CC BY
51
DOI 10.36622/УБТи.2022Л8.2.010 УДК 621.396
ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА НА ОСНОВЕ SIW ТЕХНОЛОГИИ
И.А. Баранников1, К.А. Бердников1, С.И. Деревянкин1, Е.А. Ищенко1, К.В. Смусева2,
С.М. Фёдоров1,3
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Воронежский государственный университет, г. Воронеж, Россия 3Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается зеркальная антенна, разработанная на основе технологии «интегрированный в диэлектрическую подложку волновод» Для исследования полных характеристик была сформирована электродинамическая модель рупорного излучателя с трапециевидной диэлектрической линзой для улучшения характеристик излучателя, а также определения диапазона рабочих частот. Полученные результаты моделирования облучателя показали, что БГЖ антенны обладают высокими качественными показателями, а также способны обеспечить высокую эффективность работы в широком диапазоне частот. На основе конструкции рупорной БЖ антенны была сформирована зеркальная БЖ антенна с двумя типами конструкции: моноплатная структура, когда антенна и рефлектор полностью расположены на единой диэлектрической подложке прямоугольной формы, а также конструкция с минимальным использованием диэлектрика. Полученные конструкции исследовались с использованием электродинамического моделирования, которое показало, что БЖ зеркальные антенны обладают высокими качественными характеристиками -высоким коэффициентом направленного действия (КНД), коэффициентом полезного действия (КПД), а также обладают узким направленным лучом главного лепестка диаграммы направленности. На основании полученных конструкций сделаны выводы о возможности применения технологии БЖ в зеркальных антеннах миллиметрового диапазона радиоволн
Ключевые слова: БЖ рупорная антенна, зеркальная антенна, миллиметровый диапазон волн
Введение
SIW антенны имеют большие перспективы для связи в миллиметровых диапазонах радиоволн. Благодаря формированию антенн в структурах диэлектрика удается повысить эффективность передачи электромагнитных волн, уменьшить потери, а также передавать волны не по поверхностям проводящих рисунков, а именно в самих пластинах диэлектрика. Помимо этого, благодаря созданию диэлектрических материалов с малыми потерями формирование планарных антенн набирает все большую популярность.
Эффективность использования SIW рупорных антенн показана во многих научных работах. В работе [1] рассматривается рупорная SIW антенна для частот V-диапазона (IEEE). Полученные результаты показывают, что рупорные SIW антенны обладают высокими уровнями КПД и КНД, при этом особый акцент делается на то, что для оптимизации характеристик распространения электромагнитных волн требуется установка на выходе SIW антенны диэлектрической линзы.
© Баранников И.А., Бердников К.А., Деревянкин С.И., Ищенко Е.А., Смусева К.В., Фёдоров С.М., 2022
Акцент на выбор типа линзы приводится авторами работы [2]. В качестве вариантов приводится два типа диэлектрических линз: прямоугольная и эллиптическая. Полученные в процессе исследования результаты показывают, что использование прямоугольной линзы имеет меньшую эффективность по сравнению с эллиптической. Помимо этого, показана эффективность использования методов электродинамического моделирования для получения результатов и характеристик антенн в Б1Ж структурах.
Другим примером конструкции Б1Ж рупорной антенны является работа [3]. Авторы предлагают новую конструкцию линзы, которая сформирована на основе ряда диполей, которые формируются на основе металлизированных отверстий, которые устанавливаются на выходе раскрыва рупора. Благодаря использованию полученной линзы возможно обеспечить уменьшение уровня боковых лепестков и повысить направленные свойства антенны.
Одной из важных задач в формировании Б1Ж антенн является исследование зеркальных антенн, пример которой приводится в работе [4]. Полученные результаты показывают, что возможно сформировать антенну с высоким уровнем КНД, при этом обеспечивается достижение характеристик схожими с зеркальными
антеннами. Недостатком же предложенной авторами конструкции является то, что рефлектор формируется на основе полностью металлизированного отверстия в диэлектрическом материале.
В данной работе предлагается конструкция зеркальной антенны на основе SIW технологии, которая предназначена для связи в миллиметровом диапазоне частот.
Конструкция SIW рупорного облучателя
В качестве излучателя была выбрана конструкция SIW рупорной антенны, которая базируется на диэлектрике Rogers TMM 3 (£ = 3.45, tan S = 0.002). Модель антенны приводится на рис. 1.
Рис. 1. Модель исследуемого рупорного облучателя с трапециевидной линзой
Как видно, разработанная антенна обладает малой толщиной, а канал распространения электромагнитных волн формируется на основе металлизированных отверстий диаметром 1 мм. Определим основные характеристики антенны на основе электродинамического моделирования. Так, график Sll-параметров приводится на рис. 2.
На основании полученного графика возможно определить диапазон рабочих частот антенны по уровню -10 дБ (КСВН=2). Так, видно, что рабочий диапазон частот антенны составляет от 33.64 до 38.42 ГГц и 39-54.54 ГГц. Таким образом, антенна обеспечивает стабильное функционирование в широком диапазоне частот, при этом сохраняется высокий коэффициент полезного действия (более 80%), а также высокие направленные свойства. На рис. 3 приводится типовая диаграмма направленности антенны для исследуемого диапазона частот (во всем диапазоне рабочих частот КНД не опускается ниже 10 дБ, уровень боковых лепестков не более -10 дБ).
Рис. 2. Зависимость Su параметров для разработанной
Рис. 3. Типовая диаграмма направленности разработанной антенны в горизонтальной плоскости
Как видно, диаграмма направленности близка по форме к характеристике для пирамидального рупора, при этом ширина лепестка составляет от 25 до 30 градусов. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что характеристики полученной антенны близки к аналогичным Н-секториальным рупорам, однако благодаря применению SIW технологии удается достичь малых размеров конструкции, а также простоты интеграции в печатные платы. Рассмотрим возможность формирования зеркальной антенны на основе разработанной SIW рупорной антенны.
Конструкция SIW зеркальной антенны
В качестве исследуемой зеркальной антенны были разработаны два типа конструкции антенны - с полным заполнением конструкции диэлектриком; с использованием минимального числа диэлектрической среды - рис. 4.
Е Е
1Л
го № <т>
\ /
119.000 тш
а)
10 о 330 .
да о
00
3 3
\ \ / )Н 11 щ]
б)
Рис. 4. Разработанные конструкции зеркальной антенны: а) моноплатная конструкция; б) минимизация использования диэлектрика
На основании полученной конструкции производилось моделирование основных характеристик излучателя. Для достижения максимального уровня КНД производилась оптимизация параметров параболического рефлектора и фокусировки электромагнитных волн. На основе проведенного электродинамического моделирования были получены основные параметры антенны. Так, на рис. 5 приводятся диаграммы направленности для двух типов конструкции.
Полученные результаты моделирования показали, что использование моноплатной структуры позволяет упростить конструкцию рефлекторной антенны на стадии производства, однако из-за увеличения пространства, которое электромагнитные волны проходят в диэлектрической подложке, наблюдается снижение КПД на 5-8% в рабочем диапазоне частот. Все полученные результаты моделирования разработанной конструкции зеркальной Б1Ж антенны приводятся в табл. 1.
160
170 180 190 б)
200
Рис. 5. Картины диаграмм направленности для зеркальной антенны: а) моноплатная конструкция; б) минимизация использования диэлектрика
Таблица 1
Характеристики диаграмм направленности зеркальной Б1Ж антенны
Характеристика Моноплатная структура Минимизация диэлектрика
КНД (диап. знач.), дБ 17.5-18.2 17.3-18.5
КНД мин (0, дБ 17.5 (50 ГГц) 17.3 (50 ГГц)
КНД макс (0, дБ 18.2 (35 ГГц) 18.5 (35 ГГц)
КПД мин, % 75 80
ПЗО (35 ГГц) 16.3 17.5
Ширина гл. лепестка(35 ГГц), ° 4.2 4.1
УБЛ (35 ГГц), дБ -11 -10
Полученные результаты показывают, что использование Б1Ж зеркальных антенн позволяет сформировать узконаправленную диаграмму направленности с высоким уровнем КНД и высоким КПД антенны в широком диапазоне рабочих частот.
Заключение
Предложенная в данной работе зеркальная SIW антенна показывает высокие перспективы использования антенн, изготовленных по такой технологии в миллиметровом диапазоне волн. Как показали результаты электродинамического моделирования, SIW излучатели могут использоваться как отдельные излучатели - рупорные антенны, так и в составе зеркальных антенн.
Благодаря характеристикам современных диэлектрических подложек удается обеспечить широкий рабочий диапазон частот работы антенны с малыми потерями.
Литература
1. A 60-GHz CPW-Fed High-Gain and Broadband Integrated Horn Antenna / B. Pan, Y. Li, G.E. Ponchak, J. Pa-papolymerou, M.M. Tentzeris // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57. No. 4. Pp. 1050-1056.
2. Dielectric Loaded Substrate Integrated Waveguide (SIW) H-Plane Horn Antennas/ Н. Wang, D. Fang, B. Zhang, W. Che // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. Vol. 58. No. 3. Pp. 640-647.
3. Li Y., Wang J. Millimeter-wave wideband substrate integrated waveguide horn antenna loaded with dipole array // 2017 International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition. 2017. Pp. 12-13.
4. A high gain printed antenna with parabolic metal grid reflector based on SIW technology/ W. Jun, L. Shu, A. Denisov, L. Lu // 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. 2018. Pp. 523-524.
Поступила 27.12.2021; принята к публикации 19.04.2022 Информация об авторах
Баранников Илья Андреевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3093-0455 Бердников Кирилл Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru
Деревянкин Сергей Игоревич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); тел. +7(473)243-77-29, e-mail: derevyankin_sergej@bk.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8883-8446.
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Смусева Ксения Владимировна - студент, Воронежский государственный университет (394018, Россия, г. Воронеж, Университетская площадь, 1), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: smusevaz@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8515-2841 Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
REFLECTOR ANTENNA BASED ON SIW TECHNOLOGY
I.A. Barannikov1, K.A. Berdnikov1, S.I. Derevyankin1, E.A. Ishchenko1, K.V. Smuseva2,
S.M. Fyedorov1,3
1Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Voronezh State University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses a reflector antenna developed on the basis of the "substrate integrated waveguide" (SIW) technology. We formed, an electrodynamic model of a horn radiator with a trapezoidal dielectric lens to improve the characteristics of the radiator to study the full characteristics as well as to determine the range of operating frequencies. The obtained results of modeling the emitter showed that SIW antennas have high quality indicators, as well as ways to ensure high efficiency in a wide frequency range. On the basis of the design of the horn SIW antenna, we formed a reflector SIW antenna with two types of design: a mono-board structure, when the antenna and reflector are located on a single dielectric rectangular substrate, and also a design with minimal use of dielectric. The resulting designs were investigated using electrodynamic modeling, which showed that SIW reflector antennas have high quality characteristics - high directivity, total efficiency, and also have a narrow directional beam of the main lobe of the directional pattern. On the basis of the obtained structures, we made conclusions about the possibility of using the SIW technology in reflector antennas of the millimeter range of radio waves
Key words: SIW horn antenna, reflector antenna, millimeter wave
References
1. Pan B., Li Y., Ponchak G.E., Papapolymerou J., Tentzeris M.M. "A 60-GHz CPW-fed high-gain and broadband integrated horn antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, vol. 57, no. 4, pp. 1050-1056.
2. Wang H., Fang D., Zhang B., Che W. "Dielectric loaded substrate integrated waveguide (SIW) H-plane horn antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010. vol. 58, no. 3, pp. 640-647.
3. Li Y., Wang J., Wang J. "Millimeter-wave wideband substrate integrated waveguide horn antenna loaded with dipole array", 2017 International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition, 2017, pp. 12-13.
4. Jun W., Shu L., Denisov A., Lu L. "A high gain printed antenna with parabolic metal grid reflector based on SIW technology", 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 2018, pp. 523-524.
Submitted 27.12.2021; revised 19.04.2022 Information about the authors
Il'ya A. Barannikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3093-0455
Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru
Sergey I Derevyankin, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: derevyankin_sergej@bk.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8883-8446.
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Kseniya V. Smuseva, student, Voronezh State University (1 Universitetskaya sq., Voronezh 394018, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: smusevaz@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8515-2841
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), Associate Professor, International Institute of Computer Technologies (29b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
