Las antenas de ondas fugaces ( LWA ) pertenecen a la clase más general de antenas de ondas viajeras , que utilizan una onda viajera sobre una estructura guía como principal mecanismo de radiación. Las antenas de onda progresiva se dividen en dos categorías generales, antenas de onda lenta y antenas de onda rápida, que generalmente se denominan antenas de onda fugaz.
La onda viajera en una antena de onda con fugas es una onda rápida, con una velocidad de fase mayor que la velocidad de la luz. Este tipo de onda irradia continuamente a lo largo de su longitud y, por lo tanto, el número de onda de propagación k z es complejo y consta de una fase y una constante de atenuación. Con este tipo de antena se pueden lograr haces altamente directivos en un ángulo especificado arbitrario, con un nivel de lóbulo lateral bajo. La constante de fase β de la onda controla el ángulo del haz (y este puede variarse cambiando la frecuencia), mientras que la constante de atenuación α controla el ancho del haz. La distribución de la apertura también se puede reducir fácilmente para controlar el nivel del lóbulo lateral o la forma del haz. Las antenas de ondas fugaces se pueden dividir en dos categorías importantes, uniformes y periódicas, según el tipo de estructura guía.
Una estructura uniforme tiene una sección transversal que es uniforme (constante) a lo largo de la estructura, generalmente en forma de guía de ondas que se ha abierto parcialmente para permitir que se produzca radiación. La onda guiada sobre la estructura uniforme es una onda rápida y, por tanto, irradia a medida que se propaga.
Una estructura de antena de onda con fugas periódicas es aquella que consta de una estructura uniforme que soporta una onda lenta (no radiante) que ha sido modulada periódicamente de alguna manera. Dado que una onda lenta irradia en discontinuidades, las modulaciones periódicas (discontinuidades) hacen que la onda irradie continuamente a lo largo de la estructura. Desde un punto de vista más sofisticado, la modulación periódica crea una onda guiada que consta de un número infinito de armónicos espaciales (modos Floquet). Aunque el armónico espacial principal ( n = 0) es una onda lenta, uno de los armónicos espaciales (generalmente el n = −1) está diseñado para ser una onda rápida, y esta onda armónica es la onda radiante.
Un ejemplo típico de antena de onda fugaz uniforme es una guía de ondas rectangular llena de aire con una ranura longitudinal. Esta estructura simple ilustra las propiedades básicas comunes a todas las antenas uniformes de onda fugaz. El modo fundamental de guía de ondas TE 10 es una onda rápida, donde k 0 es el número de onda de vacío. La radiación hace que el número de onda k z del modo de propagación dentro de la estructura de guía de ondas abierta se vuelva complejo. Mediante una aplicación del principio de fase estacionaria se puede encontrar que:
donde θ m es el ángulo de radiación máxima tomado desde el lado (dirección x), y λ 0 son la velocidad de la luz y la longitud de onda en el vacío, y λ g es la longitud de onda guía. Como es típico en un LWA uniforme, el haz no puede escanearse demasiado cerca del costado (θ m =0), ya que esto corresponde a la frecuencia de corte de la guía de ondas. Además, el haz no puede escanearse demasiado cerca del final del fuego (θ m = 90°, dirección z) ya que esto requiere operación en frecuencias significativamente por encima del corte, donde los modos de orden superior pueden propagarse, al menos para una guía de ondas llena de aire. El escaneo se limita únicamente al cuadrante delantero (0<θ m <Π/2), para una onda que viaja en la dirección z positiva.
Esta distribución de apertura de onda de fuga unidimensional (1D) da como resultado un "haz de abanico" que tiene una forma estrecha en el plano xz (plano H) y una forma amplia en el plano transversal. Se puede crear un "rayo de lápiz" utilizando una serie de radiadores 1D. A diferencia de la estructura de onda lenta, se puede crear un haz muy estrecho en cualquier ángulo eligiendo un valor de α suficientemente pequeño. Una fórmula simple para el ancho del haz, medido entre puntos de media potencia ( ), es:
donde L es la longitud de la antena de onda fugaz y Δθ se expresa en radianes. Para el 90% de la potencia radiada se puede suponer:
Dado que la fuga se produce a lo largo de la rendija en la estructura de guía de ondas, toda la longitud constituye la apertura efectiva de la antena a menos que la tasa de fuga sea tan grande que la potencia se haya filtrado efectivamente antes de llegar al final de la rendija. Una constante de atenuación grande implica una apertura efectiva corta, de modo que el haz radiado tiene un ancho de haz grande. Por el contrario, un valor bajo de α da como resultado una apertura efectiva larga y un haz estrecho, siempre que la apertura física sea suficientemente larga. Dado que la energía se irradia continuamente a lo largo de la longitud, el campo de apertura de una antena de onda fugaz con geometría estrictamente uniforme tiene una caída exponencial (generalmente lenta), de modo que el comportamiento del lóbulo lateral es deficiente. La presencia de lóbulos laterales se debe esencialmente a que la estructura es finita a lo largo de z. Sin embargo, cuando cambiamos la geometría de la sección transversal de la estructura guía para modificar el valor de α en algún punto z, es probable que el valor de β en ese punto también se modifique ligeramente. Sin embargo, dado que β no debe cambiarse, la geometría debe modificarse aún más para restaurar el valor de β, cambiando así también un poco α.
En la práctica, esta dificultad puede requerir un proceso de dos pasos. La práctica entonces es variar el valor de α lentamente a lo largo de la longitud de una manera especificada mientras se mantiene constante β (que es el ángulo de radiación máxima), para ajustar la amplitud de la distribución de apertura A(z) para producir el valor deseado. rendimiento del lóbulo lateral. Podemos dividir las antenas de ondas de fuga uniformes en antenas llenas de aire y parcialmente llenas de dieléctrico. En el primer caso, dado que el número de onda transversal k t es entonces una constante con la frecuencia, el ancho del haz de la radiación permanece exactamente constante a medida que el haz se explora variando la frecuencia. De hecho, desde:
dónde:
independiente de la frecuencia (λ c es la longitud de onda de corte). Por el contrario, cuando la estructura guía está parcialmente llena de dieléctrico, el número de onda transversal k t es función de la frecuencia, de modo que Δθ cambia a medida que se explora la frecuencia del haz. Por otro lado, con respecto a la sensibilidad a la frecuencia, es decir, la rapidez con la que el ángulo del haz explora a medida que se varía la frecuencia, la estructura parcialmente cargada con dieléctrico puede explorar en un rango mayor de ángulos para la misma variación de frecuencia, como es evidente en Fig. 2, y por lo tanto se prefiere.
En respuesta a los requisitos en longitudes de onda milimétricas, las nuevas antenas se basaban generalmente en guías de ondas abiertas de menor pérdida. Un posible mecanismo para obtener radiación es el escorzo de un lado. Considere, por ejemplo, la guía de ondas dieléctrica no radiativa (NRD) .
La separación a entre las placas metálicas es menor que λ 0 /2, de modo que todas las uniones y discontinuidades (también curvas) que mantienen la simetría se vuelven puramente reactivas, en lugar de poseer contenido radiativo. Cuando las placas metálicas verticales en la guía NRD son lo suficientemente largas, el campo en modo dominante está completamente limitado, ya que ha decaído a valores insignificantes cuando alcanza los extremos abiertos superior e inferior. Si la porción superior de las placas está en escorzo, como en la Fig. 3, entonces existe un campo de onda viajera de amplitud finita en el extremo superior abierto, y si el modo de guía NRD dominante es rápido (puede ser rápido o lento dependiendo de la frecuencia), la energía se irradiará en ángulo desde este extremo abierto.
Otro posible mecanismo es la asimetría. En la antena guía NRD asimétrica representada en la Fig. 4, la estructura primero se divide en dos horizontalmente con una pared metálica, para proporcionar radiación desde un solo extremo; Dado que el campo eléctrico es puramente vertical en este plano medio, la estructura del campo no se ve alterada por la bisección. Luego se introduce un espacio de aire en la región dieléctrica para producir asimetría. Como resultado, se crea una pequeña cantidad de campo eléctrico horizontal neto, lo que produce un modo en la región de aire de placas paralelas, que es un modo TEM , que se propaga en ángulo entre las placas paralelas hasta que llega al extremo abierto y se escapa. lejos. Es necesario mantener las placas paralelas en la región del aire el tiempo suficiente para que el componente vertical del campo eléctrico del modo original (representado en la guía de placas paralelas por el modo TM 1 por debajo del límite ) haya decaído a valores insignificantes en la zona del aire. Final abierto. Entonces, el modo TEM, con su campo eléctrico horizontal, es el único campo que queda en la apertura de la antena, y la polarización del campo es entonces esencialmente pura (la discontinuidad en el extremo abierto no introduce ningún componente de campo con polarización cruzada).
La guía de ranura (mostrada en la Fig. 5) es una guía de ondas abierta de baja pérdida para ondas milimétricas, algo similar a la guía NRD: la región central dieléctrica se reemplaza por una región de aire de mayor ancho (mayor que λ 0/2 ). El campo vuelve a decaer exponencialmente en las regiones de menor anchura arriba y abajo. La antena de onda fugaz se crea dividiendo primero la guía de ranura horizontalmente. También se parece a una guía de ondas rectangular cargada con un trozo.
Cuando el muñón está descentrado, la estructura asimétrica obtenida irradiará. Cuando se aumenta el desplazamiento, la constante de atenuación α aumentará y el ancho del haz también aumentará. Cuando el trozo se coloca hasta un extremo, el resultado es una estructura en forma de L que irradia con mucha fuerza.
Además, se encuentra que el valor de β cambia muy poco a medida que se mueve el muñón, y α varía en un rango muy amplio. Esta característica permite reducir la apertura de la antena para controlar los lóbulos laterales. El hecho de que la estructura en forma de L tenga fuertes fugas también puede estar relacionado con otro mecanismo de fuga: el uso de modos superiores con fugas. En particular, se puede encontrar que todos los modos superiores de guía de ranura tienen fugas.
Por ejemplo, considere el primer modo antisimétrico superior. Debido a la simetría de la estructura y las direcciones de las líneas del campo eléctrico, la estructura se puede dividir dos veces para obtener la forma de L, como se representa en la Fig. 6.
La antena se puede analizar utilizando una red equivalente transversal basada en una red de unión en T. Las expresiones para los elementos de la red se pueden obtener en formas cerradas simples y, sin embargo, son muy precisas. El circuito resultante se muestra en la Fig. 7.
Normalmente, la longitud del trozo sólo necesita ser aproximadamente media longitud de onda o menos si el trozo es estrecho.
Para aprovechar las posibilidades de las técnicas de circuito impreso, se ha desarrollado una versión de circuito impreso de la estructura anterior. De esta manera, el proceso de fabricación podría utilizar fotolitografía y el diseño cónico para el control de los lóbulos laterales podría manejarse automáticamente en la fabricación.
La estructura se muestra en el recuadro de la Fig. 8. La red transversal equivalente para esta nueva estructura de antena es ligeramente más complicada que la anterior, y las expresiones para los elementos de la red deben modificarse adecuadamente para tener en cuenta el medio dieléctrico. Además, encima del transformador aparece una susceptancia adicional.
Las guías auxiliares y principales ya no son las mismas, por lo que sus números de onda y admitancias características también son diferentes. Nuevamente, α se puede variar cambiando la ubicación de la ranura d, como se ve en la Fig.8. Sin embargo, se descubrió que a' también es un buen parámetro para cambiar con este fin, como se muestra en la Fig.9.
Se ha desarrollado y analizado una variación interesante de las estructuras anteriores. Se basa en una guía de ondas de cresta o escalonada en lugar de una guía de ondas rectangular. En las estructuras basadas en guía de ondas rectangular, la asimetría se logró colocando la guía corta, o ubicando la ranura longitudinal, descentrada en la superficie superior.
Aquí la superficie superior es simétrica y la asimetría se crea al tener longitudes desiguales en cada lado debajo de la porción de guía principal, como se muestra en la Fig. 10. Las redes transversales equivalentes, junto con las expresiones asociadas para los elementos de la red, se adaptaron y ampliado para aplicarse a estas nuevas estructuras. El circuito equivalente se representa en la Fig. 11. Un análisis del comportamiento de la antena indica que esta geometría permite efectivamente un control independiente del ángulo de radiación máxima θ my de la anchura del haz Δθ. Definamos dos parámetros geométricos: la longitud media relativa del brazo bm/a donde bm = (b l +b r )/2, y el desequilibrio relativo Δb/b m donde Δb=(b l +b r )/2 . Figura 10: Guía escalonada. Entonces resulta que cambiando b m /a se puede ajustar el valor de β/k 0 sin alterar mucho α/k 0 , y que cambiando Δb/b m se puede variar α/k 0 en un rango amplio sin afectar β/k 0 mucho.
Por lo tanto, el diseño cónico para controlar el nivel del lóbulo lateral implicaría sólo el desequilibrio relativo Δb/ bm . La red equivalente transversal se complica ligeramente por la presencia de dos cambios adicionales en la altura de la guía de ondas, que pueden modelarse mediante susceptancias en derivación y transformadores ideales. El transformador ideal tiene en cuenta el cambio en la impedancia característica, mientras que el almacenamiento de energía reactiva se tiene en cuenta a través de la susceptancia. Los conjuntos de escaneo logran el escaneo en dos dimensiones mediante la creación de un conjunto en fase unidimensional de antenas de fuente lineal de onda fugaz. Las fuentes lineales individuales se escanean en elevación variando la frecuencia. La exploración en el plano transversal, y por tanto en acimut, se produce mediante desfasadores dispuestos en la estructura de alimentación del conjunto unidimensional de fuentes lineales. Por lo tanto, la radiación se producirá en forma de haz de lápiz y explorará tanto en elevación como en azimut de forma cónica. El espacio entre las fuentes lineales se elige de manera que no se produzcan lóbulos de rejilla y análisis precisos muestran que no aparecen puntos ciegos en ninguna parte. Las matrices descritas se han analizado con precisión mediante un enfoque de celda unitaria que tiene en cuenta todos los efectos de acoplamiento mutuo. Cada celda unitaria incorpora una antena de fuente lineal individual, pero en presencia de todas las demás. La terminación radiante en la celda unitaria modifica la red equivalente transversal. Por lo tanto, una nueva característica clave del análisis de matrices es la determinación de la admitancia activa de la celda unitaria en el entorno bidimensional en función del ángulo de exploración. Si los valores de β y α no cambiaran con el cambio de fase, la exploración sería exactamente cónica. Sin embargo, se encuentra que estos valores cambian sólo un poco, de modo que la desviación con respecto a la exploración cónica es pequeña. A continuación consideramos si hay puntos ciegos presentes o no. Los puntos ciegos se refieren a ángulos en los que la matriz no puede irradiar ni recibir energía; Por lo tanto, si se produjera un punto ciego en algún ángulo, el valor de α llegaría rápidamente a cero en ese ángulo de exploración. Para comprobar si hay puntos ciegos, buscaríamos caídas pronunciadas en las curvas de α/k 0 en función del ángulo de exploración. Nunca se encontraron tales caídas. Los datos típicos de este tipo exhiben un comportamiento bastante plano para α/k 0 hasta que las curvas caen rápidamente a cero cuando llegan al final del rango de exploración cónica, donde el haz llega al suelo.
