Ақпайтын толқын антеннасы - Leaky wave antenna - Wikipedia

Толқынсыз антенна (LWA) жалпы классына жатады Толқынды антенна, негізгі сәулелену механизмі ретінде бағыттаушы құрылымдағы қозғалмалы толқынды пайдаланады. Толқынды антенна екі жалпы санатқа бөлінеді, баяу толқын антенналары және жылдам толқынды антенналар, олар әдетте ағып кететін толқын антенналары деп аталады.

Кіріспе

Аққан толқынды антеннадағы қозғалмалы толқын - бұл фаза жылдамдығы жарық жылдамдығынан үлкен жылдамдықты толқын, бұл толқынның түрі ұзындығы бойынша үздіксіз сәулеленеді, демек санның таралуыз фаза мен әлсіреу константасынан тұратын күрделі. Антеннаның осы түрімен ерікті көрсетілген бұрышта жоғары директивті сәулелерге қол жеткізуге болады, бүйір деңгейінің деңгейі төмен. The фазалық тұрақты Толқынның β сәулесі бұрышты басқарады (және бұл жиілікті өзгерте алады), ал әлсіреу тұрақты α сәуленің енін басқарады. Диафрагманың таралуы бүйір деңгей деңгейін немесе сәуленің пішінін бақылау үшін оңай тарыла алады.Сұйық толқынды антенналарды бағыттаушы құрылым түріне байланысты біркелкі және мерзімді екі маңызды санатқа бөлуге болады.

Бірыңғай LWA

Біртекті құрылымда құрылымның ұзындығы бойынша біркелкі (тұрақты) көлденең қимасы бар, әдетте а түрінде болады толқын жүргізушісі радиацияның пайда болуы үшін ішінара ашылған. Біркелкі құрылымдағы бағыттаушы толқын - бұл жылдам толқын, және ол таралғанда сәулеленеді.

Мерзімді LWA

Периодты ағып кететін толқындық антеннаның құрылымы - бұл белгілі бір түрде мезгіл-мезгіл модуляцияланған баяу (сәулеленбейтін) толқынды қолдайтын біртекті құрылымнан тұратын құрылым. Баяу толқын үзіліс кезінде сәулеленетіндіктен, периодты модуляциялар (үзілістер) толқынның құрылым бойымен үздіксіз сәулеленуіне әкеледі. Неғұрлым күрделі көзқарас бойынша периодты модуляция кеңістіктік гармониканың (Floquetmodes) шексіз санынан тұратын басқарылатын толқын жасайды. Негізгі болғанымен (n = 0) кеңістік гармоникасы - бұл баяу толқын, кеңістік гармоникаларының бірі (әдетте n = −1) жылдам толқынға арналған және бұл гармоникалық толқын - бұл сәулеленетін толқын.

Саңылаулы гид

Біртекті ағып кететін толқын антеннаның типтік мысалы - бойлық саңылауы бар ауамен толтырылған тікбұрышты толқын өткізгіш. Бұл қарапайым құрылым барлық біркелкі толқын антенналарына тән негізгі қасиеттерді көрсетеді10 толқын бағыттағыш режимі - жылдам толқын , мұндағы к0 бұл вакуумдық санақ. K сәулесін тудырадыз стационарлық фазалық принципті қолдану арқылы мынаны анықтауға болады:

қайда θм - кең жолдан алынған максималды сәулелену бұрышы (х бағыты), және λ0 жарық жылдамдығы және толқын ұзындығы вакуумда және λж бағыттаушы толқын ұзындығы. Біртекті LWA үшін әдеттегідей, сәулені кең кеңдікте сканерлеу мүмкін емес (θ)м= 0), өйткені бұл сәйкес келеді өшіру жиілігі Сонымен қатар, сәулені отқа жақын сканерлеу мүмкін емес (θ.)м= 90 °, z бағыты), өйткені бұл, ең болмағанда, ауамен толтырылған толқын бағыттағышы үшін жоғары режимдердің таралуы мүмкін жиіліктен жоғары жиілікте жұмыс істеуді қажет етеді. Сканерлеу тек алдыңғы квадрантпен шектеледі (0 <θм<Π / 2), оң z бағытында қозғалатын толқын үшін.

Бұл бір өлшемді (1D) ағып кететін толқындық апертураның таралуы xz жазықтығында (H жазықтығында) тар формаға, ал көлденең жазықтықта кең пішінге ие болатын «жел сәулесінің» пайда болуына әкеледі. «Қарындаш сәулені» осындай 1D радиаторларының массивін қолдану арқылы жасауға болады, баяу толқындық құрылымнан айырмашылығы, α-ның жеткілікті аз мәнін таңдау арқылы кез-келген бұрышта өте тар сәуле жасауға болады. Жартылай қуат нүктелері арасында өлшенген сәуленің ені үшін қарапайым формула (), бұл:

мұндағы L - ағып жатқан толқын антеннасының ұзындығы, ал Δθ радианмен көрсетілген. Сәулеленген қуаттың 90% үшін мынаны қабылдауға болады:

Ағып кету толқындарды бағыттаушы құрылымдағы жырық ұзындығы бойынша пайда болатындықтан, ағып кету жылдамдығы соншалықты үлкен болмайынша, қуаттылық тілімшенің соңына жетпей-ақ ағып кеткен болса, бүкіл ұзындық антеннаның тиімді саңылауын құрайды. әлсіреу тұрақты қысқа тиімді диафрагманы білдіреді, сондықтан сәулеленетін сәуленің ені үлкен болады. Керісінше, физикалық апертура жеткілікті ұзақ болған жағдайда, α-ның төмен мәні ұзақ тиімді диафрагма мен тар сәулеге әкеледі.Қуат ұзындығы бойынша үздіксіз сәулеленетін болғандықтан, геометриясы қатаң біркелкі толқын антеннаның апертуралық өрісі бар экспоненциалды ыдырау (әдетте баяу), сондықтан бүйірлік жүріс-тұрысы нашар болады. Бүйірлік саңылаулардың болуы, негізінен, құрылым z бойымен ақырлы болғандықтан, бағыттаушы құрылымның көлденең қимасының геометриясын z нүктесінде α мәнін өзгерту үшін өзгерткен кезде, алайда β мәні сол кезде болуы ықтимал. нүкте де аздап өзгертілген. Алайда, β өзгертуге болмайтындықтан, геометрияны β мәнін қалпына келтіру үшін одан әрі өзгерту керек, сол арқылы α-ны да біршама өзгерту керек.

2-сурет: дисперсия қисықтары (нормаланған фазалық тұрақты немесе тиімді сыну көрсеткіші)

Іс жүзінде бұл қиындық екі сатылы процесті қажет етуі мүмкін. Тәжірибе α тұрақты мәнін сақтай отырып, ұзындығы бойынша баяу түрде өзгертеді (яғни максималды сәулелену бұрышы), сөйтіп A (z) диафрагманың таралу амплитудасын қажет етіп алу керек Біз біркелкі ағып жатқан антенналарды ауамен толтырылған және ішінара диэлектрикпен толтырылған деп бөле аламыз. Бірінші жағдайда, көлденең толқын санынан бастап kт Бұл жиіліктегі тұрақты болса, сәуленің ені дәл константа болады, өйткені сәулені жиілікті өзгерту арқылы сканерлейді. Шын мәнінде, бастап:


қайда:

жиіліктен тәуелсіз (λв толқын ұзындығы). Керісінше, бағыттаушы құрылым ішінара диэлектрикпен толтырылған кезде, көлденең толқын сан kт бұл жиіліктің функциясы, сондықтан сәуле жиілігі сканерленген кезде Δθ өзгереді. Екінші жағынан, жиіліктің сезімталдығына қатысты, яғни жиіліктің өзгеруіне байланысты сәуленің бұрышы қаншалықты тез сканерленеді, ішінара диэлектрикпен жүктелген құрылым бірдей жиіліктің өзгеруіне бұрыштардың үлкен диапазонында сканерлей алады, өйткені бұл 2-сурет, сондықтан оған артықшылық беріледі.

Диэлектрикалық емес радиациялық толқындар (NRD)

3-сурет: Радиациялық емес диэлектрлік нұсқаулық
4-сурет: асимметриялы радиациялық емес диэлектрлік нұсқаулық


Миллиметрлік толқын ұзындығындағы талаптарға жауап ретінде жаңа антенналар негізінен шығыны аз толқын бағыттағыштарына негізделген. Сәулеленудің мүмкін болатын механизмдерінің бірі - бүйірді алдын-ала қысқарту. Мысалға қарастырайық Диэлектрикалық емес радиациялық толқындар (NRD).

Металл плиталар арасындағы а арақашықтық λ аз0/ 2, сондықтан симметрияны сақтайтын барлық түйісулер мен үзілістер (сонымен қатар қисықтар) радиациялық мазмұнға емес, тек реактивті болады. NRD нұсқаулығындағы тік металл плиталар жеткілікті ұзын болған кезде, үстемдік режим өрісі толығымен байланған, өйткені ол жоғарғы және төменгі ашық ұштарға жеткенде шамалы мәндерге дейін ыдырады, егер плиталардың жоғарғы бөлігі алдын-ала қысқартылған болса, 3-суретте ақырғы амплитуданың жылжымалы-толқындық өрісі жоғарғы ашық ұшында болады, ал егер NRD бағыттағыш режимі жылдам болса (ол жиілікке байланысты жылдам немесе баяу болуы мүмкін), қуат осы ашық ұшынан бұрыш.

Тағы бір мүмкін механизм - бұл асимметрия. 4-суретте бейнеленген асимметриялық NRD-бағыттаушы антеннасында құрылым алдымен металл қабырғасымен көлденеңінен екіге бөлінеді, тек бір шетінен сәулеленуді қамтамасыз етеді; электр өрісі осы орта жазықтықта тек тік болғандықтан, өріс құрылымы екіге бөлінуден өзгермейді, содан кейін диэлектрлік аймаққа ассиметрия алу үшін ауа алқабы енгізіледі, нәтижесінде таза көлденең электр өрісі аз мөлшерде пайда болады, параллельді ауа аймағында режим жасайды, ол а TEM режимі параллель тақталар арасындағы бұрышта ол ашық ұшына жеткенше және ағып кеткенге дейін таралады.Параллель тақталарды бастапқы режимнің тік электр өрісі компоненті болатындай етіп ауа аймағында жеткілікті ұзақ ұстау қажет ( параллельді табақша бағыттағышы төмендегі ТМ арқылы1 режим) ашық мәнде елеусіз мәндерге дейін ыдырады. Сонда TEM режимі, көлденең электр өрісімен, антенна саңылауында қалған жалғыз өріс болып табылады, ал өрістің поляризациясы содан кейін мәні бойынша таза болады (ашық ұшындағы үзіліс ешқандай поляризацияланған өріс компоненттерін енгізбейді).

Ойық нұсқаулығы

5-сурет: ойыққа арналған нұсқаулық
6-сурет: TE20 режимінен толық ойық бағыттағышта, сол жақта, оң жақта L-тәрізді антенна құрылымына өтуді көрсететін эскиздер. Ауыстыру өрістің таралуын бұзбайтын екі рет бөлінуді қамтиды. Көрсеткілер электр өрісінің бағыттарын білдіреді.
8 сурет: құрылым симметриясының нормаланған таралу сипаттамаларына әсері
9-сурет: стуб енінің қалыпқа келтірілген фаза мен әлсіреу тұрақтылығының әсері
Сурет 7: Groove бағыттаушысының көлденең эквивалентті желісі

Шұңқыр бағыттағышы (5-суретте көрсетілген) - бұл NRD бағыттаушысына ұқсас, миллиметрлік толқындар үшін аз шығынды ашық бағыттаушы: диэлектрлік орталық аймақ ені үлкен ауа аймағына ауыстырылады (λ-ден жоғары)0/ 2). Өріс ені анағұрлым төмен және төмен аймақтарда қайтадан экспоненталық түрде ыдырайды. Ағынды толқын антеннасы алдымен ойық бағыттаушысын көлденеңінен екіге бөлу арқылы жасалады. Ол сондай-ақ стубпен толтырылған тікбұрышты толқын өткізгішке ұқсайды.

Стуб центрден тыс болған кезде алынған асимметриялық құрылым сәулеленіп, жылжу ұлғайған кезде α әлсіреу константасы өседі және сәуленің ені де артады. Стубты бір аяғына дейін орналастырған кезде, L-тәрізді құрылым өте күшті сәулеленеді.

Сонымен қатар, ub мәні стуб қозғалған кезде өте аз өзгеретіні және α өте үлкен диапазонда өзгеретіні анықталды. Бұл функция бүйірлік саңылауларды басқару үшін антеннаның саңылауын тарылтуға мүмкіндік береді, ал L тәрізді құрылымның қатты ағып кетуі басқа ағып кету механизмімен байланысты болуы мүмкін: ағып жатқан жоғары режимдерді қолдану. Атап айтқанда, ойық бағыттағыштың барлық жоғары режимдерінің аққандығы анықталуы мүмкін.

Мысалы, бірінші жоғары антисимметриялық режимді қарастырайық. Құрылымның симметриясына және электр өрісі сызықтарының бағыттарына байланысты құрылымды екі-екіге бөліп, 6-суретте көрсетілгендей L-тәрізді етіп алуға болады.

Антеннаны T-түйіспелі желіге негізделген көлденең эквивалентті желіні қолдана отырып талдауға болады, желілік элементтерге арналған өрнектер қарапайым жабық түрде алуға болады, бірақ өте дәл, нәтижесінде пайда болған схема 7-суретте көрсетілген.

Әдетте, стуб тар болса, ұзындығы тек толқын ұзындығының жартысына дейін немесе одан аз болуы керек.

Баспа схемаларының техникасын пайдалану үшін алдыңғы құрылымның баспа схемасының нұсқасы жасалды. Осылайша, өндіріс процесі фотолитографияны қолдануы мүмкін және бүйірлік шкафты басқаруға арналған конустық конструкция өндіріс кезінде автоматты түрде өңделуі мүмкін.

Құрылым 8-суреттегі кірісте бейнеленген. Антеннаның жаңа құрылымы үшін көлденең эквивалентті желі алдыңғыдан гөрі күрделірек, ал диэлектрлік ортаны ескеру үшін желі элементтеріне арналған өрнектер тиісті түрде өзгертілуі керек. трансформатордың үстінде қосымша сезімталдық пайда болады.

Стуб пен негізгі бағыттағыштар енді бір-біріне ұқсамайды, сондықтан олардың ауытқулары мен сипаттамалары да әр түрлі, тағы да α ұяшығының орналасуын d өзгерту арқылы өзгертуге болады, өйткені бұл 8-суретте көрініп тұр. '9-суретте көрсетілгендей, осы мақсат үшін өзгеретін жақсы параметр болып табылады.


Қадамдық гид (жотасы)

10-сурет: сатылы нұсқаулық


Алдыңғы құрылымдардың қызықты нұсқасы жасалды және талданды, ол тікбұрышты толқын өткізгішке емес, жотаның немесе баспалдақтың бағыттауышына негізделген, тікбұрышты толқын өткізгішке негізделген құрылымдарда асимметрияға стуб бағыттаушысын орналастыру немесе бойлық бағытты анықтау арқылы қол жеткізілді. ұяшық, жоғарғы жағында центрден тыс.

11-сурет: Ridge немесе Stepped гидтің көлденең эквивалентті желісі

Мұнда үстіңгі беті симметриялы, ал асимметрия суретте көрсетілгендей, негізгі бағыттаушы бөліктің астында екі жағында бірдей емес ұзындықтың болуы арқылы жасалады. Көлденең эквивалентті желілер, желілік элементтерге байланысты өрнектермен бірге бейімделді. Эквивалентті схема 11-суретте көрсетілген, антеннаның әрекетін талдау бұл геометрия максималды сәулелену бұрышын тәуелсіз басқаруға тиімді мүмкіндік беретіндігін көрсетеді.м және ені Δθ.Екі геометриялық параметрді анықтайық: қолдың салыстырмалы орташа ұзындығы bm / a мұндағы bm = (bл+ bр) / 2, ал салыстырмалы теңгерімсіздік Δb / bм мұндағы Δb = (bл+ bр) / 2 .10-сурет: Қадамдық нұсқаулық, содан кейін b мәнін өзгерту арқылы шығадым/ a β / k мәнін реттей алады0 α / k өзгертпестен0 көп, және бұл Δb / b өзгерту арқылым α / к өзгеруі мүмкін0 range / k әсер етпестен үлкен диапазонда0 көп.

Бүйір деңгейінің деңгейін бақылауға арналған конустық дизайн тек Δb / b салыстырмалы тепе-теңсіздігін ғана қамтидым.Көлденең эквивалентті желі толқын бағыттағышының биіктігінің екі қосымша өзгеруінің болуымен аздап қиындатылған, оларды шунт қабылдағыштар мен идеалды трансформаторлар көмегімен модельдеуге болады. Сканерлеу массивтері сканерлеуге екі өлшемді қол жетімді сызықтық-антенналық толқындық антенналардың бір өлшемді фазалық массивін құру арқылы қол жеткізеді. Жеке сызық көздері жиіліктің өзгеруі арқылы биіктікте сканерленеді, көлденең жазықтықта сканерлеу, демек, азимутта, сызықтық көздердің бір өлшемді массивінің беріліс құрылымында орналасқан фазалық ауыстырғыштар арқылы өндіріледі. қарындаш-сәуле түрінде және биіктікте де, азимутта да конустық-сканерлеу әдісімен сканерлейді.Желілік көздердің арасы тор торлары болмайтындай етіп таңдалады және дәл талдау еш жерде соқыр дақтар пайда болмайтынын көрсетеді. барлық өзара байланыс әсерін ескеретін бірлік-ұяшық тәсілімен дәл талданады.Әрбір ұяшық жеке сызықтық-антеннаны қосады, бірақ басқалардың барлығында. Бөлім ұяшығындағы сәулеленетін аяқталу көлденең эквивалентті желіні өзгертеді. Массивті талдаудың басты жаңа ерекшелігі - сканерлеу бұрышының функциясы ретінде екі өлшемді ортада бірлік ұяшықтың белсенді адмиссиясын анықтау. β және α мәндері фазалық ауысумен өзгермеген, сканерлеу дәл конустық болады, бірақ конустық сканерден ауытқу шамалы болатындықтан, бұл шамалардың шамалы ғана өзгеретіні анықталды. Соқыр дақтар жиым сәулелене алмайтын немесе қуат ала алмайтын бұрыштарды білдіреді; егер соқыр нүкте қандай да бір бұрышта пайда болса, онда α мәні сол сканерлеу бұрышында жылдамдықпен нөлге ауысар еді, соқыр дақтарды тексеру үшін α / k қисықтарындағы кез-келген шұңқырларды іздейтін едік0 сканерлеу бұрышының функциясы ретінде. Мұндай шұңқырлар ешқашан табылған жоқ, бұл типтік мәліметтер α / k үшін өте тегіс мінез-құлықты көрсетеді0 қисықтар нөлге тез төмендегенше, олар конус тәрізді сканерлеу диапазонының соңына жетеді, сонда сәуле жерге соғады.

Әдебиеттер тізімі

  • Х.Вальтер, Толқынды антенналар, McGraw-Hill, 1965, Dover, 1970, Peninsula Publishing баспасында қайта басылған, Los Altos, Калифорния, 1990.
  • Маркувиц, Waveguide анықтамалығы, McGraw-Hill, 1951, қайта басылған Питер Перегринус ЛТД, Лондон, 1986 ж.
  • Шевченко, В. Ашық толқын бағыттағыштағы үздіксіз ауысулар: теорияға кіріспе, Russian Edition, Мәскеу, 1969, Golem Press, Боулдер, Колорадо 1971 ж.
  • Т. Роззи және М. Монгиардо, Электромагниттік толқындар нұсқаулығын ашыңыз, Электр инженерлері институты (IEE), Лондон, 1997 ж.
  • М. Дж. Абловиц және А. С. Фокас, Кешенді айнымалылар: Кіріспе және қосымшалар, екінші басылым, Кембридж университетінің баспасы, 2003 ж.
  • A. A. Oliner (негізгі тергеуші), Сканерленетін миллиметрлік толқындық массивтер, RADC келісім-шарты туралы қорытынды есеп, № F19628-84-K-0025, Политехникалық университет, Нью-Йорк, 1988 ж.
  • A. A. Oliner, Периодты сәулеленетін құрылымдар: k-ге қарсы диаграмма тұрғысынан талдау, микротолқынды өріс және желілік әдістер бойынша қысқаша курс, Бруклин политехникалық институты, Нью-Йорк, 1963 ж.
  • A. A. Oliner (негізгі тергеуші), Миллиметрлік толқындар үшін лақтырылған-элементті және ақпайтын толқындық антенналар, RADC келісімшартының қорытынды есебі № F19628-81-K-0044, Нью-Йорк политехникалық институты, 1984 ж.
  • Ф. Дж.Цукер, «Беттік және ақпайтын толқын антенналары», Антенна инженерлік анықтамалығының 16-тарауы, Х.Дж. Джасик, редактор, McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1961 ж.
  • А.А.Олинер және Т.Тамир, «Жетекші күрделі толқын, I бөлім: интерфейстегі өріс», Proc. IEE, т. 110, 310-324 бб, 1963 ж. Ақпан.
  • А.А.Олинер және Т.Тамир, «Жетекші кешенді толқын, II бөлім: сәулелену заңдылығымен байланыс», Proc. IEE, т. 110, 325-334 б., 1963 ж. Ақпан.
  • A. A. Oliner, Leaky-Wave Antennas, «Antenna Engineering Handbook-тің 10-тарауы, R. C. Джонсон, редактор, 3-ші басылым, McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1993, 59 бет.
  • А.Гессель, «Қозғалмалы-толқындық антенналардың жалпы сипаттамасы», Антенна теориясының 19-тарауы, Р.Э.Коллин және Ф.Дж.Цукер, Редакторлар, МакГрав-Хилл, Нью-Йорк, 1969, 151-257 бб.
  • Ф. Дж.Цукер, «Жер бетіндегі толқындық антенналар», Антенна теориясының 21-тарауы, Р.Э. Коллин және Ф. Дж. Цукер, Редакторлар, МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1969, 298–348 бб.
  • Ф.Шверинг және С.Т. Пенг, Милиметрлік толқынды қолдану үшін мерзімді гофрленген диэлектрлік антенналарды жобалау, Бруклин политехникалық институты, Нью-Йорк, 1983, 22 бет.
  • С.Т.Пенг және А.А.Олинер, «Ашық диэлектрлік толқын бағыттағыштар класының басшылық және ағып кету қасиеттері: І бөлім - Математикалық формулалар», IEEE транзакциялары, микротолқындылар теориясы мен әдістері, т. МТТ-29, қыркүйек 1981 ж., 843- 855 бб.
  • AA Oliner, ST Peng, TI Hsu, and A. Sanchez, Ашық диэлектрлік толқын бағыттағыштарының жетекшілік және ағып кету қасиеттері: II бөлім - Жаңа физикалық эффекттер, «IEEE транзакциялары микротолқынды теория мен әдістерге, том. MTT-29, қыркүйек 1981, 855–869 бб.
  • A. A. Oliner және R. G. Malech, «Шексіз сканерлеу массивтеріндегі өзара байланыс», 3-тарау Микротолқынды сканерлеу антенналары, т. II, R. C. Hansen, редактор, академик, Нью-Йорк, 1966 ж.
  • Ф.Монтикон және А.Алю, «Толқындық толқындар теориясы, әдістері және қолданылуы: микротолқындыдан көрінетін жиілікке дейін», IEEE еңбектері, т. 103, № 5, 793-821 б., 26 мамыр 2015 ж. Doi: 10.1109 / JPROC.2015.2399419
  • М.Поведа-Гарсия, Дж.Олива-Санчес, Р.Санчес-Иборра, Д.Канете-Ребенак, Дж.Л.Гомес-Торнеро, «Жиіліктің сканерленген сәулеленуін пайдаланып, үнемді сымсыз сенсорлық желілер үшін динамикалық сымсыз қуат беру». IEEE Access, 7, 8081–8094. doi: 10.1109 / ACCESS.2018.2886448