ПЛОСКИЕ СКАНИРУЮЩИЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ СВЧ С ДИАГРАММООБРАЗУЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ НА ОСНОВЕ АПЛAНАТИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

Ю. В. Белозерцев М. А. Галуза

А. И. Климов, доктор технических наук, доцент

ПЛОСКИЕ СКАНИРУЮЩИЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ СВЧ С ДИАГРАММООБРАЗУЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ НА ОСНОВЕ АПЛАНАТИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ

FLAT SCANNING SHF ANTENNA ARRAYS WITH BEAMFORMING SYSTEM BASED ON APLANATIC LENS

Представлены результаты имитационного компьютерного моделирования и анализа характеристик двух новых образцов плоских полосковых антенных решеток с линейной поляризацией с коэффициентом усиления 20—24 дБ и однокоординатным сканированием диаграммы направленности в полосе частот 24—24,25 ГГц. Отличительной особенностью антенн является использование диаграммообразующей системы (ДОС) с электрической коммутацией пар соседних входов, построенной на основе плоской апланатической линзы из однородного диэлектрика с показателем преломления 1,6. Использование попарной коммутации соседних входов ДОС обеспечивает довольно низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности (-15...—20) дБ в секторе сканирования до ±30°. В ортогональной плоскости уровень боковых лепестков диаграммы направленности не превышает —18,5 дБ. Предложены варианты изготовления линзовой структуры ДОС. Подобные антенны могут быть использованы в аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления диапазонов СВЧ и КВЧ.

The results of computer simulation and analysis of the characteristics of two new samples of flat strip antenna arrays with linear polarization with a gain of 20—24 dB and single-coordinate scanning of the radiation pattern in the frequency band of 24—24.25 GHz are presented. A distinctive feature of the antennas is the use of beamforming system (BFN) with electrical switching ofpairs of adjacent inputs, built on the basis of a flat aplanatic lens made of a homogeneous dielectric with a refractive index of 1.6. The use of pairwise switching of adjacent BFN inputs provides a rather low side lobe level of the radiation pattern (—15.—25 dB) in the scanning sector up to ±30°. In the orthogonal plane the side lobe level does not exceed —18.5 dB. Options for manufacturing the DOS lens structure are proposed. Such antennas may be used in the equipment of radio communication systems, radar and radio control of SHF and EHF bands.

В предыдущей статье [1] были представлены результаты разработки и имитационного моделирования плоских полосковых антенных решеток (ППАР) СВЧ с однокоординатным дискретным сканированием диаграммы направленности (ДН), в которых для сканирования используются ДОС с электрической коммутацией входов, построенные на основе плоской апланатической линзы из однородного диэлектрика с показателем преломления 1,6, размещенной в плоскопараллельном волноводе. В [1] показано,

что полные потери (в виде суммы тепловых потерь и потерь на отражение от входов) в полосковой антенной решетке с такой ДОС не превышают 1,5...2 дБ, что обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент усиления (КУ) антенны, а попарная коммутация соседних входов ДОС позволяет реализовать на входах линейных антенных решеток, образующих излучающий раскрыв антенны, спадающее к его краям амплитудное распределение и, как следствие, низкий уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН (-15.-20) дБ в плоскости сканирования в угловом секторе до ±(30.35)°. Наиболее компактную конструкцию имеет предложенная в [1] ППАР, содержащая излучающую систему в виде группы линейных полосковых антенных решеток с последовательным возбуждением, рис. 1, а.

14

0 35 70

а

и

X

в

Рис. 1. ППАР из полосковых решеток с последовательным возбуждением:

1 и 2 — металлические пластины, образующие плоско-параллельный волновод, 3 — плоская апланатическая линза, 4 — щели в пластине 1, образующие входы ДОС ППАР, 5, 7—9 — металлические отражающие стенки, 6 — щели в пластине 2, обеспечивающие возбуждение линейных полосковых решеток 10 из прямоугольных патчей, 11 — столбики сквозной металлизации, проходящие через диэлектрическую подложку 12 и обеспечивающие короткое замыкание левых концов полосковых линий на пластину 2, 13 и 14 — щели между пластиной 2 с подложкой 12 и отражающими стенками 13 и 14.

В результате сравнительного анализа характеристик ППАР и ряда известных плоских антенных решеток СВЧ и КВЧ со щелевыми и полосковыми излучающими элементами и ДОС на основе линз Ротмана в [1] было высказано мнение, что новые ППАР представляются перспективными для применения в аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления. Вместе с тем стоит отметить, что основной целью работы [1] была демонстрация возможности построения антенн с линзовой ДОС, отличающихся низким уровнем бокового излучения в направлениях, лежащих в плоскости сканирования. Поэтому для упрощения модели антенны линейные антенные решетки были составлены из патчей одинаковых размеров с присущим таким решеткам экспоненциальным амплитудным распределением в направлении осей решеток, параллельных оси ОХ на рис. 1, а, при котором УБЛ ДН антенны в плоскости Х02, ортогональной плоскости сканирования У02, не может быть ниже -12 дБ [2]. Реально в антенне, показанной на рис. 1, а, УБЛ ДН в плоскости Х02 был около - 10 дБ.

Целью настоящей работы было построение новых вариантов сканирующей ППАР с улучшенными характеристиками для полосы частот 24—24,25 ГГц, в частности, с пониженным УБЛ ДН в плоскости, ортогональной плоскости сканирования. С этой целью для антенны, показанной на рис. 1, а, разработана новая излучающая система, показанная на рис. 1, б — составленная из 15 линейных 13-элементных эквидистантных антенных решеток с фиксированным шагом ё из патчей фиксированной длины Ь и различной ширины Значения ширины патчей были определены по методике проектирования антенн вытекающей волны [3], обеспечивающей формирование заданного амплитудного распределения токов в излучателях в направлении оси решетки. Учитывая требования к характеристикам антенн, рассчитанных для практического применения, например в аппаратуре систем контроля дорожного движения, систем охраны, в автомобильных радарах, УБЛ ДН в вертикальной плоскости (ортогональной горизонтальной плоскости — плоскости сканирования) должен быть не выше -20...-18 дБ. Поэтому в данной работе значения ширины патчей были рассчитаны так, чтобы реализовать продольное амплитудное распределение типа «синус на пьедестале», при котором достигается УБЛ ДН не выше -20 дБ при достаточно высокой эффективности ис-

пользования длины решетки [2]. В плане реализации конструкции ППАР, пригодной для практического применения, в ДОС были созданы входы на основе отрезков несимметричных полосковых линий передачи СВЧ с волновым сопротивлением 100 Ом, размещенные на дополнительной подложке над щелями, игравшими роль входов в исходной конструкции антенны, рис. 1, в. В составе ДОС использована апланатическая линза с шириной раскрыва 110 мм, толщиной 42 мм и высотой 1,5 мм. В качестве материала линзы выбран полистирол с относительной диэлектрической проницаемостью 2,56 (п=1,6). Расчетное значение толщины линзы составило 34 мм. Конструктивные параметры линейных полос-ковых решеток были рассчитаны так, чтобы в полосе рабочих частот решетки работали в режиме нормального излучения. Количество входов ППАР выбрано равным 12, что

обеспечивает получение 11 дискретных направлений главных лепестков ДН в секторе

2

сканирования. Размеры излучающего раскрыва ППАР — 100*114 мм .

Далее приведена часть результатов имитационного моделирования ППАР с помощью программы ANSYS Ю^, выполненного в полосе частот 24—24,25 ГГц. Как и в вариантах ППАР [1], для обеспечения УБЛ ДН в плоскости сканирования YOZ не выше -10 дБ в секторе ±35° использовалось возбуждение пар соседних входов ДОС, при котором достигалось более эффективное облучение линзы в смысле формирования спадающего к краям амплитудного распределения поля в раскрыве антенны в направлении оси OY. В процессе моделирования было установлено, что наиболее низкие значения УБЛ ДН в плоскости сканирования получаются при подключении к неиспользуемым входам нагрузок с сопротивлением 100 Ом.

На рис. 2 и 3 показаны примеры ДН ППАР на средней рабочей частоте 24,125 ГГц: в начальном положении (возбуждена пара входов 1 и 2) в Н-плоскости (YOZ), рис. 2, а, в Е-плоскости (XOZ), рис. 2, б; при отклонении направления излучения на -29° (возбуждена пара входов 8 и 10), рис. 3, а; при отклонении направления излучения на -35° (возбуждена пара входов 10 и 12), рис. 3, б. Обозначения на рис. 2 и 3: Б1гТо1а1 — КНД, КеаН2еёОатТо1а1 — КУ антенны с учетом тепловых потерь в элементах ее конструкции и потерь на отражение входных колебаний.

б

а

Рис. 2. ДН ППАР при активной паре входов 1 и 2 в Н-плоскости

118

Рис. 3. ДН ППАР в Н-плоскости при активной паре входов 8 и 10

Активный КСВ по возбужденным входам для всех 11 направлений в секторе сканирования в полосе частот 24-24,25 ГГц не превышал 1,75. Как видно из рис. 3, б, УБЛ ДН в Е-плоскости равен -19,2 дБ, а максимальное значение УБЛ (на частоте 24,25 ГГц) оказалось равным -18,5 дБ.

Детальные характеристики ППАР, полученные в режиме сканирования ДН на частоте 24,125 ГГц, приведены в табл. 1. В табл. 2 для сравнения приведены аналогичные характеристики исходной ППАР [1] со щелевыми входами и излучающей системой из полосковых решеток из патчей одинаковых размеров.

Таблица 1

Характеристики ППАР с новой излучающей системой

Угол отклонения ДН от оси Ъ в пл. У0Ъ, град. 0 ±7 ±15 ±22 ±29 ±35

КНД, дБ 24,9 24,9 24,0 23,6 22,9 20,9

КУ с учетом потерь на отражение от входов, дБ 23,5 23,6 22,6 21,7 21,3 19,3

Полные потери в антенне, дБ 1,4 1,3 1,4 1,9 1,6 1,6

УБЛ ДН в пл. У0Ъ, дБ -25,5 -17,9 -19,4 -16,5 -15,3 -10,2

УБЛ ДН в пл. Х0Ъ, дБ -18,5

Характеристики исходной ППАР

Таблица 2

Угол отклонения ДН от оси Ъ в пл.У0Ъ, град. 0 ±7 ±14 ±21 ±28 ±35

КНД, дБ 24,7 24,5 24,3 22,9 22,7 20,9

б

а

Угол отклонения ДН от оси Z

в пл.YOZ, град. 0 ±7 ±14 ±21 ±28 ±35

КУ с учетом потерь на отражение от входов, дБ 23,3 23,5 23,0 20,9 20,8 18,9

Полные потери в антенне, дБ 1,4 1,0 1,3 2,0 1,9 2,0

УБЛ ДН в пл. YOZ, дБ -22,1 -19,1 -16,0 -17,5 -13,0 -15,1

УБЛ ДН в пл. ХOZ, дБ -1 [0

Сравнительный анализ представленных в табл. 1 и 2 характеристик показывает, что в секторе сканирования до ±29° они в целом близки, но новая ППАР отличается от исходной существенно сниженным УБЛ ДН в Е-плоскости (XOZ), т.е. основная цель модификации исходной ППАР достигнута.

В работе [1] было высказано мнение, что ППАР могут быть изготовлены в виде трехслойной полосковой конструкции, в которой часть с линзой может быть вырезана из листа СВЧ диэлектрика с последующим склеиванием с двумя экранированными с одной стороны подложками с элементами полосковых решеток и полосковых электронных коммутаторов. Ниже предложен еще один вариант изготовления такой многослойной структуры, на наш взгляд, технологически более простой и обеспечивающий более высокую стабильность характеристик антенн в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.

В этом варианте для изготовления наиболее ответственной части конструкции, содержащей линзу, предлагается использовать сплошную несущую пластину толщиной h из диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью 8, с вырезом отверстия по размерам линзы, в которое укладывается линза такой же толщины h из диэлектрического материала с относительной диэлектрической проницаемостью 8л, причем проницаемости материалов пластины и линзы должны быть

1/2

выбраны так, чтобы выполнялось отношение (8л/8) =n=1,6. Ожидается, что благодаря исключению из структуры с линзой множества областей с границами со скачками показателя преломления может улучшиться и форма ДН, в частности снизится УБЛ ДН в плоскости сканирования. Для апробации такого способа построения линзовой части конструкции ППАР построена соответствующая модель, в которой использована пластина с 8 = 2,33 (например, из материала Rogers RT/Duroid 2870) и линза с 8л = 6,15 (например, из материала Rogers 6006), так что (8л/8)1/2 = 1,625. Толщина пластины и линзы в модели взята равной 1,5 мм. С учетом проницаемости материала пластины были скорректированы другие конструктивные параметры антенны, за исключением параметров линейных полоско-вых решеток и собственно размеров излучающего раскрыва.

Результаты имитационного моделирования такого варианта ППАР, полученные на средней частоте 24,125 ГГц, приведены на рис. 4, 5 и в табл. 3.

На рис. 4 и 5 показаны примеры ДН ППАР на средней рабочей частоте 24,125 ГГц: в начальном положении (возбуждена пара входов 1 и 2) в Н-плоскости (YOZ), рис. 4, а, в Е-плоскости (XOZ), рис. 4, б; при отклонении направления излучения на -30° (возбуждена пара входов 8 и 10), рис. 5, а; при отклонении направления излучения на -36° (возбуждена пара входов 10 и 12), рис. 5, б.

Рис. 4. ДН ППАР при активной паре входов 1 и 2 в Н-плоскости

Рис. 5. ДН ППАР в Н-плоскости при активной паре входов 8 и 10

Активный КСВ по возбужденным входам для всех 11 направлений в секторе сканирования в полосе частот 24—24,25 ГГц не превышал 1,77. Как видно из рис. 3, б, УБЛ ДН в Е-плоскости равен -18,8 дБ. Максимальное значение УБЛ (на частоте 24,0 ГГц) оказалось равным -17,1 дБ, минимальное (на частоте 24,25 ГГц) -19,1 дБ.

Таблица 3

Характеристики ППАР с новой линзовой частью конструкции ДОС

Угол отклонения ДН от оси Ъ в пл. У0Ъ, град. 0 ±8 ±14 ±23 ±30 ±36

КНД, дБ 25,5 25,2 25,2 24,7 23,2 21,4

КУ с учетом потерь на отражение от входов, дБ 24,3 23,7 24,0 23,3 21,0 19,0

б

а

б

а

Угол отклонения ДН от оси Z

в пл. YOZ, град. 0 ±8 ±14 ±23 ±30 ±36

Полные потери в антенне, дБ 1,2 1,5 1,2 1,4 2,2 2,4

УБЛ ДН в пл. YOZ, дБ -24,5 -20,8 -22,4 -20,3 -15,0 -10,2

УБЛ ДН в пл. XOZ, дБ -18,8

Сравнительный анализ представленных в табл. 2 и 3 характеристик показывает, что в секторе сканирования до ±29° ППАР с ДОС на основе несущей диэлектрической пластины с линзой, как и ожидалось, отличается от модифицированной ППАР с новой излучающей системой пониженным УБЛ ДН в Н-плоскости (плоскости сканирования YOZ), при этом остальные характеристики обеих антенн близки.

Приведенные выше результаты разработки и имитационного моделирования новых ППАР СВЧ дают основания полагать, что предложенные в работе новые варианты сканирующих ППАР с линзовой ДОС имеют приемлемые характеристики в плане их использования в аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белозерцев Ю. В., Галуза М. А., Климов А. И. Полосковые антенные решетки с многолучевыми диаграммообразующими системами на основе плоских линз из однородного диэлектрика // Вестник Воронежского института МВД России. — 2021. — № 2.

— С. 169—179.

2. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток : учеб. пособие для вузов / Д. И. Воскресенский [и др.] ; под ред. Д. И. Воскресенского. — М. : Радиотехника, 2012. — 744 с.

3. Галуза М. А., Климов А. И., Кузнецов А. В. Методика проектирования полос-ковой антенны вытекающей волны с низким уровнем бокового излучения // Общественная безопасность, законность и правопорядок в III тысячелетии. — Воронеж, 2019. — № 5-2. — С. 115—119.

REFERENCES

1. Belozercev YU. V., Galuza M. A., Klimov A. I. Poloskovye antennye reshetki s mnogoluchevymi diagrammoobrazuyushchimi sistemami na osnove ploskih linz iz odnorodnogo dielektrika // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2021. — № 2. — S. 169—179.

2. Ustrojstva SVCH i antenny. Proektirovanie fazirovannyh antennyh reshetok : ucheb. posobie dlya vuzov / D. I. Voskresenskij [i dr.] ; pod red. D. I. Voskresenskogo. — M. : Radio-tekhnika, 2012. — 744 s.

3. Galuza M. A., Klimov A. I., Kuznecov A. V. Metodika proektirovaniya poloskovoj antenny vytekayushchej volny s nizkim urovnem bokovogo izlucheniya // Obshchestvennaya bezopasnost', zakonnost' i pravoporyadok v III tysyacheletii. — Voronezh, 2019. — № 5-2.

— S. 115—119.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Белозерцев Юрий Васильевич. Заместитель генерального директора по научной работе.

АО ВНИИ «Вега», г. Воронеж.

E-mail: vega_sdr@mail.ru

Россия, 394026, Воронеж, Московский проспект, 7б. Тел. (473) 262-27-03.

Галуза Максим Андреевич. Научный сотрудник. Воронежский институт МВД России. E-mail: q0mezon@gmail.com

Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-51-28.

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

Воронежский институт МВД России. E-mail: alexserkos@inbox.ru

Россия, 394065, Воронеж, Проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-65.

Belozertsev Yuriy Vasil'yevich. Deputy Director for Research. JSC Research Institute "Vega", Voronezh. E-mail: vega_sdr@mail.ru

Work address: Russia, 394026, Voronezh, Moskovsky Prospect, 7b. Tel. (473) 262-27-03.

Galuza Maksim Andreevich. Researcher.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

E-mail: q0mezon@gmail.com

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-51-28.

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. (473) 200-52-65.

Ключевые слова: антенная решетка; диаграммообразующая система; сканирование; диаграмма направленности; линза Ротмана; апланатическая линза.

Key words: antenna array; beamforming system; scanning; radiation pattern; Rotman lens; aplanatic lens.

УДК 621.396.67