Предпочтительная толщина диэлектрической антенны вытекающей волны с энергетических позиций

Предпочтительная толщина диэлектрической антенны вытекающей волны с энергетических позиций

Эффективность и надёжность линий радиосвязи миллиметровых волн (ММВ) во многом определяется возможностями и потенциалом используемых антенных систем. Помимо обеспечения направленности, гарантирующей требуемый уровень помехозащищённости, важной задачей, возникающей при разработке и оптимизации антенн ММВ, является минимизация энергетических потерь и, как следствие, увеличение коэффициента полезного действия (КПД). К антеннам, потенциально способным гарантировать весьма высокие уровни КПД на ММВ, относятся излучающие системы на открытых линиях передачи [1−3], в том числе диэлектрические антенны вытекающей волны (ДАВВ).

В ДАВВ, функционирующей в режиме излучения, имеет место трансформация поверхностной волны, распространяющейся вдоль диэлектрического волновода, в свободную волну за счёт дифракции на периодической решётке, состоящей из неоднородностей и введённой в поле поверхностной волны [4]. Это явление (дифракционного излучения [4]) позволило реализовать на основе ДАВВ приёмоизлучающие системы разнообразного назначения [3, 5−7]. Несмотря на многообразие конструктивных особенностей ДАВВ, отличающихся как способами возбуждения излучающей апертуры, так и типом использованной решётки [8, 9], неотъемлемым функциональным элементом излучающей системы является диэлектрический волновод, замедление которого определяет направление излучения [10, 11]. Варианты исполнения диэлектрического волновода также разнообразны — планарный, прямоугольный, круглый, эллиптический, гофрированный и т. д. [12, 13]. Во многих практически важных случаях диэлектрический волновод выполняется как планарный, характеризуемый двумя параметрами — относительной диэлектрической проницаемостью (е_ф) и толщиной (ф). Оба параметра определяют величину замедления поверхностной волны диэлектрического волновода, а, следовательно, угол излучения ДАВВ [14]. Во многих случаях, не связанных со сканированием диаграммы направленности (ДН), максимум ДН ДАВВ с односторонним возбуждением планарного диэлектрического волновода (ПДВ) может быть отклонён от направления поперечного излучения на угол до 10−15° [3, 15]. В этой связи выбор толщины ПДВ может производиться не столько из соображений обеспечения требуемого замедления (направления излучения), а сколько в целях реализации повышенной излучательной способности открытой линии передачи [16, 17], характеризуемой КПД. Именно поэтому представляет интерес исследование влияния толщины ПДВ на энергетические характеристики ДАВВ.

Целью работы является исследование зависимости излучательной способности ДАВВ от толщины ПДВ, являющегося источником поверхностной волны, трансформируемой в волну, вытекающую в направлении, близком к поперечному.

Для решения поставленной задачи использована известная модель линейной ДАВВ [18]. Модель основана на строгом решении двухмерной задачи дифракции поверхностной волны TE-типа экранированного ПДВ на одномерно-периодической решётке металлических проводников малого по сравнению с длиной волны характерного размера поперечного сечения (рис. 1).

Рис. 1. Геометрия модели ДАВВ 1 — проводящие элементы решётки с периодом ?; 2 — планарный диэлектрический волновод толщиной ф; 3 — проводящий экран

В предположении, что в материале ПДВ, в проводящих элементах апертуры и в экране отсутствуют тепловые потери, задача дифракции в [18] сведена к системе уравнений относительно комплексных токов в элементах решётки. По токам, наводимых в проводниках решётки, рассчитывается ДН антенны в Н-плоскости. По найденным значениям ДН находятся:

• 1) угловое направление максимума основного лепестка ДН ц_m (угол наблюдения ц, при котором значение ДН является максимальным);
• 2) излучаемая мощность P_У как интеграл от квадрата ДН по углу наблюдения; отношение P_У к мощности поверхностной волны P_ПВ, возбуждающей апертуру, определяет КПД антенны: з = P_У/P_ПВ;
• 3) коэффициент направленного действия D_m (КНД) в Н-плоскости и в направлении ц_m как число р, делённое на интеграл от квадрата нормированной ДН по углу наблюдения [19];
• 4) парциальный коэффициент усиления G_m (КУ) как произведение КНД на КПД: G_m = D_m· з.

По формулам, полученным в [18], разработана компьютерная программа для расчёта КПД, КНД, КУ ДАВВ для разных значений параметров ПДВ и периода решётки. Достоверность результатов расчёта проверена сравнением с данными работ [18, 19].

Представленные ниже результаты получены для числа элементов решётки, равного 50-ти. В первом случае ПДВ был выполнен из немагнитного диэлектрика с е_ф = 9.8 (из алюмооксидной керамики — поликора), во втором — е_ф = 2.56 (из полистирола). Толщина ф поликорового ПДВ менялась в пределах от 0.15л до 0.25л, где л — длина волны в свободном пространстве, а период решётки — от 0.70л до 0.82л. Толщина ПДВ, выполненного из полистирола, варьировалась в пределах от 0.20л до 0.60л при? = (0.65 — 0.80)л. Толщина ПДВ во всех случаях обеспечивала его одномодовый характер, а период решётки — режим излучения, близкий к поперечному излучению (ц_m = 90° - 120°).

На рис. 2 и 3 показаны карты изолиний (линий равного уровня) КПД, КНД, КУ и ц_m в координатах ф/л и ?/л. Области максимальных значений показанных распределений окрашены в красный и близкие к нему по тональности цвета.

Рис. 2. Карты изолиний параметров ДАВВ с ПДВ из поликора

Рис. 3. Карты изолиний параметров ДАВВ с ПДВ из полистирола

Из рис. 2 и 3 следует, что для разных материалов толщина ПДВ, обеспечивающая максимум КПД, абсолютно различна. Так, для волновода с е_ф = 9.8 максимальный КПД (з? 97%) в соответствии с расчётом гарантируется при ф? 0.243л, в то время как для ПДВ с е_ф = 2.56 — при ф = 0.44л и 0.52л. Центры областей карты изолиний КПД со значениями, превышающими 97%, отмечены на рис. 2, а и рис. 3, а чёрной звездой. Если выразить предпочтительные значения толщины ПДВ в долях длины волны в диэлектрике (л_В), то несложно в первом случае получить 0.76л_В, а во втором — 0.70л_В и 0.83л_В соответственно.

Расчёты, результаты которых показаны на рис. 2, в и 3, в, говорят о том, что предпочтительный размер ПДВ с учётом направленности излучения ДАВВ, выраженной КНД, не совпадает с найденным по пиковой излучательной способности. Анализ распределения коэффициента усиления показывает, что для ПДВ с е_ф = 9.8 максимальный парциальный КУ обеспечивается при ф = 0.18л и 0.21л, тогда как для ПДВ с е_ф = 2.56 — при ф = 0.34л и 0.55л. Соответствующие найденным значениям ф направления максимума основного лепестка ДН представлены на рис. 2, г и 3, г.

Таким образом, выполнено исследование влияния толщины экранированного одномодового ПДВ на энергетические характеристики и характеристики направленности ДАВВ. Исследование проведено методом математического моделирования в режиме возбуждения апертуры ДАВВ поверхностной TE — волной. Результаты исследования в виде распределений КПД, КНД, парциального коэффициента усиления и углового направления максимума ДН в координатах «толщина ПДВ — период решётки» представлены картами линий уровня и позволяют выбрать предпочтительную толщину волновода из поликора или полистирола в режиме, близком к поперечному излучению.

• 1. Oliner A.A. Leaky-wave antennas / A.A. Oliner, D.R. Jackson. — Antenna Engineering Handbook, J. L. Volakis, Ed. — New York: McGraw Hill, 2007. Ch. 11. — 55 p.
• 2. Bozzi M. Review of substrate-integrated waveguide circuits and antennas / M. Bozzi, A. Georgiadis, K. Wu // IET Microw. Antennas Propag. — 2011. — Vol. 5(8). — P. 909−920. Ch. 11. — 55 p.
• 3. Евдокимов А. П. Антенны дифракционного излучения // Физические основы приборостроения. — 2013. — Т. 2, № 1. — С. 108−124.
• 4. Шестопалов В. П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. — Киев: Наук. думка, 1985. — 216 с.
• 5. Останков А. В. Ретроспективный анализ возможностей, конструкций и основных характеристик дифракционных антенн вытекающей волны // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2010. — Т. 6, № 8. — С. 75−81.
• 6. Плоская измерительная антенна с.в.ч.-диапазона волн с электронным управлением поляризации излучения / К. Б. Меркулов, А. В. Останков, Ю. Г. Пастернак и др. // Приборы и техника эксперимента. — 2003. — Т. 46, № 3. — С. 162−163.
• 7. Высокотехнологичная антенна вытекающей волны на основе дифракционной решетки с периодической гребенчатой структурой / Д. Ю. Крюков, А. В. Останков, Ю. Г. Пастернак, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2015. — Т. 11, № 6. — С. 80−83.
• 8. Останков А. В. Решение задачи дифракции электромагнитной волны на периодической многослойной гребенчатой структуре и его применение для анализа перспективных вариантов микроволновых антенн дифракционного излучения // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. — 2015. — № 5−6. — С. 20−27.
• 9. Experimental studies of the characteristics of a comb antenna with two notches and a dielectric layer / A.I. Klimov, K.B. Merkulov, A.V. Ostankov et al. // Instruments and Experimental Techniques. — 1999. — Vol. 42, № 4. — P. 539−542.
• 10. Останков А. В. Расчет частотно-сканирующей антенны дифракционного излучения / А. В. Останков, Ю. Е. Калинин // Радиотехника. — 2014. — № 3. — C. 83−87.
• 11. Останков А. В. Оптимизация распределительно-излучающей системы дифракционной антенны по критерию минимума угловой дисперсии в полосе частот / А. В. Останков, Ю. Е. Калинин, Ю. С. Сахаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2013. — Т. 9, № 6−3. — С. 30−32.
• 12. Provalov S.A. Investigations of the fields in a bounded planar dielectric waveguide / S.A. Provalov, S.D. Andrenko // Telecommunications and radio engineering. — 2009. — Vol. 68(6). — P. 475−485.
• 13. Взятышев, В. Ф. Диэлектрические волноводы. — М.: Сов. радио, 1970. — 213 с.
• 14. Останков А. В. Угловая дисперсия антенны дифракционного излучения / А. В. Останков, И. А. Кирпичёва, А. И. Рябчунов // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2015. — Т. 11, № 4. — С. 76−79.
• 15. Останков А. В. Синтез излучающего гребенчатого раскрыва антенны вытекающей волны // Радиотехника. — 2012. — № 2. — С. 38−44.
• 16. Sirenko Y.K. Modern theory of gratings. Resonant scattering: Analysis techniques and phenomena / Y.K. Sirenko, S. Strцm. — Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2012. — 408 p.
• 17. Останков А. В. Анализ и оптимизация дифракционной антенны поверхностной волны // Антенны. — 2010. — № 9 (160). — С. 44 53.
• 18. Калиничев В. И. Дифракция поверхностных волн на решетке металлических стержней и анализ диэлектрической антенны вытекающей волны / В. И. Калиничев, Ю. В. Куранов // Радиотехника и электроника. — 1991. — Т. 36, № 10. — С. 1902;1909.
• 19. Чередниченко В. Ф. Расчет оптимального шага дифракционной решетки в составе излучающего раскрыва антенны вытекающей волны миллиметрового диапазона [Электронный ресурс] // Современные научные исследования и инновации. — 2014. — № 7. — URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/07/36 583 (дата обращения: 04.04.2016).