Компьютерное моделирование плоской антенны СВЧ с переключаемой поляризацией

А.В. Золотухин, А.И. Климов, Ю.Б. Нечаев,

ОАО «Концерн “Созвез- кандидат технических доктор технических наук,

дие ”» наук, доцент профессор, ОА О «Концерн

“Созвездие ”»

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛОСКОЙ АНТЕННЫ СВЧ С ПЕРЕКЛЮЧАЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

COMPUTER SIMULATION OF A PLANAR SHF ANTENNA WITH SWITCHABLE POLARIZATION

Представлены результаты компьютерного моделирования плоской антенны СВЧ диапазона с управляемой поляризацией. Антенна содержит экранированный планарный диэлектрический волновод с двумерной решеткой квадратных металлических элементов, питаемый двумя переключаемыми ортогональными линейными решетками через крестообразную щель в экране. Антенны подобной конструкции могут быть использованы в системах радиосвязи и приема передач спутникового телевизионного и радиовещания.

The results of computer simulation of a planar SHF antenna with sw itchable polarization are presented. The antenna contains a grounded planar dielectric guide with a twodimensional array of metal square patches, fed by two switchable orthogonal linear arrays trough a cross-shaped slot in the ground plane. Antennas of a similar design may be used in radio communication systems and satellite television and radio broadcast systems.

Плоские антенны с управляемой поляризацией излучения наряду с традиционными зеркальными антеннами находят все более широкое применение в современных системах радиосвязи, а также спутникового радио- и телевизионного вещания СВЧ диапазона. Примерами служат серийно выпускаемая фирмой Kathrein антенна BAS-65 для диапазона частот 10,7—12,75 ГГц [1] и ряд других (включая антенны, рассчитанные на работу с двумя ортогональными поляризациями), построенных на основе структур поверхностных волн, многослойных полосковых или щелевых решеток [2—5]. Ниже рассмотрена новая плоская антенна на основе однослойной дифракционной структуры, работающая в режиме нормального излучения к плоскости раскрыва с управляемой поляризацией, отличающаяся сравнительно простой конструкцией при высоких электрических параметрах. Антенна содержит экранированный плоский диэлектрический волновод (ПДВ), на внешней поверхности которого имеется двумерная решетка излучающих элементов, а также устройство возбуждения волновода в виде двух линейных антенных решеток. Излучающие элементы двумерной решетки расположены в узлах квадратной сетки с периодом порядка длины волны в волноводе, причем в центральной части решетки ширина элементов в вертикальном ряду и длина элементов в горизонтальном ряду имеют размер порядка периода решетки, а линейные решетки, образующие устройство возбуждения, расположены ортогонально друг другу, имеют общий центральный вход и подключены через крестообразную щель в экране под центральными элементами двумерной решетки.

Общий вид антенны показан на рис. 1, на котором обозначено: 1 и 2 — линейные решетки излучающих элементов, образующие устройство возбуждения 5 волновода 3 с двумерной основной решеткой излучающих элементов; 4 — металлический эк-

ран; 6 и 7 — отверстия, образующие крестообразную щель 8 в металлическом экране. Направление максимального излучения показано стрелкой на оси OZ.

Рис. 1. Общий вид антенны

На рис. 2 показан возможный вариант устройства возбуждения 5, в котором используются линейные полосковые решетки 1 и 2 ступенчатого типа на диэлектрических подложках, размещенные в желобковых металлических волноводах; общий вход 10 устройства возбуждения выполнен в виде отрезка круглого металлического волновода.

5

\~    А

' 11 III II

10

Рис. 2. Устройство возбуждения, выполненное в виде линейных полосковых

решеток ступенчатого типа

В режиме управляемой поляризации излучения антенна действует следующим образом. СВЧ колебания подводятся к входу устройства возбуждения 5 через переключатель поляризации, в частности, на основе ферритового поляризатора. Для обеспечения излучения, например с линейной поляризацией, параллельной оси ОХ, переключатель поляризации возбуждает линейную решетку 1, расположенную вдоль оси ОУ (решетка 2, расположенная вдоль оси ОХ, остается невозбужденной). Излучение данной решетки, поляризованное перпендикулярно кромкам щели в экране, вытянутой вдоль оси ОУ, подводится к волноводу, в котором по обе стороны от оси ОУ возбуждаются поверхностные волны, распространяющиеся к краям волновода в направлениях ±ОХ. В результате дифракции поверхностных волн на элементах двумерной решетки возникает излучение по нормали к плоскости раскрыва (оси 02) с поляризацией, параллельной оси ОХ. Необходимым условием излучения по нормали на средней рабочей частоте антенны является обеспечение равенства замедления поверхностных волн ПДВ и отношения длины волны СВЧ колебаний к периоду двумерной решетки в направлении ОХ (резонансная дифракция Брэгга) [2].

Принцип действия рассматриваемой антенны дополнительно поясняется с помощью рис. 3, на котором обозначено: 3 — плоский диэлектрический волновод с двумерной решеткой из металлических излучающих элементов; 4 — металлический экран; 7 — одно из отверстий крестообразной щели, к которой подключена линейная решетка 1 устройства возбуждения 5 (находится под центральными элементами и вытянуто вдоль оси ОУ).

При возбуждении отверстия 7 волной с поляризацией вектора напряженности электрического поля Е, перпендикулярной широким кромкам отверстия, в волноводе 3 возбуждается поверхностная волна типа ТМ, распространяющаяся в обе стороны от щели 7. При ее рассеянии на двумерной решетке излучающих элементов возникает излучение с Н-поляризацией (вектор Е в плоскости раскрыва ориентирован вдоль оси ОХ, т.е. перпендикулярен кромкам излучающих элементов).

ъ

4

7

Рис. 3. К пояснению принципа действия антенны

Направления излучения обеих половин раскрыва антенны (которые на центральной рабочей длине волны лежат в плоскости ХО2) определяются углами 0Пшах относительно нормали к плоскости раскрыва [2]:

8Ш0птах=у(к)+пЩ

где у(Х)=е/уф — замедление фазовой скорости поверхностной волны ПДВ; к — рабочая длина волны; ё — период решетки; п — номер пространственной гармоники поля излучения.

Прием и излучение электромагнитных волн антенной обеспечиваются в режиме работы на -1-й гармонике. Очевидно, что на длине волны, на которой замедление поверхностной волны волновода 3 равно отношению длины волны к периоду двумерной решетки, 0-1тах=О, излучение обеих половин раскрыва оказывается синфазным в направлении нормали к его плоскости, т.е. вдоль оси 02 (имеет место резонансная дифракция Брэгга второго порядка). Благодаря тому, что центральные элементы двумерной решетки имеют ширину порядка периода решетки, а толщина волновода 3 выбирается порядка четверти длины волны в диэлектрике, обеспечивается минимальное отражение от входа антенны, так что КСВ на данной длине волны может быть близким к 1. Причем, хорошее согласование сохраняется в полосе частот, большей 5%. Использование поверхностных волн позволяет обеспечить высокий КПД антенны. При относительной толщине ПДВ не более О,2—О,3 максимальной длины волны излучения обеспечивается весьма низкий уровень паразитной (ортогональной) поляризации.

Для обеспечения излучения с поляризацией, параллельной оси ОУ, с помощью входного поляризатора возбуждается линейная решетка 2, расположенная вдоль оси ОХ (решетка 1, расположенная вдоль оси ОУ, остается невозбужденной).

При фиксированном пространственном положении антенны ее диаграмма направленности в рабочей полосе частот ориентирована вдоль нормали к плоскости рас-крыва.

Характеристики антенны изучены путем компьютерного моделирования режима излучения в СВЧ диапазоне на частотах 9,2—10,2 ГГц с помощью программы ГО^Б. Выполнено моделирование двух вариантов плоской антенны с переключаемой поляризацией: базовой («модельной») антенны, в которой имитировалось поочередное возбуждение ортогональных щелей в одномодовом режиме с косинусоидальным амплитудным распределением напряженности электрического поля в одном из двух отверстий, образующих крестообразную щель, и антенны, в которой возбуждающее волновод поле в крестообразной щели создается коммутируемыми линейными решетками. Моделирование базовой антенны позволило оценить потенциальные характеристики антенны (ширину полосы рабочих частот, эффективность, уровень боковых лепестков диаграммы направленности) при заданном максимальном коэффициенте усиления. Обе антенны имели одинаковые размеры излучающего раскрыва 23х23 см2; в качестве материала волновода был выбран полиэтилен (относительная диэлектрическая проницаемость 8=2,25; толщина волновода 1=6 мм. Режим нормального излучения (режим дифракции Брэгга второго порядка) на средней частоте 9,7 ГГц указанного выше диапазона при заданных параметрах волновода обеспечивается, например, при значении периода двумерной решетки ё=24 мм и размере металлических излучающих элементов w=d/2. Двумерная решетка полагалась составленной из квадратных металлических элементов с размерами w=d/2, расположенных с периодом ё=24 мм.

При моделировании базовой антенны подтверждено, что переключение возбуждения со щели, расположенной вдоль оси ОХ, на щель, расположенную вдоль оси ОУ, приводит к изменению поляризации излучения на ортогональную. Параметры базовой плоской антенны оказались достаточно высокими: модуль коэффициента отражения напряжения б11 на входе антенны не превышал -10 дБ в полосе частот 9,4—10,05 ГГц,

причем максимальный коэффициент усиления 0=27,4 дБ (эффективность антенны

0,845) достигнут на частоте 9,6 ГГц. Относительная рабочая полоса частот при максимальном коэффициенте усиления 27,4 дБ составила 6,7 %.

Основные конструктивные параметры антенны с устройством возбуждения в виде линейных решеток: размеры излучающего раскрыва 23 х23 см2; материал волновода — полиэтилен (относительная диэлектрическая проницаемость 8=2,25; толщина волновода 1=6 мм; ширина и высота желобковых волноводов — 12 и 10 мм; толщина подложек полосковых решеток — 3 мм; относительная диэлектрическая проницаемость — 2,0; ширина полосковых проводников — 1 мм; ширина и длина излучателей — 4 и 10 мм; период расположения излучателей — 24 мм; внутренний диаметр круглого волновода — 20 мм; ширина отверстий, образующих крестообразную щель в экране плоского диэлектрического волновода, — 4 мм.

Как видно из приведенных на рис. 4, 5 характеристик, антенна с данным устройством возбуждения обеспечивает полосу частот, ограниченную согласованием, не менее 850 МГц (8,8 %), максимальную эффективность на частоте 9,7 ГГц — 75,9 %, т.е. близкую к эффективности базовой антенны. В полосе частот 700 МГц (7,2 %) коэффициент усиления антенны снижается не более чем на 2 дБ относительно максимального значения 27,2 дБ. Развязка каналов по поляризации в указанной полосе частот — не менее -20 дБ.

0.0

511,

ДБ -2-0 -4.0 -6.0 -6.0 -10.0 -12.0 -14.0 -16.0 -16.0 -20.0 -22.0 -24.0

9.0 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0 10.2 10.4 90 92 94 96 98 100 10-2 104

----ант. £_ ГТц М':'Д- :'нт. Г, ГТц

Рис. 4. Частотные зависимости модуля коэффициента отражения по напряжению

-180.0 -120.0 -60.0 0.0 60.0 120.0 180.0

— F(9h) F(9e) 0, град

Рис. 5. Диаграммы направленности антенны в Е- и Н-плоскостях

на частоте 9,7 ГГц

Таким образом, исследованная плоская антенна обеспечивает работу с переключаемой поляризацией в режиме излучения по нормали к плоскости раскрыва и может служить прототипом других конструкций для использования в системах радиосвязи и спутникового телевидения СВЧ диапазона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Flachantenne fur stationare Anwendung [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http:// www.kathrein.de /en/sat/products/doc/9363347a.pdf (дата обращения: 30.06.2010).

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

3. Микроволновая направленная антенна с использованием поверхностной волны (US Patent № 4536767, 20.08.1985).

4. Pat. 4716415 US, H 01 Q 13/10. Dual Polarization Flat Plate Anntenna / K. Kelly (US). — N 678891: 06.12.1984; Date of Patent 29.12.1987.

5. Pat. 7075494 (US), H 01 Q 13/10. Leaky Wave Dual Polarized Slot Type Antenna / S. Bankov (KR). — N 10/511873: 16.04.2003; Date ofPatent 11.07.2006.