ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО В КОНСТРУКЦИЮ ПИРАМИДАЛЬНОГО РУПОРА МЕТАМАТЕРИАЛА НА ДИАГРАММУ НАПРАВЛЕННОСТИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

DOI 10.36622/^ТО.2020.16.5.016 УДК 621.396

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО В КОНСТРУКЦИЮ ПИРАМИДАЛЬНОГО РУПОРА МЕТАМАТЕРИАЛА НА ДИАГРАММУ

НАПРАВЛЕННОСТИ

Е.А. Ищенко1, Ю.Г. Пастернак1,2,3, М.А. Сиваш1, С.М. Фёдоров1,4

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия 3АО «ИРКОС», г. Москва, Россия 4Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматривается метаматериал, который интегрирован в конструкцию пирамидальной рупорной антенны. Коммутация узлов метаматериала позволяет осуществлять управление диаграммой направленности рассматриваемой антенны. Для замыкания узлов в решетке метаматериала применяются рт-диоды, которые имеют в открытом состоянии эквивалентную схему, представляющую собой последовательное соединение сопротивления 2,1 Ом и индуктивности 0,6 нГн. Предложенная конструкция позволяет добиться управления характеристиками диаграммы направленности рассматриваемой антенны в широких пределах. Управление характеристиками антенн путем применения метаматериалов различных конструкций является передовым методом управления характеристиками излучателя. Для получения результатов применялось электродинамическое моделирование в специализированном программном обеспечении, на основе полученных результатов были построены диаграммы направленности в диапазоне работы рупорной антенны. Приведены результаты моделирования в виде трехмерных моделей исследуемых конструкций ме-таматериала, коммутируемых узлов; диаграммы направленности полученных антенн, на которых были определены изменения, вносимые коммутируемыми линиями метаматериала. Наибольшее изменение картин диаграмм направленности наблюдалось на частотах 13 и 14 ГГц, входящих в целевой диапазон работ рупорной антенны, основные исследования производились в Н-плоскости рупора, так как коммутации подвергались вертикальные линии метаматериала

Ключевые слова: пирамидальная рупорная антенна, управляемый метаматериал, диаграмма направленности

Благодарности: работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых № МК-57.2020.9

Введение

Управление характеристиками антенн путем применения метаматериалов является одним из самых передовых и эффективных способов, так как при выполнении данных операций не требуется выполнять механических действий над конструкцией. Все требуемые результаты достигаются путем коммутации узлов материала с использованием рт-диодов или МЭМС структур. Особенностью предложенной конструкции является то, что среда, в которой устанавливается метаматериал, является диэлектрически прозрачной, а соответственно, управление характеристиками диаграмм направленности напрямую зависит от метама-териала.

© Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Сиваш М.А., Фёдоров С.М., 2020

Геометрические характеристики рассматриваемой структуры

В качестве объекта исследования была выбрана пирамидальная рупорная антенна с интегрированным в раскрыв рупора метаматериа-лом. Вид исследуемой рупорной антенны [1] приведен на рис. 1.

Рис. 1. Вид исследуемой рупорной антенны

Метаматериал, который интегрируется в раскрыв рупора, представляет собой конструкцию, которая представляет собой тонкие медные проводники длиной 5 мм (рис. 2), при этом в центральной зоне рупорной антенны сформи-

рована дополнительная структура, которая позволяет управлять электромагнитной волной непосредственно внутри системы, а не на вы-

ходе волны из раскрыва рупора, так как в этих местах уровень электромагнитного излучения наиболее велик.

Рис. 2. Конструкция метаматериала, интегрированного в антенну

Основные характеристики пирамидального рупора при отсутствии коммутаций в метаматериале

Для определения основных характеристик антенны производилось моделирование с ис-

пользованием метода Вейланда. Для определения диапазона рабочих частот используются S11 параметры антенны, так допустимым значением принято считать величину менее -10 дБ [1] (рис. 3).

[ джт |

Ь-Рагатрмвч. п Я]

...----

/ \ \ \ \ 1

\ \ \ \ .............чу \ \

\ / ( Ц -ПЛ11 \

1зЗ

Г-пП

ОПТ

Рис. 3. Б11 параметры рассматриваемой антенны, указателями отмечены частоты построения диаграмм направленности

По полученным результатам рабочий диапазон частот антенны от 9,8 ГГц до 17,3 ГГц. В качестве частот построения диаграмм направленности выбраны частоты 13 и 14 ГГц, так как на данных частотах наблюдаются наиболее се-

рьезные изменения диаграммы направленности в Н-плоскости при выполнении коммутации в узлах метаматериала.

При отсутствии коммутаций в узлах мета-материала полученные диаграммы направлен-

ности в Н-плоскости приведены: для частоты 13 ГГц на рис. 4; для частоты 14 ГГц - рис. 5.

По полученным результатам на частоте 13 ГГц КНД антенны составил 12,1 дБи; ширина главного лепестка 51,3°; уровень боковых лепестков -18,5 дБ; передне-заднее [2] отношение 18,5 дБ.

Рис. 4. Диаграмма направленности ^=13 ГГц) исследуемой антенны при отсутствии коммутаций в метаматериале в Н-плоскости

Рис. 5. Диаграмма направленности ^=14 ГГц) исследуемой антенны при отсутствии коммутаций в метаматериале в Н-плоскости

По полученным результатам на частоте 14 ГГц КНД антенны составил 11,9 дБи; ширина главного лепестка 60,1°; уровень боковых лепестков -21,7 дБ; передне-заднее отношение 22,0 дБ.

Влияние коммутации в линиях метаматериала на картину диаграммы направленности

В первом случае производилась коммутация двух вертикальных центральных линий в метаматериале (рис. 6), коммутация произво-

дилась сосредоточенными элементами, которые соответствуют эквивалентным схемам рт-диодов из последовательного соединения резистора 2,1 Ом и индуктивности 0,6 нГн [3].

Рис. 6. Выполненная коммутация центральных линий в метаматериале

По полученным результатам моделирования была построена диаграмма направленности на частоте 14 ГГц, при этом для более отчетливого определения влияния коммутации метама-териала было произведено наложение на диаграмму направленности без коммутаций на частоте 14 ГГц - рис. 7.

№0 •¡.И

"......

"Ш \ л \ \

1 ¡А/У \/ у 1

1 ш у ' ; /

120 \ ' \ А» / /

Нал Ы|£ =

Рис. 7. Диаграмма направленности исследуемой антенны при выполнении коммутации центральных линий в метаматериале - сплошная линия; без коммутаций - пунктирная линия

По полученным результатам на частоте 14 ГГц КНД антенны составил 11,6 дБи; ширина главного лепестка 23,6°; уровень боковых лепестков -5,1 дБ; передне-заднее отношение 19,4 дБ. При этом особый интерес представляет изменение направления главного лепестка, которое возникло вследствие работы метаматериа-ла, таким образом возникли два главных ле-

пестка, которые зеркально отражены относительно центральной оси в Н-плоскости рупорной антенны. Уровень КНД по направлению 0° составляет -1,1 дБи.

Для второго случая рассматривается ситуация, когда выполнялась коммутация боковых линий относительно двух центральных, при этом коммутация выполнялась только для одного слоя метаматериала (рис. 8).

Рис. 8. Выполненная коммутация боковых линий в метаматериале

На основе полученной структуры были построены диаграммы направленности в Н-плоскости рупора, при этом наибольшие изменения картины диаграммы направленности возникли на частоте 14 ГГц (рис. 9).

/ /Г и/ / Й >■""" \ Я \ \«

V Й ад

„V \ у........ /129

\ ''ч/

/""'................. \ у/

Т1|Ма 1У5. ЙВ

..... 1...1......:.:., 0.1. Зги

[31(0)- Г. ? .'.) ' .I I 1и . ... V >

Рис. 9. Диаграмма направленности исследуемой антенны при выполнении коммутации боковых линий в метаматериале - сплошная линия; без коммутаций - пунктирная линия

По полученным результатам на частоте 14 ГГц КНД антенны составил 13,4 дБи; ширина главного лепестка 36,2°; уровень боковых лепестков -22,3 дБ; передне-заднее отношение 22,3 дБ. По полученным результатам видно, что применение метаматериала позволило добиться увеличения КНД антенны на 1,5 дБи, при этом произошло сужение главного лепестка на 23,9°.

В качестве третьего случая рассматривалась ситуация, когда происходила полная коммутация всех линий метаматериала за исключением двух центральных линий (рис. 10).

Рис. 10. Выполненная коммутация всех боковых линий в метаматериале, без коммутации оставлены только центральные линии

Наибольшие изменения диаграммы направленности наблюдались на частоте в 13 ГГц, так на рис. 11 приведена диаграмма направленности в Н-плоскости рупора.

Рис. 11. Диаграмма направленности исследуемой антенны при выполнении полной коммутации боковых линий в метаматериале - сплошная линия; без коммутаций - пунктирная линия

По полученным результатам на частоте 13 ГГц КНД антенны составил 12,3 дБи; ширина главного лепестка 32,1°; уровень боковых лепестков -21,2 дБ; передне-заднее отношение 21,4 дБ. Таким образом, применение метамате-риала позволило добиться сужения главного лепестка диаграммы направленности в Н-плоскости, при этом произошло незначительное увеличение КНД антенны.

В четвертом случае производилась коммутация четырех центральных линий метаматери-ала - рис. 12.

Рис. 12. Выполненная коммутация центральных слоев метаматериала

Наибольшие изменения диаграммы направленности наблюдались на частоте в 14 ГГц, так на рис. 13 приведена диаграмма направленности в Н-плоскости рупора.

ЬЫ(1-1ыи)[1]

Рис. 13. Диаграмма направленности исследуемой антенны при выполнении коммутаций четырех центральных слоев в метаматериале - сплошная линия; без коммутаций -пунктирная линия

По полученным результатам на частоте 14 ГГц КНД антенны составил 11,3 дБи; ширина главного лепестка 29,0°; уровень боковых лепестков -15,3 дБ; передне-заднее отношение 17,0 дБ. Особый интерес вызывает ситуация с формированием двух лучей у диаграммы направленности, аналогично с ситуацией на рис. 7, при этом в данном случае значение КНД при направлении излучения в 0° составил -3,9 дБи, а по сравнению с ситуацией на рис. 7 произошло значительное сужение уровня боковых лепестков.

В качестве пятой рассматриваемой ситуации выступал случай, когда производилась коммутация центральных внутренних узлов метаматериала - рис. 14.

Рис. 14. Выполненная коммутация центральных внутренних узлов метаматериала

При выполнении данной операции наибольшие изменения возникли при частоте 13 ГГц, полученная диаграмма направленности

---йЛеН I'-] I И-.

п.»! №с - ; I '„Л"

НдгШсАсО»- »ас»

аг->й1 (1 из} . го о I л МеМчки*- «Л

Рис. 15. Диаграмма направленности исследуемой антенны при выполнении коммутаций внутренних центральных слоев в метаматериале - сплошная линия; без коммутаций - пунктирная линия

По полученным результатам на частоте 13 ГГц КНД антенны составил 11,8 дБи; ширина главного лепестка 20,0°; уровень боковых лепестков -5,9 дБ; передне-заднее отношение 19,5 дБ. Таким образом, по полученным данным видно, что применением такого типа коммутации в метаматериале возможно добиться значительного сужения главного лепестка диаграммы направленности в Н-плоскости.

Заключение

Применение метаматериалов в конструкции антенн является перспективным, так как позволяет обеспечить управление важнейшими параметрами антенн в широких пределах, не изменяя физических размеров антенны, а лишь производя коммутацию узлов в структуре ме-

приведена на рис. 15.

таматериала. Рассмотренная в статье конструкция позволяет производить управление характеристиками пирамидальной рупорной антенной в H-плоскости путем коммутаций узлов интегрированного в конструкцию метаматериа-ла.

Литература

1. Constantine A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, Third Edition, John Wiley & Sons: New Jersey, 2005. 1047 p.

2. Front-to-back ratio enhanced short pyramidal horn with an integrated linearly tapered slot antenna/Y. Lee, J.

Choi, S. Oh, K. Lee, Y. Kim // 2012 Asia Pacific Microwave Conference Proceedings. 2012. Pp. 1076-1078.

3. An OAM-Mode Reconfigurable Array Antenna With Polarization Agility/L. Kang, H. Li, J. Zhou, S. Zheng // IEEE Access. 2020. Vol. 8. Pp. 40445-40452.

4. Ozgun O., Kuzouglu M. Utilization of Anisotropic Metamaterial Layers in Waveguide Miniaturization and Transitions // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2007. Vol. 17. No. 11. Pp. 754-756.

5. Tan C.Y., Selvan K.T. A Performance Comparison of a Ku-Band Conical Horn with an Inserted Cone-Sphere with Horns with an Integrated Dielectric Lens and Metamaterial Loading [Antenna Designer's Notebook] // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2011. Vol. 53. No. 5. Pp. 115-122.

Поступила 13.07.2020; принята к публикации 22.10.2020 Информация об авторах

Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru

Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14); старший научный сотрудник научно-исследовательского центра, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54 а); ведущий инженер, АО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), е-mail: pasternakyg@mail.ru

Сиваш Михаил Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: sivmikha@yandex.ru

Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14); Международный институт компьютерных технологий (394026, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)221-00-69, e-mail: fedorov_sm@mail.ru

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THE METAMATERIAL PYRAMIDAL HORN INTEGRATED INTO THE CONSTRUCTION ON THE DIRECTIONAL DIAGRAM

E.A. Ishchenko1, Yu.G. Pasternak1,2,3, M.A. Sivash1, S.M. Fedorov1,4

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2 Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin

Military-Air academy", Voronezh, Russia 3JSC "IRCOS", Moscow, Russia international Institute of Computer Technology, Voronezh, Russia

Abstract: the article discusses a metamaterial that is integrated into the structure of a pyramidal horn. Switching the nodes of the metamaterial allows you to control the radiation pattern of the antenna in question. To close the nodes in the lattice of the metamaterial, pin diodes are used, which in the open state have an equivalent circuit, which is a series connection of a resistance of 2.1 Ohm and an inductance of 0.6 nH. The proposed design makes it possible to achieve control over the characteristics of the radiation pattern of the antenna in question over a wide range. Antenna control by the use of metamaterials of various designs is an advanced method of a beam control. To obtain the results, electrodynamic modeling was used in specialized software, on the basis of the results obtained, directional patterns were constructed in the operating range of the horn antenna. The article presents the results of modeling in the form of three-dimensional models of the investigated metamaterial structures, switched nodes; directional diagrams of the received antennas, on which the changes introduced by the switched lines of the metamaterial were determined. The greatest change in the patterns of radiation patterns was observed at frequencies of 13 and 14 GHz, included in the target range of the horn antenna, the main studies were carried out in the H-plane of the horn, since the vertical lines of the metamaterial were subjected to commutation

Key words: pyramidal horn antenna, steerable metamaterial, radiation pattern

Acknowledgments: this research was funded by the grant of the President of the Russian Federation for Young Scientists, the grant number МК-57.2020.9

References

1. Balanis C.A. "Antenna theory analysis and design", New Jersey, John Wiley & Sons, 2005, 1047 p.

2. Lee Y., Choi J., Oh S., Lee K., Kim Y. "Front-to-back ratio enhanced short pyramidal horn with an integrated linearly tapered slot antenna", Proc. of 2012 Asia Pacific Microwave Conf., 2012, pp. 1076-1078.

3. Kang L., Li H., Zhou J., Zheng S. "An OAM-mode reconfigurable array antenna with polarization agility", IEEE Access., 2020, vol. 8, pp. 40445-40452.

4. Ozgun O., Kuzouglu M. "Utilization of anisotropic metamaterial layers in waveguide miniaturization and transitions", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2007, vol. 17, no. 11, pp. 754-756.

5. Tan C.Y., Selvan K.T. "A performance comparison of a Ku-band conical horn with an inserted cone-sphere with horns with an integrated dielectric lens and metamaterial loading [Antenna Designer's Notebook]", IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2011, vol. 53, no. 5, pp. 115-122.

Submitted 13.07.2020; revised 22.10.2020 Information about the authors

Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru

Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia); Senior Researcher, Military scientific educational center of Military-Air forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air academy" (54A Starykh Bol'shevikov st., Voronezh 394064, Russia); Leading Engineer of JSC "IRCOS" (21 Zvezdnyy blvd., Moscow 129626, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru

Mikhail A. Sivash, student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: sivmikha@yandex.ru

Sergey M. Fedorov, Cand. Sc. (Technial), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia); International Institute of Computer Technology (29 b Solnechnaya st., Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)221-00-69, e-mail: fedorov_sm@mail.ru