CC BY
49
УДК 621.396.67
РЕФЛЕКСИВНЫЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕНН ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СТРУКТУР
Д.Ю. Крюков, А.В. Останков
Представлен обзор наиболее известных и широко используемых типов антенн дифракционного излучения, включающий подробное описание электродинамических особенностей их функционирования. В рассматриваемых антенных системах используется явление преобразования поверхностных электромагнитных волн в объемные волны на периодических неоднородностях. Для большинства из описанных антенн приведены основные электрические и конструктивные параметры. Установлено, что дифракционные антенны вытекающей волны на основе излучающих линий передачи обладают сравнительно высоким коэффициентом полезного действия и малыми массогабаритными характеристиками. Другим важным достоинством антенн дифракционного излучения является их механическая и электрическая прочность, которая позволяет им находить применение в радиотехнических системах, работающих в сложных механических и климатических условиях. Обозначены возможные направления дальнейшего совершенствования и модернизации антенн дифракционного излучения
Ключевые слова: антенна, периодическая решетка, поверхностная волна, дифракционное излучение
Современное научное направление техники и технологии дифракционных антенных решеток берет свое начало с 70-х годов ХХ-го века. Единовременно под руководством академика В.П. Шестопа-лова были проведены основополагающие теоретические и экспериментальные исследования рассеяния поверхностных волн диэлектрического волновода (ДВ) на дифракционной решетке (ДР) с пространственной периодичностью (весьма важно, чтобы период решетки был соизмерим с длиной дифрагирующей волны) [1]. Результаты этих исследований показали возможность эффективного преобразования энергии неоднородных плоских электромагнитных волн в энергию объемной рассеянной волны и управления такими ее характеристиками, как направление излучения и поляризация. Дальнейшее развитие научно-исследовательской работы в этой области позволило получить с помощью ДР высоконаправленное электромагнитное излучение в окружающем свободном пространстве и, как следствие, открыло перспективы использования этого явления в антенной технике.
Разработанные на основе явления дифракции СВЧ и КВЧ устройства, поддерживающие поверхностную волну, трансформирующуюся в объемные электромагнитные волны, принято классифицировать как антенны бегущих (вытекающих) или поверхностных волн [2-6]. Одним из наиболее важных и актуальных в настоящее время направлений научного поиска в теории и технике высокоэффективных антенн дифракционного излучения (АДИ) является исследование особенностей поведения неоднородных электромагнитных волн при их взаимодействии с различного рода рассеивающими структурами, например, квазипериодическими эквидистантными или неэквидистантными.
Крюков Дмитрий Юрьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Останков Александр Витальевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
В настоящей работе с использованием метода рефлексивного анализа (от лат. геАехю - обращение назад) составлен краткий обзор конструкций и электрических характеристик широко распространенных типов антенн дифракционного излучения. Применение метода рефлексивного анализа позволит, на наш взгляд, систематизировать и обобщить имеющуюся разрозненную информацию об антеннах из открытых первоисточников и представить ее в контексте исторического развития инженерных решений в области антенн дифракционного излучения.
Таким образом, цель работы заключается в исследовании современного состояния техники антенн, использующих явление преобразования поверхностных волн в объемные волны на периодических препятствиях, а также в установлении перспективных направлений их дальнейшего совершенствования и модернизации.
Наибольшее распространение для практического применения получили плоские антенные решетки. За счет низкого профиля они обладают малыми массогабаритными характеристиками, а также удовлетворяют требованиям ГОСТ Российской Федерации к конструкции [7-9] в части обеспечения высокой механической прочности, износоустойчивости и возможности выдерживать интенсивные ветровые нагрузки. Одновременно с этим АДИ на основе ДР имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия (КПД), который при минимизации величины отражения вытекающей поверхностной волны может достигать 95 % и более [1].
На рис. 1 представлена типовая электродинамическая схема линейного варианта АДИ, включающая устройство возбуждения поверхностной волны 1 (в данном варианте - рупорно-линзовое устройство), ограниченный планарный диэлектрический волновод 2 в качестве волноводной линии передачи и металлическую дифракционную решетку типа гребенки 3 в качестве замедляющей (отражающей) структуры.
Рис. 1. Типовая конструкция плоской линейной АДИ: 1 - устройство возбуждения; 2 - ограниченный пла-нарный диэлектрический волновод; 3 - эквидистантная гребенчатая периодическая решетка
Изображенная на рис. 1 гребенчатая решетка 3 представляет собой периодическую последовательность канавок прямоугольного профиля, прорезанных в металлическом основании и ориентированных параллельно оси у. Такая гребенка обладает свойством анизотропии, а именно, распространение волн в направлениях у и z подчиняется разным законам. Подобная реализация антенного раскрыва приводит к синфазному сложению излучаемых идентичными полостями (канавками) решетки парциальных волн, которые интерферируя, формируют плоскую излучаемую (объемную) волну, уходящую под некоторым углом 0т от структуры (рис. 1). Направление максимального излучения 0т определяется замедлением ив примененного ДВ с учетом возмущения гребенкой и электрической величины периода гребенки й/Х (X - длина излучаемой волны):
©т =-ш^т| иВ +■
п-Х
"а"
где п - порядковый номер излучаемои пространственной гармоники [1]. Важнейшая особенность, специфичная для всех без исключения АДИ заключается в последовательном питании переизлучающих элементов ДР. В соответствии с этим, данному типу антенн присуща определенная зависимость углового положения максимума диаграммы направленности (ДН) от частоты (электрического размера периода дифракционной решетки) и коэффициента замедления поверхностной волны ив в распределительно-излучающей системе [1,11]. Такая угло-частотная зависимость используется для создания специализированных механически неподвижных антенных систем с электрическим сканированием диаграммы направленности (ДН) [12].
АДИ, показанная на рис. 2, является одной из первых отечественных запатентованных конструкций антенн бегущей волны [5], принцип действия которой основан на эффекте преобразования ДР поверхностных волн круглого ДВ в объемные электромагнитные волны, излучаемые в окружающее свободное пространство. Представленная антенная система (рис. 2), в отличие от типовой плоской АДИ (рис. 1), способна обеспечить сканирование лучом на фиксированной рабочей частоте и функционирует следующим образом.
Рис. 2. Структурная схема АДИ с ферритовыми элементами управления положением ДН: 1 - питающий волновод; 2 - возбуждающий переход; 3 - диэлектрический волновод; 4 - гребенчатая ДР; 5 - поляризатор; 6 - конический наконечник; 7 - управляющая катушка; 8 - П-образный магнитопровод
Электромагнитная волна, вытекающая из питающего волновода 1 через возбуждающий переход 2, активизирует поверхностную волну в ДВ 3. Поверхностная волна, распространяющаяся вдоль ДВ, последовательно возбуждает элементы переизлучающей периодической гребенчатой ДР 4 с фазовым сдвигом, определяемым периодом решетки и фазовой скоростью поверхностной волны. Вдоль ДВ 3, выполненного в виде круглого ферритового стержня, могут распространяться два основных типа электромагнитных колебаний с различным направлением вращения вектора поляризации. Волны, циркулирующие вдоль ДВ 3, являются медленными (распространяются со скоростью иФ, меньшей скорости света) и их поле убывает по экспоненциальному закону в направлении, перпендикулярном к направлению распространения. При намагничивании ферри-тового стержня постоянным магнитным полем фазовые скорости иФ этих колебаний различны.
Поляризатор 5, установленный в питающем волноводе 1, предназначен для возбуждения только одного типа колебаний. Возбуждающий переход 2 и конический наконечник 6, соединенные с П - образным магнитопроводом 8, образуют замкнутый контур магнитного потока. Варьируя силу тока в управляющей катушке 7, можно изменять величину постоянного намагничивающего поля и, как следствие, фазовую скорость иФ поверхностной волны, распространяющейся вдоль ДВ 3. Тем самым, осуществляется управление фазовым фронтом электромагнитной волны, формируемой отражающей гребенчатой ДР 4, и обеспечивается сканирование лучом антенны на заданной рабочей частоте.
Данная антенна может одинаково эффективно работать как в режиме излучения, так и в режиме приема [5]. К сожалению, данные об электрических характеристиках и результатах натурных испытаний не представлены. Недостатком такой антенны являются ограниченность скорости сканирования ДН, обусловленная инерционностью ферритового элемента управления, и изменение направление луча антенны из-за независимости свойств феррита при переходе в режим приема. Для сохранения направления луча в режиме приема, аналогичного направлению в режиме излучения, необходимо изменить направление поля намагничивания [5].
Другая основополагающая конструкция антенны дифракционного излучения, заслуживающая не меньшего внимания, изображена на рис. 3. Эта антенна вытекающей волны предназначена для работы в миллиметровом диапазоне длин волн, характеризуется возможностью дискретной вариации величины периода решетки электронно-оптическим способом, и позволяет обеспечить эффективность преобразования поверхностных волн ДВ 3 в излучаемую волну (КПД) более 90% [6].
Рис. 3. Структурная схема АДИ с электронно-оптическим сканированием ДН: 1 - питающий волновод; 2 - возбуждающий переход; 3 - диэлектрический волновод; 4 - периодическая решетка; 5 - полупроводниковая пластина; 6 - оптически прозрачный экран; 7 - матрица светоизлучающих диодов
В качестве распределительно-излучающей системы репрезентативной конструкции АДИ (рис. 3) использована классическая электродинамическая схема (рис. 1): "прямоугольный ДВ 3 - периодическая гребенчатая ДР 4". Переизлучающая периодическая гребенчатая решетка 4 расположена под ДВ 3 на расстоянии не более четверти рабочей длины волны, что обеспечивает ее эффективное влияние на поле диэлектрического волновода 3. Следует заметить, что расстояние между линией передачи (диэлектрическим волноводом) и ДР выбирается, как правило, такой величины, чтобы исключить сильную связь ДВ с периодической ДР, поскольку в последнем случае эффективность отбора мощности на излучение может значительно уменьшаться.
Особенность работы вышеприведенной конструкции (рис. 3) заключается в оптическом управлении ДН. Так, при включении элементов матрицы светоизлучающих элементов (диодов) 7 их излучение проходит сквозь оптически прозрачный экран 6 и попадает на поверхность полупроводниковой пластины 5, резко увеличивая электропроводность освещенных областей. Поскольку в матрице свето-излучающих диодов 7 элементы расположены параллельными друг другу рядами, полупроводниковая пластина 5 трансформируется в плоскую полупрозрачную ДР, аналогичную ленточной решетке с диэлектрическим заполнением, эффективно рассеивающую поверхностные электромагнитные волны ДВ 3 и формирующую, таким образом, поле объемной излучаемой антенной волны. Изменяя периодичность включения светоизлучающих элементов 7, можно изменять период подобной квазиленточной
ДР 4 и, соответственно, осуществлять сканирование ДН антенны. Описанная в [6] конструкция антенны вытекающей волны потенциально гарантирует относительно высокую эффективность преобразования поверхностных электромагнитных волн в объемные волны при электрическом сканировании лучом и обладает существенно большим быстродействием при работе в режиме сканирования по сравнению с антеннами, использующими ферритовые элементы управления ДН.
АДИ, предложенные в [13,14], ориентированы на использование в современных системах радиосвязи, радиолокации и в охранных устройствах, а также в системах приема передач спутникового телевизионного и радиовещания СВЧ и КВЧ. На рис. 4 представлена конструкция планарной дифракционной антенны с управляемой поляризацией, предложенная в работе [13].
5
Рис. 4. Плоская АДИ с управляемой поляризационной характеристикой: 1,2 - линейные решетки вспомогательных излучающих элементов; 3 - плоский ДВ с двумерной решеткой излучателей; 4 - металлический экран; 5 - устройство возбуждения; 6,7 - отверстия в экране; 8 -крестообразная щель; 9 - металлические бортики
Целью подобного конструктивно-технического решения является обеспечение работы антенны в режиме излучения по нормали к плоскости раскрыва с управлением поляризацией волны и расширенной полосой рабочих частот. Первое обусловлено применением интерферометрической схемы возбуждения раскрыва и реализацией режима дифракции Брэгга [11]. Управление поляризацией излучения связано с реализацией возбуждения излучающего раскрыва поверхностными волнами взаимно перпендикулярных направлений, а также с использованием двумерно-периодичной ДР.
По периметру плоского ДВ могут быть установлены либо согласованные нагрузки 9 в виде пластин, поглощающих электромагнитные волны (что позволяет расширить полосу рабочих частот), либо металлические бортики высотой порядка толщины волновода, имеющие электрический контакт с экраном (что дает возможность увеличить КПД антенны). Более того, в данной конструкции между плоским ДВ и металлическим экраном можно располо-
жить дополнительный планарный диэлектрический слой, в частности, в виде воздушного зазора толщиной не более (0.3 - 0.5)Х, позволяющий снизить тепловые потери в излучающем раскрыве и, соответственно, повысить КПД антенны.
Работоспособность описанной в [13] антенны (рис. 4) подтверждена результатами компьютерного электродинамического моделирования при работе в режиме излучения, при котором имитировалось поочередное возбуждение ортогональных щелей в од-номодовом режиме с косинусоидальным амплитудным распределением напряженности электрического поля в одном из двух отверстий, образующих крестообразную щель. Конструктивно-технические параметры моделируемой антенны: размер излучающего раскрыва 23 *23 см2, материал плоского ДВ -полиэтилен с относительной диэлектрической проницаемостью 2.25, толщина ПДВ - 6 мм, габариты желобковых волноводов - 12*10 мм2, толщина подложек с относительной диэлектрической проницаемостью 2.0 полосковых решеток - 3 мм, ширина по-лосковых 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.
Моделирование показало, что базовый вариант антенны обеспечивает работу с коэффициентом усиления (КУ) не менее 27.4 дБ на частоте 9.6 ГГц. Относительная рабочая полоса частот при таком КУ, по заверению авторов, равна 6.7 %. Ширина главного лепестка ДН по уровню "минус" 3 дБ составила 10° в горизонтальной (Е) и вертикальной (Н) плоскостях при максимальном уровне боковых лепестков (УБЛ) "минус" 16.5 и "минус" 18 дБ соответственно. Модуль коэффициента отражения по напряжению на входе антенны не превысил "минус" 10 дБ в полосе частот от 9.4 до 10.0 ГГц [13].
На рис. 5 изображен пример конструктивного исполнения плоской АДИ, заявленной в [14] и предназначенной для работы с фиксированным типом линейной поляризации излучения. Конструктивно-техническое решение, во многом аналогичное [13], также призвано повысить эффективность антенны, расширить полосу рабочих частот, улучшить согласование с питающей линией передачи и обеспечить компактные габаритные размеры при условии реализации ДН с лучом в направлении нормали к излучающему раскрыву АДИ.
Для уменьшения массы и минимизации габаритных размеров конструкции антенны (рис. 5) устройство возбуждения выполнено аналогично малоразмерной линейной антенной решетке - в виде металлического желобкового волновода 6, в котором на диэлектрической подложке 7 размещена линейная решетка в виде системы металлических по-лосковых элементов 8. Работоспособность представленной конструкции АДИ подтверждена не только путем электродинамического моделирования, но и экспериментальными исследованиями в диапазоне СВЧ - на частотах 9 - 10 ГГц. Авторами сообщается, что полоса рабочих частот антенны по
уровню коэффициента стоячей волны (КСВ), равному двум, составила 5 %. При максимальном коэффициенте усиления 28.7 дБ антенна обладает предельной эффективностью 74 %.
Рис. 5. АДИ с фиксированным типом поляризации излучения: 1 - плоский ДВ; 2 - металлический экран; 3 -ДР из металлических лент; 4 - щель связи; 5 - металлические, отражающие бортики; 6 - металлический желобко-вый волновод; 7 - диэлектрическая подложка; 8 - система металлических полосковых элементов
Представленные на рис. 4 - 5 конструкции АДИ обеспечивают прием и излучение волн в режиме работы на "минус" первой пространственной гармонике (п = -1). Функционирование АДИ обеспечивается на длине волны, при которой замедление поверхностной волны плоским ДВ идентично отношению длины волны к периоду ДР. При таких условиях излучение обеих частей раскрыва оказывается синфазным в направлении нормали к его плоскости (имеет место резонансная дифракция Брэгга второго порядка) [1]. Поскольку элементы двумерно - периодической ДР 3 (рис. 4) и лент ДР 3 (рис. 5) имеют ширину порядка периода решетки, а толщина плоского ДВ выбирается примерно равной четверти длины волны в диэлектрике, гарантируется незначительная величина коэффициента отражения по входу антенны, так что КСВ на рабочей длине волны может быть близким к единице. Удовлетворительное согласование, как показывают моделирование и эксперимент, сохраняется в полосе частот, превышающей 5 %. Использование же поверхностных волн плоского ДВ для последовательного и однократного возбуждения элементов ДР позволяет обеспечить высокий КПД антенны. При относительной толщине плоского ДВ не более 0.2 - 0.3 максимальной длины волны излучения гарантируется одномодовый режим распространения волны типа ТМ, что дает возможность реализовать относительно низкий уровень паразитной (ортогональной) поляризации излучения. Плоская антенна [13] обеспечивает работу с управляемой поляризацией в режиме излучения по нормали к плоскости раскрыва. Это достигается за счет того, что при возбуждении плоского ДВ из центра излучающий раскрыв для любой из ортогональных поляризаций разбивается на две квазисимметричных части, длины которых составляют половину длины всего раскрыва. Следовательно, полоса рабочих частот антенны увеличи-
вается в два раза по сравнению со случаем возбуждения такой же точно конструкции со стороны торца плоского ДВ.
В работах [15-16] описана реализованная на практике конструкция планарной АДИ миллиметрового диапазона (рис. 6), характеризуемая относительно низким уровнем бокового излучения.
Рис. 6. Планарная АДИ с низким уровнем УБЛ: 1 -основание антенны; 2 - трубная рама жесткости; 3 - ДР; 4 - плоский ДВ; 5 - крепежные фланцы; 6 - силовой элемент для крепления основания (нервюра)
АДИ имеет апертуру размером 1000*200 мм2. На основании 1 крепятся составные части излучающего раскрыва: пять периодических дифракционных решеток 3, плоский ДВ 4, рупорно-линзовое устройство возбуждения с выходным волноводом и разворотом на 180°. Рама жесткости 2 собрана на базе двух полых металлических труб диаметром 40 мм и длиной 1050 мм. С помощью фланцев 5 к алюминиевым трубам крепятся нервюры 6, которые в свою очередь служат для жесткого крепления основания антенны 1. Для защиты антенны от агрессивных факторов внешней среды может быть использован обтекатель - герметизирующий радиопрозрачный кожух. При этом АДИ будет представлять собой абсолютно герметичную конструкцию и может быть закреплена на ровной поверхности с отклонением от плоскостности не более ±0.1 мм. Полная герметизация охватывает при этом только саму антенну без рамы жесткости 2, которая отделена от корпуса антенны специальным герметизирующим листом.
Описанная дифракционная антенна вытекающей волны характеризуется линейной горизонтальной поляризацией излучения и имеет коэффициент усиления 41.4 дБ в диапазоне рабочих частот 34 ГГц ±0.5 ГГц. Ширина ДН составляет 0.64*2.95°, УБЛ -"минус" 31.4 дБ и "минус" 25 дБ соответственно. Максимальные потери не превышают 1.3 дБ. Суммарная толщина АДИ составляет не более двух длин волн, при использовании обтекателя - порядка пяти длин волн при больших размерах апертуры.
Предложенная в [17] плоская антенная решетка дифракционного излучения сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн (рис. 7) состоит из совокупности направляющих систем поверхностных волн в виде прямоугольных диэлектрических волноводов 1, расположенной под углом к двумерной периодической гребенчатой решетке 2, и возбудителя поверхностных волн в виде компактного делителя мощности волноводного типа 3. Подобная конструкция позволяет обеспечить более равномерную излучательную способность всей апертуры антенны за счет ориентации системы ДВ под углом к периодической ДР, что приводит к увеличению эф-
фективности взаимодействия поверхностной волны ДВ и гребенчатой ДР при удалении от возбудителя к периферии раскрыва. В результате этого коэффициент использования поверхности (КИП) антенны увеличивается. Другим положительным свойством репрезентативной АДИ (рис. 7) является возможность обеспечения требуемого фазового распределения на выходах делителя мощности 3, что достигается за счет помещения в выходные волноводы диэлектрических вставок различной длины, которые приводят к дополнительному сдвигу по фазе. Для достижения наилучшего согласования диэлектрические вставки выполняются неразъемным образом с соответствующими прямоугольными диэлектрическими волноводами, а их концы имеют скос в 45°.
3
Рис. 7. Плоская антенная решетка дифракционного излучения с делителем мощности: 1 - совокупность прямоугольных ДВ; 2 - двумерная периодическая гребенчатая ДР; 3 - делитель мощности волноводного типа
Данные по численным значениям конструктивных и электрических параметров описанной АДИ отсутствуют. В [17] указывается, что подобная плоская АДИ имеет повышенную технологичность и позволяет обеспечить относительно низкий УБЛ и одновременно увеличить коэффициент направленного действия (КНД) и КИП.
На основе проведенного сравнительного анализа опубликованных научных работ и патентных свидетельств в области техники и технологии антенн можно прийти к следующему выводу. Несмотря на общую тенденцию к реализации электронного управления ДН в АДИ, по-прежнему, достаточно широко применяется и электромеханический способ сканирования, при котором, однако, гарантируется отсутствие трения между ДВ и ДР. Такие конструкции антенн обладают хорошей износостойкостью и способны обеспечить высокую надежность при интенсивной работе [16,18].
Конструкция дифракционной антенной системы с управляемым положением ДН представлена на рис. 8,а, схема управления угловым положением ДН изображена на рис. 8,6 [18]. Такая антенна дифракционного излучения предназначена для работы в миллиметровом диапазоне длин волн и может быть использована в составе радиолокационных систем предупреждения столкновений и в различных системах радиосвязи. Основными составными частями антенной системы 1 служат диэлектрический греб-невый волновод 17, представляющий собой периодическую или квазипериодическую последователь-
ность прямоугольных канавок 15 в слое диэлектрика, подсистема возбуждения 11 и планарный многослойный рефлектор 5.
Рис. 8. Электродинамическая схема антенной системы дифракционного излучения: а - общая схема управляемой антенной системы; б - схема управления
Период канавок гребневого ДВ выбирается таким, чтобы гарантировать излучение объемной электромагнитной волны в направлении, указанном стрелкой D (рис. 8,а), то есть под углом к направлению распространения вытекающей поверхностной волны 13. Планарный отражатель 5 содержит в себе диэлектрический слой 4 с нижней поверхностью 2, на которой размещена решетка из параллельных друг другу металлических планарных элементов (полосок) 7, и верхней поверхностью 3, с расположенной на ней металлической пластиной 8. Расстояние т между металлическими полосками 7 составляет около 1/10 рабочей длины волны. Толщину диэлектрического слоя рефлектора Ь рекомендуется выбирать равной четверти рабочей длины волны.
Подсистема возбуждения 11 содержит сканирующий вращающийся элемент 24 с набором ДР, отличающихся периодами, и соединенную с ним диэлектрическую линию передачи 10, а так же нижнюю 19 и верхнюю 12 токопроводящие пластины волновода. Линия передачи 10 представляет собой удлиненный палочковидный ДВ с круглым поперечным сечением. Допускается использование ДВ с другими конфигурациями поперечного сечения, например, волноводы прямоугольной или квадратной формы. Сканирующий элемент антенны, в изображенном варианте (рис. 8,а), содержит барабан 22, который вращается при помощи электромеханического устройства вокруг оси вращения, параллельной диэлектрической линии передачи 10 и проходящей через центр 9 барабана 22.
Для предотвращения излучения электромагнитных волн через зазоры между пластинами 12, 19 и сканирующим элементом антенны 23, вектор поляризации электромагнитной волны, поддерживаемой в диэлектрической линии передачи 10 должен находиться в плоскости, параллельной плоскости пластин 12 и 19. Расстояние между пластинами 12, 19 и сканирующим антенным элементом 23 предпочтительно выбирать меньше половины длины волны передаваемого/принимаемого излучения в среде распространения [18].
Работа представленной антенны заключается в том, что при вращении барабана дифракционные решетки с периодами разной величины поочередно взаимодействуют с полем поверхностной волны ДВ 10. Это приводит к изменению в заданном секторе углов направления 13 распространения поверхностной волны гребневого ДВ 17 (рис. 8,б). Электромагнитная волна, распространяясь вдоль гребневого ДВ между поверхностями 16 и 21, согласно траектории 13, дифрагирует на периодических неоднородностях ДВ и излучается под углом ©т в двух противоположных направлениях, перпендикулярных направлению распространения 13.
Следует заметить, что изменением величины периода а гребневого ДВ можно управлять положением максимума излучения. Для подавления паразитного излучения, распространяющегося в направлении, противоположном траектории D, то есть той части объемной волны, которая проникает через диэлектрическую пластину 17, используется решетка из параллельных друг другу металлических отражающих полосок 20. Объемная волна будет иметь горизонтальную поляризацию P, параллельную оси металлических планарных элементов 20. При взаимодействии с рефлектором 5 объемная волна отражается в направлении R с поляризацией, перпендикулярной оси металлических полосок 20, как показано стрелкой PR на рис. 8,а. Далее, волна беспрепятственно излучается через плоскость гребневого ДВ в окружающее пространство. Путем целенаправленного изменения пространственного положения рефлектора 5 относительно направления 6 можно управлять величиной угла отражения и изменять траекторию распространения объемной волны, например с R на R' (рис. 8,а).
Таким образом, предложенная в работе [18] конструкция АДИ способна гарантировать сканирование ДН в азимутальной и угломестной плоскостях. Подобная конструкция также может быть использована в качестве облучателя цилиндрических линз или параболических отражателей.
В работе [16] представлены экспериментально апробированные АДИ с механическим способом сканирования ДН, разработанные для применения в автомобильных системах предотвращения столкновений (рис. 9). Антенные системы автомобильных радиовизоров предназначены для работы на частоте 76.5 ГГц с волнами линейной горизонтальной поляризации. АДИ 1 и 2 (рис. 9) отличаются количеством используемых в них ДР. Сканирование обеспечивается за счет механической коммутации ДР.
Рис. 9. АДИ с механическим способом сканирования ДН, содержащая: 1 - 40 ДР; 2 - 8 ДР
Режим сканирования для АДИ 1 является непрерывным, для АДИ 2 - пошаговым. Непрерывное сканирование в АДИ 1 реализовано за счет взаимного пересечения ДН от двух смежных ДР на уровне "минус" 0.3 дБ [19]. ДН в АДИ 2 имеют ширину 2° и характеризуются пространственным разнесением максимумов в 2°, что сопровождается незначительной интерференцией их полей и гарантирует величину УБЛ, равную "минус" 24 дБ.
Антенна 1 имеет компактную апертуру размером 120*16 мм2 и коэффициент усиления 31.6 дБ. Ширина ДН составляет 1*18°, минимальный УБЛ равен "минус" 20 дБ и "минус" 18 дБ соответственно. Сектор сканирования в азимутальной плоскости составляет 30°, частота сканирования 25 Гц или 750°/с, шаг сканирования 0.75°. По заверению авторов [19], частоту сканирования ДН антенны, при необходимости, можно увеличить вплоть до 200 Гц. Представленные на рис. 9 антенны обеспечивают сканирование в широком секторе углов с высокой скоростью и разрешением, а также отвечают требованиям ГОСТ [7-9].
Таким образом, в работе представлен систематизированный обзор современного состояния техники АДИ, реализованных на основе открытых излучающих электродинамических структур, содержащих волноводы поверхностных волн и дифракционные решетки с периодом, соизмеримым с длиной излучаемой волны. Рассмотренные методом рефлексивного анализа антенны дифракционного излучения находят применение в современных радиоэлектронных системах связи, системах радиолокации, навигации и телевидения [13-18]. Уникальные электродинамические свойства рассмотренных конструкций антенн дают возможность использовать их при построении СВЧ - радиометрических рассеивающих комплексов для исследований экологической обстановки, а также скрытного наблюдения за объектами в интересах охранных служб. АДИ рассмотренного типа эффективно используются в активных локационных системах обзора поверхностей Земли с целью обнаружения и идентификации объектов [16]. Главными преимуществами, выгодно отличающими рассмотренный тип антенн от иных видов антенн СВЧ и КВЧ, являются, прежде всего, простота и надежность их конструкций, малые массогабарит-ные характеристики и низкие стоимостные показатели, высокая технологичность и масштабируемость при изготовлении. Последнее гарантирует возможность массового производства исследованных конструкций АДИ за счет высокой вероятности точного
воспроизведения размеров излучающего раскрыва и устройств возбуждения и, как следствие, повторяемости энергетических параметров и характеристик направленности.
Наиболее важное, перспективное и актуальное направление дальнейшего развития теории и техники антенн дифракционного излучения может быть основано на использовании свойств квазипериодических и неэквидистантных дифракционных решеток [3,10,11,20-22]. Подобные решетки являются особым классом электродинамических сред, у которых в направлении распространения поверхностной волны изменяются как шаг расположения, так и параметры элементов (канавок в гребенчатой структуре, диафрагм в круглом волноводе, диэлектрической проницаемости слоев среды). Оптимальный выбор закономерностей продольного изменения геометрии и размеров элементов решетки, а также периода решетки может обеспечить относительно новые направленные и энергетические свойства АДИ либо существенным образом скорректировать характеристики АДИ, содержащих строго периодические решетки. При отказе от строгой эквидистантности ДР имеется полноценная возможность подавления побочных максимумов и бокового излучения в ДН, снижения угло-частотной чувствительности АДИ и реализации расширенной полосы частот при фиксированном направлении излучения, коррекции фазового распределения поля возбуждения на излучающем раскрыве. Одновременно с этим применение неравномерного в направлении распространения поверхностной волны профиля элементов ДР позволяет более гибко контролировать и управлять степенью связи ДВ и ДР, и тем самым, обеспечить реализацию требуемого амплитудного распределения поля на апертуре АДИ или (и) заданный входной импеданс АДИ.
Литература
1. Шестопалов, В.П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры [Текст] / В.П. Шестопалов. - Киев: Наук. думка, 1985. - 216 с.
2. Останков, А.В. Синтез излучающего гребенчатого раскрыва антенны вытекающей волны [Текст] / А.В. Останков // Радиотехника. - 2012. - № 2. - С. 38-44.
3. Останков, А.В. Дифракционная антенна вытекающей волны с нестандартной реализацией излучающего раскрыва [Текст] / А.В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. -Т. 6, № 8. - С. 17-26.
4. Крюков, Д.Ю. Высокотехнологичная антенна вытекающей волны на основе дифракционной решетки с периодической гребенчатой структурой [Текст] / Д.Ю. Крюков, А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2015. - Т. 11, № 6. - С. 80-83.
5. А.с. 1072154 СССР, МКП Н0^ 3/26. Антенна бегущей волны [Текст] / Э.Ф. Зайцев, А.Н. Федотов // № 3472785-18-09; заявл. 16.07.82; опубл. 07.02.84, Бюл. № 5.
6. А.с. 1658248 СССР, МКП Н0^ 3/44. Антенна бегущей волны [Текст] / А.И. Климов, В.И. Юдин // № 4669499/09; заявл. 27.03.89; опубл. 23.06.91, Бюл. № 23.
7. ГОСТ Р 50736-95. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной радиосвязи. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерений [Текст]. - М., 1995. - 22 с.
8. ГОСТ Р 50867-96. Антенны радиорелейных линий связи. Классификация и общие технические требования [Текст]. - М., 1996. - 16 с.
9. ГОСТ Р 51798-2001. Решетки антенные многов-ходовые для оборудования систем подвижной радиосвязи. Основные параметры, общие технические требования, методы измерений [Текст]. - М., 2001. - 12 с.
10. Останков, А.В. Синтез гребенчатого полотна антенны вытекающей волны с заданным направлением излучения и максимальной эффективностью [Текст] / А.В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7, № 5. - С. 157-161.
11. Останков, А.В. Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн: дисс. на со-иск. уч. ст. д-ра техн. наук [Текст] / А.В. Останков. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. - 415 с.
12. Хансен, Р.С. Фазированные антенные решетки [Текст] / Р.С. Хансен; пер. с англ. под ред. А.И. Синани. -М.: Техносфера, 2012. - 558 с.
13. Пат. 2432650 RU, МПК Н0^13/00. Плоская антенна с управляемой поляризационной характеристикой [Текст] / Ю.Б. Нечаев, А.И. Климов, А.В. Золотухин, М.Ю. Сидоров. № 2010110828/06; заявл. 22.03.2010; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30.
14. Пат. 2435260 RU, МПК Н0^13/00. Плоская антенна [Текст] / Ю.Б. Нечаев, А.И. Климов, Н.С. Хохлов, В.И. Юдин, П.Н. Радько. № 2010100683/07; заявл. 11.01.2010; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 33.
15. Евдокимов, А.П. Планарная антенна дифракционного излучения КВЧ диапазона [Текст] / А.П. Евдоки-
мов, В.В. Крыжановский, Ю.К. Сиренко // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2011. - Т. 16, № 6. - С. 53-61.
16. Евдокимов, А.П. Антенны дифракционного излучения [Текст] / А.П. Евдокимов // Физические основы приборостроения. - 2013. - Т. 2, № 1. - С. 108-124.
17. Пат. 2449435 RU, МПК H01Q13/00, H01P5/12. Плоская антенная решетка дифракционного излучения и делитель мощности, используемый в ней [Текст] / Е.В. Петров, С.М. Кустов, М.С. Захаров. № 2011104303/07; заявл. 07.02.2011; опубл. 27.04.2012, Бюл. № 12.
18. Pat. US 20120056794A1, H01Q13/20, H01P3/16. Planar dielectric waveguide with metal grid for antenna applications [Text] / V. Manasson, V. Khodos, L. Sadovnik, A. Avakian, V. Litvinov, D. Jia, M. Felman, M. Aretskin. Pub. Date: 08.03.2012.
19. Останков, А.В. Ретроспективный анализ возможностей, конструкций и основных характеристик дифракционных антенн вытекающей волны [Текст] / А.В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6, №8. - С. 75-81.
20. Wang, D. A notched dielectric resonator antenna unit-cell for 60GHz passive repeater with endfire radiation [Text] / D. Wang, R. Gillard, R. Loison // European conference on antennas and propagation (EuCAP2014). 2014. - pp. 3167-3170.
21. Cho, Y.H. Metallic-rectangular-grooves based 2d re-flectarray antenna excited by an open-ended parallel-plate waveguide [Text] / Y.H. Cho, W.J. Byun, M.S. Song // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2010. - Vol. 58 (5). - pp. 650-656.
22. Huang, J Reflectarry antennas [Text] / J. Huang, J.A. Encinar // IEEE Intl. Symp. Antennas Propagat - New Jersey, 2008. - 216 p.
Воронежский государственный технический университет
REFLEXIVE ANALYSIS OF OPPORTUNITIES AND MAIN CONSTRUCTIVE AND TECHNICAL CHARACTERISTICS OF ANTENNAS OF DIFFRACTION RADIATION ON THE BASIS OF THE PERIODIC SLOWING DOWN STRUCTURES
D.Yu. Kryukov, Postgraduate, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]
A.V. Ostankov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]
A review of the most famous and widely used types of antennas diffraction radiation, including a detailed description of electrodynamics characteristics of their functioning. In these antenna systems use a phenomenon of transformation of surface electromagnetic waves in a volume on periodic in homogeneities. For most of the described antenna are the basic structural and electrical parameters. It is found that the diffraction leaky wave antenna through the radiating transmission lines have a relatively high efficiency and small dimensions and weight characteristics. Another important advantage of the diffraction radiation of antennas is their mechanical and dielectric strength, which allows them to find use in radio systems operating in the complex mechanical and climatic conditions. Possible future directions for further improvement and modernization of the diffraction radiation antennas
Key words: antenna, periodic array, superficial wave, diffraction radiation
References
1. Shestopalov V.P. Physical Fundamentals of Millimeter and Submillimeter technology. T. 1. Open structures. -Kiev: Sciences. dumka, 1985. - 216 p.
2. Ostankov A.V. Sintez izluchayushchego grebenchatogo raskryva antenny vytekayushchey volny [Synthesis of Comb-Like Aperture of the Antenna Leaky Wave] // Radiotekhnika. - 2012. - № 2. - pp. 38-44.
3. Ostankov A.V. Difraktsionnaya antenna vytekayushchey volny s nestandartnoy realizatsiey izluchayushchego raskryva [The diffraction leaky-wave antenna with off-gauge implementation of the aperture] // Vestnik VSTU. - 2010. - T. 6, № 8. - pp. 17-26.
4. Kryukov D.Yu. Vysokotekhnologichnaya antenna vytekayushchey volny na osnove difraktsionnoy reshetki s periodicheskoy grebenchatoy strukturoy [Highly technological (hi-tech) antenna leaky wave diffraction grating with a periodic comb] // Vestnik VSTU. - 2015. - T. 11, № 6. - pp. 80-83.
5. A. s. 1072154 SSSR, MKP H01Q 3/26. Antenna begushchey volny [Traveling-wave antenna] / E.F. Zaytsev, A.N. Fedotov // № 3472785-18-09; zayavl. 16.07.82; opubl. 07.02.84, Byul. № 5.
6. A. s. 1658248 SSSR, MKP H01Q 3/44. Antenna begushchey volny [Traveling-wave antenna] / A.I. Klimov, V.I. Yudin // № 4669499/09; zayavl. 27.03.89; opubl. 23.06.91, Byul. № 23.
7. GOST R 50736-95. Antenno-fidernye ustroystva sistem sukhoputnoy podvizhnoy radiosvyazi. Tipy, osnovnye parametry, tekhnicheskie trebovaniya i metody izmereniy [Antenna-feeder devices of systems of land mobility-term radio. Types, basic parameters, technical requirements and methods of measurement]. - M., 1995. - 22 p.
8. GOST R 50867-96. Antenny radioreleynykh liniy svyazi. Klassifikatsiya i obshchie tekhnicheskie trebovaniya [Antennas radio relay lines. Classification and general technical requirements]. - M., 1996. - 16 p.
9. GOST R 51798-2001. Reshetki antennye mnogovkhodovye dlya oborudovaniya sistem podvizhnoy radiosvyazi. Osnov-nye parametry, obshchie tekhnicheskie trebovaniya, metody izmereniy [Antenna array for multi-input equipment mobile radio systems. Basic parameters, general technical requirements, methods of measurement]. - M., 2001. - 12 p.
10. Ostankov A.V. Sintez grebenchatogo polotna antenny vytekayushchey volny s zadannym napravleniem izlucheniya i maksimal'noy effektivnost'yu [Synthesis of comb antenna aperture of the leaky wave with a given direction of radiation and of maximum efficiency] // Vestnik VSTU. - 2011. - T. 7, № 5. - pp. 157-161.
11. Ostankov A.V. Elektrodinamicheskie modeli rezonansnykh grebenchatykh struktur dlya analiza i sinteza vysokoeffektivnykh difraktsionnykh antenn [Electrodynamic model of resonance comb structure for analysis and synthesis of diffractive antenna highly]: diss. na soisk. uch. st. d-ra tekhn. nauk. - Voronezh: VSTU, 2011. - 415 p.
12. Khansen R.S. Fazirovannye antennye reshetki [Phased array antennas] / Per. s angl. pod red. A.I. Sinani. - M.: Tekhnosfera, 2012. - 558 p.
13. Pat. 2432650 RU, MPK H01Q13/00. Ploskaya antenna s upravlyaemoy polyarizatsionnoy kharakteristikoy [Plane antenna with controlled polarization characteristic] / Yu.B. Nechaev, A.I. Klimov, A.V. Zolotukhin, M.Yu. Si-dorov. № 2010110828/06; zayavl. 22.03.2010; opubl. 27.10.2011, Byul. № 30.
14. Pat. 2435260 RU, MPK H01Q13/00. Ploskaya antenna [Plane antenna] / Yu.B. Nechaev, A.I. Klimov, N.S. Khokhlov, V.I. Yudin, P.N. Rad'ko. № 2010100683/07; zayavl. 11.01.2010; opubl. 27.11.2011, Byul. № 33.
15. Evdokimov A.P., Kryzhanovskiy V.V., Sirenko Yu.K. Planarnaya antenna difraktsionnogo izlucheniya KVCh diapazona [A planar extremely high frequency diffraction radiation antenna] // Electromagnetic Waves and Electronic Systems. - 2011. - T. 16, № 6. - pp. 53-61.
16. Evdokimov, A.P. Antenny difraktsionnogo izlucheniya [Diffraction radiation antennas] // Physical Bases of Instrumentation. - 2013. - T. 2, № 1. - pp. 108-124.
17. Pat. 2449435 RU, MPK H01Q13/00, H01P5/12. Ploskaya antennaya reshetka difraktsionnogo izlucheniya i delitel' moshchnosti, ispol'zuemyy v ney [Planar array and diffraction radiation power divider used therein] / E.V. Pe-trov, S.M. Kustov, M.S. Zakharov. № 2011104303/07; zayavl. 07.02.2011; opubl. 27.04.2012, Byul. № 12.
18. Pat. US 20120056794A1, H01Q13/20, H01P3/16. Planar dielectric waveguide with metal grid for antenna applications / V. Manasson, V. Khodos, L. Sadovnik, A. Avakian, V. Litvinov, D. Jia, M. Felman, M. Aretskin. Pub. Date: 08.03.2012.
19. Ostankov A.V Retrospektivnyy analiz vozmozhnostey, konstruktsiy i osnovnykh kharakteristik difraktsionnykh antenn vytekayushchey volny [The retrospective analysis of possibilities, designs and the basic characteristics of the diffraction antennas leaky wave] // Vestnik VSTU. - 2010. - T. 6, №8. - pp. 75-81.
20. D. Wang, R. Gillard, R. Loison. A notched dielectric resonator antenna unit-cell for 60GHz passive repeater with endfire radiation // European conference on antennas and propagation (EuCAP2014). -2014. - pp. 3167-3170.
21. Y. H. Cho, W. J. Byun, M. S. Song. Metallic-rectangular-grooves based 2d reflectarray antenna excited by an open-ended parallel-plate waveguide // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2010. - Vol. 58 (5). - pp. 650-656.
22. J. Huang, J. A. Encinar. Reflectarry antennas // IEEE Intl. Symp. Antennas Propagat. - New Jersey, 2008. -216 p.
