Предпочтительная толщина диэлектрической антенны вытекающей волны с энергетических позиций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Предпочтительная толщина диэлектрической антенны вытекающей волны с энергетических позиций

Чуйков Игорь Сергеевич

Эффективность и надёжность линий радиосвязи миллиметровых волн (ММВ) во многом определяется возможностями и потенциалом используемых антенных систем. Помимо обеспечения направленности, гарантирующей требуемый уровень помехозащищённости, важной задачей, возникающей при разработке и оптимизации антенн ММВ, является минимизация энергетических потерь и, как следствие, увеличение коэффициента полезного действия (КПД). К антеннам, потенциально способным гарантировать весьма высокие уровни КПД на ММВ, относятся излучающие системы на открытых линиях передачи [1-3], в том числе диэлектрические антенны вытекающей волны (ДАВВ).

В ДАВВ, функционирующей в режиме излучения, имеет место трансформация поверхностной волны, распространяющейся вдоль диэлектрического волновода, в свободную волну за счёт дифракции на периодической решётке, состоящей из неоднородностей и введённой в поле поверхностной волны [4]. Это явление (дифракционного излучения [4]) позволило реализовать на основе ДАВВ приёмоизлучающие системы разнообразного назначения [3, 5-7]. Несмотря на многообразие конструктивных особенностей ДАВВ, отличающихся как способами возбуждения излучающей апертуры, так и типом использованной решётки [8, 9], неотъемлемым функциональным элементом излучающей системы является диэлектрический волновод, замедление которого определяет направление излучения [10, 11]. Варианты исполнения диэлектрического волновода также разнообразны - планарный, прямоугольный, круглый, эллиптический, гофрированный и т. д. [12, 13]. Во многих практически важных случаях диэлектрический волновод выполняется как планарный, характеризуемый двумя параметрами - относительной диэлектрической проницаемостью (е_ф) и толщиной (ф). Оба параметра определяют величину замедления поверхностной волны диэлектрического волновода, а, следовательно, угол излучения ДАВВ [14]. Во многих случаях, не связанных со сканированием диаграммы направленности (ДН), максимум ДН ДАВВ с односторонним возбуждением планарного диэлектрического волновода (ПДВ) может быть отклонён от направления поперечного излучения на угол до 10-15° [3, 15]. В этой связи выбор толщины ПДВ может производиться не столько из соображений обеспечения требуемого замедления (направления излучения), а сколько в целях реализации повышенной излучательной способности открытой линии передачи [16, 17], характеризуемой КПД. Именно поэтому представляет интерес исследование влияния толщины ПДВ на энергетические характеристики ДАВВ.

Целью работы является исследование зависимости излучательной способности ДАВВ от толщины ПДВ, являющегося источником поверхностной волны, трансформируемой в волну, вытекающую в направлении, близком к поперечному.

Метод решения задачи

диэлектрический волновод апертура антенна

Для решения поставленной задачи использована известная модель линейной ДАВВ [18]. Модель основана на строгом решении двухмерной задачи дифракции поверхностной волны TE-типа экранированного ПДВ на одномерно-периодической решётке металлических проводников малого по сравнению с длиной волны характерного размера поперечного сечения (рис. 1).

Рис. 1. Геометрия модели ДАВВ 1 - проводящие элементы решётки с периодом ?; 2 - планарный диэлектрический волновод толщиной ф; 3 - проводящий экран

В предположении, что в материале ПДВ, в проводящих элементах апертуры и в экране отсутствуют тепловые потери, задача дифракции в [18] сведена к системе уравнений относительно комплексных токов в элементах решётки. По токам, наводимых в проводниках решётки, рассчитывается ДН антенны в Н-плоскости. По найденным значениям ДН находятся:

1) угловое направление максимума основного лепестка ДН ц_m (угол наблюдения ц, при котором значение ДН является максимальным);

2) излучаемая мощность P_У как интеграл от квадрата ДН по углу наблюдения; отношение P_У к мощности поверхностной волны P_ПВ, возбуждающей апертуру, определяет КПД антенны: з = P_У/P_ПВ;

3) коэффициент направленного действия D_m (КНД) в Н-плоскости и в направлении ц_m как число р, делённое на интеграл от квадрата нормированной ДН по углу наблюдения [19];

4) парциальный коэффициент усиления G_m (КУ) как произведение КНД на КПД: G_m = D_m·з.

По формулам, полученным в [18], разработана компьютерная программа для расчёта КПД, КНД, КУ ДАВВ для разных значений параметров ПДВ и периода решётки. Достоверность результатов расчёта проверена сравнением с данными работ [18, 19].

Результаты исследования и их обсуждение

Представленные ниже результаты получены для числа элементов решётки, равного 50-ти. В первом случае ПДВ был выполнен из немагнитного диэлектрика с е_ф = 9.8 (из алюмооксидной керамики - поликора), во втором - е_ф = 2.56 (из полистирола). Толщина ф поликорового ПДВ менялась в пределах от 0.15л до 0.25л, где л - длина волны в свободном пространстве, а период решётки - от 0.70л до 0.82л. Толщина ПДВ, выполненного из полистирола, варьировалась в пределах от 0.20л до 0.60л при ? = (0.65 - 0.80)л. Толщина ПДВ во всех случаях обеспечивала его одномодовый характер, а период решётки - режим излучения, близкий к поперечному излучению (ц_m = 90° - 120°).

На рис. 2 и 3 показаны карты изолиний (линий равного уровня) КПД, КНД, КУ и ц_m в координатах ф/л и ?/л. Области максимальных значений показанных распределений окрашены в красный и близкие к нему по тональности цвета.

Рис. 2. Карты изолиний параметров ДАВВ с ПДВ из поликора

Рис. 3. Карты изолиний параметров ДАВВ с ПДВ из полистирола

Из рис. 2 и 3 следует, что для разных материалов толщина ПДВ, обеспечивающая максимум КПД, абсолютно различна. Так, для волновода с е_ф = 9.8 максимальный КПД (з ? 97%) в соответствии с расчётом гарантируется при ф ? 0.243л, в то время как для ПДВ с е_ф = 2.56 - при ф = 0.44л и 0.52л. Центры областей карты изолиний КПД со значениями, превышающими 97%, отмечены на рис. 2, а и рис. 3, а чёрной звездой. Если выразить предпочтительные значения толщины ПДВ в долях длины волны в диэлектрике (л_В), то несложно в первом случае получить 0.76л_В, а во втором - 0.70л_В и 0.83л_В соответственно.

Расчёты, результаты которых показаны на рис. 2, в и 3, в, говорят о том, что предпочтительный размер ПДВ с учётом направленности излучения ДАВВ, выраженной КНД, не совпадает с найденным по пиковой излучательной способности. Анализ распределения коэффициента усиления показывает, что для ПДВ с е_ф = 9.8 максимальный парциальный КУ обеспечивается при ф = 0.18л и 0.21л, тогда как для ПДВ с е_ф = 2.56 - при ф = 0.34л и 0.55л. Соответствующие найденным значениям ф направления максимума основного лепестка ДН представлены на рис. 2, г и 3, г.

Таким образом, выполнено исследование влияния толщины экранированного одномодового ПДВ на энергетические характеристики и характеристики направленности ДАВВ. Исследование проведено методом математического моделирования в режиме возбуждения апертуры ДАВВ поверхностной TE - волной. Результаты исследования в виде распределений КПД, КНД, парциального коэффициента усиления и углового направления максимума ДН в координатах «толщина ПДВ - период решётки» представлены картами линий уровня и позволяют выбрать предпочтительную толщину волновода из поликора или полистирола в режиме, близком к поперечному излучению.

Список литературы

1. Oliner A.A. Leaky-wave antennas / A.A. Oliner, D.R. Jackson. - Antenna Engineering Handbook, J. L. Volakis, Ed. - New York: McGraw Hill, 2007.- Ch. 11. - 55 p.

2. Bozzi M. Review of substrate-integrated waveguide circuits and antennas / M. Bozzi, A. Georgiadis, K. Wu // IET Microw. Antennas Propag. - 2011. - Vol. 5(8). - P. 909-920.- Ch. 11. - 55 p.

3. Евдокимов А.П. Антенны дифракционного излучения // Физические основы приборостроения. - 2013. - Т. 2, № 1. - С. 108-124.

4. Шестопалов В.П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. - Киев: Наук. думка, 1985. - 216 с.

5. Останков А.В. Ретроспективный анализ возможностей, конструкций и основных характеристик дифракционных антенн вытекающей волны // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6, № 8. - С. 75-81.

6. Плоская измерительная антенна с.в.ч.-диапазона волн с электронным управлением поляризации излучения / К.Б. Меркулов, А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - Т. 46, № 3. - С. 162-163.

7. Высокотехнологичная антенна вытекающей волны на основе дифракционной решетки с периодической гребенчатой структурой / Д.Ю. Крюков, А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2015. - Т. 11, № 6. - С. 80-83.

8. Останков А.В. Решение задачи дифракции электромагнитной волны на периодической многослойной гребенчатой структуре и его применение для анализа перспективных вариантов микроволновых антенн дифракционного излучения // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. - 2015. - № 5-6. - С. 20-27.

9. Experimental studies of the characteristics of a comb antenna with two notches and a dielectric layer / A.I. Klimov, K.B. Merkulov, A.V. Ostankov et al. // Instruments and Experimental Techniques. - 1999. - Vol. 42, № 4. - P. 539-542.

10. Останков А.В. Расчет частотно-сканирующей антенны дифракционного излучения / А.В. Останков, Ю.Е. Калинин // Радиотехника. - 2014. - № 3. - C. 83-87.

11. Останков А.В. Оптимизация распределительно-излучающей системы дифракционной антенны по критерию минимума угловой дисперсии в полосе частот / А.В. Останков, Ю.Е. Калинин, Ю.С. Сахаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9, № 6-3. - С. 30-32.

12. Provalov S.A. Investigations of the fields in a bounded planar dielectric waveguide / S.A. Provalov, S.D. Andrenko // Telecommunications and radio engineering. - 2009. - Vol. 68(6). - P. 475-485.

13. Взятышев, В.Ф. Диэлектрические волноводы. - М.: Сов. радио, 1970. - 213 с.

14. Останков А.В. Угловая дисперсия антенны дифракционного излучения / А.В. Останков, И.А. Кирпичёва, А.И. Рябчунов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2015. - Т. 11, № 4. - С. 76-79.

15. Останков А.В. Синтез излучающего гребенчатого раскрыва антенны вытекающей волны // Радиотехника. - 2012. - № 2. - С. 38-44.

16. Sirenko Y.K. Modern theory of gratings. Resonant scattering: Analysis techniques and phenomena / Y.K. Sirenko, S. Strцm. - Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2012. - 408 p.

17. Останков А.В. Анализ и оптимизация дифракционной антенны поверхностной волны // Антенны. - 2010. - № 9 (160). - С. 44 53.

18. Калиничев В.И. Дифракция поверхностных волн на решетке металлических стержней и анализ диэлектрической антенны вытекающей волны / В.И. Калиничев, Ю.В. Куранов // Радиотехника и электроника. - 1991. - Т. 36, № 10. - С. 1902-1909.

19. Чередниченко В. Ф. Расчет оптимального шага дифракционной решетки в составе излучающего раскрыва антенны вытекающей волны миллиметрового диапазона [Электронный ресурс] // Современные научные исследования и инновации. - 2014. - № 7. - URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/07/36583 (дата обращения: 04.04.2016).

Размещено на Allbest.ru