ПЛОСКАЯ АНТЕННА
PLANE ANTENNA

Предлагаемое устройство относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и в охранных устройствах и системах диапазонов СВЧ (сверхвысоких частот) и КВЧ (крайне высоких частот).
Известная плоская антенна с использованием поверхностной волны [1], выполненная на основе экранированного диэлектрического радиального волновода с решеткой концентрических металлических колец, возбуждаемая через щель в центре экрана, над которой на внешней поверхности диэлектрического волновода расположен согласующий элемент в виде металлического диска. Антенна представляет собой антенную решетку с центральным питанием и излучением по нормали к плоскости раскрыва.
Недостатком этой антенны является низкая эффективность (определяемая как произведение коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента использования поверхности (КИП) раскрыва антенны), которая, как правило, не превышает 50%. Это обусловлено тем, что при реализуемом в антенне азимутальном амплитудном распределении поля в раскрыве ее КИП обычно не превышает 50%. Кроме того, излучение этой антенны неизбежно содержит значительную ортогонально-поляризованную составляющую. Другая известная плоская антенна с возможностью излучения по нормали к плоскости раскрыва [2], содержащая, в частности, две щелевых подрешетки, возбуждаемых в центре с помощью линейной решетки на основе неизлучающего диэлектрического волновода (НРД), обладает узкой полосой рабочих частот, поскольку возбуждение НРД производится с его торца, что ведет к быстрому расщеплению главного лепестка диаграммы направленности.
Наиболее близким аналогом является щелевая антенная решетка с излучением по нормали к плоскости раскрыва [3], принятая за прототип.
На фиг.1 представлен чертеж антенны-прототипа, где обозначено:
1 - волноводная полость;
2 - верхняя и нижняя металлические пластины;
3 - решетка излучающих щелей;
4 - щель связи;
5 - металлические (отражающие) бортики;
6 - устройство возбуждения (распределения мощности).
Антенна-прототип содержит волноводную полость 1, образованную параллельными металлическими пластинами 2, нижняя из них играет роль экрана, а верхняя содержит решетку излучающих щелей 3. В нижней пластине 2 находится щель связи 4 волноводной полости с устройством возбуждения (распределения мощности) 6, которое выполнено в виде секториальной рупорной антенны. Металлические отражающие бортики 5 расположены между краями верхней и нижней металлических пластин 2 и электрически соединены с ними.
Недостатками антенны-прототипа являются громоздкость конструкции и узкополосность, обусловленная проблемой согласования антенны с питающей линией передачи, присущая резонансным щелевым антенным решеткам, и малая эффективность, т.е. произведение коэффициента полезного действия антенны и коэффициента использования поверхности излучающего раскрыва.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности антенны, расширение полосы рабочих частот, улучшение согласования с питающей линией передачи и повышение компактности конструкции.
На фиг.1 представлен чертеж антенны-прототипа; на фиг.2 - чертеж предлагаемой антенны; на фиг.3 - вариант исполнения конструктивных элементов предлагаемой антенны; на фиг.4 - схема предлагаемой антенны, поясняющая принцип ее действия.
Для решения поставленной задачи в плоской антенне, содержащей плоский волновод, нижняя пластина которого является металлическим экраном, снабженный щелью связи с устройством возбуждения, а также щелевую решетку и отражающие металлические бортики, электрически соединенные с металлическим экраном и расположенные по противоположным краям плоского волновода, согласно изобретению плоский волновод выполнен диэлектрическим, на внешней стороне которого расположена щелевая решетка, состоящая из параллельных друг другу металлических лент, с периодом порядка длины волны в плоском диэлектрическом волноводе, причем щель связи служит для возбуждение поверхностных волн в плоском диэлектрическом волноводе по всей его ширине, при этом устройство возбуждения выполнено в виде линейной решетки излучателей, металлические отражающие бортики расположены по краям плоского волновода, параллельно металлическим лентам щелевой решетки, и выполнены в виде сплошных стенок или рядов металлических штырей.
На фиг.2 представлен чертеж предлагаемой плоской антенны, где обозначено:
1 - плоский диэлектрический волновод (ПДВ);
2 - металлическая пластина (экран);
3 - щелевая (дифракционная) решетка из металлических лент;
4 - щель связи;
5 - металлические отражающие бортики;
6 - металлический желобковый волновод:
7 - диэлектрическая подложка;
8 - система металлических полосковых элементов.
На фиг.3 приведен чертеж конструктивных элементов предлагаемой антенны, где обозначения с 1 по 8 аналогичны обозначениям на фиг.2, а 9 - отверстие в центре металлического желобкового волновода 6.
Предлагаемая антенна содержит плоский диэлектрический волновод (ПДВ) 1, расположенный на металлическом экране 2, на внешней поверхности ПДВ 1 размещена дифракционная решетка 3 из металлических лент, в которой края смежных лент образуют излучающие щели, причем центральная лента дифракционной решетки 3 имеет ширину порядка периода решетки (расстояния между центрами смежных лент). Кроме того, в центре экрана 2 расположена щель связи 4 с устройством возбуждения в виде комбинации металлического желобкового волновода 6, в котором размещена линейная антенная решетка на основе гребенчатой полосковой линии - диэлектрическая подложка 7 и система металлических полосковых элементов 8 (фиг.3).
Вдоль торцов ПДВ 1, параллельных кромкам лент щелевой решетки 3, размещены металлические отражающие бортики 5, электрически соединенные с экраном 2. Причем металлические бортики 5 могут быть установлены вдоль других торцов ПДВ 1, перпендикулярно металлическим лентам щелевой решетки 3, для снижения уровня бокового излучения антенны. Отверстие 9 находится в центре металлического желобкового волновода 6, как показано на фиг.3.
Принцип действия предлагаемой антенны поясняется с помощью фиг.4, на которой обозначены: 1 - ПДВ, 2 - металлический экран, 3 - щелевая решетка из металлических лент; 4 - щель связи с устройством возбуждения (находится под центральной лентой и вытянута вдоль оси OY).
В заявляемой плоской антенне при возбуждении щели связи 4 волной с поляризацией вектора напряженности электрического поля E, перпендикулярной широким кромкам щели связи 4, в ПДВ 1 возбуждается поверхностная волна типа ТМ, распространяющаяся в обе стороны от металлический центральной ленты щелевой решетки 3. При ее рассеянии на дифракционной решетке 3 возникает излучение с H-поляризацией (вектор E в плоскости раскрыва ориентирован вдоль оси OX, т.е. перпендикулярен кромкам лент щелевой решетки 3).
nmax
Направления излучения обеих половин раскрыва антенны (которые на центральной рабочей длине волны лежат в плоскости XOZ) определяются углами Θ относительно нормали к плоскости раскрыва:
nmax
sinΘ=γ(λ)+nλ/d,
ф
где γ(λ)=c/v - замедление фазовой скорости поверхностной волны ПДВ;
λ - рабочая длина волны; d - период решетки; n - номер пространственной гармоники (ПГ) поля излучения.
-1max
Прием и излучение электромагнитных волн антенной обеспечиваются в режиме работы на минус 1-й ПГ. Очевидно, что на длине волны, на которой замедление поверхностной волны ПДВ 1 равно отношению длины волны к периоду решетки, Θ=0, излучение обеих половин раскрыва оказывается синфазным в направлении нормали к его плоскости, т.е. вдоль оси OZ (имеет место резонансная дифракция Брэгга второго порядка). Благодаря тому что центральная лента решетки 3 имеет ширину порядка периода решетки, а толщина ПДВ 1 выбирается порядка четверти длины волны в диэлектрике, обеспечивается минимальное отражение от входа антенны, так что КСВ на данной длине волны может быть близким к 1. Причем хорошее согласование сохраняется в полосе частот, большей 5%. Использование поверхностных волн ПДВ 1 позволяет обеспечить высокий КПД антенны. При относительной толщине ПДВ 1 не более 0,2÷0,3 максимальной длины волны излучения обеспечивается практически одномодовый режим распространения волны типа ТМ, что позволяет получить излучение антенны с весьма низким уровнем паразитной (ортогональной) поляризации. Устройство возбуждения может быть выполнено в виде компактной линейной антенной решетки (в виде комбинации металлического желобкового волновода 6, в котором размещена линейная антенная решетка на основе гребенчатой полосковой линии - диэлектрическая подложка 7 и система металлических полосковых элементов 8), что позволяет минимизировать габариты и массу антенны в целом.
Пример конкретного выполнения антенны иллюстрируется фиг.3. В данном примере для возбуждения щели в экране ПДВ 1 предложено устройство в виде гребенчатой полосковой линии (7-8), размещенной в прямоугольном желобковом волноводе 6 и питаемой в центре прямоугольным металлическим волноводом через отверстие 9. Работоспособность этого варианта антенны проверена путем компьютерного моделирования и экспериментально в СВЧ-диапазоне на частотах 9-10 ГГц. Установлено, например, что полоса рабочих частот по уровню КСВ≈2 составила 5%, а при максимальном коэффициенте усиления 28.7 дБ максимальная эффективность антенны составила 74%.
Таким образом, предлагаемая антенна имеет более широкую полосу частот, лучшее согласование с питающей линией передачи, сниженный уровень ортогонально поляризованного излучения и повышенную компактность конструкции.
Источники информации
1. Микроволновая направленная антенна с использованием поверхностной волны (US Patent №4536767), 20.08.1985.
2. Электромагнитный излучатель, использующий неизлучающий диэлектрический волновод с вытекающей волной (US Patent №5416492, 16.05.1995).
3. Щелевая антенная решетка (US Patent №5173714, 22.12.1992).