3479

Внешний вид одного из макетов РЩА в разобранном и собранном состояниях приводится на рис. 2.37, а. Четырехканальное устройство возбуждения плоской дифракционной антенны с электронно управляемой поляризационной чувствительностью на основе рупорно-щелевой антенны (в разобранном виде) показано на рис. 2.37, б. У H-плоскостной рупорно-линзовой антенны (РЛА) с 90-градусным раскрывом максимальная эффективность не превышает (50 60) % даже при использовании зонированной линзы, что объясняется резко спадающей амплитудой поля к краям РЩА. Измеренные амплитудные распределения РЩА и рупорно-линзовой антенны представлены на рис. 2.38.

а) б)

Рис. 2.37. Устройства возбуждения дифракционной ПА: а) одиночная РЩА; б) четырехканальная РЩА

Рис. 2.38. Экспериментально измеренные АР: РЩА – сплошная линия; рупорно-линзовая антенна с зонированной линзой – пунктирная линия

Как следует из рис. 2.38, 2.39, эффективность РЩА имеет более высокое значение, чем у рупорно-линзовой антенны с зонированной линзой (до 85% на центральной частоте рабочего диапазона). Эффективность РЩА в полосе частот (11.1 11.5) ГГц составляет не менее 75%.

Ширина полосы рабочих частот рупорно-щелевой антенны по критерию половинного уровня мощности – около 6 % (от 10.95 до 11.65 ГГц). Уровень боковых лепестков ДН РЩА в рабочей полосе частот не превышает –19 дБ. Ширина главного лепестка ДН РЩА по уровню половинной мощности изменяется в полосе частот в пределах от 3.4 до 3.60.

Существенным достоинством РЩА по сравнению с Н-плоскостной рупорно-линзовой антенной является отсутствие необходимости в корректирующей пластмассовой линзе. Четырехканальное возбуждающее устройство, основными элементами которого служат четыре РЩА (рис. 2.37,б) может быть размещено на обратной стороне излучающей апертуры плоской антенны с электронным управлением видом поляризации, так как его поперечные габариты невелики.

Экспериментально измеренный уровень КСВН РЩА в рабочей полосе не превышает 1.35, что свидетельствует о хорошем согласовании антенны с волноводным трактом, рис. 2.40.

Сравнение результатов компьютерных и натурных экспериментов позволяет сделать вывод об адекватности описанной математической модели Н-секториальной рупорно-щелевой антенны.

Рис. 2.40. Частотная зависимость КСВН РЩА 3. ДИСПЕРСИОННЫЕ СВОЙСТВА ДИФРАКЦИОННЫХ

РЕШЕТОК

3.1. Методики исследования дисперсионных характеристик дифракционных периодических структур

К основным антенным характеристикам дифракционной периодической структуры бесконечной протяженности относятся: угло-частотные

зависимости, соответствующие максимальной эффективности преобразования энергии падающей плоской волны в энергию одной или двух поверхностных гармоник, зависимости постоянной вытекания от частоты и относительный уровень кросс-поляризованных волн.

Используя вышеназванные характеристики, легко рассчитать основные параметры плоских антенных устройств дифракционного типа конечной длины: КПД, КИП, общую эффективность, полосу рабочих частот, уровень боковых лепестков и уровень кросс-поляризационного излучения. Методика определения параметров ПАДТ конечной длины изложена в главе 4 учебного пособия.

При математическом моделировании преобразования плоских однородных линейно-поляризованных волн на одномерно- и двумернопериодичных металлодиэлектрических структурах бесконечной протяженности для определения величины постоянной вытекания (-1)-й ПГ Флоке -1 использовалась методика, основанная на измерении ширины диаграммы направленности структуры по половинному уровню мощности излучения (рис. 3.1).

Под диаграммой направленности бесконечно протяженной дифракционной структуры подразумевается зависимость модуля амплитуды (- 1)-й пространственной гармоники от угла падения плоской волны п. Известно, что при увеличении значения постоянной вытекания растет ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности, это явление иллюстрируется рис. 3.1, где для кривых 1 и 2 выполняется соотношение 2 >

1. Символом с обозначена точка скольжения минус первой поверхностной гармоники, а заштрихованная часть рисунка соответствует области существования объемной (энергоемкой) волны. Значения постоянных вытекания могут быть определены только для кривых 1 и 2. Для зависимости 3 не может быть определена ширина ДН по уровню половинной мощности, так как в части этой области имеется только объемная плоская волна, для которой не существует такого понятия, как постоянная вытекания (оно характеризует только поверхностные волны).

Однако на практике может возникнуть ситуация, когда ПАДТ работает в режиме смешанных волн. В этом случае формируются два главных лепестка в разных направлениях, причем один из них создается поверхностной волной, а другой - объемной (продольные постоянные распространения для поверхностной и объемных волн различны). Поэтому при проектировании ПАДТ необходимо выбирать период структуры и степень связи диэлектрического волновода с переизлучающей дифракционной решеткой таким образом, чтобы не возникал режим смешанных волн. В противном случае параметры структуры должны быть такими, чтобы положения обоих лепестков совпадали (что возможно при использовании коротких решеток, более подробно об этом явлении рассказано в главе 4).

Для вычисления постоянной вытекания используется следующее выражение:

Уровень кросс-поляризационной развязки Kр равен отношению коэффициентов усиления KН и KE антенн конечной длины L, работающих на прием (передачу), или, что то же самое, отношению полных эффективностей ЭH и ЭE ПАДТ при H и E поляризациях соответственно:

Для экспериментального определения величины постоянной вытекания используется стандартная методика, иллюстрируемая рис. 3.2 и основанная на измерении величины ослабления поверхностной волны, правомерность котрой обусловлена тем, что при исходных значениях отношения периода ДР к длине волны ( L / 0 0.6...1.1 ) в исследуемом диапазоне частот 95 99 % энергетического обмена в рассматриваемых дифракционных структурах приходится на (-1)-ю неоднородную поверхностную гармонику Флоке планарного волновода и излучаемую однородную плоскую волну.

Рис. 3.2. Методика измерения постоянной вытекания (-1)-й ПГ

Ошибки измерений в данном случае вызваны наличием однородных сферических волн, излучаемых и принимаемых рупорами 1 и 2 соответственно, а также явлениями дифракции на торцах дифракционной решетки и рупоров. Вклад же ПГ высшего порядка в погрешности измерений не является существенным для инженерной практики и составляет около 1 5 %.

3.2. Дисперсионные характеристики одномерно -периодичной гребенки со сложной структурой периода, накрытой слоем диэлектрика

В данном подразделе рассматриваются результаты компьютерных и экспериментальных исследований одномерно-периодичных металлических гребенок (одноуровневых и двухуровневых), накрытых слоем диэлектрика.

Как было показано в главе 2, применение метода частичных областей для анализа металлодиэлектрических многопазовых отражательных решеток в резонансной области длин волн обеспечивает получение достоверных результатов рассеяния волн на последних при приемлемых затратах времени и вычислительных ресурсов.

полупространства, в поверхностные электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль плоскости раскрыва структуры (рис. 2.1). В

содержит лишь одну зеркально отраженную ПГ нулевого порядка, уходящую от структуры, а приповерхностное поле формируется за счет наиболее интенсивных неоднородных парциальных волн высшего порядка: ( 1)-х ПГ.

Рассмотрим одноуровневую ДР, нормированные на период глубины пазов которой связаны между собой рекуррентной зависимостью вида

Проведем анализ эффективности преобразования Н-поляризованной волны единичной амплитуды в ПГ (-1)-го порядка на примере трехпазовой решетки

На рис. 3.3 в координатах ( , ) приведены линии равного уровня

идентичностью входных (отнесенных к плоскости раскрыва) реактивных сопротивлений пазов соответствующих глубин, и неоднозначность по углу прихода первичной волны, связанная с узкополосностью обеспечения условия фазового синхронизма поверхностных волн диэлектрического волновода и металлической решетки.

Неоднозначность по углу максимального преобразования (углу, соответствующему максимуму амплитуды ПГ при const ) представленных поверхностей открывает потенциальную возможность управления углочастотными характеристиками устройств на основе исследуемых структур посредством вариации параметра .

Перекрытие зон максимального преобразования ( ( по

уровню 0.7) позволяет выявить оптимальные с точки зрения желаемого дифракционного эффекта значения искомого параметра гребенки для рассматриваемой ситуации (рис. 3.4).

основание предполагать наличие у структур с указанными параметрами определенной стабилизации угла максимального преобразования (( 1)max ) в

полосе частот ( 0.88 0.93) , а, возможно, и более широкой.

Расчет углочастотной характеристики (УЧХ) преобразования структуры, ДР которой содержит пазы с нормированными глубинами, равными соответственно 1 0.100, 2 0.415 и 3 0.730 ( = 0.315), показывает, что в исследуемой полосе по частотному параметру действительно наблюдается

Наличие в УЧХ областей с ослабленной дисперсией поверхностных волн не является единственной особенностью рассеяния волн на многопазовых ДР, Так, при 0.885 угловой сектор максимального преобразования составляет около 10 , причем незначительная расстройка по частоте приводит к существенному уменьшению последнего. Налицо узкополосный режим широкоугольного преобразования, несвойственный однопазовым решеткам при означенных параметрах планарного диэлектрического волновода.

Таким образом, действительно (см. главу 2) многопазовые ДР типа «гребенка» характеризуются более широким спектром возможностей с точки зрения их использования как в ПАДТ с расширенной частотной полосой стабилизации углового положения главного лепестка ДН, так и в сканирующих плоских дифракционных антеннах.

В качестве ПАДТ с электронным управлением поляризацией излучения перспективно использовать дифракционные структуры на основе накрытой диэлектрическим волноводом многопазовой одномерно периодичной металлической гребенки. Это обусловлено эффективным возбуждением попеременно разноразмерных пазов гребенки дифрагирующей волной E- и H- поляризации (широких и узких соответственно).

Будем полагать, что выбором отношения величины периода гребенки к длине дифрагирующей волны обеспечен одноволновый режим работы дифракционной структуры: преобразование объемных электромагнитных волн осуществляется помимо зеркально отраженной только в поверхностные волны (незеркальные каналы излучения отсутствуют). При этом максимальная интенсивность будет наблюдаться у ПГ Флоке ( 1)-го порядка.

металлодиэлектрической гребенке, обладающей широкими пазами ( li 0.5L ), при дифракции волны H типа соответственно узкими пазами ( l i 0.5L ).