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 mecanismo de radiación principal. Las antenas de ondas viajeras se dividen en dos categorías generales: antenas de ondas lentas y antenas de ondas rápidas, que suelen denominarse antenas de ondas fugaces.
La onda viajera en una antena Leaky-Wave 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 tanto de una constante de fase como de una constante de atenuación. Con este tipo de antena se pueden lograr haces altamente directivos en un ángulo especificado arbitrario, con un nivel bajo de lóbulos laterales. La constante de fase β de la onda controla el ángulo del haz (y esto se puede variar 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 de lóbulos laterales o la forma del haz. Las antenas Leaky-Wave se pueden dividir en dos categorías importantes, uniformes y periódicas, según el tipo de estructura de guía.
Una estructura uniforme tiene una sección transversal que es uniforme (constante) a lo largo de la longitud de la estructura, generalmente en forma de una guía de ondas que se ha abierto parcialmente para permitir que se produzca la radiación. La onda guiada en la estructura uniforme es una onda rápida y, por lo tanto, irradia a medida que se propaga.
Una estructura de antena de onda periódica con fugas 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 longitud 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 (normalmente n = −1) está diseñado para ser una onda rápida, y esta onda armónica es la onda radiante.
Un ejemplo típico de una antena de ondas con fugas uniformes 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 de ondas con fugas uniformes. El modo fundamental de la guía de ondas TE 10 es una onda rápida, con , donde k 0 es el número de onda del vacío. La radiación hace que el número de onda k z del modo de propagación dentro de la estructura de la guía de ondas abierta se vuelva complejo. Mediante una aplicación del principio de fase estacionaria, se puede encontrar de hecho que:
donde θ m es el ángulo de radiación máxima tomado desde el costado (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 de la guía. Como es típico para una LWA uniforme, el haz no se puede escanear 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 se puede escanear demasiado cerca del extremo de fuego (θ m = 90°, dirección z) ya que esto requiere operación a frecuencias significativamente superiores al corte, donde los modos de orden superior se pueden propagar, al menos para una guía de ondas llena de aire. El escaneo se limita solo al cuadrante delantero (0 < θ m < Π / 2), para una onda que viaja en la dirección z positiva.
Esta distribución de apertura de onda con fugas unidimensional (1D) da como resultado un "haz en abanico" que tiene una forma estrecha en el plano xz (plano H) y una forma ancha en el plano transversal. Se puede crear un "haz en forma de lápiz" utilizando una matriz de dichos radiadores 1D. A diferencia de la estructura de onda lenta, se puede crear un haz muy estrecho en cualquier ángulo eligiendo un valor suficientemente pequeño de α. Una fórmula simple para el ancho del haz, medido entre los puntos de media potencia ( ), es:
donde L es la longitud de la antena de ondas fugaces 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 ranura de 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 fugado efectivamente antes de llegar al final de la ranura. 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 lo suficientemente larga. Dado que la potencia se irradia de forma continua a lo largo de la longitud, el campo de apertura de una antena de ondas con fugas con geometría estrictamente uniforme tiene una decadencia exponencial (normalmente lenta), de modo que el comportamiento de los lóbulos laterales es deficiente. La presencia de los 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 de 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, como β no debe modificarse, la geometría debe modificarse aún más para restaurar el valor de β, cambiando así un poco también α.
En la práctica, esta dificultad puede requerir un proceso de dos pasos. La práctica consiste entonces en variar el valor de α lentamente a lo largo de la longitud de una manera específica mientras se mantiene constante β (es decir, el ángulo de radiación máxima), de modo de ajustar la amplitud de la distribución de apertura A(z) para obtener el rendimiento de lóbulo lateral deseado. Podemos dividir las antenas de ondas con fugas uniformes en las que están llenas de aire y las que están 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 escanea variando la frecuencia. De hecho, dado que:
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 una función de la frecuencia, de modo que Δθ cambia a medida que el haz se escanea en frecuencia. Por otro lado, con respecto a la sensibilidad de frecuencia, es decir, la rapidez con la que el ángulo del haz escanea a medida que varía la frecuencia, la estructura parcialmente cargada con dieléctrico puede escanear sobre un rango mayor de ángulos para la misma variación de frecuencia, como se ve claramente en la figura 2, y por lo tanto es preferida.
En respuesta a los requisitos de longitudes de onda milimétricas, las nuevas antenas se basaron generalmente en guías de onda abiertas con menor pérdida. Un mecanismo posible para obtener radiación es el escorzo de un lado. Consideremos, por ejemplo, la guía de onda dieléctrica no radiactiva (NRD) .
El espaciamiento 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 suficientemente largas, el campo del modo dominante está completamente limitado, ya que ha decaído a valores insignificantes a medida que alcanza los extremos abiertos superior e inferior. Si la porción superior de las placas está acortada, como en la Fig. 3, existe un campo de ondas viajeras de amplitud finita en el extremo abierto superior, y si el modo dominante de la guía NRD es rápido (puede ser rápido o lento dependiendo de la frecuencia), la potencia se irradiará en un ángulo desde este extremo abierto.
Otro mecanismo posible es la asimetría. En la antena de guía NRD asimétrica representada en la Fig. 4, la estructura se divide primero 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 altera 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, que produce un modo en la región de aire de placas paralelas, que es un modo TEM , que se propaga en un ángulo entre las placas paralelas hasta que alcanza el extremo abierto y se escapa. Es necesario mantener las placas paralelas en la región de aire lo suficientemente largas para que el componente de campo eléctrico vertical del modo original (representado en la guía de placas paralelas por el modo TM 1 por debajo del límite de corte ) haya decaído a valores insignificantes en el extremo 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 polarizado cruzado).
La guía de ranuras (que se muestra 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 (superior a λ 0 /2). El campo nuevamente decae exponencialmente en las regiones de menor ancho por encima y por debajo. La antena de ondas con fugas se crea primero dividiendo la guía de ranuras horizontalmente. También se parece a una guía de ondas rectangular con carga de punta.
Cuando el stub está descentrado, la estructura asimétrica obtenida irradiará. Cuando se aumenta el desfase, la constante de atenuación α aumentará y el ancho del haz también aumentará. Cuando el stub se coloca completamente en un extremo, el resultado es una estructura en forma de L que irradia con mucha fuerza.
Además, se ha descubierto que el valor de β cambia muy poco a medida que se mueve el stub, 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 presente fuertes fugas también puede estar relacionado con otro mecanismo de fugas: el uso de modos superiores con fugas. En particular, se puede encontrar que todos los modos superiores de la guía de ranura presentan fugas.
Por ejemplo, considere el primer modo antisimétrico superior. Debido a la simetría de la estructura y las direcciones de las líneas de campo eléctrico, la estructura se puede dividir en dos partes para obtener la forma de L, como se representa en la figura 6.
La antena puede analizarse utilizando una red transversal equivalente 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 figura 7.
Por lo general, la longitud del trozo de cable solo debe ser aproximadamente la mitad de una longitud de onda o menos si el trozo de cable es angosto.
Para aprovechar las posibilidades de las técnicas de circuitos impresos, se ha desarrollado una versión de circuito impreso de la estructura anterior. De esta manera, el proceso de fabricación podría hacer uso de la 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 figura 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, por encima del transformador aparece una susceptancia adicional.
Las guías principales y de conexión ya no son las mismas, por lo que sus números de onda y admitancias características también son diferentes. Nuevamente, α se puede variar modificando la ubicación de la ranura d, como se ve en la figura 8. Sin embargo, se encontró que a' también es un buen parámetro para modificar con este fin, como se muestra en la figura 9.
Se ha desarrollado y analizado una variación interesante de las estructuras anteriores. Se basa en una guía de ondas escalonada o de cresta en lugar de una guía de ondas rectangular. En las estructuras basadas en la guía de ondas rectangular, la asimetría se logró colocando la guía de extremo, 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 equivalentes transversales, junto con las expresiones asociadas para los elementos de la red, se adaptaron y extendieron para aplicarlas 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 el control independiente del ángulo de radiación máxima θ m y del ancho de 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. Resulta entonces que al cambiar b m /a se puede ajustar el valor de β/k 0 sin alterar mucho α/k 0 , y que al cambiar Δb/b m se puede variar α/k 0 en un amplio rango sin afectar mucho a β/k 0 .
Por lo tanto, el diseño cónico para controlar el nivel del lóbulo lateral implicaría solo el desequilibrio relativo Δb/b m . La red equivalente transversal se complica ligeramente por la presencia de dos cambios adicionales en la altura de la guía de ondas, que se pueden modelar por medio de susceptancias en derivación y transformadores ideales. El transformador ideal representa el cambio en la impedancia característica, mientras que el almacenamiento de energía reactiva se tiene en cuenta a través de la susceptancia. Las matrices de escaneo logran el escaneo en dos dimensiones mediante la creación de una matriz en fase unidimensional de antenas de fuente de línea de ondas con fugas. Las fuentes de línea individuales se escanean en elevación variando la frecuencia. El escaneo en el plano cruzado, y por lo tanto en acimut, se produce mediante desfasadores dispuestos en la estructura de alimentación de la matriz unidimensional de fuentes de línea. Por lo tanto, la radiación se producirá en forma de haz de lápiz y escaneará tanto en elevación como en acimut de manera cónica. El espaciado entre las fuentes de línea se elige de modo que no se produzcan lóbulos de rejilla, y los análisis precisos muestran que no aparecen puntos ciegos en ninguna parte. Los conjuntos descritos 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 de la celda unitaria modifica la red transversal equivalente. Por lo tanto, una característica clave del análisis de conjuntos 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 ha descubierto que estos valores cambian solo un poco, de modo que la desviación con respecto a la exploración cónica es pequeña. A continuación, consideramos si hay o no puntos ciegos. Los puntos ciegos se refieren a ángulos en los que el conjunto no puede radiar ni recibir ninguna potencia; 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 entonces cualquier caída pronunciada en las curvas de α/k 0 en función del ángulo de exploración. Nunca se encontraron tales caídas. Los datos típicos de este tipo muestran un comportamiento bastante plano para α/k 0 hasta que las curvas caen rápidamente a cero cuando alcanzan el final del rango de escaneo cónico, donde el haz toca el suelo.
