Волноводно-щелевая антенна на согнутом прямоугольном волноводе

Волноводно-щелевая антенна на согнутом прямоугольном волноводе

Ключевые слова: антенны, волноводно-щелевые антенны, боковые лепестки.

Волноводно-щелевые антенны на прямоугольных волноводах широко используются во многих областях связи от полосковой антенны до беспроводных интернет-приложений из-за их высокой направленности, компактности и технологичности. Одним из основных недостатков таких антенн является то, что уровень боковых лепестков является значительным, так как щели расположены на конечной проводящей пластине, что, следовательно, приводит к уменьшению результирующей направленности таких излучателей. Представлена волноводно-щелевая антенна на согнутом прямоугольном волноводе. Антенна обеспечивает узкую ширину главного лепестка и снижение уровня боковых лепестков. Выполнено РЕКО моделирование и экспериментальное исследование этой антенны, показавшее улучшение направленности антенны на 4 дБ без увеличения е размеров.

Али Хармуш,

Ливанский университет,

инженерный факультет, Триполи, Ливан,

harmush_ah@hotmail.com

Дана Баз Радван,

Американский университет науки и технологии, Бейрут, Ливан, baz_dana@hotmail.com

Мустафа Зиадех,

Ливанский университет,

инженерный факультет, Триполи, Ливан,

ziadem@yahoo.com

1. Введение

Распространение информации на любые расстояния является сейчас важной задачей человечества. Наиболее существенным инструментом решения этой задачи является беспроводная связь. Беспроводная связь создает проблемы для конструкторов, особенно в области волноводно-щелевых антенн (ВЩА), которые являются важным компонентом связи из-за компактности, электрических и механических характеристик, а также возможности их гибкого изменения.

Волноводно-щелевые антенны работают в различных режимах а зависимости от рабочего диапазона частот , размеров и числа щелей. Эти устройства обычно оцениваются по диаграммам направленности (ДН) в Е и Н плоскостях, определяющих их направленность [1,6]. Основным недостатком ВЩА является снижение направленности и повышении уровня боковых лепестков, что связано, в основном из-за конечных размеров проводящей поверхности, на которой расположены щели.

Антенные блоки являются одними из основных компонентов систем беспроводной связи. Благодаря этим блокам информация передается и излучается. Антенны должны излучать электромагнитные волны к соответствующему приемнику с максимальной эффективностью излучения, для этого антенная система должна иметь совершенные электрические и механические характеристики, также как высокая направленность, эффективность излучения высокая устойчивость к ветру и, по возможности, низкие стоимость и вес.

Указанные выше соображения должны быть приняты во внимание, так как большинство из существующих на рынке радиосвязи антенн или отдают предпочтение одним характеристикам перед другими, что ограничивает применение этих антенн как излучающих элементов. Например, уголковая антенна и другие типы направленных антенн, используемые в радиосвязи в течении многих лет из-за их высокой направленности (до 10 дБ) в рабочем диапазоне частот, имеет, однако, недостатки из-за ветровых нагрузок и снижения направленности и повышения уровня боковых лепестков, что связано с конечными размерами рефлектора. Используются также параболические антенны, которые имеют те же недостатки, кроме высокой направленности [3,4].

2. Волноводно-щелевые антенны

Волноводно-щелевые антенны также широко используются на рынке в различных приложениях, например, как антенны для аэропорта из-за компактности, что хорошо соответствует аэродинамическим характеристикам летательных аппаратов [10]. В последнее время эти антенны стали лучшим выбором в качестве элементов сети, так как они обеспечивают высокую направленность, комплектность, ветро-

стойкость и, следовательно, высокую надежность. Наиболее часто используются волноводно-щелевые антенны на волноводах прямоугольного и круглого поперечного сечений. ВЩА на круглых волноводных являются наиболее приемлемыми для военного применения при проектировании ракет, подводных лодок и космических кораблей. Прямоугольные волноводы представляют собой полые трубы, заполненные диэлектриком, внутри которых распространяется электромагнитная волна между проводящими стенками волновода. На верхней стенке располагаются, в специальном порядке щели, обеспечивающем необходимые излучения. Число, форма и положение щелей определяют необходимые характеристики антенны и, следовательно, эти параметры выбираются исходя из заданных специфических технических условий [1,2].

Основным недостатком волноводно-щелевых антенн является конечность размеров стенок, на которых размещаются щели, что приводят к увеличению уровня боковых лепестков и снижению направленных. Снижение направленности антенны вызывает помехи соседним антеннам. Несмотря на все вышеупомянутые недостатки, волноводные антенны являются наиболее подходящими для беспроводных приложений среди других [8,11,12].

Целью данного исследования является повышение электрических и механических характеристик уже существующих ВЩА, просто изгибая волновод, что изменяет фазу волн от щелей в дальней зоне. Такая модификация, как ожидается, приведет к увеличению направленности и, одновременно, к снижению уровня боковых лепестков. Увеличение направленности антенны обеспечивает передачу энергии на большие расстояния и, следовательно, повышение площади покрытия. Кроме того, снижение уровня боковых лепестков уменьшает помехи

радиостанциям, работающим в том же районе или на частотах, близких к несущей частоте [6].

В изогнутой волноводно-щелевой антенне изменяется диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположены щели. Угол изгиба, и диапазон которого выбран теоретически в диапазоне 2о-15о существенно изменяет диаграмму направленности антенны. Расчет и экспериментальные результаты показывают, что изгиб на 3о обеспечивает повышение на 3 дБ направленный и по сравнению с регулярной волноводно-щелевой антенной. Это повышение сопровождается снижением уровня боковых лепестков, что делает антенну конкурентной на рынке антенн.

3. Конструкция антенны

Неизогнутые волноводы

В этом разделе мы описываем различные стороны конструкции антенны, включая описание компонентов программы РЕКО, которые мы использовали для расчетов для определения размеров при центральной частоте 2,4 ГГц. Основной задачей было получение коэффициента усиления 15 дБ.

В расчетах использовались следующие данные [1]

V = С = 3х108м/с

Для расчета длины волны:

Я = V / ^ = (3*108)/(2,4*109) = 0,125 м;

а = Я/2 = 0,125/2 = 0,0625 м; а = а = 0,0625 м;

Ъ = 0,7 * а = 0,7 * 0,0625 м = 0,0437 м.

где а — высота волновода и Ь — ширина его стенки.

При расчете было получено число щелей N N = (Б *Я)/(2* а ) =

= (101’5 * 0,125)/ (2*0,0625) = 31,622.

Длина волновода

N * а = 31,622 * 0,0 625 = 1,97 м.

В результате расчетов был выбран волновод с 31 щелью длиной 1,97 м.

Для снижения размеров антенны был рассмотрен вариант волновода, заполненный диэлектриком с повышенной диэлектрической проницательностью, таким как стекло.

У стекла диэлектрическая проницаемость е _е/ - 6.

Для нового волновода V = с /^/(Ей) = 3*108/^ = 1,224 *108

Я = V / / = 1,224 *108/2,4 *109 = 0,051 м

а = Я/2 = 0,051/2 = 0,0255 м

а = Ъ = 0,0255 м

Ь = 0,7 * а = 0,7 * 0,0255 = 0,01785 м

При коэффициенте усиления 15 дБ число щелей равно N = 31,622.

Длина волновода

N х = 31,622 * 0,0255 = 0,806 м.

Рис. 1. Неизогнутая волноводно-щелевая антенна на волноводе прямоугольного сечения

В соответствии с новыми расчетами волновод должен иметь следующие параметры: ширина волновода 0,005 м, высота 0,01785 м,

'• 1

V ; / 1

\ \ \Зг\кч/С'~‘ /III

к/

Рис. 3. ДН в вертикальной плоскости для антенны без наполнения диэлектриком

число щелей — 31 (длина каждой щели Я/2 = 0,0255 и ширина щели Я/16 = 0,003187). Длина волновода 0,806 м. Эти размеры являются более подходящие, они уменьшены более чем в два раза по сравнению с предыдущим вариантом.

Далее, используя программу РЕКО, были получены данные по диаграмме направленности (ДН), уровню боковых лепестков и коэффициенту усиления антенны (рис. 3-6).

Коэффициент усиления ВЩА без диэлектрики следующий.

О=41000/93 * 38 = 11,601 = 10,645 дБ, где ф = 93о и 0 = 38о) — ширина главного лепестка ДН в двух главных плоскостях.

Для ВЩА, заполненной диэлектриком

0=11,388 =10,564 дБ—ф=90ои 0 = 40о).

Изогнутая волноводно-щелевая антенна

После получения приемлемых результатов по размерам антенны мы начали поиски путей по повышению коэффициента усиления антенны и снижению уровня боковых лепестков. Идея заключалась в изгибе волновода и определении оптимального угла сгиба. При эксперименте и расчете с помощью РЕКО мы начали с изгиба в 2о.

Рис. 4. ДН в вертикальной плоскости для ВША, заполненной стеклом

1зтЬг1э/4

Рис. 2. Схема волноводно-щелевой антенны

Рис. 5. ДН в горизонтальной плоскости для ВЩА без диэлектрики

Рис. 6. ДН в горизонтальной плоскости ВЩА, заполненный стеклом

Изогнутая волноводно-щелевая антенна

Таблица 1

Угол изгиба в градусах Ширина главного лепестка в вертикальной плоскости, град Ширина главного лепестка в горизонтальной плоскости, град Коэффициент усиления, дБ

0 40 90 10,564

2 45 56,5 12,075

3 44 55 12,289

4 46 63 11,075

5 45 56 12,113

8 53 61 11,031

10 57 62 10,645

15 55 65 10,595

Полученные результаты сверены в табл. 1.

Из табл. 1 следует, что изгиб улучшает характеристики антенны. Лучшие результаты достигаются при изгибе в 3о. Этот изгиб использовался далее в экспериментальных исследованиях.

Волноводно-щелевая антенна с изгибом в противоположную сторону

Опишем здесь еще один вариант ВЩА. При использовании изогнутой ВЩА на самолетах возникает проблема сопряжения выпуклого

Рис. 7. Объемная ДН ВЩА

днища самолета с волноводно-щелевой антенной, изогнутой в противоположную сторону. Поэтому возникла идея изогнуть волновод в противоположную сторону по сравнению с описанным выше вариантом и проверить существенна ли разница в параметрах антенны. Для расчетов были выбраны изгибы в 2,3 и 5 в противоположную сторону по сравнению с данными табл. 1. Полученные результаты проверены в табл. 2.

Как заключение — изгиб волновода на +3о дает лучшие результаты по коэффициенту усиления и уровню боковых лепестков.

На рис. 10-11 приведены ДН для ВЩА с изгибом минус 3о, рассчитанные с помощью РЕКО.

4. Практические результаты

Были изготовлены три медных волновода -прямой и изогнутые в противоположных направлениях с размерами, выбранными в соответствии с результатами расчетов:

Рис. 8. ДН в горизонтальной плоскости ВЩА, изогнутой на 3о

Рис. 9. ДН ВЩА в вертикальной плоскости, изогнутой на 3о

Рис. 10. Объемная ДН ВЩА с изгибом -3

т

Таблица 2

Противоположные изогнутые ВЩА

Угол изгиба в градусах Ширина главного лепестка в вертикальной плоскости, град Ширина главного лепестка в горизонтальной плоскости, град Коэффициент усиления, дБ

0 40 90 10,564

-2 град 45,5 56 12,065

-3 град 46 55 12,096

-5 град 46 56 12,018

О = 0,0255 м = 2,5 см б = 0,01785 м = 1,78 см N = 31,622

АI. = 0,806 м = 0,806 см

Изогнутые волноводы имели противоположные изгибы с углом изгиба 3о.

Измеряемая антенна использовалась в качестве приемных. Вокруг антенны была расположена абсорбирующая ткань, пропитанная графитом для подавления нежелательных отражений. Было принято во внимание, что, так как волновод был заполнен кремнием

вместо стекла, диэлектрические проницаемости в расчетах и эксперименте могут быть несколько различны, поэтому частота измерения была выбрана с учетом критической частоты волновода.

Измерения были выполнены с применением программы "СаБзу", которая выполняет считывание через каждые 0,5.

Изогнутые волноводы показали лучшие результаты. Уровень боковых лепестков этих волноводов был наиболее низким. Значения направленности для каждой антенны показаны на рис. 13.

spectrum analyzer

Рис.12. Измерительная установка

Straight waveguide

Рис.11. ДН ВЩА с изгибом минус 3о в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Для того, чтобы иметь более четкие графики, были использованы отчеты через каждые 2, 4 и 10.

Волновод, изогнутый внутрь, имеет лучшие

Bended to the inside

Рис. 14. Сравнение ДН трех антенн

/W

Bended to the outside

ыЛА_

Рис. 13. Диаграммы направленности антенн

Рис. 15. Сравнение направленности трех антенн

т

Заключение

Волноводно-щелевые антенны представляют широкий спектр антенн и широко представлены на рынке. Они гибки в использовании и работают в широком диапазоне частот. В соответствии с принципом электродинамического подобия особенности этих антенн подобны в различных приложениях — Интернет, авиация, военная техника.

В этой работе совмещены теории волноводно-щелевых антенн и зеркальных антенн для достижения оптимума в направленности и уровне боковых лепестков. Используемые изгибы ВЩА находились в пределах, когда расстояния от щелей до приемника были почти одинаковыми.

Расчеты с помощью РЕКО показали, что лучшая направленность ( улучшение на 3 дБ) достигается при изгибе в 3о. Расчеты подтверждены измерениями на частоте 2,4 ГГц.

Достигнуто снижение габаритов антенны при помощи заполнения волновода кремнием.

В заключение было показано, что изгиб

волновода внутрь или наружу на 3 приводит к улучшению его характеристик без повышения стоимости.

Литература

1. Constantine A Balanis, Antenna Theory, 3rd ed. Analysis and Design. New Jersey, John Wiley & Sons, Inc, 2005.

2. Mathew O. Sadiku. Elements of Electromagnetics. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1989.

3. "The Corner Reflector Antenna" http://www.antennatheory.com/antennas/reflec-tors/cornerreflector.php.

4. 'The Parabolic Reflector Antenna (Satellite dish)" http://www.antennatheory.com/antennas/dishpara-bolic.php.

5. "Microstrip (Patch) Antennas" http://www.anten-na-theory.com/antennas/patch.php

6. Simon R. Saunders. Antennas and propagation for Wireless Communication Systems. England: John Wiley & Sons, 1999.

7. Trevor Marshall, " 802.11b WLAN Waveguide

Antenna, Unidirectional and Omnidirectional, High gain, simple construction", October 2001.

http://www.trevormarshall.com/waveguides.htm,

8. S.S. Zhong, W. Wang and X.L. Liang, "Compact ridge waveguide slot antenna array fed by convex waveguide divider," IEEE Electronic Letters., Vol. 41, No.21, 13 October 2005.

9. Shi Cheng, Hanna Yousef, and Henrik Kratz, "79 GHz Slot Antenna Based on Substrate Integrated Waveguides (SWI) in a Flex'ble Printed Circuit Board," IEEE Trans. On Antennas and Propagation., Vol. 57, No. 1 January 2009.

10. Abdelnasser A. Eldek, Atef Z.Elsherbeni, Charles E. Smith, and Kai-Fong Lee. "Wideband Rectangular Slot Antenna For Personal wireless Communication System," IEEE Trans. On Antennas and Propagation, Vol. 44, No. 5 October 2002.

11. Yang H. Kim and Hyo J. Eom, "Radiation from Longitudinal Slots on the Narrow wall of a Rectangular Waveguide," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 7, 2008.

12. Venus Research and Development Site, Goldstone, California "Deep Space Network, New Beam-waveguide Antenna," http://deepspace.jpl. nasa.gov/dsn/antennas/arrays.html.

13. "70 Microwave Circuit Design, Introduction to Rectangular Waveguides" http://conocimientosmwcir-cuitddesign.blogspot.com/2010/05/introduction-to-rectangular waveguides.html.

Bended Rectangular Slotted Waveguide Antenna

Ali Harmouch, Lebanese University-Faculty of Engineering, Tripoli Lebanon, harmush_ah@hotmail.com Dana Baz Radwan, American University of Science & Technology, Beirut, Lebanon, baz_dana@hotmail.com

Mustapha Ziadeh, Lebanese University-Faculty of Engineering, Tripoli Lebanon, ziadem@yahoo.com

Abstract

Rectangular slotted waveguide antennas have been widely used in many areas of telecommunications from plane antennas to wireless internet applications due to their high directivity, compactness and feasibility. One of the major drawbacks of such antennas is that the side lobe level is significant since the slots are placed on a finite conducting plate which consequently leads to a decrease in the overall directivity of such radiators. In this paper a bended slotted rectangular waveguide antenna is presented. The antenna provides a narrow beamwidth in addition to a significant decrease in the Sidelobe level. FEKO Simulations and experimental tests performed on bended slotted waveguide antenna have shown a significant improvement in the directional characteristics for about 4 dB without any increase in the overall antenna's dimensions. Spreading information over large or small areas is now human's concern all over the world. The most important means implemented in the information is the wireless communication system. Wireless communication continues to present challenges to designers, in particular in the area of slotted waveguide antennas design. Slotted Waveguides Antennas, SWA are one of the competent network applications due to their compactness, their electrical and their mechanical characteristics that make them easy to work with, and flexible to changes that might be made on them. They can work in different ways with respect to their frequencies of operation, sizes, and their number of slots. These waveguides are typically evaluated according to their radiation pattern in the E and H field which relate to their directivity. The major drawback of rectangular slotted waveguide antennas is their reduced directivity; in addition their side lobe levels are usually higher due to the finite dimension of the waveguide conductive surface over which the slots are placed.

Antenna terminals are one of the basic components of wireless communication system. Through different antennas' terminals information is transmitted and received. These antennas radiate the electromagnetic wave towards a designated receiver with maximum radiation efficiency; such a process requires the designed antenna to have advanced electrical and mechanical characteristics such as high directivity, radiation efficiency, high wind resistance and preferably low cost and weight. The above mentioned requirements are to be taken into consideration, since most of the already existing antennas in the wireless market either are comprised of all these characteristics or promote one characteristic over another; a fact that limits the usage of these antennas as radiating elements in wireless networks. For instance, corner reflector and other types of directive antennas have been used as transmitting elements of wireless networks for many years since they provide high enough directivity (up to 10 dB) over the frequency band; however, the finite size of the conducting reflector compromises the antenna's wind resistance and also results in a high level of side lobes which negatively affect antennas' performance. Parabolic reflector antennas are also used for the same purpose and have almost the same drawbacks, except for their very high directivity.

Keywords: antennas, slotted waveguides, sidelobes.