Плоская антенная решетка диапазона КВЧ с высоким коэффициентом усиления

Д.А. Ерошенко

А.И. Климов,

доктор технических наук, доцент

А.В. Кузнецов,

Воронежское центральное конструкторское бюро «Полюс»

ПЛОСКАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДИАПАЗОНА КВЧ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ

PLANAR EHF HIGH GAIN ANTENNA ARRAY

Представлены результаты компьютерного моделирования плоской антенной решетки вытекающей волны для радиотехнических устройств диапазона 93—96 ГГц. Антенна имеет простую однослойную структуру с волноводным входом и обеспечивает высокую эффективность излучения (56%) при коэффициенте усиления не менее 30 дБ.

The results of computer simulation of a planar leaky-wave antenna array for radio technique devices of 93—96 GHz frequency range. The antenna has a simple single layer structure with waveguide input and provides high radiation efficiency (56%) while the antenna gain is not less than 30 dBi.

В настоящее время происходит интенсивное освоение диапазона КВЧ для построения радиотехнических систем передачи информации, радиолокационных устройств и систем, охранных систем и контрольно-измерительной аппаратуры. Примерами служат высокоскоростные радиорелейные и спутниковые системы передачи, комплексы контроля дорожного движения, устройства контроля дорожной обстановки для автотранспорта, охранные устройства и измерительные датчики (например, датчики уровня и вибрации) [1—8]. Одновременно ведутся разработки компактных эффективных антенн, которые могли бы прийти на смену традиционно используемым на частотах свыше 20—30 ГГц зеркальным и рупорным антеннам. Известные на сегодняшний день компактные плоские антенны СВЧ и КВЧ можно отнести к следующим типам:

- полосковые и микрополосковые антенные решетки;

- волноводно-щелевые антенные решетки;

- антенны (антенные решетки) вытекающей волны.

Полосковые и микрополосковые антенные решетки (МПАР) характеризуются малыми габаритами и массой, достаточно высокой технологичностью изготовления, возможностью реализации произвольных амплитудных распределений тока в излучателях и, соответственно, формирования диаграмм направленности (ДН) с низким уровнем боковых лепестков (УБЛ) вплоть до значений менее -20 дБ. В зависимости от схемы питания излучателей и требуемых значений коэффициента направленного действия (КНД) и коэффициента усиления МПАР удовлетворительно работают в относительной полосе частот до 5—15%. Предельные значения КНД МПАР типовых конструкций в диапазоне СВЧ достигают 28—33 дБ [9]. МПАР могут иметь как линейную, так и круговую поляризацию, в том числе две ортогональных поляризации. Стоимость МПАР в основном определяется стоимостью фольгированных диэлектриков СВЧ и может быть относительно невысокой с учетом малой массы антенн. Главным известным недостатком МПАР является существенный рост потерь мощности с увеличением рабочей частоты, выражающийся в соответствующем снижении коэффициента полезного действия (КПД). В первую очередь речь идет о тепловых потерях в диэлектрических подложках и металлических элементах, а также о потерях на паразитное излучение схем питания и потерях на возбуждение в подложках нежелательных поверхностных волн. Причем, чем выше требуемый КНД МПАР, тем больше должна быть площадь раскрыва антенны (естественно, и число излучателей), тем ниже оказывается КПД и, как следствие, эффективность излучения и коэффициент усиления антенны. На частотах порядка 25 ГГц среднее значение КПД достигает 50—70%, на частотах порядка 35—40 ГГц — снижается до 30—50 %, а на частотах свыше 60 ГГц — до 15—30% с соответствующими потерями в коэффициенте усиления.

Современные волноводно-щелевые антенные решетки (ВЩАР) выпускаются как в классическом исполнении на основе чисто металлических конструкций, так и с использованием довольно новой технологии SIW-волноводов (Substrate Integrated Waveguide), интегрированных с диэлектрической подложкой (так называемые «Post-Wall» структуры [10, 11]). КПД классических ВЩАР на основе металлических конструкций даже на частотах 60—80 ГГц достигает 95% , тогда как у ВЩАР на основе SIW он несколько ниже: 40—70% [10, 11]. В плане простоты, технологичности и невысокой стоимости перспективными представляются ВЩАР на основе SIW, но такие ВЩАР в варианте с центральным питанием имеют пока практически не устраненный недостаток — высокий УБЛ ДН, составляющий не менее -(7—9) дБ. Классические ВЩАР, хотя и чрезвычайно сложны по конструкции и весьма нетехнологичны, при параллельном питании на частотах свыше 60 ГГц обладают коэффициентом усиления порядка 34—36 дБ в полосе частот до 5—20% и могут быть рассчитаны на получение весьма низкого УБЛ — вплоть до -(25—35) дБ.

Перспективными кандидатами для использования в аппаратуре радиосистем СВЧ и КВЧ диапазонов являются плоские антенны и антенные решетки вытекающей волны (АВВ) [12, 13]. Одну из групп АВВ можно отнести к так называемым дифракционным антеннам в смысле использования в конструкции антенн дифракционной решетки и, соответственно, явления дифракции на ней поверхностных (при излучении) или объемных (при приеме) электромагнитных волн [13]. Значительный интерес в классе плоских АВВ СВЧ и КВЧ имеют антенны, содержащие плоский диэлектрический волновод (ПДВ) и дифракционную решетку (ДР) из металлических полосок [13—15]. В режиме излучения в ПДВ возбуждается неоднородная (поверхностная) волна, которая, распространяясь вдоль его продольной оси, испытывает дифракцию на элементах

решетки, в результате чего возникает эффективное направленное излучение в окружающее пространство.

Подобным АВВ присущи широкие возможности по реализации немеханического сканирования диаграммы направленности (ДН) путем перестройки рабочей длины волны, изменения замедления поверхностной волны ПДВ или изменения периода ДР. Известно, что наибольшая эффективность преобразования энергии неоднородной плоской волны ПДВ в энергию излучения имеет место при использовании одноволнового режима излучения на -1-й пространственной гармонике [12, 13]. Важными достоинствами АВВ являются: обеспечение высокого КПД за счет использования поверхностных волн при невысоких значениях замедления их фазовой скорости, возможность реализации требуемого амплитудного распределения поля в раскрыве, простота и компактность конструкции, высокая технологичность. Коэффициент полезного действия АВВ, учитывающий тепловые потери, достигает 80—90% на частотах вплоть до нескольких десятков ГГц [13]. В целом в отношении АВВ практически нет ограничений по рабочим частотам, и они являются одними из наиболее перспективных антенн для использования в диапазоне КВЧ.

Сравнительный анализ характеристик МПАР, ВЩАР и АВВ показывает, что среди малогабаритных антенн СВЧ и КВЧ последние вызывают больший интерес ввиду простоты конструкций и потенциально высокой эффективности, не уступая по этому параметру лучшим ВЩАР.

В ряде предшествующих работ [9, 14, 15] нами исследованы плоские АВВ СВЧ и КВЧ, рассчитанные на получение высоких (28—31 дБ) значений КУ в полосах частот 24—24,5, 36—37, 60—61 ГГц. В данной статье приведены результаты исследований характеристик плоской АВВ, разработанной для диапазона 94—95 ГГц с расчетом на возможное применение, например, в радиоволновых датчиках вибрации и уровня вместо рупорно-линзовых антенн [8].

Общий вид разработанной АВВ показан на рис. 1, на котором обозначено: А и В — размеры раскрыва, Н — толщина ПДВ; направление максимального излучения ориентировано вдоль оси ОZ. Основные элементы конструкции: экранированный с нижней стороны ПДВ, ДР из металлических полосок и устройство возбуждения поверхностных волн в ПДВ в виде гребенчатой полосковой линии, образованной центральной полоской ДР с неоднородностями в виде боковых металлических выступов. Для изготовления антенны предполагается использовать фольгированный СВЧ диэлектрик. Подключение антенны к приемопередатчику осуществляется с помощью прямоугольного металлического волновода соответствующего рабочей полосе частот стандартного поперечного сечения.

Рис. 1. Общий вид плоской АВВ

Ниже показаны основные электрические характеристики антенны с размерами А=39 мм, В=41 мм, Н=0,51 мм, материал ПДВ — Rogers RT/Duroid 5880 c относительной диэлектрической проницаемостью 2,2), полученные путем компьютерного моделирования с помощью программы CST Microwave: частотные характеристики КСВ (рис. 2); эффективности излучения (рис. 3); коэффициента направленного действия (рис. 4); коэффициента усиления (рис. 5); примеры диаграмм направленности в Е- и Н-плоскостях на частоте 94,5 ГГц (рис. 6).

Рис. 2. Частотная характеристика КСВ

Frequency / GHz

Рис. 3. Частотная характеристика эффективности излучения

Frequency / GHz

Рис. 4. Частотная характеристика коэффициента направленного действия

Realized Gain,3D,Max. Value

о1

94.5 Frequency / GHz

Рис. 5. Частотная характеристика коэффициента усиления

Рис. 6. Диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях

Из представленных данных следует, что рассмотренная антенна в полосе частот 93,5—95,5 ГГц обеспечивает высокую степень согласования по входу (КСВ не более 1,36), коэффициент усиления не менее 30 дБ при полной эффективности антенны с учетом реализуемого КНД и коэффициента усиления не менее 89%. При этом эффективность антенны на частоте 94,5 ГГц, оцененная с учетом предельно достижимого КНД 33 дБ для указанных выше размеров раскрыва, составляет 56%. ДН антенны в указанной полосе имеет ширину в Е- и Н-плоскостях не более 4,1° и уровень боковых лепестков, не превышающий -14,1 дБ.

Полученные результаты позволяют высказать предположение, что рассмотренная в статье плоская антенная решетка вытекающей волны вполне может конкурировать с известными микрополосковыми антенными решетками и служить хорошим альтернативным вариантом для использования в радиоаппаратуре диапазона 93—96 ГГц.

ЛИТЕРАТУРА

1. http://www.umirs.ru/catalog/two-positions-radio-signals/dhunt/

2. http://npplama.ru/index.php/produkt/abris

3. http://www.innosent.de/radarsensoren/

4. http://www.simicon.ru/rus/product/index.html

5. Вишневский В. Миллиметровый диапазон как промышленная реальность // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. — 2010. — № 3. — С. 70—79.

6. Millimeter-Wave Enhanced Local Area Systems: A High-Data-Rate Approach for Future Wireless Networks / Amitava Ghosh [et al.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. — 2014. — V. 32. — № 6. — Р. 1152—1163.

7. http://www.limaco.ru/ru/production/101/162/

8. Разработка и исследование плоских антенн для систем охраны и радиосвязи СВЧ и КВЧ диапазонов. Отчет о НИР. № госрегистрации 05134421. — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2014. — 85 с.

9. Yuanfeng She. Quantitative Loss Evaluation and Performance Enhancement in Waveguide Slot Array Antennas using Dielectric Substrates in the Millimeter-Wave Band : Doctoral Dissertation / Department of Electrical and Electronic Engineering Tokyo Institute of Technology, 2012. — 125 p.

10. Ando M., Hashimoto K., Hirokawa J. Post-Wall Center-Feed Waveguide Circuit Consisting of T-Junctions for Reducing the Slot-Free Area in a Parallel Plate Slot Array Antenna // IEICE Transactions. — 2010. — P. 1047—1054.

11. Volakis J. L. Antenna Engineering Handbook. — McGraw-Hill, 2007. — 1755 р.

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

13. Пат. 2517724 C1 Российская Федерация, МПК7 H01Q13/28, H01P3/16. Плоская антенна вытекающей волны / Д. Н. Борисов, А. В. Золотухин, А. И. Климов, Ю. Б. Нечаев, В. И. Юдин; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный университет. — № 2012144897/08; заявл. 22.10.2012; опубл. 27.05.04, Бюл. № 15. — 7 с.

14. Ерошенко Д. А., Борисов Д. Н., Климов А. И., Нечаев Ю. Б., Юдин В. И. Плоская антенна вытекающей волны с коаксиальным входом. — Заявл. 27.10.2015 г., № 2015146313. Патент на полезную модель № 163301, решение о выдаче от 24.03.2016 г.

15. Плоская однослойная антенная решетка вытекающей волны / Д. Н. Борисов, Д. А. Ерошенко, А. И. Климов, Ю. Б. Нечаев // Сб. докл. 24-й Междунар. конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 7—13 сентября 2014 г. Севастополь, 2014. — Т. 1. — С. 509—510.

REFERENCES

1. http://www.umirs.ru/catalog/two-positions-radio-signals/dhunt/

2. http://npplama.ru/index.php/produkt/abris

3. http://www.innosent.de/radarsensoren/

4. http://www.simicon.ru/rus/product/index.html

5. Vishnevskiy V. Millimetrovyiy diapazon kak promyishlennaya realnost // El-ektronika: Nauka, Tehnologiya, Biznes. — 2010. — # 3. — S. 70—79.

6. Millimeter-Wave Enhanced Local Area Systems: A High-Data-Rate Approach for Future Wireless Networks / Amitava Ghosh [et al.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. — 2014. — V. 32. — # 6. — R. 1152—1163.

7. http://www.limaco.ru/ru/production/101/162/

8. Razrabotka i issledovanie ploskih antenn dlya sistem ohranyi i radiosvyazi SVCh i KVCh diapazonov. Otchet o NIR. # gosregistratsii 05134421. — Voronezh : Voronezhskiy institut MVD Rossii, 2014. — 85 s.

9. Yuanfeng She. Quantitative Loss Evaluation and Performance Enhancement in Waveguide Slot Array Antennas using Dielectric Substrates in the Millimeter-Wave Band : Doctoral Dissertation / Department of Electrical and Electronic Engineering Tokyo Institute of Technology, 2012. — 125 p.

10. Ando M., Hashimoto K., Hirokawa J. Post-Wall Center-Feed Waveguide Circuit Consisting of T-Junctions for Reducing the Slot-Free Area in a Parallel Plate Slot Array Antenna // IEICE Transactions. — 2010. — P. 1047—1054.

11. Volakis J. L. Antenna Engineering Handbook. — McGraw-Hill, 2007. — 1755 r.

12. Klimov A. I. Razrabotka i issledovanie ploskih difraktsionnyih antenn SVCh i KVCh diapazonov s elektricheski upravlyaemyimi harakteristikami. — Voronezh : Nauchna-ya kniga, 2010. — 117 s.

13. Pat. 2517724 C1 Rossiyskaya Federatsiya, MPK7 H01Q13/28, H01P3/16. Plos-kaya antenna vyitekayuschey volnyi / D. N. Borisov, A. V. Zolotuhin, A. I. Klimov, Yu. B. Nechaev, V. I. Yudin; zayavitel i patentoobladatel Voronezhskiy gosudarstvennyiy universi-tet. — # 2012144897/08; zayavl. 22.10.2012; opubl. 27.05.04, Byul. # 15. — 7 s.

14. Eroshenko D. A., Borisov D. N., Klimov A. I., Nechaev Yu. B., Yudin V. I. Plos-kaya antenna vyitekayuschey volnyi s koaksialnyim vhodom. — Zayavl. 27.10.2015 g., # 2015146313. Patent na poleznuyu model # 163301, reshenie o vyidache ot 24.03.2016 g.

15. Ploskaya odnosloynaya antennaya reshetka vyitekayuschey volnyi / D. N. Borisov, D. A. Eroshenko, A. I. Klimov, Yu. B. Nechaev // Sb. dokl. 24-y Mezhdunar. konferentsii «SVCh-tehnika i telekommunikatsionnyie tehnologii», 7—13 sentyabrya 2014 g. Sevastopol, 2014. — T. 1. — S. 509—510.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Ерошенко Денис Александрович. Преподаватель-методист.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: den1is_90@mail.ru

Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. +7-950-779-57-38.

Климов Александр Иванович. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, доцент.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: alexserkos@inbox.ru

Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. +7-950-753-94-84.

Кузнецов Анатолий Васильевич. Генеральный директор.

АО «Воронежское центральное конструкторское бюро «Полюс».

E-mail: polus@vckb.ru

Россия, 394019, г. Воронеж, ул. Краснодонская, 16 б. Тел./Факс: (473) 276-24-60.

Eroshenko Denis Aleksandrovich. Lecturer.

Е-mail: den1is_90@mail.ru

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. +7-950-779-57-38.

Klimov Alexander Ivanovich. Professor of the chair of Infocommunication Systems and Technologies. Doctor of Sciences (Radio Engineering), Assistant Professor.

Е-mail: alexserkos@inbox.ru

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. +7-950-753-94-84.

Kuznetsov Anatoly Vasilyevich. General Director.

Voronezh Central Design Bureau "Polyus".

E-mail: polus@vckb.ru

Work address: Russia, 394019, Voronezh, Krasnodonskaya Str., 16 b. Tel./Fax: (473) 276-24-60.

Ключевые слова: антенна; вытекающие волны; эффективность излучения; коэффициент усиления; диаграмма направленности.

Key words: antenna; leaky waves; radiation efficiency; gain; radiation pattern.

УДК 621.396.67