CC BY
296
УДК 621.396.67
РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ, КОНСТРУКЦИЙ И ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИФРАКЦИОННЫХ АНТЕНН ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ
А.В. Останков
Приведен краткий обзор электродинамических схем, конструкций и характеристик дифракционных антенн вытекающей волны, использующих принцип преобразования поверхностных волн в объемные
Ключевые слова: антенна, диэлектрический волновод, дифракционная решетка, диаграмма направленности
Одним из важнейших физических явлений, положенных в основу принципа работы антенных решеток с открытыми электродинамическими структурами, является эффект преобразования поверхностных электромагнитных волн в объемные волны. Эффект наблюдается при рассеянии неоднородных волн на периодически размещенных нерегулярностях, образующих дифракционную решетку [1]. Период решетки должен быть соизмерим с длиной дифрагирующей волны. Экспериментальные исследования взаимодействия поверхностной волны диэлектрического волновода (ДВ) с дифракционной решеткой (ДР) позволило еще в 70-х годах прошлого века обосновать возможность получения высоконаправленного электромагнитного излучения в свободном пространстве и сделать вывод о перспективности использования этого явления в антенной технике [2]. Созданные на этой основе высокочастотные устройства, поддерживающие поверхностную волну, преобразуемую в объемные электромагнитные волны, относят к антеннам вытекающей или поверхностной волны.
В качестве носителей поверхностной волны в антеннах линейного типа используются ДВ различного поперечного сечения - круглые, прямоугольные, гребневые. Характерные площади поперечного сечения линейных волноводов - (0.5х0.5)-Х02, где Х0 -рабочая длина волны в свободном пространстве [3]. Требуемый вид распределения поля поддерживается автоматически выбором рабочего типа волны ДВ. Поперечный размер ДР обычно не превышает Х0. Для повышения направленности излучения в поперечном направлении реализуются классические приемы. В частности, в рупорно-волноводных устройствах возбуждения используются параболические зеркальные отражатели или диэлектрические линзовые корректоры [4-6]. В то же время, явление преобразования поверхностных волн в объемные, успешно реализуется на ДР любого поперечного размера. Для получения поперечного размера антенны необходимой величины, обусловленной требованиями к ширине формируемой диаграммы направленности (ДН) применяют ДВ, ширина которого обеспечивает требуемую засветку ДР. Использование таких ДВ продиктовано тем, что антенна вытекающей волны
Останков Александр Витальевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, E-mail: avostankov@mail.ru
обладает малой глубиной. Размер по глубине (третий размер), измеряемый в направлении нормали к излучающему раскрыву, определяется электродинамическими свойствами ДР и связанным с ней ДВ и составляет не более 3-Х0 при любой геометрии формируемой апертуры. Наиболее близким вариантом к таким волноводам является планарный ДВ (ПДВ). Для обеспечения эффективного возбуждения ПДВ применяются линейные щелевые, рупорно-щелевые устройства, а также линейные варианты антенны вытекающей волны [7,8]. Последнее означает возможность реализации широкоапертурной СВЧ или КВЧ антенны вытекающей волны в планарном исполнении. В качестве ДР в антеннах вытекающей волны используются периодические решетки из элементов различного типа и поперечного сечения: проводников (например, ленточных), канавок, выполненных непосредственно в ПДВ или в проводящем экране (например, прямоугольной формы) и т.п. Электродинамическая структура, состоящая из ПДВ и ДР в виде металлической гребенки или экранированной ленточной решетки, в данном отношении может считаться ключевой, поскольку изначально [9] и в настоящее время находит наибольшее практическое применение [10].
Дифракционные антенны вытекающей волны на основе излучающих линий передачи обладают сравнительно высоким коэффициентом полезного действия (КПД), который при минимизации величины отражения поверхностной волны от решетки может достигать 95 % и более [1], и поэтому составляют серьезную конкуренцию микрополосковым антенным решеткам как в СВЧ, так и КВЧ диапазонах. Малая величина потерь обусловлена однократным характером рассеяния поверхностной волны ПДВ на каждом элементе решетки. Благодаря нетривиальным способам возбуждения существует возможность регулирования амплитудного распределения в раскрыве, что дает возможность избавиться от характерного для антенны экспоненциально-спадаю-щего распределения и, тем самым, увеличить коэффициент использования поверхности (КИП) [4,6]. Таким образом, дифракционные антенны вытекающей волны потенциально могут обладать общей эффективностью - произведением КИП на КПД - более чем (60 - 75) %.
Важным достоинством рассматриваемых антенн является их механическая и электрическая
прочность, которая позволяет им находить применение в радио- и локационных системах, работающих в сложных механических и климатических условиях. Благодаря плоской поверхности антенн их применение в мобильных установках не ухудшает аэродинамические характеристики последних. Среди недостатков, характерных для данного типа антенн, можно отметить их узкополосность и присущую им угло-частотную зависимость [1], заключающуюся в изменении пространственного положения главного лепестка ДН при вариациях частоты сигнала. Вместе с тем этот недостаток превращается в достоинство при реализации сканирующих систем. Если требуется сканирование на фиксированной частоте, то возможно использование механического или электронного способа вариации геометрии ДР.
Электродинамическая схема антенны, описанной в [6], основана на рассеянии поверхностных волн ПДВ 1 одномерно-периодической ленточной решеткой 2 (рис. 1). Конструкция обладает апертурой 100x1000 мм2 и оптимизирована для рабочей длины волны Х0 = 8 мм. ПДВ толщиной несколько меньшей Х0/2 выполнен из фторопласта, поддерживает основную волну Е-типа и возбуждается рупорно-линзовым излучателем 3. Дифракционная решетка 2 изготовлена из стеклотекстолита (нижняя поверхность металлизирована, электрическая толщина составляет четверть длины волны, измеренной в диэлектрике) и образована размещенными на его поверхности металлическими лентами. ДР расположена на расстоянии Х0/2 от нижней поверхности ПДВ с небольшим перекосом (в плоскости уОх) для формирования требуемого амплитудного распределения на апертуре в направлении распространения поверхностной волны. При выполнении условия фазового синхронизма между поверхностной волной ПДВ, бегущей с постоянной распространения у в направлении Ох, и волной, имеющей постоянную распространения к0 и рассеянной ДР с периодом Ь:
к0 ’Ь’СОБфп -у-Ь=2п-п, направление излучения объемной волны определяется углом фп между волновым вектором к0 и осью
Ох. Величина периода ДР выбрана равной 0.81Х0, что обеспечивает излучение только (—1)-й пространственной гармоники под углом ф_1 = 92°. Ширина ДН составляет (5.5x0.5)° при уровне боковых лепестков (УБЛ) "минус" 23 дБ и "минус" 17 дБ соответственно, коэффициент стоячей волны (КСВ) - менее
1.15. Устройство обладает потерями не более 1.5 дБ.
Предложенная в [4] антенна вытекающей волны (рис. 2) включает проводящий экран 1, слой диэлектрика 2, прямоугольный волновод 3, волноводный изгиб 4, полусегментно-параболическую антенну (ППА) 5 и ДР металлических лент 6 переменной ширины. Волноводная волна типа Н10 преобразуется с помощью ППА и прямоугольного волновода в поверхностную волну Е-типа, поддерживаемую ПДВ. Набегающая поверхностная волна возбуждает син-фазно металлические ленты переменной ширины, формируя как в плоскости Е, так и плоскости Н, узкий луч. Выбор ширины металлических лент производится по формуле
Д,= -3ХПВ-е0 14-0 02N• {1.2+0.28-яп[2п-( N • ]-0.17)]},
где у = 1...Ы, N = ЬА/Хпв; ЬА - длина ДР; Хпв - длина поверхностной волны ПДВ: 7-Хпв < ЬА < 100-Хпв. Изменение ширины лент ДР обеспечивает равномерное преобразование энергии поверхностной волны в энергию излучения, так что на кромке антенны мощность поверхностной волны составляет доли процента от начальной, а амплитудное распределение поля на апертуре практически равномерное, за исключением краев антенны, где оно имеет быстро спадающий характер. За счет этого реализуется высокий коэффициент направленного действия, а также сравнительно низкий УБЛ. Использование волноводного изгиба в совокупности с ППА позволило уменьшить габариты устройства и повысить коэффициент усиления. Антенна предназначена для использования в системах сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волн.
В работе [7] описана широкоапертурная дифракционная антенна вытекающей волны. Схема конструкции антенны показана на рис. 3. Рабочая апертура реализована в виде металлической гребенки 1 с широкими канавками, накрытой слоем диэлектрика 2 (листовым полиэтиленом). Принцип работы антенны (в режиме приема) заключается в преобразовании приходящей извне (в плоскости хОх) электромагнитной волны горизонтальной поляризации в (-1)-ю гармонику Флоке, которая является поверхностной волной и канализируется с помощью ПДВ 2 по оси Ох к линейному устройству возбуждения. Устройство возбуждения антенны представляет собой линейный фторопластовый ДВ 3 прямоугольно -го сечения, нагруженный линейной периодической
гребенкой 4 с узкими канавками. Поверхностная Н-волна ПДВ 2 через торец засвечивает ДВ 3 устройства возбуждения и преобразуется в поверхностную волну Е-типа, канализируемую к малому по размерам пирамидальному рупору 5. Для обеспечения амплитудного распределения в поперечном сечении ПДВ 2 (плоскости уОх), близкого к равномерному, устройство возбуждения и торец ПДВ 2 выполнены под углом к ребрам канавок гребенчатой структуры 1. Известный вариант реализации антенны с габаритами 550x450x100 мм3 обеспечивает на частотах 10.9-
11.7 ГГц коэффициент усиления 32.9-33.5 дБ при уровне боковых лепестков ДН "минус" 13 дБ и КСВ не более 1.3. Полоса частот, в пределах которой из-за частотно-угловой дисперсии коэффициент усиления снижается на 3 дБ (при фиксированном положении антенны) составляет 320 МГц (2.7 %), уровень кроссполяризации в рабочей полосе частот - не более "минус" 19 дБ.
Антенна вытекающей волны с поперечным излучением [11] содержит возбудитель 1 поверхностной волны, направляющую структуру 2 и нерегулярности 3, размещенные с шагом Ь (рис. 4). Возбудитель 1 вызывает в направляющей структуре 2 поверхностную волну низшего Е-типа, которая распространяется от возбудителя к периферии и дифрагирует на периодических нерегулярностях. Величина шага (Ь = Хпв) обеспечивает синфазное сложение пространственных волн, возбуждаемых нерегулярностями, и формирование острой ДН с максимумом в направлении нормали к поверхности антенны. Расстояние от возбудителя до ближайших нерегулярно -стей таково, что волны, отраженные от частей направляющей структуры, расположенных по разным
сторонам от возбудителя, взаимно компенсируются. Размеры нерегулярностей выбраны увеличивающимися (нерегулярности у краев антенны близки к резонансным, а ближайшие к возбудителю малы по сравнению с Х0), что приводит к эффективному возбуждению пространственных волн на всей апертуре антенны. Направляющая структура 2 может быть реализована в виде: гребенки С малым шагом (нерегулярности - канавки, глубина которых монотонно изменяется к периферии, рис. 5); ПДВ с периодическими диэлектрическими нерегулярностями в виде вставок (выемок) с изменяемой высотой или шириной; ПДВ с металлической подложкой, на поверхности которой периодически размещены металлические пластины (ленты) переменной ширины. В [11] приводятся формулы, описывающие требуемый закон изменения геометрических параметров нерегулярностей. Так, если направляющая структура имеет вид, показанный на рис. 5, то глубина канавок-нерегулярностей
к1 = кг + (кк -к1)-(1 -1)/(N-1) или й1 = А1-ехр[а-(/-1)], где а=[1/(N-1)]-1п(кк -к1). Выбор остальных параметров делается так: 0<к0<А,0/4, t0/10, 5<Х0/2, Ь =^0/(1+хо), где х0 = (5 - ^/8^(к0-к0). Указывается, что поляризация излучения определяется поляризационными свойствами возбудителя, формой направляющей структуры, расположением и формой нерегулярностей. При использовании линейного возбудителя и прямоугольной направляющей структуры с линейными нерегулярностями обеспечивается работа на линейной поляризации поля. При использовании возбудителя в виде круглого волновода с волной Н11 или круглого ребристого волновода с волной НЕ11 и направляющей структуры круговой формы с дуговыми или кольцевыми нерегулярностями возможна работа антенны на одной или нескольких видах переключаемых поляризаций, в том числе - на круговой поляризации. Указывается, что антенна обладает повышенным коэффициентом усиления и улучшенным согласованием по сравнению со случаем полностью идентичных нерегулярностей. Конструкция возбудителя не описана.
Антенна, предложенная в [12] и предназначенная для спутникового телевидения, может быть отнесена к волноводно-щелевым антеннам, однако, принцип ее работы основан на преобразовании поверхностных волн в объемные волны. Конструкция устройства близка в варианту антенны, показанной на рис. 4. Плоская антенна содержит узел возбуждения в виде перехода коаксиального тракта в радиальный волновод, замедляющую структуру в виде плоского слоя диэлектрика, расположенного на металлической подложке, а также группу излучателей
Ь
к
к
0
(решетку) в виде совокупности щелей, прорезанных определенным образом в металлической пластине, расположенной над замедляющей структурой.
В работе [13] предложена еще одна разновидность антенны с круглой апертурой (рис. 6), в состав которой входит экранированный ДВ 1, на внешней поверхности которого размещена ДР 2 из концентрических колец. Узел возбуждения 3 ДВ выполнен в виде совокупности щели связи с основным питающим волноводом (круглого сечения для управляемой поляризации или прямоугольного для линейной неуправляемой) и расположенного напротив нее на внешней стороне ДВ круглого металлического диска. Излучение по нормали к плоскости раскрыва антенны обеспечивается в результате интерференции волн, излучаемых диаметрально противоположными полукольцевыми щелями, причем результирующая ориентация плоскости поляризации определяется возбуждающим элементом антенны. Наиболее узкая ДН формируется при выполнении условия брэгговского резонанса второго порядка. Изменение рабочей частоты приводит вследствие проявления углочастотной дисперсии к расширению ДН и, в конечном итоге, к ее расщеплению. Ширину рабочей полосы частот, ограниченную снижением коэффициента усиления на 3 дБ, можно оценить как Д/=Д©/р ,
где Д© - ширина ДН, р - угло-частотная чувствительность антенны. Экспериментально исследованы два образца антенны: 1 - возбуждаемой прямоугольным волноводом и 2 - круглым волноводом (с управляемой линейной поляризацией). Антенны 1 и 2 имели одинаковые конструктивные параметры: диаметр раскрыва 38 см, период решетки Ь = 28 мм, ширина кольцевых лент, выполненных из алюминиевой фольги, 14 мм, ДВ толщиной 6 мм изготовлен из полиэтилена. Максимальная эффективность антенны 1 составила 50 % на частоте 8.87 ГГц при коэффициенте усиления 27.9 дБ, полоса частот, ограниченная снижением коэффициента усиления на 3 дБ - около 600 МГц (7 %), наибольший УБЛ в Е-плоскости -"минус" 15 дБ, уровень кроссполяризации - менее "минус" 13 дБ, ширина ДН в Е-плоскости - 8.5°, КСВ - менее 2 в полосе 8.1 - 10 ГГц. Максимальная эффективность антенны 2 составила 46 % на частоте 9.11 ГГц, КСВ - менее 2 в полосе 8.8 - 9.2 ГГц при таких же прочих параметрах, что и у антенны 1.
Антенна, описанная в [5], выполнена в виде плоской замедляющей структуры (ЗС) 1, в торце которой расположен узел возбуждения, а решетка излучателей 2, параллельных ЗС, реализована в виде совокупности взаимно параллельных и эквидистантных линейных проводников, отнесенных на расстояние (0.1...0.5)-Х0 от плоскости ЗС (рис. 7). Узел воз-
АЛ ! < >
\
буждения реализован в виде двухплоскостного металлического волновода 3, в котором размещена зеркальная антенна с облучателем (Е-плоскостным рупором) и рефлектором 4 в виде цилиндра с параболической направляющей. Рефлектор размещен с возможностью механического вращения между плоскостями металлического волновода вокруг фокальной линии. Концы элементов ДР 2 закреплены с возможностью перемещения посредством периодозадающего узла 5, синхронно связанного с узлом вращения 6 рефлектора облучателя. Изменением периода ДР и поворотом рефлектора можно управлять ДН антенны независимо по двум угловым координатам. При реализации ЗС в виде ПДВ из полистирола толщиной 0.5Х0, расположенного над слоем алюминия, и ДР в виде металлических проводников толщиной 0.1 Х0 и площадью (60х60)-Х02 в секторе изменения углов максимального излучения (30х30)° без существенного ухудшения получен коэффициент усиления антенны - 44.2 дБ при полной эффективности около 58 %.
В качестве ДР в антеннах вытекающей волны могут использоваться не только металлодиэлектрические решетки с фиксированными или механически изменяемыми параметрами, но и структуры с управляемыми параметрами посредством акустических (звуковых) и оптических колебаний, распространяющихся в оптически плотной прозрачной среде. Сканирующее устройство, управляемое звуковыми волнами, рассмотрено в [14], а в работе [15] описана антенна с оптическим управлением ДН. Такая антенна вытекающей волны содержит питающий волновод, возбуждающий переход, соосно с которым установлен линейный ДВ и переизлучающую периодическую решетку. ДР отстоит от ДВ на расстоянии (0.5...1)-Х0 и представляет собой слоистую структуру из подложки, прозрачной для оптического излучения, и нанесенной на ее поверхности полупроводниковой фоторезистивной пленки. Под решеткой размещена управляемая электронным коммутатором матрица светоизлучающих элементов, сгруппированных в параллельные друг другу ряды, ориентированные перпендикулярно оси ДВ. При подаче управляющего напряжения на вход матрицы светоизлучающих элементов (в соответствии с требуемым углом максимального излучения) свет от матрицы проходит через подложку и падает на поверхность фоторезистивной пленки. В последней в освещенных областях возникают неравновесные носители заряда, резко увеличивая проводимость этих областей. Поскольку перепад проводимости в затемнен-
ных и освещенных областях может достигать от единиц до сотен тысяч раз, пленка будет представлять собой контрастную ДР, эквивалентную металлической ленточной, эффективно рассеивающую поверхностные волны ДВ и в совокупности с ним формирующую ДН антенны. Антенна обладает большим быстродействием при работе в режиме сканирования по сравнению с антеннами, использующими ферритовые элементы управления ДН.
К антеннам вытекающей волны с управляемым типом сканирования можно отнести также конструкции на основе волновода с сегнетоэлектрической пленкой и переизлучающей решеткой [16], феррито-вую гофрированную линию передачи [17], антенну вытекающей волны с ферритовой пластиной [18] и с искусственным жидким диэлектриком [19]. Все они разработаны для диапазона КВЧ и обеспечивают однокоординатное сканирование ДН в секторе до 40° на фиксированной частоте при КПД, достигающем 95 % и более.
В антенне вытекающей волны [6], схема конст -рукции которой показана на рис. 8, в моноголучевом режиме реализовано частотное сканирование в диапазоне 30 - 37.5 ГГц. В качестве излучающей структуры и узлов ввода-вывода энергии использована система "ПДВ 1 - гребенка 2". Рабочее положение антенны - с вертикальной апертурой, широкая сторона последней - горизонтальна. Электродинамическая схема антенны имеет три независимых луча, которые пересекаются по уровню "минус" 3 дБ в вертикальной плоскости. Для обеспечения трех лепестков ДН в ПДВ формируются три независимых пучка, распространяющихся под различными углами к оси ПДВ. Изменение частоты приводит к одновременному отклонению группы лучей в горизонтальной плоскости. Период гребенки Ь = 7 мм выбран для обеспечения требуемого сектора сканирования при работе совместно с ПДВ из фторопласта толщиной 3.4 мм, в котором возбуждается Е-волна. Использование Е-волны связано с возможностью сформировать требуемое амплитудное распределение на апертуре за счет переменной связи ДВ с ДР, а также тем, что позволяет после перехода на двухплоскостной металлический волновод 3 выполнить разворот на 180° в область под гребенку, и таким образом рационально расположить узлы возбуждения. Антенна имеет апертуру 500x150 мм2. Изменение частоты от 37.5 до 30 ГГц приводит к качанию максимума ДН в горизонтальной плоскости в секторе
88-107° (угло-частотная чувствительность 2.5 °/ГГц). Для расширения сектора сканирования используется два возбудителя 3 ПДВ, выполненные в виде рупорно-линзового перехода 4 и запитывающие ПДВ с двух концов. Указанная угло-частотная чувствительность обеспечивает требования по полосе частот в пределах ширины ДН (200-300 МГц или 1 %). Ширина ДН составляет (3.4x1.3)° для всех трех лучей, УБЛ - "минус" 18-16 дБ, суммарные потери - 2 дБ.
Не менее важной задачей при построении дифракционных антенн вытекающей волны является обеспечение приема и излучения волн линейных ортогональных типов поляризации, а также волн с круговой поляризацией. Данная проблема может быть решена, как было показано выше, посредством использования в антеннах возбудителя поверхностной волны в виде радиального волновода и дифракционной решетки круговой формы с дуговыми или кольцевыми нерегулярностями [11-13]. Похожие конструкции описаны в [20]; в них использован радиальный волновод с парными щелями в верхней стенке. При этом по данным, приведенным в [20], подобные антенны могут обладать общей эффективностью до 80 % при коэффициенте усиления не менее 35 дБ в диапазоне частот 11.7-12.0 ГГц. Типовое значение уровня кросс-поляризационного излучения составляет в рабочей полосе частот "минус" 15 дБ. Повысить эффективность антенн для приема волн круговой поляризации путем применения в качестве направляющих структур гофрированных ДВ предлагается в работе [21], где приводятся соответствующие экспериментальные данные.
В работе [8] предложена антенна вытекающей волны с электронным управлением поляризацией излучения. Конструкция антенны, реализованной по схеме интерферометра в режиме встречного возбуждения ПДВ, представлена на рис. 9. Антенна содержит ПДВ 1, двумерно-периодическую металлическую гребенку 2, Е-плоскостной волноводный поворот 3 на 180°, узел возбуждения 4, состоящий из четырех рупорно-щелевых устройств (по два на вертикальный и горизонтальный канал), делитель мощности 5, волноводную фазирующую секцию 6, ферри-товый управляемый поляризатор 7. Антенна в режиме передачи работает следующим образом. Электромагнитная волна, проходя через поляризатор 7, приобретает ориентацию плоскости поляризации, определяемую величиной управляющего напряжения. При работе в режиме излучения волны с линейной поляризацией СВЧ энергия поступает только в два канала устройства возбуждения (вертикальные или горизонтальные). При этом рупорно-щелевые уст-
1
5
6^Ш~7
2
4
ройства 4 формируют плоские ТЕМ-волны, которые, проходя через ^-плоскостные повороты 3, возбуждают в открытой линии передачи "ПДВ 1 - гребенка 2" поверхностные волны. Последние, вытекая, формируют игольчатую ДН с главным лепестком, ориентированным по нормали к апертуре антенны. Для излучения (приема) волны круговой поляризации между управляемым поляризатором 7 и синфазным делителем мощности с излучающими щелями 5 включается волноводная фазирующая секция, обеспечивающая сдвиг фаз 90° между вертикальным и горизонтальным каналами устройства возбуждения. Работа каждой из четырех рупорно-щелевых антенн с углом раскрыва 90° основано на синфазном сложении волн, излучаемых под углом в 45° щелями, прорезанными во внешних узких стенках двух прямоугольных волноводов, образующих Н-образный рупорный раскрыв. В диапазоне 11.3 ГГц (полоса около 250 МГц) антенна с габаритами 455x455x55 мм3 обладает коэффициентом усиления 30.5-32.3 дБ, КСВ не более 1.8, уровнем бокового излучения "минус" 13 дБ. Уровень кроссполяризации составляет "минус" 20 дБ, полная эффективность 60 %.
Основными функциональными элементами антенны вытекающей волны, описанной в [22], являются установленные на плоском основании 1 четыре двумерно-периодические гребенки 7, преобразующие в режиме приема пространственную волну в поверхностные (рис. 10). Поверхностные волны, канализируемые ПДВ 8, поступают на вход устройства возбуждения. Двухканальный (четырехплечий) узел возбуждения состоит из верхней и нижней линейных У-образных металлических частей, щели между которыми являются излучающими. Нижняя часть 3 каждого плеча в качестве вложения содержит линейный желобковый волновод с парными металлическими излучающими полосковыми вибраторами 6: верхняя часть 5 выполняет функции делителя мощности. Линейное возбуждающее устройство на основе желобкового волновода содержит помещенный в проводящий желоб фторопластовый стержень 6, на верхней грани которого нанесены парные полоски (ленты) из алюминиевой фольги с периодом 18 мм. Возбуждение поверхностных волн в каждом таком устройстве осуществляется посредством щелей, прорезанных в стенках волновода квадратного сечения,
установленного перпендикулярно основанию 1 и в его центре. Волновод со щелями выполняет функцию поляризационно-зависимого делителя мощности. Снизу к такому делителю может быть подключен управляемый поляризатор. Отражатели 2 и 4, устанавливаемые на торцах антенны, повышают КИП. Антенна функционирует следующим образом. Волна, пройдя через управляемый поляризатор, поступает через щели поляризационно-зависимого делителя мощности в каналы устройства возбуждения четырех линейных ДВ и распространяется в противоположных направлениях, рассеиваясь на ленточных решетках. Излучение четырех линейных возбуждающих устройств направляется посредством V-образных делителей, одновременно выполняющих функцию устройств возбуждения ПДВ, к отражателю. Поверхностные волны ПДВ, рассеиваясь на гребенках, обеспечивают нормальное к апертуре антенны излучение в режиме брэгговского резонанса второго порядка. Экспериментальные исследования антенны показали, что ее эффективность на частоте 10.9 ГГ ц достигает 65 %.
Потенциальные возможности открытой электродинамической системы "ПДВ - отражательная периодическая ДР" позволяют реализовать ДН специальной формы. Так, в [23] представлены результаты разработки и испытаний двух плоских антенн дифракционного излучения с косекансной формой ДН для диапазона частот 8.1-8.4 мм. Показано, что основой антенн служит структура, состоящая из ПДВ и ДР с переменным периодом. Определены условия, при выполнении которых ДН в рабочей области становится максимально гладкой. Один из вариантов плоской антенны, обладающий габаритными размерами 1028x320x48 мм3, обеспечивает работу на вертикальной поляризации с коэффициентом усиления не менее 37.5 дБ и КСВ - 1.14. Ширина ДН в вертикальной плоскости составляет 43°, в азимутальной -
0.5° (уровень боковых лепестков - "минус" 21 дБ). Узлы возбуждения ПДВ в обоих случаях выполнены по плоской рупорно-параболической схеме (угол облучения параболы близок к 180°).
Таким образом, проведенные за последние десятилетия исследования в области антенн, использующих явление преобразования поверхностных волн в объемные, привели к созданию разнообразных по конструктивным и функциональным признакам антенных систем сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. Интерес разработчиков к подобным антеннам на протяжении всего периода их развития не ослабевал, а в последнее время заметно обострился, что свидетельствует о принципиальной перспективности последних. Актуальность дальнейшего развития техники дифракционных антенн обусловлена стремительным освоением СВЧ и КВЧ диапазонов волн в связи с решением проблем электромагнитной совместимости и повышения пропускной способности РЭС различного назначения. Ужесточение требований к точностным характеристикам радиолокаторов и их разрешающей способ-
ности, развитие и резкое удешевление технологий производства активных и управляющих элементов СВЧ и КВЧ диапазонов, технологий производства устройств обработки сигналов, выполненных на одном кристалле, требует серьезных подвижек и смещений акцентов в антенных технологиях, в том числе и в части совершенствования дифракционных антенн вытекающей волны.
Литература
1. Шестопалов В.П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. Киев: Наук. думка, 1985. 216 с.
2. Перетворення міліметрових і субміліметрових поверхневих електромагнітних хвиль в об’ємні і використання цього явища у фізицій техніці / В.П. Шестопалов, С.Д. Андренко, В.Г. Бєляєв та ін. // Вісн. АН УРСР. 1977. № 1. С.8-21.
3. Провалов С.А., Андренко С.Д. Исследования полей ограниченного планарного диэлектрического волновода // Радиофизика и электроника. 2007. Т. 12. № 3. С. 476-481.
4. А. с. 1805517 БИ, МКИ {5} Н0^13/28. Антенна поверхностной волны / В.В. Гоблик, М.Ю. Михайлов, А.Ф. Чаплин, Е.М. Ящишин (Би). № 4867924/09; заявл. 21.09.90; опубл. 30.03.93, Бюл. № 12.
5. Пат. 2019011 Ш, МКИ {5} Н0^19/19. Плоская антенна для спутникового телевидения / В.М. Голуб, А.П. Евдокимов, В.В. Крыжановский и др. № 5002174/09; заявл. 03.08.91; опубл. 30.08.94, Бюл. № 16.
6. Евдокимов А.П., Крыжановский В.В. Новое направление в технике антенных решеток // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1996. Т. 39. № 9-10. С. 54-61.
7. Плоские дифракционные СВЧ-антенны с фиксированной ориентацией линейной поляризации / А.И. Климов, К.Б. Меркулов, А.В. Останков и др. // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 6. С. 136.
8. Плоская дифракционная СВЧ-антенна с электронно-управляемой поляризационной чувствительностью / А.И. Климов, К.Б. Меркулов, А.В. Останков и др. // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 6. С. 137.
9. Андренко С.Д., Девятков Н.Д., Шестопалов В.П. Антенные решетки миллиметрового диапазона волн // Доклады АН СССР. 1978. Т. 240. № 6. С. 1340-1343.
10. Евдокимов А.П., Крыжановский В.В. Сканирующие антенны радаров миллиметровых волн для предупреждения столкновений транспортных средств // Успехи современной радиоэлектроники. 2006. № 4. С. 70-79.
11. Пат. 2007795 RU, МКИ {5} H01Q13/20. Антенна поверхностной волны с поперечным излучением / А.Ф. Чаплин, А.С. Кондратьев (SU). № 5008133/09; заявл. 31.10.91; опубл. 15.02.94, Бюл. № 3.
12. Slot-coupling in a radial line slot antennas for 12 GHz band satellite TV reception / H. Sasazawa, Y. Oshima, K. Sakurai и др. // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1988. Vol. 36. № 9. P. 1221-1226.
13. Плоская антенна на основе радиального волновода / А.В. Ашихмин, А. Д. Виноградов, А.И. Климов и др. // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. V-й Международной науч.-техн. конф. Воронеж, 1999. Т. 3. С. 1785-1789.
14. Бей Н.А., Ямашкин В.П. Сканирующее устройство с ультразвуковым управлением // Фазированные антенные решетки и их элементы: автоматизация проектирования и измерений (ФАР-90): тез. докл. Всесоюз. на-уч.-техн. конф. Казань, 1990. С. 132.
15. Климов А.И., Прибылов Н.Н., Юдин В.И. Плоская антенна с оптоэлектронным сканированием для средств связи миллиметровых волн // Радиотехника. 1999. № 6. С. 52-53.
16. Вендик О.Г., Мироненко И.Г., Рыжкова Л.В. Антенна бегущей волны с электрическим сканированием // Радиотехника и электроника. 1982. Т. 27. № 8. С. 1653-1655.
17. Охира Т. Излучение волн миллиметрового диапазона ферритовой отражательной линией, имеющей гофрированную поверхность // ТИИЭР. 1982. Т. 70. № 6. С. 422.
18. Mahery H., Tsutsumi M., Kumagai N. Experimental studies of magnetically scannable leaky-wave antennas having a corrugated ferrite slab/dielectric layer // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1988. Vol. 36. № 7. P. 911-917.
19. Bahl I.J., Prakash B. Leaky-wave antennas using artificial dielectric at millimeter-wave frequencies // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. 1980. Vol. 28. № 11. P. 1205-1212.
20. Щербаков В.И. Эффективность плоских антенных решеток для систем непосредственного спутникового телевизионного вещания // Теория и техника антенн: тез. докл. науч.-техн. конф. М., 1994. С. 158-160.
21. Maamria K., Wagatsuma T., Yoneuma T. Leaky NRD guide as a feeder for microwave planar antennas // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1993. Vol. 41. № 12. P. 1680-1686.
22. Плоская измерительная антенна СВЧ диапазона волн с электронным управлением поляризации излучения / К.Б. Меркулов, А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак и др. // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 3. С. 162-163.
23. Евдокимов А.П., Крыжановский В.В. Плоские антенные решетки с косекансной формой диаграммы направленности 8-ми миллиметрового диапазона волн // Электромагнитные волны и электронные системы. 2003. Т. 8. № 10. С. 52-58.
Воронежский государственный технический университет
THE DIFFRACTION ANTENNA OF A FLOWING OUT SURGE WITH OFF-GAUGE IMPLEMENTATION OF THE APERTURE
A.V. Ostankov
Is resulted the brief review of the electrodynamic schemes and designs of diffraction antennas of a flowing out surge operating a principle of transformation of surface waves in body waves
Key words: antenna, dielguide, comb, contouring, efficiency
