Экспериментальные исследования плоских антенн вытекающей волны СВЧ диапазона

Радиотехника и связь

Д.А. Ерошенко

А.И. Климов,

доктор технических наук, доцент

Ю.Б. Нечаев,

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОСКИХ АНТЕНН ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ СВЧ ДИАПАЗОНА

EXPERIMENTAL RESEARCH OF PLANAR LEAKY WAVE ANTENNAS OF SHF BAND

Представлены рассчитанные и измеренные характеристики двух новых вариантов антенны вытекающей волны СВЧ с центральным питанием, содержащей плоский диэлектрический волновод и металлическую полосковую дифракционную решетку.

The report presents the calculated and measured characteristics of two novel variants of a SHF center-fed leaky-wave antenna, comprising a planar dielectric waveguide and a metal strip diffraction grating.

В предшествующих работах [1, 2] нами приведены результаты компьютерного моделирования характеристик нескольких вариантов плоской антенны вытекающей волны с центральным питанием на основе диэлектрического волновода (ДВ) и полосковой дифракционной решетки с устройством возбуждения в виде гребенчатой полосковой линии, рассчитанных для работы на частотах СВЧ и КВЧ диапазонов вплоть до 80-82 ГГ ц. Общий вид такой антенны (далее — антенны-прототипа) показан на рис. 1, на котором обозначено: А и В — размеры раскрыва, Н — толщина ДВ; направление максимального излучения ориентировано по нормали к плоскости раскрыва. Питание антенны осуществляется с помощью прямоугольного металлического волновода стандартного сечения, соответствующего рабочей полосе частот.

30

Вестник Воронежского института МВД России №3 / 2015

Наиболее важное отличительное свойство антенны-прототипа состоит в том, что ей присущи низкие тепловые потери в диэлектриках и проводниках, не превышающие 0,1-0,25 дБ даже на частотах 80-82 ГГц благодаря использованию ДВ с относительно небольшим коэффициентом замедления поверхностных волн. Поэтому антенна обладает высокой (достигающей 60-70 %) эффективностью излучения, что выгодно отличает ее от ближайших аналогов.

Рис. 1. Общий вид плоской антенны-прототипа

Вместе с тем антенна-прототип имеет и недостатки, ограничивающие ее практическое применение. Первый недостаток состоит в том, что для питания антенны с помощью коаксиальной линии передачи необходим коаксиально-волноводный переход. Второй недостаток заключается в том, что сама гребенчатая линия создает излучение по нормали, что приводит к некоторым искажениям диаграммы направленности и снижению коэффициента направленного действия антенны в целом.

а б

Рис. 2. Фрагмент конструкции антенны с коаксиальным входом

Для непосредственного питания антенны с помощью коаксиальной линии передачи было предложено новое устройство возбуждения гребенчатой линии, показанное на рис. 2,

31

Радиотехника и связь

а. Это устройство состоит из металлического зонда 2, изолированного от гребенчатой линии 1 с помощью круглого отверстия 3 в полосковом проводнике линии 1 и двух металлических стержней 4, соединяющих металлический экран ДВ и полосковый проводник. Зонд и круглое отверстие в экране ДВ образуют короткий отрезок коаксиальной линии передачи, рассчитанной, например, на волновое сопротивление 50 Ом. Для проверки работоспособности этого варианта проведено компьютерное моделирование антенны, рассчитанной для работы на частоте 10 ГГц, и измерение характеристик ее действующего макета. На рис. 3 и 4 представлены частотные характеристики коэффициента стоячей волны напряжения (VSWR) и коэффициента усиления (G), полученные с помощью программы HFSS (показаны сплошными линиями) и измеренные в лабораторных условиях (показаны точками). Размеры излучающей апертуры А*В=260*262 мм2; ДВ изготовлен из полиэтиленового листа толщиной 5,7±0,3 мм (относительная диэлектрическая проницаемость 2,25). Измерения характеристик антенны выполнены в лабораторных условиях по стандартным методикам с использованием панорамного измерителя коэффициента стоячей волны Р2-61 и измерительной антенны П6-23 А.

HFSSModell А.

Freq [GHz]

Рис. 2. Частотные характеристики КСВ антенны с коаксиальным входом

Рис. 3. Частотные характеристики коэффициента усиления

32

Вестник Воронежского института МВД России №3 / 2015

Как и антенна-прототип с волноводным входом, новая антенна с коаксиальным входом демонстрирует довольно высокую эффективность (максимальное измеренное значение 59 % при коэффициенте усиления 27,5 дБ). Эффективность выражается в виде произведения коэффициентов полезного действия и использования поверхности и определяется как отношение измеренного значения коэффициента усиления и расчетного значения коэффициента направленного действия равномерно и синфазно возбужденного раскрыва.

Для улучшения формы диаграммы направленности и повышения эффективности излучения предложен второй вариант антенны-прототипа, предполагающий использование вместо гребенчатой полосковой линии волноводно-щелевого делителя входной мощности, построенного на основе волновода, интегрированного с ДВ. Данный вариант антенны изображен на рис. 2, б, на котором обозначено: 1 — экранированный ДВ, 2 — полосковая

дифракционная решетка, 3 — переменно-фазный щелевой делитель мощности, образованный центральной полоской решетки, соединенной с экраном ДВ парами металлических стержней 4 (в виде металлизированных отверстий в ДВ), 5 — короткозамыкающие полоски, 6 — отражающие стенки.

Результаты экспериментальных исследований данного варианта плоской антенны, рассчитанной для работы в полосе частот 10,5—11,0 ГГц, иллюстрируются рис. 5 и 6, на которых представлены частотные характеристики коэффициента стоячей волны напряжения и коэффициента усиления, также полученные с помощью программы HFSS (показаны сплошными линиями) и измеренные в лабораторных условиях (показаны точками). Размеры излучающей апертуры А*В=261*242 мм2; ДВ изготовлен из фторопластового листа толщиной 5,0±0,2 мм (относительная диэлектрическая проницаемость 2,0).

По сравнению с антенной-прототипом с волноводным входом и гребенчатой полосковой линией вариант антенны с волноводно-щелевым делителем мощности демонстрирует более высокую эффективность излучения, максимальное измеренное значение которой составило 71 % при коэффициенте усиления 28,5 дБ.

Рис. 5. Частотные характеристики КСВ антенны с волноводно-щелевым

делителем мощности

33

Радиотехника и связь

Рис. 6. Частотные характеристики коэффициента усиления антенны с волноводно-щелевым делителем мощности

Таким образом, результаты измерений подтверждают полную работоспособность и достаточно высокую эффективность новых вариантов плоской антенны вытекающей волны с центральным питанием, построенных на основе структур с периодическими решетками из металлических полосок и рассчитанных для режима нормального излучения к плоскости раскрыва на частотах СВЧ и КВЧ диапазонов.

Предложенные модификации плоской антенны-прототипа могут быть использованы, например, в приемопередающей аппаратуре систем радиосвязи, радаров систем контроля дорожного движения и охранных устройств. Есть основания полагать, что конструкции антенн могут быть оптимизированы в отношении дальнейшего улучшения формы диаграммы направленности, повышения коэффициента усиления и расширения рабочей полосы частот.

ЛИТЕРАТУРА

1. Плоская антенна вытекающей волны: пат. на изобретение № 2517724, Рос. Федерация / Ю.Б. Нечаев Ю.Б.(РФ), Д.Н. Борисов (РФ), А.И. Климов (РФ), В.И. Юдин (РФ), А.В. Золотухин (РФ); опубл. 27.05.2014.

2. Planar Leaky-Wave Antenna Arrays for Millimeter Wave Application / Ju. B. Nechaev, D.N. Borisov, A.I. Klimov / 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.

34

Вестник Воронежского института МВД России №3 / 2015

REFERENCES

1. Ploskaya antenna vyitekayuschey volnyi: pat. na izobretenie # 2517724, Ros. Federatsiya / Yu.B. Nechaev Yu.B.(RF), D.N. Borisov (RF), A.I. Klimov (RF), V.I. Yudin (RF), A.V. Zolotuhin (RF); opubl. 27.05.2014.

2. Planar Leaky-Wave Antenna Arrays for Millimeter Wave Application / Ju. B. Nechaev, D.N. Borisov, A.I. Klimov / 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.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Ерошенко Денис Александрович. Адъюнкт кафедры инфокоммуникационных систем и технологий.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: den1is_90@mail.ru

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

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. (473) 200-52-65.

Нечаев Юрий Борисович. Профессор кафедры информационных систем. Доктор технических наук, профессор.

Воронежский государственный университет.

E-mail: nechaev_ub@mail.ru

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

Eroshenko Denis Alexandrovich. Post-graduate cadet of the Chair of Infocommunication Systems and Technologies.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

E-mail: den1is_90@mail.ru

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-65

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

Nechayev Yury Borisovich. Professor of the Chair of Information Systems. Doctor of Sciences (Radio Engineering), Professor.

Voronezh State University.

E-mail: nechaev_ub@mail.ru

Work address: Russia, 394006, Voronezh, University Square, 1. Tel. (473) 220-87-24.

Ключевые слова: плоская антенна; вытекающие волны; эффективность излучения;

коэффициент усиления; диаграмма направленности

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

УДК 621.396.76

35