CC BY
30
М. А. Галуза
СКАНИРУЮЩИЕ АНТЕННЫ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ ДИАПАЗОНА СВЧ И КВЧ
SHF AND EHF SCANNABLE LEAKY WAVE ANTENNAS
Представлены результаты компьютерного моделирования и анализа характеристик плоской полосковой антенной решетки вытекающей волны с однокоординат-ным сканированием диаграммы направленности и плоской полосковой антенной решетки с двухкоординатным сканированием диаграммы направленности диапазона 24 ГГц. Рассмотренные антенны могут быть использованы в аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления диапазонов СВЧ и КВЧ.
The results of computer simulation and analysis of characteristics of a flat strip leaky wave antenna array with a one-dimensional radiation pattern scan and a flat strip antenna array with a two-dimensional radiation pattern scan of the 24 GHz range are presented. The considered antennas may be used in the equipment of SHF and EHF radio communication systems, radar and radio control.
В работах [1—3] были представлены результаты исследований, направленных на построение плоских антенн вытекающей волны (АВВ) СВЧ и КВЧ с торцевым и центральным возбуждением, выполненных на основе экранированных диэлектрических волноводов (ПДВ) с одно- и двумерно-периодическими полосковыми дифракционными решетками (ДР), обеспечивающих однокоординатное сканирование диаграммы направленности (ДН). На примерах имитационного моделирования с помощью специализированной программы ANSYS HFSS было показано, что известные АВВ СВЧ и КВЧ нормального излучения могут быть трансформированы в фазированные антенные решетки (ФАР) с однокоординатным фазовым сканированием ДН в пределах углового сектора до ±(18—20)°. Один из перспективных вариантов плоской сканирующей АВВ КВЧ с параллельно-последовательным возбуждением ПДВ, имеющей восемь входов в виде прямоугольных щелей в экране ПДВ, расположенных под центральной полоской ДР, изображен на рис. 1 [3]. АВВ формирует излучение с ^-поляризацией — с вектором Е, параллельным оси ОХ. Параметры ПДВ и ДР таковы, что при синфазном возбуждении всех входов главный лепесток ДН направлен вдоль OZ, а при возбуждении входов с линейно
изменяющимся сдвигом фазы в направлении оси ОУ происходит сканирование ДН в
плоскости в угловом секторе ±6.
Рис. 1. Сканирующая АВВ с параллельно-последовательным возбуждением ПДВ
Имитационное моделирование антенны с размерами 43,6*40*0,79 мм3, содержащей ПДВ из материала RogersRT/Duroid 5880 (с относительной диэлектрической проницаемостьюю £=2,2) и ДР с полосками неодинакововой ширины для реализации амплитудного распределения вида «косинус на пьедестале» в направлениях ±ОХ, показало, что при синфазном возбуждении на частоте 61 ГГц минимальные и максимальные значения коэффициентов направленного действия (D) и усиления (G) составили Dmin=27,1 дБ, Gmin=25,8 дБ; Dmax=28,7, Gmax=28,7 дБ, а уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН в Е-плоскости не превышал -17 дБ. АВВ обеспечивает сканирование ДН с приемлемой формой главного лепестка в угловом секторе до ±21° [3]. Для расширения сектора сканирования в [3] было предложено рассмотреть вариант антенны с расстоянием между входами порядка половины рабочей длины волны. Такие исследования были проведены, и их результаты представлены ниже.
Новый вариант АВВ с фазовым сканированием был рассчитан для работы в полосе частот 24—24,2 ГГц, используемой, в частности, в радарных комплексах контроля дорожного движения, охранных устройствах, а также устройствах автоматического управления. Антенна имеет конструкцию, аналогичную показанной на рис. 1, но отличается количеством входов (16) и уменьшенным до половины минимальной рабочей длины волны расстоянием между ними. ПДВ и ДР выполнены из листа толщиной 1,5 мм ламинированного СВЧ диэлектрика RogersRT/Duroid 6006 с £=6,15, размеры раскрыва антенны 84*100 мм2. Дополнительным отличием новой антенны является также существенно уменьшенный (примерно до половины длины волны) период ДР. Исходные конструктивные параметры структуры АВВ для последующего имитационного моделирования были рассчитаны с использованием компьютерной программы [4]. В таблице представлен фрагмент результатов расчета значений коэффициента ослабления а и угла излучения минус первой пространственной гармоники в для бесконечно-протяженной структуры с периодом ДР d=6,3 мм в зависимости от ширины полоски ДР w на средней частоте 24,1 ГГц. Полученные значения коэффициента ослабления использованы для определения значений ширины полосок, при которых в направлениях ±ОХ реализуется выбранное для антенны амплитудное распределение вида «косинус на пьедестале» A+(1-A)cos(nx/Lx), А=0,316 (обеспечивающее теоретический УБЛ ДН не выше -20 дБ) для заданного размера раскрыва Lx=84 мм.
При указанных выше размерах раскрыва антенны максимальный КНД D на частоте 24 ГГц при коэффициенте использования поверхности КИП=1 составляет 28,3 дБ.
Зависимость коэффициента ослабления и направления излучения
от ширины полосок ДР
мм а, 1/м 0, градусы
3 21,2145 -2,31346
3,1 8,77827 0,531136
3,2 24,1228 2,46275
3,3 33,2728 3,42435
3,4 40,3996 4,13309
3,5 46,2691 4,69779
Имитационное моделирование АВВ с помощью программы АКБУБ НРББ показало, что в отличие от известного варианта, описанного выше, новая АВВ при сдвиге фаз колебаний между соседними входами 100° обеспечивает сканирование ДН в угловом секторе ±35° при активном КСВ на входах не более 3. Иначе говоря, угловая ширина сектора сканирования нового варианта АВВ в 1,7 раза превышает ширину сектора сканирования известного варианта. Главный лепесток ДН сохраняет приемлемую форму (максимальная ширина 8°*8°) даже при сканировании в секторе ±42°, при этом, однако, на частоте 24,1 ГГц активный КСВ возрастает до 4,6. При синфазном возбуждении всех 16 входов КНД на частоте 24,1 ГГц составил 26,7 дБ, при отклонении ДН на углы ±35° 26,2 дБ (рис. 2).
а б
Рис. 2. ДН АВВ в Е-плоскости при синфазном возбуждении входов (а) и в Н-плоскости при отклонении на угол 35° от нормали к раскрыву (б)
Проверка формы ДН при различных углах отклонения ДН показала, что УБЛ в Е-плоскости не превышает -20 дБ, а в Н-плоскости -11 дБ. Активный КСВ при сканировании в среднем не превышает 2,5. С учетом диэлектрических потерь и потерь на отражение от входов минимальный коэффициент усиления АВВ О при сканировании 25,6 дБ, соответственно, полная эффективность собственно антенны с учетом реализованного коэффициента использования поверхности, коэффициента полезного действия и потерь на отражение от входов составляет не менее 0,54.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что новый вариант ФАР на основе полосковой АВВ с параллельно-последовательным (центральным) возбуждением ПДВ с полуволновым расстоянием между входами и полуволновым периодом ДР обеспечивает сканирование ДН в существенно расширенном угловом секторе по сравнению с известными антеннами [1—3] при достаточно высокой эффективности и приемлемой для многих практических применений формой ДН.
Вместе с тем в некоторых радиосистемах (в частности, системах связи и радиоуправления) необходимо использовать антенны с двухкоординатным сканированием ДН (т.е. не в плоском, а в пространственном секторе в азимутальной и меридиональной плоскостях). Описанные выше АВВ лишены такой возможности. Поэтому далее рассмотрен иной вариант полосковой ФАР с двухкоординатным сканированием ДН, причем отличающейся от классических плоских (т.е. двумерных) ФАР уменьшенным количеством каналов и устройств управления фазами входных колебаний. Идея подобной ФАР представлена в патенте США [5], в котором, однако, отсутствуют сведения о ее практической реализации. Структура ФАР изображена на рис. 3 [5]. Основными элементами ФАР являются: двумерная решетка из МЖ излучателей КБ, последовательно возбуждаемых ортогональными линиями передачи, работающими в режиме стоячей волны, и группа из М+К управляемых фазовращателей (ФВ) РБ. Соответственно, автор патента [5] заявляет, что двухкоординатное сканирование ДН можно обеспечить, используя всего М+К ФВ вместо МК как в классической ФАР, что позволяет существенно упростить ее конструкцию и значительно снизить стоимость.
Рис. 3. Структура ФАР с уменьшенным количеством фазовращателей
В работе [6] приведены результаты имитационного моделирования полосковой антенной решетки из 4*4 элементов в форме квадратных патчей, расположенных в узлах квадратной сетки, образованной высокоомными несимметричными микрополоско-выми линиями (МПЛ) питания, рис. 4.
Рис. 4. Шестнадцитиэлементная полосковая антенная решетка с восемью входами управления
В [6] приведены два примера ДН, иллюстрирующие возможность двухкоорди-натного отклонения ДН от нормали к плоскости раскрыва решетки. Однако и в этой работе нет подробной информации о реальных возможностях такой ФАР. Кроме того, этот вариант антенны имеет недостаток, выражающийся в том, что при сканировании путем управления фазами колебаний на входах Port 1 — Port 8 поляризация излучения может изменяться от линейной до эллиптической с произвольным осевым отношением, что может существенно ограничить область применения антенны.
В этой связи в данной статье предлагается новый вариант аналогичной ФАР, но с фиксированной линейной поляризацией. Общий вид антенны показан на рис. 5. Антенна, аналогично показанной на рис. 4, содержит решетку квадратных полосковых элементов на экранированной диэлектрической подложке, питаемых ортогонально расположенными МПЛ, но отличается наличием металлического экрана со щелями, расположенного параллельно излучающему раскрыву.
г
Рис. 5. Полосковая ФАР с фиксированной поляризацией
В таком варианте ФАР металлический экран со щелями играет роль поляризатора, фиксирующего плоскость поляризации излучения независимо от его направления.
222
Для подтверждения работоспособности и эффективности предложенной полоско-вой ФАР с уменьшенным количеством каналов управления ниже приведены результаты имитационного компьютерного моделирования с помощью программы HFSS варианта, показанного на рис. 5, рассчитанного для работы в полосе частот 23,8—24,4 ГГц. Антенна выполнена из листа с размерами 25*25*0,5 мм3 фольгированного СВЧ диэлектрика Rogers4003C c е=3,55. Размеры излучателей 3,1*3,1 мм2, МПЛ имеют волновое сопротивление 100 Ом, сетка размещения излучателей — квадратная с периодом 6,2 мм. Экран расположен параллельно раскрыву полосковой конструкции на высоте около половины длины волны и содержит решетку прямоугольных полуволновых щелей.
Имитационное моделирование предложенной ФАР показало, что при использовании двух линеек ФВ, установленных вдоль двух смежных сторон раскрыва, решетка размером 4*4 обеспечивает сканирование ДН в азимутальном секторе шириной до 40° при отклонении ДН в меридиональной плоскости на угол до 30°, при этом КНД находится в пределах 15—16 дБ. Пример пространственной ДН при отклонении в направлении (в, ф)=(20°, 30°) показан на рис. 6.
■ 20 10
I'.
F -20
J 30 -40
Рис. 6. Пример пространственной ДН при сканировании
Очевидно, что сектор сканирования можно реконфигурировать, например, путем переключения линеек ФВ к паре других смежных сторон решетки.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что рассмотренные в статье плоские антенные решетки вытекающей волны, а также решетки из полосковых излучателей с уменьшенным количеством управляющих входов могут служить основой перспективных ФАР и многолучевых антенн СВЧ и КВЧ для использования в аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галуза М. А., Климов А. И., Кузнецов А. В. Характеристики сканирования плоской антенны вытекающей волны // Вестник Воронежского института МВД России. — 2018. — № 4. — С. 119—129.
2. Сканирующие антенны вытекающей волны КВЧ-диапазона / М. А. Галуза [и др.] // Антенны. — 2019. — № 4 (258). — С. 33—40.
3. Кузнецов А. В. Многофункциональные унифицированные комплексы антенн для аппаратуры спецтехники и связи диапазона крайне высоких частот : дис. ... канд. техн. наук. — Воронеж, 2019. — 154 с.
Directivity Plot 1
dB(DirTo!al)
4. Программа расчёта дисперсионных характеристик ТМ волны в экранированной двухслойной диэлектрической пластине с периодической решёткой из металлических лент : свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2019662582 Российская Федерация / М. А. Галуза. — № 2019661613; заявл. 20.09.19; опубл. 26.09.19. — 1 с.
5. Pat. US 7250908 B2, Int. Cl. H01Q1/38, H01Q3/00. Beam steering array antenna. Method and apparatus / Choon Sae Lee. — Appl. No.: 10/846280; Filed: May 15, 2004.
6. Abdellatif A., Safavi-Naeini S., Mohajer M. Novel Low Cost Compact Phased Array Antenna for Millimeter-wave 3D Beam Scanning Applications // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 2014. — DOI: 10.1109/APS.2014.6904899.
REFERENCES
1. Galuza M. A., Klimov A. I., Kuznetsov A. V. Harakteristiki skanirovaniya ploskoy antennyi vyitekayuschey volnyi // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2018. — # 4. — S. 119—129.
2. Skaniruyuschie antennyi vyitekayuschey volnyi KVCh-diapazona / M. A. Galuza [i dr.] // Antennyi. — 2019. — # 4 (258). — S. 33—40.
3. Kuznetsov A. V. Mnogofunktsionalnyie unifitsirovannyie kompleksyi antenn dlya apparaturyi spetstehniki i svyazi diapazona krayne vyisokih chastot: dis. ... kand. tehn. nauk. — Voronezh, 2019. — 154 s.
4. Programma raschyota dispersionnyih harakteristik TM volnyi v ekranirovan-noy dvuhsloynoy dielektricheskoy plastine s periodicheskoy reshyotkoy iz metallicheskih lent : svi-detelstvo o gosudarstvennoy registratsii programm dlya EVM # 2019662582 Rossiyskaya Fed-eratsiya / M. A. Galuza. — # 2019661613; zayavl. 20.09.19; opubl. 26.09.19. — 1 s.
5. Pat. US 7250908 B2, Int. Cl. H01Q1/38, H01Q3/00. Beam steering array antenna. Method and apparatus / Choon Sae Lee. — Appl. No.: 10/846280; Filed: May 15, 2004.
6. Abdellatif A., Safavi-Naeini S., Mohajer M. Novel Low Cost Compact Phased Array Antenna for Millimeter-wave 3D Beam Scanning Applications // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 2014. — DOI: 10.1109/APS.2014.6904899.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Галуза Максим Андреевич. Адъюнкт.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: q0mezon@gmail.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. +7-920-417-01-15.
Galuza Maksim Andreevich. Post-graduate cadet.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
Е-mail: q0mezon@gmail.ru.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. +7-920-417-01-15.
Ключевые слова: сканирование; диаграмма направленности; антенна вытекающей волны; фазированная антенная решетка; диапазоны СВЧ и КВЧ.
Key words: scanning; radiation pattern; leaky wave antenna; phased antenna array; SHF and EHF
ranges.
УДК 621.396.67
