Разработка антенной решетки в терагерцовом диапазоне

УДК 621.3.091.22

DOI 10.21685/2072-3059-2018-1-9

М. С. Мякишева, К. И. Кисиленко, Е. П. Тимофеев

РАЗРАБОТКА АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ1

Аннотация.

Актуальность и цели. Перспективным направлением для обеспечения высокоскоростных систем передач информации являются разработки приборов и устройств в терагерцовом диапазоне частот. Целью представленной работы является проектирование антенны в диапазоне 105-115 ГГц, имеющей высокий коэффициент усиления при малом значении ширины диаграммы направленности главного лепестка. Антенное устройство обеспечивает узконаправленное излучение для создания высокоэффективных систем связи. При этом минимизация массогабаритных параметров устройства рассматривается одним из важнейших критериев, предъявляемых к современным устройствам. В работе представлен вариант упрощения конструкции питающего слоя существующего прототипа антенны.

Материалы и методы. После обоснованного выбора топологии устройства моделирование, оптимизация и расчет основных характеристик устройства производились в САПР CST Microwave Studio. Электродинамический анализ структуры основан на использовании метода конечных элементов. Оптимизация, заключающаяся в более точной подстройке геометрических параметров устройства для достижения требуемых характеристик, основана на локальном методе Classic Powell (классический метод Пауэлла).

Результаты. Разработаны компьютерные модели щелевых антенных решеток. Предложен компактный вариант исполнения устройства с планарным исполнением питающего слоя. Первичный анализ и оптимизация проводились для решеток размерностями 16*16 и 32*32. При реализации антенных решеток с большим количеством излучающих щелей предложена их модернизация с введением дополнительного питающего слоя. Сопоставлены основные характеристики анализируемых устройств и устройств прототипов. Исследовано влияние на характеристики антенной решетки ее конструктивных элементов, в частности, введенных согласующих выступов в питающем слое.

Выводы. Показано, что введение согласующих выступов в питающем слое не только не улучшает основные характеристики устройства, но и увеличивает нежелательные отражения для топологии щелевой антенной решетки на высоких частотах. При увеличении размерности антенной решетки отрицательное влияние выступов на коэффициент отражения усиливается. Отказ от данных выступов позволил существенно упростить топологию питающего слоя конструкции и, как следствие, изготовление устройства в целом.

Ключевые слова: антенная решетка, щелевая антенна, терагерцовый диапазон, САПР CST Microwave Studio, диаграмма направленности, волноводная система питания.

M. S. Myakisheva, K. I. Kisilenko, E. P. Timofeev

DEVELOPMENT OF ANTENNA ARRAY IN THE TERAHERTZ RANGE

1 Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта РНФ №17-19-01628.

Abstract.

Background. A promising direction to enable high-speed transmission of information is the development of instruments and devices in the terahertz range. The aim of the present work is to design the antenna in the range of 105-115 GHz with the achievement of high values of amplification coefficient at low values of beam width main lobe. The system should provide a narrow radiation to provide efficient communication systems. Small dimensions the device is another important criterion advanced by modern devices. The simplification of the feed layer of the antenna is presented.

Materials and methods. After a reasonable choice of topology, device, modeling, optimization and calculation of the main characteristics of the device produced in CAD CST Microwave Studio. Electrodynamic analysis of the structure based on the use of the finite element method. Optimization consisting in a more accurate adjustment of the geometric parameters of the device to achieve the desired characteristics based on the local method Classic Powell.

Results. Computer model was developed of slotted antenna arrays. The compact variant of the device performance was proposed with planar feed layer. Primary analysis and optimization was performed for lattices of dimensions 16*16 and 32*32. For antenna arrays with a large number of radiating cracks a modernization with the introduction of additional power supply layer. It was mapped the main characteristics of the devices. It was research influence on device characteristics, the introduction of the projections at a distance of quarter wavelength from dividing the power supply layer.

Conclusions. The introduction of the protrusions in the supply layer at a distance of quarter wavelength from the place of division of power not only improves the basic characteristics of the device, but also increases unwanted reflections. By increasing the dimension of the antenna array, the negative impact of the projections on the reflection coefficient increases. The rejection of these tabs allows to simplify the manufacture of the device in connection with the simplification of one of the layers.

Key words: antenna array, slot antenna, terahertz range, CAD CST Microwave Studio, directional pattern, waveguide power system.

Введение

В последние десятилетия достаточно активно происходит внедрение приборов и устройств, работающих в терагерцовом диапазоне частот. Связано это с тем, что данный диапазон до последнего времени оставался наименее освоенным, это обусловило быстрое развитие терагерцовой техники. Тера-герцовый диапазон частот электромагнитного спектра лежит между областью миллиметровых длин волн и инфракрасным диапазоном и обладает рядом особенностей, которые определяют область применения устройств и приборов.

Актуальным вопросом является разработка антенной техники в терагерцовом диапазоне [1]. Построение беспроводных систем в этом диапазоне частот позволяет существенно увеличить пропускную способность сети, а также уменьшить массогабаритные параметры приемопередающих устройств. В данной работе представлена конструкция щелевой антенной решетки, питание к излучающим щелям которой подводится системой полых волноводов. Это обеспечило более высокий коэффициент усиления антенны из-за отсутствия потерь в диэлектрике, в отличие от микрополосковой схемы питания, используемой в прототипах [2]. При разработке антенной решетки

учитывался важнейший критерий достижения высоконаправленной диаграммы направленности, обеспечивающей увеличение дальности передачи и создания высокоточных радиолокационных систем (РЛС). Рассмотрен пример исполнения такого устройства в диапазоне частот 105-115 ГГц и проведен анализ его основных характеристик. С целью упрощения конструкции проведена оптимизация структуры антенной решетки, учтенная при изготовлении ее макета. В связи с малыми размерами макета, как и следовало ожидать, на высоких частотах значительно повышаются требования к точности изготовления.

1. Особенности структуры антенной решетки

Щелевая антенна - антенна, выполненная в виде металлической пластины (экрана), в проводящей поверхности которой прорезаны отверстия (щели), служащие для излучения (или приема) электромагнитных волн. Известно, что щелевые антенны отличаются сравнительной простотой конструкции, а отсутствие выступающих элементов в ряде случаев является их важным преимуществом, в частности, при установке на летательных аппаратах [1].

Элементарная 2*2 ячейка антенной решетки, состоящая из совокупности металлических пластин, показана на рис. 1,а. На рис. 1,б показано послойное представление топологии антенной решетки размерностью Ы*Ы.

а)

излучающие щели полость —

соединяющие щели

питающий слой

2x2 ячейка

б)

Рис. 1. Внешний вид: ячейки размерностью 2*2

Следует отметить, что подведение энергии к излучающим щелям является одной из самых сложных задач проектирования антенной решетки. В нижнем слое располагается запитывающий прямоугольный волновод. Выше располагается питающий слой, представляющий собой разветвленную сеть прямоугольных полостей, они подводят энергию к слою, в котором располагаются соединяющие щели. Преимущество выбранной конструкции заключается в том, что она выполнена без использования диэлектриков, что

позволяет значительно снизить уровень потерь [2]. Посредством одной соединяющей щели происходит распределение питания на четыре излучающие щели антенны. Для согласования слоев со щелями между ними располагается слой с полостями. Следует отметить, что подведение энергии непосредственно на излучающие щели значительно усложняет конструкцию питающего слоя и фактически приводит к невозможности практической реализации подобной схемы питания антенной решетки.

Для изготовления антенной решетки используют набор тонких пластин разной толщины:

- 0,22 мм - для слоев антенны с излучающими и соединяющими щелями;

- 0,65 мм - для слоя с полостями;

- 0,65 мм - для питающего слоя.

Волноводные полости в четвертом слое дополнительно оснащены выступами в местах, где необходимо распределить поступающую мощность в нескольких направлениях. В месте стыка входной порт сужается и напротив него располагается небольшой выступ, что позволяет улучшить согласование [3]. На рис. 2 показано Н-образное разветвление [3], которое распределяет поступающую на вход мощность на четыре выходных порта.

Port 4 Port 2

Port 5 Port 1 Port 3

Рис. 2. Внешний вид Н-разветвления в четвертом слое

Конструкция антенны обладает малыми размерами, имеет простую форму без выступающих элементов, что позволяет располагать такую антенну на корпусах устройств и движущихся объектов. Конструкция антенны состоит из прямоугольных волноводов в одних слоях и щелей в других. Для производства щелевой антенной решетки необходимо изготовить несколько металлических пластин с прорезями определенного вида. Эти пластины требуют высокой точности травления, особенно для высокочастотных систем. Чтобы соответствовать этим требованиям, как правило, применяют Deep reactive-ion etching (DRIE) (реактивное ионное травление (РИТ)) [4]. Этот процесс изготовления основан на методе сухого травления, обеспечивающем высокую точность травления. Для изготовления антенны используют несколько тонких ламинированных металлических пластин. Кремниевые пластины, вытравленные по технологии DRIE, покрывают металлом с высокой проводимостью и соединяют вместе диффузионным процессом при высокой температуре и высоком давлении.

2. Особенности структуры антенной решетки большой размерности

Очевидно, что улучшить характеристики щелевой антенной решетки можно за счет увеличения числа ячеек, например до 16^16 или 32x32. При этом необходимо помнить, что неизбежно увеличится и сложность конструкции, возрастут технические и технологические трудности изготовления антенны. В частности, возникает необходимость введения дополнительного питающего слоя для соединения совокупности ячеек 8x8. В противном случае волноводные полости располагаются слишком близко друг к другу, что делает конструкцию более сложной, а порой и непригодной в производстве [5, 6]. Как видно из рис. 3, схема питающего слоя становится весьма сложной. В топологии устройства появляются критичные участки (А, В). Расстояние между волноводными полостями очень мало, что зачастую приводит к дефектам металла в этих местах, сложности производства и, как следствие, к нежелательным эффектам, влияющим на характеристики устройства.

А

А 2x2 элемент

Рис. 3. Схема питающего слоя в многоэлементных антенных решетках

Возникшие технические и технологические трудности изготовления антенной решетки приводят к необходимости введения дополнительного питающего слоя. В верхнем питающем слое располагается волновод, питающий совокупности ячеек 8x8. Уровнем ниже волновод распределяет всю поступающую в антенну энергию на ячейки 8x8 (рис. 4). Для соединения двух питающих слоев между ними вводится еще одна пластина толщиной 0,22 мм. В этом случае модели антенн размерностью 16x16 и 32x32 будут состоять из семи слоев.

Для антенных решеток, разрабатываемых в терагерцовом диапазоне, важной задачей является обеспечение наиболее простой конструкции питающего слоя при сохранении низкого уровня коэффициента отражения. В ряде работ [3, 5] утверждается, что согласование разветвителя мощности питающего слоя может быть улучшено за счет введения специальных выступов в волноводах (рис. 2) или сужения волноводов на расстоянии четверти длины волны от разветвления (рис. 5) в питающем слое.

2x2 элемент 8x8 элемент .........„Kri

W W »л W W WjiliJtis

ifw m*i ifPiffl

m m MJn m W W W

^йПча^иПч

IRJP mjp WJ|I WAi

W W W-W W W Wfli

^тч^тч

Рис. 4. Схема двух питающих слоев в многоэлементных антенных решетках

Рис. 5. Сужения волноводов в питающем слое

В данной работе исследовался вопрос о целесообразности данного усложнения в модели антенной решетки, разработанной для терагерцового диапазона частот.

3. Основные параметры моделей размерностью 16x16, 32x32 с выступами

Анализ структуры щелевой антенной решетки проводился в САПР CST Microwave Studio. Электродинамический анализ структуры основан на использовании метода конечных элементов. Оптимизация, заключающаяся в более точной подстройке геометрических параметров устройства для достижения требуемых характеристик, основана на локальном методе Classic Powell (классический метод Пауэлла).

Рассмотрим основные параметры устройства щелевой антенной решетки в случае, если вводить согласующие выступы на расстоянии четверти длины волны, как рекомендовано в [3]. При построении антенной решетки размерностью 16*16 габаритные размеры устройства составляли: 36,4 х 36,45 х 3,42 мм. На рис. 6, 7 представлены основные характеристики исследуемой антенной

решетки. Из графика (рис. 6) видно, что коэффициент отражения достигает минимального значения -14,5 дБ на частоте 112,7 ГГц. Диаграмма направленности представлена на частоте 112,7 ГГц (рис. 7). Ширина диаграммы направленности основного лепестка 3,6°. Уровень боковых лепестков на 12,7 дБ меньше уровня основного лепестка. Коэффициент усиления антенны составляет 33,3 дБ.

Рис. 6. Коэффициент отражения для антенной решетки размерностью 16x16 с введением согласующих выступов

Рис. 7. Диаграмма направленности в полярных координатах для антенной решетки размерностью 16x16 с введением согласующих выступов

При увеличении размерности антенной решетки до 32x32 габаритные размеры устройства составляют 72,9 x 72,9 x 3,42 мм. На рис. 8, 9 приведены основные характеристики антенной решетки. Коэффициент отражения имеет два минимума: -18,5 дБ на частоте 106,7 ГГц и -27дБ на частоте 111,6 ГГц. На частоте 111,6 ГГц рассчитана диаграмма направленности антенны. Ширина диаграммы направленности основного лепестка - 1,7°. Уровень боковых лепестков на 13,3 дБ меньше уровня основного лепестка. Коэффициент усиления антенны достигает 39,3 дБ.

Sii, дБ

-30 J-I-I-I-I-I-I-i-i-i-

105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115

Рис. 8. Коэффициент отражения для антенной решетки размерностью 32x32 с введением согласующих выступов

Far field Drectiviy Abs (Phi=90) 0

Theta / Degree vs. dBi

Рис. 9. Диаграмма направленности в полярных координатах для антенной решетки размерностью 32*32 с введением согласующих выступов

Из сравнения полученных характеристик двух моделей антенн можно сделать вывод о том, что при увеличении количества ячеек в щелевой антенной решетке наблюдается уменьшение ширины диаграммы направленности главного лепестка при увеличении величины коэффициента усиления. При этом отмечается сужение рабочего диапазона антенны.

4. Основные параметры моделей размерностью 16x16, 32x32 без выступов

Как отмечалось выше, в терагерцовом диапазоне частот важным является вопрос упрощения конструкции питающего слоя антенной решетки за счет отказа от специальных согласующих элементов (рис. 5), используемых в конструкциях антенн-прототипов в крайне высокочастотном диапазоне [3]. Для проведения сравнительного анализа рассмотрим основные характеристики антенной решетки без использования специальных согласующих элементов в модели (выступов), представленных на рис. 5. В результате анализа модели 16^16 получены характеристики, представленные на рис. 10. Коэффициент отражения Зц имеет минимум -20,6 дБ на частоте 112,5 ГГц. Как видно из диаграммы направленности, на частоте 112,5 ГГц коэффициент усиления составляет 33,4 дБ в Е-плоскости. Ширина диаграммы направленности основного лепестка 3,6°. Уровень боковых лепестков на 12,6 дБ меньше уровня основного лепестка.

Sil. дБ

105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115

Рис. 10. Коэффициент отражения для антенной решетки размерностью 16*16 без введения согласующих выступов

В случае модели с количеством щелей 32*32 были также рассчитаны характеристики, которые представлены на рис. 11. Коэффициент отражения имеет два минимума: -20 дБ на частоте 106,7 ГГц и -38,5 дБ на частоте 111,6 ГГц. На частоте 111,6 ГГц рассчитана диаграмма направленности антенны. Уровень боковых лепестков на 13,3 дБ меньше уровня основного лепестка. Ширина диаграммы направленности основного лепестка составляет 1,7°. Коэффициент усиления достигает 39,4 дБ.

Sii, дБ

105 106 107 108 109 110 111 112 ИЗ 114 115

Рис. 11. Коэффициент отражения для антенной решетки размерностью 32*32 без введения согласующих выступов

Из сопоставления основных характеристик анализируемых моделей антенных решеток и антенн-прототипов отмечаем, что в терагерцовом диапазоне для многоэлементной антенной решетки данного типа важным является упрощение топологии слоев в связи с малыми размерами элементов конструкции. Показано, что усложнение конструкции питающего слоя согласующими элементами (выступами), используемыми в ряде антенн прототипов, нецелесообразно, поскольку приводит к ухудшению характеристик антенны. Так, в модели размерностью 16*16 (без согласующих выступов) наблюдается выигрыш величины коэффициента отражения (Sn) более чем на 6 дБ на частоте 112,5 ГГц. При увеличении количества ячеек отрицательное влияние выступов усиливается и выигрыш Зл увеличивается до величины 11,5 дБ на частоте 111,6 ГГц

Заключение

В данной работе было выбрано схемотехническое исполнение устройства, приведены результаты расчета модели щелевой антенной решетки тера-герцового диапазона, выполненной в многослойном исполнении. Для расчета и оптимизации устройства использован программный пакет CST Microwave Studio. Представлены основные характеристики моделей щелевых антенных решеток размерностями 16*16, 32*32. Наилучшие значения коэффициента усиления и ширины диаграммы направленности главного лепестка достигнуты при большем числе излучающих щелей. Показано, что введение выступов в питающем слое на расстоянии четверти длины волны от места деления мощности не только не улучшает основные характеристики устройства на высоких частотах, но и увеличивает нежелательные отражения. При увеличении размерности антенной решетки отрицательное влияние выступов на коэффициент отражения усиливается. Отказ от данных выступов позволил существенно упростить топологию питающего слоя и, как следствие, изготовление устройства в целом.

Библиографический список

1. Исаев, В. М. Современные радиоэлектронные системы терагерцового диапазона / В. М. Исаев // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2014. - Т. 4 (34). - С. 5.

2. Liu, J. Design and Fabrication of a High-Gain 60-GHz Cavity-Backed Slot Antenna Array Fed by Inverted Microstrip Gap Waveguide / J. Liu // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2017. - Т. 65, № 4. - С. 2117-2122.

3. Miura, Y. Double-layer full-corporate-feed hollow-waveguide slot array antenna in the 60-GHz band / Y. Miura // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. -2011. - Т. 59, № 8. - С. 2844-2851.

4. Tekkouk, K. Corporate-Feed Slotted Waveguide Array Antenna in the 350-GHz Band by Silicon Process / K. Tekkouk // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2017. - Т. 65, № 1. - С. 217-225.

5. Kim, D. 64*64-element and 32*32-element slot array antennas using double-layer hollowwaveguide corporate-feed in the 120 GHz band / D. Kim // IEEE Trans. Antennas Propag. - 2014. - Vol. 62, № 3. - P. 1507-1512.

6. Hirata, A. Alignment Control System Using Beam-Tilting 1-D Waveguide-Slot Array Antennas for 120-GHz-Band Corporate-Feed High-Gain 2-D Arrays / A. Hirata // IEICE Transactions on Communications. - 2017. - Т. 100, № 1. - С. 158-166.

References

1. Isaev V. M. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki [Reports of Tomsk State University of Control Systems and Radioelec-tronics]. 2014, vol. 4 (34), p. 5.

2. Liu J. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017, vol. 65, no. 4, pp. 21172122.

3. Miura Y. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011, vol. 59, no. 8, pp. 2844-2851.

4. Tekkouk K. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017, vol. 65, no. 1, pp. 217-225.

5. Kim D. IEEE Trans. Antennas Propag. 2014, vol. 62, no. 3, pp. 1507-1512.

6. Hirata A. IEICE Transactions on Communications. 2017, vol. 100, no. 1, pp. 158-166.

Мякишева Мария Сергеевна студент, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева

E-mail: m_myakisheva@inbox.ru

Кисиленко Кирилл Игоревич старший преподаватель, кафедра физики и техники оптической связи, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева

E-mail: xander89@mail.ru

Myakisheva Mariya Sergeevna Student, Nizhny Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev

Kisilenko Kirill Igorevich Senior lecturer, sub-department of physics and technology of optical communication, Nizhny Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev

Тимофеев Евгений Петрович кандидат технических наук, профессор, кафедра физики и техники оптической связи, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева

E-mail: m_myakisheva@inbox.ru

Timofeev Evgeniy Petrovich Candidate of engineering sciences, professor, sub-department of physics and technology of optical communication, Nizhny Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev

УДК 621.3.091.22 Мякишева, М. С.

Разработка антенной решетки в терагерцовом диапазоне / М. С. Мякишева, К. И. Кисиленко, Е. П. Тимофеев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2018. - № 1 (45). -С. 111-122. - БОТ 10.21685/2072-3059-2018-1-9.