ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЛАНАРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
PLANAR DIELECTRIC RADIATOR

Изобретение относится к антенной технике микроволнового диапазона, может быть использовано в зондирующих устройствах радиолокационного диагностического оборудования и предназначено для формирования волновых пучков излучения, обеспечивающих различную степень локализации облучения объекта диагностики, расположенного в ближней и промежуточной зонах излучателя.
Известны диэлектрические планарные излучатели, в которых возбуждение диэлектрической пластины, одна из граней которой является излучающей апертурой, обеспечивается за счет распределенной связи пластины по одной из ее граней с возбуждающим волноводом.
Так, известна диэлектрическая планарная антенна, выполненная из диэлектрической пластины, одна из граней которой возбуждается системой щелей в боковой стенке металлического волновода [1]. В такой антенне возможно формирование на ее апертуре заданного амплитудно-фазового распределения (АФР) полей. Однако излучение токов, наведенных на поверхности металлического возбуждающего волновода, существенно искажает АФР на апертуре антенны.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является диэлектрический планарный излучатель [2], выбранный за прототип. Излучатель выполнен из диэлектрической пластины и возбуждающего диэлектрического волновода, расположенного вдоль одной из граней пластины.
Недостатками такого излучателя является ограниченные возможности формирования требуемых АФР полей на апертуре и их оптимизации для формирования слаборасходящихся или слабосходящихся волновых пучков (ВП) гауссова типа, необходимых для локализованного облучения объектов на расстояниях от излучателя в пределах (0…30)λ, где λ - длина волны излучения.
Эти ограничения связаны с возможностью изменения только одного параметра прототипа - величины распределенной связи возбуждающего волновода и пластины, что не обеспечивает в полной мере формирования требуемых АФР на апертуре излучателя.
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность формирования излучения одномерного волнового пучка гауссового типа с требуемыми амплитудным и фазовым распределением для локального облучения объектов на расстояниях до десятков длин волн.
в
п
в
п
Технический результат достигается тем, что в диэлектрическом планарном излучателе, содержащем возбуждающий диэлектрический волновод и диэлектрическую пластину, одна из граней которой является излучающей апертурой, возбуждающий волновод выполнен в виде симметричного делителя на диэлектрических волноводах (ДВ), а размещенная между волноводами делителя диэлектрическая пластина выполнена в форме симметричного плоского клина, вдоль граней которого расположены диэлектрические волноводы делителя, а угол между гранями при вершине клина равен 2Θ, где Θ=arccos(U/U), где U - коэффициент замедления волн в диэлектрических волноводах делителя, U - коэффициент замедления планарных волн в диэлектрической пластине.
Диэлектрическая пластина излучателя выполнена в виде усеченного со стороны его вершины плоского клина, при этом расстояние от усеченной грани клина до точки разветвления возбуждающих клин волноводов делителя выбирается кратным нечетному числу полуволн излучения.
Диэлектрические волноводы делителя, размещенные вдоль боковых граней клина, выполнены с плавно уменьшающимся или увеличивающимся сечением по мере приближения к излучающему торцу клина.
На фиг.1 представлен диэлектрический планарный излучатель, возбуждающее устройство которого выполнено в виде диэлектрического делителя, состоящего из диэлектрического волновода 1, симметричного разветвления (делителя) 2 на два отрезка волноводов 3 и 4 в одной плоскости, расположенной между ними диэлектрической пластины 5 в виде симметричного плоского клина с углом при вершине 2Θ и излучающей гранью 6, являющейся апертурой излучателя.
Па фиг.2 представлен видоизмененный диэлектрический планарный излучатель, в котором диэлектрическая пластина 5 выполнена в виде усеченного со стороны его вершины плоского клина. Расстояние Z от усеченной грани до точки разветвления возбуждающих клин волноводов 3 и 4 делителя 2 выбирается кратным нечетному числу полуволн излучения.
На фиг.3 представлен видоизмененный диэлектрический планарный излучатель, в котором диэлектрические волноводы 3 и 4 выполнены с плавно уменьшающимся поперечным сечением по мере приближения к излучающей грани 6 пластины 5.
На фиг.4 представлен видоизмененный диэлектрический планарный излучатель, в котором диэлектрические волноводы 3 и 4 выполнены с плавно увеличивающимся поперечным сечением по мере приближения к излучающей грани 6 клина 5.
11
в
п
в
п
Диэлектрический планарный излучатель работает следующим образом. Рабочая основная волна НЕ во входном ДВ1 делителя 2 (фиг.1) возбуждает в выходных ДВ 3 и 4 симметричного делителя 2 волны ДВ того же типа с одинаковыми амплитудами и фазами. На участках распределенной связи ДВ 3 и 4 с пластиной каждый ДВ возбуждает в пластине 5 планарные волны, которые на апертуре (грань 6 пластины 5) формируют волновые пучки ВП1 и ВП2, угол распространения Θ которых по отношению к плоскости возбуждаемой грани пластины определяется коэффициентами замедления рабочих волн волноводов 3 и 4 (U) и планарных волн пластины 5 (U) через соотношение Θ=arccos(U/U).
в
п
Соотношение коэффициентов замедлений U/U выбрано таким образом, чтобы волновые пучки ВП1 и ВП2 в пластине и далее при излучении в свободное пространство через грань 6 пластины были коллинеарны плоскости симметрии пластины. Благодаря этому в одной плоскости формируется излучение с амплитудным распределением, близким к гауссову, и с фазовым распределением, близким к синфазному.
Ширина излучаемого в этой плоскости волнового пучка d, определяемая по уровню 1/е, где константа е=2,71828, пропорциональная размеру L грани 6 пластины (фиг.1), определяется известной зависимостью [3].
Для уменьшения паразитного излучения на нерегулярности, образуемой разветвлением делителя 2 (фиг.2), и для обеспечения возможности влияния на ЛФР излучаемого волнового пучка в центральной части апертуры клин выполнен с усеченной гранью, противоположной излучающей грани клина 6, причем размер Z определяется соотношением Z=nλ/2, где n=1, 3, 5…, λ - длина волны излучения.
в
в/
п
В диэлектрическом планарном излучателе с целью достижения дополнительной фокусировки или расфокусировки волновых пучков ВП1 и ВП2 на излучающей грани пластины участки диэлектрических волноводов 3 и 4, по мере приближения к излучающей грани 6 клина 5 выполнены с плавно уменьшающимся (фиг.3) или увеличивающимся (фиг.4) поперечным сечением. Это обеспечивает соответственно уменьшение или увеличение коэффициентов замедления волн U в ДВ 3 и 4 и в соответствии с соотношением Θ=arccos(UU), увеличивает или уменьшает угол излучения, что приводит к эффекту увеличения сходимости или расходимости пучков ВП1 и ВП2.
Были изготовлены и экспериментально проверены образцы диэлектрического планарного излучателя со следующими параметрами.
2
1. Подводящий ДВ1 делителя 2 (фиг.1) сечением 1,0×2,2 мм.Сечение волноводов 3,4 выбрано равным 0,5×2,2 мм.
Угол 2Θ в вершине клина 5 равен 30°, толщина клина 5 равна 0,5 мм, размер излучающей грани 6 клина равен 18,8 мм.
Материал диэлектрического клина и волноводов - фторопласт-4 (ε=2,08). Длина волны λ - 3 мм.
2. Диэлектрический излучатель с усеченным клином (фиг.2). Параметры излучателя такие же, как у первого образца.
Расстояние Z=7,5 мм.
Экспериментальные АФР изготовленных образцов излучателей подтвердили гауссов характер излучения на расстояниях от 3 до 100 мм (1-33)λ. Ширина пучка на этих расстояниях меняется от 8 до 13 мм. Для второго образца получено практическое совпадение экспериментального амплитудного распределения с гауссовым распределением в пределах ширины пучка и снижение уровня боковых лепестков по сравнению с первым образцом.
Литература
01
1. А.С. №74660, 21а, 46. Брауде Б.В. Диэлектрическая плоскостная антенна.
2. А.С. №778626, H012Q 13/28. Взятышев В.Ф., Подковырин СИ. и Соловьев А.А. Диэлектрическая планарная антенна (прототип).
3. Патент RU 2447552С1, H01Q 21/00. Взятышев В.Ф., Гайнулина Е.Ю., Орехов Ю.И., Макарычев Н.А. Планарный излучатель.