Экспресс-расчет характеристик излучения антенны с последовательным питанием на основе диэлектрического волновода

Abstract

Представлена инженерная методика предварительного расчета основных характеристик излучения антенны вытекающей волны с последовательным питанием, построенной на основе планарного диэлектрического волновода и периодической гребенчатой решетки. Описана физическая электродинамическая модель, позволяющая аналитически оценивать угловое положение главного лепестка диаграммы направленности, угло-частотную чувствительность и параметры апертурного возбуждения. Предложен пошаговый алгоритм экспресс-расчета, апробированный на примере антенны миллиметрового диапазона (41 ГГц). Показано, что погрешность упрощенной методики при оценке направления максимального излучения не превышает долей градуса по сравнению с относительно строгой численной моделью при сокращении вычислительных затрат более чем на два порядка. Разработанная методика учитывает влияние диэлектрической проницаемости, толщины планарного волновода и периода решетки, что обеспечивает гибкое управление дисперсионными свойствами излучающей апертуры и позволяет достоверно прогнозировать ширину главного лепестка. Отмечается, что максимальный уровень боковых лепестков с использованием приближенного подхода прогнозируется с ограниченной точностью и требует уточнения в рамках электродинамического моделирования. Методика рекомендована для использования на этапах предварительного проектирования и оптимизации геометрии раскрыва перед запуском ресурсоемкого трехмерного электродинамического моделирования в современных САПР. This paper presents a simplified engineering methodology for the preliminary estimation of key radiation characteristics of a series-fed leaky-wave antenna based on a planar dielectric waveguide and a periodic grating structure. A physical electrodynamic model is described that enables analytical evaluation of the main beam direction, angle–frequency sensitivity, and aperture excitation parameters. A step-by-step express-calculation algorithm is proposed and validated using a millimeter-wave antenna example at 41 GHz. It is shown that the error of the simplified methodology in estimating the direction of maximum radiation does not exceed a fraction of a degree compared to a relatively rigorous numerical model, while reducing computation time by more than two orders of magnitude. The developed approach accounts for the effects of dielectric permittivity, planar dielectric waveguide thickness, and grating period, thereby providing flexible control over the dispersive properties of the radiating aperture and enabling reliable prediction of the main beamwidth. It is noted that the maximum sidelobe level, when estimated using the approximate approach, is predicted with limited accuracy and requires refinement through full-wave electromagnetic simulation. The methodology is recommended for use in the stages of preliminary design and aperture geometry optimization prior to launching resource-intensive full-wave electromagnetic modeling in modern CAD tools.