В качестве излучателей фазированных антенных решеток (ФАР) используются прямоугольные и круглые волноводы [1]. Представляют интерес решетки из открытых концов коаксиальных волноводов, возбуждаемых волной . Такие волноводы, обладая достаточно высокой рабочей мощностью, имеют значительно меньшие по сравнению с указанными выше излучателями размеры поперечного сечения, что позволяет реализовать сканирование в широком секторе углов без заполнения волноводов диэлектриком. Методы математического моделирования волноводных ФАР хорошо разработаны [1]. Имеется большое число работ, посвященных исследованию решеток с излучателями в виде открытых концов круглых и прямоугольных волноводов, а также волноводов с более сложной формой поперечного сечения. Однако практически отсутствуют работы, в которых были бы представлены результаты численного исследования характеристик ФАР с коаксиальными волноводными излучателями.

Цель статьи — исследование характеристик сканирования, возможностей согласования указанных излучателей на основе использования особенностей конструкции, а также традиционных методов, например с помощью диэлектрических вставок.

При разработке математической модели ФАР с коаксиальными волноводными излучателями применялась методика, изложенная в [1]. Указанная математическая модель реализована в виде программы GuidesArray Coaxial. Ниже приводятся результаты численного эксперимента.

На рис.1 представлено семейство кривых зависимости коэффициентов отражения на входе излучателя от радиуса внешнего проводника коаксиального волновода. Указанное семейство соответствует решетке с излучателями, расположенными в узлах квадратной сетки. Параметром семейства является радиус внутреннего проводника коаксиального волновода. Шаг решетки = = 0,7142. Направление фазирования совпадает с направлением нормали к плоскости решетки. Из графиков следует, что практически полное согласование может быть получено без использования каких-либо дополнительных элементов только лишь за счет соответствующего выбора величин и . При любом значении существует оптимальное значение , минимизирующее коэффициент отражения. Погрешность вычислений, установленная по внутренней сходимости численной процедуры, не превышает 1…3% при использовании для описания поля в раскрыве коаксиального волновода базисных функций, соответствующих волнам Т, , , . (В дальнейшем, при описании результатов численного эксперимента, указываются те собственные волны коаксиального волновода, учет которых обеспечивал указанную точность.)

На рис.2 даны парциальные диаграммы направленности коаксиальных волноводных излучателей в Е- и H-плоскостях (кривые 1 и 2 соответственно) в решетке с треугольной сеткой размещения излучающих элементов. Шаг решетки d=0,7142. Размеры коаксиальных волноводов =0,14, =0,34. В коаксиальных волноводных излучателях при вычислении учитывались волны Т, , . Стрелками на рис.2 отмечены направления фазирования, при которых дифракционные максимумы высших порядков находятся на границе действительных и мнимых углов. Из графиков следует, что направление ослепления решетки в плоскости Н смещено относительно указанного выше направления в сторону нормали. Это смещение, как показывает численный эксперимент, обусловлено возбуждением в области раскрыва волновода волны , находящейся в закритическом режиме. Если эта волна исключается из числа учитываемых волноводных волн, то направление ослепления решетки совмещается с направлением фазирования, при котором дифракционный максимум находится на границе действительных и мнимых углов (кривая 3). В рассматриваемой плоскости шаг решетки меньше . Возбуждение волны эквивалентно включению реактивной нагрузки в месте расположения волноводов. Указанные нагрузки и экран образуют структуру, способную поддерживать поверхностные волны, что и вызывает смещение направления ослепления в сторону нормали.

На рис.3 приведены кривые зависимости коэффициента отражения от угла сканирования в Е- и H-плоскостях (кривые 1 и 2 соответственно) при согласовании излучателей диэлектрическими вставками в направлении нормали и под углом 30° относительно нормали (кривая 3), а также зависимость амплитуды Т-волны, возникающей на раскрыве волновода, отнесенной к амплитуде падающей волны (кривая 4). Кривым 1 и 2 соответствуют вставки толщиной t=0,142, расположенные на расстоянии l=0,2121 от раскрыва волноводов. Диэлектрическая проницаемость вставок =3,376. До согласования коэффициент отражения в направлении нормали к плоскости решетки |R|=0,622. Кривой 3 соответствует вставка с параметрами t=0,1185, l=0,2166, =4,729. До согласования коэффициент отражения в направлении согласования |R|=0,721. Указанные кривые соответствуют треугольной сетке размещения излучателей с шагом d=0,7142, размеры коаксиального волновода =0,275, =0,33. Учитывались волны T, , . Как показал численный эксперимент, наличие диэлектрических вставок привело к тому, что смещение направления ослепления к нормали в H-плоскости практически отсутствует и ослепление решетки наступает при совпадении направления дифракционного максимума с границей действительных и мнимых углов. Из графиков рис.3 следует, что диэлектрические вставки обеспечивают эффективное согласование, как и в решетках с круглыми или прямоугольными волноводами. Однако в данном случае вставки могут быть использованы одновременно и как конструктивные элементы, поддерживающие центральный проводник коаксиального волновода.

На рис. 4 представлены графики зависимости модулей коэффициентов отражения , волн , обеспечивающих круговую поляризацию поля излучения решетки при фазировании в направлении нормали (кривые 1,2), а также зависимости коэффициента эллиптичности (кривая 3) и угла наклона поляризационного эллипса (кривая 4) от направления сканирования для решетки с треугольной сеткой расположения излучателей. Шаг излучателей d=0,7142, размеры коаксиальных волноводов =0,14, =0,34. Учитывались волноводные волны Т, , . Плоскость сканирования соответствует Е- или H-плоскости излучателя, возбуждаемого волнами, коэффициенты отражения которых и , соответственно. Из графиков следует, что при выбранной геометрии решетки снижение коэффициента эллиптичности до -3 дБ происходит при отклонении луча от нормали к плоскости решетки на 40°.

Выводы.

Результаты численного эксперимента подтверждают возможность эффективного использования коаксиальных волноводных излучателей в качестве излучающих элементов ФАР.