CC BY
30
РАДИОФИЗИКА, ЭЛЕКТРОНИКА, АКУСТИКА
Моделирование фазированных антенных решеток с малым уровнем боковых лепестков и круговой поляризацией
Лу Гоминa, П.Н. Захаров, А. П. Сухоруковb
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра фотоники и физики микроволн. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
E-mail: a luguoming.hit@gmail.com, b apsmsu@gmail.com
Статья поступила 10.07.2013, подписана в печать 10.09.2013.
В работе исследованы две геометрических формы элемента для построения фазированных антенных решеток с круговой поляризацией; разработана фидерная система, обеспечившая чебышевское распределение амплитуд токов по элементам и равномерное распределение фаз для решеток 4 х 4; проведено моделирование решеток 4 х 4 с элементами в форме квадрата и диска, позволивших получить подавление боковых лепестков до -26 дБ; проведено сравнение параметров двух типов антенных решеток.
Ключевые слова: фазированные антенные решетки, подавление боковых лепестков, круговая поляризация.
УДК: 537.87, 621.396.677. PACS: 84.40.Ba.
Введение
Свойства антенных систем в существенной степени определяют энергетическую и спектральную эффективность современных систем беспроводной связи. При использовании фазированных антенных решеток существует необходимость подавления боковых лепестков, расширения рабочей полосы частот и уменьшения взаимной электромагнитной связи между элементами. Оптимизация данных параметров позволяет повысить коэффициент направленного действия антенн, энергетическую эффективность систем связи, в частности MIMO-систем, беспроводных локально-высоковычислительных сетей и др.
При помощи оптимизации расположения излучателей и возбуждения в них токов определенных амплитуд и фаз можно получить различные диаграммы направленности [1]. Один из многих способов, позволяющих получить существенное подавление боковых лепестков (в том числе дифракционных), — управление распределением мощностей по элементам антенной решетки [1]. Такое распределение может быть сформировано как аналоговыми, так и цифровыми методами.
В настоящей работе исследуется возможность построения антенных решеток с низким уровнем боковых лепестков, выполненных по микрополосковой технологии, излучающих волну с круговой поляризацией в удаленном поле. Микрополосковая антенна была выбрана ввиду ее малых размеров, возможности размещения антенны и элементов тракта на единой печатной плате, простоты технологического процесса при производстве. Исследования проводились при помощи моделирования в программном пакете CST Microwave Studio, использующем численное решение уравнений Максвелла в интегральной форме. Параметры антенной решетки оптимизировались для получения следующих характеристик: центральная частота f0 = 1.616 ГГц, полоса частот не менее 120 МГц, круговая поляризация излучения, уровень боковых лепестков не более -20 дБ.
1. Выбор формы элементов решетки, обеспечивающих круговую поляризацию излучения
Поляризация электромагнитной волны, излучаемой антенной, зависит от многих факторов, в частности от геометрической формы элементов антенны, топологии фидерной системы [2] и др. Один из способов получения круговой поляризации — использование элементов в форме квадрата с усеченными углами или диска с прямоугольными вырезами [3].
Для уменьшения электромагнитной взаимосвязи между элементами антенны и фидерной системой была разработана структура, состоящая из пяти слоев. На верхнем слое размещаются антенные элементы, далее — диэлектрик-1, земля (металл), диэлектрик-2, фидерная система. Размещение антенных элементов и фидерной системы на отдельных слоях позволяет уменьшить электромагнитную взаимосвязь между ними [4].
С целью получения заданной центральной частоты элемента антенной решетки проведено моделирование элемента в форме квадрата с усеченными углами размером 28 х 28 мм и элемента в форме диска радиусом 18 мм с прямоугольными вырезами, в качестве материала элементов выбрана медь толщиной 18 мкм. При моделировании использовались следующие параметры: материал диэлектрика-1 — керамика с е = 9.8, толщина диэлектрика-1 3.2 мм, толщина меди 18 мкм. КСВН элемента в форме квадрата и его коэффициент эллиптичности представлены на рис. 1, а и 1, б соответственно, КСВН элемента в форме диска и его коэффициент эллиптичности представлены на рис. 1, в и 1, г соответственно.
Моделирование показало, что оба элемента обеспечивают центральную частоту 1.616 ГГц, при этом коэффициенты эллиптичности элементов при изменении угла отклонения от нормали антенной плоскости 0 от 0 до 90° были не хуже —5 дБ, таким образом, на цен-
м
ч £
и о х
(Г
и 13
а а
•е
-£-20 -
&
1.4 1.6 1.! Частота, ГГц
-15 -
80 120 6, градусы
1.4 1.6 1.8 2.0 0 40 80 120
Частота, ГГц 0, градусы
Рис. 1. Полоса частот и коэффициент эллиптичности элементов двух различных форм
200
тральной частоте элементы обеих форм излучают волну с круговой поляризацией в верхней полуплоскости удаленного поля. Ввиду этого обе формы элемента были выбраны для последующего моделирования решеток.
2. Разработка фидерной системы и фазированной решетки
2.1. Разработка делителя мощности
С целью уменьшения боковых лепестков диаграммы направленности в удаленном поле антенной решетки используются следующие способы [5]: уменьшение расстояний между элементами до величин менее А0/2; неэквидистантное расположение элементов; использование остронаправленных элементов; неравномерное распределение токов по элементам. В настоящей работе использовалось неравномерное распределение токов по элементам. В аналоговых фидерных системах часто применяется Т-образный делитель мощности, выполненный по микрополосковой технологии. Для решеток с топологией 4 х 4 требуется распределение мощностей по элементам с коэффициентами 1 : 9 : 9 : 1 (что обеспечивает чебышевское распределение токов), однако при
использовании Т-образных делителей мощности трудно получить указанное распределение мощностей. Ввиду этого в настоящей работе был разработан новый делитель мощности, представляющий собой модификацию направленного ответвителя. Форма делителя мощности представлена на рис. 2, а. Порт 1 является входным, порты 2 и 3 — выходными. Расстояние между портами 2 и 3 равно А0/2 , расстояние от порта 1 до линии, соединяющей порты 2 и 3, составляет А0/4. При моделировании использовались следующие параметры: центральная частота 1.616 ГГц, диэлектрик-2 РЯ-4 е = 4, толщина меди 18 мкм, толщина диэлектрика 2 мм. Модули 5 -параметров делителя мощности представлены на рис. 2, б, фазы — на рис. 2, в.
Моделирование показало, что на центральной частоте 1.616 ГГц 5ц = -17.9 дБ, 521 = -10.27 дБ, 531 = -0.59 дБ, 531 - 521 = 9.68 дБ, фазы выходных сигналов на портах 2 и 3 равны. 109 = 9.5 дБ, что близко к значению 531 - 521 = 9.68 дБ. Таким образом, обеспечиваются распределение мощностей с коэффициентами 1 : 9 и равные фазы на выходных портах делителя мощности. Разработанный делитель мощности был выбран для построения фидерной системы.
О -4
-8 Я
I -12
I &
в
И
ее
Со
-16 -20 -24
& Я
&
К о 3 о о
Порт 2
Порт 3
.....................................................
531
521 ____
- 511
1.0
1.2
1.4 1.6 Частота, ГГц
в
1.8
2.0
200 -
150 1
100
50 -531^ -- 521
0 1
-50
-100
-150
-200 -
1.0
1.2
1.4 1.6 Частота, ГГц
1.8
2.0
Рис. 2. Форма делителя мощности и его АЧХ и ФЧХ
2.2. Создание фидерной системы решеток 4 х 4
Для построения решетки с расположением 4 х 4 была использована фидерная система для формировния диаграммы направленности, состоящая из двух типов делителей мощности [6]. Первый класс — Т-образный делитель мощности, второй — разработанный делитель мощности с коэффициентами 1 : 9. В разрабатываемой антенной решетке существует необходимость уменьшения боковых лепестков диаграммы направленности (в том числе дифракционных) и электромагнитной взаимосвязи между элементами. Использование диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью уменьшает относительную длину волны в диэлектрике, что приводит к увеличению относительного расстояния между элементами и, следовательно, к уменьшению электромагнитной взаимосвязи между ними. Ввиду
этого при моделировании элементов и разработке решеток в качестве диэлектрика-1 была выбрана керамика с е = 9.8. При расстоянии между элементами более А0/2 образуются дифракционные максимумы; при расстоянии менее А0/2 увеличивается электромагнитная взаимосвязь между элементами. Поэтому было выбрано расстояние между элементами, равное А0/2; при моделировании делителя мощности расстояние между портами также составляло А0/2. Моделирование электромагнитной взаимосвязи между элементами показало, что на центральной частоте 1.616 ГГц при расстоянии А0/2 между элементами в форме квадрата 321 = -27 дБ, а между двумя элементами в форме диска 321 = -33 дБ.
1 ] 1 1
Рис. 3. Фидерная система и решетка в форме квадрата и диска
Решетка 4 х 4, составленная из элементов в форме квадратов с усеченными углами представлена на рис. 3, а; решетка, составленная из элементов в форме дисков с прямоугольными вырезами, представлена на рис. 3, б. Фидерная система представлена на рис. 3, в. Моделирование фидерной системы показало, что в вертикальном и горизонтальном направлениях распределение мощностей по элементам удовлетворяет соотношению 1 : 9 : 9 : 1 (что соответствует чебышевскому распределению токов по элементам).
а
3. Моделирование решеток 4 х 4
Для построения решеток использовались элементы двух форм и разработанная фидерная система. С целью сравнения поляризации, полосы частот и диаграммы направленности было проведено моделирование решеток с элементами двух форм в среде CST Microwave Studio.
КСВН, диаграмма направленности, коэффициент эллиптичности решеток 4 х 4 с элементами в форме квадрата и диска представлены на рис. 4 и 5 соответственно.
Моделирование показало, что у решетки с элементами в форме квадрата с усеченными углами центральная
а
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Частота, ГГц
2.0
2.2
1.0
1.2
1.4 1.6 Частота, ГГц
2.0
60 100 9, градусы
60 100 0, градусы
Рис. 4. Характеристики элемента в форме квадрата
Рис. 5. Характеристики элемента в форме диска
частота составляет 1.616 ГГц, ширина полосы частот 132.49 МГц (по уровню 511 = —10 дБ), боковой лепесток диаграммы направленности —22 дБ, коэффициент эллиптичности не хуже —5 дБ в диапазоне углов отклонения от нормали к антенной плоскости 0-45°. У решетки с элементами в форме диска с прямоугольными вырезами центральная частота составила 1.616 ГГц, полоса частот 129.34 МГц, боковой лепесток диаграммы направленности —26 дБ, коэффициент эллиптичности не хуже —5 дБ в диапазоне углов отклонения от нормали к антенной плоскости 0-45 °. Таким образом, у решетки с элементами в форме квадрата по сравнению с решеткой с элементами в форме диска полоса частот шире, боковые лепестки — больше, поляризация менее соответствует круговой. Обе решетки удовлетворяют заданным параметрам.
Заключение
Элементы фазированных антенных решеток в форме квадрата с усеченными углами и в форме диска с прямоугольными вырезами позволяют обеспечить излучение волны с круговой поляризацией. Применение диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (керамики с е = 9.8) увеличило относительное расстояние между элементами, что позволило умень-
шить электромагнитную взаимосвязь между элементами (для элементов в форме квадрата — до -27 дБ, для элементов в форме диска — до -33 дБ). Разработан делитель мощности в виде направленного ответвителя, обеспечивающий чебышевское распределение токов по элементам и равномерное распределение фаз, что позволило получить для решеток 4 х 4 уровень боковых лепестков диаграммы направленности -26 дБ. Решетка с элементами в форме диска по сравнению с решеткой с элементами в форме квадрата обеспечила меньший уровень боковых лепестков и более близкую к круговой поляризацию, однако меньшую ширину полосы частот.
Список литературы
1. Заикин И.П., Тоцкий А.В., Абрамов С.К., Лукин В.В. Основы теории антенн: Учеб. пособие. М., 2005.
2. Пластиков А.Н. // Журн. радиоэлектроники. 2012. 8. С. 3.
3. Naresh Kumar Joshi, Kamal Kumar Verma, Sandeep Yadav. // Intern. J. of Scientific Engineering and Technology. 2012. 2. P. 103.
4. Beenamole K.S. // DRDD Science Sepctrum. 2009. 2. P. 84.
5. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электронным движением луча. М., 2001.
6. Жексенов М.А., Печурин В.А., Волченков A.C. // Электронный журн. «Труды МАИ». 2011. 45. С. 1.
Simulation of low-sidelobe phased antenna array with circular polarization Lu Guominga, P. N. Zakharov, A. P. Sukhorukovb
Department of Photonics and Microwave Physics, Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
E-mail: a luguoming.hit@gmail.com, b apsmsu@gmail.com.
Two shapes of antenna elements have been investigated and compared to obtain circular polarization in the far field; feed network providing Chebyshev distribution of current amplitudes and uniform distribution of phases has been designed for 4 x 4 arrays; phased arrays with modified square and circular patches have been designed and compared, providing sidelobe reduction up to -26 dB.
Keywords: phased antenna array, sidelobe reduction, circular polarization. PACS: 84.40.Ba. Received 10 July 2013.
English version: Moscow University Physics Bulletin 6(2013). Сведения об авторах
1. Лу Гомин — аспирант; e-mail:luguoming.hit@gmail.com.
2. Захаров Петр Николаевич — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник; e-mail: zakharov@phys.msu.ru.
3. Сухоруков Анатолий Петрович — доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой; тел.: (495) 939-44-18, e-mail: aspmsu@gmail.com.
