Планарный излучатель

Изобретение относится к антенной технике микроволнового диапазона и может быть использовано в зондирующих устройствах диагностического оборудования, в возбудителях квазиоптических линий передач миллиметрового диапазона и предназначено для формирования локализованного излучения в виде волновых пучков гауссова типа, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн. Технический результат изобретения - возможность получения излучения одномерного гауссова пучка с требуемыми шириной пучка и фазовым распределением поля в пучке, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн от апертуры излучателя. В планарном излучателе, состоящем из возбуждающего диэлектрического волновода и диэлектрического плоского клина, торец которого является апертурой излучателя, клин соединен со стороны его вершины с возбуждающим его одномодовым диэлектрическим волноводом с поляризацией электрического поля вдоль широкой стороны его прямоугольного сечения, причем угол при вершине клина должен быть не более пятнадцати градусов, толщина клина b равна узкой стороне сечения возбуждающего волновода, а формат поперечного сечения клина Ф на торце клина и минимальный формат сечения клина на торце излучателя выбирается из математических выражений. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике микроволнового диапазона и может быть использовано в зондирующих устройствах диагностического оборудования, в возбудителях квазиоптических линий передач миллиметрового диапазона и предназначено для формирования локализованного излучения в виде волновых пучков гауссова типа, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн.

Известны стержневые излучатели в виде торца регулярного или слабонерегулярного одномодового диэлектрического волновода (ДВ) [1].

Недостатком таких излучателей является формирование излучения в виде сильнорасходящегося пучка (пучковые свойства излучения сохраняются на расстояниях не более (2-3) длин волн от торца излучателя).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является планарный излучатель, выбранный за прототип, состоящий из возбуждающего диэлектрического планарного волновода и присоединенного к нему своим основанием плоского клина, вершина (торец) которого является апертурой излучателя [2].

Недостатками излучателя являются сохранение пучковых свойств одномерного расходящегося пучка на расстояниях в единицы длин волн от торца (вершины) клина и ограниченные возможности формирования пучка требуемой ширины, так же как и для случая торца регулярного ДВ, в связи с одномодовым режимом волн на торце клина.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность получения излучения одномерного гауссова пучка с требуемыми шириной пучка и фазовым распределением поля в пучке, сохраняющего пучковые свойства на расстояниях до десятков длин волн от апертуры излучателя.

Технический результат достигается тем, что в планарном излучателе, состоящем из возбуждающего диэлектрического волновода и диэлектрического плоского клина, торец которого является апертурой излучателя, клин соединен со стороны его вершины с возбуждающим его одномодовым диэлектрическим волноводом с поляризацией электрического поля вдоль широкой стороны его прямоугольного сечения, причем угол при вершине клина должен быть не более пятнадцати градусов, толщина клина b равна узкой стороне сечения возбуждающего волновода, а формат поперечного сечения клина Ф на торце клина выбирается в зависимости от требуемой ширины d₀ излучаемого волнового пучка на торце клина из соотношения

где λ - длина волны излучения и ε - относительная диэлектрическая проницаемость клина, которая должна быть в пределах от 2,0 до 2,5, при этом минимальный формат сечения клина на торце излучателя выбирается из условия

а профиль формата клина от вершины до торца выполнен линейным.

Клин от его торца продолжен пластиной с постоянным форматом сечения, равным формату сечения клина на его торце, выполненной из того же материала, что и клин, а длина пластины выбирается из условия обеспечения сдвига фаз возбужденных в клине и распространяющихся в пластине волн высшего типа Н₃₀ относительно волны основного типа Н₁₀, кратного четверти длины волны биений между указанными типами волн.

На торце пластины находится планарная линза с форматом основания линзы, равным формату пластины, и выполненная из того же материала, что и пластина.

На фиг.1 представлен планарный излучатель.

На фиг.2 представлен планарный излучатель, клин которого продолжает пластина.

На фиг.3 представлен планарный излучатель, на торце пластины которого находится планарная линза.

На фиг.1 показан планарный излучатель, состоящий из возбуждающего одномодового диэлектрического волновода 1 прямоугольного сечения (а×b), плавно переходящий в сечении I в клин 2 с углом при вершине α≤15°, торец которого является апертурой излучателя. Поляризация электрического поля Е основного типа волн волновода 1 направлена вдоль широкой стороны а сечения волновода 1 и сохраняется в клине 2 вдоль широкой стороны a(z) сечения клина. Толщина клина 2 постоянна и равна узкой стороне b поперечного сечения волновода 1. Широкая сторона a(z) поперечного сечения клина 2 увеличивается по линейному закону.

Формат поперечного сечения клина на его торце Ф=a₁/b (сечение II), а следовательно, и длина клина L₁ выбирается в зависимости от требуемой ширины волнового пучка d₀ на торце клина по соотношению:

Клин 2 выполнен из того же материала, что и волновод 1 с относительной диэлектрической проницаемостью ε в пределах от 2,0 до 2,5.

На фиг.2 изображен планарный излучатель, содержащий, наряду с возбуждающим волноводом 1 и клином 2, присоединенную к торцу клина в сечении II пластину 3 с форматом поперечного сечения, равным формату сечения клина на торце Ф=а₁/b, и длиной L₂, выбираемой из приведенного выше условия обеспечения необходимого сдвига фаз возбужденных в клине 2 типов волн. Пластина 3 выполнена из того же материала, что и клин 2.

На фиг.3 изображен планарный излучатель, содержащий возбуждающий волновод 1, клин 2, пластину 3 и присоединенную к торцу пластины в сечении III планарную линзу 4 с форматом поперечного сечения основания линзы (сечение III), равным формату поперечного сечения пластины Ф-a₁/b. Линза 4 выполнена из того же материала, что и пластина 3.

Планарный излучатель работает следующим образом:

Основная волна НЕ₁₁ диэлектрического волновода 1 (фиг.1) возбуждает в клине 2 основную волну Н₁₀ планарного волновода с компонентами поля: E_y, H_x, H_z. Эффективность возбуждения волн Н₁₀ определяется близостью распределения поля E_y основной волны НЕ₁₁ возбуждающего волновода 1 полю волны Н₁₀ в клиновидном участке излучателя.

Потери энергии, связанные с излучением на нерегулярности волноведущей структуры (сечение I), экспериментально минимизированы за счет выбора угла α, который не должен превышать 15°.

По мере распространения волны Н₁₀ вдоль клина при превышении формата поперечного сечения клина критических значений, соответствующих условию возбуждения высших типов волн H_n0 (n=3, 5, 7, …), волна Н₁₀ частично трансформируется в указанные волны.

В соответствии с теорией нерегулярных открытых волноводов с медленно меняющимися параметрами и методом поперечных сечений [3], поле в произвольном сечении неоднородного участка волноведущей структуры можно представлять в виде поля волновода сравнения - однородного волновода с постоянными параметрами, равными параметрам неоднородного участка в данном сечении. Вычисление дисперсионных зависимостей замедления волн типа H_n0 от формата сечения волновода позволяет определять критические форматы Ф_кр для высших типов волн H_n0.

Так, при λ=3 мм, ε=2,25, b=1 мм критические форматы волн Н₃₀ и Н₅₀ Ф_крН30=4,3 и Ф_крН50=7,9.

Таким образом, при форматах сечения Ф от 4,3 до 7,9 в клине распространяются волны Н₁₀ и Н₃₀, при Ф>7,9 - волны Н₁₀, Н₃₀, Н₅₀ и т.д. Расчеты показывают, что амплитудное распределение даже двух волн Н₁₀ и Н₃₀ практически совпадает с гауссовым.

А высшие типы волн Н₅₀, Н₇₀ и т.д. можно не учитывать в силу малости их амплитуд.

Экспериментально определена зависимость ширины излучаемого волнового пучка d₀ (по уровню 1/е, где е=2,71828..) на торце клина от его формата, что позволило получить расчетное соотношение для выбора формата торца клина Ф=а₁/b в зависимости от требуемой ширины пучка d₀

для ε в пределах от 2,0 до 2,5.

При этом определено условие минимально возможного формата, при котором формируется практически гауссов пучок за счет интерференции волн Н₁₀ и Н₃₀ в клине.

Распределение поля по другой координате (координате х) при всех форматах соответствует полю одноволнового режима Н₁₀ в связи с выбором толщины клина, равной толщине одномодового возбуждающего волновода, поэтому излучаемый пучок имеет амплитудное гауссово распределение по координате у и амплитудное распределение по координате х, близкое к распределению волн Н₁₀.

При введении на торец клина пластины 3 постоянного формата (фиг.2), равного формату торца клина, суммарные амплитуда и фаза сформированных на торце клина волн Н₁₀ и Н₃₀ по мере движения вдоль пластины будут изменяться за счет их связи и интерференции. Фазовый набег Δφ интерферирующих мод на участке пластины длиной L₂ определяется по соотношению

где ΔU - разность коэффициентов замедления возбужденных в клине волн.

Выбор длины L₂ производится по соотношению (1) при условии обеспечения , где n=0, 1, 2, …

При n=0, 2, 4,.. обеспечивается излучение синфазного гауссова пучка, при n=1, 5,.. - расходящегося пучка, при n=3, 7,.. - сходящегося пучка.

Введение пластины, кроме того, привносит дополнительное качество - рассеянное дифракционное излучение на кромках торца клина сечения II и на кромках торца пластины сечения III (фиг.2) меньше, чем дифракционное рассеяние на кромках торца клина сечения II (фиг.1).

Введение на торец пластины планарной линзы 4 (фиг.3) обеспечивает дополнительную коррекцию ширины и фазового распределения излучаемого пучка.

Были изготовлены и экспериментально проверены образцы планарного излучателя нескольких типоразмеров в виде клина с углом при вершине α=12° с форматом сечения на торце клина Ф₁=5, Ф₂=7 и Ф₃=20 и образец излучателя с пластиной форматом Ф=20 и длиной L₂=18,7 мм. Образцы излучателя изготовлены из полиэтилена (ε=2,25), длина волны равна 3 мм, сечение возбуждающего волновода а=2,0 мм, b=1,0 мм.

Для всех рассмотренных образцов амплитудное распределение излучения практически совпадает с гауссовым в пределах ширины пучка.

Экспериментальные значения ширины пучка отличаются от расчетных не более чем на 5%.

Излучатель в виде клина с форматом меньше допустимого (Ф₁=5) формирует на апертуре расходящийся пучок, сохраняющий пучковые свойства на расстояниях от апертуры менее 10λ, излучатель с форматом Ф₂=7 формирует синфазный пучок и сохраняет свойства на расстояниях больше 10λ, излучатель с Ф₃=20 формирует слаборасходящийся пучок, введение пластины выбранной длины обеспечивает сходящийся пучок, сохраняющий свои свойства на расстояниях от апертуры до 30λ.

Литература

1. Орехов Ю.И. Открытые волноводные и резонансные КВЧ устройства бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов в многокомпонентных средах: автореферат дисс. докт. техн. наук: 05.12.04 - М.; МЭИ, 2007, 40 с.

2. Whitman Gerald M., Pinthong Chairat, Triolo Anthony A., Schwering Felix K. An approximate but accurate analysis of the dielectric wedge antenna fed by a slab waveguide using the local mode theory and schelkunoff equivalence principle. IEEE Trans. Antennas and Propag. 2006. 54, №4, p.1111-1121.

3. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. - М.: Изд. АИ СССР, 1961.

1. Планарный излучатель, состоящий из возбуждающего диэлектрического волновода и диэлектрического плоского клина, торец которого является апертурой излучателя, отличающийся тем, что клин соединен со стороны его вершины с возбуждающим его одномодовым диэлектрическим волноводом с поляризацией электрического поля вдоль широкой стороны его прямоугольного сечения, причем угол при вершине клина должен быть не более пятнадцати градусов, толщина клина b равна узкой стороне сечения возбуждающего волновода, а формат поперечного сечения клина Ф=а₁/b на торце излучателя выбирается в зависимости от требуемой ширины излучаемого волнового пучка d₀ на торце клина из соотношения

где λ - длина волны излучения и ε - относительная диэлектрическая проницаемость клина, которая должна быть в пределах от 2,0 до 2,5, при этом минимальный формат сечения клина на торце излучателя выбирается из условия , а профиль формата клина от вершины до торца может быть любым плавным, например, линейным.

2. Планарный излучатель по п.1, отличающийся тем, что клин от его торца продолжен пластиной, выполненной из того же материала, что и клин, с форматом, равным формату клина на его торце, а длина пластины выбирается из условия обеспечения сдвига фаз возбуждаемых в клине высших типов волн относительно фазы основной волны, кратного четверти длины волны биений между интерферирующими возбужденными типами волн.

3. Планарный излучатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на торце пластины находится планарная линза с форматом основания линзы, равным формату пластины, и выполненная из того же материала, что и пластина.