ПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С МНОГОЛУЧЕВЫМИ ДИАГРАММООБРАЗУЮЩИМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ ПЛОСКИХ ЛИНЗ ИЗ ОДНОРОДНОГО ДИЭЛЕКТРИКА

Ю. В. Белозерцев М. А. Галуза А. И. Климов,

доктор технических наук, доцент

ПОЛОСКОВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С МНОГОЛУЧЕВЫМИ ДИАГРАММООБРАЗУЮЩИМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ ПЛОСКИХ ЛИНЗ ИЗ ОДНОРОДНОГО ДИЭЛЕКТРИКА

STRIP ANTENNA ARRAYS WITH MULTI-BEAM BEAMFORMING SYSTEMS BASED ON FLAT LENSES MADE OF HOMOGENEOUS

DIELECTRIC

Представлены результаты имитационного компьютерного моделирования и анализа характеристик двух образцов плоских полосковых антенных решеток с коэффициентом усиления 20—24,5 дБ и однокоординатным сканированием диаграммы направленности в полосе частот 24—24,5 ГГц. Отличительной особенностью антенн является то, что для реализации сканирования используются многолучевые диаграммо-образующие системы с электрической коммутацией входов, построенные на основе плоско-выпуклой апланатической линзы из однородного диэлектрика с показателем преломления 1,6. Антенны отличаются от известных аналогов, например, с диаграммооб-разующими системами на основе линз Ротмана, отсутствием поглощающих нагрузок и, соответственно, существенно более высокой эффективностью излучения, а также существенно уменьшенными размерами благодаря размещению диаграммообразующих систем под полосковой решеткой. Кроме того, использование попарной коммутации смежных входов диаграммообразующей системы обеспечивает довольно низкий уровень боковых лепестков диаграммы направленности (не более -17 дБ) в секторе сканирования до ±30°. В рассмотренных примерах обеспечивается 11 дискретных положений диаграммы направленности с перекрытием на уровне не ниже -3 дБ, однако это число может быть увеличено. 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 samples of flat strip antenna arrays with a gain of20-24,5 dB and one-dimensional scanning of the radiation pattern in the frequency band 24-24,5 GHz are presented. A distinctive feature of the antennas is that for the implementation of scanning, multi-beam beamforming systems with electrical switching of input ports are used, built on the basis of a plane-convex aplanatic lens made of a homogeneous dielectric with a refractive index of 1,6. Antennas differ from known analogs, for example, with beamforming systems based on Rothman lenses, the absence of absorbing loads and, accordingly, significantly higher radiation efficiency, as well as significantly reduced dimensions due to the placement of the beamforming systems under the strip array. In addition, the use ofpairwise commutation of adjacent input ports of the beamforming system provides a rather low level of side lobes of the directional pattern (no more than -17 dB) in the scanning sector up to ± 30 In the examples considered, 11 discrete positions of the radiation pattern are provided with an overlap not less than -3 dB, but this number can be increased. Such antennas may be used in the equipment of radio communication systems, radar and radio control of the SHF and EHF ranges.

Введение. В современной аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления диапазонов СВЧ и КВЧ широко используются плоские полосковые антенные решетки (ППАР) с электрическим сканированием диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости. В частности, это фазированные антенные решетки и решетки с многолучевыми диаграммообразующими системами (ДОС), например, на основе матриц Батлера, а также линзовых систем на основе полосковых линз Ротмана [1—10], обеспечивающих дискретно-коммутационное сканирование ДН. В большинстве случаев такие ДОС и собственно элементы полосковой решетки выполняются на общей подложке, так что при большом числе входов (8 и более) площадь, занимаемая ДОС, оказывается даже больше площади самой решетки. Кроме того, наличие диссипативных элементов в названных выше ДОС обуславливает высокие (порядка нескольких дБ) вносимые тепловые потери и приводит к довольно значительному снижению коэффициента полезного действия (КПД) антенны и коэффициента усиления (КУ). Следует отметить и присущий большинству антенн с ДОС в виде матриц Батлера и линз Ротмана довольно высокий уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН в плоскости сканирования, вплоть до -10.. .-13 дБ.

Целью данной работы было исследование новых вариантов сканирующих ППАР с улучшенными характеристиками. Для достижения поставленной цели в данной работе предложено использовать ДОС на основе конструктивно простой и технологичной плосковыпуклой апланатической линзы из однородного диэлектрика, рис. 1 [10], помещенной в плоскопараллельный волновод, в котором возбуждается электромагнитная волна типа Т.

Основная часть. Известно, что апланатические линзы позволяют осуществлять широкоугольное сканирование без существенного искажения формы ДН путем большого смещения облучателя из фокуса. Линзы из однородного диэлектрика с показателем преломления п могут иметь две преломляющие поверхности, что позволяет выполнить как условие фокусировки, так и условие сканирования без искажения формы ДН — условие синусов. Таким образом, апланатическая линза в принципе должна быть двухпре-ломляющей.

Общее уравнение, определяющее профиль апланатической осесимметричной линзы (рис. 1), имеет следующий вид [10]: 1 dp sin0

--- =-Г .

pdy cosd —

У

Рис. 1. Плосковыпуклая апланатическая линза

В [10] показано, что при п=1,6 профиль теневой поверхности практически не отличается от дуги окружности. Это позволяет определить профиль линзы по заданному диаметру Д ро и п. Двумя точками окружности являются крайние точки профиля, отстоящие от оси на Б/2, а третья лежит на оси линзы и удалена от фокуса на расстояние р о + Толщина линзы рассчитывается по формуле

В данной работе предложено два варианта построения ППАР с ДОС на основе апланатической линзы: с полосковыми решетками с последовательным возбуждением (рис. 2) и с параллельно-последовательным возбуждением (рис. 3).

На рис. 2 обозначено: 1 и 2 — металлические пластины, образующие плоско-параллельный волновод, между которыми находится плоская апланатическая линза 3, 4 — щели в пластине 1, образующие входы (порты) ППАР, 5, 7—9 — металлические отражающие стенки, 6 — щели в пластине 2, обеспечивающие возбуждение линейных полос-ковых решеток 10 из прямоугольных излучателей (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. Таким образом, конструкция получается довольно компактной, поскольку линзовая ДОС незначительно выступает за правую кромку подложки. В отличие от ДОС на основе линзы Ротмана в данной ДОС не используются поглощающие нагрузки, что позволяет минимизировать тепловые потери и повысить КПД и КУ ППАР в целом. Дискретное сканирование ДН обеспечивается путем электрической коммутации входов 1—12, при которой благодаря линзе вдоль линейки щелей связи 6 в направлении оси ОУ, как и в антенне с линзой Ротмана, формируется серия фазовых распределений, изменяющихся по близкому к линейному закону.

где / — фокусное расстояние:

/ = Ро + £ = Ро 5ес (ро-

й К ГО

Рис. 2. ППАР из полосковых решеток с последовательным возбуждением

Ниже, на рис. 3, представлен вариант ППАР на основе такой ДОС, как и в антенне на рис. 2, но с параллельно-последовательным возбуждением линейных полосковых решеток, за счет чего в полосе рабочих частот угловое направление максимума главного лепестка ДН всегда находится в плоскости сканирования YOZ.

В варианте, показанном на рис. 3, полосковые линии решеток 10 короткоза-мкнуты на металлическую пластину 2 с помощью столбиков сквозной металлизации 10.

Для построения ДОС в обоих вариантах использованы апланатические линзы: с размером раскрыва Б=100 мм, рис. 2, и 110 мм, рис. 3, высота линз и расстояние между пластинами 1 и 2 выбраны равными 2 мм. В качестве материала выбран полистирол с относительной диэлектрической проницаемостью 2,56. Расчетные значения толщины линз составили 32 и 34 мм.

г

Л НЦтт)

Рис. 3. ППАР из полосковых решеток с параллельно-последовательным

возбуждением

ППАР были рассчитаны для работы в полосе частот 24—24,5 ГГц, в которой работают, например, охранные устройства, радарные комплексы контроля дорожного движения и устройства автоматики. Линейные полосковые антенные решетки выполнены на подложке с относительной диэлектрической проницаемостью 3,38 и толщиной 0,5 мм, полосковые линии имеют ширину 0,3 мм, размеры патчей 3,1 х2,4 мм2, шаг решеток в направлении осей ОХ и OY выбран равным 7 мм. Здесь стоит отметить, что параметры полосковых решеток в целях экономии времени на исследование возможностей сканирования ДН с предложенной ДОС не оптимизировались для получения низкого УБЛ ДН в плоскости XOZ, а были рассчитаны так, чтобы в полосе рабочих частот решетки работали в режиме нормального излучения с входным коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВ) не более 2. Количество входов в обоих вариантах ППАР для примера выбрано равным 12 и при расстоянии между крайними полосковыми решетками 10, равном 98 мм и соответствующей ширине ДН в плоскости YOZ около 7° направления главных лепестков ДН обеих ППАР в этой

плоскости сканируют с угловым шагом 6° и 7°, что обеспечивает получение 11 дискретных направлений с перекрытием главных лепестков по уровню не менее -3 дБ. Входные щели 4 шириной 8 и 7 мм расположены по дуге окружности радиусом 84 мм относительно точки вершины линзы с угловым шагом 6°. Отражающие стенки 5 и 7 расположены на расстоянии порядка половины длины волны на частоте 24 ГГц (6 мм) от центров щелей 4 и 6 (рис. 2 и 3), между стенками 8, 9 и пластиной 2 оставлен зазор шириной 2 мм.

Ниже приведена часть результатов имитационного моделирования обоих вариантов ППАР с помощью программы А^УБ НРББ. В процессе моделирования было обнаружено, что для получения УБЛ ДН в плоскости сканирования У02 (плоскости Н), не превышающего -17 дБ в угловом секторе ±21° и -13 дБ в секторе ±35° ППАР на рис. 2 и в угловом секторе ±31° ППАР на рис. 3, целесообразно использовать коммутацию не одиночных входов 1—12, а пар соседних входов. При этом достигается более эффективное облучение плоской стороны линзы в смысле формирования спадающего к краям амплитудного распределения поля, что как раз и обеспечивает снижение УБЛ ДН.

Так, на рис. 4 и 5 приведены примеры ДН ППАР на частоте 24,125 ГГц на основе решеток с последовательным возбуждением, рис. 2, в начальном положении (возбуждена пара входов 1 и 2) и при отклонении направления излучения на -35° (возбуждена пара входов 10 и 12). На рис. 6 и 7 приведены ДН ППАР на основе решеток с параллельно-последовательным возбуждением, рис. 3, в начальном положении (возбуждена пара входов 1 и 2) и при отклонении направления излучения на -31° (возбуждена пара входов 10 и 12). На рис. 4—7 обозначено: Б1ЛЫа1 — коэффициент направленного действия (КНД), Кеа^еёОатТЫа! — коэффициент усиления с учетом тепловых потерь в антенне и ее рассогласования по входам. Активный КСВ по возбужденным входам в обоих вариантах антенн не превышал 2. Показательной является, в частности, ДН на рис. 6, из которой видно, что КНД и полный КУ антенны отличаются всего на 0,5 дБ. Это значение обусловлено фактически незначительным отражением от входов антенны (максимальный КСВ составил 1,5), а не тепловыми потерями.

,60

90

— dB(DirTotal)_1 Setup 1 : Sweep 1 Freq-24.125GHz' Phi='90deg'

— dB(RealizedGainTotal) Setup 1 : Sweep 1 Freq-24.125GHz' Phi='90deg' ' 150

Рис. 4. ДН ПППАР с последовательным возбуждением полосковых решеток

при активной паре входов 1 и 2

HFSSDesignl

Name Thêta An g Mag

ml -35.0000 -35.0000 20.9482

m2 13.0000 13.0000 5.1042

— dB(DirTotal)_1 Setupi : Sweep 1

Freq-24.125GHz1 Phi=90deg'

— dB(RealizedGainTotal) Setup 1 : Sweep 1

F reg-24.125GHz' Phi='90deg'

-150

-1 BO

Рис. 5. ДН ПППАР с последовательным возбуждением полосковых решеток

при активной паре входов 10 и 12

HFSSDesignl

ANSYS

Name Thêta An g Mag

ml 0.0000 0.0000 24.0493

m2 -30.0000 -30.0000 1.6952

-150

— dB(DirTotal) Setupi : Sweepl Freq-24.125GHz1 Phi='90deg'

— d В (Rea lized Ga i nTota I) Setupi : Sweepl Freq='24.125GHz' Phi='90deg'

150

-180

Рис. 6. ДН ПППАР с параллельно-последовательным возбуждением полосковых решеток при активной паре входов 1 и 2

Рис. 7. ДН ПППАР с параллельно-последовательным возбуждением полосковых решеток при активной паре входов 10 и 12

Для более полной иллюстрации возможностей обеих ППАР в плане сканирования ДН их характеристики приведены в табл. 1 (для ППАР с последовательным возбуждением) и табл. 2 (для ППАР с параллельно-последовательным возбуждением).

Таблица 1

Характеристики сканирования ППАР с последовательным возбуждением

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

КНД, дБ 24,7 24,5 24,3 22,9 22,7 20,9

Полный КУ, дБ 23,3 23,5 23,0 20,9 20,8 18,9

УБЛ ДН, дБ -22,1 -19,1 -16,0 -17,5 -13,0 -15,1

Макс. активный КСВ 2 1,5 1,8 2 1,8 2

Таблица 2

Характеристики сканирования ППАР с параллельно-последовательным

возбуждением

Угол отклонения ДН

от оси Ъ У0Ъ, град. 0 ±6 ±12 ±18 ±25 ±31

КНД, дБ 24,0 24,2 24,1 23,9 23,7 21,9

Полный КУ, дБ 23,5 23,6 23,1 22,6 22,3 20,7

УБЛ ДН, дБ -22,3 -22,9 -19,1 -17,7 -17,3 -19,2

Макс. активный КСВ 1,5 1,4 1,9 1,8 1,8 1,8

Сравнительный анализ характеристик, представленных в табл. 1 и 2, показывает, что лучший УБЛ ДН (не превышающий -17 дБ) при сканировании в угловом секторе ±31° обеспечивает ППАР с параллельно-последовательным возбуждением полосковых решеток. Однако есть основания полагать, что при оптимизации параметров ДОС ППАР с последовательным возбуждением полосковых решеток ее характеристики окажутся не хуже, поскольку принципиально ДОС по конструкции остается такой же.

Заключение. В рамках данной работы не рассмотрен вопрос о возможной технологии изготовления предложенных антенн. Тем не менее, представляется, что они могут быть изготовлены в виде трехслойной полосковой конструкции, в которой средняя часть с линзой может быть вырезана из листа фольгированного СВЧ диэлектрика с последующим склеиванием с двумя подложками с элементами полосковых решеток и полосковых электронных коммутаторов, в частности, лучевого типа, а также использованием операций сверления, сквозной металлизации отверстий и торцов подложек.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что предложенные в работе варианты сканирующих ППАР с ДОС на основе апланатических линз из однородного диэлектрика с учетом их массогабаритных и электрических характеристик представляются перспективными для построения сканирующих антенн диапазонов СВЧ и КВЧ, предназначенных для использования в аппаратуре систем радиосвязи, радиолокации и радиоуправления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи / А. В. Шишлов [и др.] // Журнал радиоэлектроники. — 2018. — № 7. — С. 40.

2. Design and characterization of a compact single-layer multibeam array antenna using an 8^8 Butler matrix for 5G base station applications / I. I. Idrus [et al.] // Turk J Elec Eng & Comp Sci. — 2020. — V. 28. — P. 1121—1134.

3. Yu Jian Cheng, Wei Hong, Ke Wu. Design of a multimode beamforming network based on the scattering matrix analysis // Science in China Series F-Information Sciences. — 2009. — V. 52. — No. 7. — P. 1258—1265.

4. Yongjian Zhang, Yue Li. A Dimension-Reduction Multibeam Antenna Scheme With Dual Integrated Butler Matrix Networks for Low-Complex Massive MIMO Systems // IEEE antennas and wireless propagation letters. — 2020. — V. 19. — No. 11. — P. 1938—1942.

5. Lens-Based Beamformer for Low-Complexity Millimeter-Wave Cellular Systems / M. A. B. Abbasi [et al.] // The 8th ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications. — China, Beijing. — 2018. — P. 4.

6. Waveguide-Fed Lens Based Beam-Steering Antenna For 5G Wireless Communications / Saeideh Shad [et al.] // 2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting. — 7—12 July 2019. — 19114454 DOI: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2019.8889031.

7. 16-Element 77-81-GHz Phased Array for Automotive Radars with ±50o Beam-Scanning Capabilities / Bon-Hyun Ku [et al.] [Электронный ресурс]. — URL: https://ieeex-plore.ieee.org/document/6697506.

8. Integrated Lens Antenna for Wide Angle Beam Scanning at 79 GHz for Automotive Short Range Radar Applications / Muhammad Kamran Saleem [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and PropagationPP(99):1-1 D0I:10.1109/TAP.2017.2669726. — February 2017.

9. Nordin K., Shamekhi S. 24 GHz Patch Antenna Array Design for RADAR: Master's Thesis // Department of Electrical and Information Technology, Faculty of Engineering, LTH, Lund University, 2016. — P. 120.

10. Жук М. С., Молочков Ю. Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. — М. : Энергия, 1973. — С. 440.

REFERENCES

1. Mnogoluchevy'e antenny' dlya sistem radiolokacii i svyazi / A. V. Shishlov [i dr.] // Zhurnal radioelektroniki. — 2018. — № 7. — S. 40.

2. Design and characterization of a compact single-layer multibeam array antenna using an 8^8 Butler matrix for 5G base station applications / I. I. Idrus [et al.] // Turk J Elec Eng & Comp Sci. — 2020. — V. 28. — P. 1121—1134.

3. Yu Jian Cheng, Wei Hong, Ke Wu. Design of a multimode beamforming network based on the scattering matrix analysis // Science in China Series F-Information Sciences. — 2009. — V. 52. — No. 7. — P. 1258—1265.

4. Yongjian Zhang, Yue Li. A Dimension-Reduction Multibeam Antenna Scheme With Dual Integrated Butler Matrix Networks for Low-Complex Massive MIMO Systems // IEEE antennas and wireless propagation letters. — 2020. — V. 19. — No. 11. — P. 1938—1942.

5. Lens-Based Beamformer for Low-Complexity Millimeter-Wave Cellular Systems / M. A. B. Abbasi [et al.] // The 8th ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications. — China, Beijing. — 2018. — P. 4.

6. Waveguide-Fed Lens Based Beam-Steering Antenna For 5G Wireless Communications / Saeideh Shad [et al.] // 2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting. — 7—12 July 2019. — 19114454 DOI: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2019.8889031.

7. 16-Element 77-81-GHz Phased Array for Automotive Radars with ±50o Beam-Scanning Capabilities / Bon-Hyun Ku [et al.] [E'lektronny'j resurs]. — URL: https://ieeex-plore.ieee.org/document/6697506.

8. Integrated Lens Antenna for Wide Angle Beam Scanning at 79 GHz for Automotive Short Range Radar Applications / Muhammad Kamran Saleem [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and PropagationPP(99):1-1 D0I:10.1109/TAP.2017.2669726. — February 2017.

9. Nordin K., Shamekhi S. 24 GHz Patch Antenna Array Design for RADAR: Master's Thesis // Department of Electrical and Information Technology, Faculty of Engineering, LTH, Lund University. — P. 120.

10. Zhuk M. S., Molochkov Yu. B. Proektirovanie linzovyx, skaniruyushhix, shiroko-diapazonny'x antenn i fiderny'x ustrojstv. — M. : E'nergiya, 1973. — S. 440.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Белозерцев Юрий Васильевич. Заместитель генерального директора по научной работе. АО ВНИИ «Вега».

Россия, 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 7б.

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

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

Belozertsev Yuriy Vasil'yevich. Deputy Director for Research. JSC Research Institute "Vega".

Work address: Russia, 394026, Voronezh, Moskovsky Prospect, 7b.

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; многолучевая диаграммообразующая система; матрица Бат-лера; линза Ротмана; линза Люнеберга; апланатическая диэлектрическая линза.

Key words: antenna array; multibeam beamforming system; Butler matrix; Rotman lens; Luneburg lens; aplanatic dielectric lens.

УДК 621.396.67