Плоские антенные решетки вытекающей волны для применения в миллиметровом диапазоне Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396.677

ПЛОСКИЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ

С.А. Антипов, Д.Н. Борисов, Д.А. Ерошенко, А.И. Климов

Плоские антенные решетки вытекающей волны (АРВВ) привлекательны в качестве высокоэффективных недорогих антенн для применения на миллиметровых волнах, например, в системах радиосвязи и радарах. В данной статье рассмотрены АРВВ, содержащие периодическую печатную решетку из металлических полос на экранированном диэлектрическом волноводе, использующие различные способы питания диэлектрического волновода. Представлены примеры конструкций антенн и их характеристики излучения

Ключевые слова: плоская антенная решетка, поверхностные волны, вытекающие волны, дифракционная решетка из металлических полос (лент), экранированный диэлектрический волновод, характеристики излучения

Во всем мире разрабатывается и используется много радиосистем и устройств, использующих сантиметровые и миллиметровые волны, таких, как системы радиосвязи, радары, датчики и беспроводные компьютерные сети [1].

В качестве компактных плоских антенн для названных выше применений наиболее часто используются микрополосковые [2] и волноводно-щелевые антенные решетки [3]. Среди других типов антенн многообещающими кандидатами являются антенные решетки вытекающей волны (АРВВ) [4— 7], благодаря таким их преимуществам, как простота и дешевизна конструкции и довольно высокая эффективность излучения в сравнении с микропо-лосковыми антенными решетками, особенно в диапазоне миллиметровых волн. Многие АРВВ могут быть изготовлены с использованием печатной технологии, что позволяет получить недорогие плоские антенны. Известно, что габариты и АРВВ и их излу-чательные свойства существенно зависят от конструкции и эффективности работы устройств возбуждения диэлектрического волновода (ДВ), являющегося составной частью многих структур вытекающей волны. В разработанных на сегодняшний день диэлектрических АРВВ, ДВ возбуждается с помощью прямоугольного волновода, секториаль-ного рупора, параболического рефлектора, щели в волноводе и линейной решетки излучающих элементов в виде щелей или микрополосковых элементов [4—7].

Отмечая значительный прогресс, достигнутый в разработках компактных и эффективных АРВВ [5, 6], стоит обратить внимание на существующий резерв дальнейшего улучшения характеристик АРВВ нормального излучения, касающегося снижения обратных потерь и уровня боковых лепестков, повы-

Антипов Сергей Анатольевич — ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 246-27-00, e-mail: [email protected]

Борисов Дмитрий Николаевич — ВГУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]

Ерошенко Денис Александрович — ВИ МВД России, адъюнкт, e-mail:e [email protected] Климов Александр Иванович — ВИ МВД России, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]

шения направленности, эффективности излучения и коэффициента усиления, минимизации габаритов и массы антенн.

В статье представлены два новых технических решения для создания АРВВ нормального излучения на основе ДВ и плоской дифракционной решетки [8], [9]. Предложенные антенны имеют однослойные диэлектрические структуры с центральным питанием, сконструированные так, чтобы обеспечить низкие обратные потери и эффективное линейно-поляризованное излучение по нормали к плоскости раскрыва.

Принцип действия рассматриваемых АРВВ основан на хорошо известном эффекте преобразования электромагнитных волн, распространяющихся вдоль диэлектрического волновода в вытекающие волны, излучаемые структурой, благодаря рассеянию поверхностных волн на периодической дифракционной решетке [4], [10]. Предложенные антенны работают на -1й пространственной гармонике поля дифракции и все их параметры выбраны и рассчитаны для функционирования в режиме резонансной дифракции Брэгга второго порядка и формирования узкого луча в направлении нормали к плоскости излучающей поверхности. С этой целью параметры структуры должны удовлетворять известному условию с/у(Х)=Х/ё; с — скорость света в свободном пространстве, у(Х) — фазовая скорость поверхностных волн, X — длина волны излучения, ё — период решетки [4], [10].

Первая из двух предложенных АРВВ с центральным питанием (рис. 1) [8], разработанная для полосы частот 36—37,5 ГГц, состоит из экранированного ДВ 1, периодической дифракционной решетки (формирующей излучающую апертуру с размерами ЬХ*ЬУ), составленной из двух подрешеток из параллельных металлических полос (лент) 2 и имеющих общую центральную полосу, и устройства питания 3 для ДВ. Один из вариантов устройства питания ДВ может быть реализован в виде прямоугольного волновода со щелями связи, прорезанными в верхней широкой стенке [8].

Рис. 1. Общий вид конструкции первой антенны и ее пространственная диаграмма направленности

В конкретной конструкции устройство питания ДВ образовано прямоугольным металлическим же-лобковым волноводом с входной прямоугольной щелью в основании, и линейной решеткой Ь-образных щелей под центральной полосой дифракционной решетки, как показано на рис. 1. При возбуждении входной щели вдоль желобка распространяются волны ТЕ10 в противоположных (±ОУ) направлениях. Вследствие наличия Ь-образных щелей, периодически расположенных на расстоянии, равном половине длины волны ТЕ10 в желобке на центральной рабочей частоте, имеет место утечка мощности в ДВ, вызывающая интенсивное возбуждение поверхностных ТМ волн, распространяющихся в противоположных (±ОХ) направлениях вдоль ДВ. Дифракция этих волн на периодических решетках приводит к излучению в окружающее пространство и, поскольку вытекающие волны в левой и правой подрешетках оказываются синфазными в направлении +OZ, возникает интенсивное излучение по нормали, с одним главным лепестком в диаграмме направленности (ДН), рис. 1. Для устранения проблемы резкого падения эффективности излучения по нормали, присущей многим открытым периодическим структурам, работающим в открытой полосе запирания [5], [11], в [8] было предложено выбрать ширину центральной полосы решетки близкой или равной периоду полос йх, обе — левую

и правую подрешетки — сместить влево и вправо на одну четверть периода dx, и выбрать толщину ДВ близкой или равной четверти длины волны в диэлектрике.

Этот образец АРВВ был разработан для полосы частот 36—37,5 ГГц с намерением получить коэффициент усиления антенны не менее 30 дБ. Были исследованы и различные способы снижения уровня боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности в E-плоскости (XOZ): например, использование неэквидистантной решетки с неодинаковой шириной полос, а также эквидистантной решетки с постоянной шириной полос, но с отражающими металлическими стенками, замыкающими внешние кромки полос на левой и правой границах ДВ на экран.

Начальные параметры излучающей апертуры, такие, как толщина ДВ, ширина и период полос были рассчитаны с использованием простой математической модели, разработанной для бесконечно-протяженной дифракционной структуры [12, 13]. Эти и другие параметры антенны, уточненные после компьютерного моделирования с помощью CST Microwave Studio, приведены в табл 1.

Таблица 1

Основные параметры конструкции первой

антенны для полосы частот 36—37,5 ГГц

Размер апертуры LxxLy 104,5x108 мм2

ДВ: Rogers RT / Duroid 5880 er=2,2; tg5=0,0009

Толщина ДВ 1,524 мм

Ширина и период полос (dx) 4 мм; 6,2 мм

Ширина центральной полосы 5,8 мм

Полное число полос 15

Внутренний размер желобко-вого волновода 7,2x1,8x106 мм3

Число L-образных щелей 20

Полная длина щелей и их период 5 мм; 5 мм

Размер входной щели 7,2x3,4 мм2

Рис. 2—4 иллюстрируют результаты моделирования некоторых характеристик антенны — частотные зависимости модуля коэффициента отражения напряжения (•11) и коэффициента усиления (О), а также поведение УБЛ ДН (8ЬЬ) в Е-плоскости. Видно, что антенна демонстрирует довольно низкий коэффициент отражения на входе, достаточно высокий коэффициент усиления (полная эффективность излучения 49— 58 %) и УБЛ ДН в Е-плоскости ниже -18 дБ. Средняя ширина ДН по половинной мощности в Е- и Н-плоскостях 5,5^4,5 град. Измеренные и полученные при моделировании характеристики антенны достаточно близки. Стоить заметить, что предложенная конструкция антенны позволяет независимо управлять амплитудным распределением в излучающей апертуре как в Е-, так и в Н-плоскости и увеличить эффективность излучения (по крайней мере, примерно до 70 %, как показано в [8]).

-18.0 sn, dB

-21.0

-22.0 -22.5

1-. (¡11/

Рис. 2. Частотная характеристика коэффициента отражения на входе

30.8 30.6 30.4 30.2 30.0 29.8 29.6

G, d] 3i

/ \

/ 4 v / \

\

1

F GHz

35.8 36.0 36.2 36.4 36.6 36.8 37.0 37.2 37.4 37.6 37.8

Рис. 3. Частотная характеристика коэффициента усиления

-17.5 -18.0 SLL, dB

-19.0 -19.5 -20.0 -20.5 -21.0

V

\

\

-21.5 -22.0 -22.5 \

/

F, GHz

Рис. 4. УБЛ ДН в Е-плоскости (ХОг)

Для дальнейшей минимизации размеров недавно был предложен второй, несколько иной вариант АРВВ [9].

Вторая АРВВ с центральным питанием (рис. 2), как и первая, состоит из экранированного ДВ 1, периодической дифракционной решетки (формирующей излучающую апертуру) из параллельных металлических полос 2, но содержит иное устройство возбуждения 3 для ДВ [9]. Для питания антенны в центре металлического экрана прорезана входная щель 4. Устройство 3 расположено в одной плоскости с решеткой 2 и образовано центральной полосой решетки с двумя боковыми рядами прямоугольных металлических выступов, присоединенных к

обеим кромкам полосы подобно тому, как это сделано в печатной гребенчатой полосковой структуре с переменно-фазно излучающими выступами [2]. Полосы и выступы расположены периодически вдоль OX и OY осей с периодами dx and dy; размеры излучающей апертуры Lx*Ly. Направление максимального излучения 5 показано черной стрелкой.

z /

Рис. 5. Общий вид конструкции второй антен-

Соответственно описанному выше принципу действия, на требуемой рабочей частоте антенны период ёх выбирается равным длине поверхностной волны ДВ, распространяющейся в направлениях ±0Х, а период йу — равным длине волны, возбуждаемой через входную щель в линии передачи, образованной центральной полосой с боковыми выступами, и распространяющейся в направлениях ±07. Поэтому главный лепесток ДН ориентирован по нормали к излучающей апертуре. Точнее, линия передачи в виде центральной полосы с боковыми выступами служит делителем мощности. Соответственно периоду йу, на заданной рабочей частоте часть входной мощности непосредственно излучается из структуры вдоль оси 02, но другая, большая часть входной мощности благодаря наличию неоднород-ностей (выступов) преобразуется в мощность поверхностных ТМ волн, распространяющихся вдоль ДВ в направлениях ±0Х. В результате их дифракции на периодической решетке антенна излучает вдоль оси 02 с поляризацией в плоскости Х02, параллельной оси ОХ. Поскольку во второй предложенной АРВВ тоже используется параллельно-последовательной питание, ее рабочая полоса частот также ограничена частотно-зависимым расщеплением луча. Однако, как будет показано далее, в случае узкополосных (2—3) % применений, такая АРВВ может обеспечить высокий коэффициент направленного действия — вплоть до 28—30 дБ. Чтобы избежать значительного отражения и обратных потерь на резонансной частоте, во второй предложенной антенне толщина ДВ тоже выбрана примерно равной четверти длины в среде с относительной диэлектрической проницаемостью ег (для ДВ, поддерживающего ТМ поверхностные волны), а ширина

центральной полосы дифракционной решетки взята близкой к dx. В этом случае коэффициент отражения на входе антенны получается довольно низким — менее -(10—15) дБ [8], [9].

Первый образец второй предложенной АРВВ был рассчитан как тестовая антенна для компьютерного моделирования и измерения характеристик излучения в порядке оценки возможностей антенны. Наиболее важные начальные параметры конструкции, такие как толщина ДВ, ширина и период полос были рассчитаны с использованием той же математической модели [12, 13].

Эти и другие параметры антенны, уточненные после компьютерного моделирования с помощью CST Microwave Studio, приведены в табл. 2, в которой также указаны измеренные электрические параметры — ширина диаграммы направленности, коэффициент усиления (КУ), полная эффективность, коэффициент стоячей волны напряжения (КСВ) и УБЛ диаграммы направленности. Видно, что эффективность излучения антенны, рассчитанной для получения коэффициента усиления 28 дБ на 10,6 ГГц, не менее 50 % (максимум 60 %) в пределах 3,8 % полосы частот. Как ожидалось, достигается довольно низкий КСВ в питающей линии передачи.

Таблица 2

Параметры тестовой антенны

в полосе 10,4—10,8 ГГц_

Размеры апертуры LxxLy 266x258 мм2

Полное число полос 11

ДВ: Teflon £r=2,1; tg5=0,001

Толщина ДВ 5,2 мм

Ширина полос и период (dx) 12 мм; 23 мм

Ширина центральной полосы 18 мм

Полное число выступов 22

Размеры и период выступов (dy) 5x5 мм2; 20,5 мм

Размеры входной щели 23x10 мм2

Ширина ДН (E- и H-плоскости) 5x5 град.

Максимальный КУ (моделирование/измерения) 28/28 дБ

Полная эффективность антенны (min/max) 0,5/0,6

КСВ (min/max) 1,3/1,85

УБЛ < -12 дБ

Два других образца второй предложенной АРВВ были разработаны для частот 24—24,4 ГГц и 36,5—37,3 ГГц с намерением получить КУ не менее 30 дБ.

Как и в случае тестовой антенны, для этих образцов были выбраны фольгированные диэлектрики с низкими диэлектрическими потерями Teflon и Rogers RT/Duroid 5880 (со стандартной толщиной листов). В табл. 3 и 4 представлены параметры конструкции и результаты компьютерного моделирования характеристик излучения антенн.

Таблица 3

Параметры АРВВ для 24—24,4 ГГц

Размеры апертуры LxxLy 156x156 мм2

ДВ: Teflon £r=2,1; tg5=0,001

Толщина ДВ 2 мм

Ширина полос и период (dx) 5,4 мм; 8,9 мм

Ширина центральной полосы 7,6 мм

Полное число полос 15

Полное число выступов 34

Размеры и период выступов (dy) 2,3x1 мм2; 4,45 мм

Размеры входной щели 11x5,5 мм2

Ширина ДН (E- и H-плоскости) 4,5x4,5 град.

Максимальный КУ 30,7 дБ

Полная эффективность антенны (min/max) 0,5/0,6

КСВ (min/max) 1,12/1,43

УБЛ < -11,5 дБ

Таблица 4 Параметры АРВВ для 36,5—37,3 ГГц

Размеры апертуры LxxLy 94x97 мм2

ДВ: Rogers RT/Duroid 5880 er=2,2; tg5=0,0009

Толщина ДВ 1,52 мм

Ширина полос и период (dx) 3,1 мм; 6,3 мм

Ширина центральной полосы 5,2 мм

Полное число полос 15

Полное число выступов 32

Размеры и период выступов (dy) 1,6x0,8 мм2; 5,8 мм

Размеры входной щели 7,2x3,4 мм2

Ширина ДН (E- и H-плоскости) 4,5x4,5 град..

Максимальный КУ 30,5 дБ

Полная эффективность антенны (min/max) 0,5/0,65

КСВ (min/max) 1,1/1,55

УБЛ < -12 дБ

Интересно сравнить характеристики обеих АРВВ, рассчитанных для миллиметрового диапазона — первой, рис. 1, и второй, рис. 5. Отчетливо видно, что вторая предложенная АРВВ с почти такими же размерами апертуры обеспечивает практически те же значения КУ и эффективности излучения, как и у первой; однако рабочая полоса частот первой АРВВ вдвое шире. Тем не менее, вторая АРВВ имеет очевидное преимущество как более компактная и технологичная.

Отличительными особенностями рассмотренных плоских антенных решеток вытекающей волны нормального излучения являются различные устройства питания диэлектрического волновода. Исследованные образцы АРВВ на частотах излучения по нормали к апертуре показывают довольно низкий уровень обратных потерь. Полная эффективность излучения антенн не менее 50—60 % при

коэффициенте усиления 28—30 дБ на частотах до 37—37,5 ГГц.

Предполагается, что описанные выше излучающие структуры могут быть использованы для построения компактных антенных решеток вытекающей волны, работающих на частотах вплоть до 60— 80 ГГц.

Литература

1. Huang, Kao-Cheng. Millimetre Wave Antennas for Gigabit Wireless Communications: a Practical Guide to Design and Analysis in a System Context. JohnWiley & Sons Ltd, 2008. 271 P.

2. Garg, R., Barthia P., Bahl I., Ittipiboon A. Microstrip Antenna Design Handbook, Ed. Artech House, 2001. 685 P.

3. Ando M. Planar Waveguide Arrays for Millimeter Wave. In: IEICE Trans. Commun., V. E93—B, N. 10, 2010. P. 2504—2513.

4. Oliner A.A., Jackson D.R. Leaky-Wave Antennas: Ch. 11 in Antenna Engineering Handbook, J. L. Volakis, Ed., New York: McGraw-Hill, 2007. 1755 P.

5. 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.

6. Kawamura T., Yamamoto A., Teshirogi T., Kawa-hara Y. Dual-Layer Parallel-Plate Waveguide Feed for Dielec-

Воронежский государственный университет

Воронежский институт МВД России

Воронежский государственный технический университет

tric Leaky-Wave Antenna. Proceedings of ISAP 2007, Niiga-ta, Japan. P. 117—120.

7. Baccarelli P. 1-D Periodic Leaky-Wave Antennas: Radiation Properties and Design Aspects / ESoA Course on Leaky Waves and Periodic Structures for Antenna Applications. La Sapienza University of Rome, Italy, April 26-29, 2011. 65 P.

8. Плоская антенна: пат. на изобретение № 2435260 Рос. Федерация / Нечаев Ю.Б.(РФ), Климов А.И. (РФ), Хохлов Н.С. (РФ), Юдин В.И. (РФ) Радько П.Н. (РФ); заявитель и патентообладатель: ОАО «Концерн «Созвездие»; опубл. 27.11.2011.

9. Плоская антенна вытекающей волны: заявка на изобретение № 2012144897 Рос. Федерация / Нечаев Ю.Б.(РФ), Климов А.И. (РФ), Борисов Д.Н, (РФ), Юдин В.И. (РФ,) Золотухин А.В. (РФ); дата приоритета 22.10.2012.

10. Шестопалов В. П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. Киев: Наук, думка, 1985. 216 с.

11. Gross Frank B. Frontiers in Antennas: Next Generation Design & Engineering, New York: McGraw-Hill Comp., 2011. 526 P.

12. Пастернак Ю.Г. Математическое моделирование, оптимизация и автоматизированное проектирование дифракционных и вибраторных мобильных антенных решеток / Ю. Г. Пастернак; под ред. В. И. Юдина. — Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. 257 с.

13. Климов А. И. Разработка и исследование плоских дифракционных антенн СВЧ и КВЧ диапазонов с электрически управляемыми характеристиками. Воронеж: Научная книга, 2010. 117 с.

PLANAR LEAKY WAVE ANTENNA ARRAYS FOR MILLIMETER WAVE APPLICATIONS S.A. Antipov, D.N. Borisov, D.A. Eroshenko, A.I. Klimov

Planar leaky-wave antenna arrays are attractive as high efficient and low cost antennas for millimeter-wave applications, for example, in radio communication and radar devices. In this article, planar leaky-wave antenna arrays composed of a printed periodic metal strip grating on a grounded dielectric waveguide and using various feeding technique for the dielectric waveguide are considered. Antenna design examples and their radiation characteristics are presented

Key words: planar antenna array, surface waves, leaky waves, metal strip grating, grounded dielectric waveguide, radiation characteristics