CC BY
116
УДК 621.396.67
ОДНОСЛОЙНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ ПИТАНИЕМ
Д.Н. Борисов, Д.А. Ерошенко, А.И. Климов, Ю.Б. Нечаев, В.И. Юдин
Представлены два примера плоских антенных решеток вытекающей волны СВЧ и КВЧ-диапазонов для режима излучения по нормали к раскрыву. Антенны имеют гибридную структуру, объединяющую одномерно-периодическую металлическую полосковую решетку на экранированной диэлектрической подложке и питающее устройство (копла-нарную решетке полосковую гребенчатую линию или интегрированный с подложкой волновод со щелями). Эффективность излучения антенн превышает 50 % при коэффициенте усиления 28-30 дБ
Ключевые слова: вытекающие волны, антенная решетка, коэффициент усиления, эффективность излучения
В последние годы благодаря значительному прогрессу в области СВЧ-радиоэлектроники и широкому внедрению цифровых технологий появилось множество разнообразных радиотехнических устройств и систем, работающих в высокочастотной области диапазона СВЧ на частотах выше 20 ГГц и в КВЧ-диапазоне. В их числе можно отметить радиолокационные датчики систем автоматики, охранные извещатели, радиолокационные измерители скорости транспортных средств, автомобильные радиолокационные устройства контроля дорожной обстановки, радиомодемы, системы радиорелейной и спутниковой связи и другие. Применительно ко многим названным выше устройствам и системам возрастает потребность в компактных эффективных антеннах с высоким коэффициентом усиления на частотах порядка десятков ГГц и отличающихся от существующих прототипов высокой технологичностью производства и меньшей стоимостью.
В плане компактности и технологичности конструкций лучшими представляются микрополос-ковые антенные решетки (МПАР). Однако эффективность излучения (определяемая как произведение коэффициентов полезного действия (КПД) и использования поверхности раскрыва) многих типов МПАР существенно падает с ростом частоты из-за снижения КПД вплоть до 30 % и менее на частотах свыше 20-30 ГГц [1, 2]. Поэтому при сравнении антенн различных типов КВЧ-диапазона интересен вопрос не столько об их полной эффективности, сколько о КПД. На данный момент наиболее эффективными малогабаритными антеннами с высоким коэффициентом усиления в диапазоне КВЧ остаются волноводно-щелевые антенные решетки традиционных конструкций, КПД которых достигает 90 и более процентов [3-5].
Борисов Дмитрий Николаевич — ВГУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: borisov@sc.vsu.ru
Ерошенко Денис Александрович — ВИ МВД России, адъюнкт, e-mail: den1is_90@mail.ru Климов Александр Иванович — ВИ МВД России, д-р техн. наук, доцент, e-mail: alexserkos@inbox.ru Нечаев Юрий Борисович — ВГУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: nechaev_ub@mail.ru
Юдин Владимир Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-77-29
Вместе с тем в [6-9] была показана возможность построения эффективных остронаправленных антенных решеток диапазонов СВЧ и КВЧ, использующих преобразование поверхностных волн диэлектрического волновода в вытекающие волны с помощью дифракционных решеток, например, из металлических полосок (лент). В структуре плоской антенной решетки вытекающей волны (АРВВ) можно выделить два основных элемента — устройство возбуждения линии передачи поверхностных волн и излучающий раскрыв. В большинстве известных АРВВ эти элементы конструктивно разделены, что не позволяет достичь минимальных габаритов антенны и высокой технологичности изготовления и может приводить к росту потерь мощности и снижению КПД.
В данной статье приведены результаты исследований АРРВ, в которых устройство возбуждения поверхностных волн является частью излучающего раскрыва. Несколько таких технических решений, предложенных в [10-12], реализуются в виде простых, в том числе однослойных, конструкций [11, 12], обеспечивающих довольно высокую эффективность излучения антенны при низких обратных потерях в режиме излучения по нормали к плоскости раскрыва.
Новая конструкция АРВВ линейной поляризации с центральным питанием [7, 9, 11] (рис. 1) содержит экранированную диэлектрическую подложку, играющую роль диэлектрического волновода (ДВ) 1, дифракционную решетку (ДР), состоящую из двух периодических подрешеток из параллельных металлических полосок 2 с общей центральной полоской, и устройство 3, обеспечивающее возбуждение в ДВ поверхностных волн. Питание антенны осуществляется через прямоугольную щель 4 в центре экрана ДВ. Устройство возбуждения 3 состоит из центральной полоски с двумя боковыми рядами четвертьволновых прямоугольных металлических выступов, образующих переменно-фазную гребенчатую структуру. Направление максимального излучения антенны показано стрелкой 5. Для излучения по нормали к плоскости раскрыва на заданной рабочей частоте период чередования полосок ДР ^ выбирается равным одной длине поверхностной волны, распространяющейся вдоль ДВ в направлениях ±ОХ; период чередования полосковых высту-
пов dy — равным одной длине волн, возбуждаемых в линии передачи (образованной центральной полоской и экраном) и распространяющихся в направлениях ±07. Отличительная особенность новой антенны от предложенной в [10] состоит в том, что устройство возбуждения формирует не синфазные, а противофазные потоки мощности поверхностных волн, распространяющихся в направлениях ±0Х. Это позволяет расположить подрешетки ДР с малым разнесением по оси 0Х симметрично относительно оси 0У и, следовательно, обеспечить симметрию ДН в плоскости Х02 и более высокий коэффициент направленного действия (КНД) антенны.
Рис. 1. Общий вид антенны
Поскольку в антенне используется параллельно-последовательное питание, ее полоса рабочих частот ограничивается частотным расщеплением главного лепестка диаграммы направленности (ДН). Тем не менее в полосе частот 2-4 % достигается КНД порядка 30-32 дБ при достаточно низком значении модуля коэффициента отражения напряжения 8п на входе — менее -(10-15) дБ [7, 9].
Начальные параметры излучающего раскрыва (апертуры) АРВВ — толщина ДВ к, ширина полосок Ж и период решетки dx , при которых обеспечивается излучение по нормали на центральной рабочей частоте, рассчитываются с помощью упрощенной математической модели для бесконечно-протяженной структуры, содержащей экранированную диэлектрическую пластину с одномерно-периодической полосковой решеткой, рис. 2.
В рамках данной модели сформулировано дисперсионное уравнение для вычисления комплексной постоянной распространения основной пространственной гармоники (ПГ) типа ТМ в структуре
Р = Р0 — ]а (во — коэффициент фазы, а — постоянная ослабления) и -1-й ПГ Р : = Р — 2ж/<Л , а
также других характеристик, включая частотную зависимость направления максимального излучения. Применительно к АРВВ основной задачей является определение параметров раскрыва, обеспечивающих излучение по нормали (&-1=0) с заданным КПД.
Для получения дисперсионного уравнения использовано разложение плотности поперечного поверхностного электрического тока Зх(х) в граничном условии для тангенциальных компонент Ну вектора напряженности магнитного поля на бесконечно тонких металлических полосках (лентах) на границе областей 1 и 2 при 2=к по базисным функциям. Плотность тока представляется выражением [13]
м
^х (х) = УЕат^Хт (х) ,
(1)
где ат — неизвестные амплитудные коэффициенты, Jxm(x) — базисные функции, в качестве которых могут быть выбраны, например, косинусои-дальные функции или полиномы Чебышева второго рода порядка с весовыми коэффициентами
(1 — (2х№)2)12 [13-15].
В итоге применительно к структуре на рис. 1 в режиме возбуждения в ДВ моды типа ТМ получено дисперсионное уравнение относительно
Р = Р0 — ]а вида
ёеф] = 0,
(2)
где С — квадратная матрица размером М*М (М — число базисных функций), элементы которой
п=—N
(3)
где К = —
Гп
(0£п
]£
Гп
1
V11
V
Лп
—1
; е ■
относи-
У
тельная диэлектрическая Рп =р + 2ж / ах
проницаемость ДВ;
п = — N; N — продольная
постоянная распространения п-й ПГ в структуре, 2Ы+1 — число учитываемых ПГ;
Гп =(к2 —Р2Г и Лп = {К£ — Р1Г — поперечные постоянные распространения п-й ПГ над структурой и в слое диэлектрика соответственно; к0=2п/Х — волновое число свободного пространства, X — длина волны излучения;
т=1
Рис. 2. Модель структуры вытекающей волны
1 fW/2
Jxmn =^-lw/2Jxm (x)eMj ßn*)^ — ком-
понента разложения плотности тока Jx(x) в ряд Фурье по пространственным гармоникам.
Практика синтеза антенн вытекающей волны показывает, что геометрические параметры элементов излучающей апертуры, выбираемые в результате анализа рассчитанных дисперсионных характеристик бесконечно-протяженной структуры, требуют некоторой коррекции с учетом реальных значений длины и ширины апертуры. Эта процедура выполняется в процессе компьютерного моделирования характеристик антенны с помощью специализированных программ.
На рис. 3 и 4 приведены результаты компьютерного моделирования с помощью CST Microwave Studio электрических характеристик АРВВ с размерами раскрыва Lx х Ly =156*156 мм2, рассчитанной для средней частоты 24,1 ГГц, в полосе частот 23,624,8 ГГц. Диэлектрический волновод выполнен из материала Teflon с относительной диэлектрической проницаемостью £=2,1 (тангенс угла диэлектрических потерь /g^3<0,001 на частотах до 10 ГГц); толщина h=2 мм; размеры входной щели для подключения к питающему волноводу — 11,0*5,5 мм2. На рис. 3 показана частотная характеристика модуля коэффициента отражения напряжения sn на входе, на рис. 4 — частотная характеристика коэффициента усиления.
Рис. 3. Частотная характеристика модуля коэффициента отражения напряжения
Рис. 4. Частотная характеристика коэффициента усиления
Максимальный коэффициент усиления (КУ) О составил 30,7 дБ при эффективности излучения
Э=63 %; причем в полосе частот 23,75-24,38 ГГц 0>30 дБ (Э>50 %). Ширина ДН в Е- и Н-плоскостях в указанной полосе частот ~4 град., уровень боковых лепестков — не более -16 дБ.
На рис. 5 и 6 приведены результаты компьютерного моделирования с помощью ЛшуБ ИБ88 характеристик аналогичной АРВВ с размерами рас-крыва Ьх х Ly =40*40 мм2, рассчитанной для работы в полосе частот 81-82 ГГц. Диэлектрический волновод выполнен из фольгированного диэлектрика Яояеге/ЯТ Бшша 5880 (е=2,2, tgдэ<P,0009 на частотах до 10 ГГц) толщиной й=0,51 мм, ДР составлена из полосок шириной ^=1,55 мм с периодом й=3 мм. На рис. 5 показана частотная характеристика модуля коэффициента отражения напряжения на входе, на рис. 6 — частотные характеристики коэффициентов направленного действия Б и усиления О — без учета рассогласования по входу и ОЯ — с учетом рассогласования.
Рис. 5. Частотная характеристика модуля коэффициента отражения напряжения
Рис. 6. Частотные характеристики коэффициентов направленного действия (Б), усиления без учета отражений (О) и с учетом отражений на входе (ОЯ)
Из представленных данных следует, что в полосе частот 81-82 ГГц антенна обладает эффективностью более 50 % (максимальное значение 58 % при коэффициенте усиления 29,8 дБ на частоте 81,5 ГГц) и характеризуется приемлемым согласованием с питающим волноводом — максимальное значение модуля коэффициента отражения напряжения sп= -11 дБ на частоте 81 ГГц (КСВ=1,84). Ширина
диаграммы направленности антенны в Е- и Н-плоскостях ~5 град., уровень боковых лепестков не более -13 дБ.
Заслуживает внимания то, что потери усиления обусловлены в основном рассогласованием антенны по входу, а не тепловыми потерями, относительный уровень которых в худшем случае составил 0,4 дБ на частоте 80,5 ГГц. Соответственно, КПД антенны, ограниченный тепловыми потерями, превышает 91 % и оказывается практически таким же, как и КПД волноводно-щелевых антенных решеток, изготавливаемых на основе металлических конструкций.
Полученные результаты показывают, что данный вариант антенны (рис. 1) обеспечивает высокую эффективность излучения как в СВЧ, так и в КВЧ-диапазоне на частотах выше 80 ГГц. Кроме того, этот вариант обладает очевидным резервом повышения эффективности за счет снижения потока мощности собственного излучения устройства возбуждения во внешнее пространство и увеличения потока мощности поверхностных волн, распространяющихся вдоль ДВ и вносящих вклад в основное излучение раскрыва антенны.
Поэтому во втором варианте АРВВ, также с волноводным питанием через щель в центре экрана ДВ, использовано иное устройство возбуждения ДВ в виде волноводно-щелевого делителя мощности. Общий вид антенны показан на рис. 7, на котором обозначено: 1 — экранированный плоский ДВ; 2 — элементы полосковой ДР; 3 — центральная полоска ДР с металлическими стержнями 4, замыкающими ее на экран ДВ; 5 — короткозамыкающие элементы делителя мощности; 6 — отражающие металлические бортики; 7 — направление максимального излучения антенны. Устройство возбуждения представляет собой совокупность центральной полоски 3, стержней 4 и расположенного под полоской фрагмента экранированного ДВ 1.
Рис. 7. Общий вид АРВВ с волноводно-щелевым устройством возбуждения поверхностных волн
Одними из прототипов этого варианта АРВВ служат хорошо известные примеры волноводно -щелевых решеток СВЧ и КВЧ с центральным питанием, построенные на основе "Post-Wall" структур или, иначе говоря, на основе SIW (Substrate Integrated Waveguide), представляющих собой волноводно-щелевые устройства, реализованные путем сквозной
металлизации отверстий в фольгированном диэлектрике [3, 5]. Обладая эффективностью порядка 40-60 % на частотах вплоть до десятков ГГц, такие антенны характеризуются довольно высоким УБЛ ДН в плоскости XOZ, в лучшем случае около -9 дБ при минимально реализуемом разнесении щелевых под-решеток, ограничивающем поперечный размер так называемой «блокирующей зоны» [5]. Другим прототипом служит техническое решение [12], тоже предусматривающее использование волноводно-щелевого "Post-Wall" делителя мощности в составе антенны на основе плоскопараллельного волновода с двумерной решеткой излучающих щелей.
Результаты компьютерного моделирования электрических характеристик АРВВ с волноводно-щелевым делителем мощности, интегрированным с ДВ и ДР, иллюстрируются рис. 8 и 9.
HFSSModell
- 00 п-
I II.
Рис. 8. Частотная характеристика модуля коэффициента отражения напряжения
HFSSModell
f. GHz
Рис. 9. Частотные характеристики коэффициентов направленного действия (D) и усиления (G)
АРВВ, рассчитанная для полосы частот 24-24,2 ГГц и имеющая раскрыв с размерами АхВ=112*113 мм2, в отличие от первого варианта с полосковым делителем мощности характеризуется максимальной эффективностью 71 % при коэффициенте усиления 28,5 дБ и хорошим согласованием с питающим волноводом — КСВ не более 1,6.
Уровень боковых лепестков диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях на средней рабочей частоте 24,1 ГГц не превышает -16 дБ; максимальный уровень во всей полосе частот не более -14,5 дБ. Ширина диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях ~6 град.
Представленные варианты плоских антенных решеток вытекающей волны линейной поляризации, рассчитанные для режима излучения по нормали к плоскости раскрыва на частотах СВЧ и КВЧ диапазонов, характеризуются высоким (более 90 %) КПД и эффективностью излучения до 50-70 %. Коэффициент усиления антенн достигает при этом 28-31 дБ в относительной полосе частот до 4-5 % при достаточном для многих применений качестве согласования с питающим волноводом.
Полученные результаты дают основания полагать, что новые плоские антенны подобных конструкций могут успешно конкурировать не только с микрополосковыми, но и волноводно-щелевыми антенными решеткам СВЧ и КВЧ аналогичного назначения.
Литература
1. Sakakibara, K. High-gain Millimeter-wave Planar Array Antennas with Traveling-wave Excitation [Text] / K. Sakakibara. - Ch. 16 in Book: Radar Technology, Ed. by G. Kouemou: InTech, Croatia, 2010. - 430 p.
2. Sabbah, A. Microstrip Antenna Arrays [Text] / A. Sabbah. - Ch. 15. in Book: Microstrip Antennas, Ed. by N. Nasimuddin: InTech, 2011. - 552 P.
3. Ando, M. Planar Waveguide Arrays for Millimeter Wave Systems [Text] / M. Ando // IEICE Trans. Commun. -2010. - V. E93-B, № 10. - P. 2504-2513.
4. Advanced Millimeter-wave Technologies: Antennas, Packaging and Circuits [Text] / D. Liu, U. Pfeiffer, J. Grzyb, B. Gaucher. - John Wiley & Sons, 2009. - 850 P.
5. Ando, M. A Post-Wall Center-Feed Waveguide Circuit Consisting of T-Junctions for Reducing the Slot-Free Area in a Parallel Plate Slot Array Antenna [Text] / M. Ando, K. Hashimoto, J. Hirokawa // IEICE Transactions. - 2010. -№ 10. - P. 1047-1054.
6. Experiments on Dielectric Leaky-Wave Antennas with Parallel-Plate Waveguide Feed [Text] / T. Kawamura [et al] // ISAP2008, 27—28 October 2008. - № 1C06-1. - P. 3642.
7. Разработка и экспериментальное исследование плоских антенных решеток вытекающей волны [Текст] / Д. Н. Борисов, А. В. Золотухин, А. И. Климов, Ю. Б. Нечаев // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. - 2013. -Т. 56, № 11. - С. 3-12.
8. Останков, А. В. Ретроспективный анализ возможностей, конструкций и основных характеристик дифракционных антенн вытекающей волны [Текст] / А. В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6, № 8. - С. 75-81.
9. Borisov, D. N. Planar Leaky-Wave Antenna Arrays for Millimeter Wave Application [Text] / D. N. Borisov, A. I. Klimov, Ju. B. Nechaev // Recent Advances in Circuits, Systems, Telecommunications and Control: Proceedings on the 1st WSEAS International Conference on Wireless and Mobile Communication Systems (WMCS"13): Paris, France, 29-31 Oct., 2013. - P. 85-89.
10. Dielectric Leaky Wave Antenna [Text] / T. Teshiro-gi [et al.]: United States Patent Application Publication. - Pub. No.: US 2008/0303734 A1, Pub. Date: Dec. 11, 2008.
11. Пат. 2517724 Российская Федерация. Плоская антенна вытекающей волны [Текст] / Д. Н. Борисов, А. В. Золотухин, А. И. Климов, Ю. Б. Нечаев, В. И. Юдин. - № 2012144897/08; заявл. 22.10.2012; опубл. 2014. Бюл. № 15.
12. Pat. US 8421698 B2, Int. Cl. H01Q 13/10. Leaky Wave Antenna Using Waves Propagating Between Parallel Surfaces / A. Neto [et al]. Date of Patent 16.04.2013.
13. Ogusu K. Propagation Properties of a Planar Dielectric Waveguide with Periodic Metallic Strips [Text] / K. Ogusu // IEEE Trans. MTT, 1981. - V. 29, №. 1. -P. 16-21.
14. Исследование характеристик плоских антенных решеток СВЧ и КВЧ диапазонов на основе ленточных структур вытекающей волны [Текст] / С. А. Антипов, Д. Н. Борисов, Д. А. Ерошенко [и др.] // Радиотехника. -2014. - № 6. - С. 78-81.
15. Lee, C.W. Analysis of Electromagnetic Scattering by Periodic Strip Grating on a Grounded Dielectric/Magnetic Slab for Arbitrary Plane Wave Incidents Case [Текст] / C. W. Lee, H. Son // IEEE Trans. Antennas and Propag., 1999. - V. 47, №. 9. - P. 1386-1392.
Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный университет Воронежский институт МВД России
CENTER-FED SINGLE-LAYER LEAKY-WAVE ANTENNA ARRAYS
D.N. Borisov, D.A. Eroshenko, A.I. Klimov, Ju.B. Nechaev, V.I. Yudin
Two examples of planar center-fed leaky-wave antenna arrays for broadside radiation in SHF and EHF frequency ranges are presented. The antennas have a hybrid structure combining a metal strip grating on a grounded dielectric substrate with a feeding device (strip comb line coplanar to the strip grating or substrate integrated waveguide with slots). The radiation efficiency of the antennas exceeds 50 %, while the antenna gain is about 28-30 dBi
Key words: leaky waves, antenna array, broadside radiation, antenna gain, radiation efficiency
