Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 1, стр. 28-30

Линейный микрополосковый рупор представляет собой линейно расширяющую микрополосковую линию (МПЛ). Такие рупоры широко используются в качестве плавного перехода между МПЛ с различной шириной полоска как согласующие элементы для печатных линз Ротмана [1], а также как облучатели планарных линз и зеркал [1–3].

Исследуемая геометрия линейного рупора представлена на рис. 1. При использовании в качестве облучателя микрополосковый рупор излучает в плоский волновод (ПВ). Полигональным будем называть микрополосковый рупор, представляющий собой нерегулярную МПЛ, проводник которой имеет форму многоугольника. Исследуемая геометрия полигонального рупора показана на рис. 2. Рупор содержит три неравные по длине продольные секции, каждая из которых обладает своим углом раствора, α_1,2,3 соответственно. Следует отметить, что полигональные рупоры также могут использоваться в качестве линейно-ломаного перехода между МПЛ с различной шириной полоска [4].

Рис. 1.

Линейный микрополосковый рупор.

Рис. 2.

Полигональный микрополосковый рупор.

Сначала с использованием развитой ранее численно-аналитической теории [5] проведем исследование характеристик излучения и оптимизацию параметров линейного рупора. Асимптотическое выражение для нормированной диаграммы направленности рупора имеет вид

где

$k = {{2\pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi } \lambda }} \right. \kern-0em} \lambda }$ ($\lambda = {{{{\lambda }_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\lambda }_{0}}} {\sqrt {\varepsilon \quad\quad} }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {\varepsilon \quad\quad} }}$ – длина волны в диэлектрике, ${{\lambda }_{0}}$ – длина волны в свободном пространстве), остальные обозначения понятны из рис. 1.

Расчеты диаграммы направленности, проведенные по формуле (1) для различных углов раствора 2Ψ, показали, что частотная стабильность ширины главного лепестка увеличивается с ростом апертуры и величины угла раствора 2Ψ, а стабильность фазовых диаграмм, наоборот, уменьшается. Нормированные амплитудные диаграммы направленности для угла Ψ = 25° и апертуры размером D = 28.6 мм на пяти частотах показаны на рис. 3а. К сожалению, фазовые диаграммы этого рупора сильно зависят от частоты (рис. 3б).

Рис. 3.

Амплитудные (а) и фазовые (б) диаграммы направленности линейного рупора с углом раствора 2Ψ = 50° и апертурой D = 28.6 мм при f = 10 (1), 15 (2), 20 (3), 30 (4), 40 (5) и 50 ГГц (6).

Как показали дальнейшие исследования, стабилизировать фазовую диаграмму можно, уменьшая электрический размер апертуры рупора, а ширину луча, – увеличивая угол раствора. На рис. 4а для частот f = 20, 30, 40, 50, 60 ГГЦ показаны амплитудные диаграммы направленности рупора с углом Ψ = 37° и апертурой D = 11.5 мм, рассчитанные методом конечных элементов, а на рис. 4б – соответствующие фазовые диаграммы этого рупора с фазовым центром, смещенным от апертуры вглубь рупора на 14 мм. Как видно на рис. 4б, уровень нормированной диаграммы направленности для угла φ = 25° в полосе частот 20…50 ГГц меняется от –10 до –15 дБ, что близко к оптимальным значениям уровня облучения кромки зеркала или линзы. При этом соответствующие фазовые диаграммы (см. рис. 4б) для углов φ менее 25° меняются в пределах ±30°.

Рис. 4.

Амплитудные (а) и фазовые (б) диаграммы направленности линейного рупора с углом раствора 2Ψ = 74° и апертурой D = 11.5 мм при f = 20 (1), 30 (2), 40 (3), 50 (4) и 60 ГГц (5).

Затем, также с использованием метода конечных элементов, были проведены исследование и оптимизация параметров полигональных микрополосковых рупоров. В качестве первого приближения использовали линейный рупор с параметрами, оптимизированными выше. В результате численного моделирования и оптимизации параметров были найдены длины секций: первой – 7.5 мм, двух других – 3.8 мм; и величины углов α₁ = 64°, α₂ = 47°, α₃ = 38°, обеспечивающие стабильную амплитудную и фазовую диаграмму направленности. На рис. 5а показаны амплитудные диаграммы направленности полигонального рупора, а на рис. 5б – фазовые диаграммы этого рупора с фазовым центром, смещенным от апертуры вглубь рупора на 17 мм. Как видно на рис. 5а, уровень нормированной диаграммы направленности для угла φ = 25° в полосе частот 15…60 ГГц меняется от –9 до –11 дБ, что близко к оптимальным значениям уровня облучения кромки зеркала или линзы, а изменения фазовой диаграммы (см. рис. 5б) при углах φ менее 25° лежат в пределах ±30°.

Рис. 5.

Амплитудные (а) и фазовые (б) диаграммы направленности полигонального рупора с апертурой D = 16.7 мм при f = 15 (1), 20 (2), 30 (3), 40 (4), 50 (5) и 60 ГГц (6).

Таким образом, в работе показана возможность реализации полосы рабочих частот 1 : 2.5 для облучателя в виде линейного микрополоскового рупора и полосы 1 : 4 – для облучателя в виде полигонального микрополоскового рупора.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 07-07797).