CC BY
7СОДЕРЖАНИЕ
УДК 621.396
ГРНТИ 47.49.29
МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННА СО СФЕРОПАРАБОЛИЧЕСКИМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОСЕЛЕКТИВНЫМ ЗЕРКАЛОМ
Д.К. ПРОСКУРИН, кандидат физико-математических наук, доцент
ФГБОУВО «Воронежский государственный техническийуниверситет» (г. Воронеж)
Предложена конструкция многолучевой апертурной антенной системы, использующей поляризационно-селективное зеркало сферо-параболической формы. Показано, что антенная система имеет значения коэффициента направленного действия 17.6 дБи в рабочем диапазоне частот от 3.2 ГГц до 3.8 ГГц, а минимальное значение ее коэффициента полезного действия составляет 83 %. Продемонстрировано, что синтезированная система формирует лепестки многолучевой диаграммы направленности, перекрывающие полноазимутальное пространство. Проведена оценка уровня боковых лепестков антенной системы в азимутальной и угло-местной плоскостях. Для численного анализа характеристик антенной системы использован метод конечного интегрирования Вейланда, реализованный в пространственно-временной области.
Ключевые слова: антенные системы, многолучевые антенны, полноазимутальные антенны, поляризационно-селективное зеркало.
Введение. Разработка и совершенствование характеристик многолучевых антенн является одним из перспективных направлений развития систем радиосвязи, так как их использование дает возможность реализовать многоканальные системы связи с пространственным разделением каналов, способные одновременно принимать и передавать сигналы, распространяющиеся по различным трассам, и характеризующихся низкими величинами коэффициентов взаимной корреляции, что можно использовать для существенного повышения помехоустойчивости аппаратуры в условиях многолучевого распространения радиоволн. Помимо этого, подобные антенны могут применяться в подвижных системах связи и радиолокации, т. к. позволяют менять направление основного луча диаграммы направленности без использования сложных механических и электрических устройств [1]. Возможность формирования многолучевой диаграммы направленности в полноазимутальном пространстве, характеризующейся достаточно высокими значениями коэффициента направленного действия (КНД), позволяет существенно повысить помехоустойчивость, разрешающую способность по угловым координатам и точность оценки угловых координат аппаратуры радиолокации и радиопеленгации, а также - систем связи, управления и навигации [2, 3].
Многолучевые антенны [4] могут быть построены на основе зеркал (чаще всего -сферической или - сферо-параболической формы, или - зеркала специальной формы) или - линз (Люнеберга, Ротмана, Раппопорта, Климова и др.) из однородного, или - неоднородного диэлектрика, а также - из метаматериала, с несколькими облучателями, либо - на основе антенных решеток с многолучевыми диаграммообразующими системами (ДОС) - матрицы Батлера, матрицы Бласса и др. Матрица Батлера, а также - матрицы Бласса могут быть реализованы с помощью технологии производства печатных плат, что позволяет существенно повысить технологичность их серийного производства, а также - повторяемость характеристик, значительно уменьшить габаритные размеры антенной системы и ее массу; однако данные ДОС характеризуются сравнительно узкой полосой рабочих частот, что препятствует возможности неискаженного излучения и приема сверхширокополосных сигналов и существенно ограничивает области их применения. Кроме того, реализация Матриц Батлера и Бласса с помощью технологии производства печатных плат связана со значительными потерями
СОДЕРЖАНИЕ
мощности в данных ДОС, связанных с потерями в диэлектриках СВЧ-ламинатов, а также -с существенными потерями мощности в проводниках печатных плат, изготовленных с использованием технологии электроосажденной меди, среднеквадратические значения шероховатости которой составляют около 1-3 микрометров. Недостатками многолучевых антенн на основе зеркал или линз являются значительные габаритные размеры и масса; объемные линзы Люнеберга характеризуются очень высокой себестоимостью, связанной с необходимостью синтеза неоднородного метаматериала с ячейками, размеры которых на порядок и более, меньше длины волны в среде.
Для решения проблемы влияния зеркал на характеристики антенны и ее размеры применяется несколько методов и новых конструкций зеркал. В работе [5] авторы предлагают заменить рефлекторную многолучевую антенну на плоскую антенну с частотно зависимой импедансной метаматериальной поверхностью, которая обеспечивает распространение электромагнитных волн только в одном направлении. Протекающие в структуре метаматериала электромагнитные волны формируют направленное секторальное облучение, чем и формируется многолучевость. Недостатком полученной конструкции является то, что в диэлектрике метаматериальной импедансной поверхности возникают потери, а также число лучей ограничено четырьмя.
Разработкам перспективных многолучевых апертурных антенных систем посвящены работы [6-9]. Описанные в них технические решения базируются на синтезе метаматериалов и плоских метаповерхностей; их использование дает возможность расширить зону диаграммоформирования, уменьшить уровень боковых лепестков, а также - повысить технологичность производства антенных систем.
Рассмотренные в работах [10, 11] спутниковые многолучевые антенны показывают, что для обеспечения эффективной связи требуется обеспечить небольшое перекрытие лучей, а также то, что при формировании многолучевой антенны на основе рефлектора используется, как правило, несколько облучателей и единого зеркала, что упрощает конструкцию антенны. Однако такая конструкция приводит к тому, что антенна позволяет эффективно перекрыть только один сектор или полусферу пространства по азимуту. Для расширения области перекрытия применяют многозеркальные антенны [12] или используют антенные решетки, которые облучают зеркало, обеспечивают отклонение базового луча антенны, который уже после этого отражается от зеркала. Таким образом, наиболее перспективная многолучевая антенна на основе зеркала должна обладать высоким КНД, единым зеркалом, при этом его форма должна быть близка к сфере, чтобы повысить эффективность применения на БПЛА, а также в условиях сильного ветрового воздействия.
В работе [13] авторы предлагают поляризационно-селективный материал, образованный сложными композитами, которые содержат в себе фильтры. Такой способ позволяет формировать структуры любой формы и сложности, но дорог в производстве, т. к. требует создания специальных наноструктур. А работы [14] и [15] посвящены поляризационноселективным метаматериалам, сформированным на подложках печатных плат, что по сравнению с методом, названным ранее, дает возможность упростить производство, но ограничивает возможные формы формируемых поверхностей.
Предлагаемая в данной работе конструкция антенны использует простой в реализации принцип построения поляризационно-селективного материала, который имеет больше степеней свободы формируемых поверхностей, чем материалы, основанные на использовании технологии печатных плат.
Актуальность. Значимость темы исследований заключается в разработке многолучевой антенны с использованием сферо-параболического зеркала на основе тонких проводников, прореженных воздушной прослойкой между рефлекторными лучами, что позволяет снизить вес антенной системы, а также ее малое воздушное сопротивление. Таким образом, антенна может быть применена на БПЛА, что является важной и актуальной задачей. Полученная антенна позволяет сформировать высоконаправленные лучи с возможностью их переключения, что
СОДЕРЖАНИЕ
особенно важно в задачах радиолокации и дальней связи благодаря формированию узконаправленных лучей с высоким уровнем КНД.
Цель работы - разработать высокоэффективную многолучевую антенну с зеркалом, которое имеет минимальный вес. Разработанная антенна должна обладать характеристиками, которые позволят обеспечить ее установку на БПЛА, что позволит расширить область применения.
Конструкция антенны. Синтезированная многолучевая сферо-параболическая антенна построена на основе поляризационно-избирательного зеркала сферической формы, образованного тонкими металлическими полосками, наклоненными под углом 45° к плоскости формирования многолучевой диаграммы направленности. Синтезированное зеркало, используемое в предлагаемой антенне, отражает волны линейной поляризации, наклоненные под углом 45° к нормали основания системы, при этом угол отсчитывается по часовой стрелке. Отражатель представляет собой сектор сферы, состоящий из металлических полосок, закрученных под углом 45° по отношению к основанию по часовой стрелке.
Диаметр основания антенны составляет 1202 мм, высота равна 403.5 мм. Полная конструкция зеркала представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Размеры зеркала антенны
В нижней части антенны расположена металлическая пластина толщиной 1 мм, на которой закреплены излучатели. В качестве излучателей в антенне применяются несимметричные вибраторы с рефлекторами (рисунок 2).
СОДЕРЖАНИЕ
Всего используется 45 излучателей. Они имеют толщину 2.5 мм и длину 23 мм. Все излучатели расположены под наклоном к основанию антенны. Угол наклона составляет 45° и имеет тоже направление, что и полоски ближайшей стенки рефлектора. Их внешний вид представлен на рисунке 3,а на рисунке 4 изображена вся конструкция антенны.
Рисунок 4 - Общая конструкция антенны
Характеристики антенны. Далее рассматриваются характеристики предлагаемой конструкции, которые были получены посредством электродинамического моделирования.
Рабочий диапазон частот антенны определялся по уровню возвратных потерь системы, график которых для одного из излучателей приведен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Зависимость возвратных потерь системы от частоты
СОДЕРЖАНИЕ
Полученные результаты численного анализа позволяют провести оценку ширины рабочего диапазона частот антенной системы по критерию значения коэффициента отражения волн на ее входах, меньшего величины -15дБ: антенная система позволяет излучать и принимать сигналы, спектр которых принадлежит диапазону частот от 3.2 ГГц до 3.8 ГГц. Одновременно необходимо удостовериться в достаточной эффективности излучения антенной системы. На рисунке 6 показана частотная зависимость суммарного коэффициента полезного действия (КПД) антенной системы от частоты. Данная зависимость построена исходя из учета следующих факторов: потерь в материалах антенны (алюминий), потерь за счет наличия отраженных волн, а также - передачи части энергии электромагнитных волн на другие входы антенны, нагруженные на резисторы с номиналом 50 Ом, равным средней величине входного сопротивления приемо-передатчиков, подключенных к входам антенной системы.
Total Efficiency [Magnitude]
1
0.9
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
2.5 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4
Frequency / GHz
Рисунок 6 - График зависимости КПД антенны от частоты
Из рисунка 6 следует, что величина КПД не опускается ниже 83 % в рабочем диапазоне частот от3.2ГГцдо3.8ГГц.
Далее рассматриваются направленные характеристики синтезированной антенной системы. Диаграммы направленности (ДН) антенной системы приведены для среднегеометрической частоты ее рабочего диапазона, приблизительно равной 3.5 ГГц (рисунок 7).
Рисунок 7 - Объемная диаграмма направленности многолучевой антенной системы на частоте 3.5ГГц
СОДЕРЖАНИЕ
Farfield Directivity Abs (Phi=90)
Main lobe magnitude = 17.6 dBi
Main lobe direction = 91.0 deg. Angular width (3 dB) = 17.1 deg. Side lobe level = -9.5 dВ
Theta / deg vs. dBi
Максимальное значение коэффициента направленного действия антенны (КНД) составляет 17.7 дБ (рисунок 7).
На рисунке 8 показана ДН в азимутальной плоскости
Рисунок 8 - ДН в азимутальной плоскости на частоте 3.5ГГц На рисунке 9 показана ДН в угло-местной плоскости.
Рисунок 9 - ДН в угло-местной плоскости на частоте 3.5ГГц
Уровень заднего лепестка составляет -13.1 дБ, ширина лепестка в азимутальной плоскости по уровню половинной мощности - 7.6°. Ширина ДН в угло-местной плоскости по уровню половинной мощности составляет 17.1°.
СОДЕРЖАНИЕ
Теперь необходимо оценить сохранность характеристик излучения на рабочем диапазоне. Для этого приводятся диаграммы направленности на граничных частотах 3.2 ГГц и 3.8 ГГц (рисунки 10 и 11).
Farfield Directivity Abs (Theta=90)
330
300
270
Frequency
3.2 GHz
Main lobe magnitude
16.5 dBi
240
Main lobe direction = 269.0 deg
Angular width (3 dB) =
3.5 deg.
Side lobe level = -10.0 dB
150
21C
Phi / deg vs. dBi
Рисунок 10 - ДН в азимутальной плоскости на частоте 3.2ГГц
Farfield Directivity Abs (Theta=90)
Frequency = 3.8 GHz
Main lobe magnitude =
17.2 dBi
Main lobe direction = 269.0 deg.
Angular width (3 dB) =
7.5 deg
Side lobe level
-12.0 dB
Phi / deg vs. dBi
270
Рисунок 11 - ДН в азимутальной плоскости на частоте 3.8ГГц
Из рисунков 9, 10 и 11 можно определить, что характеристики излучения антенны претерпевают лишь незначительные изменения с частотой, т. е. характеристики полученной системы обладают высокой стабильностью.
СОДЕРЖАНИЕ
Далее для оценки эффективности покрытия азимутальной плоскости антенной системой рассматривается диаграмма направленности, формируемая, соседним по отношению к рассмотренному ранее, излучателем (рисунок 12).
Farfield Directivity Abs (Theta=90)
330
270
Frequency
3.5 GHz
Main lobe magnitude =
17.6 dBi
2F0
Main lobe direction
277.0 deg
Angular width (3 dB) =
7.8 deg
Side lobe level =
13.0 dB
Phi / deg vs. dBi
Рисунок 12 - ДН в азимутальной плоскости соседнего излучателя на частоте 3.5 ГГц
Данные рисунка 12 показывают, что антенная система формирует лучи с шагом 8°, что, учитывая общее число лучей равное 45, достаточно для обеспечения полноазимутального формирования многолучевой диаграммы направленности.
Выводы. Предложенная антенная система обладает высоким КНД, узким основным лучом диаграммы направленности и низким уровнем боковых лепестков. Помимо этого, она имеет высокий КПД, проста в изготовлении и имеет небольшую стоимость, т. к. не используются дорогие материалы.
Рассмотренная конструкция представляется наиболее применимой в области радиолокации и радиопеленгации, где требуется обеспечивать быстрое сканирование в азимутальной плоскости с большой точностью, в частности, в задачах обнаружения малогабаритных высокоскоростных целей. Также за счет скорости сканирования, разработанная антенная система может быть использована в радиопеленгации. Возможность многолучевой антенной системы принимать и передавать сигналы одновременно в нескольких направлениях может пригодиться для построения ретрансляторов и в системах подвижной радиосвязи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kyohei Fujimoto, Mobile Antenna Systems Handbook, Kyohei Fujimoto, J.R. James Third Edition, Artech, 2008, p.769.
2. Chang K. Encyclopedia of RF and Microwave Engineering // John Wiley & Sons, Inc. 2005. 5832 p.
3. Шишлов A.B., Левитан Б.А., Топчиев С.А., Анпилогов В.Р., Денисенко В.В. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи // Журнал радиоэлектроники. [Электронный ресурс]. 2018. № 7. Режим доступа: http://jrecplire.ru/jre/jull8/6/text.pdf (дата обращения 20.04.2024).
СОДЕРЖАНИЕ
4. Lars Josefsson, Conformal Array Antenna Theory and Design, Lars Josefsson, Patrik Persson, Wiley-IEEE Press, 2006, p. 472.
5. Zhang Z., Peng Y. A low-profile and broadband multibeam antenna based on modulated impedance metasurface // Microw Opt Technol Lett. 2023. P. 1-8.
6. Chen Z.N., T. Li and W. E. I. Liu, «Microwave Metasurface-based Lens Antennas for 5G and Beyond», 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Copenhagen, Denmark, 2020, P. 1-4, doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135285.
7. Gonzalez-Ovejero D., Minatti G., Chattopadhyay G.and Maci S., «Multibeam by Metasurface Antennas», in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 6, P. 2923-2930, June 2017, doi: 10.1109/TAP.2017.2670622.
8. Wang H.F., Wang Z.B, Wu Z.H. and Zhang Y.R., «Beam-Scanning Lens Antenna Based on Elliptical Paraboloid Phase Distribution Metasurfaces», in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 8, P. 1562-1566, Aug. 2019, doi: 10.1109/LAWP.2019.2922695.
9. Jiang M., Chen Z.N., Zhang Y., Hong W. and Xuan X., «Metamaterial-Based Thin Planar Lens Antenna for Spatial Beamforming and Multibeam Mas-sive М1МО», in IEEE Transactions on Antennas andPropagation, vol. 65, no. 2, P. 464-472, Feb. 2017, doi: 10.1109/TAP.2016.2631589.
10. Yun S., Uhm M., Choi J., Yom I. Multibeam reflector antenna fed by few elements for Kaband communication satellite // Proceedings of the 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. 2012. P. 1-2.
11. Lindgren T. Design of a cluster-fed multibeam reflector system using hard horns as feeds // Masterthesis. ChalmersUniversity ofTechnology. 2004. 61 p.
12. Пат. US 6366256 Bl. Multi-beam reflector antenna system with a simple beam-forming network/P. Ramanujam, P. H. Law, S. O. Lane; опубл. 20.09.2000.
13. Barani, Zahra & Kargar, Fariborz & Ghafouri, Yassamin & Baraghani, Saba & Sudhindra, Sriharsha & Mohammadzadeh, Amirmahdi & Salguero, Ti-na & Balandin, Alexander. (2021). Electromagnetic-Polarization-Selective Composites with Quasi-ID Van der Waals Fillers: Nanoscale Material Functionality That Mimics Macroscopic Systems. ACS applied materials & interfaces. 13. 10.1021/acsami.lc03204.
14. Yin, Jia Yuan & Wan, Xiang & Zhang, Qian & Cui, Tie. (2015). Ultra Wideband Polarization-Selective Conversions of Electromagnetic Waves by Metasurface under Large-Range Incident Angles. Scientificreports. 5. 12476. 10.1038/srepl2476.
15. Zhu, Bo & Feng, Yijun & Zhao, Junming & Huang, Ci & Jiang, Tian. (2010). Switchable Metamaterial Reflector/Absorber for Different Polarized Electromagnetic Waves. Applied Physics Letters. 97. 10.1063/1.3477960.
REFERENCES
1. Kyohei Fujimoto, Mobile Antenna Systems Handbook, Kyohei Fujimoto, J.R. James Third Edition, Artech, 2008, p.769.
2. Chang K. Encyclopedia of RF and Microwave Engineering // John Wiley & Sons, Inc. 2005. 5832 p.
3. Shishlov A.V., Levitan B.A., Topchiev S.A., Anpilogov V.R., Denisenko V.V. Mnogoluchevye antenny dlya sistem radiolokacii i svyazi // Zhurnal radio'elektroniki. ['Elektronnyj resurs], 2018. № 7. Rezhim dostupa: http://jrecplire.ru/jre/jull8/6/text.pdf (data obrascheniya 20.04.2024).
4. Lars Josefsson, Conformal Array Antenna Theory and Design, Lars Josefsson, Patrik Persson, Wiley-IEEE Press, 2006, p. 472.
5. Zhang Z., Peng Y. A low-profile and broadband multibeam antenna based on modulated impedance metasurface // Microw Opt Technol Lett. 2023. pp. 1-8.
6. Chen Z.N., T. Li and W. E. I. Liu, «Microwave Metasurface-based Lens Antennas for 5G and Beyond», 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Copenhagen,
Denmark, 2020, pp. 1-4, doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135285.
СОДЕРЖАНИЕ
7. Gonzalez-Ovejero D., Minatti G., Chattopadhyay G.and Maci S., «Multibeam by Metasurface Antennas», in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 6, pp. 2923-2930, June 2017, doi: 10.1109/TAP.2017.2670622.
8. Wang H.F., Wang Z.B, Wu Z.H. and Zhang Y.R., «Beam-Scanning Lens Antenna Based on Elliptical Paraboloid Phase Distribution Metasurfaces», in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 8, pp. 1562-1566, Aug. 2019, doi: 10.1109/LAWP.2019.2922695.
9. Jiang M., Chen Z.N., Zhang Y., Hong W. and Xuan X., «Metamaterial-Based Thin Planar Lens Antenna for Spatial Beamforming and Multibeam Mas-sive MIMO», in IEEE Transactions on Antennas andPropagation, vol. 65, no. 2, pp. 464-472, Feb. 2017, doi: 10.1109/TAP.2016.2631589.
10. Yun S., Uhm M., Choi J., Yom I. Multibeam reflector antenna fed by few elements for Kaband communication satellite // Proceedings of the 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. 2012. pp. 1-2.
11. Lindgren T. Design of a cluster-fed multibeam reflector system using hard horns as feeds // Masterthesis. Chalmers University ofTechnology. 2004. 61 p.
12. Pat. US 6366256 Bl. Multi-beam reflector antenna system with a simple beam-forming network/P. Ramanujam, P. H. Law, S. O. Lane; opubl. 20.09.2000.
13. Barani, Zahra & Kargar, Fariborz & Ghafouri, Yassamin & Baraghani, Saba & Sudhindra, Sriharsha & Mohammadzadeh, Amirmahdi & Salguero, Ti-na & Balandin, Alexander. (2021). Electromagnetic-Polarization-Selective Composites with Quasi-ID Van der Waals Fillers: Nanoscale Material Functionality That Mimics Macroscopic Systems. ACS applied materials & interfaces. 13. 10.1021/acsami.lc03204.
14. Yin, Jia Yuan & Wan, Xiang & Zhang, Qian & Cui, Tie. (2015). Ultra Wideband Polarization-Selective Conversions of Electromagnetic Waves by Metasurface under Large-Range Incident Angles. Scientificreports. 5. 12476. 10.1038/srepl2476.
15. Zhu, Bo & Feng, Yijun & Zhao, Junming & Huang, Ci & Jiang, Tian. (2010). Switchable Metamaterial Reflector/Absorber for Different Polarized Electromagnetic Waves. Applied Physics Letters. 97. 10.1063/1.3477960.
© Проскурин Д.К., 2024
Проскурин Дмитрий Константинович, кандидат физико-математических наук, доцент, ректор Воронежского государственного технического университета, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем ВГТУ, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, [email protected].
СОДЕРЖАНИЕ
UDK 621.396
GRNTI47.49.29
MULTIPATH ANTENNA WITH A SPHERE-A PARABOLIC POLARIZATION-
SELECTIVE MIRROR
D.K. PROSKURIN, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor
Voronezh State Technical University (Voronezh)
The design of a multipath aperture antenna system using a polarization-selective mirror of spherical-parabolic shape is proposed. It is shown that the antenna system has a directional coefficient of 17.6 db in the operating frequency range from 3.2 GHz to 3.8 GHz, and the minimum value of its efficiency is 83 %. It is demonstrated that the synthesized system forms lobes of a multipath radiation pattern that overlap the full-azimuthal space. The level of the side lobes of the antenna system in the azimuthal and angular planes was estimated. The Weyland finite integration method, implemented in the space-time domain, was used for numerical analysis of the characteristics of the antenna system.
Keywords: antenna systems, multipath antennas, full-azimuth antennas, polarization-selective mirror.
