Щель в металле излучает в обе стороны, и половина энергии уходит назад

Щелевая антенна устроена обманчиво просто: узкий прорез в проводящем листе, возбуждаемый сверхвысокочастотным сигналом. Прорез излучает, превращая щель в эффективный источник радиоволн, удобный для встраивания в плоские конструкции и обшивки. Но у этой простоты есть фундаментальный изъян. Щель в тонком листе металла излучает симметрично в обе стороны: половина энергии летит вперёд, к цели, а половина назад, в пустоту или, хуже того, в собственную аппаратуру. Для антенны, которая должна светить в одну сторону, потеря половины мощности назад это расточительство и источник помех.

Обратное излучение вредит дважды. Оно крадёт усиление, ослабляя главный лепесток, и засоряет заднюю полусферу, где могут стоять чувствительные приёмники или соседние антенны. Отношение мощности, излучённой вперёд, к мощности, ушедшей назад, стало ключевым показателем качества, и вся инженерия щелевой антенны вращается вокруг его улучшения. Разберём, почему щель излучает в обе стороны, как полость за щелью запирает заднее излучение и какими приёмами геометрии добиваются однонаправленности при компактных размерах.

Двусторонняя природа излучения прорези в проводящем листе

Щель в проводящем экране это электромагнитный двойник полоскового излучателя, и её поведение описывается принципом, связывающим щель с дополняющим её металлическим элементом. Когда щель возбуждена, в ней возникает переменное электрическое поле поперёк прорези, и это поле излучает волны по обе стороны листа одинаково. Лист металла сам по себе не отдаёт предпочтения ни одной стороне: симметричная щель в симметричном окружении даёт симметричную картину излучения вперёд и назад.

Физически это следствие того, что тонкий проводящий лист с прорезью прозрачен для поля щели в обе стороны. Поле, возбуждённое в прорези, не знает, какая сторона рабочая, и распространяется в оба полупространства. В результате диаграмма направленности голой щели имеет два главных лепестка, направленных в противоположные стороны, почти зеркальных по форме и величине. Для многих применений это неприемлемо: антенна на корпусе аппарата должна излучать наружу, а не внутрь, где сигнал бесполезен и вреден.

Недостаток двустороннего излучения щелевых антенн устраняют, нарушая симметрию задней стороны. Если с одной стороны щели поставить препятствие, отражающее или поглощающее заднее излучение, симметрия рушится, и энергия перенаправляется вперёд. Двустороннее излучение щелевых антенн можно устранить оптимальным положением щели и применением металлического отражателя и полости. Именно эти три средства, положение щели, отражатель и полость за ней, и составляют арсенал борьбы с обратным излучением, и каждое работает по-своему.

Металлический экран за щелью и расстояние до него

Простейший способ убрать заднее излучение это поставить за щелью сплошной проводящий экран, отражатель. Он отбрасывает заднюю волну вперёд, и при правильном расстоянии отражённая волна складывается с прямой в фазе, усиливая главный лепесток. Расстояние между щелью и экраном критично: оно должно быть таким, чтобы волна, прошедшая до экрана и обратно, вернулась к щели в фазе с прямым излучением. Обычно это около четверти длины волны, тогда полный путь туда и обратно даёт полволны, а отражение от проводника добавляет ещё полволны сдвига, и волны складываются.

Эффект экрана подтверждается измерениями. Добавление проводящей задней плоскости увеличивает усиление вперёд, подавляет заднее излучение и сужает полосу. Для конкретной конструкции найдено оптимальное расстояние между антенной и задней плоскостью, при котором усиление достигает 8.6 децибел относительно изотропного излучателя при полосе согласования 60 процентов. Это соответствует улучшению усиления на 4.6 децибела и расширению полосы на 11 процентов по сравнению с более ранней конструкцией без оптимизированного экрана. Цифры показывают, что простое добавление отражателя на правильном расстоянии даёт ощутимый прирост направленности.

Но у плоского экрана есть слабость: он не запирает излучение с боков, и часть энергии всё равно затекает в заднюю полусферу по краям. Кроме того, экран на фиксированном расстоянии работает в фазе лишь в узкой полосе, а на краях диапазона расстояние перестаёт быть четвертью волны, и подавление слабеет. Поэтому для широкополосных и высоконаправленных антенн одного плоского отражателя мало, и переходят к полному запиранию задней стороны замкнутой полостью.

Полость за щелью как способ полного запирания заднего излучения

Радикальное решение это поместить щель над замкнутой проводящей полостью, резонатором, открытым только со стороны прорези. Полость физически перекрывает путь излучению назад, отражая всю заднюю волну вперёд. Антенна с полостью за щелью излучает только в переднюю полусферу, и заднее излучение подавляется почти полностью. Полость не только запирает заднюю волну, но и формирует резонанс, повышающий эффективность излучения щели на рабочей частоте.

Конкретные результаты впечатляют. Полость за щелью блокирует заднее излучение, и для антенной решётки из щелевых элементов, питаемых одним волноводом, достигнуты подавление боковых лепестков и высокое отношение излучения вперёд к излучению назад. В измеренной конструкции отношение вперёд-назад превысило 37 децибел при пиковом усилении свыше 17 децибел относительно изотропного излучателя, а боковые лепестки опустились ниже минус 33 децибел в одной плоскости и минус 35 в другой. Такая решётка обладает высокой пропускной способностью по мощности, высокой эффективностью излучения, малыми потерями в питающей линии и простой схемой питания.

Полость даёт и побочную выгоду в виде изоляции от окружения. Запертая полостью антенна слабо реагирует на близкие предметы и соседние антенны, потому что её поле сосредоточено в полости и передней полусфере. Топология щелевой антенны с полостью минимизирует обратное излучение, максимально подавляет поверхностные волны и гарантирует отличную изоляцию от окружения. Это особенно ценно в плотной аппаратуре, где антенны стоят рядом и норовят навести помехи друг на друга. Полость превращает капризную двустороннюю щель в дисциплинированный однонаправленный излучатель.

Реализация полости в планарной технологии интегрированного волновода

Классическая металлическая полость объёмна и плохо вписывается в плоскую печатную плату. Решением стала технология интегрированного в подложку волновода, позволяющая создать полость прямо в толще печатной платы. Стенки полости формируют рядами металлизированных сквозных отверстий, соединяющих верхний и нижний проводящие слои, а сама полость это область подложки между ними. Так объёмный резонатор превращается в плоскую структуру, изготавливаемую обычным печатным процессом, при сохранении свойств полости.

Преимущество планарной полости в том, что вся антенна и её питание лежат в одной плоскости. Антенную решётку с питающими сетями выполняют на одном слое ламината, что упрощает изготовление и интеграцию с другими планарными схемами. Полость, реализованная интегрированным волноводом, создаёт непланарный по сути резонатор в планарной форме, и весь контур антенны с питанием интегрирован в одной плоскости. Резонанс такой полости определяется типами волн в ней, и щель возбуждает основной тип, а подстройка размеров полости настраивает резонанс на рабочую частоту.

Планарная полость поддаётся и существенному уменьшению размеров. Заменяя сплошной металл вокруг щели специальным рисунком из параллельных полосковых линий, объём полости сокращают, не теряя эффективности. Объём полости за простой прямой щелью удаётся уменьшить более чем на 65 процентов без ущерба для высокой эффективности излучения. Уменьшенные антенны с полостью показывают очень низкий коэффициент стоячей волны на входе, низкий уровень кросс-поляризации и высокую эффективность. Правда, при сильном уменьшении земляной плоскости отношение вперёд-назад падает до скромных 6-7 децибел, что напоминает о связи размеров с направленностью.

Гофрирование краёв и подавление поверхностных волн

Часть обратного и бокового излучения рождается не прямо из щели, а из поверхностных волн, бегущих вдоль земляной плоскости и переизлучающихся с её краёв. Когда поверхностная волна доходит до края проводящего листа, она дифрагирует и излучает в заднюю полусферу, поднимая заднее излучение и кросс-поляризацию. Бороться с этим помогает гофрирование краёв, нарезка периодических канавок или гребёнки по периметру земляной плоскости, которая запирает поверхностную волну, не давая ей дойти до края.

Гофрирование особенно полезно в антеннах с сужающейся щелью, где поверхностные токи велики. Добавление гофрирования по обоим краям сужающейся щелевой антенны улучшает усиление и отношение вперёд-назад, причём форма канавок влияет на результат, и разные профили дают разную степень улучшения. Канавки работают как ловушки для поверхностной волны: настроенные на рабочую частоту, они создают высокое сопротивление для тока вдоль края и не пропускают волну к месту дифракции. Так заднее излучение, рождённое краевыми эффектами, подавляется отдельно от прямого заднего излучения щели.

Существует и более тонкий подход, не запирающий поверхностную волну, а перенаправляющий её. Гофрированная структура, нагруженная диэлектриком, способна модулировать распределение поверхностной волны и переизлучать часть её энергии в свободное пространство в нужном направлении, создавая эффект сужения луча. Вместо того чтобы просто гасить поверхностную энергию, такая структура обращает её на пользу, добавляя к главному лепестку. Это показывает, что краевые эффекты можно не только подавлять, но и использовать, тонко работая с геометрией периферии антенны.

Подавление высших резонансов и поглощающие материалы

Заднее излучение усиливается не только на основной частоте, но и на высших резонансах структуры, где антенна излучает паразитно и неконтролируемо. Эти высшие резонансы поднимают заднее рассеяние и портят чистоту диаграммы. Один путь борьбы это поглощающий материал, накрывающий антенну: в рабочей полосе он почти прозрачен, с потерями обычно не более двух-трёх децибел, а на высших частотах становится сильно поглощающим, скрывая антенну и её заднее рассеяние на высших резонансах.

У поглощающего подхода есть серьёзные издержки. Применение поглотителя для подавления заднего рассеяния делает конструкцию относительно большой, сложной и дорогой. Очень трудно получить достаточно резкую частотную границу поглотителя, чтобы не ухудшить либо эффективность излучения в рабочей полосе, либо подавление заднего рассеяния на высших частотах. Поглотитель крадёт часть полезной мощности и добавляет массу и габариты, поэтому к нему прибегают, когда заднее рассеяние критично, а другие меры исчерпаны.

Изящнее подавлять высшие резонансы самой геометрией структуры. Утопленный в подложку патч-излучатель, спроектированный так, чтобы подавлять высшие типы волн, держит заднее излучение низким без поглотителя. Возбуждая нужные типы волн полости и подавляя ненужные, добиваются чистой однонаправленной диаграммы. В одной конструкции одновременное возбуждение двух типов волн полости и типа патча дало изоляцию между портами лучше 23 децибел и отношение вперёд-назад лучше 19 децибел при уровне кросс-поляризации ниже минус 15 децибел. Геометрическое подавление высших резонансов предпочтительнее поглотителя, потому что не тратит мощность и не раздувает конструкцию.

Сведение мер против обратного излучения в единую стратегию

Соберём борьбу с обратным излучением воедино. Источник проблемы это симметричная природа щели, излучающей в обе стороны одинаково, плюс краевая дифракция поверхностных волн и паразитные высшие резонансы. Прямое заднее излучение запирают отражателем на расстоянии около четверти волны или, надёжнее, замкнутой полостью за щелью, реализуемой в планарной форме интегрированным волноводом. Краевое излучение давят гофрированием периметра, а высшие резонансы подавляют геометрией структуры или, в крайнем случае, поглощающим покрытием.

Числовые ориентиры показывают достижимое. Оптимизированный отражатель поднял усиление до 8.6 децибела при полосе 60 процентов, улучшив усиление на 4.6 децибела. Решётка с полостью дала отношение вперёд-назад свыше 37 децибел при усилении более 17 децибел и боковых лепестках ниже минус 33 децибел. Планарная полость интегрированного волновода обеспечивает отношение вперёд-назад порядка 15-19 децибел при компактных размерах, а уменьшение полости более чем на 65 процентов возможно ценой снижения этого отношения до 6-7 децибел. Гофрирование краёв добавляет к усилению и отношению вперёд-назад, перенаправляя поверхностную энергию.

Грамотная щелевая антенна это всегда баланс между направленностью, полосой, размерами и сложностью. Отражатель прост, но узкополосен и не запирает бока. Полость даёт высочайшее отношение вперёд-назад и изоляцию, но занимает объём, который приходится отвоёвывать планарной технологией и уменьшением. Гофрирование чистит диаграмму от краевых эффектов, но усложняет периметр. Поглотитель скрывает заднее рассеяние, но крадёт мощность и раздувает конструкцию. Опытный разработчик сводит положение щели, отражатель или полость, гофрирование краёв и подавление высших резонансов в одно решение, где антенна светит вперёд с высоким отношением вперёд-назад, заднее излучение подавлено, кросс-поляризация низка, а размеры и стоимость отвечают требованиям изделия.