РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 59, № 10, с. 979-1002
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.396.67
ПЛАНАРНАЯ ЛИНЗА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ПРЕЛОМЛЕНИЕМ
© 2014 г. С. Е. Банков, М. Д. Дупленкова, Е. В. Фролова
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая 11, стр. 7 E-mail: sbankov@yandex.ru Поступила в редакцию 20.12.2013 г.
Рассмотрена планарная линза миллиметрового диапазона на основе неоднородной среды с принудительным преломлением в виде периодической решетки из металлических лент, расположенных на поверхностях диэлектрической пластины. Исследована возможность построения на ее основе многолучевой приемной антенны для системы радиовидения. Предложена структурная схема антенны, состоящей из планарной линзы и многоканального облучателя. Представлены результаты проектирования планарной линзы на основе неоднородной среды с принудительным преломлением. Исследован многоканальный облучатель в виде решетки планарных E-плоскостных рупоров и результаты его моделирования при помощи приближенной методики и численного решения электродинамической задачи. Приведены конструкция многолучевой антенны и полученные экспериментально характеристики. Рассмотрена возможность компьютерной коррекции диаграмм направленности многолучевой антенны.
DOI: 10.7868/S0033849414090010
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
При техническом освоении миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (ММД и СММД) актуальна задача поиска новых вариантов построения интегральных схем указанных диапазонов. Необходимость решения данной задачи обусловлена тем, что интегральная технология является стандартным средством улучшения группы важных экономических и технологических показателей качества радиоэлектронных устройств. В то же время использование типовых технических решений, сложившихся в более низкочастотных диапазонах (например, в сантиметровом диапазоне), в ММД и СММД оказывается неэффективным вследствие недопустимого роста тепловых потерь в интегральных линиях передачи, таких как микрополосковая, копланарная.
Одним из возможных вариантов решения проблемы тепловых потерь в интегральных схемах ММД и СММД могут быть отказ от применения интегральных волноводов и осуществление пространственных преобразований электромагнитного поля с использованием оптических методов [1]. Указанные преобразования выполняются в этом случае при помощи интегральных (планарных) линз, зеркал, призм, решеток и т.д. Вместе они формируют элементную базу интегральной СВЧ-оптики [2], которую можно рассматривать как новое направление в науке и технике миллиметровых и субмиллиметровых волн.
К устройствам интегральной СВЧ-оптики относятся интегральные квазиоптические антенны, в том числе линзовые антенны. В данной работе рассматривается интегральная линзовая многолучевая антенна (ИЛМА), которая выполняет функцию обзора пространства в секторе углов. Она осуществляет параллельный обзор в одной плоскости путем формирования системы узких лучей. Обсуждаются особенности построения ИЛМА, результаты проектирования ее элементов, а также результаты экспериментального исследования образца ИЛМА в диапазоне длин волн 4—5 мм.
Отметим, что ИЛМА, рассматриваемая в данной работе, в дальнейшем может быть использована в качестве элемента системы радиовидения, в которой она выполняет функцию приемной антенны. В этом случае выходы ИЛМА должны быть соединены с приемниками. В простейшем случае это могут быть детекторные СВЧ-приемники прямого усиления. В более сложных вариантах могут применяться супергетеродинные приемники. Достоинством системы радиовидения является возможность цифрового диаграммообразова-ния, которое осуществляется не на высокой частоте, а в вычислительном блоке путем линейного преобразования сигналов, поступающих с выходов ИЛМА. Поэтому для нас представляет интерес исследование ИЛМА не только как антенны, но и как части системы радиовидения, в которой возможна коррекция характеристик ИЛМА путем компьютерной обработки сигналов.
3
979
Рис. 2. Многоканальный облучатель.
В системе радиовидения должны быть выполнены следующие технические требования: сектор обзора — 60°; ширина луча — 5°...6°;
уровень пересечения лучей — не ниже —6 дБ от максимума диаграммы направленности (ДН);
центральная частота рабочего диапазона — 60.70 ГГц;
относительная ширина рабочего диапазона частот — 5%;
падение коэффициента усиления (КУ) на границе сектора обзора--3 дБ;
максимальный КУ — 30 дБ. Необходимо отметить, что рассматриваемая в работе антенна разрабатывалась в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований. Поэтому приведенные выше технические требования использовались в качестве ориентира при проектировании устройства. При этом основной целью исследования была проверка возможности создания широкоугольных интегральных линз на основе сред с принудительным преломлением.
2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МНОГОЛУЧЕВОЙ антенны
Структурная схема ИЛМА показана на рис. 1. Она состоит из следующих элементов: диэлектрической подложки 1, многоканального облучателя 2 и интегральной линзы 3. Все устройства выполняются методами технологии печатных схем, которые позволяют наносить на поверхности диэлектрической подложки тонкие пленки разного вида. Известно, что в подложке с тонкими пленками могут независимо распространяться волны Е и Н-типов [3]. Волны обоих типов могут использоваться для построения ИЛМА. Они име-
ют достоинства и недостатки. В данной работе исследуется ИЛМА, использующая Н-волны, у которых вектор электрического поля ориентирован в плоскости подложки.
Принцип функционирования ИЛМА поясняется на рис. 1. Рассмотрим возбуждение одного из входов многоканального облучателя 2. Он формирует в плоскости подложки пучок поверхностных волн Н-типа. Этот пучок имеет цилиндрический фазовый фронт, поэтому его энергия расходится от точки возбуждения. Пучок с цилиндрическим фазовым фронтом облучает поверхность интегральной линзы 3, которая преобразует фазовый фронт пучка из цилиндрического в плоский. При этом фазовый фронт пучка на выходе из линзы имеет наклон относительно ее оптической оси, которая на рис. 1 ориентирована горизонтально. Волновой пучок падает на границу диэлектрической подложки 1, преломляется и излучается в свободное пространство. Благодаря достаточно большому электрическому размеру интегральной линзы 3 в свободном пространстве формируется узкий луч, направление которого определяется положением активного канала многоканального облучателя 2.
Применение Н-волн существенно влияет на конструкцию всех элементов ИЛМА. Структура многоканального облучателя показана на рис. 2. Он представляет собой решетку планарных рупоров, расположенных вдоль некоторой линии, ко-
Е Е
Рис. 3. Поперечное сечение ДЩВ.
торую принято называть дугой сканирования [4]. Дуга сканирования определяется из условия минимизации фазовых искажений в апертуре линзы при смещении облучателя из ее фокуса или фокусов, если используется полифокальная линза. Пла-нарный рупор для Н-волн представляет собой расширяющийся двухсторонний щелевой волновод (ДЩВ, см. [5]), который выполняет функцию выходной линии передачи в рассматриваемой ИЛМА. Поперечное сечение ДЩВ показано на рис. 3.
В данной работе решается задача выбора параметров многоканального облучателя, которые обеспечивают оптимальные условия облучения планарной линзы. Эта задача решается при использовании двух подходов. Первый подход основан на применении волноводной модели [6], при помощи которой анализ решетки планарных рупоров сводится к анализу двумерной решетки
Е-плоскостных рупоров. Второй подход основан на численном решении электродинамической задачи, которое осуществляется при помощи системы FEKO [7].
Планарная линза показана на рис. 4. Ее общий вид представлен на рис. 4а, фрагмент — на рис. 4б. Данная линза относится к числу линз с принудительным преломлением [4]. Они имеют ряд достоинств, отличающих их от линз, выполненных из однородных изотропных диэлектриков. К их числу относятся хорошее согласование линзы с окружающим пространством, возможность создания линз с двумя и более фокусами, широкая полоса рабочих частот.
Трехмерные линзы с принудительным преломлением обычно выполняются в виде решетки изолированных волноводов. Такая линза не может быть изготовлена методами интегральной технологии. В работе [8] показано, что диэлектрическая пластина, на поверхности которой нанесены ленточные решетки с электрически малым периодом, имеет свойства, близкие к свойствам двумерной среды с принудительным преломлением, как для Е, так и для Н-волн. Применение таких сред для построения планарных линз впервые было рассмотрено в работе [9], в которой спроектирована и экспериментально исследована простейшая однофокальная линза. В данной работе рассматривается проектирование сложной бифокальной линзы, которая имеет широкий сектор обзора. Поскольку теоретические вопросы по-
w
й
Рис. 4. Интегральная линза на основе неоднородной среды с принудительным преломлением. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 59 № 10 2014
U 14
12
10 -
8
6
4
Рис. 5. Диэлектрическая пластина с ленточными решетками.
строения планарных линз на основе двумерных сред с принудительным преломлением решены в работах [8, 9], то основное внимание уделим разработке конструкции и выбору параметров линзы, удовлетворяющих технологическим ограничениям.
Одним из важных вопросов проектирования ИЛМА является выбор материала подложки, на которой будут сформированы все ее элементы. Следует отметить, что набор материалов, имеющих в ММД приемлемые значения тангенса угла потерь 8, весьма ограничен. Из требования формирования луча шириной 5°—6° следует грубая оценка размеров выходной апертуры ИЛМА, которая приближенно равна 60. Здесь и далее все размеры приводятся в миллиметрах. Полагая, что продольный размер оптической схемы ориентировочно равен 100, можно убедиться, что приемлемый уровень потерь, обусловленных затуханием волн в подложке ИЛМА, достигается при
tg5 < 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.