ПЛОСКАЯ АНТЕННА ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ
PLANAR LEAKY-WAVE ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации, а также в охранных устройствах и системах диапазонов СВЧ (сверхвысоких частот), КВЧ (крайне высоких частот).
Известна плоская антенна [РФ №2435260 от 27.11.2011, МГЖ H01Q 13/00], выполненная на основе плоского диэлектрического волновода (ПДВ) с дифракционной решеткой из металлических лент. Принцип действия антенны основан на использовании явления дифракции неоднородных плоских (поверхностных) электромагнитных волн плоского диэлектрического волновода (ПДВ) на решетке. Для возбуждения поверхностных волн в антенне имеется внешнее по отношению к ПДВ устройство, выполненное, например, в виде металлического желобкового волновода с размещенной в нем линейной антенной решеткой на основе гребенчатой полосковой линии.
Антенна характеризуется высокой эффективностью (под эффективностью подразумевается произведение коэффициента полезного действия и коэффициента использования поверхности раскрыва), достигающей 70 и более процентов. Вместе с тем конструкция известной антенны недостаточно технологична, поскольку изготовление антенны требует выполнения нескольких различных технологических операций, связанных как с печатной технологией, так и с металлообработкой. Кроме того, при масштабном копировании антенны, используемой на частотах свыше 30-40 ГГц, существенно ужесточаются технологические допуски.
Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является диэлектрическая антенна вытекающей волны [US 20080303734 от 11.12.2008, МПК H01Q 13/26, H01Q 13/28], принятая за прототип.
Антенна-прототип содержит плоский диэлектрический волновод, состоящий из верхнего и нижнего диэлектрических слоев и размещенный на металлическом экране, решетку, состоящую из параллельных друг другу металлических лент, сгруппированных в пары на внешней стороне верхнего слоя диэлектрического волновода, элемент связи с питающей антенну линией передачи, устройство возбуждения плоского диэлектрического волновода - параллельный лентам решетки полосковый проводник с левым и правым рядами боковых полосковых выступов, расположенный между верхним и нижним слоем плоского диэлектрического волновода, причем боковые полосковые выступы размещены с периодом, равным длине волны в полосковой линии, образованной полосковым проводником, плоским диэлектрическим волноводом и экраном.
'
Ряды боковых полосковых выступов могут быть либо симметричными относительно продольной оси полоскового проводника, либо смещенными вдоль нее на расстояние в четверть длины волны в полосковой линии. Расстояния d и d между центром полоскового проводника и центрами пар расположенных слева и справа ближайших лент решетки неодинаковы и отличаются на величину, равную половине периода чередования пар лент решетки.
'
При подаче электромагнитных колебаний с помощью питающей линии передачи на вход элемента связи в устройстве возбуждения возникают электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль полоскового проводника. Наличие неоднородностей с обеих сторон полоскового проводника в виде рядов боковых полосковых выступов приводит к утечке энергии из полосковой линии и обеспечивает синфазное возбуждение поверхностных волн в плоском диэлектрическом волноводе. В результате взаимодействия поверхностных волн с парами лент левой и правой частей решетки возникают вытекающие волны, которые за счет различия расстояний d и d на величину половины периода решетки (период выбирается равным длине поверхностной волны в диэлектрическом волноводе) оказываются синфазными в направлении нормали к плоскости раскрыва и обеспечивают максимальное излучение. Как заявлено авторами, этот положительный эффект имеет место как при симметричном расположении рядов боковых полосковых выступов, так и при их сдвиге на четверть длины волны вдоль краев полоскового проводника для компенсации отражений. Очевидно, что при равенстве расстояний d и d вытекающие волны окажутся противофазными и при симметрии левой и правой частей антенны излучение в направлении нормали к плоскости раскрыва исчезнет.
Недостатками антенны-прототипа являются асимметрия диаграммы направленности, в частности, ее боковых лепестков в плоскости, перпендикулярной плоскости диэлектрического волновода и продольным осям металлических лент решетки; сложность конструкции, обусловленная использованием двухслойного диэлектрического волновода; высокие требования к точности изготовления антенны; низкая технологичность изготовления.
Задача настоящего изобретения состоит в упрощении конструкции, повышении технологичности изготовления антенны.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении симметрии формы диаграммы направленности, упрощении конструкции, снижении требований к точности и повышении технологичности изготовления антенны.
Технический результат достигается тем, что в плоской антенне вытекающей волны, включающей плоский диэлектрический волновод, решетку из параллельных металлических лент, элемент связи с питающей линией передачи, полосковый проводник с рядами боковых полосковых выступов с обеих сторон, согласно изобретению плоский диэлектрический волновод содержит один диэлектрический слой, полосковым проводником служит центральная лента решетки, ряды боковых полосковых выступов с левой и правой стороны полоскового проводника смещены друг относительно друга вдоль его краев на расстояние, равное половине периода следования выступов, а расстояния между продольной осью центральной ленты и центрами расположенных слева и справа ближайших лент решетки одинаковы.
Элементом связи может служить, например, прямоугольная щель, прорезанная в экране и расположенная под точкой пересечения продольной и поперечной осей полоскового проводника так, что центры боковых выступов, ближайших к точке пересечения продольной и поперечной осей полоскового проводника слева и справа, отстоят от нее на расстояние порядка половины длины волны в полосковой линии, образованной полосковым проводником, плоским диэлектрическим волноводом и экраном.
Для обеспечения высокого КПД антенны на противоположных концах полоскового проводника могут быть использованы короткозамыкающие перемычки, расположенные на одинаковых расстояниях от центров крайних боковых выступов и электрически соединяющие проводник с металлическим экраном, а вдоль торцов ПДВ 1 параллельно лентам решетки могут быть установлены отражающие металлически бортики.
На фиг.1 изображена конструкция плоской антенны вытекающей волны.
На фиг.2 представлены диаграммы направленности антенны, нормированные по мощности на центральной частоте 10,6 ГГц: a) FH(θ) - в плоскости вектора H; б) FE(θ) - в плоскости вектора Е.
На фиг.3 представлены полученные путем компьютерного моделирования частотные характеристики коэффициента усиления антенны и его измеренные значения.
На фиг.4 представлены полученные путем компьютерного моделирования частотные характеристики коэффициента стоячей волны напряжения по входу антенны в полосе частот 10-11 ГГц и его измеренные значения.
Плоская антенна содержит плоский диэлектрический волновод (ПДВ) 1, размещенный на металлическом экране 2, решетку 3, состоящую из параллельных друг другу металлических лент, расположенных на внешней стороне диэлектрического волновода 1, элемент связи 4 с питающей антенну линией передачи, устройство возбуждения плоского диэлектрического волновода в виде параллельного лентам решетки 3 полоскового проводника 5 с рядами боковых полосковых выступов 6 с левой и правой стороны, размещенных с периодом порядка длины волны колебаний в полосковой линии, образованной полосковым проводником 5, плоским диэлектрическим волноводом 1 и экраном 2. Причем плоский диэлектрический волновод 1 содержит один диэлектрический слой. Полосковый проводник 5 расположен на внешней поверхности диэлектрического волновода 1 в одной плоскости с лентами решетки 3, и им служит центральная лента решетки. Ряды боковых полосковых выступов 6 с левой и правой стороны полоскового проводника 5 смещены друг относительно друга вдоль его краев на расстояние, равное половине периода следования выступов. Расстояния между продольной осью центральной ленты и центрами расположенных слева и справа ближайших лент решетки одинаковы.
В заявляемой плоской антенне при возбуждении щели связи волной с перпендикулярной широким кромкам щели поляризацией вектора напряженности электрического поля E, в полосковой линии, образованной полосковым проводником 5, ПДВ 1 и экраном 2, как и в антенне-прототипе, появляются волны, распространяющиеся в противоположные стороны. Наличие неоднородностей в виде рядов выступов 6 с левой и правой стороны, как и в антенне-прототипе, вызывает утечку энергии из полосковой линии и возбуждение поверхностных волн типа ТМ в плоском диэлектрическом волноводе 1, которые распространяются вдоль поверхности волновода влево (-ОХ) и вправо (+ОХ) по отношению к полосковому проводнику 5, перпендикулярно лентам решетки 3.
В отличие от антенны-прототипа, расстояния d и d между центром полоскового проводника 5 и центрами расположенных слева и справа ближайших лент решетки 3 равны, но при рассеянии поверхностных волн на лентах левой и правой частей решетки 3 возникают вытекающие волны, которые синфазно суммируются в направлении нормали (+OZ) к плоскости раскрыва антенны и обеспечивают эффективное излучение с Н-поляризацией (вектор E в плоскости раскрыва ориентирован вдоль оси ОХ, т.е. перпендикулярен кромкам лент решетки 3).
nmax
Направления излучения обеих частей 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)=с/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 пространственной гармонике. 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 5 решетки 3 имеет ширину порядка периода решетки, а толщина ПДВ 1 выбирается порядка четверти длины волны в диэлектрике, в заявляемой антенне даже при использовании одиночных лент обеспечиваются минимальные отражения от входа антенны, так что коэффициент стоячей волны (КСВ) на данной длине волны может быть близким к 1.
Пример 1.
Для демонстрации работоспособности заявляемой антенны выполнены расчеты параметров конструкции. Компьютерное моделирование проводилось с помощью программы Ansoft HFSS. Изготовлен действующий макет плоской антенны для работы в СВЧ диапазоне на центральной частоте 10,6 ГГц в полосе±0,2 ГГц и измерены его основные электрические характеристики.
2
Параметры конструкции для компьютерной модели и действующего макета антенны (Фиг.1): размеры ПДВ 1 Lx=266 мм, Ly=258 мм; толщина ПДВ h=5,2 мм, относительная диэлектрическая проницаемость материала ПДВ (фторопласт-4) е=2,0; тангенс угла диэлектрических потерь 0,0004; толщина полосковых элементов и лент решетки 3 составляет 0,1 мм, толщина экрана 2-1,5 мм, материал - алюминий; период ленточной решетки D=23 мм, ширина лент W=12 мм; ширина полоскового проводника 5 (центральной ленты решетки) Wc=18 мм, расстояние от середины центральной ленты до центров лент слева и справа d=d'=29 мм; период следования боковых полосковых выступов 6 dl=20,5 мм; ширина выступов wl=4 мм; длина выступов s=5 мм. Для обеспечения высокого КПД антенны концы полоскового проводника замкнуты накоротко перемычками 7 на экран 2 на расстояниях 5,5 мм от центров крайних выступов, а вдоль торцов ПДВ 1 параллельно лентам решетки 3 на расстоянии 5 мм от кромок крайних лент установлены отражающие металлически бортики 8 длиной 260 мм, толщиной 0,5 мм и высотой 5,2 мм, электрически соединенные с экраном 2. Щель связи 4 имеет размеры 23×10 мм.
Таким образом, антенна имеет простую однослойную конструкцию и может быть изготовлена целиком по технологии производства печатных плат, причем перемычки 7 и отражающие бортики 8 могут быть изготовлены в виде рядов металлизированных отверстий в ПДВ 1 (технология SIW - substrate integrated waveguide).
Пример 2.
Результаты компьютерного моделирования электрических характеристик антенны показали, что диаграммы направленности и их боковые лепестки в E- и H- плоскостях действительно симметричны. Из Фиг.2 очевидно, что уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны в E- и H-плоскостях в полосе частот 10,4-10,7 ГГц не превышает -12 ДБ.
Значения коэффициента усиления оказались лишь на 0,1-0,4 дБ ниже значений коэффициента направленного действия, что свидетельствует о весьма высоком (близком к 1) коэффициенте полезного действия антенны. Измеренные значения коэффициента усиления и КСВ показаны маркерами в виде черных точек на фиг.3 и фиг.4.
Измерения коэффициента усиления проводились по стандартной методике с использованием измерительной антенны П6-23А; частотная характеристика КСВ измерена с помощью панорамного измерителя коэффициента стоячей волны напряжения Р2-61.
Как следует из приведенных на фиг.4 данных, максимальный измеренный коэффициент усиления (КУ) антенны составил 28 дБ на частотах 10,5-10,7 ГГц (по результатам моделирования 27,9 дБ) и, соответственно, эффективность антенны достигла 60%; причем, в полосе частот от 10,4 до 10,8 ГГц КУ составил 27 дБ (эффективность 50%). Частотные характеристики КСВ (фиг.4) показывают, что антенна характеризуется хорошим согласованием с питающим волноводом (измеренный КСВ в полосе частот от 10,0 до 11,0 ГГц не более 1,85 при минимальном значении 1,3 на частоте 10,6 ГГц). Измеренные частотные характеристики КУ и КСВ весьма близки по форме к характеристикам, полученным при моделировании.
Таким образом, предлагаемая антенна отличается симметрией формы и боковых лепестков диаграммы направленности, повышенной эффективностью, более простой и технологичной конструкцией, а также сниженными требованиями к точности изготовления.