ПЛАНАРНЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
PLANAR DIELECTRIC RADIATOR

Изобретение относится к антенной технике КВЧ диапазона, может быть использовано в зондирующих устройствах диагностического оборудования, в возбудителях квазиоптических линий передач миллиметрового диапазона длин волн и предназначено для формирования локализованного излучения в виде волнового пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн.
Известны диэлектрические излучатели в виде торца регулярного одномодового диэлектрического волновода (ДВ) или ДВ, плавно сужающегося или расширяющегося на конце [1].
Недостатком таких излучателей является формирование быстро расходящегося волнового пучка, сохраняющего пучковые свойства излучения на расстояниях не более 5 длин волн от торца излучателя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является планарный излучатель, выбранный за прототип, состоящий из возбуждающего одномодового диэлектрического волновода и присоединенного к нему своей вершиной плоского клина, переходящего в пластину, торец которой является апертурой излучателя [2].
Излучатель, выбранный за прототип, обеспечивает распределение поля излучения по одной из поперечных координат, близкое к пучкам Гаусса-Эрмита, на расстояниях до десятков длин волн от апертуры излучателя.
Однако для ряда применений, в частности, задач многоканальной диагностики для повышения точности измерений и возможности аналитического описания поля излучения необходимо формирование амплитудного распределения, в максимальной степени аппроксимируемого пучком Гаусса-Эрмита нулевого порядка.
Недостатками излучателя, выбранного за прототип, являются ограниченные возможности формирования волнового пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка в связи с малой величиной амплитуд волн высших типов, возбуждаемых на входе пластины. Возможности управления амплитудами высших типов волн в прототипе излучателя ограничены только выбором угла при вершине клина и его длиной.
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность получения излучения с амплитудным распределением, описываемым по одной из поперечных пространственных координат функцией Гаусса-Эрмита нулевого порядка.
а
a
кр15
кр17
кр15
кр17
15
17
11
13
15
11
13
15
Технический результат достигается тем, что в планарном диэлектрическом излучателе, состоящем из возбуждающего одномодового прямоугольного диэлектрического волновода с поляризацией электрического поля вдоль широкой стороны поперечного сечения и диэлектрического плоского клина, выполненного из того же материала, с углом при вершине, не превышающем пятнадцати градусов, переходящего в диэлектрическую пластину шириной b, торец которой является апертурой излучателя, а толщина пластины  равна толщине клина и узкой стороне поперечного сечения возбуждающего волновода, пластина имеет формат поперечного сечения Ф=b/, который выбирается из условия Ф≤Φ≤Φ, где Ф и Ф - критические значения формата поперечного сечения прямоугольного диэлектрического волновода для волн ΗΕ и НЕ соответственно, в месте перехода клина в пластину выполнены две щели, расположенные симметрично и параллельно оси пластины, размеры которых выбираются из условия преобразования волны НЕ в волны ΗΕ и НЕ с соотношением амплитуд 1:0,3:0,1, а длина пластины выбирается из условия фазового синхронизма волн НЕ, НЕ и ΗΕ на ее торце.
2
2
Планарный диэлектрический излучатель может характеризоваться тем, что щели имеют форму шестиугольника, вытянутого вдоль оси, проходящей через диаметрально противоположные вершины, с углом при этих вершинах не более пятнадцати градусов, а расстояния d от оси каждой щели до оси пластины и L от концов щелей до апертуры излучателя выбраны из условий 0,6λ/≤d≤0,8λ/ и 19,7λ/≤L≤22,2λ/, где λ - длина волны излучения, ε - диэлектрическая проницаемость излучателя, которая должна быть в пределах от 2,1 до 2,3, размеры щелей - ширина δ и площадь S удовлетворяют соотношениям 0,18λ/≤δ≤0,27λ/ и 0,3(λ/)≤S≤0,5(λ/).
На фиг. 1 представлен предложенный планарный диэлектрический излучатель.
На фиг. 2 представлен планарный диэлектрический излучатель со щелями, имеющими форму вытянутого шестиугольника.
На фиг. 3 представлены зависимости амплитуд возбуждаемых волн от длины щелей.
На фиг. 4 представлены результаты теоретического расчета и измерения амплитудного распределения излучения на расстоянии от апертуры излучателя, равном 6λ.
а
а
1
1
На фиг. 1 и фиг. 2 показан планарный диэлектрический излучатель, состоящий из возбуждающего одномодового диэлектрического волновода 1 прямоугольного сечения (×b), соединенного в сечении I с клином 2 с углом при вершине α≤15°. Клин 2 в сечении II переходит в пластину 3 с двумя щелями 4, торец которой является апертурой излучателя. Электрическое поле Ε основной волны волновода 1 поляризовано вдоль широкой стороны b поперечного сечения волновода 1 и сохраняется в клине 2 и в пластине 3 вдоль их широких сторон b(z) и b соответственно. Широкая сторона b(z) поперечного сечения клина 2 увеличивается по линейному закону. Толщины клина 2 и пластины 3 одинаковы и равны узкой стороне  поперечного сечения волновода 1.
а
Формат поперечного сечения пластины 3 Ф=b/, равный формату поперечного сечения клина 2 в сечении II, выбирается из условия
кр15
кр17
Ф≤Φ≤Ф,
кр15
кр17
15
17
где Φ и Φ - критические значения формата поперечного сечения прямоугольного диэлектрического волновода для волн НЕ и НЕ соответственно.
Волновод 1, клин 2 и пластина 3 выполнены из одного материала с диэлектрической проницаемостью ε в пределах от 2,1 до 2,3.
Щели 4 выполнены в месте перехода клина 2 в пластину 3 и расположены симметрично и параллельно оси пластины 3. В общем случае щели 4 могут иметь произвольную форму, в частности - прямоугольную, шестиугольную, форму зерна чечевицы и т.д.
На фиг. 2 изображен планарный диэлектрический излучатель со щелями, имеющими форму шестиугольника, вытянутого вдоль оси, проходящей через диаметрально противоположные вершины. Угол при этих вершинах выбран не более 15°. Расстояния d от оси каждой щели до оси пластины и L от концов щелей до апертуры излучателя, а также размеры щелей - ширина δ и площадь S выбираются из условий
0,6λ/≤d≤0,8λ/;
19,7λ/≤L≤22,2λ/;
0,18λ/≤δ≤0,27λ/;
2
2
0,3(λ/)≤S≤0,5(λ/),
где λ - длина волны излучения.
11
13
15
На фиг. 3 приведены зависимости модулей комплексных амплитуд  волн от продольной координаты z/λ щели, имеющей форму прямоугольника: 5 - для волны НЕ, 6 - для волны НЕ, 7 - для волны ΗΕ, 8 - суммарная мощность указанных волн.
Планарный диэлектрический излучатель работает следующим образом.
11
В одномодовом прямоугольном диэлектрическом волноводе 1 (фиг. 1) возбуждается основная волна НЕ с поляризацией электрического поля Ε вдоль широкой стороны поперечного сечения. Клин 2 выполняет роль плавного перехода от одномодового волновода 1 с малым форматом поперечного сечения к пластине 3 большего формата, обеспечивающего возможность возбуждения в последней волн высших типов.
Для минимизации потерь энергии, связанных с отражением и излучением на нерегулярностях волноведущей структуры излучателя (сечения I и II), угол при вершине клина не должен превышать 15° [2].
11
1,2m+1
а
В пластине 3, представляющей собой отрезок многомодового прямоугольного ДВ, из-за наличия в структуре излучателя нерегулярностей наряду с основной волной НЕ возбуждаются поверхностные волны высших типов HE, где m=1, 2, 3, …, количество которых определяется величиной формата Ф=b/ поперечного сечения пластины.
11
13
15
17
19
Расчеты показывают, что для формирования волнового пучка с амплитудным распределением излучения по координате у в виде функции Гаусса-Эрмита нулевого порядка в пластине 3 достаточно возбудить три поверхностные волны НЕ, НЕ и HE с соотношением амплитуд 1:0,3:0,1. Вкладом волн более высоких типов НЕ, НЕ и т.д. можно пренебречь.
Таким образом, формат Φ поперечного сечения пластины 3 следует выбирать из условия
кр15
кр17
Ф≤Φ≤Ф,
кр15
15
кр17
17
где Φ - критическое значение формата поперечного сечения прямоугольного диэлектрического волновода (ПДВ) для волны НЕ, Φ - критическое значение формата поперечного сечения ПДВ для волны НЕ.
15
17
Указанные значения формата могут быть выбраны из дисперсионных зависимостей волн ΗΕ и НЕ ПДВ [3].
13
15
11
13
15
Поскольку имеющиеся в структуре излучателя нерегулярности являются слабыми, то амплитуды волн высших типов НЕ и ΗΕ, возбуждаемых в месте перехода клина 2 в пластину 3 (сечение II), оказываются недостаточными для формирования требуемого распределения излучения. Для получения необходимого соотношения амплитуд волн НЕ, НЕ и НЕ в пластину 3 вводятся неоднородности в виде двух щелей 4, которые могут иметь произвольную форму. Щели 4 располагаются симметрично и параллельно оси пластины 3.
11
13
15
Рассматривая щели 4 как локальные неоднородности в виде возмущения диэлектрических свойств ПДВ, в соответствии с теорией связанных волн [4] из численного решения уравнений связанных мод определяется связь между волнами НЕ, НЕ и HE в зависимости от параметров щелей и расположения щелей в пластине 3.
11
13
15
В качестве примера для случая, когда щели имеют прямоугольную форму, на фиг. 3 приведены зависимости модулей комплексных амплитуд волн от продольной координаты щели для волн НЕ (5), НЕ (6) и ΗΕ (7), а также суммарная мощность указанных волн (8).
11
13
15
Расчет проведен для ПДВ сечением 4λ×0,3125λ. Из фиг. 3 видно, что при длине щели, равной 1,328λ, амплитуды возбужденных в пластине волн НЕ, НЕ и ΗΕ обеспечивают необходимые соотношения между ними для получения амплитудного распределения поля по координате у, близкого к распределению Гаусса-Эрмита нулевого порядка.
11
Распределение поля по второй из поперечных координат (координате х) будет близко к распределению поля волны НЕ в связи с выбором толщины клина 2 и пластины 3, равной толщине одномодового возбуждающего волновода 1.
Для формирования требуемого распределения излучения в пучке, кроме обеспечения заданного соотношения амплитуд, необходимо также обеспечить синфазность указанных волн, что достигается выбором расстояния L от концов щелей до апертуры излучателя.
Расстояние L может быть определено из системы уравнений
11
13
15
11
13
15
11
13
15
где U, U и U - коэффициенты замедления волн НЕ, НЕ и ΗΕ соответственно, в пластине 3; φ φ и φ - фазы волн на границе участка с неоднородностями; k=0, 1, 2, …; n=0, 1, 2, … В качестве р000000асстояния L целесообразно выбирать наименьшее решение указанной системы.
11
Таким образом, при введении щелей в предложенном планарном диэлектрическом излучателе при выборе формата пластины, параметров щелей и их расположения в пластине из вышеперечисленных условий амплитудное распределение излучаемого волнового пучка может быть аналитически описано функцией Гаусса-Эрмита нулевого порядка по координате y поперечного сечения, а амплитудное распределение по координате x - распределением основной волны НЕ прямоугольного ДВ.
Выбор формы щелей определяется технологическими возможностями изготовления и требованиями к излучателю в конкретной прикладной задаче - требованиями к уровню отражения, точности аппроксимации излучаемого волнового пучка функцией Гаусса-Эрмита нулевого порядка.
Для минимизации уровня отражений и обеспечения минимально возможного среднеквадратичного отклонения амплитудного распределения излучаемого пучка от распределения Гаусса-Эрмита нулевого порядка предложен планарный диэлектрический излучатель со щелями в форме шестиугольника, вытянутого вдоль оси, проходящей через диаметрально противоположные вершины, приведенный на фиг. 2. Экспериментально установлено, что для минимизации отражения от щелей этот угол должен быть не более 15°.
Задача определения размеров щелей, их расположения в пластине излучателя является многофакторной. В силу приближенности теоретических моделей, заложенных в решения уравнений связанных мод для определения размеров и местоположения щелей, неучета на неоднородностях (щелях) вытекающих волн, квазипериодического характера зависимостей модулей комплексных амплитуд возбужденных волн (фиг. 3), фазовых соотношений между модами строгое точное решение затруднено.
Для планарного диэлектрического излучателя со щелями в форме шестиугольника (фиг. 2) определены основные соотношения для выбора расстояния d от оси каждой щели 4 до оси пластины 3, размеров щелей (ширины δ и площади S) и расстояния L от концов щелей до апертуры излучателя.
-3
При выборе указанных параметров щелей обеспечено среднеквадратичное отклонение излучаемого пучка от распределения Гаусса-Эрмита нулевого порядка не хуже 5·10.
2
а
1
Был изготовлен и экспериментально проверен образец планарного диэлектрического излучателя со щелями, имеющими форму вытянутого шестиугольника (фиг. 2), с углом при вершине клина α=10°, форматом поперечного сечения пластины Φ=13,1, углом β=15°, расстоянием от оси щели до оси пластины d=1,52 мм, расстоянием от концов щелей до апертуры излучателя L=45,2 мм, шириной щели δ=0,45 мм, площадью щели S=1,7 мм. Образец излучателя изготовлен из фторопласта (ε=2,1), длина волны λ=3,2 мм, сечение возбуждающего волновода =1,0 мм, b=2,2 мм.
Полученное экспериментально амплитудное распределение излучения вдоль поперечной координаты у на расстоянии от апертуры излучателя, равном 6λ, практически совпадает с распределением Гаусса-Эрмита нулевого порядка (фиг. 4).
Литература
1. Орехов Ю.И. Открытые волноводные и резонансные КВЧ устройства бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов в многокомпонентных средах: дисс.… докт. техн. наук. М., 2007. 314 с.
2. Планарный излучатель: пат. 2447552 РФ. №2010142590/07; заявл. 18.10.10; опубл. 10.04.12, бюл. №10. 2 с.
3. Гайнулина Е.Ю., Штыков В.В. Многомодовый режим диэлектрических планарных волноводно-пучковых преобразователей // Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55. №8/3. С. 5-10.
4. Миллер С. Теория связанных волн и ее применение к волноводам // Волноводные линии передач с малыми потерями / Пер. под ред. Б.В. Штейншлейгера. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. С. 139.