Антенна с утечкой волны - Leaky wave antenna - Wikipedia

Антенна с утечкой волны (LWA) принадлежат к более общему классу Антенна бегущей волны, которые используют бегущую волну на направляющей конструкции в качестве основного излучающего механизма. Антенны бегущей волны делятся на две основные категории: антенны на медленных волнах и антенны на быстрых волнах, которые обычно называют антеннами с вытекающей волной.

Вступление

Бегущая волна в антенне с утечкой волны - это быстрая волна с фазовой скоростью, превышающей скорость света. Этот тип волны излучается непрерывно по всей своей длине, и, следовательно, волновое число распространения kz является сложным, состоящим из фазы и постоянной затухания. С помощью этого типа антенны можно получить высоконаправленные лучи под произвольным заданным углом с низким уровнем боковых лепестков. В фазовая постоянная β волны управляет углом луча (и его можно варьировать, изменяя частоту), в то время как постоянная затухания α контролирует ширину луча. Распределение апертуры также может быть легко сужено для управления уровнем боковых лепестков или формой луча. Антенны с утечкой волны можно разделить на две важные категории, равномерные и периодические, в зависимости от типа направляющей конструкции.

Униформа LWA

Равномерная структура имеет равномерное (постоянное) поперечное сечение по длине конструкции, обычно в виде волновод который был частично открыт для прохождения излучения. Направленная волна на однородной структуре является быстрой волной и поэтому излучается по мере распространения.

Периодический LWA

Периодическая антенная структура вытекающей волны представляет собой такую структуру, которая состоит из однородной структуры, которая поддерживает медленную (неизлучающую) волну, которая периодически модулируется некоторым образом. Поскольку медленная волна излучается на неоднородностях, периодические модуляции (неоднородности) заставляют волну излучать непрерывно по длине структуры. С более сложной точки зрения, периодическая модуляция создает направленную волну, состоящую из бесконечного числа пространственных гармоник (мод Флоке). Хотя основной (п = 0) пространственная гармоника - это медленная волна, одна из пространственных гармоник (обычно п = −1) предназначена для быстрой волны, и эта гармоническая волна является излучающей волной.

Прорезанная направляющая

Типичным примером однородной антенны вытекающей волны является заполненный воздухом прямоугольный волновод с продольной щелью. Эта простая конструкция демонстрирует основные свойства, общие для всех однородных антенн с вытекающей волной.10 волноводная мода - быстрая волна, с ${ displaystyle beta = { sqrt {k_ {0} ^ {2} - left ({ frac { pi} {a}} right) ^ {2}}}$ , где k0 - вакуумное волновое число. Излучение вызывает волновое число kz распространяющейся моды в открытой волноводной структуре становится сложным. С помощью применения принципа стационарной фазы можно фактически обнаружить, что:

${ displaystyle { frac { beta} {k_ {0}}} = { frac {c} {v _ { text {ph}}}} = { frac { lambda _ {0}} { lambda _ { текст {g}}}} simeq sin theta _ {m}}$

где θм - угол максимального излучения, взятого с борта (направление x), ${ displaystyle c}$ и λ0 скорость света и длина волны в вакууме, а λграмм длина волны волновода. Как типично для однородного LWA, луч не может сканироваться слишком близко к поперечной стороне (θм= 0), так как это соответствует частота среза Кроме того, луч нельзя сканировать слишком близко к конечному огню (θм= 90 °, направление z), поскольку для этого требуется работа на частотах, значительно превышающих пороговую, где могут распространяться моды более высокого порядка, по крайней мере, для волновода, заполненного воздухом. Сканирование ограничено только передним квадрантом (0 <θм<Π / 2) для волны, бегущей в положительном направлении оси z.

Это одномерное (1D) распределение апертуры вытекающей волны приводит к "веерному лучу", имеющему узкую форму в плоскости xz (плоскость H) и широкую форму в поперечной плоскости. «Узкий луч» может быть создан с помощью массива таких одномерных излучателей. В отличие от замедляющей структуры, очень узкий луч можно создать под любым углом, выбрав достаточно малое значение α. Простая формула для ширины луча, измеренной между точками половинной мощности ( ${ Displaystyle simeq -3 , { текст {дБ}}}$ ), является:

${ displaystyle Delta theta simeq { frac {1} {{ frac {L} { lambda _ {0}}} cos theta _ {m}}}}$

где L - длина антенны вытекающей волны, а Δθ выражается в радианах. Для 90% излучаемой мощности можно принять:

${ displaystyle { frac {L} { lambda _ {0}}} simeq { frac {0.18} { alpha / k_ {0}}} Rightarrow Delta theta propto { frac { alpha } {k_ {0}}}}$

Поскольку утечка происходит по всей длине щели в волноводной структуре, вся длина составляет эффективную апертуру антенны, если только скорость утечки не настолько велика, что мощность фактически утекает, прежде чем достигнет конца щели. постоянная затухания подразумевает короткую эффективную апертуру, так что излучаемый луч имеет большую ширину луча. И наоборот, низкое значение α приводит к большой эффективной апертуре и узкому лучу, при условии, что физическая апертура достаточно велика. Поскольку мощность излучается непрерывно по длине, поле апертуры антенны с вытекающей волной со строго однородной геометрией имеет экспоненциальный спад (обычно медленный), так что поведение боковых лепестков плохое. Наличие боковых лепестков в основном обусловлено конечностью структуры вдоль оси z. Однако, когда мы изменяем геометрию поперечного сечения направляющей конструкции для изменения значения α в некоторой точке z, вероятно, что значение β в этой точке точка также немного изменена. Однако, поскольку β нельзя изменять, необходимо дополнительно изменить геометрию, чтобы восстановить значение β, тем самым несколько изменив α.

Рис.2: дисперсионные кривые (нормированная фазовая постоянная или эффективный показатель преломления)

На практике эта трудность может потребовать двухэтапного процесса. Затем практика заключается в том, чтобы медленно изменять значение α по длине определенным образом, поддерживая постоянным β (то есть угол максимального излучения), чтобы отрегулировать амплитуду распределения апертуры A (z) для получения желаемого Характеристики боковых лепестков. Однородные антенны вытекающей волны можно разделить на заполненные воздухом и частично заполненные диэлектриком. В первом случае, поскольку поперечное волновое число kт тогда постоянна с частотой, ширина луча излучения остается в точности постоянной, так как луч сканируется путем изменения частоты. Фактически, поскольку:

${ displaystyle cos ^ {2} vartheta _ {m} simeq 1- left ({ frac { beta} {k_ {0}}} right) ^ {2}}$

куда:

${ displaystyle k_ {0} ^ {2} = k_ {t} ^ {2} + beta ^ {2} Rightarrow left ({ frac { beta} {k_ {0}}} right) ^ {2} = 1- left ({ frac {k_ {t}} {k_ {0}}} ^ {2} right)}$

${ displaystyle Rightarrow cos vartheta _ {m} simeq Delta theta simeq { frac {2 pi} {k_ {t} L}} = { frac { lambda _ {c}} { L}}}$

не зависит от частоты (λc - длина волны отсечки). Напротив, когда направляющая структура частично заполнена диэлектриком, поперечное волновое число kт является функцией частоты, так что Δθ изменяется при сканировании частоты луча. С другой стороны, что касается частотной чувствительности, то есть того, насколько быстро угол луча сканируется при изменении частоты, частично нагруженная диэлектриком структура может сканировать в большем диапазоне углов для того же изменения частоты, как это очевидно из Рис. 2, и поэтому является предпочтительным.

Безызлучательный диэлектрический волновод (NRD)

Рис.3: Направляющая из неизлучающего диэлектрика

Рис.4: асимметричный неизлучающий диэлектрический проводник

В ответ на требования к миллиметровым длинам волн новые антенны обычно основывались на открытых волноводах с меньшими потерями. Один из возможных механизмов получения излучения - это укорочение стороны. Рассмотрим, например, Безызлучательный диэлектрический волновод (NRD).

Расстояние a между металлическими пластинами меньше λ0/ 2, так что все стыки и разрывы (также кривые), которые поддерживают симметрию, становятся чисто реактивными, а не содержат излучение. Когда вертикальные металлические пластины в направляющей NRD достаточно длинные, поле доминирующей моды полностью ограничено, так как оно распадается до незначительных значений, когда достигает верхнего и нижнего открытых концов. Если верхняя часть пластин укорочена в ракурсе, как на рис. 3 поле бегущей волны конечной амплитуды существует тогда на верхнем открытом конце, и если доминирующая направляющая мода NRD является быстрой (она может быть быстрой или медленной в зависимости от частоты), мощность будет излучаться в угол от этого открытого конца.

Другой возможный механизм - асимметрия. В асимметричной NRD-направляющей антенне, изображенной на фиг. 4, структура сначала делится пополам по горизонтали с металлической стенкой, чтобы обеспечить излучение только с одного конца; Поскольку электрическое поле в этой средней плоскости является чисто вертикальным, структура поля не изменяется из-за биссечения. Затем в диэлектрическую область вводится воздушный зазор для создания асимметрии. В результате создается небольшое чистое горизонтальное электрическое поле, который создает моду в воздушной области с параллельными пластинами, которая является ТЕМ режим, который распространяется под углом между параллельными пластинами, пока не достигнет открытого конца и не просочится прочь. необходимо поддерживать параллельные пластины в воздушной области достаточно длинной, чтобы вертикальная составляющая электрического поля исходной моды (представленная в направляющая с параллельными пластинами за обрез TM1 mode) распалась до незначительных значений на открытом конце. Тогда TEM-мода с ее горизонтальным электрическим полем является единственным полем, оставшимся у апертуры антенны, и тогда поляризация поля будет по существу чистой (неоднородность на открытом конце не вносит никаких кросс-поляризованных компонентов поля).

Руководство по пазу

Рис.5: Направляющая канавки

Рис. 6: эскизы, показывающие переход от режима TE20 в направляющей с полной канавкой слева к L-образной конструкции антенны справа. Переход включает два последовательных деления пополам, ни одно из которых не нарушает распределение поля. Стрелками обозначены направления электрического поля.

Рис.8: влияние симметрии структуры на нормированные характеристики распространения

Рис.9: влияние нормированной на ширину шлейфа постоянных фазы и затухания

Рис.7: Поперечная эквивалентная сеть направляющей Groove

Канавочный волновод (показан на рис.5) представляет собой открытый волновод с низкими потерями для миллиметровых волн, чем-то похожий на волновод NRD: центральная диэлектрическая область заменена воздушной областью большей ширины (больше λ0/ 2). Поле снова экспоненциально затухает в более узких областях сверху и снизу. Антенна вытекающей волны создается сначала путем горизонтального разделения канавки направляющей пополам. Он также напоминает прямоугольный волновод с заглушкой.

Когда шлейф смещен по центру, полученная асимметричная структура будет излучать. При увеличении смещения постоянная затухания α будет увеличиваться, а также увеличится ширина луча. Когда заглушка помещается полностью до одного конца, в результате получается L-образная структура, которая очень сильно излучается.

Кроме того, было обнаружено, что значение β изменяется очень мало при перемещении заглушки, а значение α изменяется в очень большом диапазоне. Эта особенность позволяет сузить апертуру антенны для контроля боковых лепестков. Тот факт, что L-образная структура сильно протекает, также может быть связан с другим механизмом утечки: использованием излучающих высших мод. В частности, может быть обнаружено, что все более высокие моды канавочной направляющей являются негерметичными.

Например, рассмотрим первый более высокий антисимметричный режим. Благодаря симметрии структуры и направлениям силовых линий электрического поля, структура может быть дважды разделена пополам, чтобы получить L-образную форму, как показано на рис.6.

Антенна может быть проанализирована с использованием поперечной эквивалентной сети на основе сети с Т-образным соединением. Выражения для элементов сети могут быть получены в простой замкнутой форме, но при этом очень точны. Результирующая схема показана на рис.

Обычно длина шлейфа должна составлять около половины длины волны или меньше, если шлейф узкий.

Чтобы использовать возможности печатных схем, была разработана печатная версия предыдущей структуры. Таким образом, в процессе изготовления может использоваться фотолитография, а конструкция конуса для контроля боковых лепестков может выполняться автоматически при изготовлении.

Структура изображена на вставке к рис. 8. Поперечная эквивалентная схема для этой новой антенной структуры немного сложнее, чем предыдущая, и выражения для элементов сети должны быть соответствующим образом модифицированы, чтобы учесть диэлектрическую среду. над трансформатором появляется дополнительная проводимость.

Шлейф и основные направляющие больше не одинаковы, поэтому их волновые числа и характеристические проводимости также различаются. Опять же, α можно изменять, изменяя положение щели d, как это видно на рисунке 8. Однако было обнаружено, что a 'также можно изменить для этой цели, как показано на рисунке 9.

Ступенчатая направляющая (Ридж)

Рис.10: ступенчатая направляющая

Был разработан и проанализирован интересный вариант предыдущих структур, основанный на гребневом или ступенчатом волноводе, а не на прямоугольном волноводе. В структурах на основе прямоугольного волновода асимметрия была достигнута за счет размещения заглушки или расположения продольного волновода. паз, смещенный от центра на верхней поверхности.

Рис.11: поперечная эквивалентная сеть гребневой или ступенчатой направляющей.

Здесь верхняя поверхность симметрична, а асимметрия создается за счет наличия неравных длин на каждой стороне под частью основной направляющей, как показано на рис. 10. Поперечные эквивалентные сети вместе с соответствующими выражениями для сетевых элементов были адаптированы. Эквивалентная схема представлена на рис. 11. Анализ поведения антенны показывает, что эта геометрия позволяет эффективно управлять углом максимального излучения θ.м и ширины луча Δθ. Определим два геометрических параметра: относительную среднюю длину плеча bm / a, где bm = (bл+ bр) / 2, а относительный дисбаланс Δb / bм где Δb = (bл+ bр) / 2. Рисунок 10: Ступенчатая направляющая. Затем оказывается, что, изменив bм/ a можно настроить значение β / k0 без изменения α / k0 много, и что, изменяя Δb / bм можно варьировать α / k0 в большом диапазоне, не влияя на β / k0 много.

Следовательно, конструкция конуса для управления уровнем боковых лепестков будет включать только относительный дисбаланс Δb / b.м.Поперечная эквивалентная схема немного усложняется наличием двух дополнительных изменений высоты волновода, которые можно смоделировать с помощью шунтирующих сопротивлений и идеальных трансформаторов. Идеальный трансформатор учитывает изменение характеристического импеданса при сохранении реактивная энергия учитывается через восприимчивость. Сканирующие решетки обеспечивают сканирование в двух измерениях, создавая одномерную фазированную решетку из антенн с линейным источником вытекающих волн. Отдельные линейные источники сканируются по углу места за счет изменения частоты. Сканирование в плоскости пересечения и, следовательно, по азимуту, производится фазовращателями, расположенными в структуре питания одномерного массива линейных источников. Следовательно, излучение будет происходить в форма пучка карандаша и будет сканировать как по углу места, так и по азимуту в режиме конического сканирования. Расстояние между линейными источниками выбрано таким образом, чтобы не было лепестков решетки, а точный анализ показывает, что нигде не появляются слепые пятна. точно проанализирован методом элементарной ячейки, который учитывает все эффекты взаимной связи. Каждая элементарная ячейка включает в себя отдельную антенну линейного источника, но в присутствии всех остальных. Излучающая оконечная нагрузка на элементарной ячейке изменяет поперечную эквивалентную сеть. Таким образом, ключевой новой функцией анализа массива является определение активной проводимости элементарной ячейки в двумерной среде как функции угла сканирования. Значения β и α не изменились при фазовом сдвиге, сканирование было бы точно коническим. Однако было обнаружено, что эти значения изменяются незначительно, так что отклонение от конического сканирования невелико. пятна присутствуют. Слепые пятна относятся к углам, при которых решетка не может излучать или получать энергию; если слепое пятно возникло под некоторым углом, следовательно, значение α будет быстро стремиться к нулю при этом угле сканирования. Затем, чтобы проверить наличие слепых пятен, мы будем искать любые резкие провалы на кривых α / k0 как функция угла сканирования. Таких провалов обнаружено не было. Типичные данные этого типа демонстрируют довольно плоское поведение для α / k.0 до тех пор, пока кривые быстро не упадут до нуля, когда они достигнут конца диапазона конического сканирования, где луч падает на землю.