Антенная решетка терагерцового диапазона

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

А.И. Климов,

доктор технических наук, доцент

А.В. Кузнецов,

Воронежское центральное конструкторское бюро «Полюс»

Ю.Б. Нечаев,

доктор физико-математических наук, профессор, Воронежский государственный университет

АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА TERAHERTZ ANTENNA ARRAY

Представлены результаты компьютерного моделирования плоской антенной решетки диапазона 940—955 ГГц. Антенная решетка выполнена на основе однослойной структуры вытекающей волны с центральным волноводным входом и обеспечивает излучение вдоль нормали к апертуре с коэффициентом усиления не менее 30 дБ.

The results of computer simulation of a planar antenna array for 940—955 GHz frequency range. The antenna array is made on the basis of a single-layer leaky wave structure with a central waveguide input and provides broadside radiation with the antenna gain not less than 30 dBi.

В последнее время расширяется использование радиочастотного излучения тера-герцового диапазона в различных радиосистемах: высокоскоростных системах передачи информации, системах охраны, в медицинской технике [1, 2]. Наряду с интенсивными исследованиями в области создания эффективных источников и приемников терагерцо-вого излучения разрабатываются новые антенны различных типов, включая плоские щелевые и полосковые антенны и решетки [2—6]). Вместе с тем довольно перспективными для использования на частотах порядка сотен гигагерц представляются плоские

антенны вытекающей волны (АВВ), прототипы которых разработаны для аппаратуры СВЧ и КВЧ диапазонов [7—10].

В классе плоских АВВ СВЧ и КВЧ особенно интересны антенные решетки, содержащие плоский диэлектрический волновод (ПДВ) и дифракционную решетку (ДР) из металлических полосок [7]. В режиме излучения в ПДВ возбуждается поверхностная волна, которая, распространяясь вдоль его продольной оси, испытывает дифракцию на элементах ДР, в результате чего возникает направленное излучение. Наибольшая эффективность таких антенн достигается при одноволновом наклонном или нормальным излучении на -1-й пространственной гармонике поля дифракции. Подобные АВВ характеризуются высоким коэффициентом полезного действия (КПД), возможностью реализации заданного амплитудного распределения поля в раскрыве, простотой, компактностью и технологичностью конструкции. КПД АВВ достигает 80—90% на частотах вплоть до нескольких десятков ГГц [7].

В ряде предшествующих работ нами были исследованы остронаправленные плоские АВВ СВЧ и КВЧ с высоким (28—31 дБ) коэффициентом усиления (КУ) для полос частот 24—24,5, 36—37, 60—61 ГГц [7—10], а также 93—95 ГГц [11]. В связи с этим логично рассмотреть возможность построения и характеристики аналогичных АВВ для частот порядка сотен гигагерц.

Общий вид плоской АВВ нормального излучения, содержащей однослойную симметричную структуру вытекающей волны [7], показан на рис. 1, на котором обозначено: А и В — размеры раскрыва, Н — толщина ПДВ. Антенна формирует линейно-поляризованное (с вектором напряженности электрического поля, параллельным оси ОХ) излучение вдоль оси OZ. Полоса рабочих частот АВВ выбрана в пределах одной из полос минимального ослабления терагерцовых радиоволн в атмосфере.

Рис. 1. Плоская АВВ и ее пространственная диаграмма направленности

Конструкция антенны содержит ПДВ на металлическом экране, ДР, составленную из двух одномерно-периодических подрешеток из металлических полосок, и устройство возбуждения поверхностных волн в ПДВ на основе гребенчатой полосковой линии, образованной центральной полоской ДР с боковыми металлическими выступами [7]. Подключение антенны к радиоаппаратуре обеспечивается с помощью прямоугольного металлического волновода стандартного поперечного сечения, соответствующего рабочей полосе частот. Существенно, что конструкция не содержит так называемых некоординатных (т.е. наклоненных по отношению к осям прямоугольной системы) элементов, а также элементов сквозной металлизации диэлектрического слоя, в отличие, например, от волноводно-щелевых антенных решеток, изготовленных по технологии SIW — волноводов, интегрированных с диэлектрической подложкой [5, 6].

Ниже приведены основные электрические характеристики модели АВВ с размерами А=3,94 мм, В=4,08 мм, Н=0,052 мм, рассчитанной для полосы частот 940—955 ГГц. В сущности, данная модель представляет собой масштабную копию антенны, рассчитанной для полосы частот 93—95 ГГц [11]. В модели антенны терагерцового диапазона также использован ПДВ из материала Rogers/RT Duroid с относительной диэлектрической проницаемостью 8=2,2; полосковые элементы выполнены из меди (толщина полосок 10 мкм).

Компьютерное моделирование антенной решетки терагерцового диапазона осуществлено с помощью программы CST Microwave Studio в режиме Time-Domain Solver. На рис. 2—4 показаны: частотная характеристика коэффициента стоячей волны напряжения в питающем волноводе (КСВ, рис. 2), частотная характеристика коэффициента усиления (рис. 3); диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях на частоте 945 ГГц (рис. 4).

Voltage Standing Wave Ratio

! — VSWRl

I

! i

i i

:

i ...............................

935 940 945 950 955 960

Frequency / GHz

Рис. 2. Частотная характеристика КСВ

Frequency / GHz

Рис. 3. Частотная характеристика коэффициента усиления

б

Рис. 4. Примеры диаграммы направленности в Е-

Судя по представленным выше характеристикам, можно сделать вывод, что масштабная копия плоской АВВ для частот 93—95 ГГц [11] в ее терагерцовом варианте в полосе частот 940—955 ГГц также обеспечивает высокую степень согласования по входу (КСВ не более 1,23) и коэффициент усиления не менее 30 дБ. ДН антенны в указанной полосе имеет ширину в Е- и Н-плоскостях не более 4,2° и уровень боковых лепестков, не превышающий -14 дБ. Конечно, надо отметить, что вопрос технологии изготовления подобной антенны заслуживает отдельного внимания.

Полученные результаты позволяют предположить, что плоские однослойные антенные решетки на основе симметричной структуры вытекающей волны нормального излучения представляются перспективными для использования в качестве остронаправленных антенн для радиоаппаратуры терагерцового диапазона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Современные радиоэлектронные системы терагерцового диапазона / В. М. Исаев, И. Н. Кабанов, В. В. Комаров, В. П. Мещанов // Доклады ТУСУРа. — 2014. — № 4 (34). — С. 5—21.

2. Gao S. S., Qiao H. M., Li J. L. High gain holographic antenna for terahertz applications // Optical Materials Express. — 2018. —Vol. 8. — Issue 2. — P. 452—462.

3. Terahertz Corrugated and Bull's-Eye Antennas / M. Beruete, U. Beaskoetxea, M. Zehar, A. Agrawal, S. Liu, K. Blary, A. Chahadih, X.-L. Han, M. Navarro-Cía, D. Etayo,

A. Nahata, T. Akalin, M. Sorolla // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., 2013. — Vol. 3. — N 6. — P. 740—747.

4. A microfabricated low-profile wideband antenna array for terahertz communications / K. M. Luk, S. F. Zhou, Y. J. Li, F. Wu, K. B. Ng, C. H. Chan, S. W. Pang // Scientific Reports. — 2017. — Vol.7. — Article number: 1268, DOI:10.1038/s41598-017-01276-4.

5. Xie H., Belostotski L., Okoniewski M. A Q-band High-Gain Substrate-Integrated Waveguide Slot Antenna // Microwave and Optical Technology Letters. — 2015. — Vol. 57.

— N. 6. — P. 1370—1374.

6. Substrate-Integrated Millimeter-Wave and Terahertz Antenna Technology / Wu K., Cheng Y. J., Djerafi T., Hong W. // Proceedings of the IEEE. — 2012. — Vol. 100. — N 7.

— P. 2219—2232.

7. 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,

B. И. Юдин; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный университет.

— № 2012144897/08; заявл. 22.10.2012; опубл. 27.05.2014, Бюл. № 15. — 7 с.

8. Nechaev Yu. B., Borisov D. N., Klimov A. I. Planar Leaky-Wave Antenna Arrays for Millimeter Wave Application // Recent Advances in Circuits, Systems, Telecommunications and Control: Proceedings on the 1st WSEAS International Conference on Wireless and Mobile Communication Systems (WMCS"13), Paris, France, 29—31 Oct. — 2013. — P. 85—89.

9. Planar center-fed leaky-wave antenna arrays for millimeter wave systems / Yu. B. Nechaev, D. N. Borisov, A. I. Klimov, I. V. Peshkov // Proceedings of International Conference on Antenna Theory and Techniques, 21—24 April, 2015. — Kharkiv, Ukraine. — P. 211—213.

10. Ерошенко Д. А., Климов А. И., Нечаев Ю. Б. Оптимизация излучающего рас-крыва плоской сканирующей антенны вытекающей волны // Радиотехника. — 2016. — № 5. — C. 58—66.

11. Ерошенко Д. А., Климов А. И., Кузнецов А. В. Плоская антенная решетка диапазона КВЧ с высоким коэффициентом усиления // Вестник Воронежского института МВД России, 2017. — № 4. — С. 175—181.

REFERENCES

1. Sovremennyie radioelektronnyie sistemyi teragertsovogo diapazona / V. M. Isaev, I. N. Kabanov, V. V. Komarov, V. P. Meschanov // Dokladyi TUSURa. — 2014. — # 4 (34).

— S. 5—21.

2. Gao S. S., Qiao H. M., Li J. L. High gain holographic antenna for terahertz applications // Optical Materials Express. — 2018. —Vol. 8. — Issue 2. — P. 452—462.

3. Terahertz Corrugated and Bull's-Eye Antennas / M. Beruete, U. Beaskoetxea, M. Zehar, A. Agrawal, S. Liu, K. Blary, A. Chahadih, X.-L. Han, M. Navarro-Cía, D. Etayo, A. Nahata, T. Akalin, M. Sorolla // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., 2013. — Vol. 3. —

# 6. — P. 740—747.

4. A microfabricated low-profile wideband antenna array for terahertz communications / K. M. Luk, S. F. Zhou, Y. J. Li, F. Wu, K. B. Ng, C. H. Chan, S. W. Pang // Scientific Reports. — 2017. — Vol.7. — Article number: 1268, DOI:10.1038/s41598-017-01276-4.

5. Xie H., Belostotski L., Okoniewski M. A Q-band High-Gain Substrate- Integrated Waveguide Slot Antenna // Microwave and Optical Technology Letters. — 2015. — Vol. 57.

— # 6. — P. 1370—1374.

6. Substrate-Integrated Millimeter-Wave and Terahertz Antenna Technology / Wu K., Cheng Y. J., Djerafi T., Hong W. // Proceedings of the IEEE. — 2012. — Vol. 100. — # 7.

— P. 2219—2232.

7. Pat. 2517724 C1 Rossiyskaya Federatsiya, MPK7 H01Q13/28, H01P3/16. Ploskaya antenna vyitekayuschey volnyi / D. N. Borisov, A. V. Zolotuhin, A. I. Klimov, Yu. B. Nechaev, V. I. Yudin; zayavitel i patentoobladatel Voronezhskiy gosudarstvennyiy universitet. —

# 2012144897/08; zayavl. 22.10.2012; opubl. 27.05.2014, Byul. # 15. — 7 s.

8. Nechaev Yu. B., Borisov D. N., Klimov A. I. Planar Leaky-Wave Antenna Arrays for Millimeter Wave Application // Recent Advances in Circuits, Systems, Telecommunications and Control: Proceedings on the 1st WSEAS International Conference on Wireless and Mobile Communication Systems (WMCS"13), Paris, France, 29—31 Oct. — 2013. — P. 85— 89.

9. Planar center-fed leaky-wave antenna arrays for millimeter wave systems / Yu. B. Necha-ev, D. N. Borisov, A. I. Klimov, I. V. Peshkov // Proceedings of International Conference on Antenna Theory and Techniques, 21—24 April, 2015. — Kharkiv, Ukraine. — P. 211—213.

10. Eroshenko D. A., Klimov A. I., Nechaev Yu. B. Optimizatsiya izluchayuschego raskryiva ploskoy skaniruyuschey antennyi vyitekayuschey volnyi // Radiotehnika. — 2016.

— # 5. — C. 58—66.

11. Eroshenko D. A., Klimov A. I., Kuznetsov A. V. Ploskaya antennaya reshetka dia-pazona KVCh s vyisokim koeffitsientom usileniya // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii, 2017. — # 4. — S. 175—181.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

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, 16б. Тел/Факс: (473) 276-24-60.

Нечаев Юрий Борисович. Профессор кафедры информационных систем. Доктор физико-математических наук, профессор.

Воронежский государственный университет. E-mail: nechaev_ub@mail.ru

Россия, 394006, г. Воронеж, Университетская площадь, 1. Тел. (473) 220-87-24.

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

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: alexserkos@inbox.ru

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

Kuznetsov Anatoly Vasilyevich. General Director. JSC "Voronezh Central Design Bureau" Polyus". E-mail: polus@vckb.ru

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

Nechayev Yury Borisovich. Professor of the Chair of Information Systems. Doctor of Sciences (Physic, Mathematic), Professor.

Voronezh State University. E-mail: nechaev_ub@mail.ru

Work address: Russia, 3940006, Voronezh, University Square, 1. Tel. (473) 220-87-24.

Ключевые слова: антенна; вытекающие волны; терагерцовые частоты; диаграмма направленности.

Key words: antenna; leaky waves; terahertz frequencies; radiation pattern. УДК 621.396.67