CC BY
7
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
М. А. Галуза Д. А. Ерошенко
А. И. Климов, доктор технических наук, доцент
ПЛОСКАЯ АНТЕННА СВЧ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ И НИЗКИМ УРОВНЕМ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
FLAT MICROWAVE ANTENNA WITH HIGH GAIN AND LOW SIDE LOBES OF THE DIRECTIONAL PATTERN
Приведены результаты имитационного моделирования новой плоской антенны СВЧ, составленной из четырех подрешеток вытекающей волны, объединенных с помощью четырехканального волноводного делителя/сумматора мощности типа «звезда». В отличие от ранее разработанной антенны из симметричных подрешеток с распределителями мощности на основе гребенчатых полосковых линий, в новой антенне используются асимметричные подрешетки с волноводно-щелевыми распределителями мощности. Такая конструкция позволяет снизить уровень боковых лепестков диаграммы направленности с —П...—13 дБ до -17...-18 дБ, тогда как коэффициент усиления уменьшается не более чем на 0,7 дБ.
The results of computer simulation of a new flat SHF antenna, composed offour leaky wave subarrays, combined with a four-channel waveguide star-type power divider/combiner, are presented. Unlike the previously developed antenna of symmetrical subarrays with power distributors based on comb strip lines, the new antenna uses asymmetric subarrays with slotted waveguide power distributors. The new design allows to reduce the level of the side lobes of the radiation pattern from -11... -13 dB to -17... -18 dB, while the antenna gain decreases by no more than 0,5 dB.
В приемопередающей аппаратуре радиосистем диапазонов СВЧ и КВЧ и в измерительной технике во многих случаях необходимо использовать антенны с узкими ДН и высоким коэффициентом усиления (порядка 34—36 дБ). В этом отношении значительный интерес представляют компактные плоские антенны, например полосковые и волноводно-щелевые антенные решетки различных конструкций. Получение высоких значений коэффициента усиления (КУ) естественным образом требует увеличения коэффициента направленного действия (КНД). Это достигается за счет сужения диаграммы направленности (ДН) путем увеличения площади раскрыва антенны по отношению к квадрату рабочей длины волны, соответственно, за счет увеличения количества антенных элементов в решетке. При этом неизбежно усложняется схема питания (распределения мощности) элементов решетки и ее конструкция в целом, возрастают потери мощности, что ведет к снижению коэффициента полезного действия (КПД) антенны и ее коэффициента усиления по сравнению с КНД. Наибольшим КПД, превышающим 90—95% даже на частотах диапазона КВЧ, обладают классические волноводно-
щелевые антенные решетки СВЧ и КВЧ [1—3]. Для полосковых антенных решеток [4, 5] характерно снижение КПД с ростом рабочих частот и увеличением количества антенных элементов. Поэтому, как показано в работах [6—9], перспективными являются плоские антенны вытекающей волны (АВВ) СВЧ и КВЧ, КПД которых сопоставим с КПД металлических волноводно-щелевых решеток, а конструкции антенн оказываются более простыми и технологичными. Но и в отношении АВВ стоит отметить их характерный недостаток, присущий антенным решеткам с последовательным и (проявляющийся в меньшей степени) с параллельно-последовательным питанием — сужение полосы рабочих частот при увеличении площади раскрыва антенны Это сужение обусловлено расширением ДН, возрастанием уровня боковых лепестков (УБЛ) и расщеплением главного лепестка при изменении частоты вследствие угло-частотной дисперсии [4]. Поэтому плоские АВВ в принципе могут обеспечить получение высокого КНД (более 34-35 дБ), но в узкой полосе частот (ограниченной, в частности, возрастанием УБЛ ДН до определенного граничного значения) шириной порядка десятых долей процента. Вместе с тем, например, относительная полоса рабочих частот антенн радиоволновых извещателей систем охраны периметра, радаров комплексов контроля дорожного движения, работающих в диапазоне 24 ГГц, должна быть не менее 1%.
Увеличение КНД принципиально не вызывает затруднений, для этого следует увеличить площадь раскрыва антенны, т. е. размеры А и В, обозначенные на рис. 1. Однако при этом неизбежно будет сужаться полоса рабочих частот (ограниченная ростом УБЛ ДН и снижением КНД и КУ) в силу известных свойств антенных решеток с последовательным питанием [1], что может оказаться неприемлемым. В этой связи возникает вопрос о построении плоской АВВ с высокими КНД и КУ и достаточной для конкретных применений шириной полосы рабочих частот.
В одной из предыдущих статей [10] был предложен новый вариант плоской антенны СВЧ нормального излучения в виде антенны, составленной из четырех одинаковых подрешеток вытекающей волны с их равноамплитудным синфазным возбуждением (рис. 1). В [10] отмечено, что в соответствии с теорией антенных решеток [1] у такой антенны можно ожидать сужения ДН в Е- и Н-плоскостях в два раза и увеличения максимального КНД антенны в четыре раза, т. е. на 6 дБ. Так что, если в качестве подре-шетки использовать, например, плоскую АВВ с КНД 29 дБ, антенна из четырех подрешеток может иметь КНД до 35 дБ, причем ширина полосы рабочих частот не уменьшится, а останется практически такой же, как у одиночной подрешетки.
А
1 -II III IIIIIIII И
Рис. 1. Плоская антенна из четырех подрешеток вытекающей волны
125
В качестве подрешетки для построения антенны для диапазона 24 ГГц в работе [10] была выбрана плоская АВВ с параллельно-последовательным возбуждением рас-крыва с размерами 115x111 мм с помощью распределителя мощности на основе гребенчатой полосковой линии (ГПЛ) [9], имеющая наибольший КНД Б=28,9 дБ при ширине ДН 4° и КУ с учетом коэффициента стоячей волны (КСВ) на входе ОЯ=28,8 дБ на частоте 24,2 ГГц. Рабочая полоса частот антенны, ограниченная снижением КУ на 1 дБ от максимального значения и возрастанием УБЛ ДН до -12 дБ, 23,9—24,4 ГГц (2,1%).
Для объединения четырех подрешеток в антенне использован вариант четырех-канального параллельного делителя/сумматора типа «звезда» в виде объединения четырех прямоугольных металлических волноводов сечением 12,5x2,5 мм , короткоза-мкнутых на концах и имеющих щели связи с подрешетками вытекающей волны. Таким образом, площадь раскрыва антенны увеличилась в четыре раза. Пример ДН такой антенны из четырех подрешеток на частоте 24,2 ГГц приведен на рис. 2. Как видно из рис. 2, ширина ДН в Е- и Н-плоскостях уменьшилась до 2°, КНД антенны возрос до 34,9 дБ и, как и ожидалось, оказался на 6 дБ выше, чем у одной подрешетки. Полоса частот, ограниченная снижением КУ на 1 дБ, составила приблизительно 0,45 ГГц (2%), на 0,1% меньше, чем у одиночной подрешетки.
Рис. 2. Пример ДН антенны из четырех подрешеток в Е- (линия серого цвета) и Н-плоскости (линия черного цвета)
Вместе с тем УБЛ ДН антенны из четырех подрешеток на одной и той же частоте 24,2 ГГц оказался выше: -11,66 дБ вместо -15,1 дБ в случае одиночной подрешетки. Дело в том, что в одиночной подрешетке реализуется амплитудное распределение, симметричное относительно центра ее раскрыва и спадающее к его краям по закону, близкому к экспоненциальному. По этой причине при простом объединении таких АВВ в четырехэлементную решетку в центре ее раскрыва возникает провал в амплитудном распределении напряженности электрического поля (например, Ех в Е-плоскости, рис. 3), что и приводит к росту УБЛ ДН.
Рис. 3. Распределение напряжённости поля Ех вдоль средней линии раскрыва
в направлении Х
Новый вариант полосковой антенной решетки СВЧ из четырех подрешеток вытекающей волны показан на рис. 4. В отличие от предыдущего варианта, показанного на рис. 1, в новом варианте используются подрешетки с волноводно-щелевыми распределителями мощности [10] (рис. 5), обеспечивающие более эффективное возбуждение плоских диэлектрических волноводов (ДВ) и, соответственно, раскрыва антенны в целом.
Рис. 4. Новый вариант плоской антенной решетки
Рис. 5. Решетка вытекающей волны с волноводно-щелевым распределителем мощности
Подрешетка, показанная на рис. 5, содержит экранированный ДВ (1), полоско-вую дифракционную решетку (2), а также переменно-фазный волноводно-щелевой распределитель мощности, образованный центральной полоской решетки, соединенной с экраном ДВ парами металлических стержней (4) (в виде металлизированных отверстий в ДВ); короткозамыкающие полоски (5) и отражающие стенки (6).
Дальнейшие исследования были направлены на поиск решений, позволяющих снизить УБЛ ДН антенны без существенного уменьшения КНД и КУ. В отношении снижения УБЛ ДН в Е-плоскости было выдвинуто предположение, что путем оптимизации постоянной вытекания а в области 2 (рис. 4) за счет соответствующего выбора периода ёх2 и ширины металлических полосок Wx2 можно попытаться реализовать два экспоненциальных амплитудных распределения поля Ех во встречных направлениях, обеспечивающих суммарное распределение, близкое к равномерному. Это позволило бы уменьшить глубину провала в амплитудном распределении поля в центральной части раскрыва и, возможно, снизить УБЛ ДН в Е-плоскости. Предварительные оценки показали, что для этого следовало бы на несколько процентов уменьшить ширину полосок wx2 по сравнению с шириной полосок wxl в периферийных областях раскрыва при увеличении периода расположения полосок ёх1 для сохранения одинакового направления излучения этих областей, нормального к плоскости раскрыва.
о.оо
Thêta [deg]
Рис. 6. ДН антенны в Е- и Н-плоскостях на частоте 24,2 ГГц
о.оо
Thêta [deg]
Рис. 7. ДН антенны в Е- и Н-плоскостях на частоте 24 ГГц
0.00 Thêta [deg]
Рис. 8. ДН антенны в Е- и Н-плоскостях на частоте 24,1 ГГц
Результатом итерационной процедуры параметрической оптимизации действительно стало существенное снижение УБЛ ДН в Е-плоскости — на 6—7 дБ, что видно из ДН антенны, представленных на рис. 6—8. Однако сравнительный анализ нового амплитудного распределения поля Ех , представленного на рис. 8, с прежним, представленным на рис. 3, показал, что глубина провала практически не уменьшилась.
Рис. 9. Распределение напряжённости поля Ех вдоль средней линии раскрыва
в направлении Х 129
Вместе с тем сопоставление формы ДН в Е-плоскости предыдущего и нового вариантов антенны показало, что в ДН новой антенны в Е-плоскости наряду со снижением уровня первых боковых лепестков в пределах углового сектора ±60° относительно нормали к рас-крыву появились дополнительные боковые лепестки с приблизительно одинаковым уровнем, причем несколько большим в сравнении с УБЛ ДН в том же секторе в случае предыдущего варианта антенны. Очевидно, это говорит о заметном перераспределении мощности излучения новой антенны в боковых направлениях в пределах этого углового сектора.
Далее аналогичная процедура была выполнена и в отношении периода расположения ёу2 и ширины щелей Wy2 (образованных парами металлической стержней сквозной металлизации) волноводно-щелевого делителя мощности в области 2 на рис. 4, что, как оказалось, тоже привело к перераспределению мощности между боковыми лепестками ДН антенны в Н-плоскости в угловом секторе ±20° с одновременным снижением УБЛ на 6-7 дБ, что также видно из ДН антенны, представленных на рис. 5-7.
На рис. 10 приведены частотные характеристики КНД Б, КУ О (учитывающего только КПД) и КУ ОЯ, учитывающего и КПД, и потери мощности из-за рассогласования антенны по входу. Надо отметить, что наряду с перераспределениями мощности бокового излучения в в Е-и Н-плоскостях увеличилась и ширина ДН (с двух до трех градусов), что привело к снижению максимального КНД новой антенны по сравнению с предыдущим вариантом на 0,5-0,7 дБ, рис. 10. В итоге при максимальном теоретическом значении КНД на частоте 24,1 ГГц при размерах раскрыва новой антенны А*В=227*223 мм2 Б=36,13 дБ реально полученное значение составило 34,17 дБ (рис.10), что соответствует довольно высокому реализованному значению коэффициента использования поверхности (КИП) раскрыва антенны у=0,637.
24.10 24.20
Freq [GHz]
Рис. 10. Частотные характеристики КНД и коэффициента усиления
Тем не менее полученный результат можно считать вполне удовлетворительным, поскольку УБЛ ДН новой антенны в Е- и Н-плоскостях в полосе частот 24—24,25 ГГц оказался довольно низким — например, -18,1 дБ на частоте 24,2 ГГц (у одиночной подрешет-ки он был даже выше: -15 дБ), тогда как у предыдущего варианта антенны УБЛ был высоким — не менее -11,7 дБ.
На рис. 11 приведена частотная характеристика КСВ на входе новой антенны. В полосе частот 24-24,25 ГГц КСВ не превышает 1,5, что допустимо, например, в случае применения антенны в периметральных извещателях или радарах комплексов контроля дорожного движения.
24.10 24.20
Freq [GHz]
Рис. 11. Частотная характеристика КСВ
Таким образом, использование конструктивно асимметричных в Е- и Н-плоскостях подрешеток вытекающей волны с различными значениями периода и ширины полосок по разные стороны относительно волноводно-щелевого распределителя мощности и самого распределителя с различными значениями периода и ширины щелей по разные стороны относительно его центра позволяет перераспределить мощность бокового излучения и достичь значительного снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности по сравнению с антенной, составленной из симметричных подрешеток вытекающей волны, не менее чем на 6—7 дБ, и довести его до значений, не превышающих -17.. .-18 дБ. При этом по эффективности использования раскрыва и КПД антенна не уступает не только известным плоским антенным решеткам, но и зеркальным антеннам СВЧ и КВЧ и обладает высоким КНД и коэффициентом усиления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток : учеб. пособие для вузов / Д. И. Воскресенский [и др.] ; под ред. Д. И. Воскресенского. — М. : Радиотехника, 2012. — 744 с.
2. Ji S., Hirokawa J., Tomura T. A Wideband and High-Gain All-Metallic Perpendicular-Corporate-Fed Multi-Layered Parallel-Plate Slot Array Antenna // IEEE Access. — 2022. — V. 10. — P. 38000—38011.
3. A Review on Improved Design Techniques for High Performance Planar Waveguide Slot Arrays / G. A. Casula [et al.] // Electronics. — 2021. — V. 10, 1311. — P. 24.
4. Volakis J. L. Antenna Engineering Handbook. — McGraw-Hill, 2007. — 1755 p.
5. James J. R., Hall P. S. Handbook on Microstrip Antennas. — London : Peter Pere-grinus Ltd, 1989. — 1311 p.
6. Leaky-Wave Antennas for 5G/B5G Mobile Communication Systems: A Survey / Y. He [et al.] // ZTE Communications. — 2020. — Vol. 18. — No. 3. — P. 3—11.
7. Однослойные антенные решетки вытекающей волны с центральным питанием / Д. Н. Борисов [и др.] // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2015. —Т. 11. — № 1. — С. 74—78.
8. Ерошенко Д. А., Климов А. И., Кузнецов А. В. Плоская антенная решетка диапазона КВЧ с высоким коэффициентом усиления // Вестник Воронежского института МВД России. — 2017. — № 4. — С. 175—181.
9. Пат. 2517724 C1 Российская Федерация, МПК7 H01Q13/28, H01P3/16. Плоская антенна вытекающей волны / Борисов Д. Н., Золотухин А. В., Климов А. И., Нечаев Ю. Б., Юдин В. И.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный университет. — № 2012144897/08; заявл. 22.10.2012; опубл. 27.05.04, Бюл. № 15. — 7 с.
10. Галуза М. А., Климов А. И. Характеристики плоской антенны СВЧ, составленной из четырех подрешеток вытекающей волны // Вестник Воронежского института МВД России. — 2019. — № 4. — С. 152—157.
REFERENCES
1. Ustrojstva SVCH i antenny. Proektirovanie fazirovannyh antennyh reshetok : ucheb. posobie dlya vuzov / D. I. Voskresenskij [i dr.] ; pod red. D. I. Voskresenskogo. — M. : Radio-tekhnika, 2012. — 744 s.
2. Ji S., Hirokawa J., Tomura T. A Wideband and High-Gain All-Metallic Perpendicular-Corporate-Fed Multi-Layered Parallel-Plate Slot Array Antenna // IEEE Access. — 2022. — V. 10. — P. 38000—38011.
3. A Review on Improved Design Techniques for High Performance Planar Waveguide Slot Arrays / G. A. Casula [et al.] // Electronics. — 2021. — V. 10, 1311. — P. 24.
4. Volakis J. L. Antenna Engineering Handbook. — McGraw-Hill, 2007. — 1755 p.
5. James J. R., Hall P. S. Handbook on Microstrip Antennas. — London : Peter Pere-grinus Ltd, 1989. — 1311 p.
6. Leaky-Wave Antennas for 5G/B5G Mobile Communication Systems: A Survey / Y. He [et al.] // ZTE Communications. — 2020. — Vol. 18. — No. 3. — P. 3—11.
7. Odnoslojnye antennye reshetki vytekayushchej volny s central'nym pitaniem / D. N. Borisov [i dr.] // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universi-teta. — 2015. —T. 11. — № 1. — S. 74—78.
8. Eroshenko D. A., Klimov A. I., Kuznecov A. V. Ploskaya antennaya reshetka diapazona KVCH s vysokim koefficientom usileniya // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2017. — № 4. — S. 175—181.
9. Pat. 2517724 C1 Rossijskaya Federaciya, MPK7 H01Q13/28, H01P3/16. Ploskaya antenna vytekayushchej volny / Borisov D. N., Zolotuhin A. V., Klimov A. I., Nechaev YU. B., YUdin V. I.; zayavitel' i patentoobladatel' Voronezhskij gosudarstvennyj universitet. — № 2012144897/08; zayavl. 22.10.2012; opubl. 27.05.04, Byul. № 15. — 7 s.
10. Galuza M. A., Klimov A. I. Harakteristiki ploskoj antenny SVCH, sostavlennoj iz chetyrekh podreshetok vytekayushchej volny // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2019. — № 4. — S. 152—157.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Галуза Максим Андреевич. Оотрудник научно-исследовательского отдела.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: q0mezon@gmail.com
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-51-28.
Ерошенко Денис Александрович. Преподаватель-методист ученого совета.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: den1is_90@mail.ru
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-51-76.
Климов Александр Иванович. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России. E-mail: alexserkos@inbox.ru
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-65.
Galuza Maksim Andreevich. Research department employee. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: q0mezon@gmail.com
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-51-28.
Eroshenko Denis Aleksandrovich. Teacher-methodologist of the Academic Council. Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: den1is_90@mail.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-51-76.
Klimov Alexander Ivanovich. Professor of the chair of Infocommunication Systems and Technologies. Doctor of Sciences (Radio Engineering), Assistant Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: alexserkos@inbox.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-65.
Ключевые слова: плоская антенная решетка; вытекающие волны; коэффициент направленного действия; коэффициент усиления; диаграмма направленности.
Key words: flat antenna array; leaky waves; directional effect coefficient; gain coefficient; directional
pattern.
УДК 621.396.67
