SINGLE-MODE APPROXIMATION IN THE PROBLEM OF THE DIELECTRIC LEAKY WAVE ANTENNA SYNTHESIS
Authors: Останков А.В. , Останков С.А. , Литвинов Г.В. , Дашян С.Ю. , Щетинин Н.Н. 
Published: October 2022

Электродинамическое моделирование диэлектрической антенны вытекающей волны с дифракционной решёткой, содержащей большое число периодов с неоднородностями, занимает значительное время даже в современных коммерческих пакетах электромагнитного анализа. Оценку и оптимизацию показателей направленности таких антенн принято выполнять на основе численных проекционных моделей. Рассматривается авторская проекционная модель, полученная методом частичных областей и использующая описание поля в канавках гребенчатой решётки в виде ансамбля волноводных мод, число которых определяет точность моделирования и размерность итоговой системы линейных алгебраических уравнений. Приведены соотношения, позволяющие выполнить анализ основных показателей диэлектрической антенны, содержащей планарный диэлектрический волновод и проводящую гребенчатую решётку, в режиме излучения вертикально поляризованной радиоволны, включая случай одномодового приближения, при котором в канавках учитывается одна волноводная мода. На конкретных примерах для разных режимов излучения показана целесообразность одномодового приближения для экспресс-анализа и параметрического синтеза диэлектрической антенны. Установлено, что потеря точности при оценке основных энергетических показателей и показателей направленности антенны в режиме наклонного излучения является допустимой. Выяснено, что при переходе к одномодовому приближению оптимизируемый показатель диэлектрической антенны, как правило, наиболее устойчив по величине. Показано, что учёт в канавках решётки одной моды при числе элементов решётки от 30 и более гарантирует выигрыш по времени на порядок и более. Указывается, что одномодового приближения для анализа и синтеза антенны в режиме, близком к брэгговской дифракции, следует избегать в связи с потерей точности

Electrodynamic modeling of a dielectric leaky wave antenna with a diffraction grating containing a large number of periods with inhomogeneities takes a significant amount of time even in modern commercial electromagnetic analysis packages. It is customary to evaluate and optimize the directivity indicators of these antennas on the basis of numerical projection models. Here we consider our projection model obtained by the partial area method and using the description of the field in the grooves of a comb grating in the form of an ensemble of waveguide modes, the number of which determines the accuracy of modeling and the dimension of the final system of linear algebraic equations. There are relations that allow analyzing the main parameters of a dielectric antenna containing a planar dielectric waveguide and a conducting comb grating in the mode of radiation of a vertically polarized radio wave, including the case of a single-mode approximation, in which one waveguide mode is taken into account in the grooves. Using specific examples for different radiation modes, we show the expediency of a single-mode approximation for express analysis and parametric synthesis of a dielectric antenna. We established that the loss of accuracy in assessing the main energy indicators and directivity indicators of the antenna in the oblique radiation mode is acceptable. We found out that in the transition to the single-mode approximation, the optimized index of the dielectric antenna, as a rule, is the most stable in magnitude. WE shown that accounting in one mode grating grooves with a number of grating elements of 30 or more guarantees a gain in time by an order or more. We pointed out that the single-mode approximation for the analysis and synthesis of an antenna in a regime close to Bragg diffraction should be avoided due to the loss of accuracy