Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам

Исследованы характеристики нерезонансной линейной волноводно-щелевой решетки, образованной системой продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам. Рассмотрен случай, когда замедленная волна в волноводе короче волны в свободном пространстве. Экспер...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Ляховский, А.А., Яцук, Л.П., Ляховский, А.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2010
Назва видання:	Радиофизика и радиоастрономия
Теми:	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100112
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам / А.А. Ляховский, Л.П. Яцук, А.Ф. Ляховский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 216-223. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100112
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1001122016-05-17T03:02:12Z Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам Ляховский, А.А. Яцук, Л.П. Ляховский, А.Ф. Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Исследованы характеристики нерезонансной линейной волноводно-щелевой решетки, образованной системой продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам. Рассмотрен случай, когда замедленная волна в волноводе короче волны в свободном пространстве. Экспериментально проверена адекватность разработанной авторами математической модели реальным физическим процессам. Показано, что волноводно-щелевая решетка на базе волновода со слоем диэлектрика оказывается более широкополосной, чем волноводно-щелевая решетка той же электрической длины на базе полого волновода. Досліджено характеристики нерезонансної лінійної хвилевідно-щілинної решітки, утвореної системою поздовжніх щілин у прямокутному хвилеводі з діелектричним шаром, паралельним його вузьким стінкам. Розглянуто випадок, коли довжина уповільненої хвилі у хвилеводі коротша за довжину хвилі у вільному просторі. Експериментально перевірена адекватність розробленої авторами математичної моделі реальним фізичним процесам. Показано, що хвилевідно-щілинна решітка на основі хвилеводу з шаром діелектрика є більш широкополосною, ніж хвилевідно-щілинна решітка тієї ж електричної довжини на основі порожнистого хвилеводу. Characteristics of non resonance linear slotted-waveguide array of a system of longitudinal slots in a rectangular waveguide with a dielectric slab parallel to its narrow walls are investigated. The case is considered when the deceleration wave is shorter than the one in free space. The adequacy to the real physical processes of our mathematical model was checked experimentally. It is shown that a slotted-waveguide array on the basis of a dielectric slab waveguide occurs more broadband than a slotted-waveguide array of the same electrical length and based on a hollow waveguide. 2010 Article Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам / А.А. Ляховский, Л.П. Яцук, А.Ф. Ляховский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 216-223. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1027-9636 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100112 621.396.677.71 ru Радиофизика и радиоастрономия Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
spellingShingle	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Ляховский, А.А. Яцук, Л.П. Ляховский, А.Ф. Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам Радиофизика и радиоастрономия
description	Исследованы характеристики нерезонансной линейной волноводно-щелевой решетки, образованной системой продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам. Рассмотрен случай, когда замедленная волна в волноводе короче волны в свободном пространстве. Экспериментально проверена адекватность разработанной авторами математической модели реальным физическим процессам. Показано, что волноводно-щелевая решетка на базе волновода со слоем диэлектрика оказывается более широкополосной, чем волноводно-щелевая решетка той же электрической длины на базе полого волновода.
format	Article
author	Ляховский, А.А. Яцук, Л.П. Ляховский, А.Ф.
author_facet	Ляховский, А.А. Яцук, Л.П. Ляховский, А.Ф.
author_sort	Ляховский, А.А.
title	Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам
title_short	Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам
title_full	Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам
title_fullStr	Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам
title_full_unstemmed	Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам
title_sort	система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100112
citation_txt	Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам / А.А. Ляховский, Л.П. Яцук, А.Ф. Ляховский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 216-223. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv	AT lâhovskijaa sistemaprodolʹnyhŝelejvprâmougolʹnomvolnovodesdiélektričeskimsloemparallelʹnymegouzkimstenkam AT âcuklp sistemaprodolʹnyhŝelejvprâmougolʹnomvolnovodesdiélektričeskimsloemparallelʹnymegouzkimstenkam AT lâhovskijaf sistemaprodolʹnyhŝelejvprâmougolʹnomvolnovodesdiélektričeskimsloemparallelʹnymegouzkimstenkam
first_indexed	2025-07-07T08:20:50Z
last_indexed	2025-07-07T08:20:50Z
_version_	1836975601968218112
fulltext	Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2, с. 216-223 © А. А. Ляховский, Л. П. Яцук, А. Ф. Ляховский, 2010 УДК 621.396.677.71 Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам А. А. Ляховский, Л. П. Яцук, А. Ф. Ляховский Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61077, Украина E-mail: Andrey.A.Lyakhovsky@univer.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 23 ноября 2009 г. Исследованы характеристики нерезонансной линейной волноводно-щелевой решетки, образо- ванной системой продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам. Рассмотрен случай, когда замедленная волна в волноводе короче волны в свободном пространстве. Экспериментально проверена адекватность разрабо- танной авторами математической модели реальным физическим процессам. Показано, что волноводно-щелевая решетка на базе волновода со слоем диэлектрика оказывается более ши- рокополосной, чем волноводно-щелевая решетка той же электрической длины на базе полого волновода. 1. Введение Волноводно-щелевые решетки (ВЩР) ши- роко используются в наземных и бортовых радиолокационных, радиорелейных, радиона- вигационных системах [1-3]. При ориентации главного максимума диаграммы направлен- ности (ДН) по нормали к плоскости ВЩР, и при отклонении его на некоторый угол от нормали, возникает опасность появления интерференционных максимумов высших по- рядков. Чтобы избежать появления этих мак- симумов, расстояние между щелями уменьша- ют разными способами. Один из них – исполь- зование волноводов П-образной формы [1-3], другой – замедление волны в волноводе путем введения в него диэлектрической вставки. В обоих случаях увеличивается критическая длина волны основного типа, что позволяет уменьшить поперечный размер волновода и, как следствие, уменьшить расстояния между излучателями в соседних линейных решетках. Замедление волны в волноводе позволяет сблизить излучатели в пределах одной линей- ной решетки. Симметричное заполнение волновода слоем диэлектрика, размещаемым параллельно узким стенкам волновода, рас- ширяет рабочую полосу частот волновода, ме- няет структуру поля в нем, приводит к изме- нению резонансных частот и энергетических характеристик щелей [4]. Это может быть ис- пользовано для управления параметрами ВЩР. В ВЩР с продольными щелями, прорезан- ными в шахматном порядке в широкой стенке волновода с диэлектрическим слоем, при дос- таточно больших замедлениях волны возни- кает ситуация, когда области расположения соседних щелей в продольном направлении частично перекрываются. Точность моделирования характеристик ВЩР, как известно [5-8], существенно зави- сит от учета взаимодействия между щелями во внутреннем и внешнем пространствах. Целью настоящей работы является иссле- дование характеристик линейной ВЩР с уче- том взаимодействия продольных щелей в слу- чае, когда области расположения соседних ще- лей вдоль оси волновода частично перекры- ваются. Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам 217Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 2. Постановка и решение задачи Рассматривается система из N продольных излучающих щелей в прямоугольном волноводе сечением a b× с диэлектрическим заполне- нием без потерь. Общий вид системы показан на рис. 1. Заполнение полагается трехслойным с размерами слоев 1 2 3, , ,a a a и с диэлектри- ческими проницаемостями 1 2 3, , ,ε ε ε слои рас- полагаются параллельно узким стенкам вол- новода. Проводимость стенок волновода по- лагается идеальной. Излучающие узкие про- дольные щели длиной Lν и шириной dν ( )0.1L dν ν ≤ прорезаны в шахматном порядке в верхней широкой стенке волновода. Волно- вод возбуждается в сечении 0z = волной ос- новного типа 10LE единичной амплитуды. Области расположения соседних щелей вдоль оси z на интервале 1z z z Lν+ ν ν≤ ≤ + могут пе- ресекаться. Требуется определить амплитуды возбуждения щелей Vν данной линейной ВЩР. Вектор электрического поля в каждой из щелей аппроксимировался набором вектор- ных координатных функций .qe Вектор маг- нитного поля ( ),i qH e возбужденного каждой щелью в волноводе в области расположения самой щели ( )z z z Lν ν ν≤ ≤ + и за ее предела- ми ( , ),z z z z Lν ν ν< > + определялся методом разложения его по собственным волнам [9]. В [10] этот метод был модифицирован с целью получения решения, более пригодного для рас- четов. В области расположения щели, рассеян- ное поле представлялось в виде разложения в ряд по собственным волнам LE- и LM-типа и потенциальным функциям P волновода с трех- слойным диэлектрическим заполнением [10]. C учетом толщины стенки волновода условие непрерывности касательных составляющих магнитных полей на внутренней и внешней по- верхностях каждой щели описывалось двумя уравнениями. Поле на каждой щели аппрокси- мировалось одним полупериодом синусоидаль- ной функции. Для N щелей методом Галеркина была получена система из 2N линейных алгеб- раических уравнений (СЛАУ). Идея получения такой СЛАУ была изложена в [11], где данный метод назван методом наведенных магнито- движущих сил (МДС). В нашем случае СЛАУ выглядит следую- щим образом: ( ) ( ) , , , , 1 , , , , 1 , 0, i v v v e v V Y Y V Y F V Y V Y Y Ν ′ ′ν μ ν μ ν μ ν μ μ μ μ ν= Ν ′ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ′μ μ μ ν μ ν μ ν μ ν ′ν = ⎧ + δ + =⎪ ⎪ ⎨ ⎪ + + δ =⎪⎩ ∑ ∑ 1, ..., ;Nμ = 1, ..., .N′μ = Здесь индексы ,μ ν использованы для нумера- ции внутренних поверхностей щелей, а индексы ,′ ′μ ν – для внешних поверхностей щелей; , iYμ ν – внутренние собственные ( )μ = ν и взаим- ные ( )μ ≠ ν проводимости продольных щелей в трехслойном волноводе; , vYμ ν – собственные ( )μ = ν и взаимные ( )μ ≠ ν проводимости ще- лей в резонаторах, образованных полостями щелей в стенке волновода [12]; , eY ′ ′μ ν – внешние собственные ( )′ ′μ = ν и взаимные ( )′ ′μ ≠ ν про- водимости щелей [13]; mF – магнитодвижу- щая сила на продольной щели. В методе МДС взаимодействие между щелями внутри волновода учитывается с по- мощью взаимной внутренней проводимости: , , , , , , , 1 0 0 1 0 0 . N R N R N R i iLE iLM iP rn rn rn n r n r n r Y Y Y Yμ ν μ ν μ ν μ ν = = = = = = = + +∑∑ ∑∑ ∑∑ Здесь r – номер корня соответствующего дис- персионного уравнения, n – число полуволн в волноводе вдоль оси y. Функции , , , , , ,, ,iLE iLM iP rn rn rnY Y Yμ ν μ ν μ ν имеют вид:Рис. 1. Общий вид системы щелей А. А. Ляховский, Л. П. Яцук, А. Ф. Ляховский 218 Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 ( ) ( ) ( ) 2 1, 3, , , 22 ( )LE LE LE LE LE rn r r rniLE rn LE LE rn rn I z C Y L N μ ν ν γ α α = × ⎡ ⎤π − γ⎢ ⎥⎣ ⎦ ( ) ( )1, 3, ,LE LE LE LE r rf fμ ν× α α ( ) ( ) 2 1 3 , , 22 ( ) ( )LM LM iLM n rn rn LM LM rn rn I z CY L N μ ν ν − ωκ ε ε= × ⎡ ⎤π − γ⎢ ⎥⎣ ⎦ ( ) ( )1, 3, ,LM LM LM LM r rf fμ ν× α α ( ) ( )0 , , 1, 3, 0 (1 ) , P iP P P P Pn rn r rP FCY f f i bμ ν μ ν − − δ= α α ωμ Λ где ( ) 2T T rnI z i F= γ + ( ) ( ) ( ) ( )22 2 sin ( ) , T rn zi dT T rn z T rn L B e i L d L L L − γ μ ν μ ν ν π + γ π −π+ π − γ ( ) ( ) ( )0.5 cos sin ,z z z LF L d d L d Lν ν ν ν ⎡ ⎤= − π + π⎢ ⎥π⎣ ⎦ ( )21 , T TT T rn rnrn rn z i L i L Li L i dTB e e e eμ ν μν − γ − γ −− γ γ= + + + ( ), , , 0 , sin 0.5 ( ) cos . 0.5 T j rT T T j r j r T j r d f x d η η η η α α = α α Здесь T rnγ – продольные волновые числа, определяемые из дисперсионных уравнений для LE-, LM-волн и потенциальных функций (индекс T принимает значения LM, LM или P); ( )22 2 , T T j r j rn nkα = ε − γ −κ – поперечное волновое число вдоль оси x в слое диэлектрика с номером 1, 2, 3, ; 2 ,nj n b k= κ = π = π λ λ – длина вол- ны в свободном пространстве; ω – круговая частота; 7 0 4 10−μ = π⋅ Гн/м – магнитная констан- та; 0nδ – символ Кронекера; ,LE rnN LM rnN – нор- мирующие множители, фигурирующие в усло- вии ортогональности, для LE- и LM-волн; pΛ – норма потенциальной функции; zd z zν μ= − – расстояние между началами щелей вдоль оси z; ,η = μ ν – номера взаимодействующих щелей; 0x η – смещение щелей вдоль координаты x (см. рис. 1); TC – множители, появляющиеся при выводе дисперсионных уравнений, конк- ретный вид которых можно найти в [10]. Следует отметить, что при любом распо- ложении щелей вдоль оси z выражение для взаимной внутренней проводимости , iYμ ν ( )μ ≠ ν включает слагаемые , , ,iLE rnYμ ν , , iLM rnYμ ν обусловленные взаимодействием двух щелей по LE- и LM-волнам. Если области располо- жения щелей вдоль оси z перекрываются хотя бы частично, в выражении для , iYμ ν необходимо учитывать третье слагаемое, которое описы- вает взаимодействие между соседними ще- лями по потенциальному полю на участке 1 .z z z Lν+ ν ν≤ ≤ + В случае, когда ,μ = ν при- веденные выражения описывают внутренние собственные проводимости продольных ще- лей в трехслойном волноводе. Если области расположения щелей вдоль оси z не перекрываются, тогда для решения задачи лучше применять метод последова- тельных приближений [14], в котором исполь- зуются только собственные проводимости и магнитодвижущие силы щелей. 3. Результаты исследования На основе полученного решения была разра- ботана программа расчета характеристик нере- зонансной линейной ВЩР. Исследования прово- дились для линейных решеток с идентичными щелями. Такие решетки представляют собой практический интерес в виду простоты изготов- ления, а также по той причине, что коммутацией возбуждения антенны можно добиться увеличе- ния сектора сканирования вдвое. В расчетах распределение электрического поля вдоль ще- лей аппроксимировалось одним полупериодом синусоидальной функции. Полагалось, что диэ- лектрическая проницаемость слоев, прилегаю- щих к узким стенкам волновода равна 1 3 1,ε = ε = а средний диэлектрический слой с 1ε > располо- жен симметрично. С целью уменьшения уровня дальних боковых лепестков ДН [4] частичное диэлектрическое заполнение волновода выбира- лось таким, чтобы замедление основной волны 10LE в диапазоне частот, соответствующем од- номодовому режиму работы волновода, удов- летворяло условию 1gλ λ > ( gλ – длина волны Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам 219Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 в волноводе). При этом области расположения соседних щелей приблизительно полуволновой длины частично перекрываются вдоль оси z. Важно было выяснить, насколько верно разра- ботанная математическая модель описывает реальные физические процессы. С этой целью была проведена экспериментальная проверка полученных расчетных результатов. Исследовалась линейная ВЩР на базе волновода с размерами 23 10× мм. Диэлект- рическая проницаемость слоя 2 5,ε = его тол- щина 2 1.8a = мм. Замедление основной волны при таком заполнении изменялось от 1 до 1.25 в полосе частот 7.6 11.55f≤ ≤ ГГц. Расстояние zd между соседними щелями одинаковой длины 16.5l = мм выбиралось рав- ным 00.5 10gλ = мм. Длина волны 0 20gλ = мм в волноводе с указанным слоем соответство- вала частоте 0 11.53f = ГГц, на которой щели возбуждаются синфазно. Диапазон частот в расчетных и экспериментальных исследова- ниях был ниже частоты 11.53 ГГц, на которой главный максимум ДН направлен по нормали к решетке. Отметим, что частота 0f находится вблизи критической частоты 2 11.55cf = ГГц волны 11.LE Длина щелей была выбрана таким образом, чтобы при смещении щелей от узких стенок волновода на 0 6x = мм их ре- зонансная частота 9.1pf = ГГц находилась при- близительно в середине рассматриваемого диапазона частот. ДН в H-плоскости линей- ной решетки из 15 щелей на частотах 8.0, 9.2 и 10.4 ГГц показаны на рис. 2. Зависимость угла отклонения максимума ДН mθ от нормали к оси линейной решетки от частоты представлена на рис. 3, где отрица- тельным углам mθ соответствует поворот луча ДН в сторону генератора ( 0).z = Из приведен- ных на рис. 2 и рис. 3 зависимостей видно, что результаты расчета ДН и mθ хорошо согла- суются с экспериментальными данными. Раз- личие между расчетными и эксперименталь- ными ДН по углу поворота находится в преде- лах точночти юстировки решетки, которая составляла примерно 2 .± ° Исследовались также параметры рассея- ния данной решетки – коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) на входе и ко- эффициент ослабления (коэффициент прохож- дения по мощности 2 12 )Γ на выходе. Макси- мальные значения КСВН в выбранном диапа- зоне волн оказались равными 1.28 (экспери- мент) и 1.22 (расчет). Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициента прохождения, предс- тавленных на рис. 4, подтверждают хорошее взаимное соответствие этих частотных зави- симостей. Таким образом, результаты прове- денных исследований подтверждают возмож- ность аппроксимации распределения поля вдоль идентичных продольных щелей, области распо- ложения которых вдоль оси z частично пе- рекрываются, полупериодом функции синуса. Та- кая аппроксимация обеспечивает достоверные расчетные характеристики ВЩР на основе вол- Рис. 2. Диаграммы направленности: расчет(–––) и эксперимент ( ) при f 8= ГГц; расчет (- - -) и эксперимент ( )при f 9.2= ГГц; расчет (- · -) и эксперимент ( ) при f 10.4= ГГц Рис. 3. Частотная зависимость угла поворота главного максимума ДН: расчет(–––) и экспе- римент ( ) А. А. Ляховский, Л. П. Яцук, А. Ф. Ляховский 220 Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 новода со слоем диэлектрика в полосе 13 %± относительно резонансной частоты щели .pf Можно надеяться, что и при других геометри- ческих и электрических параметрах системы разработанная модель обеспечит правильное описание физических процессов в ВЩР рассмат- риваемого типа. Практический интерес представ- ляет исследование коэффициента усиления (КУ) решетки .mG Он учитывает одновременно ха- рактер ДН антенны, ее коэффициент направлен- ного действия (КНД) и коэффициент излучения по мощности :WΣ .m mG D WΣ= Здесь mD – КНД в максимуме ДН ВЩР. Раз- работчиков, как правило, интересует макси- мально возможный КУ антенны при ее мини- мальных габаритах, а также равномерность по- ведения КУ в диапазоне частот сканирования. Это значит, что коэффициент излучения антенны должен стремиться к единице, а КНД должен иметь большое значение. Это противоречивые требования. С одной стороны, щели в составе ВЩР должны быть достаточно сильно излу- чающими, чтобы обеспечить эффективность из- лучения антенны в целом. С другой стороны, чем сильнее излучают щели, тем более спа- дающим становится распределение амплитуд поля на щелях вдоль антенны, что уменьшает эффективную длину антенны и ее КНД. Поэто- му здесь нужен компромисс. Поведение коэффициента излучения по мощ- ности ,WΣ КНД mD и КУ mG линейной решет- ки в диапазоне частот для различного числа щелей хорошо иллюстрируется данными, пред- ставленными на рис. 5, а, б, в соответственно. Видно, что для ВЩР с 7 и 11 щелями даже на резонансной частоте 9.1pf ГГц коэффициент излучения по мощности не достигает значения 1.WΣ = Но при 15, 20, 30N = коэффициент из- лучения уже практически равен 1. Однако КНД на этой частоте значительно уменьшается. Сте- пень уменьшения КНД линейной ВЩР можно оценить, сравнив его с КНД непрерывной линей- ной системы излучателей 0mD такой же элект- рической длины с постоянным амплитудным рас- пределением. На примере ВЩР с 30N = это показано на рис. 5, б. В окрестности резонанс- ной частоты амплитудное распределение (АР) решетки становится быстро спадающим, что приводит к расширению главного лепестка ДН, исчезновению нулевых значений ближних боко- вых лепестков и, как следствие, к уменьшению КНД. Это подтверждает, например, ДН ВЩР с 15N = ( 9.2f = ГГц), представленная на рис. 2. По мере отхода от резонансной частоты КНД растет, значительнее всего при 30.N = Чем короче антенна, тем меньше изменяется в диапазоне частот характер АР и, соответствен- но, КНД (см. рис. 5, б, 11, 7).N = В результате для 15 20N = ÷ КУ ведет себя в рассматри- ваемом диапазоне частот наиболее равно- мерно, приближаясь по уровню к КНД излучаю- щей системы с постоянным АР. Наибольший интерес представляет сравне- ние характеристик сканирующих ВЩР на базе полого волновода и волновода с замедляющей структурой внутри в виде слоя диэлектрика. Характер зависимости mG от частоты опреде- ляется, кроме всего прочего, тем, на какой ча- стоте резонируют одиночные щели, входящие в состав решетки. На рис. 6, а, б представлены результаты расчета энергетических характери- стик WΣ и mG для двух вариантов решеток одинаковой длины: на базе волновода с диэ- лектрическим слоем 2( 10,ε = 2 1a = мм) Рис. 4. Частотные зависимости коэффициентов прохождения линейных ВЩР с разным числом щелей: расчет(–––) и эксперимент ( ) при N 7;= расчет (- - -) и эксперимент ( ) при N 11;= рас- чет (- · -) и эксперимент ( ) при N = 15 Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам 221Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 и полого волновода. Решетка на базе волно- вода с диэлектрическим слоем содержала 36 щелей, а решетка на базе полого волновода – 21. Исследования проводились для двух значений длины щелей: 16.4L = мм и 14.6L = мм. Щели длиной 14.6L = мм резонируют, когда мак- симум ДН направлен по нормали, 10pf = ГГц, а щели длиной 16.4L = мм на частоте 9pf = ГГц. Видно, что поведение WΣ и mG в рассматриваемом диапазоне частот су- щественно зависит от выбора длины щелей. Энергетические параметры решетки на базе волновода с диэлектриком в случае 16.4L = мм ведут себя более равномерно, чем в слу- чае 14.6L = мм. Это значит, что специальным выбором длины щелей можно добиться явного улучшения характеристик сканирующей ан- тенны. Из сравнения кривых на рис. 6 следует, что антенна на базе волновода с диэлектриком имеет явные преимущества перед антенной на базе полого волновода. Рис. 5. Влияние числа щелей на энергетические и на- правленные характеристики линейной ВЩР на базе волновода с диэлектрическим слоем с пара- метрами 2 5,ε = 2a 1.8= мм: ––– – N 30;= – – – – N 20;= - · · - – N 15;= - · - – N 11;= · · · – N 7= Рис. 6. Частотная зависимость коэффициента излучения (а) и КУ (б) линейных ВЩР одинаковой электрической длины: ––– – волновод с диэлект- рическим слоем ( 2 10,ε = 2a 1= мм); - - - – полый волновод А. А. Ляховский, Л. П. Яцук, А. Ф. Ляховский 222 Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 его узким стенкам. В решении учитывается взаимодействие между щелями во внутрен- нем и внешнем пространстве . Внутреннее вза- имодействие учитывает и случай, когда об- ласти расположения соседних щелей вдоль оси волновода частично перекрываются. 2. Расчеты проведены в приближении рас- пределения электрического поля вдоль щелей в виде полупериода синусоидальной функции. Экспериментально подтверждено, что такая аппроксимация поля на идентичных продоль- ных щелях обеспечивает достоверные расчет- ные характеристики ВЩР на основе волновода со слоем диэлектрика в полосе 13 %± относи- тельно резонансной частоты щели. 3. ВЩР на базе волновода с диэлектри- ческим слоем по сравнению с ВЩР на базе полого волновода оказывается более широко- полосной. 4. Для ВЩР с числом щелей 30, 40N = (электрическая длина решетки порядка 10 12÷ длин волн) в случае, когда замедле- ние волны основного типа изменяется в пре- делах 1.6 1.3,g≥ λ λ ≥ выбором длины щелей можно добиться того, чтобы при частотном сканировании максимума ДН в секторе углов от 2− ° до 45− ° КУ антенны изменялся не более чем на 1 дБ. 5. Показано, что выбором диэлектричес- кой проницаемости и толщины диэлектричес- кого слоя, частично заполняющего волновод, можно существенно уменьшить поперечные размеры линейной ВЩР без ухудшения энер- гетических характеристик. Подобные линейные ВЩР могут быть ис- пользованы при создании двумерных решеток с формированием лучей ДН в заданном на- правлении, а также ВЩР с возможностью сканирования в двух плоскостях в широком секторе углов без возникновения интерферен- ционных максимумов высших порядков. Литература 1. Ando M., Hirokawa J., Yamamoto T., Akiyama A., Kimu- ra Y., Goto N. Novel Single-Layer Waveguides for High- Efficiency Millimeter-Wave Arrays // IEEE Trans. Micro- wave Theory Tech. – 1998. – Vol. 46, No. 6. – P. 792-799. 2. Sestroretsky B. V., Prigoda B. A., Ivanov S. A., Drize M. A. Electrodynamic optimization of flat two-input anten- В результате проведенных исследований было выяснено, что для ВЩР с 30, 40N = можно добиться того, чтобы КУ изменялся не более чем на 1 дБ в рассматриваемой полосе частот при отклонении максимума ДН в секто- ре углов от 2− ° до 45− ° (см. рис. 7). При этом КУ отличается от КНД линейной системы с постоянным амплитудным распределением не более чем на 1.5 дБ. Для этого слой диэ- лектрика надо выбирать таким, чтобы замед- ление волны основного типа изменялось в пре- делах 1.6 1.3g≥ λ λ ≥ (области расположения соседних щелей сильно перекрываются). Кроме того, выбором параметров частичного диэлект- рического заполнения, частоты 0 ,f длины ще- лей, их смещения 0x ν полосу частотного скани- рования можно перенести в рабочий диапазон волновода с большим поперечным размером. Например, как видно из рис. 7, ВЩР на базе волновода сечением 23 10× мм со слоем ди- электрика с 2 10,ε = 2 2a = мм и щелями дли- ной 21L = мм работает в частотном диапазоне волновода сечением 35 15× мм. 4. Заключение 1. Решена задача возбуждения системы продольных щелей в прямоугольном волново- де с диэлектрическим слоем, параллельным Рис. 7. Частотная зависимость КУ линейной ВЩР при N 40,= 2 10,ε = 0x 6= мм: ––– – L 21.5= мм, 2a 2= мм; - - - – L 19.5= мм, 2a 1.5= мм; - · - – L = 16.4 мм, 2a 1.5= мм Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам 223Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 nas // Proc. of the 28 Moscow Int. Conf. on Antenna Theory and Technology. – Moscow. –1998. – P. 284-290. 3. Wang W., Zhong Y.-M., Liang X.-L. A Broadband Slotted Ridge Waveguide Antenna Array // IEEE Trans. Antennas Propag. – 2006. – Vol. 54, No. 8. – P. 2416-2420. 4. Яцук Л. П., Ляховский А. Ф., Ляховский А. А. Зако- номерности частотного сканирования в волновод- но-щелевых антеннах с продольным диэлектричес- ким слоем внутри волновода // Вісник Харківсь- кого університету. Радіофізика та електроніка. – 2000. – №467, вип. 1. – С. 27-30. 5. Лось В. Ф., Космодамианская Н. С. Метод расчета амплитудно-фазового распределения поля в раск- рыве волноводно-щелевой решетки с учетом внут- реннего взаимодействия излучателей // Антенны. – 1974. – Вып. 20. – С. 24-32. 6. Ершов Л. И., Кременецкий С. Д., Лось В. Ф. Элект- родинамика взаимовлияния в нерезонансных вол- новодно-щелевых решетках // Изв. вузов. Радио- электроника. – 1978. – Т. 21, №2. – С. 48-54. 7. Бахрах Л. Д., Ершов Л. И., Кременецкий С. Д., Лось В. Ф. Электродинамические факторы взаимной связи при проектировании волноводно-щелевых ре- шеток // ДАН СССР. – 1978. – Т. 243, №3. – C. 314-317. 8. Enneking A., Beyer R., Arndt F. Rigorous analysis of large finite waveguide-fed slot arrays including the mutual internal and external higher-order mode cou- pling // IEEE Antennas and Propagation Society Inter- national Symposium. Digest.– 2000. – Vol. 1. – P. 74-77. 9. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. – М.: Радио и связь, 1988. – 440 с. 10. Яцук Л. П. Потенциальные функции в задаче воз- буждения волновода с трехслойным диэлектриком продольным магнитным током // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и элект- роники НАН Украины. – 2001. – № 2-3. – C. 212-217. 11. Фельд Я. Н., Бененсон Л. С. Антенно-фидерные устройства. Часть 2. – М.: Изд. ВВИА им. Н. Е. Жу- ковского, 1959. – 551 с. 12. Яцук Л. П., Катрич В. А. Учет конечной толщины стенки волновода при расчете параметров кресто- образной щели // Вестник Харьковского универси- тета. Радиофизика и электроника. – 1975. – №138, вып. 4. – С. 52-56. 13. Яцук Л. П. Взаимная проводимость произвольно ориентированных щелей в бесконечном плоском идеально проводящем экране // Радиотехника. – Харьков: ХТУРЭ. – 1997. – Вып. 102. – С. 41-46. 14. Яцук Л. П., Блинова Н. К. Метод последователь- ных приближений расчета характеристик двумер- ной волноводно-щелевой решетки с учетом взаим- ной связи излучателей // Изв. вузов. Радиоэлектро- ника. – 1990. – Т. 33, №1. – С. 18-22. Система поздовжніх щілин у прямокутному хвилеводі з діелектричним шаром, паралельним його вузьким стінкам А. А. Ляховський, Л. П. Яцук, А. Ф. Ляховський Досліджено характеристики нерезонансної лінійної хвилевідно-щілинної решітки, утворе- ної системою поздовжніх щілин у прямокут- ному хвилеводі з діелектричним шаром, пара- лельним його вузьким стінкам. Розглянуто випадок, коли довжина уповільненої хвилі у хвилеводі коротша за довжину хвилі у віль- ному просторі. Експериментально перевірена адекватність розробленої авторами матема- тичної моделі реальним фізичним процесам. Показано, що хвилевідно-щілинна решітка на основі хвилеводу з шаром діелектрика є більш широкополосною, ніж хвилевідно-щілин- на решітка тієї ж електричної довжини на ос- нові порожнистого хвилеводу. The System of Longitudinal Slots in a Rectangular Waveguide with Dielectric Layer Parallel to Its Narrow Walls A. A. Lyakhovsky, L. P. Yatsuk, and A. F. Lyakhovsky Characteristics of non resonance linear slot- ted-waveguide array of a system of longitudinal slots in a rectangular waveguide with a dielectric slab parallel to its narrow walls are investigated. The case is considered when the deceleration wave is shorter than the one in free space. The adequacy to the real physical processes of our mathematical model was checked experimentally. It is shown that a slotted-waveguide array on the basis of a dielectric slab waveguide occurs more broadband than a slotted-waveguide array of the same electrical length and based on a hollow waveguide.

Система продольных щелей в прямоугольном волноводе с диэлектрическим слоем, параллельным его узким стенкам

Репозитарії

Схожі ресурси