RU163301U1 - Плоская антенна вытекающей волны с коаксиальным входом - Google Patents

Abstract

1. Плоская антенна вытекающей волны с коаксиальным входом, содержащая однослойный плоский диэлектрический волновод, размещенный на металлическом экране, расположенную на внешней поверхности диэлектрического волновода решетку из параллельных друг другу металлических лент с центральной лентой в виде полоскового проводника с рядами боковых полосковых выступов с левой и правой сторон, смещенными друг относительно друга вдоль его краев на расстояние, равное половине периода следования выступов, и элемент связи антенны с питающей линией передачи, характеризующаяся тем, что элемент связи выполнен в виде коаксиального зонда (разъема), внутренний проводник которого проходит через отверстия в металлическом экране и плоском диэлектрическом волноводе до геометрического центра нижней плоскости полоскового проводника, полосковый проводник в геометрическом центре имеет сквозное отверстие, электрически изолирующее его от внутреннего проводника зонда (разъема), внешним проводником коаксиального зонда (разъема) служит металлический экран, металлический экран и полосковый проводник электрически соединены металлическими стержнями, проходящими через отверстия в плоском диэлектрическом волноводе.2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что полосковый проводник и металлический экран электрически соединены двумя металлическими стержнями, равноотстоящими от продольной оси внутреннего проводника коаксиального зонда и расположенными в общей с ним плоскости, перпендикулярной продольной оси полоскового проводника и плоскости металлического экрана, причем расстояния между продольной осью внутреннего проводника коак

Description

Предлагаемое устройство относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и в охранных устройствах и системах диапазонов СВЧ (сверхвысоких частот) и КВЧ (крайне высоких частот).

Известна плоская антенна вытекающей волны [1], эскиз одного из вариантов которой представлен на фиг. 1, содержащая плоский диэлектрический волновод (ПДВ) 1, размещенный на металлическом экране 2 и состоящий из верхнего и нижнего диэлектрических слоев, дифракционную решетку из сгруппированных в пары параллельных друг другу металлических лент 3, расположенных на внешней стороне верхнего слоя ПДВ, элемент связи 4 с питающей антенну линией передачи, устройство возбуждения поверхностных волн в ПДВ в виде параллельного лентам решетки полоскового проводника 5 между верхним и нижним слоями ПДВ, с рядами боковых полосковых выступов с левой 6 и правой стороны 7, размещенных с периодом, равным длине волны в полосковой линии, образованной полосковым проводником, ПДВ и экраном. Причем ряды боковых полосковых выступов могут быть симметричными относительно продольной оси полоскового проводника либо смещенными вдоль нее на расстояние в четверть длины волны в полосковой линии, а расстояния d′ и d между центром полоскового проводника и центрами пар расположенных слева и справа ближайших лент решетки неодинаковы и отличаются на величину, равную половине периода чередования пар лент решетки. Устройство связи 1 с питающей антенну линией передачи может быть выполнено в виде коаксиального зонда (для коаксиальной линии) либо щели (для металлического волновода) [1]. Причем в случае устройства связи в виде зонда, последний имеет непосредственный электрический контакт с полосковым проводником 5.

Известная антенна действует следующим образом. При подаче электромагнитных колебаний с помощью питающей линии передачи (на фиг. 1 не показана) на вход элемента связи 4 в устройстве возбуждения возникают электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль полоскового проводника 5. Благодаря наличию неоднородностей в виде рядов боковых полосковых выступов 6 и 7 с обеих сторон полоскового проводника, расстояние между которыми в левом и правом рядах одинаково и равно длине волны в полосковой линии, происходит утечка энергии из полосковой линии, обеспечивающая синфазное возбуждение поверхностных волн в ПДВ 1, распространяющихся вдоль его поверхности влево и вправо по отношению к полосковому проводнику в направлениях, перпендикулярных парам лент решетки 3. В результате взаимодействия поверхностных волн с парами лент левой и правой частей решетки 3 возникают вытекающие волны, которые, при расстояниях между d′ и d между центром полоскового проводника и центрами пар расположенных слева и справа ближайших пар лент решетки, отличающихся на значение половины периода решетки (период выбирается равным длине поверхностной волны в ПДВ), в сумме обеспечивают максимальное излучение в направлении нормали к плоскости раскрыва антенны. Как заявлено авторами [1], этот положительный эффект имеет место как при симметричном расположении рядов боковых полосковых выступов 6 и 7, так и при их сдвиге на четверть длины волны вдоль краев полоскового проводника для компенсации отражений. Очевидно, что при равенстве расстояний d и d вытекающие волны окажутся противофазными и при симметрии левой и правой частей антенны излучение в направлении нормали к плоскости раскрыва исчезнет.

Недостатками известной антенны являются:

1. Значительная асимметрия диаграммы направленности и ее боковых лепестков в плоскости, перпендикулярной плоскости диэлектрического волновода и металлическим лентам решетки, обусловленная неравными расстояниями d′ и d между центром полоскового проводника и центрами пар расположенных слева и справа ближайших пар лент решетки.

2. Сложность конструкции, обусловленная использованием двухслойного ПДВ, нижний слой которого, в частности, образован воздушным зазором между верхним диэлектрическим слоем и металлическим экраном.

3. Высокие требования к точности изготовления антенны, низкая технологичность изготовления и сборки ее конструкции, обусловленные, например, необходимостью строгого соблюдения значений толщины слоев ПДВ, особенно когда роль нижнего диэлектрического слоя играет воздушный зазор.

Известна плоская антенна вытекающей волны (прототип) [2], также предназначенная для использования в диапазонах СВЧ и КВЧ, питаемая с помощью прямоугольного металлического волновода. Конструкция антенны-прототипа показана на фиг. 2, на которой обозначено: 1 - ПДВ; 2 - металлический экран; 3 - дифракционная решетка из параллельных друг другу металлических лент, расположенных на внешней стороне ПДВ; 4 - элемент связи с питающим антенну прямоугольным металлическим волноводом; 5 - центральная лента решетки; 6 и 7 - ряды боковых полосковых выступов с левой и правой стороны центральной ленты; 8 - короткозамыкающие перемычки, электрически соединяющие центральную ленту 5 и металлический экран 2; 9 - отражающие металлические бортики, электрически соединенные с металлическим экраном 2. Центральная лента 5 с боковыми выступами 6 и 7, расположенные на ПДВ 1, и металлический экран 2 выполняют функцию устройства возбуждения ПДВ.

В антенне-прототипе при возбуждении щели связи 4 волной с поляризацией вектора напряженности электрического поля E, перпендикулярной широким кромкам щели 4, в полосковой линии, образованной полосковым проводником 5, ПДВ 1 и экраном 2, возникают волны, распространяющиеся в противоположные стороны в направлениях ±OY. Благодаря наличию с левой и правой стороны центральной ленты 5 неоднородностей в виде рядов выступов 6 и 7, размещенных с периодом порядка длины волны колебаний в полосковой линии, происходит утечка энергии из полосковой линии и возбуждение поверхностных волн типа ТМ в ПДВ 1, распространяющихся вдоль его поверхности влево (-OX) и вправо (+OX) по отношению к полосковому проводнику в направлениях, перпендикулярных лентам решетки 3. При рассеянии поверхностных волн ПДВ на лентах левой и правой частей решетки 3 возникают вытекающие волны, которые синфазно суммируются в направлении нормали (+OZ) к плоскости раскрыва антенны и обеспечивают эффективное излучение с Н-поляризацией (вектор Е в плоскости раскрыва ориентирован вдоль оси ОХ, т.е., перпендикулярен кромкам лент решетки 3).

Направления излучения обеих частей раскрыва антенны (которые на центральной рабочей длине волны лежат в плоскости XOZ) определяются углами Θ_nmax относительно нормали к плоскости раскрыва:

sinΘ_nmax=γ(λ)+nλ/d,

где γ(λ)=c/v_ф - замедление фазовой скорости поверхностной волны ПДВ; λ - рабочая длина волны; d - период решетки; n - номер пространственной гармоники (ПГ) поля излучения.

Прием и излучение электромагнитных волн антенной обеспечиваются в режиме работы на минус 1-й ПГ. Очевидно, что на длине волны, на которой замедление поверхностной волны ПДВ 1 равно отношению длины волны к периоду решетки, Θ_-1max=0, излучение обеих половин раскрыва оказывается синфазным в направлении нормали к его плоскости, т.е., вдоль оси OZ (имеет место резонансная дифракция Брэгга второго порядка). Благодаря тому, что центральная лента 5 решетки 3 имеет ширину порядка периода решетки, а толщина ПДВ 1 выбирается порядка четверти длины волны в диэлектрике, в заявляемой антенне даже при использовании одиночных лент обеспечиваются минимальные отражения от входа антенны, так что коэффициент стоячей волны напряжения (KCB) в питающей антенну линии передачи на данной длине волны может быть близким к 1.

В [1] показано, что антенна-прототип характеризуется высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и, соответственно, эффективностью (определяемой как произведение КПД и коэффициента использования поверхности раскрыва (КИП)), превышающей 50%.

Однако следует отметить, что антенна-прототип рассчитана на подключение к источнику или приемнику СВЧ колебаний с помощью прямоугольного металлического волновода, так что в случае ее подключения с помощью коаксиальной линии передачи, например, коаксиального кабеля, необходимо использовать дополнительное внешнее устройство - коаксиально-волноводный переход. Это обстоятельство является недостатком антенны-прототипа, ограничивающим возможности ее практического применения без использования дополнительного внешнего устройства.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение непосредственного подключения антенны-прототипа к источнику или приемнику СВЧ колебаний с помощью коаксиальной линии передачи без дополнительных внешних устройств.

Для решения поставленной задачи предлагается новая полезная модель плоской антенны вытекающей волны с коаксиальным входом.

Технический результат достигается тем, что элемент связи выполнен в виде коаксиального зонда (разъема), внутренний проводник, имеет форму сплошного или полого цилиндра или параллелепипеда. Проводник проходит через отверстия в металлическом экране и плоском диэлектрическом волноводе до геометрического центра нижней плоскости полоскового проводника, полосковый проводник в геометрическом центре имеет сквозное отверстие, электрически изолирующее его от внутреннего проводника зонда (разъема), внешним проводником коаксиального зонда (разъема) служит металлический экран, металлический экран и полосковый проводник электрически соединены металлическими стержнями, проходящими через отверстия в плоском диэлектрическом волноводе. Расстояния между продольной осью внутреннего проводника коаксиального зонда и рядами металлических стержней, а также поперечные размеры металлических стержней, имеющие форму цилиндров или параллелепипедов, не превышают половины ширины полоскового проводника. Расстояния между продольными осями соседних металлических стержней в каждом ряду не превышают половины минимальной рабочей длины волны, деленной на квадратный корень из относительной диэлектрической проницаемости материала плоского диэлектрического волновода, а расстояния между продольными осями крайних металлических стержней в каждом ряду не превышают минимальной рабочей длины волны, деленной на квадратный корень из относительной диэлектрической проницаемости материала плоского диэлектрического волновода. Изолирующее отверстие в полосковом проводнике имеет круглую или прямоугольную форму, причем наибольший поперечный размер отверстия меньше ширины полоскового проводника.

Вид сверху предлагаемой полезной модели антенны (со стороны излучающей апертуры) показан на фиг. 3, на которой изображено новое расположение боковых выступов и обозначен период их следования dy.

Конструкция предлагаемого элемента связи антенны с коаксиальной линией передачи иллюстрируется фиг. 4, на которой обозначено: 1 - центральная лента дифракционной решетки, с боковыми металлическими выступами с левой и правой сторон; 2 - металлический внутренний проводник (зонд) коаксиального разъема, проходящий через отверстие 3 в экране ПДВ, собственно ПДВ и достигающий его наружной поверхности; 4 - отверстие в центральной ленте дифракционной решетки, обеспечивающее отсутствие непосредственного электрического контакта зонда с центральной лентой дифракционной решетки; 5 - пара металлических штырей, электрически соединяющих экран ПДВ и центральную ленту решетки. Форма и размеры зонда 2 и отверстия 3 в экране ПДВ выбираются так, чтобы образуемая ими коаксиальная линия передачи имела бы требуемое волновое сопротивление, например 50 Ом.

На фиг. 5 отмечены основные конструктивные размеры коаксиального входа, имеющие принципиальное значение для нормального функционирования антенны с сохранением электрических характеристик, присущих антенне-прототипу, питаемой прямоугольным металлическим волноводом. На фиг. 5 обозначено: dc - диаметр металлического зонда; dp - диаметр металлических штырей; wp - расстояние между металлическими штырями; da - диаметр отверстия в центральной ленте дифракционной решетки; dy - период расположения боковых металлических выступов на левой и правой сторонах центральной ленты дифракционной решетки, w - ширина центральной ленты.

Предлагаемая модель антенны с коаксиальным входом действует следующим образом (фиг. 4).

При подаче СВЧ колебаний с помощью коаксиальной линии передачи на коаксиальный вход антенны, образованный внутренним проводником 2 коаксиального зонда и кромками отверстия 3 в металлическом экране ПДВ по поверхности внутреннего проводника протекает продольный электрический ток СВЧ. В результате в пространстве под полосковым проводником 1 с боковыми металлическими выступами возбуждаются синфазные электромагнитные волны, которые благодаря металлическим стержням распространяются преимущественно в противоположных направлениях ±OY. При этом отверстие 4 в полосковом проводнике, изолирующее его от внутреннего проводника коаксиального зонда, обеспечивает согласование входного сопротивления антенны и волнового сопротивления питающей антенну коаксиальной линии передачи. Благодаря наличию с левой и правой стороны полоскового проводника 1 неоднородностей в виде рядов металлических выступов, размещенных с периодом порядка длины волны колебаний в полосковой линии, происходит утечка энергии из полосковой линии и возбуждение поверхностных волн в ПДВ, распространяющихся вдоль его поверхности влево (-OX) и вправо (+OX) по отношению к полосковому проводнику в направлениях, перпендикулярных лентам решетки. При рассеянии поверхностных волн ПДВ на лентах левой и правой частей решетки возникают вытекающие волны, которые синфазно суммируются в направлении нормали (+OZ) к плоскости раскрыва антенны и обеспечивают эффективное излучение с Н-поляризацией (вектор Е в плоскости раскрыва ориентирован вдоль оси ОХ, т.е., перпендикулярен кромкам лент решетки 3).

На фиг. 6 представлен пример другого варианта модели антенны с коаксиальным входом, в котором используются шесть металлических стержней.

Для подтверждения работоспособности и эффективности предложенной антенны с коаксиальным входом приводится пример компьютерного моделирования с помощью программы HFSS характеристик варианта антенны, показанного на фиг. 5, рассчитанного для работы в полосе частот 24,0-24,3 ГГц. Размеры апертуры 115×112,6 мм² (ДВ из тефлона с относительной диэлектрической проницаемостью 2,1; толщина 2 мм); dc=0,5 мм; dp=2,4 мм; w=7 мм; da=1,6 мм; dy=9 мм; =7,4 мм; материал металлизации - медь.

Фиг. 7 и 8 иллюстрируют частотные характеристики коэффициента направленного действия D, усиления G (учитывающего потери мощности за счет рассогласования антенны с питающей коаксиальной линией передачи с волновым сопротивлением 50 Ом) и КСВ (VSWR).

По сравнению с ее антенной-прототипом с такими же размерами апертуры, но питаемой прямоугольным металлическим волноводом сечением 11×5,5 мм², антенна с коаксиальным входом демонстрирует практически такие же коэффициент усиления (28,3 дБ), эффективность излучения (68%), уровень боковых лепестков диаграммы направленности (УБЛ ДН, ниже -12,6 дБ). Следует отметить, что отсутствие пары металлических штырей 5 или изолирующего отверстия 4 приводит к существенному ухудшению характеристик антенны - как частотной характеристики КСВ, так и диаграмм направленности и, соответственно, частотных характеристик КНД и коэффициента усиления. Так, при наличии штырей 5, но при отсутствии изолирующего отверстия 4 в рассматриваемой полосе частот КСВ возрастает до 4-5, что приводит к снижению коэффициента усиления на 2-3 дБ.

Таким образом, в предлагаемой модели плоской антенны вытекающей волны обеспечивается возможность непосредственного подключения антенны-прототипа к источнику или приемнику СВЧ колебаний с помощью коаксиальной линии передачи без дополнительных внешних устройств, причем по своим электрическим характеристикам предлагаемая модель не уступает антенне-прототипу.

Список использованной литературы

1. Teshirogi Т. Dielectric Leaky Wave Antenna / Т. Teshirogi [et al.]: United States Patent Application Publication. - Pub. No.: US 2008/0303734 A1, Pub. Date: Dec. 11, 2008.

2. Плоская антенна вытекающей волны: пат. на изобретение №2517724, Рос. Федерация / Ю.Б. Нечаев Ю.Б. (РФ), Д.Н. Борисов (РФ), А.И. Климов (РФ), В.И. Юдин (РФ), А.В. Золотухин (РФ); опубл. 27.05.2014.

Claims (6)

1. Плоская антенна вытекающей волны с коаксиальным входом, содержащая однослойный плоский диэлектрический волновод, размещенный на металлическом экране, расположенную на внешней поверхности диэлектрического волновода решетку из параллельных друг другу металлических лент с центральной лентой в виде полоскового проводника с рядами боковых полосковых выступов с левой и правой сторон, смещенными друг относительно друга вдоль его краев на расстояние, равное половине периода следования выступов, и элемент связи антенны с питающей линией передачи, характеризующаяся тем, что элемент связи выполнен в виде коаксиального зонда (разъема), внутренний проводник которого проходит через отверстия в металлическом экране и плоском диэлектрическом волноводе до геометрического центра нижней плоскости полоскового проводника, полосковый проводник в геометрическом центре имеет сквозное отверстие, электрически изолирующее его от внутреннего проводника зонда (разъема), внешним проводником коаксиального зонда (разъема) служит металлический экран, металлический экран и полосковый проводник электрически соединены металлическими стержнями, проходящими через отверстия в плоском диэлектрическом волноводе.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что полосковый проводник и металлический экран электрически соединены двумя металлическими стержнями, равноотстоящими от продольной оси внутреннего проводника коаксиального зонда и расположенными в общей с ним плоскости, перпендикулярной продольной оси полоскового проводника и плоскости металлического экрана, причем расстояния между продольной осью внутреннего проводника коаксиального зонда и продольными осями металлических стержней, а также поперечные размеры металлических стержней не превышают половины ширины полоскового проводника.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что полосковый проводник и металлический экран электрически соединены двумя параллельными рядами из двух и более металлических стержней, симметрично расположенными относительно продольной оси полоскового проводника, причем расстояния между продольной осью внутреннего проводника коаксиального зонда и рядами металлических стержней, а также поперечные размеры металлических стержней не превышают половины ширины полоскового проводника, расстояния между продольными осями соседних металлических стержней в каждом ряду не превышают половины минимальной рабочей длины волны, деленной на квадратный корень из относительной диэлектрической проницаемости материала плоского диэлектрического волновода, а расстояния между продольными осями крайних металлических стержней в каждом ряду не превышают минимальной рабочей длины волны, деленной на квадратный корень из относительной диэлектрической проницаемости материала плоского диэлектрического волновода.

4. Устройство по пп. 1-3, характеризующееся тем, что изолирующее отверстие в полосковом проводнике имеет круглую или прямоугольную форму, причем наибольший поперечный размер отверстия меньше ширины полоскового проводника.

5. Устройство по пп. 1-3, характеризующееся тем, что металлические стержни имеют форму цилиндров или параллелепипедов.

6. Устройство по пп. 1-3, характеризующееся тем, что внутренний проводник зонда имеет форму сплошного или полого цилиндра или параллелепипеда.

Images