3479

Для более наглядного представления о поведении поправки h при изменении пары геометрических параметров исследуемой структуры приведем соответствующие зависимости h, построенные в виде трехмерных поверхностей; те же зависимости, изображенные как карты эквипотенциальных поверхностей, позволяют оценить численные значения величин h.

Зависимость поправки h от величины прицельного расстояния R1 и ширины пазов гребенки W для случая нормального падения волны с частотой

проникновения волны в запредельные пазы двумерно-периодичной гребенки, что можно трактовать как смещение эквивалентной отражающей плоскости X0 от вершин ее ребер в направлении удаления. Периодичность изменения

Как видно, абсолютные значения поправки h, характеризующие степень отличия антенных свойств двумерно-периодичной и одномернопериодичной структур, весьма несущественны на значительной части площади полей параметров (R1, W) и (R1, h) (более чем на 60 70 % для каждого из приведенных случаев) для рис. 2.27, 2.28 соответственно.

Адекватность описанной математической модели дифракции плоских волн на двумерно-периодической металлодиэлектрической структуре «гребенка + планарный диэлектрический волновод» доказывается сравнением данных экспериментальных исследований с результатами компьютерного моделирования анализируемой структуры, приведенными в главе 3.

2.2. Возбуждение поверхностных волн в плоских дифракци онных антеннах СВЧ и КВЧ диапазонов рупорно -щелевым элементом

К традиционно используемым на практике возбуждающим элементам (ВЭ) плоских антенн относятся рупорные и рупорно-линзовые антенны, сегменты параболоида вращения; реже периодические дифракционные структуры. Однако рупорные ВЭ имеют существенные фазовые искажения даже при значительных продольных размерах; в рупорно-линзовых антеннах при угле раскрыва, близком к 900, наблюдается существенное падение коэффициента использования поверхности (КИП) из-за концентрации поля в центре и резком ее спадании на краях излучающей апертуры (даже при использовании зонированных линз). Недостатками ВЭ в виде сегмента параболоида вращения являются затенение облучателем раскрыва и неудобство использования в антеннах с управляемой поляризацией. ВЭ на скошенной дифракционной решетке имеют высокую эффективность (до 90 95%), но существенные габаритные размеры.

Известны также возбуждающие элементы, предназначенные для плоских антенн с управляемой поляризацией. Существуют два варианта ВЭ: на основе четырех рупорно-щелевых антенн (РЩА), и антенны с крестообразной геометрией, четыре плеча которой образованы желобковыми металлическими волноводами, заполненными диэлектриком, на который нанесены парные ленточные вибраторы.

Принцип построения ВЭ в виде H-плоскостной рупорно-щелевой антенны иллюстрируется рис. 2.29. Действие РЩА основано на синфазном сложении волн, излучаемых под углом в 450 щелями, прорезанными во внешних узких стенках двух прямоугольных волноводов, образующих H- образный рупорный раскрыв. Ширина щелей W выбирается таким образом, чтобы получить амплитудное распределение поля в раскрыве антенны, соответствующее максимуму коэффициента усиления.

щели в узких стенках шириной W

2d+L

Рис. 2.29. Принцип построения H-плоскостной рупорно-щелевой антенны

Результаты расчета постоянной вытекания для основной волны прямоугольного металлического волновода со щелью в узкой стенке, расположенного между двумя металлическими листами могут быть использованы при выборе оптимальной величины ширины щелей в РЩА. Дисперсионное уравнение волновода со щелью в узкой стенке имеет вид

волноводы.

Постоянная вытекания и постоянная распространения определяются соответственно как

максимального коэффициента усиления РЩА. На рис. 2.30, 2.31 соответственно показаны зависимости постоянной вытекания и угла максимального излучения относительно щелей в волноводах от частоты и ширины щелей при следующих параметрах: d=21 мм, =9.5 мм. По приведенным графикам выбирается оптимальная ширина щелей, которая затем экспериментально уточняется.

Максимально возможная эффективность волноводно-щелевого рупорного устройства определяется из закона сохранения энергии для одного из плечей рупора:

и ширины щели W в узкой стенке волновода

, 0

5 0

4 0

Эффективность РЩА определяется в основном ее коэффициентом использования поверхности, так как коэффициент полезного действия близок к единице (КСВН < 1.4 в рабочей полосе частот 10.95-11.65 ГГц):

где S площадь апертуры рупора.

С учетом (2.52), (2.53) эффективность РЩА определяется выражением

При выводе выражения для эффективности РЩА (2.54) предполагалось, что амплитудное распределение в раскрыве ВЭ описывается экспоненциальной функцией, а фазовое распределение является синфазным.

Зависимость эффективности РЩА от значения постоянной вытекания в ее плечах приведена на рис. 2.32 для следующих параметров ее геометрии: d=21 мм, =9.5 мм, W=0.8 мм, L+2d=400 мм.

Из рис. 2.32 видно, что в диапазоне изменения значения постоянной вытекания от 2.2 до 9.3 м-1 эффективность превышает 80 %. Столь незначительная зависимость Э( ) позволяет предположить, что описанная РЩА является весьма устойчивой к погрешностям ее изготовления – небольшие отклонения от заданной ширины излучающих щелей W не приводят к сколь-нибудь существенному уменьшению эффективности ВЭ.

Строгий электродинамический анализ (на уровне решения уравнений Максвелла с заданными граничными условиями) РЩА в значительной мере затруднен вследствие больших электрических размеров антенны и сложности ее геометрии. Для определения амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве РЩА и ее диаграммы направленности можно использовать следующую математическую модель. Разобьем излучающие щели РЩА на достаточно большое число сегментов N малой электрической длины (меньшей

0.1 0), рис. 2.33.

Э 1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

Рис. 2.32. Зависимость эффективности РЩА от постоянной вытекания

y

Излучающий

n

сегмент (x1, y1) Переизлучающий

сегмент (x2, y2)

x2

поверхности щели (см. рис. 2.33). Поле в раскрыве РЩА в предложенной модели находится как суперпозиция полей излучения всех вышеупомянутых элементарных излучателей и волн, рассеянных каждым из сегментов, возникающих при их облучении совокупностью щелей, лежащих на противоположной стороне РЩА. В модели учитываются также отражения волн от торцов волноводов РЩА.

Зависимость комплексной амплитуды напряженности электрической компоненты поля в щелях РЩА от координат y1, y2 принята следующей:

распределения электрической компоненты поля в раскрыве РЩА, возбуждаемой от генератора электромагнитного СВЧ излучения, настроенного на частоту 11.8 ГГц, приведен на рис. 2.34, 2.35 соответственно. Параметры геометрии РЩА следующие: L=400 мм, d=20 мм, =9.5 мм, W=0.8 мм.

Рис. 2.35. Фазовое распределение в раскрыве РЩА Амплитудное распределение, построенное с использованием

уточненной модели, существенно отличается от экспоненциального (2.52). Наличие «пьедестала» обусловливает высокое значение КИП РЩА, а уменьшение амплитуды поля к краям антенны – достаточно низкий уровень боковых лепестков ее ДН.

Величина фазовых искажений в раскрыве РЩА составляет на данной частоте около 300. Так как щелевые волноводы РЩА обладают дисперсией, фазовое распределение в ее раскрыве является частотно-зависимым. Полоса рабочих частот РЩА определяется значениями частот, на которых парциальные ДН левого и правого ее плечей перекрываются, обеспечивая заданный уровень неравномерности. Другим критерием ширины полосы рабочих частот РЩА является половинный уровень мощности относительно максимального. При заданных выше геометрических параметрах антенны и частоте ЭМВ ширина полосы рабочих частот РЩА составляет около 6 %.

ДН РЩА в Н-плоскости, соответствующая приведенному на рис. 2.34, 2.35 амплитудно-фазовому распределению, показана на рис. 2.36, из которого видно, что ширина главного лепестка ДН РЩА по уровню