Библиографическое описание:

Чередниченко В. Ф., Рябчунов А. И., Туровский А. В. Оптимизация режима поперечного излучения диэлектрической антенны вытекающей волны // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 342-345.

Выполнена оптимизация режима поперечного излучения диэлектрической антенны вытекающей волны путем подбора взаимного расположения подрешеток сегментированной дифракционной решетки. Использован критерий достижения максимального КПД. Подтверждена возможность устранения дифракции Брэгга и, как следствие, значительного увеличения излучательной способности апертуры.

Ключевые слова: антенна, диэлектрический волновод, решетка, поперечное излучение, дифракция Брэгга, КПД, сегментирование.

 

Рассматривается антенна миллиметровых волн, апертура которой образована плоским диэлектрическим волноводом (ПДВ). ПДВ возбуждается в торец волной, вектор Е которой расположен в плоскости апертуры перпендикулярно оси ПДВ. На поверхности ПДВ размещена решетка проводников, регулярных в направлении вектора Е. Антенна относится к дифракционным антеннам вытекающей волны (ДАВВ), обзор которых дан в [1].

Принцип работы ДАВВ базируется на эффекте преобразования замедленной ПДВ поверхностной волны в вытекающую волну дифракционной решеткой (ДР) с шагом, близким к длине излучаемой волны λ [2]. Достоинство ДАВВ заключается в обеспечении высокого КПД — отношения мощностей вытекающей и поверхностной волн. В сочетании с малым поперечным размером и надежностью, обусловленной простотой конструкции, это привело к проявлению значительного интереса к ДАВВ при реализации систем наземной и спутниковой радиосвязи, радиолокации, радиовидения, охранных систем и др. [3–4].

К недостаткам ДАВВ можно отнести отдельные особенности антенных решеток с последовательным типом возбуждения. Это спадающее амплитудное распределение по апертуре и, как следствие, ограниченная эффективная площадь апертуры, высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности (ДН). Все это может быть по отдельности и в совокупности скорректировано на основе оптимизации [5–7]. Зависимость направления излучения ДАВВ от частоты, напротив, переводят в плоскость ее достоинств [8]. При одностороннем возбуждении апертуры, которое имеет более простую конструктивную и эффективную по электродинамике реализацию, весьма сложно получить режим поперечного излучения (РПИ) с высоким КПД. Снижение КПД в РПИ связано с проявлением дифракции Брэгга (ДБ). При этом значимая доля мощности поверхностной волны отражается ДР и излучается посредством ДР в противофазе к первичной вытекающей волне. В результате мощность излучения резко падает [2]. Представляется важным исследовать варианты модернизации геометрии апертуры ДАВВ, приводящие к ослаблению проявления ДБ и обеспечения эффективного РПИ. В частности, в работе [9] ДБ в ДАВВ на базе структуры «ПДВ — отражательная гребенка» частично ослабляют профилированием гребенки, в [10] для подавления интерференционных максимумов в ДН используют разбиение решетки на подрешетки, сдвигаемые в узлы неравномерной сетки.

Цель работы — путем моделирования исследовать РПИ ДАВВ и показать возможность устранения ДБ за счет оптимального сегментирования ДР.

Для выполнения цели использована математическая модель ДАВВ из работы [11]. В ней апертура описана двумерной структурой в виде ПДВ (толщиной τ с относительной диэлектрической проницаемостью ε) на проводящем основании с нанесенной на его поверхности ДР из N проводников малого диаметра (2r << λ) (рис. 1). Расстояния между элементами ДР произвольны, в частном случае — одинаковы и равны шагу ДР ().

Рис. 1. Модельное представление апертуры ДАВВ

 

Решение задачи дифракции поверхностной волны ПДВ на ДР и аспекты численной реализации модели известны и изложены в [11–14], поэтому укажем лишь то, что модель учитывает краевые эффекты, обусловленные конечным числом элементов ДР. По найденным токам в элементах ДР рассчитывается ДН в Н-плоскости — F2(φ), а на ее основе — КПД (η), коэффициенты отражения ДР (kPотр) и прохождения к периферии ДР (kPпр) поверхностной волны, коэффициент использования площади апертуры (КИП, ν) ДАВВ и др.

Пусть длина волны, поддерживаемой ПДВ и возбуждающей ДР, составляет в вакууме λ = 7,143 мм (частота — f = 42 ГГц), ПДВ выполнен из материала с ε = 9,8 толщиной τ = 0,2λ. Число проводников ДР N = 50 (радиуса r = 0,035λ). В результате численного исследования установлено, что при = 0,406λ КПД апертуры с указанными параметрами значительно снижается — до 9,5 %, что связано с проявлением ДБ второго порядка в РПИ. Для указанного шага выполнено исследование зависимости КПД апертуры, коэффициентов отражения и прохождения поверхностной волны от числа элементов ДР в РПИ. Результаты отражены на рис. 2, из которого следует, что коэффициент отражения падает (от 64 до 6 %) при уменьшении N от 15 до 2, однако, при этом коэффициент прохождения растет (от 14 до 78 %). Обращает на себя внимание, что при N = 7 КПД имеет максимум — η = 26,4 %, при этом коэффициент отражения мощности от ДР не превышает 36,2 %.

Рис. 2. Энергетические параметры апертуры ДАВВ в РПИ

 

Данный фактор дает основание использовать 7-ми элементную часть апертуры как подрешетку в составе апертуры. После сегментирования ДР на подрешетки, содержащие по 7 элементов, очевидно, их следует разнести друг относительно друга на расстояния, отличные от шага ДР, но обеспечивающие по возможности близкое к синфазному сложение излучаемых подрешетками полей. Так как подрешетка в РПИ имеет существенно более высокий КПД, нежели несегментированная ДР, апертура с выделением и разнесением подрешеток потенциально может гарантировать высокую излучательную способность.

Для проверки данного предположения выполнено моделирование, при котором ДР из 49-ти элементов сегментирована на 6 подрешеток по 7 элементов. Расстояния между подрешетками Δi подбирались так, чтобы обеспечить максимум КПД апертуры при сохранении РПИ. Для поиска максимума целевой функции использовался генетический алгоритм, аналогичный тому, который был применен при оптимизации ДАВВ интерферометрического типа в [15], линейной неэквидистантной разреженной антенной решетки в [16] и отыскании минимаксных значений уровня бокового излучения равноамплитудной неэквидистантной решетки в [17]. Найденные расстояния между подрешетками представлены в таблице. Расчеты показывают, что КПД апертуры после оптимизации взаимного расположения подрешеток увеличился до 87,6 %, а коэффициент отражения ДР поверхностной волны уменьшился до 11,3 %. Это следует считать подтверждением возможности устранения ДБ. Необходимо иметь в виду, что смещение подрешеток может сопровождаться снижением направленных свойств ДАВВ и, как следствие, уменьшением КИП. Для улучшения ДН, очевидно, следует использовать критерий, учитывающий КИП апертуры. Дополнительная коррекция формы ДН может быть выполнена путем вариации по длине апертуры ширины проводников, реализованных в виде лент [18].

Расстояния между подрешетками, полученные при оптимизации

Δ1/λ

Δ2/λ

Δ3/λ

Δ4/λ

Δ5/λ

Δ6/λ

0.95726

0.75011

0.79120

0.16723

0.07306

0.81791

 

Таким образом, выполнено исследование РПИ ДАВВ. Получена зависимость КПД апертуры от числа элементов ДР. На ее основе выбран размер однотипных подрешеток в составе сегментируемой апертуры. Выполнена оптимизация взаимного расположения подрешеток по критерию максимума КПД в РПИ. Подтверждена возможность устранения ДБ и значительного увеличения КПД апертуры ДАВВ.

 

Литература:

 

1.      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.

2.      Шестопалов В. П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. — Киев: Наукова думка, 1985. — 216 с.

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

4.      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. Т. 46. — № 3. — С. 162–163.

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

6.      Останков А. В. Синтез излучающего гребенчатого раскрыва антенны вытекающей волны // Радиотехника. — 2012. — № 2. — С. 38–44.

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

8.      Останков А. В., Калинин Ю. Е. Расчет частотно-сканирующей антенны дифракционного излучения // Радиотехника. — 2014. — № 3. — С. 83–87.

9.      Останков А. В. Дифракционная антенна вытекающей волны с нестандартной реализацией излучающего раскрыва // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2010. Т. 6. — № 8. — С. 17–26.

10.  Mailloux R. J. Phased Array Antenna Handbook. — Norwood, MA: Artech House, 2005. — 496 p.

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

12.  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 (39). — URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/07/36583.

13.  Чередниченко В. Ф. Оптимизация на основе математического моделирования характеристик диэлектрической антенны вытекающей волны // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. — 2014. — № 7–8. — С. 7–11.

14.  Останков А. В. Вычислительная модель для исследования поля дифракции канавки в экране // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. — 2014. — № 11–12. — С. 3–11.

15.  Останков А. В. Оптимизация антенны дифракционного излучения, реализованной по интерферометрической схеме // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2010. Т. 6. — № 11. — С. 51–54.

16.  Останков А. В., Кирпичева И. А. Оптимизация направленных свойств линейных неэквидистантных антенных решеток // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2013. Т. 9. — № 4. — С. 8–11.

17.  Останков А. В., Антипов С. А., Сахаров Ю. С. Минимаксный уровень бокового излучения равноамплитудной неэквидистантной антенной решетки // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2013. Т. 9. — № 6–3. — С. 10–12.

18.  Останков А. В., Кирпичева И. А. Расчет параметров решетки из проводящих лент на экранированном диэлектрическом волноводе для антенны дифракционного излучения // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. — 2015. — № 1–2. — С. 3–10.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle