Частотное сканирование антенны вытекающей волны на прямоугольном волноводе, заполненном диэлектриком

В. И. Калиничев¹, А. А. Бабаскин²

¹ ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН

² RF Mtech, Сеул, Юж. Корея

 

Статья поступила в редакцию 26 июля 2016 г.

 

Аннотация. Рассмотрена антенна вытекающей волны на основе прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком, с парными поперечными щелями  в широкой стенке. С помощью предложенного ранее метода рассчитана комплексная постоянная распространения и дисперсионная характеристика вытекающей волны в режиме собственных мод. Анализируется излучение  -1 пространственной гармоники, для которой имеют место режимы обратного и прямого излучения. Соответствующие углы излучения имеют отрицательные и положительные значения относительно нормали к широкой стенке волновода. Показано, что в режиме обратного излучения волна медленнее вытекает в сравнении с режимом прямого излучения. На основе метода конечных элементов разработана модель  возбуждения волноводно-щелевой антенны конечной длины с эквидистантно расположенными парами поперечных щелей. Используя эту модель, рассчитаны элементы матрицы рассеяния и диаграммы излучения на разных частотах в заданной полосе частот. Рассмотрены два значения диэлектрической проницаемости материала, заполняющего волновод. Показано, что в случае большего значения  диэлектрической проницаемости ε=9 антенна может обеспечить сканирование луча в секторе углов от – 48 до +28 градусов относительно нормали к широкой стенке волновода на частотах от 8.5 до 10.5ГГц. Для меньшего значения диэлектрической проницаемости ε=2.25 сектор углов сканирования составляет от -18 до +13 градусов в том же диапазоне частот. Углы излучения волноводно-щелевой антенны, полученные в задаче возбуждения, в точности согласуются с направлениями излучения, определенными из дисперсионной характеристики.

Ключевые слова: антенна вытекающей волны,  волновод с диэлектриком, парные поперечные щели, частотное сканирование.

Abstract. А leaky wave antenna on the base of a rectangular dielectric-filled waveguide with double transverse slots in the broad wall is considered. Using the earlier proposed method for open radiating periodic structures one can compute the complex propagation constant and the dispersion characteristic of the leaky wave within the eigen modes model. The radiation of -1 space harmonic is analyzed, for which backward and forward radiation regimes take place. These regimes are separated in frequency by a narrow stop band within which the wave stops to propagate. The corresponding radiation angles take negative and positive values relative to the normal to the broad wall. The computed Q values for the considered structure show that the leakage rate in the backward radiation regime is lower than in the forward radiation regime. The presented E field magnitude distributions for the leaky wave inside the unit cell of the slotted periodic waveguide clearly demonstrate different radiation regimes. Besides, the FEM-based driven mode model of a finite length slotted waveguide antenna with equally spaced pairs of transverse slots is developed. Using this model it is possible to compute the S-parameters and radiation patterns at different frequencies in the band of interest. Two values of the dielectric permittivity of the filling material were considered. It is shown that for the larger value of the dielectric permittivity ε=9 the antenna can provide the scan range from -48 to +28 degrees relative to the normal to the broad wall at the frequencies from 8.5 to 10.5 GHz. For the lower value of the dielectric permittivity ε=2.25 the antenna scans in the range from -18 to +13 degrees at the same frequencies. The main beam radiation angles for the slotted waveguide antenna obtained in the driven mode solution agree perfectly with the directions of radiation determined from the dispersion diagram.

Key words. Leaky wave antenna, dielectric-filled waveguide, double transverse slots, frequency scanning.