RU2578660C1 - Planar dielectric radiator - Google Patents

Planar dielectric radiator Download PDF

Info

Publication number
RU2578660C1
RU2578660C1 RU2014154211/28A RU2014154211A RU2578660C1 RU 2578660 C1 RU2578660 C1 RU 2578660C1 RU 2014154211/28 A RU2014154211/28 A RU 2014154211/28A RU 2014154211 A RU2014154211 A RU 2014154211A RU 2578660 C1 RU2578660 C1 RU 2578660C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plate
wedge
dielectric
cross
emitter
Prior art date
Application number
RU2014154211/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Екатерина Юрьевна Гайнулина
Андрей Викторович Назаров
Александр Анатольевич Седов
Владимир Николаевич Хворостин
Виталий Васильевич Штыков
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом", Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority to RU2014154211/28A priority Critical patent/RU2578660C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2578660C1 publication Critical patent/RU2578660C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to microwave antenna engineering. Disclosed planar dielectric radiator consists of exciting single-mode rectangular dielectric waveguide dielectric flat wedge and dielectric plate with two slots, end of which is aperture of radiator, a wedge is connected to side of tops with exciting its single-mode rectangular dielectric waveguide with polarisation of electric field along wide side of cross section, on other side to wedge is attached plate with two slits format (ratio of sides) cross section of f which is selected from condition Fkr15≤F≤Fkr17, where Fkr15 and Fkr17 - critical values format cross-section rectangular dielectric waveguide for waves HE15 and HE17 respectively, wedge vertex angle must not be more than 15 degrees, thickness of wedge and plates are equal to narrow side section of exciting waveguide slot in plate are arranged symmetrically and parallel to its axis and can have an arbitrary shape.
EFFECT: technical result is possibility of obtaining radiation with amplitude distribution, described by one of transverse spatial coordinates of Gauss-Hermitic function of zero-order.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике КВЧ диапазона, может быть использовано в зондирующих устройствах диагностического оборудования, в возбудителях квазиоптических линий передач миллиметрового диапазона длин волн и предназначено для формирования локализованного излучения в виде волнового пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн.The invention relates to the antenna technique of the EHF range, can be used in probing devices of diagnostic equipment, in exciters of quasi-optical transmission lines of the millimeter wavelength range and is intended for the formation of localized radiation in the form of a zero-order Gaussian-Hermite wave beam that preserves beam properties at distances up to tens of lengths waves.

Известны диэлектрические излучатели в виде торца регулярного одномодового диэлектрического волновода (ДВ) или ДВ, плавно сужающегося или расширяющегося на конце [1].Known dielectric emitters in the form of an end face of a regular single-mode dielectric waveguide (DW) or DW, smoothly tapering or expanding at the end [1].

Недостатком таких излучателей является формирование быстро расходящегося волнового пучка, сохраняющего пучковые свойства излучения на расстояниях не более 5 длин волн от торца излучателя.The disadvantage of such emitters is the formation of a rapidly diverging wave beam that preserves the beam properties of the radiation at distances of not more than 5 wavelengths from the end of the emitter.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является планарный излучатель, выбранный за прототип, состоящий из возбуждающего одномодового диэлектрического волновода и присоединенного к нему своей вершиной плоского клина, переходящего в пластину, торец которой является апертурой излучателя [2].Closest to the proposed invention is a planar emitter selected for the prototype, consisting of an exciting single-mode dielectric waveguide and a flat wedge connected to it by its apex, passing into the plate, the end of which is the aperture of the emitter [2].

Излучатель, выбранный за прототип, обеспечивает распределение поля излучения по одной из поперечных координат, близкое к пучкам Гаусса-Эрмита, на расстояниях до десятков длин волн от апертуры излучателя.The emitter selected for the prototype provides a distribution of the radiation field along one of the transverse coordinates, close to the Gauss-Hermite beams, at distances up to tens of wavelengths from the aperture of the emitter.

Однако для ряда применений, в частности, задач многоканальной диагностики для повышения точности измерений и возможности аналитического описания поля излучения необходимо формирование амплитудного распределения, в максимальной степени аппроксимируемого пучком Гаусса-Эрмита нулевого порядка.However, for a number of applications, in particular, problems of multichannel diagnostics, to increase the accuracy of measurements and the possibility of an analytical description of the radiation field, it is necessary to form an amplitude distribution that is approximated to the maximum degree by a zero-order Gaussian-Hermite beam.

Недостатками излучателя, выбранного за прототип, являются ограниченные возможности формирования волнового пучка Гаусса-Эрмита нулевого порядка в связи с малой величиной амплитуд волн высших типов, возбуждаемых на входе пластины. Возможности управления амплитудами высших типов волн в прототипе излучателя ограничены только выбором угла при вершине клина и его длиной.The disadvantages of the emitter selected for the prototype are the limited possibilities of the formation of a Gaussian-Hermite wave beam of zero order due to the small amplitude of the higher types of waves excited at the input of the plate. The ability to control the amplitudes of the higher types of waves in the prototype emitter is limited only by the choice of the angle at the top of the wedge and its length.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность получения излучения с амплитудным распределением, описываемым по одной из поперечных пространственных координат функцией Гаусса-Эрмита нулевого порядка.The technical result of the proposed invention is the ability to obtain radiation with an amplitude distribution, described in one of the transverse spatial coordinates by the Gaussian-Hermite function of zero order.

Технический результат достигается тем, что в планарном диэлектрическом излучателе, состоящем из возбуждающего одномодового прямоугольного диэлектрического волновода с поляризацией электрического поля вдоль широкой стороны поперечного сечения и диэлектрического плоского клина, выполненного из того же материала, с углом при вершине, не превышающем пятнадцати градусов, переходящего в диэлектрическую пластину шириной b, торец которой является апертурой излучателя, а толщина пластины а равна толщине клина и узкой стороне поперечного сечения возбуждающего волновода, пластина имеет формат поперечного сечения Ф=b/a, который выбирается из условия Фкр15≤Φ≤Φкр17, где Фкр15 и Фкр17 - критические значения формата поперечного сечения прямоугольного диэлектрического волновода для волн ΗΕ15 и НЕ17 соответственно, в месте перехода клина в пластину выполнены две щели, расположенные симметрично и параллельно оси пластины, размеры которых выбираются из условия преобразования волны НЕ11 в волны ΗΕ13 и НЕ15 с соотношением амплитуд 1:0,3:0,1, а длина пластины выбирается из условия фазового синхронизма волн НЕ11, НЕ13 и ΗΕ15 на ее торце.The technical result is achieved in that in a planar dielectric radiator, consisting of an exciting single-mode rectangular dielectric waveguide with polarization of the electric field along the wide side of the cross section and a dielectric flat wedge made of the same material, with an angle at the apex not exceeding fifteen degrees, turning into dielectric plate width b, which is the end of the radiator aperture and a thickness equal to the thickness of the plate and the narrow side of the wedge and transverse ce eniya exciting the waveguide plate has a cross-sectional format F = b / a, which is selected from the condition F kr15 kr17 ≤Φ≤Φ where F and F kr15 kr17 - critical values of the cross-sectional size of the rectangular dielectric waveguide for ΗΕ waves 15 and 17, respectively NO , at the transition point of the wedge into the plate, two slots are made, located symmetrically and parallel to the axis of the plate, the dimensions of which are selected from the condition for the transformation of the HE 11 wave into waves ΗΕ 13 and HE 15 with an amplitude ratio of 1: 0.3: 0.1, and the plate length is selected from the phase condition inhronizma wave is not 11, not 13, and 15 ΗΕ on her butt.

Планарный диэлектрический излучатель может характеризоваться тем, что щели имеют форму шестиугольника, вытянутого вдоль оси, проходящей через диаметрально противоположные вершины, с углом при этих вершинах не более пятнадцати градусов, а расстояния d от оси каждой щели до оси пластины и L от концов щелей до апертуры излучателя выбраны из условий 0,6λ/

Figure 00000001
≤d≤0,8λ/
Figure 00000002
и 19,7λ/
Figure 00000002
≤L≤22,2λ/
Figure 00000002
, где λ - длина волны излучения, ε - диэлектрическая проницаемость излучателя, которая должна быть в пределах от 2,1 до 2,3, размеры щелей - ширина δ и площадь S удовлетворяют соотношениям 0,18λ/
Figure 00000002
≤δ≤0,27λ/
Figure 00000002
и 0,3(λ/
Figure 00000002
)2≤S≤0,5(λ/
Figure 00000002
)2.A planar dielectric emitter can be characterized in that the slots have the shape of a hexagon elongated along an axis passing through diametrically opposite vertices, with an angle at these vertices of no more than fifteen degrees, and the distance d from the axis of each slot to the axis of the plate and L from the ends of the slots to the aperture emitter selected from the conditions of 0.6λ /
Figure 00000001
≤d≤0.8λ /
Figure 00000002
and 19.7λ /
Figure 00000002
≤L≤22.2λ /
Figure 00000002
where λ is the radiation wavelength, ε is the dielectric constant of the emitter, which should be in the range from 2.1 to 2.3, the dimensions of the slits are the width δ and the area S satisfy the relations 0.18λ /
Figure 00000002
≤δ≤0.27λ /
Figure 00000002
and 0.3 (λ /
Figure 00000002
) 2 ≤S≤0.5 (λ /
Figure 00000002
) 2 .

На фиг. 1 представлен предложенный планарный диэлектрический излучатель.In FIG. 1 presents the proposed planar dielectric emitter.

На фиг. 2 представлен планарный диэлектрический излучатель со щелями, имеющими форму вытянутого шестиугольника.In FIG. 2 shows a planar dielectric emitter with slots having the shape of an elongated hexagon.

На фиг. 3 представлены зависимости амплитуд возбуждаемых волн от длины щелей.In FIG. Figure 3 shows the dependences of the amplitudes of the excited waves on the length of the slits.

На фиг. 4 представлены результаты теоретического расчета и измерения амплитудного распределения излучения на расстоянии от апертуры излучателя, равном 6λ.In FIG. 4 presents the results of a theoretical calculation and measurement of the amplitude distribution of radiation at a distance from the emitter aperture of 6λ.

На фиг. 1 и фиг. 2 показан планарный диэлектрический излучатель, состоящий из возбуждающего одномодового диэлектрического волновода 1 прямоугольного сечения (а×b1), соединенного в сечении I с клином 2 с углом при вершине α≤15°. Клин 2 в сечении II переходит в пластину 3 с двумя щелями 4, торец которой является апертурой излучателя. Электрическое поле Ε основной волны волновода 1 поляризовано вдоль широкой стороны b1 поперечного сечения волновода 1 и сохраняется в клине 2 и в пластине 3 вдоль их широких сторон b(z) и b соответственно. Широкая сторона b(z) поперечного сечения клина 2 увеличивается по линейному закону. Толщины клина 2 и пластины 3 одинаковы и равны узкой стороне а поперечного сечения волновода 1.In FIG. 1 and FIG. 2 shows a planar dielectric radiator, consisting of a single-mode exciting dielectric waveguide 1 of rectangular cross section ( a × b 1 ) connected in section I to wedge 2 with an angle at the apex of α≤15 °. Wedge 2 in section II passes into the plate 3 with two slots 4, the end of which is the aperture of the emitter. The electric field Ε of the main wave of waveguide 1 is polarized along the wide side b 1 of the transverse section of waveguide 1 and is stored in the wedge 2 and in the plate 3 along their wide sides b (z) and b, respectively. The wide side b (z) of the cross section of the wedge 2 increases linearly. The thicknesses of the wedge 2 and plate 3 are the same and equal to the narrow side a of the cross section of the waveguide 1.

Формат поперечного сечения пластины 3 Ф=b/а, равный формату поперечного сечения клина 2 в сечении II, выбирается из условияThe cross-sectional format of the plate 3 Ф = b / а , equal to the cross-sectional format of the wedge 2 in section II, is selected from the condition

Фкр15≤Φ≤Фкр17,Ф кр15 ≤Φ≤Ф кр17 ,

где Φкр15 и Φкр17 - критические значения формата поперечного сечения прямоугольного диэлектрического волновода для волн НЕ15 и НЕ17 соответственно.where Φ cr15 and Φ cr17 are the critical values of the cross-sectional format of a rectangular dielectric waveguide for waves NOT 15 and NOT 17, respectively.

Волновод 1, клин 2 и пластина 3 выполнены из одного материала с диэлектрической проницаемостью ε в пределах от 2,1 до 2,3.The waveguide 1, the wedge 2 and the plate 3 are made of the same material with a dielectric constant ε in the range from 2.1 to 2.3.

Щели 4 выполнены в месте перехода клина 2 в пластину 3 и расположены симметрично и параллельно оси пластины 3. В общем случае щели 4 могут иметь произвольную форму, в частности - прямоугольную, шестиугольную, форму зерна чечевицы и т.д.The slots 4 are made at the transition point of the wedge 2 into the plate 3 and are located symmetrically and parallel to the axis of the plate 3. In the general case, the slots 4 can have an arbitrary shape, in particular rectangular, hexagonal, lentil grain shape, etc.

На фиг. 2 изображен планарный диэлектрический излучатель со щелями, имеющими форму шестиугольника, вытянутого вдоль оси, проходящей через диаметрально противоположные вершины. Угол при этих вершинах выбран не более 15°. Расстояния d от оси каждой щели до оси пластины и L от концов щелей до апертуры излучателя, а также размеры щелей - ширина δ и площадь S выбираются из условийIn FIG. 2 shows a planar dielectric emitter with slots having the shape of a hexagon elongated along an axis passing through diametrically opposite vertices. The angle at these vertices is selected no more than 15 °. The distances d from the axis of each slit to the axis of the plate and L from the ends of the slits to the aperture of the emitter, as well as the dimensions of the slits — width δ and area S — are selected from the conditions

0,6λ/

Figure 00000002
≤d≤0,8λ/
Figure 00000002
;0.6λ /
Figure 00000002
≤d≤0.8λ /
Figure 00000002
;

19,7λ/

Figure 00000002
≤L≤22,2λ/
Figure 00000002
;19,7λ /
Figure 00000002
≤L≤22.2λ /
Figure 00000002
;

0,18λ/

Figure 00000002
≤δ≤0,27λ/
Figure 00000002
;0.18λ /
Figure 00000002
≤δ≤0.27λ /
Figure 00000002
;

0,3(λ/

Figure 00000002
)2≤S≤0,5(λ/
Figure 00000002
)2,0.3 (λ /
Figure 00000002
) 2 ≤S≤0.5 (λ /
Figure 00000002
) 2 ,

где λ - длина волны излучения.where λ is the radiation wavelength.

На фиг. 3 приведены зависимости модулей комплексных амплитуд

Figure 00000003
волн от продольной координаты z/λ щели, имеющей форму прямоугольника: 5 - для волны НЕ11, 6 - для волны НЕ13, 7 - для волны ΗΕ15, 8 - суммарная мощность указанных волн.In FIG. Figure 3 shows the dependences of the modules of complex amplitudes
Figure 00000003
waves from the longitudinal coordinate z / λ of the slit, having the shape of a rectangle: 5 - for the wave HE 11 , 6 - for the wave HE 13 , 7 - for the wave ΗΕ 15 , 8 - the total power of these waves.

Планарный диэлектрический излучатель работает следующим образом.Planar dielectric emitter operates as follows.

В одномодовом прямоугольном диэлектрическом волноводе 1 (фиг. 1) возбуждается основная волна НЕ11 с поляризацией электрического поля Ε вдоль широкой стороны поперечного сечения. Клин 2 выполняет роль плавного перехода от одномодового волновода 1 с малым форматом поперечного сечения к пластине 3 большего формата, обеспечивающего возможность возбуждения в последней волн высших типов.In a single-mode rectangular dielectric waveguide 1 (Fig. 1), the main wave HE 11 is excited with polarization of the electric field Ε along the wide side of the cross section. Wedge 2 plays the role of a smooth transition from a single-mode waveguide 1 with a small cross-sectional format to a larger plate 3, which makes it possible to excite higher types of waves in the latter.

Для минимизации потерь энергии, связанных с отражением и излучением на нерегулярностях волноведущей структуры излучателя (сечения I и II), угол при вершине клина не должен превышать 15° [2].To minimize energy losses associated with reflection and radiation at irregularities of the waveguide structure of the emitter (sections I and II), the angle at the tip of the wedge should not exceed 15 ° [2].

В пластине 3, представляющей собой отрезок многомодового прямоугольного ДВ, из-за наличия в структуре излучателя нерегулярностей наряду с основной волной НЕ11 возбуждаются поверхностные волны высших типов HE1,2m+1, где m=1, 2, 3, …, количество которых определяется величиной формата Ф=b/а поперечного сечения пластины.In the plate 3, which is a segment of a multimode rectangular DW, due to the presence of irregularities in the structure of the emitter, along with the main wave HE 11 , surface waves of higher types HE 1,2m + 1 are excited , where m = 1, 2, 3, ..., the number of which is determined by the size of the format Ф = b / а of the cross section of the plate.

Расчеты показывают, что для формирования волнового пучка с амплитудным распределением излучения по координате у в виде функции Гаусса-Эрмита нулевого порядка в пластине 3 достаточно возбудить три поверхностные волны НЕ11, НЕ13 и HE15 с соотношением амплитуд 1:0,3:0,1. Вкладом волн более высоких типов НЕ17, НЕ19 и т.д. можно пренебречь.Calculations show that for the formation of a wave beam with an amplitude distribution of radiation along the y coordinate in the form of a zero-order Gaussian-Hermite function in plate 3, it is sufficient to excite three surface waves HE 11 , HE 13 and HE 15 with an amplitude ratio of 1: 0.3: 0, one. The contribution of the waves of higher types is NOT 17 , NOT 19 , etc. can be neglected.

Таким образом, формат Φ поперечного сечения пластины 3 следует выбирать из условияThus, the format Φ of the cross section of the plate 3 should be chosen from the condition

Фкр15≤Φ≤Фкр17,Ф кр15 ≤Φ≤Ф кр17 ,

где Φкр15 - критическое значение формата поперечного сечения прямоугольного диэлектрического волновода (ПДВ) для волны НЕ15, Φкр17 - критическое значение формата поперечного сечения ПДВ для волны НЕ17.where Φ cr15 is the critical value of the cross-sectional format of a rectangular dielectric waveguide (PDV) for the HE 15 wave, Φ cr17 is the critical value of the cross-sectional format of the PDF for the HE 17 wave.

Указанные значения формата могут быть выбраны из дисперсионных зависимостей волн ΗΕ15 и НЕ17 ПДВ [3].The indicated format values can be selected from the dispersion dependences of waves ΗΕ 15 and HE 17 PDV [3].

Поскольку имеющиеся в структуре излучателя нерегулярности являются слабыми, то амплитуды волн высших типов НЕ13 и ΗΕ15, возбуждаемых в месте перехода клина 2 в пластину 3 (сечение II), оказываются недостаточными для формирования требуемого распределения излучения. Для получения необходимого соотношения амплитуд волн НЕ11, НЕ13 и НЕ15 в пластину 3 вводятся неоднородности в виде двух щелей 4, которые могут иметь произвольную форму. Щели 4 располагаются симметрично и параллельно оси пластины 3.Since the irregularities in the structure of the emitter are weak, the amplitudes of the waves of higher types HE 13 and ΗΕ 15 , excited at the junction of the wedge 2 into the plate 3 (section II), are insufficient to form the required radiation distribution. To obtain the necessary ratio of the wave amplitudes of HE 11 , HE 13 and HE 15 , inhomogeneities are introduced into the plate 3 in the form of two slots 4, which can have an arbitrary shape. Slots 4 are located symmetrically and parallel to the axis of the plate 3.

Рассматривая щели 4 как локальные неоднородности в виде возмущения диэлектрических свойств ПДВ, в соответствии с теорией связанных волн [4] из численного решения уравнений связанных мод определяется связь между волнами НЕ11, НЕ13 и HE15 в зависимости от параметров щелей и расположения щелей в пластине 3.Considering slots 4 as local inhomogeneities in the form of a perturbation of the dielectric properties of the PDW, in accordance with the theory of coupled waves [4], from the numerical solution of the equations of coupled modes, the relationship between the HE 11 , HE 13 and HE 15 waves is determined depending on the parameters of the slits and the location of the slits in the plate 3.

В качестве примера для случая, когда щели имеют прямоугольную форму, на фиг. 3 приведены зависимости модулей комплексных амплитуд волн от продольной координаты щели для волн НЕ11 (5), НЕ13 (6) и ΗΕ15 (7), а также суммарная мощность указанных волн (8).As an example, for the case where the slots are rectangular in shape, in FIG. Figure 3 shows the dependences of the moduli of the complex wave amplitudes on the longitudinal coordinate of the gap for the HE 11 (5), HE 13 (6) and ΗΕ 15 (7) waves, as well as the total power of these waves (8).

Расчет проведен для ПДВ сечением 4λ×0,3125λ. Из фиг. 3 видно, что при длине щели, равной 1,328λ, амплитуды возбужденных в пластине волн НЕ11, НЕ13 и ΗΕ15 обеспечивают необходимые соотношения между ними для получения амплитудного распределения поля по координате у, близкого к распределению Гаусса-Эрмита нулевого порядка.The calculation was performed for the MPE with a cross section of 4λ × 0.3125λ. From FIG. Figure 3 shows that, with a slit length of 1.328λ, the amplitudes of the HE 11 , HE 13, and ΗΕ 15 waves excited in the plate provide the necessary relationships between them to obtain the field amplitude distribution along the y coordinate close to the zero-order Gaussian-Hermite distribution.

Распределение поля по второй из поперечных координат (координате х) будет близко к распределению поля волны НЕ11 в связи с выбором толщины клина 2 и пластины 3, равной толщине одномодового возбуждающего волновода 1.The field distribution along the second of the transverse coordinates (x coordinate) will be close to the field distribution of the HE 11 wave due to the choice of the thickness of the wedge 2 and plate 3 equal to the thickness of the single-mode exciting waveguide 1.

Для формирования требуемого распределения излучения в пучке, кроме обеспечения заданного соотношения амплитуд, необходимо также обеспечить синфазность указанных волн, что достигается выбором расстояния L от концов щелей до апертуры излучателя.In order to form the required radiation distribution in the beam, in addition to providing a given amplitude ratio, it is also necessary to ensure that these waves are in phase, which is achieved by choosing the distance L from the ends of the slits to the aperture of the emitter.

Расстояние L может быть определено из системы уравненийThe distance L can be determined from the system of equations

Figure 00000004
Figure 00000004

где U11, U13 и U15 - коэффициенты замедления волн НЕ11, НЕ13 и ΗΕ15 соответственно, в пластине 3; φ11 φ13 и φ15 - фазы волн на границе участка с неоднородностями; k=0, 1, 2, …; n=0, 1, 2, … В качестве р000000асстояния L целесообразно выбирать наименьшее решение указанной системы.where U 11 , U 13 and U 15 are the deceleration coefficients of the waves NOT 11 , NOT 13 and ΗΕ 15, respectively, in the plate 3; φ 11 φ 13 and φ 15 - phase waves at the boundary of the site with heterogeneities; k = 0, 1, 2, ...; n = 0, 1, 2, ... As the p000000 state L, it is advisable to choose the smallest solution of the indicated system.

Таким образом, при введении щелей в предложенном планарном диэлектрическом излучателе при выборе формата пластины, параметров щелей и их расположения в пластине из вышеперечисленных условий амплитудное распределение излучаемого волнового пучка может быть аналитически описано функцией Гаусса-Эрмита нулевого порядка по координате y поперечного сечения, а амплитудное распределение по координате x - распределением основной волны НЕ11 прямоугольного ДВ.Thus, when introducing gaps in the proposed planar dielectric emitter when choosing the plate format, the parameters of the gaps and their location in the plate from the above conditions, the amplitude distribution of the emitted wave beam can be analytically described by the Gaussian-Hermite function of zero order in the y coordinate of the cross section, and the amplitude distribution along coordinate x - distribution of the main wave NOT 11 of the rectangular DW.

Выбор формы щелей определяется технологическими возможностями изготовления и требованиями к излучателю в конкретной прикладной задаче - требованиями к уровню отражения, точности аппроксимации излучаемого волнового пучка функцией Гаусса-Эрмита нулевого порядка.The choice of the shape of the slits is determined by the technological capabilities of manufacturing and the requirements for the emitter in a particular application - the requirements for the level of reflection, the accuracy of the approximation of the emitted wave beam by the zero-order Gaussian-Hermite function.

Для минимизации уровня отражений и обеспечения минимально возможного среднеквадратичного отклонения амплитудного распределения излучаемого пучка от распределения Гаусса-Эрмита нулевого порядка предложен планарный диэлектрический излучатель со щелями в форме шестиугольника, вытянутого вдоль оси, проходящей через диаметрально противоположные вершины, приведенный на фиг. 2. Экспериментально установлено, что для минимизации отражения от щелей этот угол должен быть не более 15°.To minimize the level of reflections and ensure the minimum possible standard deviation of the amplitude distribution of the emitted beam from the zero-order Gaussian-Hermite distribution, a planar dielectric radiator with slots in the form of a hexagon elongated along an axis passing through diametrically opposite vertices shown in FIG. 2. It has been experimentally established that to minimize reflection from slots, this angle should be no more than 15 °.

Задача определения размеров щелей, их расположения в пластине излучателя является многофакторной. В силу приближенности теоретических моделей, заложенных в решения уравнений связанных мод для определения размеров и местоположения щелей, неучета на неоднородностях (щелях) вытекающих волн, квазипериодического характера зависимостей модулей комплексных амплитуд возбужденных волн (фиг. 3), фазовых соотношений между модами строгое точное решение затруднено.The task of determining the size of the slots, their location in the emitter plate is multifactorial. Due to the approximation of the theoretical models inherent in solving the equations of coupled modes for determining the size and location of gaps, neglecting the inhomogeneous waves (gaps) of the resulting waves, the quasiperiodic nature of the dependences of the modules of the complex amplitudes of the excited waves (Fig. 3), phase relations between the modes, a precise exact solution is difficult .

Для планарного диэлектрического излучателя со щелями в форме шестиугольника (фиг. 2) определены основные соотношения для выбора расстояния d от оси каждой щели 4 до оси пластины 3, размеров щелей (ширины δ и площади S) и расстояния L от концов щелей до апертуры излучателя.For a planar dielectric emitter with hexagonal slots (Fig. 2), the basic relations are determined for choosing the distance d from the axis of each slit 4 to the axis of the plate 3, the dimensions of the slots (width δ and area S), and the distance L from the ends of the slots to the aperture of the emitter.

При выборе указанных параметров щелей обеспечено среднеквадратичное отклонение излучаемого пучка от распределения Гаусса-Эрмита нулевого порядка не хуже 5·10-3.When choosing the specified parameters of the slits, the standard deviation of the radiated beam from the zero-order Gaussian-Hermite distribution is ensured no worse than 5 · 10 -3 .

Был изготовлен и экспериментально проверен образец планарного диэлектрического излучателя со щелями, имеющими форму вытянутого шестиугольника (фиг. 2), с углом при вершине клина α=10°, форматом поперечного сечения пластины Φ=13,1, углом β=15°, расстоянием от оси щели до оси пластины d=1,52 мм, расстоянием от концов щелей до апертуры излучателя L=45,2 мм, шириной щели δ=0,45 мм, площадью щели S=1,7 мм2. Образец излучателя изготовлен из фторопласта (ε=2,1), длина волны λ=3,2 мм, сечение возбуждающего волновода а=1,0 мм, b1=2,2 мм.A sample of a planar dielectric emitter with slots having the shape of an elongated hexagon (Fig. 2) with an angle at the tip of the wedge α = 10 °, a format of the cross section of the plate Φ = 13.1, angle β = 15 °, and a distance from the axis of the slit to the axis of the plate d = 1.52 mm, the distance from the ends of the slits to the aperture of the emitter L = 45.2 mm, the width of the slit δ = 0.45 mm, and the area of the slit S = 1.7 mm 2 . A sample of the emitter is made of fluoroplastic (ε = 2.1), wavelength λ = 3.2 mm, section of the exciting waveguide a = 1.0 mm, b 1 = 2.2 mm.

Полученное экспериментально амплитудное распределение излучения вдоль поперечной координаты у на расстоянии от апертуры излучателя, равном 6λ, практически совпадает с распределением Гаусса-Эрмита нулевого порядка (фиг. 4).The experimentally obtained amplitude distribution of radiation along the transverse coordinate y at a distance from the emitter aperture of 6λ almost coincides with the Gaussian-Hermite distribution of zero order (Fig. 4).

ЛитератураLiterature

1. Орехов Ю.И. Открытые волноводные и резонансные КВЧ устройства бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов в многокомпонентных средах: дисс.… докт. техн. наук. М., 2007. 314 с.1. Orekhov Yu.I. Open waveguide and resonant EHF devices for non-contact diagnostics of fast processes in multicomponent media: diss. ... doc. tech. sciences. M., 2007.314 s.

2. Планарный излучатель: пат. 2447552 РФ. №2010142590/07; заявл. 18.10.10; опубл. 10.04.12, бюл. №10. 2 с.2. Planar emitter: US Pat. 2447552 RF. No. 201042590/07; declared 10/18/10; publ. 04/10/12, bull. No. 10. 2 sec

3. Гайнулина Е.Ю., Штыков В.В. Многомодовый режим диэлектрических планарных волноводно-пучковых преобразователей // Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55. №8/3. С. 5-10.3. Gainulina E.Yu., Shtykov VV Multimode mode of dielectric planar waveguide-beam converters // Izv. universities. Physics. 2012.V. 55. No. 8/3. S. 5-10.

4. Миллер С. Теория связанных волн и ее применение к волноводам // Волноводные линии передач с малыми потерями / Пер. под ред. Б.В. Штейншлейгера. М.: Изд-во иностр. лит., 1960. С. 139.4. Miller S. The theory of coupled waves and its application to waveguides // Waveguide transmission lines with low losses / Per. under the editorship of B.V. Steinshleiger. M .: Publishing house of foreign countries. lit., 1960.S. 139.

Claims (2)

1. Планарный диэлектрический излучатель, состоящий из возбуждающего одномодового прямоугольного диэлектрического волновода с поляризацией электрического поля вдоль широкой стороны поперечного сечения и диэлектрического плоского клина, выполненного из того же материала, с углом при вершине, не превышающим пятнадцати градусов, переходящего в диэлектрическую пластину шириной b, торец которой является апертурой излучателя, а толщина пластины a равна толщине клина и узкой стороне поперечного сечения возбуждающего волновода, отличающийся тем, что пластина имеет формат поперечного сечения Ф=b/a, который выбирается из условия Фкр15≤Ф≤Фкр17, где Фкр15 и Фкр17 - критические значения формата поперечного сечения прямоугольного диэлектрического волновода для волн НЕ15 и НЕ17 соответственно, в месте перехода клина в пластину выполнены две щели, расположенные симметрично и параллельно оси пластины, размеры которых выбираются из условия преобразования волны НЕ11 в волны НЕ13 и НЕ15 с соотношением амплитуд 1:0,3:0,1, а длина пластины выбирается из условия фазового синхронизма волн НЕ11, НЕ13 и HE15 на ее торце.1. A planar dielectric radiator, consisting of an exciting single-mode rectangular dielectric waveguide with polarization of the electric field along the wide side of the cross section and a dielectric flat wedge made of the same material with an apex angle not exceeding fifteen degrees, turning into a dielectric plate of width b, whose end is the aperture of the emitter, and the plate thickness a is equal to the thickness of the wedge and the narrow side of the cross section of the exciting waveguide, characterized the fact that the plate has a cross-sectional format Ф = b / a, which is selected from the condition Ф кр15 ≤Ф≤Ф кр17 , where Ф кр15 and Ф кр17 are the critical values of the cross-sectional format of a rectangular dielectric waveguide for waves NOT 15 and NOT 17, respectively at the transition point of the wedge into the plate, two slots are made, located symmetrically and parallel to the axis of the plate, the dimensions of which are selected from the conditions for the conversion of the HE 11 wave into HE 13 and HE 15 waves with an amplitude ratio of 1: 0.3: 0.1, and the plate length is selected from the condition of phase synchronism of waves NOT 11 , N E 13 and HE 15 at its end. 2. Планарный диэлектрический излучатель по п. 1, отличающийся тем, что щели имеют форму шестиугольника, вытянутого вдоль оси, проходящей через диаметрально противоположные вершины, с углом при этих вершинах не более пятнадцати градусов, а расстояния d от оси каждой щели до оси пластины и L от концов щелей до апертуры излучателя выбраны из условий 0,6 λ / ε d 0,8 λ / ε
Figure 00000005
и 19,7 λ / ε L 22,2 λ / ε
Figure 00000006
, где λ - длина волны излучения, ε - диэлектрическая проницаемость излучателя, которая должна быть в пределах от 2,1 до 2,3, размеры щелей - ширина δ и площадь S удовлетворяют соотношениям 0,18 λ / ε δ 0,27 λ / ε
Figure 00000007
и 0,3 ( λ / ε ) 2 S 0,5 ( λ / ε ) 2
Figure 00000008
.
2. A planar dielectric emitter according to claim 1, characterized in that the slots have the shape of a hexagon elongated along an axis passing through diametrically opposite vertices with an angle at these vertices of not more than fifteen degrees, and the distance d from the axis of each gap to the axis of the plate and L from the ends of the slits to the aperture of the emitter selected from the conditions 0.6 λ / ε d 0.8 λ / ε
Figure 00000005
and 19.7 λ / ε L 22.2 λ / ε
Figure 00000006
, where λ is the radiation wavelength, ε is the dielectric constant of the emitter, which should be in the range from 2.1 to 2.3, the dimensions of the slits are the width δ and the area S satisfy the relations 0.18 λ / ε δ 0.27 λ / ε
Figure 00000007
and 0.3 ( λ / ε ) 2 S 0.5 ( λ / ε ) 2
Figure 00000008
.
RU2014154211/28A 2014-12-29 2014-12-29 Planar dielectric radiator RU2578660C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154211/28A RU2578660C1 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Planar dielectric radiator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014154211/28A RU2578660C1 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Planar dielectric radiator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2578660C1 true RU2578660C1 (en) 2016-03-27

Family

ID=55656783

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014154211/28A RU2578660C1 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Planar dielectric radiator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2578660C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6456241B1 (en) * 1997-03-25 2002-09-24 Pates Technology Wide band planar radiator
JP2006115063A (en) * 2004-10-13 2006-04-27 Japan Radio Co Ltd Primary radiator and designing method for primary radiator
RU2447552C1 (en) * 2010-10-18 2012-04-10 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Planar radiator
RU2485644C1 (en) * 2012-01-30 2013-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "КВЧ-Комплекс" Dielectric conical radiator
RU2515700C2 (en) * 2012-08-31 2014-05-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Planar dielectric radiator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6456241B1 (en) * 1997-03-25 2002-09-24 Pates Technology Wide band planar radiator
JP2006115063A (en) * 2004-10-13 2006-04-27 Japan Radio Co Ltd Primary radiator and designing method for primary radiator
RU2447552C1 (en) * 2010-10-18 2012-04-10 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Planar radiator
RU2485644C1 (en) * 2012-01-30 2013-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "КВЧ-Комплекс" Dielectric conical radiator
RU2515700C2 (en) * 2012-08-31 2014-05-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Planar dielectric radiator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yin et al. Frequency-controlled broad-angle beam scanning of patch array fed by spoof surface plasmon polaritons
El Misilmani et al. Design of slotted waveguide antennas with low sidelobes for high power microwave applications
Mondal et al. A leaky-wave antenna using periodic dielectric perforation for millimeter-wave applications
Quevedo-Teruel Controlled radiation from dielectric slabs over spoof surface plasmon waveguides
Jull et al. The reduction of interference from large reflecting surfaces
El Misilmani et al. A design procedure for slotted waveguide antennas with specified sidelobe levels
Memarian et al. Resonant blazed metasurface gratings
RU2578660C1 (en) Planar dielectric radiator
Taub et al. Submillimeter components using oversize quasi-optical waveguide
RU2447552C1 (en) Planar radiator
Alfonso et al. Study of the characteristic impedance of a ridge gap waveguide
CN104979145A (en) Designing method of millimeter wave varied box type window
Jandieri et al. Analysis of post-wall waveguides and circuits using a model of two-dimensional photonic crystals
Valero-Nogueira et al. Practical derivation of slot equivalent admittance in periodic waveguides
RU2515700C2 (en) Planar dielectric radiator
RU2267192C1 (en) Waveguide angle
RU2528091C1 (en) Biconical antenna
Yadav et al. Cold characterization of cylindrical open resonator for gyrotron
Ding et al. Beam shaping performance based on metallic corrugated grooves and dielectric periodic gratings at 500 GHz
Ivanchenko et al. X-band aperture antenna with hybrid dielectric inserts
Parini et al. Optimizing a CATR quiet zone using an array feed
Prakash et al. Method-of-moments analysis of narrow-wall slot array in a rectangular waveguide
Antipov et al. Millimeter Wave, 1 MW, CW Water Load
Wang et al. Analysis and Design of High Efficient High-Power Spatial Power Divider
Kamenev et al. Measurement of electrodynamic parameters of one-dimensional wire gratings in the sub-millimeter wavelength range

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20190417