CC BY
51
УДК 621.372
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ АНТЕННЫ НА ПАРАБОЛИЧЕСКИХ РЕШЕТКАХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ1
Трубин О. О., д.т.н., профессор,
Учебно-научный институт телекоммуникационных систем.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, Украина
MULTIPLE-UNIT ANTENNAS ON PARABOLOIDAL LATTICES OF DIELECTRIC
RESONATORS
A.Trubin, Doctor of Engineering, Professor
Educational Scientific Institute of Telecommunication Systems National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute ", Kyiv, Ukraine
Введение
В настоящее время формирование диаграмм направленности поля излучения антенн чаше всего осуществляется путем применения металлических отражающих поверхностей различных форм, либо с помощью эффектов преломления волн в линзах, выполняемых обычно из искусственных диэлектриков [1]. Резонансные явления чаще всего рассматриваются как нежелательные и не используются. Исключением из этого являются диэлектрические резонаторы (ДР). Не смотря на то, что антенны, выполненные на основе одиночных ДР, известны достаточно давно [2], свойства многоэлементных решеток этого класса исследованы не достаточно [3-7]. Между тем, известны ДР, изготовленные из диэлектриков, обладающих очень малыми потерями по сравнению с металлическими не только в миллиметровом, но и инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн [8—9], поэтому исследование возможности их применения в качестве многоэлементных антенн в указанных диапазонах представляет значительный практический интерес. Сегодня свойства многоэлементных антенн, построенных на основе ДР, исследованы далеко не в полной мере.
Возможность реализации антенн, выполненных на основе связанных ДР, основывается на идее использования их отражающих свойств, проявляемых в резонансной области их собственных частот. При этом для достижения приемлемых параметров направленности и кпд антенн, требуется достижение достаточно высоких значений коэффициентов отражения. Подобные антенны, построенные на основе решеток ДР, выгодно использовать в компактных многочастотных системах миллиметрового и субмил-
1 http://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/834
лиметрового диапазонов длин волн, т.к. наряду с очень малыми потерями они будут обладать улучшенными параметрами электромагнитной совместимости в виду их «прозрачности» вне рабочих частотных полос.
В настоящем сообщении рассматривается возможность построения антенн, выполняемых на основе применения параболических решеток различных видов и состоящих из ДР цилиндрической формы с низшими магнитными типами колебаний. Установлена высокая отражающая способность таких решеток в резонансной области. Рассчитаны основные электрические параметры антенн; показана возможность заметного возрастания коэффициента усиления при увеличении эффективной поверхности решеток.
Конструкции антенн
Как показывают исследования по рассеянию ЭМВ на решетках ДР, их отражающие свойства в резонансной области оказываются весьма значительными, что позволяет предложить и реализовать на их основе новый класс антенн ультракоротких диапазонов длин волн, аналогичный металлическим зеркальным антеннам. Роль металлических зеркал в таких антеннах будут играть решетки ДР разных форм.
На рис. 1, а-в приведены простейшие конструкции 5x5+1 элементных антенных решеток. В плоскости (х, у) координаты центров резонаторов образуют квадратную решетку с шагом й = Х0 / 4, где \ — длина волны в открытом пространстве на частоте ю0 основных собственных колебаний
резонаторов Н+01. Будем полагать, что центры резонаторов распределяются на какой-либо параболической поверхности [1], образующей:
л
х = 4 fz — параболический цилиндр, изображенный на рис. 1, а;
у = 4 fz — параболический цилиндр, изображенный на рис. 1, б и (1)
9 9
х + у = 4 fz — параболоид вращения — рис. 1, в.
Здесь f — фокусное расстояние параболоида.
Предположим что в качестве облучателя антенны применяется активный цилиндрический ДР, питаемый петлей металлического провода, соединенной, например, с коаксиальной линией передачи.
Расчет параметров антенны
При проведении вычислений поле рассеяния, создаваемое решеткой ДР в ближней зоне, в области ее резонансных частот представлялось в виде суперпозиции полей каждого из парциальных резонаторов:
е((й,х,у,г) Н((й,х,у,г)
N
= Т А (®)
5=1
(2)
где Л8(ю) — комплексная амплитуда вынужденных колебаний 8 — го
<
>
>
парциального ДР на частоте ю [10]:
,, ч N ^С К
ю0 В 2 (ю)'
Рис 1. а-в — параболические антенные решетки 5x5 цилиндрических ДР; г-е — пунктирные кривые — ДН решеток в Н плоскости; сплошные кривые — ДН решеток в
Е плоскости. Фокусное расстояние решеток г, е: / = 1, Ъй; д: / = 1,35й.
(ё8, — поле 8-го резонатора решетки в локальной прямоугольной системе координат (х,у^) (б = 1,2,...,К); и В — матрицы, определяемые амплитудами связанных колебаний парциальных резонаторов [Ь ]:
Ь1 Ь2 ... ьГ
В =
ь1 ь2 ьм
ин ьм ... ьм
ближней зоне решетки, показанной на рис. 1, а.
Qs (ш) = ш/ш0 + 2iQD (ш/ш0 -1 - X52); X5 с о б ств е нн о е з н ач ен и е оператора К [11], соответствующее s-му собственному колебанию многосвязного ДР с вектором амплитуд парциальных резонаторов Ь; ш — текущая частота; 0£1=б1/б[; £ = £] — /£" — относительная диэлектрическая проницаемость материала ДР; с+ — коэффициент, характеризующий связь активного резонатора с коаксиальной линией; w1 — энергия, запасаемая в материале ДР. Коэффициенты связи рассчитывались по формулам [11].
Рис. 3. а — параболическая антенная решетка 10x10 цилиндрических ДР и активного
резонатора; б — распределение плотности потока мощности вблизи резонаторов решетки; в — пунктирная кривая — ДН решетки в Н плоскости; сплошная кривая — в Е плоскости; г — частотная зависимость коэффициента отражения. Коэффициент связи активного резонатора с линией: кЬ = 0,035; Период решетки вдоль оси х : Ьх = 2ё ; оси
у : Ьу = ё; фокусное расстояние ^ = 1,9ё; d = Х0 / 8 .
270
В Г
Рис. 4. а — параболическая антенная решетка 10x10 цилиндрических ДР, питаемая активным резонатором; б — распределение плотности потока мощности вблизи резонаторов решетки; в — ДН решетки в Н плоскости — пунктирная кривая; ДН решетки в Е плоскости — сплошная кривая; г — частотная зависимость коэффициента
отражения. Расстояние между соседними резонаторами & = Х0/8 ; коэффициент
связи активного резонатора с линией: кЬ = 0,035 ; Ьх = Ьу = ё; фокусное расстояние
Г = 2ё.
В волновой зоне поле парциальных ДР представлялось в сферической системе координат (г, 0, ф):
ё5(г,е,ф)«ёоо(е,ф)-еад(0'ф). (3)
Здесь ё°°(6,ф) — поле одиночного цилиндрического ДР в волновой зоне [12]; dt(6, ф) = (xtcos ф + yt sinф^т6 + zt cos6 функция, определяющая разность хода излучения парциальных ДР в направлении приемника.
Анализ параметров антенн
Взаимная связь между резонаторами приводит к перераспределению поля излучения активного ДР и как следует из данных, приведенных на рис. 1, г-е, ДН всей структуры в целом становится одно лепестковой с максимумом излучения, направленным ортогонально плоскости раскрыва решетки. Пример пространственного распределения плотности потока мощности в ближней зоне решетки приведен на рис. 2, б. Как следует из этих данных, наибольшая часть потока мощности оказывается сосредоточенной вблизи активного ДР. За решеткой поле подавлено.
Поскольку размер апертуры антенн равен А,0 х , направленные свойства их невелики; ДН решетки достаточно широкая. Увеличение числа резонаторов и соответственно площади поверхности решеток приводит к значительному улучшению их пространственной избирательности (рис. 3, 4). Так применение многоэлементных, например 10 х10 решеток, в форме параболического цилиндра сжимает ДН в E плоскости до 22о (рис. 3, в), а решеток в форме параболоидов вращения, сжимает ее более равномерно в E и H плоскости (рис.4, в) приблизительно до 28о.
Ширина полосы коэффициента отражения по входу для антенн, выполненных из диэлектриков с s1r = 81 ; Л = L /2г0 = 0,44 (рис. 3-4, г) равна, приблизительно 1%. Здесь L — высота, 2r0 — диаметр ДР. Ширину рабочей полосы частот можно расширить, используя ДР с меньшими значениями диэлектрической проницаемости. Отметим, что данный недостаток не является критическим; в миллиметровом и более коротко волновых диапазонах рабочие полосы частот обычно не превышают несколько процентов.
Заключение
Таким образом, проведенные расчеты указывают на возможность практического применения решеток ДР в качестве отражающих частотно -селективных поверхностей и построения на их основе широкого класса частотно избирательных "зеркальных" антенн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.
Как следует из приведенных данных, основным недостатком таких антенн являются сравнительно узкие полосы рабочих частот, как правило не превышающие несколько процентов. Однако, этот недостаток может быть устранен за счет уменьшения величины диэлектрической проницаемости материала резонаторов, а также применения специальных структур связан-
ных ДР. Кроме этого, предлагаемые решетки являются радио прозрачными вне рабочей полосы частот и следовательно менее подверженными воздействию помех. В дальнейшем, частотные характеристики предлагаемых антенн могут быть улучшены как за счет увеличения числа ДР, так и путем оптимизации их конструкций. Антенны на основе параболических решеток ДР могут быть использованы в базовых станциях беспроводного доступа систем WiFi и WiMax в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.
Перечень источников
1. Айзенберг Г.З. Антенны УКВ, Часть 1 / Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин. - М. : Связь, 1977, 381 с.
2. Dielectric Resonator Antennas / Edited by K. M. Luk, K. W. Leung. - Research Studies Press Ltd. - 388 p.
3. Cheype C. An Electromagnetic Bandgap Resonator Antenna / C. Cheype, C. Serier, M. Thevenot, T. Monediere, A. Reineix, B. Jecko // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. - 2002. - V. 50, №9. - P. 1285-1290.
4. Zhang Y. Analysis and Design of Wideband Dielectric Resonator Antenna Arrays for Waveguide-Based Spatial Power Combining / Y. Zhang, A.A. Kishk, A.B. Yakovlev, A.W. Glisson // Proceedings of the 36th European Microwave Conference. - 2006. - P. 642 - 645.
5. Ueda T. Leaky Wave Radiation from Left-Handed Transmission Lines Composed of a Cut-off Parallel-Plate Waveguide Loaded with Dielectric Resonators / T. Ueda, A. Lai, N. Michishita, T. Itoh // Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference. - 2006. - P.1075 -1079.
6. Kim J. Application of Cubic High Dielectric Resonator Metamaterial to Antennas / J. Kim, A. Gopinath // Antennas and Propagation Society International Symposium. - 2007. - P. 2349 - 2352.
7. Ueda T. Dielectric-Resonator-Based Composite Right/Left-Handed Transmission Lines and Their Application to Leaky Wave Antenna / T. Ueda, N. Michishita, M. Akiyama, T. Itoh // IEEE Trans. on MTT. - 2008. - v. 56, №10. - P. 2259-2269.
8. Sakuma T. Measurement of a Cylindrical Dielectric Resonator Antenna in Millimeter Wave Bands / T. Sakuma, K. Noguchi, M. Mizusawa, S. Betsudan, T. Katagi // Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE. - 2005. - vol. 3A. - P. 404-407.
9. Li J. Optical spectrometer at the nanoscale using optical Yagi-Uda nanoantennas / J. Li, J. Salandrino, N. Engheta // Physical review B. - 2009. - vol. 79, no. 19. - P. 1-5.
10. Трубин А.А. Рассеяние электромагнитных волн на параболических решетках диэлектрических резонаторов / А.А. Трубин // Вестник НТУУ «КПИ». Серия Радиотехника. Радиоаппаратостроение. - 2011. - № 47. - с. 106-110.
11. Трубш О.О. Моделювання параметрiв антенно'1 реш^ки на цишндричних дiе-лектричних резонаторах / О.О. Трубш, Г.С. Шмиглюк // Вюник НТУУ «КП1». Серiя Радютехтка. Радюапаратобудування. - 2006. - № 33. - с. 101-108.
12. Трубин А.А. Исследование характеристик излучения дискового диэлектрического резонатора // Вестник Киев. Политехн. Ин-та, Радиотехника. - 1984 - Вып. 21. С. 29-33.
References
1. Aizenberg G.Z., Jampolsky V.G. and Tereshin O.N. (1977) Antenny UKV, Chast' 1 [UWB Antennas, Part 1], Moskow, Svyaz' Publ., 381 p.
2. Luk K. M. eds. and Leung K. W. eds. (2003) Dielectric Resonator Antennas. - Research Studies Press Ltd. - 388 p.
3. Cheype C., Serier C., Thevenot M., Monediere T., Reineix A. and Jecko B. (2002) An Electromagnetic Bandgap Resonator Antenna. IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 50, №9. - pp. 1285 - 1290.
4. Zhang Y., Kishk A.A., Yakovlev A.B. and Glisson A.W. (2006) Analysis and Design of Wideband Dielectric Resonator Antenna Arrays for Waveguide-Based Spatial Power Combining. 2006 European Microwave Conference, pp. 642 - 645.
5. Ueda T., Lai A., Michishita N. and Itoh T. (2006) Leaky Wave Radiation from Left-Handed Transmission Lines Composed of a Cut-off Parallel-Plate Waveguide Loaded with Dielectric Resonators. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference, pp. 1075 - 1079.
6. Kim J. and Gopinath A. (2007) Application of Cubic High Dielectric Resonator Metamaterial to Antennas. 2007 IEEE Antennas and Propagation International Symposium, pp. 2349 - 2352.
7. Ueda T., Michishita N., Akiyama M. and Itoh T. (2008) Dielectric-Resonator-Based Composite Right/Left-Handed Transmission Lines and Their Application to Leaky Wave Antenna. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, v. 56, No10, pp. 2259 -2269.
8. Sakuma T., Noguchi K., Mizusawa M., Betsudan S. and Katagi T. (2005) Measurement of a Cylindrical Dielectric Resonator Antenna in Millimeter Wave Bands // 2005 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 3A, pp. 404 - 407.
9. Li J., Salandrino J. and Engheta N. (2009) Optical spectrometer at the nanoscale using optical Yagi-Uda nanoantennas. Physical review B, Vol. 79, No 19, pp. 1-5.
10. Trubin, A. A. (2011) Electromagnetic waves scattering by parabolic lattices of dielectric resonators. Visn. NTUUKPI, Ser. Radioteh. radioaparatobuduv., no. 47, pp. 106-110. (in Russian)
11. Trubin, A. A., Shmyglyuk, G. S. (2006) The modeling of the antenna lattce parameters on cylindrical dielectric resonators. Visn. NTUU KPI, Ser. Radioteh. radioaparatobuduv., no. 33, pp. 101-108. (in Ukrainian)
12. Trubin A.A. (1984) Issledovanie kharakteristik izlucheniya diskovogo dielektrich-eskogo rezonatora [Study of Disc Dielectric Resonator radiation characteristic]. Vestnik Kiev. Politekhn. Instituta, Radiotekhnika, No. 21, pp. 29-33.
Трубт О. О. Багатоелементт антени на парабол1чних реш1тках д1електрич-нихрезонатор1е. Наведено результати розрахуншв napaMempie антен, побудованих на napa6oniHHUX рештках цилтдричних дieлeкmpичних peзонamоpiв. Розглянуmi зако-номipносmi просторового розподшу поля випромтювання в ближнт та хвильовог зонах. Розрахован частотш зaлeжносmi коефщенту вiдбиmmя антен. Показана мож-лившть звуження ДС. Вiдмiчeно виконання частотног селекцИ сигнaлiв, а також полтшення електромагнтног сумiсносmi запропонованих конструкцт.
Ключов1 слова: дieлeкmpичний резонатор, рештки, антена, дiaгpaмa спрямова-носmi, S-матриця, електромагттш поля.
Трубин А. А. Многоэлементные антенны на параболических решетках диэлектрических резонаторов. Приведены результаты расчетов параметров антенн, построенных на параболических решетках цилиндрических диэлектрических резонаторов. Рассмотрены закономерности пространственного распределения излучаемого поля в ближней и волновой зонах. Рассчитаны частотные зависимости коэффициента отражения антенн. Показана возможность сужения ДН. Отмечено выполнение ча-
стотной селекции сигналов, а также повышенная электромагнитная совместимость предлагаемых конструкций.
Ключевые слова: диэлектрический резонатор, решетки, антенна, диаграмма направленности, S-матрица, электромагнитные поля.
Trubin A.A. Multiple-unit antennas on paraboloidal lattices of dielectric resonators.
Introduction. Today a multiple-unit antenna properties, containing big number DRs are studied inefficiently. At present article a possibility of the antennas building produced on paraboloidal lattices consisting DRs of the cylindrical form with lowest magnetic type resonances is considered.
The results. Calculation results of the antenna parameters on dielectric resonator pa-raboloidal lattices are presented. The space distribution of the radiation field patterns in the near and wave zones is considered. Reflection coefficient frequency dependence of the antennas is calculated. Possibility narrowing of the directional pattern is showed. Signals frequency selection performing as well as increased electromagnetic compatibility of the suggested structures is noticed.
Conclusion. Adduced calculations indicate capability of the practical application lattices on DRs as well as building on their base a wide class of the frequency selective antennas in millimeter and sub millimeter wavelength ranges. Such antennas will have enhanced electromagnetic compatibility.
Keywords: dielectric resonator, lattice, antenna, directional pattern, S-matrix, electromagnetic fields.
