Найдена интерполяция матрицы рассеяния широкополосного щелевого излучателя. Построена и экспериментально обоснована частотная характеристика такой антенны.
Ключевые слова: широкополосные антенны, коэффициент отражения, экспоненциальный закон, расчетные данные, результаты измерений.
Одним из наиболее распространенных типов антенн СВЧ диапазона можно считать антенны бегущей волны (АБВ), которые в литературе называются антеннами Вивальди. Антенны Вивальди весьма широкополосны [1]. Несмотря на широкополосность антенны такого типа излучают электромагнитные волны с линейной поляризацией. Антенны Вивальди широко применяются в системах радиосвязи, радиообнаружения и радиоэлектронного подавления.
Цель настоящей работы заключается в исследовании характеристик антенны бегущей волны во всем диапазоне рабочих частот. По мнению автора, данный вопрос освещен недостаточно полно. Моделью представленной в виде двухполюсника широкополосной щелевой антенны может быть матрица рассеяния. Матрица рассеяния двухполюсника содержит всего один элемент, который называется коэффициентом отражения. Коэффициент отражения показывает степень согласованности импеданса двухполюсника с волновым сопротивлением питающего фидера. Количественно определяется отношением амплитуд отраженной волны в линии передачи к падающей.
Любые антенны, и антенны Вивальди в частности, функционально предназначены для согласования фидерной линии с открытым пространством. В отличие от СВЧ трансформаторов, преобразующих волновое сопротивление линии передачи в заданной полосе частот, к антеннам предъявляются дополнительные требования по диаграмме направленности и поляризации излучения. Как правило, линии передачи с большими размерами поперечного сечения имеют более низкое волновое сопротивление. Обеспечить минимальный уровень отражений можно с помощью достаточно плавного изменения волнового сопротивления вдоль линии. Это означает уменьшение величины неоднородностей за счет устранения резких скачков поперечного сечения линии.
Таким образом, конструкция антенны Вивальди должна обеспечивать плавную трансформацию структуры излучаемого поля. В соответствии с теорией согласующих переходов [2] на участке излучения l щелевая линия должна расширяться экспоненциально по закону
, (1)
где 
, Z0 – волновое сопротивление открытого пространства; Z0 = = 377 [Ом], Z – волновое сопротивление фидерной линии, Z = 50 [Ом].
В работе [2] показано, что зависимость коэффициента отражения от физической длины согласующего перехода Г(l/λ), нормированной к длине волны излучения описывается функцией f(x) = |sin(x)/x|. Также показано, что нулевые значения коэффициента отражения наблюдаются при x = l/λ = 2πn, где n – целое число. Исходя из изложенных выше соображений, а также из результатов математического моделирования в прикладном пакете Mathsoft MathCAD найдена интерполяция частотных характеристик экспоненциально расширяющейся щелевой линии
, (2)
где ω – круговая частота [рад/с], c – скорость света в вакууме; c = 3·108 [м/с], k – степень отклонения закона расширения щели от экспоненциального, k = = 0...1.
Анализ зависимости (2) показал, что коэффициент отражения асимптотически убывает с ростом частоты. То есть щелевая линия при малых потерях будет весьма широкополосной, если физическую длину линии выбрать в несколько раз больше длины волны проходящего через нее сигнала. Корректность выражения (2) можно подтвердить экспериментально. В технике измерений антенно-фидерных устройств согласованность линии связи оценивается с помощью коэффициента стоячей волны по напряжению
. (3)
где f – частота излучаемого сигнала [Гц].
Для излучателя с параметрами l = 55 [мм], k = 0,8 в диапазоне частот от 6 до 18 ГГц аналитические выражения (2) и (3) исследовались графически. Расчетная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) по напряжению от частоты сигнала, приведена на рис. 1. Полученная характеристика имеет вид периодической функции, которая убывает асимптотически, причем первый экстремум равен 1,5; второй – 1,4; третий – 1,3.
Рис. 1. Результаты расчета частотных характеристик СВЧ излучателя
В рамках работ по созданию станции активных помех [3] разработаны излучатели на основе модели экспоненциально расширяющейся щелевой линии. Экспериментальные исследования характеристик антенны Вивальди проводились в безэховой экранированной камере (БЭК) на приборах фирмы Agilent Technology. Измерения изолированного излучателя выполнялись в свободном пространстве методом сравнения с эталонным рупором. Результаты измерений КСВ во всем диапазоне рабочих частот показаны на рис. 2. Видно, что порядки расчетных и экспериментальных данных имеют неплохую сходимость.
Рис. 2. Результаты измерения частотных характеристик СВЧ излучателя
Таким образом, в результате теоретических исследований найдена интерполяция матрицы рассеяния антенны бегущей волны. В результате математического моделирования построена частотная характеристика щелевого излучателя. В результате экспериментальных исследований подтверждена корректность изложенных выше рассуждений.
Литература
1. Альхарири М. Двухсторонний широкополосный излучатель Вивальди. – М.: Антенны, 2006, №8, с. 44
2. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1990. – 288 с.
3. Казанцев Г. В. Исследование возможности построения активных многолучевых антенных решеток для широкополосных малогабаритных цифровых приемо-передающих устройств // Отчет по научно-исследовательской экспериментальной работе. – М.: ЦНИРТИ. 1996.
