Плоские антенны вытекающей волны СВЧ и КВЧ с низким уровнем боковых лепестков диаграммы направленности

УДК 621.396.67

ПЛОСКИЕ АНТЕННЫ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ СВЧ И КВЧ С НИЗКИМ УРОВНЕМ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ

В.В. Вереитин, Д.А. Ерошенко, Н.А. Ивочкин, А.И. Климов, К.А. Разинкин

Представлены результаты синтеза и компьютерного моделирования плоских антенных решеток вытекающей волны линейной поляризации с высоким коэффициентом усиления, оптимизированных для получения низкого уровня боковых лепестков диаграммы направленности в режиме нормального излучения в полосе частот 24-24,2 ГГц и 60,261 ГГц. Антенны содержат плоский диэлектрический волновод, одномерно-периодическую дифракционную решетку и устройство возбуждения диэлектрического волновода (полосковую гребенчатую линию или щелевой делитель мощности). Для снижения уровня боковых лепестков диаграмм направленности в Е- и Н-плоскостях в антеннах использованы специальные апертурные распределения, формируемые, в частности, за счет вариации коэффициентов вытекания волн в ортогональных направлениях путем изменения конструктивных параметров структур (например, ширины металлических полосок дифракционной решетки, а также длин боковых выступов гребенчатой линии). В результате достигнуто снижение боковых лепестков до уровней -(20...28) дБ. Лучший результат получен в антенне с волновод-но-щелевым делителем мощности. Отмечается, что дальнейшее понижение уровня бокового излучения антенн может быть достигнуто за счет фазирования излучения элементов решеток путем варьирования периодов решеток

Ключевые слова: антенная решетка, вытекающие волны, апертурное распределение, диаграмма направленности, уровень боковых лепестков

Введение

В числе различных типов малогабаритных антенн с высоким коэффициентом усиления (28-30 дБ) для аппаратуры систем радиосвязи, охранных систем и радиолокационных устройств заслуживают внимания плоские антенны вытекающей волны (АВВ) [1]. Примером служат АВВ с параллельно-последовательным питанием, построенные на основе структуры в виде плоского диэлектрического волновода (ПДВ) с полосковую дифракционной решеткой (ДР), рассчитанные для излучения вдоль нормали к апертуре на минус первой пространственной гармонике (ПГ). АВВ такого типа характеризуются высоким коэффициентом полезного действия (КПД), и сравнимы по этому параметру с классическими вол-новодно-щелевыми решетками. Эффективность излучения АВВ, определяемая как произведение КПД и коэффициента использования поверхности (КИП), в диапазоне СВЧ достигает 65-75 %, благодаря чему что коэффициент усиления (КУ) оказывается лишь на десятые доли децибела ниже коэффициента направленного действия (КНД).

Однако, антенны с параллельно-последовательным (центральным) питанием, постро-

Вереитин Владимир Владимирович - ВГТУ, аспирант, e-mail: 1nza1@bk.ru

Ерошенко Денис Александрович - ВИ МВД России, преподаватель-методист, e-mail: den1is_90@mail.ru Ивочкин Никита Андреевич - ВИ МВД России, курсант, email: nikita.ivochkin@gmail.com

Климов Александр Иванович - ВИ МВД России, д-р техн. наук, доцент, e-mail: alexserkos@inbox.ru Разинкин Константин Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор , e-mail: mnac@comch.ru

енные на основе квазирегулярных периодических структур, обладают диаграммами направленности (ДН) с довольно значительным уровнем боковых лепестков (УБЛ), составляющим в среднем -(1315) дБ [1]. Данное обстоятельство может препятствовать широкому применению таких АВВ в приемопередатчиках систем радиосвязи, радиолокационных устройств и охранных систем в условиях высоких требований к помехозащищенности, диктующих необходимость снижения УБЛ до значений не более -(20-25) дБ.

Рис. 1. Общий вид антенны с ГПЛ Методика синтеза антенн

Рассмотрим АВВ с центральным питанием [2], эскиз которой показан на рис. 1. Антенна содержит ПДВ 1 (толщина t, относительная диэлектрическая проницаемость е) на металлическом экране, две одномерно-периодических подрешет-ки 2 из параллельных металлических полосок

(ширина полоски W, шаг (период) расположения йх) и устройство 3 на основе гребенчатой полосковой линии (ГПЛ, ширина боковых выступов м, шаг (период) расположения йу, длина I, ширина полоски Л), предназначенное для возбуждения поверхностных волн в ПДВ. Размеры излучающей апертуры антенны ГххГу. Питание антенны производится с помощью прямоугольного металлического волновода через щель связи 4 в центре экрана ПДВ. Направление максимального излучения антенны показано стрелкой 5. Для излучения вдоль нормали к апертуре на требуемой рабочей частоте шаг расположения полосок обеих дифракционных подрешеток йх выбирается равным одной длине поверхностной волны, распространяющейся вдоль ПДВ в направлениях ±ОХ, а шаг боковых выступов ГПЛ йх — равным одной длине волны, распространяющейся вдоль ГПЛ. АВВ такого типа на основе квазирегулярной структуры с постоянными конструктивными параметрами ГПЛ и полосковых решеток, рассчитанные для режима нормального излучения, например, в полосе частот 2424,2 ГГц при размерах раскрыва ГххГу=116х111 мм2, обладают коэффициентом усиления 28,5 дБ и ДН в Е- и Н-плоскостях с УБЛ в среднем около -15 дБ.

Хорошо известен способ снижения УБЛ ДН антенн, предполагающий формирование амплитудного распределения тока (поля) в раскрыве, спадающего по определенному закону в поперечных относительно центра раскрыва к его краям [3, 4]. Одним из таких распределений, обеспечивающих, например, УБЛ ДН не выше -20 дБ при синфазном возбуждении раскрыва (ширина ДН антенны длиной L определяется выражением в0,5~58,4°Л/Г) и высокий коэффициент использования (у=0,935), является распределение вида «косинус на пьедестале» с Д = 0,316 [4]:

А(г) = Д + (1 -Д)сов(—)'

Для синтеза АВВ с центральным питанием применена методика, обеспечивающая формирование заданного амплитудного распределения поля в рас-крыве за счет изменения коэффициента ослабления а волн, распространяющихся в ПДВ и ГПЛ в направлениях ±0Х и ±07. В [3] показано, что продольное распределение коэффициента ослабления волны питания за счет излучения из непрерывной структуры длиной L (без учета тепловых потерь) описывается выражением:

а(Х) =

А( z)Г

2 г а £ (А^) й +

р г 2

Р0 - рь

где Р0 =1 — мощность на входе; Рг — мощность в конце антенны, задаваемая с учетом требуемого КПД. В дискретной структуре вытекающей волны изменение коэффициента ослабления реализуется путем варьирования ширины полосок ДР Wn и шага

их расположения йх (пример соответствующей оптимизации конструкции аналогичной несимметричной структуры вытекающей волны на основе диэлектрического волновода и полосковой дифракционной решетки, возбуждаемой с торца волновода, детально описан в [5]) и длин боковых выступов ГПЛ 1п. В рассматриваемом случае АВВ с центральным возбуждением ПДВ необходимо учесть следующие обстоятельства:

- структура является дискретной;

- для фазирования вытекающих волн от всех элементов структуры в требуемом направлении на заданной частоте при варьировании Wn и 1п необходимо изменять и значения периодов йх и йу, что обусловлено соответствующими зависимостями коэффициентов фазы вх и ву вытекающих волн;

- вследствие дисперсионных свойств структуры точная фазировка неизбежно будет нарушаться при изменении рабочей частоты;

- полосковые подрешетки, равно как и боковые выступы ГПЛ, разнесены относительно центра раскрыва.

Применительно к плоской АВВ СВЧ для частот 24-24,2 ГГц требуемые зависимости а(х) и а(у) в направлениях ±0Х и ±0У рассчитаны по формуле (2) для Г/2хГ/2=67*56 мм2.

В процессе моделирования с помощью программы HFSS двухпортовых структур при различных значениях ширины Wn и длины 1п одинаковых излучающих элементов рассчитаны значения коэффициентов ослабления а с учетом полученных ^-параметров структур (^ - комплексного коэффициента передачи напряжения из порта 1 в порт 2). Для расчета использовано известное выражение а = -(1/Ъ)1п|я21| [5]. Далее были построены графики зависимостей а(Шп) и а(1п), по которым определены требуемые значения ширины полосок ДР Wn и длин боковых выступов ГПЛ 1п, обеспечивающие нужные значения ап. Надо отметить, что для получения распределения (1) с учетом значений ап, обеспечиваемых при физически реализуемых в конкретном примере Wn и 1п значения мощности на концах структуры Рг пришлось увеличить до 0,2. С учетом узкой полосы рабочих частот (24-24,2 ГГц) периоды решеток йх и йу оставлены неизменными. Полученные параметры Wn и 1п далее были использованы в конструкции новой антенны с пониженным УБЛ

ДН.

Результаты моделирования антенн

На рис. 2-4 приведены результаты компьютерного моделирования с помощью программы Апбой HFSS плоской антенны новой конструкции с размерами раскрыва Гх х Гу= 134*112 мм2, полученные в полосе частот 23,8-24,6 ГГц.

1

Рис. 2. Частотные характеристики КНД (D) и коэффициента усиления (GR) с учетом рассогласования по входу

ПДВ выполнен из материала Teflon с £=2,1; толщина h=2 мм; размеры щели связи в экране ПДВ для подключения к питающему волноводу - 11х5,6 мм2. На рис. 2 показаны частотные характеристики КНД D и коэффициента усиления с учетом рассогласования по входу GR, на рис. 3 - частотная характеристика КСВ.

Максимальный КНД антенны D составил 27,2 дБ, коэффициент усиления коэффициента усиления с учетом рассогласования по входу GR=26,8 дБ при эффективности излучения 0,4.

Рис. 3. Частотная характеристика КСВ

На рис. 4 а, б приведены примеры ДН антенны в виде угловых зависимостей КНД в Е- и Н-плоскостях на частоте 24,1 ГГц. Из приведенных на рис. 4 графиков следует, что УБЛ ДН новой антенны в сравнении с обычной снизился в Е-плоскости (XOZ) до -21,5 дБ, а в Н-плоскости (YOZ) -23,2 дБ. В полосе 23,8-24,4 ГГц УБЛ ДН в обеих плоскостях не превышает -20 дБ.

Описанная выше методика также опробована на примере плоской АВВ с устройством возбуждения в виде волноводно-щелевого делителя мощности (ВЩДМ) [6]. Конструкция антенны поясняется рис. 7, на котором обозначено: 1 - экранированный ПДВ; 2 - элементы полосковых ДР; 3 - центральная полоска ДР с соединяющими ее с экраном ПДВ металлическими столбиками 4, образующая переменно-фазный волноводно-щелевой делитель мощности -устройство возбуждения поверхностных волн в ПДВ;

5 - короткозамыкатели на торцах ВЩДМ; 6 - отражающие металлические бортики на торцах ПДВ; 7 - направление максимального излучения антенны - главного максимума ДН.

Рис. 4. ДН антенны на частоте 24,1 ГГц: в Е-плоскости

ВЩДМ может быть интегрирован в единую конструкцию с ПДВ с применением технологии SIW (Substrate Integrated Waveguide). На рис. 6-8 приведены результаты компьютерного моделирования с помощью программы HFSS плоской антенны новой конструкции КВЧ диапазона с размерами раскрыва Lx^Ly=59^61 мм2, полученные в полосе частот 60-61,5 ГГц.

Рис. 5. Общий вид антенны с ВЩДМ

ПДВ выполнен из материала Rogers RT/Duroid 5880 с £=2,2; толщина h=0,79 мм; размеры входной щели для подключения к питающему волноводу - 3,8*1,6 мм2.

На рис. 6 показаны частотные характеристики КНД D и коэффициента усиления с учетом рассогласования по входу GR, на рис. 7 — ча-

стотная характеристика КСВ. В данной антенне для снижения УБЛ ДН в Е-плоскости использована вариация ширины полосок подрешеток Wn, а для снижения УБЛ ДН в Н-плоскости - размещение коротко-замыкателей 5 (рис. 5) на расстоянии, равном половине длины волны в ВЩДМ на средней рабочей частоте.

HFSS Modell А

_______ \

/

/GR / —

- ч ^^—-,

V

N

Рис. 6. Частотные характеристики КНД

5.00 4.50 4.00 ^ 3.50^ ^3.00 4

2.50 ^ 2.00 ^ 1.50

Рис. 7. Частотная характеристика КСВ

На рис. 8 а, б приведены примеры ДН антенны в Е- и Н-плоскостях на частоте 61 ГГц. Из приведенных на рис. 4 графиков следует, что УБЛ ДН в Е-плоскости (Х02) составляет -28 дБ, в Н-плоскости (701) -20 дБ. В полосе 60-61 ГГц УБЛ ДН в обеих плоскостях не превышает -19 дБ.

30.00 25.00 20.00-i 15.00-i 10.00-i ^ 5.00 -i § 0.00 5 -5.00 i -10.00 4 -15.00-i -20.00-i -25.00 H -30.00-i -35.00

На частоте 60,5 ГГц значение КНД D составило 29,8 дБ, при этом КИП равен 0,531 (максимальное теоретическое значение 0,935x0,75=0,701).

Коэффициент усиления GR с учетом рассогласования по входу на частоте 60,5 ГГц равен 29,3 дБ, следовательно, эффективность антенны составляет 0,525. Ширина ДН в Е- и Н-плоскостях ~6°.

Заключение

Приведенные выше результаты синтеза плоских АВВ СВЧ и КВЧ позволяют сделать вывод, что использованная методика в плане снижения УБЛ ДН антенны дает удовлетворительный результат. Дальнейшее улучшение характеристик антенны может быть достигнуто за счет фазирования излучения в направлении нормали к рас-крыву путем варьировании шага расположения элементов полосковых подрешеток.

Таким образом, плоские антенные решетки вытекающей волны нормального излучения обладают значительным потенциалом в отношении формирования диаграмм направленности с низким уровнем боковых лепестков и могут рассматриваться как довольно перспективные в плане применения в приемопередающей аппаратуре СВЧ и КВЧ.

Литература

1. Борисов Д.Н. Плоская антенная решетка для радиоволновых охранных извещателей СВЧ диапазона / Ерошенко Д.А., Борисов Д.Н., Климов А.И., Нечаев Ю.Б. // Вестник Воронежского института МВД России, 2013. - Вып 4. - с. 253-257.

2. Пат. 2517724 C1 Российская Федерация, МПК7 H01Q13/28, H01P3/16. Плоская антенна вытекающей волны / Борисов Д.Н., Золотухин А.В., Климов А.И., Нечаев Ю.Б., Юдин В.И.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный университет. - № 2012144897/08; заявл. 22.10.2012; опубл. 27.05.04, Бюл. № 15. - 7 с.

3. Уолтер К. Антенны бегущей волны / Под ред. А.Ф. Чаплина. - М.: Энергия, 1970. - 448 с.

4. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радиотехника, 2012. - 744 с.

5. Encinar, J. A. Analysis and CAD Techniques for Periodic Leaky-Wave Printed Antennas: Numerical and Experimental Results / J. A. Encinar // Int. Journal of Microwave and Millimeter-Wave Computer-Aided Engineering, 1994. - No 1. -V. 4. - P. 88-99.

6. Модификации плоских антенных решеток вытекающей волны / Ерошенко Д.А., Борисов Д.Н., Климов А.И., Нечаев Ю.Б. / XI Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2015. - Омск, 2015. - 5 с.

Рис. 8. ДН антенны на частоте 61 ГГц: в Е-плоскости

и.ии Theta [deg]

18U.UU

Воронежский государственный технический университет Воронежский институт МВД России

PLANAR SHF AND EHF LEAKY WAVE ANTENNAS WITH LOW SIDE-LOBE LEVEL OF THE RADIATION PATTERN

V.V. Vereitin, D.A. Eroshenko, N.A. Ivochkin, A.I. Klimov, K.A. Razinkin

V.V. Vereitin, Postgraduate, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: 1nza1@bk.ru

D.A. Eroshenko, Teacher-Methodist of the Academic Council, Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia, e-mail: den1is_90@mail.ru

N.A. Ivochkin, Cadet, Voronezh Institute of the Interior of Russia, e-mail: nikita.ivochkin@gmail.com A.I. Klimov, Professor, Doctor of Technical Sciences, Voronezh Institute of the Interior of Russia, e-mail: alexserkos@inbox.ru

K.A. Razinkin, Professor, Doctor of Technical Sciences, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: mnac@comch.ru

The results of synthesis and computer simulation of a high gain linearly polarized planar leaky wave antenna arrays for broadside radiation, optimized for low (less than -20 dB) side-lobe level of the radiation pattern in the frequency bands of 2424,2 GHz and 60,2-61 GHz. Antennas contain planar dielectric waveguide, one-dimensional periodic strip grating and the excitation device for the dielectric waveguide (strip comb line or slotted power divider). To reduce the side-lobe level of the radiation patterns in E- and H-planes, special aperture distributions are used in the antennas, in particular, by varying the leakage coefficients in orthogonal directions by changing the design parameters of the structures (for example, the width of the metal strips, as well as the length of lateral stubs of the comb line). As a result, the side lobe are reduced to the levels of -(20 ... 28) dB. The best result was obtained in the antenna with a slotted waveguide power divider. It is noted that further side radiation level reduction can be achieved by phasing of radiation of grating elements by varying periods of gratings.

Key words: antenna array, leaky waves, aperture distribution, radiation pattern, side-lobe level

References

1. Borisov D.N. Ploskaya antennaya reshetka dlya radiovolnovyih ohrannyih izveschateley SVCH diapazona [Planar antenna array for SHF security sensors] / Eroshenko D.A., Borisov D.N., Klimov A.I., Nechaev Yu.B. // Vestnik Voronejskogo instituta MVD Rossii, 2013. - Vyip 4. - s. 253-257.

2. Pat. 2517724 C1 Rossiyskaya Federatsiya, MPK7 H01Q13/28, H01P3/16. Ploskaya antenna vyitekayuschey volnyi [Planar leaky wave antenna array] / Borisov D.N., Zolotuhin A.V., Klimov A.I., Nechaev Yu.B., Yudin V.I.; zayavitel i patentoobladatel Voronejskiy gosudarstven-nyiy universitet. - № 2012144897/08; zayavl. 22.10.2012; opubl. 27.05.04, Byul. № 15. - 7 s.

3. Uolter K. Antennyi beguschey volnyi [Traveling wave antennas] / Pod red. A.F. Chaplina. - M.: Energiya, 1970. - 448 s.

4. Ustroystva SVCH i antennyi. Proektirovanie fazirovannyih antennyih reshetok: Ucheb. posobie dlya vuzov [SHF devices and antennas. Design of phased antenna arrays] / Pod red. D. I. Voskresenskogo. M.: Radiotehnika, 2012. - 744 s.

5. Encinar, J. A. Analysis and CAD Techniques for Periodic Leaky-Wave Printed Antennas: Numerical and Experimental Results / J. A. Encinar // Int. Journal of Microwave and Millimeter-Wave Computer-Aided Engineering, 1994. - No 1. -V. 4. - P. 8899.

6. Modifikatsii ploskih antennyih reshetok vyitekayuschey volnyi [Modifications of planar leaky wave antenna arrays] / Eroshenko D.A., Borisov D.N., Klimov A.I., Nechaev Yu.B. / XI Mejdunarodnaya IEEE Sibirskaya konferentsiya po upravleniyu i svyazi SIBC0N-2015, Omsk: 21-23 maya 2015. - 5 s.