН раскрыва содержит один главный лепесток, ориентированный по нормали, т.е. вдоль оси OZ. Поскольку данная структура обладает известными свойствами антенной решетки с последовательным возбуждением, при изменении рабочей длины волны ДН антенны будет расщепляться вплоть до возникновения двух симметричных главных лепестков. Описанный режим соответствует резонансной дифракции Брэгга второго порядка [41, 42] и представляет собой наибольший интерес с точки зрения построения антенн с нормальным излучением с неуправляемой или управляемой поляризацией [34, 41—43]. Примеры практических конструкций ПДА СВЧ и КВЧ диапазонов приведены в [34, 41—43].