CC BY
312
УДК 621.396.67
КОЛЛИНЕАРНАЯ АНТЕННА ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ С КРУГОВОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ДИАПАЗОНА МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН
Ю.Е. Калинин, А.И. Климов, А. С. Кулик, Ю.Б. Нечаев
Представлены результаты компьютерного моделирования коллинеарной антенны вытекающей волны вертикальной поляризации с круговой диаграммой направленности для систем радиосвязи диапазона миллиметровых волн. Антенна содержит коаксиальную металлодиэлектрическую структуру с периодической решеткой кольцевых щелей и обеспечивает коэффициент усиления не менее 10 дБ при неравномерности диаграммы направленности в азимутальной плоскости не более 0,3 дБ
Ключевые слова: миллиметровые волны, коллинеарная антенна, вытекающие волны, диаграмма направленности
Диапазон миллиметровых волн (ММВ) в последнее время широко используется для построения радиорелейных линий связи и широкополосных мультимедийных систем передачи информации. Большой интерес представляют собой и наземные стационарные и подвижные системы ближней радиосвязи ММВ, работающие, например, в частотных диапазонах 35—38 ГГц, 58—60 ГГц [1, 2]. В связи с этим возникает потребность в малогабаритных антеннах с фиксированной линейной поляризацией с круговыми или многолучевыми [3] диаграммами направленности (ДН) в горизонтальной (азимутальной) плоскости. На данный момент известно сравнительно небольшое число компактных антенн ММВ с круговой ДН. Это коллинеарные антенны в виде линейных антенных решеток полосковых вибраторов, резонаторных или щелевых излучателей [4—6], а также антенны вытекающей волны на основе цилиндрических структур, построенных на основе круглых диэлектрических волноводов с кольцевыми выступами, металлодиэлектрических волноводов с кольцевыми щелями или коаксиальных металлодиэлектрических волноводов с периодическими решетками из металлических колец [7—9]. Особенно важным преимуществом антенн на основе цилиндрических структур является высокая равномерность ДН в азимутальной плоскости, практически не достижимая в антеннах на основе линейных решеток полосковых и щелевых излучателей. Вариант антенн на основе цилиндрических [7], в частности коаксиальных структур (рис. 1, [8]) представляется особенно интересным в плане простоты сопряжения с питающим круглым металлическим или коаксиальным волноводом и удобства компоновки с защитным обтекателем.
Калинин Юрий Егорович — ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 246-66-47, e-mail: [email protected] Климов Александр Иванович — ВИ МВД России, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected] Кулик Александр Сергеевич — ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Нечаев Юрий Борисович — ВГУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected]
.. . Металлические |
Центральный
кольца Диэлектрик
проводник
Рис. 1. Коаксиальная структура вытекающей волны
В работе [7] выполнен математический анализ преобразования поверхностных волн ТЕ и ТМ типов в объемные (излучаемые) волны в структуре на основе круглого диэлектрического волновода (ДВ) с периодической решеткой металлических колец. В результате сформулированы дисперсионные уравнения, позволяющие рассчитывать комплексную постоянную распространения основной пространственной гармоники поля в структуре и характеристики излучения. Приведены результаты расчетов и измерений характеристик коллинеарной антенны миллиметрового диапазона в режиме возбуждения в ДВ моды ТЕ01 (формирующей наклонное по отношению к продольной оси вертикально расположенной антенны излучение с горизонтальной поляризацией). Показано, что ДН антенны в азимутальной плоскости имеет неравномерность в пределах ±0,5 дБ. Другим достоинством антенны является возможность широкоугольного частотного сканирования ДН. Аналогичная коллинеарная антенна миллиметрового диапазона экспериментально исследована авторами работы [8]. В качестве рабочей моды ДВ выбрана волна ТМ01, что обеспечивает формирование излучения с вертикальной поляризацией. Для снижения уровня боковых лепестков (УБЛ) ДН рассмотрен вариант структуры с кольцами одинаковой ширины, но с металлическим отражателем на конце волновода; получено, что при этом УБЛ снижается от -12 до -17 дБ. На частоте 55 ГГц измеренный коэффициент усиления антенны (КУ) длиной 47 мм составил около 10 дБ, причем неравномерность ДН в азимутальной плоскости не превышала 1 дБ.
Описанным выше антеннам присуща значительная угло-частотная дисперсия, обусловленная, в частности использованием в качестве рабочих волн мод высших типов. Это качество полезно в плане частотного сканирования ДН; однако оно ограничивает применение таких антенн в случаях, когда
необходимо фиксированное положение ДН в широкой полосе частот. Кроме того, при использовании моды ТЕ01 в составе антенны кроме рупорного перехода надо иметь модовый преобразователь. В этом смысле, а также с точки зрения простоты сопряжения с питающей линией передачи весьма интересными представляются коаксиальные металлоди-электрические структуры, исследованные, например, в работе [9]. В [9] описаны результаты детального теоретического анализа характеристик излучения коаксиальной структуры с ТМ волнами (рис. 1), причем авторами выполнен анализ свойств как бесконечно-протяженных структур, так и структур с конечным числом металлических колец, включая анализ эффекта снижения уровня боковых лепестков (УБЛ) ДН путем вариации ширины колец.
Надо отметить, что в названных выше работах фактически вне поля зрения остался вопрос о характеристиках описанных антенн в режиме излучения по нормали, который имеет несомненный практический интерес, поскольку применительно к использованию в системах ближней радиосвязи предпочтительно иметь антенны, наиболее интенсивно излучающие в поперечных или близких к ним направлениях. Следовательно, структура вытекающей волны должна быть рассчитана для работы на -Iй пространственной гармонике в режиме резонансной дифракции Брэгга второго порядка. Для углового направления &„ максимального излучения на пй пространственной гармонике (ПГ) относительно оси структуры известно выражение [8]
cos Qn = b„ / k 0 = Refynz }/k o, (l)
где k nz = b 0 + 2nn / d = b - j a + 2nn / d —
продольная постоянная распространения пй ПГ поля дифракции поверхностных волн цилиндрической или коаксиальной структуры на периодической решетке; в0 — продольная постоянная основной (0й) ПГ; в — коэффициент фазы; а — постоянная ослабления (для структуры без тепловых потерь а характеризует только потери на излучение в окружающее пространство); k 0 = 2р/10 — постоянная распространения волны в свободном пространстве; Х0 — рабочая длина волны; d — период решетки. Из (l) следует, что угловое направление &.j максимального излучения на -Iй ПГ (рис. 2) определяется из выражения
cosQ-1 =b-1z /k0 = g(10)-10/d , (2)
где g (10) = cjv ф(10) — замедление фазовой
скорости поверхностной волны; с — скорость света
в свободном пространстве; v ф — фазовая скорость
поверхностной волны. Поэтому при использовании -l й ПГ режим излучения вдоль нормали к оси структуры имеет место при выполнении условия
g (10) = Vd .
Для построения коллинеарной антенны вертикальной поляризации миллиметрового диапазона с круговой ДН в качестве базовой нами выбрана коак-
сиальная структура [8]. Основные элементы конструкции антенны показаны на рис. 2, на котором обозначено: 1 — коаксиальный разъём; 2 — металлический четвертьволновый изолятор; 3 — металлические кольца, образующие периодическую решетку; 4 — диэлектрические кольца для фиксации металлических колец; 5 — диэлектрический стержень; 6 — центральный проводник коаксиальной структуры.
Рис. 2. Коллинеарная антенна на основе коаксиальной структуры
С учетом предполагаемого применения антенны для расчетов выбраны: рабочая полоса частот — 36,0—37,5 ГГц, поляризация — вертикальная, требуемый коэффициент усиления — не менее 10 дБ, УБЛ ДН — не более -10 дБ. На средней рабочей частоте должен обеспечиваться режим излучения по нормали.
Для расчета конструктивных параметров и электрических характеристик антенны использована методика, предусматривающая следующие процедуры:
- выбор приемлемого по электрическим, технологическим и стоимостным показателям диэлектрического материала, а также расчет диаметров диэлектрического стержня и центрального проводника коаксиальной структуры для обеспечения работы на основной волне типа ТЕМ в случае сплошной экранирующей оболочки;
- расчет длины волны в коаксиальном волноводе со сплошной экранирующей оболочкой на средней рабочей частоте с учетом диэлектрической проницаемости, а также значения периода решетки колец й, при котором на средней рабочей частоте обеспечивается режим нормального излучения;
- расчет требуемой для обеспечения заданной ширины ДН в вертикальной плоскости длины антенны Н с учетом реализуемого (в случае согласованной нагрузки на конце антенны) амплитудного распределения (для решетки из одинаковых элементов - экспоненциального);
- расчет необходимого значения постоянной ослабления а в структуре длиной Н для достижения 90 % коэффициента полезного действия (КПД) в режиме согласованной нагрузки;
- определение значения ширины ^ металлических колец с учетом найденного значения постоянной ослабления а;
- расчет ДН и КНД на нижней, средней и верхней рабочих частотах и проверка формы ДН при коротком замыкании на конце антенны;
- компьютерное моделирование характеристик антенны коррекция ее конструктивных параметров, например значений ширины колец для обеспечения требуемого значения постоянной ослабления за счет излучения (на средней рабочей частоте); уточнение положения отражателя для обеспечения приемлемого согласования антенны по входу.
В результате приближенных расчетов конструктивных параметров получено, что требуемая длина антенны Н=58 мм; диаметр центрального проводника коаксиальной структуры 0,7 мм, диаметр диэлектрического стержня (относительная диэлектрическая проницаемость е=2) 2,5 мм (что обеспечивает одномодовый режим коаксиального волновода с минимальными тепловыми потерями и входное сопротивление 50 Ом), период кольцевой решетки ^=4,8 мм, ширина колец ^=2,4 мм.
Результаты компьютерного моделирования характеристик антенны с помощью программы в полосе частот 36-37,5 ГГц приведены на рис. 3-6. Рис. 3 иллюстрирует форму пространственной ДН антенны на средней частоте 36,75 ГГц; на рис. 4 и 5 приведены сечения нормированной ДН антенны по напряженности электрического поля в азимутальной (горизонтальной) и меридиональной (вертикальной) плоскостях на частотах 36, 36,75 и 37,5 ГГц.
Рис. 3. Объемная ДН антенны
-1.0 ----
0.0 180.0 360.0
Angle, deg.
Рис. 4. Семейство ДН в горизонтальной плоскости (Н) для частот 36 ГГц (сплошная линия), 36,75 ГГц (пунктир) и 37,5 ГГц (точки)
-2.0 -4.0 -6.0 -8.0 -10.0 m -12.0
-14.0 ы -16.0 -18.0 -20.0 -22.0 -24.0 -26.0 -28.0 -30.0
-180.0 -120.0 -60.0 0.0 60.0 120.0 180.0 Angle, deg.
Рис. 5. Семейство ДН в вертикальной плоскости (Е) для частот 36 ГГц (сплошная линия), 36,75 ГГц (пунктир) и 37,5 ГГц (точки)
Анализ ДН в вертикальной плоскости показывает, что на крайних рабочих частотах максимум излучения имеет место в направлениях, отклоненных от нормали на ±3 град. Как видно из рис. 4, в худшем случае неравномерность ДН не превышает 0,3 дБ, а снижение КУ в направлении нормали при угловом смещении ДН не превышает 0,95 дБ. Таким образом, ДН в рабочей полосе частот имеет форму, достаточно близкую к круговой.
Частотная характеристика модуля коэффициента отражения напряжения на входе антенны приведена на рис. 6. Во всей полосе рабочих частот модуль коэффициента отражения sn не превышает -9,4 дБ (коэффициент стоячей волны напряжения (КСВ) не более 2,05), причем в середине диапазона достигается хорошее согласование антенны с волновым сопротивлением 50 Ом: sn менее -16 дБ (КСВ=1,38).
Основные электрические параметры антенны, полученные в результате компьютерного моделирования ее характеристик (КНД в направлении нормали к оси, коэффициент усиления КУ, ширина ДН по половинной мощности ШДН, УБЛ ДН и КПД) представлены в таблице.
-8.0 -9.0 -10 0
Т5
.-120
-14.0 -150 -16.0
35.0 36.0 36.2 36.4 36.6 36.0 37.0 37.2 37.4 Frequency, GHz
Рис. 6. Частотная характеристика коэффициента отражения напряжения на входе антенны
Представляется, что антенны с круговыми диаграммами направленности, построенные на основе коаксиальных структур вытекающей волны можно рассматривать как достаточно перспективные для использования в аппаратуре систем радиосвязи миллиметрового диапазона.
Основные электрические параметры антенны
f, ГГц 35,8 36,0 36,2 36,4 36,6 36,8 37,0 37,2 37,4 37,6
КНД, дБ 10,6 10,6 10,8 10,8 11,0 11,0 10,9 10,8 10,8 10,7
КУ, дБ 10,3 10,3 10,4 10,4 10,7 10,6 10,4 10,3 10,2 10,2
ШДН, град. 9 9 8 8 8 8 8 8 8 8
УБЛ, дБ -11,0 -11,5 -11,5 -12,0 -12,0 -12,0 -11,5 -11,5 -11,5 -11,0
КПД 0,93 0,93 0,91 0,91 0,93 0,91 0,89 0,89 0,87 0,89
Литература
1. Huang Kao-Cheng, Edwards David J. Millimetre Wave Antennas for Gigabit Wireless Communications: a Practical Guide to Design and Analysis in a System Context. JohnWiley & Sons Ltd , 2008. 271 P.
2. Basic Report by the Group of Wireless Broadband Promotion. December 2011. 173 Р. [Электронный ресурс]. http://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/eng/Release s/Telecommunications/pdf/news051227_3_1-1.pdf (дата обращения: 15.05.2013).
3. Обзор принципов построения излучающих устройств с возможностью формирования нескольких лучей [Текст] / С. Н. Панычев, Ю. Г. Пастернак, А. Г. Рыжиков, С. М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2012. — Т. 8. — № 7-1. — С. 126—129.
4. Pat. Bancroft R. An Omnidirectional Planar Microstrip Antenna. Submitted for publication on April 30, 2003 to IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 8 Р.
Воронежский институт МВД России
Воронежский государственный технический университет
Воронежский государственный университет
5. Коноваленко М.О., Буянов Ю.И. Микрополоско-вая коллинеарная антенна. Журнал радиоэлектроники, 2012. № 2. 7 с.
6. Pat. 7518554 B2 (US), H 01 Q 1/38. Antenna Arrays and Method of Making the Same / R. Bancroft, B. Bateman (US). N 11/382190: 08.05.2006; Date of Patent 14.04.2009.
7. Shanjia Xu. A Millimeter-Wave Omnidirectional Dielectric Rod Metallic Grating Antenna. IEEE Trans. AP. 1996. V. 44. N. 1. P. 74—79.
8. Kim Joong-Pyo, Lee Chang-Won. Radiation characteristics of Strip-Loaded Dielectric-Coated Conducting Cylinder/ Int. Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, January 2008. V. 18. I. 1. P. 32—41.
9. Iwasaki T., Ikeda T., Kuki T. A Millimeter-Wave Beam-Switchable Circular Dielectric Rod Antenna using a Periodic Metal Collar. Niigata, Japan: Proceedings of ISAP 2007. P. 121—124.
MULLIMETER WAVE COLLINEAR OMNIDIRECTIONAL LEAKY WAVE ANTENNA Yu.E. Kalinin, A.I. Klimov, A.S. Kulik, Yu.B. Nechaev
The results of computer simulation of a vertically polarized collinear omnidirectional leaky wave antenna for millimeter wave communication systems are presented. The antenna consists of a coaxial metal-dielectric structure with a periodic array of ring-shaped slots and provides the antenna gain not less than 10 dBi while the irregularity of the azimuth radiation pattern does not exceed 0,3 dBi
Key words: millimeter waves, collinear antenna, leaky waves, radiation pattern
