3479

3.4. Дисперсионные характеристики металлического эшелетта с диэлектрическим слоем в широкой пол осе частот

Авторами пособия предлагается использовать отражательную дифракционную решетку «эшелетт», накрытую слоем диэлектрика, в качестве излучающей апертуры плоских мобильных СВЧ антенн. В главе 2 было изложено теоретическое обоснование возможности создания на основе вышеупомянутой дифракционной структуры ПАДТ со значительно пониженной частотно-угловой дисперсией главного лепестка ДН. В настоящем подразделе приведены результаты компьютерного моделирования многослойной структуры на основе прямоугольного эшелетта, доказывающие, что применение последней позволяет значительно уменьшить крутизну УЧХ по сравнению со случаем использования в качестве ДР многопазовой гребенки. На всех приведенных ниже дисперсионных характеристиках сплошные кривые соответствуют случаю Н-поляризации, а кружочки, соединенные отрезками прямых – дифракции Е-поляризованной волны.

При дифракции Н-поляризованной волны на прямоугольном эшелетте с диэлектрическим слоем ( 100 , H / L 0.2 , рис. 2.13), в полосе изменения

частотного параметра 0.92 0.95 наблюдается брэгговский резонанс второго порядка (соответствующие значения угла приема близки к нулю градусов – режим нормального падения ЭМВ), рис. 3.32.

УЧХ на интервале 0.95 0.975 параллельна оси абсцисс (при изменении частотного параметра в указанных пределах главный лепесток ДН практически не изменяет своей угловой ориентации), что говорит о сильно выраженной аномальной дисперсии (–1)-й ПГ. В полосе частотного параметра 0.95 1 вариация углового положения максимума ДН не превышает 10. Резонансный «всплеск» постоянной вытекания Н-поляризованной волны вблизи точки 0.675 соответствует скачкообразному изменению положения

главного лепестка диаграммы направленности исследуемой структуры на угол

260.

Для Е-поляризованной волны глубина паза прямоугольного эшелетта далека от четвертьволнового во всем исследуемом диапазоне частот. Поэтому зависимость 1 является весьма плавной, а поведение УЧХ полностью подчиняется закону нормальной дисперсии. Для выбранного значения относительной толщины планарного диэлектрического волновода h / L 0.25 разница величин замедления (–1)-й поверхностных волн Флоке ортогональных линейных поляризаций существенна, поэтому практически во всем диапазоне

изменения угловое расстояние между главными лепестками ДН для Е- и Н-случаев является весьма значительным (около 110).

На рис. 3.33 приведены дисперсионные характеристики эшелетта с

параметра в диапазоне его значений от 0.76 до 0.79, рис. 3.33,а. Данное явление является причиной аномальной зависимости фазовой скорости (–1)-й ПГ в указанном частотном диапазоне, что иллюстрируется рис 3.33,б: на участке [0.77; 0.78] кривой УЧХ имеется характерная «полка», означающая стабилизацию пространственной ориентации главного лепестка ДН исследуемой структуры. Интересно отметить, что область паза эшелетта, соответствующая наибольшему значению глубины, является запредельной для Е-поляризованных волн. Поэтому значения эффективной глубины паза

Угло-частотные характеристики, соответствующие Н-поляризованной дифрагирующей волне (сплошные линии на рис. 3.33), отличаются наличием «полки», принадлежащей интервалу значений 0.96, 0.99 . Причиной

данного явления служит наложение внутрипазового резонанса и резонанса

Следует отметить, что при небольших углах блеска (рис. 2.13) эффективная ширина пазов прямоугольного эшелетта больше, чем при

положения главного лепестка ДН менее заметно: на участке 0.79; 0.81

имеется излом УЧХ, свидетельствующий о наличии аномальной дисперсии (– 1)-й ПГ. Значительно более ярко проявляется аномальная дисперсия низших поверхностных волн при дифракции на эшелетте со слоем диэлектрика Н- поляризованной волны. На УЧХ имеются два участка, соответствующие частотному параметру 0.9; 0.94 , 0.95; 0.975 , на которых главный лепесток ДН структуры пространственно стабилизирован.

В диапазоне изменения 0.95 1 (около 5.1 %) главный лепесток ДН, соответствующий Н-поляризованной волне, перемещается на 0.50 (что соответствует величине крутизны УЧХ порядка 0.098 0/ %), в то время как среднее значение крутизны УЧХ в полосе частот почти на порядок больше.

Результаты численного моделирования позволяют сделать вывод о том, что использование эшелетта как одного из вариантов ДР для плоских дифракционных антенн СВЧ и КВЧ диапазонов может быть плодотворным в случае требования получения минимальной крутизны УЧХ ПАДТ в полосе 5 6 % (значений S 0.01 0/ %, не достижимых при использовании гребенок со сложной структурой периода). При этом представляется перспективным осуществление в ПАДТ режима дифракции Н-поляризованных волн. Следует отметить, что минимальную крутизну УЧХ позволяют получить эшелетты с углами блеска, близкими к 450.

Полученные результаты численного моделирования и натурного эксперимента показали, что использование взаимного преобразования с помощью эшелетта, накрытого диэлектриком, объемных и поверхностных волн Е-поляризации является нецелесообразным, т. к. получаемые при этом дисперсионные характеристики структуры заметно уступают ранее рассмотренному случаю многопазовых (и в частности, однопазовых) гребенок с диэлектрическим планарным волноводом.

3.5. Оптимизация параметров ленточной решетки с двумя металлическими полосками на периоде при заданной угло -частотной

характеристике

Использование в ленточных ДР двух металлических полосок на периоде увеличивает число степеней свободы в процессе оптимизации их параметров и позволяет решить следующие важные практические задачи: проводить автоматизированное проектирование ПАДТ с пониженным уровнем КСВН в полосе рабочих частот, уменьшить уровень их бокового излучения, синтезировать плоские СВЧ и КВЧ антенны с заданной угло-частотной характеристикой линейного вида. Последнее ограничение связано с тем, что незначительная величина емкости между соседними парами лент не позволяет провести синтез ПАДТ, прототипом которой являлся бы фильтр высоких

частот, что необходимо для того, чтобы в рабочей полосе частот имела место аномальная дисперсия (–1)-й ПГ.

Рассмотрим методику оптимизации параметров двухленточной ДР при заданной ее УЧХ, являющуюся основой процесса синтеза ПАДТ.

В режиме преобразования объемной волны, соответствующем

(-1)-го порядка. На фиксированной длине волны 0 угловое распределение амплитуды (-1)-й ПГ | A 1 | f представляет собой диаграмму

направленности (ДН) в плоскости x0z бесконечно протяженного линейного излучателя (рис. 2.15) со столообразным амплитудным и линейным фазовым распределениями.

Угол 0 , при котором | A 1 | максимальна, соответствует пространственной ориентации главного лепестка ДН ПАДТ, угловой сектор

по уровню 0.707 | A 1 |max определяет ширину ДН.

На рис. 3.35 представлены расчетные угло-частотные характеристики преобразования H-поляризованной волны в (-1)-ю ПГ ленточными структурами

характеристики существенно отличаются, хотя суммарный коэффициент заполнения периода ДР металлом для обеих структур одинаков ( a1 a2 0.7d ). Наличие дополнительной излучающей щели приводит к перераспределению мощности поверхностной волны в рассматриваемой области параметров первичного излучения, рис. 3.35,б. Из приведенных УЧХ видно, что использование двухленточной ДР позволяет в широких пределах варьировать частотно-угловым распределением амплитуды (–1)-й ПГ Флоке ЭМП в структуре.

Численный анализ УЧХ исследуемых ДР в широком диапазоне изменения геометрических и электрических параметров позволяет выявить их оптимальные значения с точки зрения обеспечения заданных характеристик направленности в требуемой полосе частот. Однако при этом необходимо выполнить большой объем компьютерных вычислений, что снижает эффективность данного подхода. Выходом из данной ситуации служит создание методики оптимизации параметров дифракционной структуры.

Будем рассматривать систему (2.39) как неявно заданную функцию ряда

обеспечить эффективное преобразование первичной волны в (-1)-ю ПГ в

задачу можно формализовать в виде следующей системы трансцендентных уравнений:

Однако сформированная система относится к разряду некорректных задач при

зованной волны в (-1)-ю ПГ дифракционной структурой с параметрами, оптимизированными в соответствии с требованиями табл. 3.5.

Результаты математического моделирования показывают, что максимально достижимая полоса частот , в пределах которой обеспечивается минимальная вариация угла максимального излучения (приема)

0 при ширине углового сектора не более 2 , составляет около 2 %. Применение анализируемой дифракционной структуры в узкой полосе частот

Рис. 3.36. Зависимости | A 1 |H0 от угла прихода первичной волны при d 0 (а) и от частотного параметра структуры d 0 при для оптимизированной дифракционной двухленточной структуры (б)

Предложенная методика может быть использована для оптимизации параметров плоских антенн СВЧ на основе многоэлементных ленточных решеток на экранированном слое диэлектрика и по ряду других критериев.

Полученные в главе 3 результаты позволяют сформулировать следующие рекомендации по проектированию плоских антенн дифракционного типа:

-при создании ПАДТ с расширенной частотной полосой стабилизации углового положения основного лепестка ДН (до 8 12 %) и фиксированной ориентацией плоскости поляризации наиболее целесообразно использовать дифракционные металло-диэлектрические структуры на основе одноуровневых и двухуровневых многопазовых гребенок;

-для реализации плоских СВЧ антенн с электронно управляемой ориентацией поляризации излучаемых (принимаемых) ЭМВ в наибольшей степени пригодны двумерно-периодичные металлические гребенки с диэлектрическим слоем (для подобных целей могут быть также эффективно использованы структуры на основе плоского Н-волновода с ортогонально прорезанными щелями, расположение которых подчиняется закону двойной периодичности);

-использование металлического эшелетта в качестве апертуры ПАДТ дает наилучшие результаты при работе с Н-поляризованными волнами в

случае требуемой крутизны УЧХ ПАДТ S 0.01 0/ % в полосе 5 6 %;

- ленточные ДР, содержащие несколько металлических полосок на периоде, наиболее технологичны изо всех рассмотренных структур, обладают наименьшими поперечными габаритными размерами, в максимальной степени отвечают требованиям согласования антенны по уровню КСВН в рабочей полосе частот.

Учет данных рекомендаций в алгоритме автоматизированного проектирования ПАДТ иллюстрируется рис. 3.37.

Рис. 3.37. Алгоритм выбора базового элемента апертуры ПАДТ Стратегия выбора базового элемента апертуры ПАДТ связана с видом и

способом возбуждения поверхностных волн в волноведущих трактах дифракционных структур, влияющих как на технико-тактические (или эксплуатационные) характеристики антенного устройства, так и на технологические и экономические его показатели. В общем случае задача отдания приоритета низкой себестоимости ПАДТ или высоким техническим и пользовательским характеристикам может быть решена проектировщиком с помощью введения системы весовых стоимостных коэффициентов.

3.6. Математическое моделирование СВЧ антенны с двумерно - периодичной дифракционной решеткой в качестве отражателя

Хорошо известны дифракционные антенны с оптическим типом возбуждения. Использование дифракционной решетки вместо параболического зеркала в таких антеннах позволяет снизить их массу и габаритные размеры, что особенно важно при размещении аппаратуры на летательных аппаратах. Однако указанные антенны сложны в производстве, поэтому себестоимость их достаточно велика. Электрические параметры отражательных дифракционных антенн (ОДА) также оставляют желать лучшего, в особенности это касается ширины полосы рабочих частот, для увеличения которой приходится наращивать число слоев рефлектора.

Типичной структурой ОДА является плоская дифракционноотражательная антенна с вынесенным рупорным облучателем, в качестве излучающей апертуры которой используется двумерно-периодичная решетка, составленная из полосковых вибраторов, нанесенных на верхний диэлектрический слой (число слоев - 4, нижний слой металлизирован). Ряды вибраторных излучателей расположены на секторах эллипсов разной степени