CC BY
54
М.А. Галуза
А.И. Климов,
доктор технических наук, доцент
А.В. Кузнецов,
АО «Воронежское центральное конструкторское бюро «Полюс»
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛОСКОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ АНТЕННЫ
ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ
Приведены результаты компьютерного моделирования плоской антенны вытекающей волны диапазона КВЧ с фазовым сканированием диаграммы направленности. Определены факторы, ограничивающие угловую ширину сектора сканирования. Предложены рекомендации по синтезу и использованию сканирующих антенн вытекающей волны.
The results of computer simulation of an EHF planar leaky wave antenna with phase scanning of the radiation pattern are presented. The factors limiting the angular width of the scanning sector are determined. Recommendations on the synthesis and use of a leaky wave scanning antennas are proposed.
В технике радиосвязи и радиолокации диапазона КВЧ, в частности в аппаратуре точек доступа для перспективных сетей 5G, в автомобильных радарах систем предупреждения столкновений, применяются фазированные антенные решетки (ФАР) или многолучевые антенны (МА), построенные на основе плоских щелевых или полосковых решеток, обеспечивающие однокоординатное сканирование диаграммы направленности (ДН) в угловом секторе до ±(20°—30°) [1]. Вместе с тем щелевые решетки (например, изготавливаемые по технологии волноводов, интегрированных с подложкой (SIW)), обладая достаточно высоким коэффициентом полезного действия (КПД) [3], имеют слож-
CHARACTERISTICS OF A PLANAR SCANNING LEAKY WAVE ANTENNA
ные в отношении технологии производства конструкции, а более технологичные микро-полосковые решетки на частотах 60-62 ГГц, 76—77 ГГц и выше заметно уступают щелевым по КПД. С другой стороны, известны линейные и плоские антенные решетки вытекающей волны (АВВ), выполненные на основе желобкового волновода с диэлектрической вставкой с периодически расположенными металлическими полосками [4—8]. Такие антенны по КПД превосходят микрополосковые, но столь же нетехнологичны, как и волноводно-щелевые.
В связи с этим в качестве альтернативного варианта построения ФАР или МА КВЧ в [1, 2] было предложено использовать плоскую АВВ в виде экранированного с одной стороны диэлектрического волновода (ДВ) с одномерно-периодической дифракционной решеткой из металлических полосок. Подобные АВВ с центральным параллельно-последовательным возбуждением создают эффективное излучение по нормали к плоскости раскрыва, а по КПД в диапазоне КВЧ не уступают классическим волноводно-щелевым решеткам. Кроме того, предварительные исследования показали, что их конструкции заслуживают внимания в плане построения ФАР с однокоординатным сканированием ДН. Пример плоской АВВ с восемью входами, образованными решеткой щелей в экране под центральной полоской дифракционной решетки, показан на рис. 1 [2].
<]В1
Рис. 1. Плоская сканирующая АВВ
Антенна построена на основе структуры с ^-поляризацией, т.е. излучающей электромагнитные волны с вектором Е, параллельным оси ОХ. При синфазном возбуждении всех входов направление максимального излучения совпадает с осью 02, а при возбуждении входов с линейно нарастающим (убывающим) фазовым сдвигом можно обеспечить сканирование ДН в плоскости У02 в пределах определенного углового сектора 20. Так, в случае плоской АВВ с размерами излучающей апертуры 34,4*32 мм2 и ДВ толщиной Н=0,8 мм из материала с относительной диэлектрической проницаемостью 8=2,25,
120
рассчитанной для средней частоты 61 ГГц, при периоде возбуждающих щелей 0,8 длины волны обеспечивается фазовое сканирование ДН в угловом секторе ±20° при уровне боковых лепестков ДН в плоскости сканирования не более -10 дБ.
Однако анализ результатов компьютерного моделирования показал, что процесс фазового сканирования ДН плоской АВВ с центральным возбуждением в отличие от волно-водно-щелевой решетки из нескольких волноводов имеет особенности [2]. Во-первых, при отклонении ДН от нормали к апертуре гораздо сильнее проявляется частотная зависимость взаимосвязи и качества согласования входов антенны. Во-вторых, на формирование ДН существенно влияет увеличение эквивалентного периода полосковых подрешеток при отклонении угловых направлений потоков мощности возбуждаемых в ДВ поверхностных волн от оси ОХ, а также изменение их замедления (эффект скошенной решетки [9]). Это, в свою очередь, приводит к росту уровня боковых лепестков и расщеплению главного лепестка ДН в плоскости, ортогональной плоскости сканирования. Таким образом, возникает вопрос об оптимальном выборе средней рабочей частоты, на которой можно обеспечить однокоорди-натное сканирование ДН в угловом секторе до ±30° при сохранении приемлемых значений коэффициента направленного действия (КНД) и уровня боковых лепестков ДН в плоскости сканирования.
В этой связи в данной работе исследованы характеристики сканирования плоской АВВ с Н-поляризацией на основе экранированного ДВ с одномерно-периодической дифракционной решеткой из металлических полосок, но с торцевым возбуждением ДВ (рис. 2). Антенна может возбуждаться, например, с помощью Н-плоскостной решетки прямоугольных металлических волноводов с волнами Н10, расположенной у левого торца, или решетки щелей в экране. Расчет конструктивных параметров антенны для полосы частот 60—61 ГГц выполнен с использованием математической модели, позволяющей для ДВ с заданной толщиной Н и относительной диэлектрической проницаемостью е определить значения периода решетки d и ширины полосок w, при которых реализуется режим излучения АВВ в заданном направлении. Приведенные ниже результаты получены для структуры с параметрами: ^=42 мм, 5=48,8 мм, H=1 мм, е=2,1, d=4,1 мм, w=1,8 мм. Для возбуждения АВВ использована решетка из 16 прямоугольных щелей в экране, расположенных вдоль оси OY с шагом 0,6Х на частоте 60,5 ГГц.
На рис. 3 приведены примеры пространственных ДН антенны в случае синфазного возбуждения входов (а) при линейном увеличении сдвига фаз колебаний на входах в направлении +OY с шагом 50° (б) и 100° (в). Отчетливо видно, что имеет место двух-координатное сканирование ДН, что подтверждается диаграммой Theta-Phi, приведенной на рис. 4, на которой точками отмечены 9 угловых положений главного лепестка ДН для случаев линейно нарастающего сдвига фазы в направлениях ±OY. Для удобства восприятия азимутальные углы Phi отсчитываются от оси ОХ. При синфазном возбуждении входов ширина ДН в ^-плоскости (XOZ) в0,5=6°.
Рис. 2. Плоская АВВ с торцевым возбуждением
Рис. 3. Пространственные ДН антенны при сканировании
-180
Рис. 4. Диаграмма угловых направлений ДН при сканировании
Представленная на рис. 4 диаграмма показывает, что траектория отклонения направления излучения при сканировании представляет собой дугу, причем в случае антенны с приведенными выше конструктивными параметрами это направление дважды оказывается расположенным в плоскости У02 под углами ±20° к оси 02 — нормали к плоскости раскрыва антенны. Такое поведение ДН указывает на то, что при отклонении направления распрстранения поверхностной волны ДВ от оси ОХ увеличивается ее фазовая скорость и соответственно уменьшается замедление, определяющее вместе с эквивалентным периодом решетки направление излучения относительно оси 02. Надо отметить, что при увеличении или уменьшении периода полосковой решетки ё происходит смещение траектории вверх или вниз вдоль оси ТЬйа. На диаграмме также указаны значения КНД антенны в направлении главного максимума ДН и значения ДН в направлении, лежащем в плоскости 702. Максимальный КНД составляет 28,7 дБ, так что коэффициент использования раскрыва (КИП) у=0,74. Видно, что наибольшее снижение КНД (3,4 дБ) имеет место при синфазном возбуждении входов и соответствующем расположении главного максимума ДН в плоскости Х02. Вместе с тем при сканировании ДН есть два симметричных относительно нормали к раскрыву антенны направления, в которых нет снижения КНД, а на краях сектора сканирования снижение КНД в плоскости 702 составляет всего 1,7 дБ. В рассмотренном примере максимальное отклонение направления излучения от оси 02 в плоскости Х02 составляет вшса= во,5=3°. Это позволяет предположить, что для осуществления в точности однокоординатного скани-
рования ДН в плоскости YOZ и обеспечения меньшего снижения КНД в секторе сканирования вместо антенны с торцевым возбуждением можно использовать антенну с центральным возбуждением (рис. 1) при условии, что на заданной рабочей частоте при синфазном возбуждении входов она имеет ДН шириной 6o,5>26max, ориентированную под углом +6max относительно оси OZ в плоскости XOZ. Соответственно, в отличие от АВВ с центральным возбуждением и фиксированной ДН средняя рабочая частота сканирующей антенны должна быть несколько выше частоты резонансной дифракции, при которой направление излучения ориентировано по нормали к раскрыву.
Важным вопросом при построении сканирующей АВВ является вопрос о согласовании ее входов, тем более, что при сканировании антенны с торцевым возбуждением при определенных углах отклонения ДН имеет место резонансная дифракция поверхностной волны ДВ на полосковой решетке, сопровождающаяся существенным ростом амплитуд отраженных волн и, следовательно, коэффициента стоячей волны напряжения (КСВ) на входах. Дополнительно следует учитывать и отражения от торцов структуры, влияющие и на форму ДН. В рассматриваемом примере в полосе частот 60—61 ГГц в отсутствие поглощающей или отражающей нагрузки ДВ при синфазном возбуждении входов активный КСВ<2 (рис. 5) и в среднем возрастает при увеличении угла отклонения ДН, достигая на краях сектора сканирования довольно высокого значения 5,25 (на 14-м входе, рис. 6). Это требует принятия мер по снижению отражений в антенне и увеличению развязки ее входов.
Рис. 5. Частотные характеристики активного КСВ на входах антенны при их синфазном возбуждении
Рис. 6. Частотные характеристики активного КСВ при максимальном отклонении направления излучения
Примеры ДН АВВ при равноамплитудном синфазном возбуждении входов и при ее отклонении на угол 9=27° приведены на рис. 7.
Анализ ДН (рис. 7, а) показывает, что в ^-плоскости уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН составляет -13 дБ, а в Е-плоскости -12 дБ, что характерно для равномерного и экспоненциального амплитудных распределений поля в раскрыве. Важно, что и на краях сектора сканирования в ^-плоскости УБЛ возрастает весьма незначительно, достигая значения -12,8 дБ. Это позволяет рассчитывать на то, что при выбранном шаге расположения возбуждающих ДВ щелей (0,6А) сектор сканирования можно расширить без существенного роста УБЛ.
Меньшее снижение КНД в плоскости YOZ во всем секторе сканирования, как и ожидалось, получено за счет расширения ДН в случае АВВ с решеткой с размером А=26,5 мм и шириной ДН в Е-плоскости 90,5=10°. На частоте 60,5 ГГц при синфазном возбуждении входов максимальное значение КНД составило 26,6 дБ, а в направлении нормали к раскрыву 25,4 дБ; при 9=±27° — 24,8 дБ и 23,6 дБ, и даже при 9=±36° при максимальном значении КНД 23,7 дБ, в плоскости YOZ оно снизилось всего на 3,2 дБ и составило 20,5 дБ.
Сформулированные выше предложения по построению сканирующей АВВ с центральным возбуждением также были апробированы и дали предсказуемый эффект. Так, максимальное значение КНД антенны с размерами A=44 мм и 5=48,8 мм при 9=0° на частоте 60,5 ГГц составило 27,9 дБ (v=0,56), а при однокоординатном сканировании ДН в плоскости YOZ в пределах 9=±27° значение КНД снизилось до 24,9 дБ, т.е. на ожидаемые 3 дБ.
-180 б
Рис. 7. ДН антенны в Е- и ^-плоскостях при синфазном возбуждении входов (а) и при отклонении на угол в=27° в ^-плоскости (б)
Приведенные выше результаты показывают, что плоские АВВ с торцевым или центральным возбуждением, конструктивно более простые и технологичные, чем, например, плоские волноводно-щелевые решетки, имеют довольно высокие электрические характеристики и представляются перспективными в плане использования в качестве антенн с однокоординатным сканированием ДН в аппаратуре различных радиосистем диапазона КВЧ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов А. В., Климов А. И., Нечаев Ю. Б. Сравнительный анализ сканирующих антенных решеток диапазона КВЧ // Радиолокация, навигация, связь : сборник трудов XXIV Международной научно-технической конференции (17—19 апреля 2018 г.). Т. 4. — Воронеж : Вэлборн, 2018. — C. 256—266.
2. Ерошенко Д. А., Климов А. И. Плоская антенна вытекающей волны СВЧ диапазона с однокоординатным сканированием на фиксированной частоте // Охрана, безопасность, связь — 2013 : сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. (Воронеж, 28 ноября 2013 г.). — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2013. — С. 239—241.
3. Ando M. Planar Waveguide Arrays for Millimeter Wave Systems // IEICE Trans. Commun. — 2010. — Vol. E93-B. — N. 10. — P. 2504—2513.
4. Oliner A. A., Jackson D. R. Leaky-wave Antennas // Antenna Engineering Handbook. — NY : McGraw-Hill, 2007. — 1755 р.
5. Alvarez-Melcon A., Canete-Rebenaque D., Gomez-Tornero J. L. Microstrip Leaky-Wave Antenna with Control of Leakage Rate and Only One Main Beam in the Azimuthal Plane / // IEEE Trans. Antennas and Propag. — 2008. — Vol. 56. — I. 2.
6. Пастернак Ю. Г. Математическое моделирование, оптимизация и автоматизированное проектирование дифракционных и вибраторных мобильных антенных решеток / под ред. В. И. Юдина. — Воронеж : Изд-во Воронежского государственного технического университета, 1999. — 257 с.
7. Останков А. В. Ретроспективный анализ возможностей, конструкций и основных характеристик дифракционных антенн вытекающей волны // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2010. — Т. 6. — № 8. — С. 75—81.
8. Климов А. И. Разработка и исследование плоских дифракционных антенн СВЧ и КВЧ диапазонов с электрически управляемыми характеристиками / под ред. Н. С. Хохлова, В. И. Юдина. — Воронеж : Научная книга, 2010. — 117 с.
9. Шестопалов В. П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1 : Открытые структуры. — Киев : Наукова думка, 1985. — 216 с.
REFERENCES
1. Kuznetsov A. V., Klimov A. I., Nechaev Yu. B. Sravnitelnyiy analiz skaniru-yuschih antennyih reshetok diapazona KVCh // Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz : sbornik trudov XXIV Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii (17—19 aprelya 2018 g.). T. 4. — Voronezh : Velborn, 2018. — C. 256—266.
2. Eroshenko D. A., Klimov A. I. Ploskaya antenna vyitekayuschey volnyi SVCh diapazona s odnokoordinatnyim skanirovaniem na fiksirovannoy chastote // Ohrana, bezopasnost,
svyaz — 2013 : sb. materialov mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Voronezh, 28 noyabrya 2013 g.).
— Voronezh : Voronezhskiy institut MVD Rossii, 2013. — S. 239—241.
3. Ando M. Planar Waveguide Arrays for Millimeter Wave Systems // IEICE Trans. Commun. — 2010. — Vol. E93-B. — N. 10. — P. 2504—2513.
4. Oliner A. A., Jackson D. R. Leaky-wave Antennas // Antenna Engineering Handbook.
— NY : McGraw-Hill, 2007. — 1755 r.
5. Alvarez-Melcon A., Canete-Rebenaque D., Gomez-Tornero J. L. Microstrip Leaky-Wave Antenna with Control of Leakage Rate and Only One Main Beam in the Azimuthal Plane // IEEE Trans. Antennas and Propag. — 2008. — Vol. 56. — I. 2.
6. Pasternak Yu. G. Matematicheskoe modelirovanie, optimizatsiya i avtomatizirovan-noe proektirovanie difraktsionnyih i vibratornyih mobilnyih antennyih reshetok / pod red. V. I. Yudina. — Voronezh : Izd-vo Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo univer-siteta, 1999. — 257 s.
7. Ostankov A. V. Retrospektivnyiy analiz vozmozhnostey, konstruktsiy i osnovnyih harakteristik difraktsionnyih antenn vyitekayuschey volnyi // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. — 2010. — T. 6. — # 8. — S. 75—81.
8. Klimov A. I. Razrabotka i issledovanie ploskih difraktsionnyih antenn SVCh i KVCh diapazonov s elektricheski upravlyaemyimi harakteristikami / pod red. N. S. Hohlova, V. I. Yudina. — Voronezh : Nauchnaya kniga, 2010. — 117 s.
9. Shestopalov V. P. Fizicheskie osnovyi millimetrovoy i submillimetrovoy tehniki. T. 1 : Otkryityie strukturyi. — Kiev : Naukova dumka, 1985. — 216 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Галуза Максим Андреевич. Адъюнкт. Воронежский институт МВД России. E-mail: q0mezon@gmail.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. +7-951-864-93-40.
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.
Кузнецов Анатолий Васильевич. Генеральный директор. АО «Воронежское центральное конструкторское бюро «Полюс». E-mail: polus@vckb.ru
Россия, 394019, г. Воронеж, ул. Краснодонская, 16б. Тел./Факс: (473) 276-24-60.
Galuza Maksim Andreevich. Post-graduate cadet. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. Е-mail: q0mezon@gmail.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. +7-951-864-93-40.
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
Kuznetsov Anatoly Vasilyevich. General Director. JSC "Voronezh Central Design Bureau "Polyus". E-mail: polus@vckb.ru
Work address: Russia, 394019, Voronezh, Krasnodonskaya Str., 16b. Tel/Fax: (473) 276-24-60.
Ключевые слова: сканирование диаграммы направленности; антенная решетка вытекающий волны; дисперсионная характеристика; математическая модель; диапазон КВЧ.
Key words: radiation pattern scanning; leaky wave antenna array; dispersion characteristic; mathematical model; EHF range.
УДК 621.396.67
ИЗДАНИЯ ВОРОНЕЖСКОГО ИНСТИТУТА МВД РОССИИ
Системы радиосвязи специального назначения : учебное пособие / О. И. Бокова, Д. А. Жайворонок, С. Н. Ля-шенко, Н.С. Хохлов ; под ред. д-ра техн. наук Н. С. Хохлова. — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2018. — 104 с.
Представлены принципы построения современных систем радиосвязи МВД России с передачей данных и голоса между абонентами, стандарты цифровой транкинго-вой радиосвязи, рассмотрены типовые схемы организации радиосвязи МВД России, вопросы организации защищенных оперативных сетей подвижной радиосвязи. Предназначено для курсантов и слушателей образовательных организаций высшего образования МВД России, практических работников органов внутренних дел, занимающихся вопросами создания и эксплуатации систем радиосвязи специального назначения.
