CC BY
7
М. А. Галуза А. И. Климов,
доктор технических наук, доцент
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛОСКОЙ АНТЕННЫ СВЧ, СОСТАВЛЕННОЙ ИЗ ЧЕТЫРЕХ ПОДРЕШЕТОК ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ
CHARACTERISTICS OF A FLAT SHF ANTENNA COMPOSED OF FOUR LEAKY WAVE SUBARRAYS
Приведены результаты имитационного моделирования новой плоской антенны СВЧ, составленной из четырех одинаковых подрешеток вытекающей волны. Подрешетки объединены с помощью четырехканального волноводного делителя/сумматора мощности типа «звезда». Показано, что, как и ожидается, в сравнении с одиночной антенной антенна из четырех подрешеток обладает на 6 дБ большим коэффициентом направленного действия и коэффициентом усиления.
The results of computer simulation of a new flat SHF antenna composed of four identical leaky wave subarrays are presented. The subarrays are combined using a four-channel waveguide star-type power divider/combiner. It is shown that, as expected, in comparison with a single antenna, an antenna of four subarrays has 6 dB higher directivity and gain.
Плоские антенны вытекающей волны (АВВ), содержащие плоский диэлектрический волновод (ПДВ) и дифракционную решетку (ДР) из металлических полосок, обладают высокой эффективностью излучения, имеют простую и достаточно технологичную конструкцию. В ряде работ [1—4] показано, что коэффициент полезного действия АВВ достигает 80—90 % на частотах вплоть 90—100 ГГц. АВВ нормального излучения СВЧ и КВЧ с центральным, т.е. параллельно-последовательным питанием (рис. 1 [1]), в полосе частот до 1—2 % имеют диаграммы направленности (ДН) шириной около 4°, коэффициент усиления (КУ) до 28—30 дБ и могут быть использованы в приемопередающей аппаратуре различных радиосистем, включая системы охраны и радиосвязи. Вместе с тем в
некоторых случаях необходимы плоские антенны с более узкими ДН и повышенным коэффициентом усиления (порядка 34—36 дБ), например для использования в измерительной технике — радиолокационных измерителях уровня, параметров вибрации и др.
Увеличение коэффициента направленного действия (КНД) и КУ принципиально не вызывает затруднений, для этого достаточно увеличить площадь раскрыва АВВ, т.е. размеры А и В, обозначенные на рис. 1. Однако при этом неизбежно будет сужаться полоса рабочих частот в силу известных свойств антенных решеток с последовательным питанием [5, 6], что может оказаться неприемлемым. В этой связи возникает вопрос о построении плоской АВВ с высокими КНД и КУ и достаточной для практики шириной полосы рабочих частот.
В данной работе рассматривается новый вариант плоской АВВ СВЧ нормального излучения в виде антенны, составленной из четырех одинаковых подрешеток с равноам-плитудным синфазным возбуждением. В таком случае, как показывает теория антенных решеток [5, 6], можно ожидать сужения ДН в Е- и Н-плоскостях в два раза и увеличения максимального КНД антенны в четыре раза, т.е. на 6 дБ. Соответственно, если в качестве подрешетки использовать, например, плоскую АВВ с КНД 28 дБ, антенна из четырех подрешеток может иметь КНД 34 дБ. При этом, однако, не следует рассчитывать на сохранение исходного уровня боковых лепестков ДН, присущего одиночной антенне. В известных АВВ обычно реализуется амплитудное распределение, симметричное относительно центра раскрыва и спадающее к его краям. По этой причине при простом объединении таких АВВ в четырехэлементную решетку в центре ее раскрыва будет иметь место провал в амплитудном распределении, что должно привести к росту уровня боковых лепестков ДН. Тем не менее вариант антенны из четырех подрешеток представляется интересным и все-таки перспективным, учитывая возможности модификации подрешеток для получения приемлемого амплитудного распределения.
В качестве примера подрешетки для построения новой антенны выбрана плоская АВВ, показанная на рис. 1, основные характеристики которой, полученные путем имитационного моделирования с помощью компьютерной программы Ю^, приведены на рис. 2 и 3. Размеры раскрыва АВВ АхВ=П5*1П мм2, антенна имеет наибольший КНД D=28,9 дБ и КУ с учетом коэффициента стоячей волны (КСВ) на входе GR=28,8 дБ на частоте 24,2 ГГц. Рабочая полоса частот антенны 28,9—24,5 ГГц.
Рис. 1. Плоская АВВ с центральным питанием
Рис. 2. Частотные характеристики КСВ, КНД и коэффициента усиления
одиночной антенны
M ■ AH4VS
-100.00 -150.00 -120.00 -90.00 -60.00
-30 00 0.00 30 00 Thêta [dag]
90.00 120.00 150.00
Рис. 3. Пример ДН одиночной антенны в Е- и Н-плоскостях
Для объединения четырех подрешеток можно использовать различные (волновод-ные, полосковые и др.) варианты синфазных равноамплитудных делителей/сумматоров мощности. В данной работе для имитационного моделирования антенны из четырех под-решеток использован вариант четырехканального параллельного устройства типа «звезда», представляющего собой восьмиполюсник, реализованный в виде объединения четырех прямоугольных металлических волноводов сечением 12,5*2,5 мм2, короткоза-мкнутых на концах. Верхние широкие стенки волноводов (рабочий тип волны — Н10) имеют прямоугольные щели связи с подрешетками вытекающей волны. Входом антенны служит прямоугольная щель стандартного сечения в центре сочленения волноводов в его нижней стенке, рис. 4. Таким образом, площадь раскрыва антенны увеличилась в четыре раза.
О 50 100 (mm)
Рис. 4. Плоская антенна из четырех подрешеток
Результаты имитационного моделирования антенны из четырех подрешеток с равноамплитудным синфазным питанием иллюстрируются рис. 5 и 6.
htSSMHMI
* *
ml 24.2000 34.8605
m2 242000 34 6665
m3 24.0000 34.3149
т4 24.4000 34 2638
— dSlDirTdtali Setup 1 ' -злее? Phi='0d&g' Tha[B='OdegL -- daiRealizedGanTowi Setup 1 : Sweep
Thgta='Odegr
23.50 23. go 34.00 24 1 □ 24.20 24.30 24.40 24 50 24.G0
30.00 ■
23.SO 23.» 24.00 34.10 24.20 24.30 24.40 34.50 24 50
Fteq [GHz) Freq [GHz]
Рис. 5. Частотные характеристики КСВ, КНД и коэффициента усиления антенны из четырех подрешеток
Полоса частот, ограниченная возрастанием КСВ до значения, равного 2 (рис. 5), составила приблизительно 0,45 ГГц (2 %) и оказалась существенно уже, чем у одиночной антенны. Однако для АВВ с КНД почти 35 дБ это вполне удовлетворительный результат, который может быть улучшен путем оптимизации конструкции делителя/сумматора мощности.
Как видно из рис. 6, на частоте 24,2 ГГц ширина ДН антенны в Е- и Н-плоскостях уменьшилась до 2°, КНД антенны возрос до 34,9 дБ и, как и ожидалось, оказался на 6 дБ выше, чем у одной подрешетки. Вместе с тем сравнение ДН антенны из четырех подре-шеток (рис. 6) и одиночной подрешетки (рис. 3) показывает, что, как и ожидалось, уровень боковых лепестков ДН антенны из подрешеток на одной и той же частоте 24,2 ГГц оказался выше: -11,7 дБ вместо -15,1 дБ.
Thêta [deg]
Рис. 6. Пример ДН антенны из четырех подрешеток в Е- и Н-плоскостях
Тем не менее результаты моделирования показывают, что имеется вполне реальная возможность построения плоских АВВ с довольно высокими, можно сказать, не вполне характерными для подобных антенн КНД, и коэффициентами усиления. При необходимости получения ДН с низким уровнем боковых лепестков необходимо использовать подрешетки, в которых реализуются амплитудные распределения в раскрывах, спадающие вдоль соответствующих диагоналей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2517724 C1 Российская Федерация, МПК7 H01Q13/28, H01P3/16. Плоская антенна вытекающей волны / Борисов Д. Н., Золотухин А. В., Климов А. И., Нечаев Ю. Б., Юдин В. И.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный университет. — № 2012144897/08; заявл. 22.10.2012; опубл. 27.05.04, Бюл. № 15. — 7 с.
2. Антипов С. А., Борисов Д. Н., Ерошенко Д. А., Климов А. И. Плоские антенные решетки вытекающей волны для применений в миллиметровом диапазоне // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2013. — Т. 9. — № 6-3. — С. 36-40.
3. Борисов Д. Н., Ерошенко Д. А., Климов А. И., Нечаев Ю. Б. Плоская однослойная антенная решетка вытекающей волны // Сб. докл. 24-й Междунар. конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 7—13 сентября 2014 г. — Севастополь, 2014. — Т. 1. — С. 509—510.
4. Ерошенко Д. А., Климов А. И., Кузнецов А. В. Плоская антенная решетка диапазона КВЧ с высоким коэффициентом усиления // Вестник Воронежского института МВД России. — 2017. — № 4. — С. 175—181.
5. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток : учеб. пособие для вузов / Д. И. Воскресенский [и др.] ; под ред. Д. И. Воскресенского. — М. : Радиотехника, 2012. — 744 с.
6. Хансен Р. С. Фазированные антенные решетки : второе издание. — М. : Техносфера, 2012. — 560 с.
REFERENCES
1. Pat. 2517724 C1 Rossiyskaya Federatsiya, MPK7 H01Q13/28, H01P3/16. Ploskaya antenna vyitekayuschey volnyi / Borisov D. N., Zolotuhin A. V., Klimov A. I., Nechaev Yu. B., Yudin V. I.; zayavitel i patentoobladatel Voronezhskiy gosudarstvennyiy universitet. — # 2012144897/08; zayavl. 22.10.2012; opubl. 27.05.04, Byul. # 15. — 7 s.
2. Antipov S. A., Borisov D. N., Eroshenko D. A., Klimov A. I. Ploskie antennyie resh-etki vyitekayuschey volnyi dlya primeneniy v millimetrovom diapazone // Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2013. — T. 9. — # 6-3. — S. 36-40.
3. Borisov D. N., Eroshenko D. A., Klimov A. I., Nechaev Yu. B. Ploskaya odnosloy-naya antennaya reshetka vyitekayuschey volnyi // Sb. dokl. 24-y Mezhdunar. konferentsii «SVCh-tehnika i telekommunikatsionnyie tehnologii» 7—13 sentyabrya 2014 g. — Sevastopol, 2014. — T. 1. — S. 509—510.
4. Eroshenko D. A., Klimov A. I., Kuznetsov A. V. Ploskaya antennaya reshetka dia-pazona KVCh s vyisokim koeffitsientom usileniya // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2017. — # 4. — S. 175—181.
5. Ustroystva SVCh i antennyi. Proektirovanie fazirovannyih antennyih reshetok : ucheb. posobie dlya vuzov / D. I. Voskresenskiy [i dr.]; pod red. D. I. Voskresenskogo. — M. : Radiotehnika, 2012. — 744 s.
6. Hansen R. S. Fazirovannyie antennyie reshetki : vtoroe izdanie. — M. : Tehnosfera, 2012. — 560 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Галуза Максим Андреевич. Адъюнкт.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: q0mezon@gmail.com
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-65.
Климов Александр Иванович. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: alexserkos@inbox.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-65.
Galuza Maksim Andreevich. Post-graduate student.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: q0mezon@gmail.com
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-65.
Klimov Alexander Ivanovich. Professor of the chair of Infocommunication Systems and Technologies. Doctor of Sciences (Radio Engineering), Assistant Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: alexserkos@inbox.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-65
Ключевые слова: плоская антенная решетка; вытекающие волны; коэффициент направленного действия; коэффициент усиления; диаграмма направленности.
Key words: flat antenna array; leaky waves; radiation efficiency; directivity; gain; radiation pattern.
УДК 621.396.67
