ПЛОСКАЯ АНТЕННА С УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
PLANAR ANTENNA WITH CONTROLLED POLARISATION CHARACTERISTIC

Предлагаемое устройство относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и в охранных устройствах и системах, а также системах приема передач спутникового телевизионного и радиовещания диапазонов сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ).
Известна 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 и может обеспечивать управление поляризацией излучения.
Недостатком этой антенны является низкая эффективность, определяемая как произведение коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента использования поверхности (КИП) раскрыва антенны, которая не превышает 50%. Это обусловлено тем, что при реализуемом в антенне азимутальном амплитудном распределении поля в раскрыве ее КИП не может быть выше 50%. Кроме того, излучение этой антенны неизбежно содержит значительную ортогонально-поляризованную составляющую.
Известна микрополосковая антенная решетка [2] для приема/излучения волн с двумя ортогональными поляризациями, в которых используется многослойная металлодиэлектрическая структура с двумерными решетками полосковых излучателей, обладающая высокой эффективностью в режиме излучения по нормали к плоскости раскрыва.
Недостатком данной антенны является сложность конструкции, содержащей 7-9 слоев с различными электрофизическими параметрами, формой и топологией металлических элементов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является планарная двухполяризационная антенна с наклонным излучением по отношению к нормали к плоскости раскрыва [3], принятая за прототип.
На фиг.1 представлен чертеж антенны-прототипа, где обозначено:
1, 2 - линейные решетки излучающих элементов, образующие устройство возбуждения планарного металлодиэлектрического волновода;
3 - планарный металлодиэлектрический волновод с двумерной решеткой излучающих элементов, расположенный на металлическом экране.
Антенна-прототип содержит линейные решетки излучающих элементов 1 и 2, установленные у торцов планарного металлодиэлектрического волновода 3, и образующие устройство возбуждения планарного металлодиэлектрического волновода 3. При подаче СВЧ-колебаний либо на вход линейной решетки 1, либо на вход линейной решетки 2 антенна излучает волны с ортогональными поляризациями. В данной антенне достигается КИП, превышающий 50%.
Недостатками антенны-прототипа являются: работа в режиме наклонного излучения по отношению к плоскости излучающего раскрыва, а также узкая полоса рабочих частот антенны при ее фиксированной ориентации в пространстве, ограниченная частотной зависимостью положения диаграммы направленности (ДН) в угломестной плоскости.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение работы антенны в режиме излучения по нормали к плоскости излучающего раскрыва с управляемой поляризацией, а также расширение полосы рабочих частот.
Для решения поставленной задачи в плоской антенне с управляемой поляризационной характеристикой, содержащей металлический экран и плоский диэлектрический волновод, на внешней поверхности которого размещена двумерная решетка основных излучающих элементов, а также устройство возбуждения плоского диэлектрического волновода в виде двух линейных решеток вспомогательных излучающих элементов, согласно изобретению основные излучающие элементы двумерной решетки расположены в узлах квадратной сетки с периодом порядка длины волны в плоском диэлектрическом волноводе, причем ширина центральных ортогональных рядов основных излучающих элементов имеет размер порядка периода решетки, а линейные решетки вспомогательных излучающих элементов, образующие устройство возбуждения, расположены ортогонально друг другу, имеют общий центральный вход, а экран снабжен крестообразной щелью, расположенной под центральными основными излучающими элементами двумерной решетки.
11
На фиг.1 представлен чертеж антенны-прототипа; на фиг.2 - общий вид предлагаемой антенны с вырезанной частью ПДВ для показа крестообразной щели; на фиг.3 а) - чертеж предлагаемой антенны; на фиг 3 б) - металлический экран с крестообразной щелью; на фиг.4 а), б) - пример выполнения первого устройства возбуждения предлагаемой антенны; на фиг.5 - схема предлагаемой антенны, поясняющая принцип ее действия; на фиг.6 - общий вид предлагаемой антенны с дополнительными бортиками; на фиг.7 - пример выполнения второго устройства возбуждения предлагаемой антенны; на фиг.8 - частотные зависимости модуля коэффициента отражения напряжения (а) и коэффициента усиления G антенн (б); на фиг.9 - ДН антенн в E- и H-плоскостях на частоте 9,6 ГГц: базовой («модельной») антенны (а) и антенны с устройством возбуждения на основе линейных решеток (б); на фиг.10 - частотные зависимости модуля коэффициента отражения напряжения s (а) и коэффициента усиления G антенн (б); на фиг.11 - диаграммы направленности в E- и H-плоскостях антенны с устройством возбуждения в виде линейных полосковых решеток ступенчатого типа на частоте 9,7 ГГц.
На фиг.2, 3а), 3б), 4а), 4б), 5 приняты следующие обозначения:
1, 2 - линейные решетки вспомогательных излучающих элементов;
3 - плоский диэлектрический волновод (ПДВ) с двумерной решеткой основных излучающих элементов;
4 - металлический экран;
5 - устройство возбуждения;
6, 7 - отверстия в экране, образующие крестообразную щель;
8 - крестообразная щель;
Z, X, Y - оси координат;
d - период двумерной решетки;
w - длина стороны излучателя.
9 - общий вход устройства возбуждения.
Предлагаемая антенна содержит металлический экран 4, плоский диэлектрический волновод 3, на внешней поверхности которого имеется двумерная решетка основных излучающих элементов, а также устройство возбуждения плоского диэлектрического волновода 5 в виде двух линейных решеток вспомогательных излучающих элементов 1 и 2, которые расположены в узлах квадратной сетки с периодом порядка длины волны в плоском диэлектрическом волноводе 3, причем ширина центральных ортогональных рядов основных излучающих элементов имеет размер порядка периода решетки, а линейные решетки, образующие устройство возбуждения 5, расположены ортогонально друг другу, имеют общий центральный вход 9 и подключены через крестообразную щель 8, образованную отверстиями 6 и 7 в экране 4 под центральными основными излучающими элементами двумерной решетки.
Примером устройства возбуждения 5 (фиг.4 б) могут служить ортогональные друг другу линейные решетки 1 и 2, выполненные на основе диэлектрических волноводов с металлическими полосками, размещенных в желобковых металлических волноводах. Решетки 1 и 2 объединены в центре и имеют общий вход 9.
Эксплуатация предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
В режиме управляемой поляризации излучения предлагаемая антенна действует следующим образом. СВЧ-колебания подводятся к входу 9 устройства возбуждения 5 через переключатель поляризации (внешнее устройство, не являющееся составной частью заявляемой антенны), в частности, на основе ферритового поляризатора (на фиг.4 не показан).
Для обеспечения излучения, например, с линейной поляризацией параллельной оси ОХ (фиг.3а) переключатель поляризации возбуждает линейную решетку 1, расположенную вдоль оси OY (решетка 2, расположенная вдоль оси ОХ, остается невозбужденной). Излучение данной решетки, поляризованное перпендикулярно кромкам щели 8 в экране 4, вытянутой вдоль оси OY, подводится к ПДВ 3, в котором по обе стороны от оси OY возбуждаются поверхностные волны, распространяющиеся к краям ПДВ 3 в направлениях ±ОХ. В результате дифракции поверхностных волн на элементах двумерной решетки возникает излучение по нормали к плоскости раскрыва (оси OZ) с поляризацией, параллельной оси ОХ. Необходимым условием излучения по нормали на средней рабочей частоте антенны является обеспечение равенства замедления поверхностных волн ПДВ 3 и отношения длины волны СВЧ-колебаний к периоду двумерной решетки в направлении ОХ (резонансная дифракция Брэгга).
Принцип действия предлагаемой антенны дополнительно поясняется с помощью фиг.5. где 7 - одно из отверстий крестообразной щели, к которой подключена линейная решетка 1 устройства возбуждения 5 (находится под центральными элементами и вытянуто вдоль оси OY).
При возбуждении отверстия 7 волной с поляризацией вектора напряженности электрического поля Е, перпендикулярной широким кромкам отверстия, в ПДВ 3 возбуждается поверхностная волна типа ТМ, распространяющаяся в обе стороны от щели 7. При ее рассеянии на двумерной решетке основных излучающих элементов возникает излучение с Н-поляризацией (вектор Е в плоскости раскрыва ориентирован вдоль оси ОХ, т.е., перпендикулярен кромкам излучающих элементов).
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 (фиг.5).
-1max
Прием и излучение электромагнитных волн антенной обеспечиваются в режиме работы на минус первой ПГ (n=-1). Очевидно, что на длине волны, на которой замедление поверхностной волны ПДВ 3 равно отношению длины волны к периоду двумерной 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 центральные элементы двумерной решетки имеют ширину порядка периода решетки, а толщина ПДВ 3 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 позволяет обеспечить высокий КПД антенны. При относительной толщине ПДВ 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).
Для обеспечения излучения с поляризацией, параллельной оси OY, возбуждается линейная решетка 2, расположенная вдоль оси ОХ (решетка 1, расположенная вдоль оси OY, остается невозбужденной).
В отличие от антенны-прототипа в заявляемой антенне при ее фиксированном пространственном положении ДН в рабочей полосе частот ориентирована по нормали к плоскости раскрыва. Кроме того, это обеспечивает при равных размерах раскрыва заявляемой антенны и антенны-прототипа практически двукратное расширение полосы рабочих частот.
На фиг.6 показан пример конструктивного выполнения заявляемой антенны, в котором по периметру ПДВ могут быть установлены либо согласованные нагрузки в виде пластин 10, поглощающих электромагнитные волны (что позволяет расширить полосу рабочих частот), либо металлические бортики 10 высотой порядка толщины волновода и имеющие электрический контакт с экраном (что позволяет обеспечить максимальный КПД антенны). Кроме того, в заявляемой антенне между ПДВ и металлическим экраном можно расположить дополнительный плоский диэлектрический слой, в частности, в виде воздушного зазора толщиной не более (0,3-0,5)λ, где λ - рабочая длина волны. Наличие воздушного зазора позволит снизить тепловые потери энергии СВЧ-колебаний и, соответственно, повысить КПД антенны.
Работоспособность заявляемой антенны подтверждена путем компьютерного моделирования ее работы в режиме излучения. Выполнено моделирование двух вариантов ПА с управляемой поляризационной характеристикой - базовой («модельной») антенны, в которой имитировалось поочередное возбуждение ортогональных щелей в одномодовом режиме с косинусоидальным амплитудным распределением напряженности электрического поля в одном из двух отверстий, образующих крестообразную щель, и антенны, в которой возбуждающее ПДВ поле в крестообразной щели создается коммутируемыми линейными решетками на основе вставных ДВ с поперечными металлическими элементами. Моделирование базовой антенны позволило оценить потенциальные характеристики антенны (ширину полосы рабочих частот, эффективность, уровень боковых лепестков диаграммы направленности (УБЛ ДН)) при заданном максимальном коэффициенте усиления (КУ).
2
Компьютерное моделирование антенн выполнено в СВЧ-диапазоне на частотах 9,2-10,2 ГГц. Обе антенны имели одинаковые размеры излучающего раскрыва 23×23 см; в качестве материала ПДВ был выбран полиэтилен (относительная диэлектрическая проницаемость ε=2,25; толщина ПДВ t=6 мм. Режим нормального излучения (режим дифракции Брэгга второго порядка) на средней частоте 9,7 ГГц указанного выше диапазона при заданных параметрах ПДВ обеспечивается, например, при значении периода двумерной решетки d=24 мм и ширине размере металлических излучающих элементов w=d/2. Далее, двумерная решетка полагалась составленной из квадратных металлических элементов с размерами w=d/2, расположенных с периодом d=24 мм. Результаты компьютерного моделирования антенн приведены на фиг.8, на которой показаны частотные зависимости модуля коэффициента отражения напряжения s11 (а) и коэффициента усиления G антенн (б), а также на фиг.9, на которой показаны ДН антенн в E- и H-плоскостях - базовой («модельной») антенны (а) и антенны с устройством возбуждения на основе линейных решеток (б).
11
При моделировании базовой антенны установлено, что переключение возбуждения со щели, расположенной вдоль оси ОХ, на щель, расположенную вдоль оси OY, приводит к изменению поляризации излучения на ортогональную. Параметры базовой ПДА оказались достаточно высокими: модуль коэффициента отражения напряжения s на входе антенны не превышал -10 дБ в полосе частот 9,4-10,05 ГГц, причем максимальный КУ G=27,4 дБ (эффективность антенны 0,845) достигнут на частоте 9,6 ГГц. ДН базовой («модельной») антенны в E- и H-плоскостях на частоте 9,6 ГГц приведены на фиг.9а). Таким образом, относительная рабочая полоса частот при максимальном КУ 27,4 дБ составила 6,7%.
3
3
2
В случае антенны с реальным устройством возбуждения на основе линейных решеток приемлемое согласование имело место в полосе частот 9,35-9,85 ГГц при максимальном КУ G=25,8 дБ (эффективность антенны 0,589) на частоте 9,6 ГГц. Конструктивные параметры линейных решеток были следующими: внутренние размеры желобковых волноводов 10×25×228 мм, размеры диэлектрических вставных волноводов 10×16×228 мм (ε=2,0); размеры металлических полосок 4×8 мм, период следования 24 мм. Как видно из фиг.8а), полоса частот антенны с описанным устройством возбуждения, ограниченная снижением КУ на 3 дБ и согласованием, составила 550 МГц (5,7%). Поляризационная развязка составила более 20 дБ.
На фиг.7 показан второй пример устройства возбуждения 5, в котором используются линейные полосковые решетки 1 и 2 ступенчатого типа на диэлектрических подложках, размещенные в желобковых металлических волноводах; общий вход 9 устройства возбуждения выполнен в виде круглого металлического волновода.
На фиг.10 и 11 приведены характеристики антенны со вторым устройством возбуждения, полученные путем компьютерного моделирования.
2
Основные конструктивные параметры: размеры излучающего раскрыва 23×23 см; материала ПДВ - полиэтилен (относительная диэлектрическая проницаемость ε=2,25; толщина ПДВ t=6 мм; ширина и высота желобковых волноводов - 12 и 10 мм, толщина подложек полосковых решеток - 3 мм, относительная диэлектрическая проницаемость - 2,0, ширина полосковых проводников - 1 мм, ширина и длина излучателей - 4 и 10 мм, период расположения излучателей - 24 мм; внутренний диаметр круглого волновода - 20 мм; ширина отверстий, образующих крестообразную щель в экране ПДВ - 4 мм.
Как видно из приведенных на фиг.10 данных, антенна со вторым устройством возбуждения обеспечивает полосу частот, ограниченную согласованием, не менее 850 МГц (8,8%), максимальную эффективность на частоте 9,7 ГГц - 75,9%, т.е., близкую к эффективности «модельной» антенны. В полосе частот 700 МГц (7,2%) коэффициент усиления антенны снижается не более чем на 2 дБ. ДН в E- и H-плоскостях на частоте 9,7 ГГц антенны со вторым устройством возбуждения приведены на фиг.11. Развязка каналов по поляризации в указанной полосе частот - также более 20 дБ.
Данный пример дополнительно подтверждает работоспособность заявляемой антенны.
Таким образом, предлагаемая плоская антенна обеспечивает работу с управляемой поляризацией в режиме излучения по нормали к плоскости раскрыва. В силу того, что при возбуждении ПДВ в центре излучающий раскрыв антенны для любой из ортогональных поляризаций разбивается на две симметричных части, длины которых составляют половину длины всего раскрыва, полоса рабочих частот антенны увеличивается в два раза по сравнению со случаем возбуждения такой же точно конструкции со стороны торца ПДВ. Поэтому, в отличие от антенны-прототипа, в заявляемой антенне обеспечивается расширение полосы рабочих частот.
ЛИТЕРАТУРА
1. Микроволновая направленная антенна с использованием поверхностной волны (US Patent №4536767, 20.08.1985).
2. Dual-polarization planar antenna (US Patent №5510803, 23.04.1996).
3. Планарная антенна (заявка на изобретение РФ 2003133969).