radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-5-33-41radioelectronics-373Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASЭкспериментальное исследование широкополосной антенной решетки К-диапазона с использованием структур из искусственного неоднородного диэлектрикаExperimental Study of K-Band Broadband Antenna Array Using Artificial Inhomogeneous Dielectric Structureshttps://orcid.org/0000-0002-8428-5562АлександринА. М.AleksandrinAnton M.

Александрин Антон Михайлович – магистр по направлению "Радиотехника" (2009), аспирант, старший преподаватель кафедры "Радиотехника" Сибирского федерального университета. Автор 20 научных работ. Сфера научных интересов – антенны и СВЧ-устройства; широкополосные антенны и антенные решетки.

пр. Свободный, 79, г. Красноярск, 660041, Россия

Anton M. Aleksandrin, Master’s degree in Radio Engineering (2009), postgraduate, senior lecturer of Radio Engineering Department of the Siberian Federal University (SFU). The author of 20 scientific publications. Area of expertise: antennas and microwave devices; wideband antennas and antenna arrays.

79 Svobodny Str., Krasnoyarsk 660041, Russia

aalexandrin@sfu-kras.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4309-226XСаломатовЮ. П.SalomatovYury P.

Саломатов Юрий Петрович – кандидат технических наук (1982), профессор (2013) кафедры "Радиотехника" Сибирского федерального университета. Автор 240 научных работ. Сфера научных интересов – ФАР; ЦФАР; квазиоптические антенны и антенные решетки.

пр. Свободный, 79, г. Красноярск, 660041, Россия

Yury P. Salomatov, Cand. Sci. (Eng.) (1982), Professor (2013) of Department of Radio Engineering of the Siberian Federal University. The author of 240 scientific publications. Area of expertise: phased arrays; digital phased arrays; quasi-optical antennas and antenna arrays.

79 Svobodny Str., Krasnoyarsk 660041, Russia

ysalomatov@sfu-kras.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation2019041220192253341Copyright © Александрин А.М., Саломатов Ю.П., 20192019Александрин А.М., Саломатов Ю.П.Aleksandrin A.M., Salomatov Y.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/373Введение

Введение. В связи с освоением миллиметрового диапазона и развитием средств широкополосной связи имеется потребность в антенных системах, которые работали бы в широкой полосе частот (порядка октавной), имели высокую направленность и компактные размеры. Имеющиеся решения, как правило, не удовлетворяют данным требованиям.

Цель работы

Цель работы. Конструирование и экспериментальное исследование антенной решетки (АР) К-диапазона, обладающей высоким коэффициентом использования площади (КИП) и малыми продольными размерами.

Материалы и методы

Материалы и методы. Численные исследования проводились в САПР СВЧ (CST Studio Suite), экспериментальные исследования – на оборудовании для векторного анализа СВЧ-цепей (Agilent E8363B PNA). Характеристики направленности измерялись методом сканирования ближнего поля.

Результаты

Результаты. Предложен вариант реализации широкополосной АР К-диапазона (18…26 ГГц). Период АР составляет 2.25 длины волны на верхней частоте диапазона. Для подавления дифракционных лепестков использован дополнительный слой, состоящий из линз из искусственного неоднородного диэлектрика, сформированный из тонких фигурных слоев листового полиэтилентерефталата. Предложена гибридная конфигурация диаграммообразующей схемы (ДОС), в которой одна часть схемы выполнена на основе печатных двухпроводных линий передачи, а другая – на прямоугольных волноводах. АР имеет КСВ ниже 2 и КИП выше 0.5, уровень боковых и дифракционных лепестков не превышает –12 в диапазоне 18…26 ГГц. Суммарная толщина всей системы составила 50 мм, что равно 4.3λmin. Если из конструкции исключить волноводную часть, толщина может быть уменьшена до 2.5λmin что обеспечивает компактность АР при широкой полосе рабочих частот.

Заключение

Заключение. По сравнению с имеющимися решениями антенна имеет более простую ДОС, за счет чего улучшается согласование с фидером. За счет применения линз из неоднородного диэлектрика обеспечивается высокий апертурный КИП в широкой полосе частот.

Introduction

Introduction. As a result of the extensive development of broadband communication in the millimetre wave band, there has arisen a need for antenna systems with a high level of directivity and compact dimensions, capable of operating across wide frequency ranges. However, at present, few engineering solutions satisfy this demand.

Aim

Aim. To develop and study experimentally a K-band antenna array (AR) characterized by a high aperture efficiency and compact longitudinal dimensions.

Materials and methods

Materials and methods. Computer simulations were performed using the CST Studio Suite software. Measurements were carried out using an Agilent E8363B PNA vector circuit analyzer. Radiation patterns were obtained by the method of near-field scanning.

Results

Results. A K-band broadband antenna array configuration operating over the 18…26 GHz range was pro-posed. It was found that the period of the array equals 2.25 wavelengths at the highest operating frequency. In order to suppress grating lobes, an additional layer consisting of artificial inhomogeneous dielectric lenses was used. The dielectric material consisted of thin curly layers of sheet polyethylene terephthalate. Additionally, a hybrid configuration of feeding network was proposed, in which one part of the network was developed by means of printed two-wire lines, while the other part was achieved by means of rectangular waveguides. The proposed antenna array demonstrates VSWR of less than 2 and an aperture efficiency above 0.5, side and diffractive lobe levels not exceed –12 in the 18…26 GHz range. The total thickness of the configuration equals 50 mm or 4.3λmin. In order to ensure the compactness of the AR for wideband frequency applications, the thickness of the system can be reduced to 2.5λmin by excluding the waveguide part.

Conclusion

Conclusion. When compared with existing solutions, the proposed antenna has a simpler feed network, which yields better matching. High aperture efficiency is achieved in the wide frequency range by means of inhomogeneous dielectric lenses.

антенная решеткаширокополосная антеннанеоднородный диэлектриклинзовая антеннаantenna arraybroadband antennainhomogeneous dielectriclens antennaReferencesPi Z.,Khan F. An Introduction to Millimeter-Wave Mobile Broadband Systems //IEEE Communications Magazine. 2011. Vol. 49, iss. 6. P. 101–107. doi: 10.1109/MCOM.2011.5783993Pi Z., Khan F. An Introduction to Millimeter-Wave Mobile Broadband Systems. IEEE Communications Magazine. 2011, vol. 49, iss. 6, pp. 101–107. doi: 10.1109/MCOM.2011.5783993Moving Towards Mmwave-Based Beyond-4G (B-4G) Technology / M. Cudak, A. Ghosh, T. Kovarik, R. Ratasuk, T. A. Thomas, F. W. Vook, P. Moorut // 2013 IEEE 77th Vehicular Technology Conf. Dresden, Germany, 2–5 June 2013. Piscataway: IEEE, 2013. P. 1–5. doi: 10.1109/VTCSpring.2013.6692638Cudak M., Ghosh A., Kovarik T., Ratasuk R., Thomas T. A., Vook F. W., Moorut P. Moving Towards MmwaveBased Beyond-4G (B-4G) Technology. 2013 IEEE 77th Vehicular Technology Conf. Dresden, Germany, 2–5 June 2013. Piscataway, IEEE, 2013, pp. 1–5. doi: 10.1109/VTCSpring.2013.6692638A Survey on Access Technologies for Broadband Optical and Wireless Networks / R. Q. Shaddadab, A. B. Mohammada, S. A. Al-Gailaniac, A. M. Al-hetarb, M. A. Elmagzouba // J. of Network and Computer Applications. 2014. Vol. 41. P. 459–472. doi: 10.1016/j.jnca.2014.01.004Shaddadab R. Q., Mohammada A. B., Al-Gailaniac S. A., Al-hetarb A. M., Elmagzouba M. A. A Survey on Access Technologies for Broadband Optical and Wireless Networks. J. of Network and Computer Applications. 2014, vol. 41, pp. 459–472. doi: 10.1016/j.jnca.2014.01.004Distributed Earth Satellite Systems : What is Needed to Move Forward ? / D. Selva, A. Golkar, O. Korobova, I. Lluch i Cruz, P. Collopy, O. L. de Weck // J. of Aerospace Information Systems. 2017. Vol. 14, № 8. P. 412–438. doi: 10.2514/1.I010497Selva D., Golkar A., Korobova O., Lluch i Cruz I., Collopy P., de Weck O. L. Distributed Earth Satellite Systems : What is Needed to Move Forward ? J. of Aerospace Information Systems. 2017, vol. 14, no. 8, pp. 412–438. doi: 10.2514/1.I010497Alexandrin A. M. Implementation of a Radially Inhomogeneous Medium and Construction of the Aperture Antennas on its Basis // 2013 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON 2013). Krasnoyarsk, Russia, 12–13 Sept. 2013. Piscataway: IEEE, 2013. doi: 10.1109/SIBCON.2013.6693593Alexandrin A. M. Implementation of a Radially Inhomogeneous Medium and Construction of the Aperture Antennas on its Basis. 2013 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON 2013). Krasnoyarsk, Russia, 12–13 Sept. 2013. Piscataway, IEEE, 2013. doi: 10.1109/SIBCON.2013.6693593Alexandrin A. M., Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P. Numerical Optimization of the Discrete Mikaelian Lens // 2016 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON 2016). Moscow, Russia, 12–14 May 2016. Piscataway: IEEE, 2016. doi: 10.1109/SIBCON.2016.7491859Alexandrin A. M., Ryazantsev R. O., Salomatov Y. P. Numerical Optimization of the Discrete Mikaelian Lens. 2016 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON 2016). Moscow, Russia, 12–14 May 2016. Piscataway, IEEE, 2016. doi: 10.1109/SIBCON.2016.7491859Александрин А. М., Саломатов Ю. П. Широкополосная антенная решетка с использованием структур из искусственного неоднородного диэлектрика // Докл. Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2012. № 2 (26). С. 7–10.Aleksandrin A. M., Salomatov Yu. P. Wideband Antenna Array with the Use of Artificial Inhomogeneous Dielectric Structures. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki [Proc. of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics]. 2012, no. 2 (26), pp. 7–10. (In Russ.)Munk B. A. Finite Antenna Arrays and FSS. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc, 2003. 392 p.Munk B. A. Finite Antenna Arrays and FSS. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc, 2003, 392 p.Gross F. B. Frontiers in Antennas: Next Generation Design & Engineering. New York: McGraw-Hill, 2011. 526 p.Gross F. B. Frontiers in Antennas: Next Generation Design & Engineering. New York, McGraw-Hill, 2011, 526 p.Volakis J. L. Antenna Engineering Handbook. New York: McGraw-Hill, 2007. 1754 p. doi: 10.1002/9780471730071.ch1Volakis J. L. Antenna Engineering Handbook. New York, McGraw-Hill, 2007, 1754 p. doi: 10.1002/9780471730071.ch1Lee J. J., Livingston S., Nagata D. A Low Profile 10:1 (200–2000 MHz) Wide Band Long Slot Array // 2008 IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp. San Diego, CA, USA, 5–11 July 2008. Piscataway: IEEE, 2008. Vol. 1. P. 61–64. doi: 10.1109/APS.2008.4619302Lee J. J., Livingston S., Nagata D. A Low Profile 10:1 (200–2000 MHz) Wide Band Long Slot Array. 2008 IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp. San Diego, CA, USA, 5–11 July 2008. Piscataway, IEEE, 2008, vol. 1, pp. 61–64. doi: 10.1109/APS.2008.4619302Design of a Cylindrical Long-Slot Array Antenna Integrated with Hybrid EBG/Ferrite Ground Plane / H. S. Youn, Y. L. Lee, N. Celik, M. F. Iskander // IEEE Antennas Wirelless Propagation Lett. 2012. Vol. 11. P. 180–183. doi: 10.1109/LAWP.2012.2186782Youn H. S., Lee Y. L., Celik N., Iskander M. F. Design of a Cylindrical Long-Slot Array Antenna Integrated with Hybrid EBG/Ferrite Ground Plane. IEEE Antennas Wirelless Propagation Lett. 2012, vol. 11, pp. 180–183. doi: 10.1109/LAWP.2012.2186782Lenses Designed by Transformation Electromagnetics and Fabricated by 3D Dielectric Printing / J. Yi, A. de Lustrac, G.-P. Piau, S. N. Burokur // 2016 IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp. (APSURSI 2016). Fajardo, Puerto Rico, 26 June–1 July 2016. Piscataway: IEEE, 2016. P. 1385–1386. doi: 10.1109/APS.2016.7696399Yi J., de Lustrac A., Piau G.-P., Burokur S. N. Lenses Designed by Transformation Electromagnetics and Fabricated by 3D Dielectric Printing. 2016 IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp. (APSURSI 2016). Fajardo, Puerto Rico, 26 June–1 July 2016. Piscataway, IEEE, 2016, pp. 1385–1386. doi: 10.1109/APS.2016.7696399Котляр В. В., Мелехин А. С. Преобразование Абеля в задачах синтеза градиентных оптических элементов // Компьютерная оптика. 2002. № 3. С. 29–36.Kotljar V. V., Meljohin A. S. Abel Transform in Synthesis of Gradient Optical Elements. Computer Optics. 2002, no. 3, pp. 29–36. (In Russ.)Триандафилов Я. Р., Котляр В. В. Фотонно-кристаллическая линза Микаэляна // Компьютерная оптика. 2007. Т. 31, № 3. С. 27–31.Triandafilov Ya. R., Kotlyar V. V. Photonic Crystal Mikaelian Lens. Computer Optics. 2007, vol. 31, no. 3, pp. 27–31. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.