Аннотация
К.В. Лемберг, О.А. Назаров, В.С. Панько, Ю.П. Саломатов
В статье описана волноводно-щелевая антенная решетка размером 16 х 16 излучающих элементов, построенная на основе интегрированного в подложку волновода. Представлены результаты моделирования и измерения характеристик изготовленного макета.
Ключевые слова: интегрированный волновод, волноводно-щелевая антенная решетка, ВЩАР.
Введение
Щели в качестве излучающих элементов широко используются в микроволновой технологии. Волноводно-щелевая антенна обеспечивает сужение направленного излучения в плоскости, проходящей через ось волновода. Волноводно-щелевые антенные решетки обладают такими преимуществами, как возможность реализовать оптимальную картину излучения; простота изготовления; отсутствие выступающих частей антенны.
Основным преимуществом антенны с волноводной решеткой является малая высота, которая выделяется на фоне антенны такого типа в сравнении с квазиоптическими антенными системами, такими как линзовые антенны, рефлекторные антенны, и реактивные решётки. Недостатком антенны волноводно-щелевой решетки является узкая рабочая полоса частот [1].
За последнее десятилетие опубликовано большое количество работ, описывающих волноводно-щелевые антенны. Массивы, разработанные по технологии интегрированного волновода подложки (SIW) представляют собой интегрированные волноводные структуры, изготовленные с использованием двух рядов токопроводящих цилиндров или щелей, встроенных в диэлектрическую подложку, которые электрически соединяют две параллельные металлические пластины. Таким образом, неплоскостной прямоугольник Таким образом, неплоскостной прямоугольный волновод может быть выполнен в плоской форме [2]. Например, в статье [3] описывается слот волновода антенной решетки, состоящая из восьми линейных массивов, каждый из которых включает в себя восемь слотов. Усиление этой антенной решетки 18,95 дБ. Другой массив описан в статье [4]. Усиление этой антенной решетки составляет 14.6 дБ. В статье [5] автор описывает волноводную щелевую антенную решетку, отличительной особенностью которой является оригинальное расположение щелей. Усиление антенны этой решетки составляет 15,9 дБ.
Целью данной работы является проектирование антенны с высоким коэффициентом усиления с волноводно-слотовой решеткой. Один из способов - увеличение коэффициента усиления, которое заключается в увеличении количества излучающих щелей. В данной работе разработана волноводно-щелевая антенная решетка, состоящая из шестнадцати линейных массивов, каждая из которых включает шестнадцать щелей.
Конструкция слотовой антенной решетки SIW
Антенна линейной волноводно-щелевой решетки представляет собой отрезок короткозамкнутого SIW (встроенного в подложку волновода) с радиационными щелями, вытравленными на металлическом слое. В волноводе слоты расположены с интервалом в половину длины волны. Длина слота составляет примерно половину длины волны в свободном пространстве. Расстояние от короткозамкнутого конца до последнего слота составляет три четверти длины волны в волноводе.Смещение щели относительно центральной линии волновода может быть изменено для получения желаемых характеристик антенной решетки. Плоские щелевые массивы могут быть изготовлены путем размещения линейных массивов рядом друг с другом.
В студии CST Microwave Studio смоделирована щелевая антенная решетка с интегрированным волноводом на субстрате. Антенна изготовлена на подложке Rogers 5880 с относительной диэлектрической проницаемостью 2.2. Толщина подложки 0,254 мм. Диаметр металлических отверстий d = 1 мм, шаг s = 2d. Антенна была предложена к эксплуатации на центральной частоте 14,4 ГГц. Расстояние между щелями было установлено на 19,2 мм, затем длина щелей и смещение были оптимизированы для получения наилучшего коэффициента усиления и диаграммы направленности излучения. После оптимизации слот Длина стала равной 14.8 мм, смещение щели от центра волновода 0.37 мм. Питающая сеть представляет собой 16-ходовой микрополосковый делитель мощности. Длина антенны 230 мм, ширина 170 мм.
Фотография изготовленной на подложке интегрированной щелевой волноводной антенной решетки показана на Рис. 2. Справа от снимка виден SMA переход от коаксиального к микрополосковому, который используется для питания антенны.
Результаты эксперимента
На рис. 3 показаны измеренные S11 интегрированной подложки волноводной щелевой антенной решетки. Согласно рисунку, измеренный S11 колеблется ниже минус 10 дБ в диапазоне от 14.2 ГГц до 14.6 ГГц.
Измерение ближнеполевого распределения и извлечение картины излучения производилось в безэховой камере с помощью автоматизированной измерительной системы [6, 7].
Рисунок 1 – Cлотовая антенная решётка SIW
Рисунок 2 – Фотография подложки интегрированной волноводной щелевой антенной решетки в безэховой камере
Рисунок 3 – Измеренный параметр S11
На Рисунке 4 показано измеренное распределение амплитуды и фазы по антенной решетке. Видно, что фаза вдоль решетки не изменяется существенным образом, но амплитуда несколько уменьшается в направлении последних слотов решетки.
Имитированная и измеренная картина излучения в Н-плоскости и Е-плоскости на частоте 14,4 ГГц показана на рис. 5. Видно, что ширина луча в 3 дБ приблизительно равна 70 для моделируемой и измеряемой картины излучения в обеих плоскостях. Имитированное и измеренное усиление показано на рис. 6. Моделированное максимальное усиление на частоте 14,4 ГГц составляет 25 дБи, измеренное максимальное усиление 22 дБи.
Рисунок 4 – Приблизительное амплитудное (слева) и фазовое (справа) распределение
Рисунок 5 – Моделируемые и измеряемые Н-плоскости (слева) и Е-плоскости (справа) диаграммы излучения
Рисунок 6 – Измеренное и смоделированное усиление
Заключение
В данной статье представлены результаты разработки щелевой антенной решетки SIW. Изготовлена антенна и измерены ее характеристики. Результаты экспериментов удовлетворительно согласуются с результатами моделирования.
Работа выполнена при частичной поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (исследования в рамках основной части государственной работы и контракта № 02.G25.31.0041), Сибирского федерального университета.
Ссылки
- Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: учеб. пособие для вузов / под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981. 432 с.
- Боззи М., Георгиадис А. и Ву Кей. // Микроволны ИЭПП, антенны и размножение. 2011. Том 5, № 8. P. 909–920.
- Чи Джиа-Чи Самюэль, Фам Ан-Ву, Пидвербецкий Алекс и Каннелл Джордж. // Микроволновые и оптические технологии письма, 2013. Том 55. № 8.
- Лемберг К.В., Назаров О.А., В.С. Панько, Саломатов Ю.П. // Изв. вузов. Физика. 2013. № 8/2. Т. 56. С. 105–107
- Масатака Охира, Амане Миура и Масазуми Уеба. // IEEE Операции на антеннах и Распространение, 2010. Том 58. No. 3. P. 993–998.
- Иванов А.А., Лемберг К.В., Панько В.С. // 69-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио. 17-25 апреля 2014 г. Санкт-Петербург, 2014. С. 16–17.
- Дранишников А.С., Лемберг К.В. // Современные проблемы радиоэлектроники. Красноярск: СФУ, 2014.