Desain dan Eksperimen Antena Slot Saluran Radial Baru untuk Aplikasi Gelombang Mikro Daya Tinggi

Abstrak

Antena slot saluran radial (RLSA) adalah susunan slot pandu gelombang multimode nonresonan. Untuk meningkatkan kapasitas penanganan daya, kami merancang struktur gelombang lambat saluran radial yang menggantikan lembaran dielektrik tradisional. Pada saat yang sama, struktur unit radiator didesain ulang dan dioptimalkan. RLSA gelombang mikro daya tinggi (HPM) ini diumpankan dari pandu gelombang saluran radial dua lapis untuk mewujudkan radiasi terarah dari gelombang mikro daya tinggi. Namun, slot yang tersusun spiral untuk polarisasi sirkuler menimbulkan pantulan serius pada mode orde lebih tinggi, yang mengganggu operasi normal antena. Slot pembatal pantulan ditambahkan ke slot konvensional dan rugi balik antena ditingkatkan secara efektif. Antena yang beroperasi pada 9,42 GHz dirancang dengan panjang 15 cm dan jari-jari bukaan 27 cm. Hasil simulasi numerik menunjukkan bahwa efisiensi bukaan yang dihitung mencapai 44,8%, reflektansi kurang dari -20 dB, efisiensi radiasi lebih dari 99%. Pengukuran eksperimental dilakukan untuk prototipe. Dalam rentang 9,30–9,45 GHz, pantulan antena di bawah -10 dB. Penguatan antena mencapai 29,0 dBi, dan rasio aksial di bawah 1,6 dB. Selain itu, eksperimen daya tinggi membuktikan bahwa antena ini memiliki kapasitas penanganan daya lebih dari 1 GW.

Pendahuluan

Selama beberapa tahun terakhir, gelombang mikro daya tinggi (HPM) telah mencakup berbagai aplikasi di bidang sipil dan militer. Dengan perkembangan teknologi HPM, desain antena menjadi perhatian. Karena kekhususan HPM, antena HPM harus memenuhi beberapa persyaratan khusus seperti kapasitas penanganan daya tinggi dan struktur kompak dengan syarat memastikan radiasi yang baik. Namun, banyak sumber HPM menghasilkan keluaran simetris azimuth, seperti mode TM01 sirkuler dan mode TEM koaksial. Jika diradiasikan secara langsung, mode ini akan menghasilkan pola berbentuk donat dengan lubang di tengah, yang tidak cocok untuk aplikasi pancaran daya. Akibatnya, antena HPM perlu mewujudkan radiasi terarah dari mode simetris azimuth. Banyak pencapaian telah dibuat dalam beberapa tahun terakhir, teknik paling representatif termasuk antena Vlasov, antena pengubah mode, konverter mode dengan tanduk radiasi, dan antena susunan heliks saluran radial daya tinggi. Namun, antena ini hanya cocok bekerja di pita L atau pita S karena struktur khusus yang membatasi kapasitas penanganan daya. Menghasilkan HPM dengan daya lebih tinggi, frekuensi lebih tinggi, dan lebar pulsa lebih panjang selalu menjadi salah satu topik terpanas di domain HPM. Sementara itu, sumber HPM yang beroperasi di pita Ku telah disarankan dalam literatur, tetapi tidak banyak hasil eksperimental yang dilaporkan. Jadi, menyelidiki sistem radiasi HPM yang beroperasi pada frekuensi lebih tinggi sangat diperlukan di masa depan. Dalam makalah ini, kami mengusulkan antena slot saluran radial HPM yang beroperasi di pita X dengan efisiensi tinggi, struktur kompak, dan kapasitas penanganan daya yang menonjol.

Struktur Antena

Antena slot saluran radial HPM (HPM-RLSA) yang dirancang adalah susunan planar pandu gelombang bercelah dengan profil rendah. Dalam RLSA dua lapis ini, tiga pelat membentuk pandu gelombang saluran radial dua lapis. Pelat atas adalah bukaan dengan slot. Fitur unik RLSA adalah penggunaan gelombang berjalan radial untuk eksitasi slot. Daya elektromagnetik diumpankan di pusat pandu gelombang bawah melalui adaptor saluran koaksial-ke-radial dalam mode TEM. Ini menghasilkan mode TEM berjalan radial ke dalam di pandu gelombang atas yang berpasangan ke slot. Slot pada pelat atas dipasangkan, masing-masing merupakan unit radiator polarisasi sirkuler, dan disusun sepanjang spiral yang dirancang sehingga radiasi ditambahkan sefase di arah lebar antena. Untuk menekan lobus kisi dari susunan, pandu gelombang atas terdiri dari struktur gelombang lambat saluran radial dan panjang gelombang pandu λg diperkecil menjadi ξλ0 (λ0 adalah panjang gelombang ruang bebas), di mana ξ(<1) adalah faktor gelombang lambat. Slot untuk polarisasi sirkuler dipasangkan dengan seperempat panjang gelombang pandu. Pantulan dari dua slot hampir saling membatalkan, sehingga slot itu sendiri memiliki pantulan kecil. Namun, pemotongan susunan slot dapat menyebabkan pantulan besar, yang mengganggu operasi normal antena, oleh karena itu slot pembatal pantulan ditambahkan ke pandu gelombang bawah, teknologi kunci yang digunakan dalam desain RLSA baru, dan rugi balik antena ditingkatkan secara efektif. Dengan menambahkan penutup dielektrik di atas bukaan antena, antena dapat dipompa ke vakum, sehingga ambang batas breakdown lebih tinggi dari sebelumnya, yang akan memiliki kapasitas penanganan daya yang signifikan.

Desain dan Hasil Simulasi

A. Desain Struktur Gelombang Lambat Saluran Radial

Untuk menekan lobus kisi dari susunan, pandu gelombang atas dalam RLSA tradisional diisi dengan bahan dielektrik. Intensitas medan listrik di sekitar sambungan rangkap tiga di pandu gelombang radial akan besar dalam kondisi HPM yang mengakibatkan breakdown. Akibatnya, keberadaan bahan dielektrik dalam antena susunan tradisional menyebabkan tidak dapat digunakan langsung ke HPM karena keterbatasan kapasitas penanganan daya. Pada bagian ini, struktur gelombang lambat saluran radial yang terdiri dari serangkaian flake annular konsentris menggantikan lembaran dielektrik tradisional. Pada dasarnya, metode ini digunakan untuk mendapatkan hubungan dispersi dari struktur gelombang lambat saluran radial, yang diturunkan dari kondisi batas elektromagnetik menggunakan teorema Floquet, untuk menemukan cara merancang struktur gelombang lambat sesuai dengan ξ yang diberikan. Kami membangun model pandu gelombang radial dengan struktur gelombang lambat dalam parameter yang diperoleh dari analisis. Hasil simulasi sesuai dengan hasil analisis numerik. Pada 9,42 GHz (λ0=32 mm), ξ yang diberikan adalah 0,875 (λg=28 mm), dan periode gelombang lambat p dipilih sebagai 7 mm, dengan menggunakan hubungan dispersi, kita dapat memperoleh bahwa H=10 mm, d=4,4 mm, h=3,5 mm.

B. Optimasi Struktur Unit Radiator

Karena tepi tajam dan bukaan kecil dari unit slot kuadrat tradisional dari antena slot saluran radial, yang mampu meradiasikan gelombang mikro polarisasi sirkuler, kapasitas penanganan daya tidak dapat memenuhi persyaratan sistem HPM. Mengingat kemudahan fabrikasi, pola radiasi yang baik, dan kapasitas penanganan daya yang sangat baik, unit radiator baru yang terdiri dari dua slot lebar dipelajari secara sistematis. Radius r1 adalah setengah dari lebar slot w, dan r2 adalah radius kelengkungan dari pinggiran bukaan slot, l menunjukkan panjang slot. Unit radiator adalah salah satu komponen kunci untuk memastikan kapasitas penanganan daya antena susunan. Pandu gelombang pelat paralel dengan struktur gelombang lambat dalam kondisi batas periodik digunakan untuk mensimulasikan daerah sektoral dari bukaan melingkar dalam RLSA baru. Dengan membandingkan dengan unit radiator tradisional, kita dapat menemukan bahwa pola radiasi medan jauh simulasi dari unit radiator lebar (l=16 mm, w=6 mm, r2=1 mm, t=5 mm) hampir sama baiknya dengan unit tradisional (l=16 mm, w=1 mm, t=5 mm), sementara medan listrik maksimum dari unit sangat berkurang melalui pusat slot dalam model unit simulasi di pandu gelombang dengan struktur gelombang lambat (sesuai dengan daya masukan 1 W, pada frekuensi 9,42 GHz), kapasitas penanganan daya unit meningkat pesat. Selanjutnya, dengan hanya meningkatkan lebar slot, kita dapatkan hasil seperti yang ditunjukkan, ketika l=16 mm, r2=1 mm. Medan listrik cukup berkurang karena pelebaran slot, yang dianalisis oleh solver domain frekuensi CST dengan FEM. Sementara meningkatkan jumlah tetrahedron dalam meshing unit radiator dengan l=16 mm, r2=1 mm, w=6 mm, intensitas medan yang stabil dapat ditemukan. Hasil simulasi dapat membantu kita menemukan cara bagaimana secara efisien mengurangi medan listrik maksimum. Dalam desain RLSA, kopling slot adalah teknologi kunci yang digunakan. Banyak parameter, seperti pengaturan dan konfigurasi slot, harus dioptimalkan. Satu set persamaan integral dirumuskan dan diselesaikan secara numerik dengan metode Galerkin. Kopling slot diprediksi sebagai fungsi dari berbagai parameter desain, yang dioptimalkan dan dikonfirmasi oleh hasil simulasi, kita dapat menemukan distribusi medan listrik yang hampir seragam pada 8 mm di atas bukaan antena. Hasil menunjukkan bahwa HPM RLSA yang memiliki diameter 54 cm menunjukkan kinerja yang baik. Pada 9,42 GHz, directivity yang dihitung adalah 31,0 dBi dan efisiensi bukaan mencapai 44,8%. Selain itu, intensitas medan listrik maksimum dari RLSA sekitar 1149 V/m, yang terkonsentrasi terutama di slot pada pandu gelombang radial atas. Jika kita mengasumsikan ambang batas breakdown 50 MV/m dalam kondisi vakum, kapasitas penanganan daya RLSA ini dapat mencapai tingkat GW (sesuai dengan daya masukan 1 W). Namun, jalur susunan slot dapat menyebabkan pantulan besar, yang mengganggu operasi normal antena, efisiensi radiasi dari HPM RLSA yang dirancang kurang dari 80%.

C. Desain Slot Pembatal Pantulan

Susunan terdiri dari banyak pasangan slot yang disusun spiral pada bukaan sehingga radiasi ditambahkan sefase di arah lebar antena. Dalam makalah ini, jarak antara pasangan yang berdekatan Sρ (Sρ=λg) dan Sφ sepanjang arah ρ dan φ masing-masing konstan, dan kemudian kerapatan pasangan slot hampir seragam di atas bukaan, yang memungkinkan antena susunan memiliki distribusi amplitudo yang seragam dalam eksitasinya. Struktur ini asimetris rotasi terhadap sumbu z, sebagai akibatnya, jalur susunan slot dapat menimbulkan pantulan serius yang mengganggu operasi normal antena, seperti yang ditunjukkan pada fungsi 1 ρ(φ)=(r0+φ λg 2 π), φ∈[0,6,5*2 π] (1) di mana r0 adalah radius kepala jalur pasangan slot, dan jarak antara pasangan yang berdekatan sepanjang arah ρ adalah λg, sehingga mode TE21 degenerasi yang dipantulkan harus dideteksi pada port pandu gelombang koaksial overmode masukan. Sudut antara dua arah polarisasi adalah π/4. Untuk mewujudkan efisiensi radiasi tinggi dari HPM-RLSA, struktur pembatal pantulan tidak dapat mengganggu simetri rotasi medan berjalan radial ke dalam di pandu gelombang atas serta keseragaman iluminasi bukaan. Dari berbagai perbandingan dan analisis, kami menemukan bahwa slot spiral yang diatur di pandu gelombang bawah dapat menjadi tipe yang cocok dari struktur pembatal pantulan, yang mirip dengan jalur slot pada pandu gelombang radial atas. Fungsi dari jalur slot spiral ditunjukkan di bawah ini ρ(φ)=(ρ0+φ λ0 2 π), φ∈[0,4 π]. (2) Jarak slot spiral sepanjang ρ adalah λ0. Dengan mengoptimalkan konfigurasi slot pembatal pantulan, seperti lebar wc dan kedalaman dc dari slot, kita dapat mengontrol amplitudo pantulan, sementara ρ0 mengontrol fase pantulan yang dideteksi di port masukan. Akhirnya, efisiensi radiasi telah ditingkatkan secara signifikan, yaitu lebih dari 99%.

D. Seluruh Struktur RLSA

Setelah struktur gelombang lambat saluran radial, unit radiator yang ditingkatkan, dan slot pembatal pantulan dirancang, HPM-RLSA dapat dicapai dengan memuat slab dielektrik di bukaan. Panjang total HPM-RLSA yang dioptimalkan sekitar 15 cm. Seluruh perangkat disimulasikan secara rinci dan hasil eksperimental akan dibahas di Bagian IV.

Hasil Eksperimen

Untuk memverifikasi kelayakan HPM-RLSA ini, eksperimen harus dilakukan. Mempertimbangkan generator HPM gelombang lambat overmode yang bekerja pada 9,42 GHz, HPM-RLSA yang beroperasi pada 9,42 GHz difinalisasi berdasarkan desain yang relevan di atas, seperti yang ditunjukkan pada tabel parameter.

A. Uji Gelombang Mikro Daya Rendah

Antena diuji pada situasi daya rendah. Pola radiasi dan rasio aksial antena pada 9,42 GHz ditunjukkan pada tabel penguatan dan rasio aksial. Karena antena ini meradiasikan medan listrik polarisasi sirkuler, pengukuran penguatan antena dilakukan dengan metode perbandingan antena LP standar. Arah horizontal adalah sepanjang φ=90° dan arah vertikal sepanjang φ=0°. Hasil pengukuran sebagian besar sesuai dengan simulasi. Penguatan antena sekitar 29,02 dBi pada 9,42 GHz. Hasil simulasi dan pengukuran koefisien pantulan antena disajikan. Di dekat frekuensi pusat, pantulan sangat rendah berkat slot pembatal pantulan. Namun, frekuensi pusat terukur menyimpang dari yang dirancang sekitar 60 MHz terutama karena cacat dalam pembuatan antena dan kondisi pengukuran yang berbeda dari yang disimulasikan, dan mungkin pandu gelombang pencocokan impedansi dalam eksperimen mempersempit bandwidth. Efisiensi radiasi ditingkatkan dengan menyesuaikan struktur beberapa sambungan antena. Meskipun bandwidth tidak terlalu lebar, itu cukup untuk aplikasi dengan sumber gelombang mikro pita sempit, seperti generator HPM gelombang lambat overmode yang disebutkan sebelumnya.

B. Uji Gelombang Mikro Daya Tinggi

Untuk menentukan kapasitas penanganan daya antena ini, uji daya tinggi dikembangkan. Seluruh struktur dipelajari secara eksperimental pada akselerator di laboratorium. Hasil tipikal dari gelombang mikro yang terdeteksi yang diradiasikan dari antena menunjukkan bahwa sumber HPM menghasilkan HPM 600 MW pada mode pengulangan 20 Hz, dan lebar pulsa lebih dari 80,0 ns. HPM ini berhasil diradiasikan oleh antena yang disebutkan di atas. Pola radiasi terukur dari antena sebagian besar sesuai dengan hasil teoretis, yang menunjukkan bahwa antena bekerja dengan baik dalam kondisi HPM. Hasil eksperimental juga menunjukkan bahwa tidak ada breakdown parah atau pemendekan pulsa yang terjadi di antena. Selain itu, ketika sumber HPM menghasilkan HPM 1 GW, bentuk gelombang keluaran menunjukkan durasi pulsa sekitar 78,0 ns.

Kesimpulan

Dalam makalah ini, kami menyelidiki HPM RLSA untuk mewujudkan radiasi terarah gelombang mikro daya tinggi. Prototipe antena dirancang dan diukur. Hasil eksperimental membuktikan kelayakan antena ini, yang memiliki efisiensi tinggi, struktur kompak, dan kapasitas penanganan daya yang menonjol.