CC BY
90
УДК 621.396.67
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНАЯ АНТЕННА ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ НА ОСНОВЕ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ГРЕБЕНЧАТОЙ СТРУКТУРОЙ
Д.Ю. Крюков, А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин
Рассмотрена антенна вытекающей волны на основе однопроводной коаксиальной линии передачи, экранированной дифракционной отражательной решеткой с периодической гребенчатой структурой. Проведено электродинамическое моделирование синтезированной дифракционной антенны и представлены наиболее значимые результаты
Ключевые слова: периодическая гребенка, поверхностная волна, направленное излучение, моделирование
В настоящее время, применяемые на практике антенны из простых устройств превратились в сложнейшие системы [1]. Проектирование и конструирование таких антенных систем требует больших производственных и технологических затрат, что в конечном счете приводит к значительному увеличению стоимости всей радиосистемы. Кроме того, чрезмерное усложнение конструкции с целью обеспечить высокие технические характеристики, в ряде случаев, увеличивает массогабаритные параметры антенны и снижает ее надежность.
Одним из возможных способов реализации высокотехнологичной антенны УВЧ и СВЧ диапазонов является вариант, основанный на эффекте пространственного преобразования поверхностной волны открытой линии передачи в объемную волну посредством периодической неоднородности. Такая дифракционная антенна обладает сравнительно малыми тепловыми потерями (большим коэффициентом полезного действия (КПД)) и хорошими направленными свойствами. Являясь одновременно надежной и относительно простой в эксплуатации, подобная антенна весьма перспективна для использования в современных системах широкополосной радиосвязи.
Дифракционная решетка с пространственной периодичностью имеет поверхностное реактивное сопротивление, что обеспечивает эффект замедления электромагнитной волны. Продольное сечение гребенки и компоненты волны приведены на рис. 1.
\Е.,
М
/н.
Рис. 1. Продольное сечение гребенки и компоненты волны
Крюков Дмитрий Юрьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Останков Александр Витальевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 243-77-29
Юдин Владимир Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 243-77-29
Представленная гребенчатая структура 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 г подчиняется разным законам.
Комплексная амплитуда волны над замедляющей структурой типа «гребенка» представляет собой совокупность пространственных гармоник:
E = E т (x, z )e - jPoz =X En (x)e
-j| Po Iz
(1)
„ 2жп
где уп = р0 н--- волновое число п - гармоники.
Основная волна соответствует значению п = 0 и имеет максимальную амплитуду, минимальное волновое число и максимальную фазовую скорость. Другая особенность гребенки заключается в ее периодичности; однако при условии в01<<1 (во - продольное волновое число, I - период гребенки) периодичность не сказывается, высшими пространственными гармониками можно пренебречь [2].
Типовая реализация антенного полотна предполагает строгую периодичность дифракционной решетки (гребенки), приводящую к синфазному сложению парциальных волн, излучаемых в одном направлении идентичными полостями (канавками) решетки [3]. Также известны экспериментальные данные, свидетельствующие об увеличении коэффициента усиления антенны и улучшении согласования антенного полотна с устройством возбуждения при увеличении электрических размеров элементов периодической решетки вдоль направления вытекания волны (от малых по сравнению с длиной волны (X) до резонансных значений) [4].
Геометрия канавки гребенки и компоненты волны, распространяющиеся над заземляющей структурой представлены на рис. 2.
„77
tfv
Рис. 2. Геометрия канавки гребенки и компоненты волны
и=-со
Поле внутри прямоугольной канавки имеет следующие особенности:
1. Волна, распространяющаяся над гребенкой, возбуждает внутри паза электромагнитное поле;
2. Если ширина канавки a<< X, то внутри полости, вдоль координаты z поле можно считать неизменным:
E(z) « const;
H (z) « const.
3. Поле внутри канавки вдоль координаты x распределено по закону стоячей волны. Стоячую волну можно рассматривать как результат суперпозиции вдоль координаты x падающей и отраженной
волн ТЕМ-типа, в которой имеются две компоненты
Ел и Ну2.
В настоящей работе рассматривается антенная система вытекающей волны, содержащая однопро-водную линию передачи на основе центральной жилы коаксиального кабеля с тефлоновой изоляцией (диаметр медной жилы - 0.5 мм, толщина тефлоново-го покрытия - 1 мм), конический рупор и периодическую дифракционную решетку типа «гребенка» (рис. 3). Известно, что эффективность антенны в направлении в0 (произведение КПД на коэффициент использования поверхности (КИП)) существенно зависит от размеров излучающих элементов (канавок) гребенки, степени связи гребенки с однопроводной
-О—□—
а
о
Рис. 3. Исследуемая антенная вытекающей волны: а - вид сбоку, б - аксонометрия
коаксиальной линией передачи и длинной антенного полотна. Синтез представленной на рис. 3 антенны вытекающей волны, предназначенной для работы в диапазоне УВЧ на частоте 2,4 ГГц был произведен в соответствии с методиками и рекомендациями, изложенными в работах [3, 5, 6, 7, 8].
Таким образом, основные геометрические размеры исследуемой антенны вытекающей волны выбраны следующими: общая длина - 1930 мм, диаметр конического рупора - 250 мм, длина дифракционной решетки - 1740 мм, ширина - 70 мм. Дифракционная решетка содержит 15 канавок прямоугольного профиля с шириной 57 мм и глубиной 31 мм каждая. При необходимости, в качестве обтекателя (устройства для защиты антенны от воздействия внешней
среды) можно использовать радиопрозрачную пластиковую трубу.
Расстояние между однопроводной линией передачи (величина зазора) выбирается, как правило, такой величины, чтобы исключить сильную связь линии с гребенкой, поскольку в последнем случае эффективность отбора мощности на излучение может значительно уменьшаться. Реализация клиновидного зазора между однопроводной линией передачи и дифракционной решеткой позволяет оптимизировать амплитудно-фазовое распределение на раскрыве антенны для достижения более высокого КИП и соответственно полной эффективности антенного полотна, определяемого произведением КПД на КИП.
Для реализации численного моделирования описанной выше и показанной на рис. 3 электродинамической структуры использовался метод конечных интегралов Вейланда [9].
На рис. 4 изображены расчетные частотные зависимости параметра Su (по напряженности поля) при ее возбуждении коническим рупором с однопро-водной линией передачи.
Phi= 90
-30
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
¿ГГц
Рис. 4. Частотная зависимость параметра антенны при возбуждении коническим рупором
Из результатов проведенного электродинамического моделирования (рис. 4) видно, что численное значение параметра на частоте 2,4 ГГц составляет «минус» 10 дБ.
Диаграмма направленности (ДН) антенны, при возбуждении на частоте показана на рис. 5.
Type Farfield
Approximation enabled (kR » 1) Monitor farfield (f=2.4) [1]
Output Directiv
Frequency 2.4 Rad. effic. -0.5524 Tot. effic. -1.1B1 d
14.57
Рис. 5. ДН исследуемой антенны на частоте 2,4 ГГц
Синтезированная антенна имеет достаточно высокий КПД. Веерный характер ДН можно объяснить тем, что длина анализируемой антенной системы существенно больше ее ширины (рис. 3).
На рис. 6 и 7 представлены ДН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях при возбуждении на дискретных частотах: 2; 2,1; 2,2; 2,3 и 2,4 ГГц. Следует отметить, что направление максимума ДН в вертикальной (Е-) плоскости меняется в зависимости от частоты в пределах 15°. Ширина ДН остается одинаковой на всех частотах и составляет 4,5° (рис. 6).
Направление максимума ДН в горизонтальной (Н-) плоскости остается постоянной, то есть не зависит от частоты. Однако ширина ДН изменяется в пределах от 108° до 188° (рис. 7).
farfield (f=2.0) [ Phi = farfield (f=2,l) [ farfield (f=2.2) [ farfield (f=2.3) [ 60 farfield (f=2A) [
Theta / Degree vs. dBi Рис. 6. ДН антенны в вертикальной (E-) плоскости
farfield (f=2.0) [ farfield (f=2.1) [ farfield (f=2.2) [ farfield (f=2.3) [ farfield (f=2A) [
180
Phi / Degree vs. dBi Рис. 7. ДН антенны в горизонтальной (H-) плоскости
Численная оптимизация геометрии дифракционной решетки осложнена необходимостью учета краевых эффектов из-за конечного числа канавок гребенки, многомодовым характером поля в канавках, а также многочисленными резонансными эффектами. Следовательно, оптимизация характеристик антенны вытекающей волны требует серьезного математического моделирования.
Таким образом, в работе предложена высокотехнологичная, конструктивно простая и надежная антенна вытекающей волны, ориентированная на работу в диапазонах УВЧ и СВЧ. На основе полученных в ходе электродинамического моделирования данных, можно сделать вывод о перспективности применения разработанной антенны вытекающей волны в современных радиотехнических системах.
Литература
1. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 4-е, перераб. и доп. -М.: Радиотехника, 2012. - 744 с.: ил.
2. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны 2-е изд. М.: Радио и связь, 1988. - 440 с.
3. Останков, А.В. Дифракционная антенна вытекающей волны с нестандартной реализацией излучающего раксрыва [Текст] / А.В. Останков// Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 8. - С. 17-26.
4. 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.
5. Останков А.В. Математическая модель дифракции волны на конечной металлодиэлектрической гребенке для проектирования антенн вытекающей волны [Текст]/ А.В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т. 5. - № 7. - С. 89-91.
6. Останков А.В. Анализ и оптимизация дифракционной антенны поверхностной волны // Антенны. 2010. № 9 (160). С. 44-53.
7. Останков А.В. Дифракционная антенна вытекающей волны с нестандартной реализацией излучающего рас-крыва [Текст] / А.В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 8. - С. 17-26.
8. Останков А. В. Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн: дисс. на соиск. уч. ст. д-ра техн. наук. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. 415 с..
9. Weiland T.A. Discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields / T.A. Weiland // Electronics and Communication, 1977. - V. 31. - PP. 116-120.
10. Бенесон Л.С., Журавлёв В.А., Попов С.В., Пост-нов Г.А. Антенные решётки / Под ред. Л.С. Бенесона. М.: Сов. радио, 1966, 368 с.
11. Шестопалов В. П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. Киев: Наукова думка, 1985. 216 с.
12. Пастернак Ю.Г. Математическое моделирование, оптимизация и автоматизированное проектирование дифракционных и вибраторных мобильных антенных решеток: монография / под ред. В.И. Юдина. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. 257 с.
13. Обуховец В.А. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование / В.А. Обуховец, А.О. Касьянов; Под ред. В.А. Обуховца. - М.: Радиотехника, 2006. - 240 с
14. Плоские дифракционные антенны для аппаратуры систем связи и локации СВЧ и КВЧ диапазонов / А.И. Климов, А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Вестник Воронежского института МВД РФ. 1999. № 2 (4). С. 47-51.
15. Крюков Д.Ю. Исследование диаграммообразую-щих устройств многолучевых антенных решеток на основе плоской линзы Ротмана [Текст] / Д.Ю. Крюков, Ю.С. Ку-рьян, Ю.Г. Пастернак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - № 3-1. - С. 63-65.
Воронежский государственный технический университет
HIGHLY TECHNOLOGICAL (HI-TECH) ANTENNA LEAKY WAVE DIFFRACTION GRATING
WITH A PERIODIC COMB
D.Yu. Kryukov, A.V. Ostankov, Yu.G. Pasternak, V.I. Yudin
Leaky wave antenna is considered on the basis of a single-wire coaxial transmission line, screened-diffractive reflective grating with a periodic comb structure. A electrodynamic modeling diffraction of the synthesized antenna and shows the most significant results
Key words: periodic comb, surface wave, directional radiation, modeling
