radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-5-42-51radioelectronics-374Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASМоделирование и практическая реализация широкополосной двухгребневой рупорной антенны с шириной рабочей полосы более октавы и высоким уровнем кроссполяризационной развязкиModeling and Practical Implementation of a Broadband Double-Ridged Horn Antenna with an Operating Range More Than an Octave and a High Level of Cross-Polarization Discriminationhttps://orcid.org/0000-0002-4953-3671МещеряковВ. В.MeshcheriakovViktor V.

Мещеряков Виктор Владимирович – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2013), старший инженер ООО "Апстек Лабс". Автор 18 научных работ. Сфера интересов – ВЧ-моделирование; алгоритмы радиовидения; прикладная физика; программирование ПЛИС и МК.

наб. Обводного канала, д. 199-201, корп. И, Санкт-Петербург, 190020, Россия

Viktor V. Meshcheriakov – Master Sci. (2013) on Electronics and Nanoelectronics, Senior Engineer in Apstec Labs LTD. The author of 18 scientific publications. Area of expertise: high frequency modeling; radio vision algorithms; applied physics; FPGA programming.

199–201 Nab. Obvodnogo kanala, Saint Petersburg 190020, Russia

mescheryakov.v.v@gmail.comМарковаН. В.MarkovaNatalia V.

Маркова Наталья Владимировна – инженер по специальности "Радиофизика" (1975, Томский государственный университет), инженер ООО "Апстек Лабс". Сфера интересов – практическая электродинамика для антенных систем.

наб. Обводного канала, д. 199-201, корп. И, Санкт-Петербург, 190020, Россия

Natalia V. Markova – Graduate Engineer on Radiophysics (1975, Tomsk State University), Engineer in Apstec Labs LTD. Area of expertise: practical electrodynamics for antenna systems.

199–201 Nab. Obvodnogo kanala, Saint Petersburg 190020, Russia

nmarkova@apsteclabs.comЮрмановП. Д.IurmanovPavel D.

Юрманов Павел Дмитриевич – магистр по направлению "Техническая физика" (2005), начальник производственного отдела ООО "Апстек Лабс". Автор трех научных публикаций. Сфера интересов – НЧ- и ВЧсхемотехника; моделирование; разработка печатных плат.

наб. Обводного канала, д. 199-201, корп. И, Санкт-Петербург, 190020, Россия

Pavel D. Iurmanov – Master Sci. (2005) on Technical Physics, Head of Production in Apstec Labs LTD. The author of 3 scientific publications. Area of expertise: LF and HF circuitry; modeling; development of printed circuit boards.

199–201 Nab. Obvodnogo kanala, Saint Petersburg 190020, Russia

piurmanov@apsteclabs.comООО "Апстек Лабс"РоссияApstec Labs LTDRussian Federation2019041220192254251Copyright © Мещеряков В.В., Маркова Н.В., Юрманов П.Д., 20192019Мещеряков В.В., Маркова Н.В., Юрманов П.Д.Meshcheriakov V.V., Markova N.V., Iurmanov P.D.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/374Введение

Введение. Для решения задачи радиополяриметрии в многопозиционных микроволновых досмотровых системах (ММДС) с апертурным синтезом необходимо использовать антенны с высоким уровнем кроссполяризационной развязки (КПР) в широком пространственном угле. Восстановление радиоизображений в ММДС происходит на дистанциях, соизмеримых с размерами апертуры антенных структур, поэтому значение пространственного угла, в котором необходимо выполнение требования высокой КПР, может достигать 30°. Таким образом, возникает новая задача создания антенной структуры X- и Ku-диапазонов, применение которой в ММДС позволило бы решить задачу построения радиоизображения деполяризованного микроволнового излучения, рассеянного скрытыми опасными объектами на теле человека.

Цель работы

Цель работы. Разработка приемной антенны жесткой конструкции для долговременной эксплуатации в ММДС с уровнем КПР 28 дБ при пространственном угле 30° и рабочих частотах 8… 20 ГГц.

Материалы и методы

Материалы и методы. Определены требования для приемной антенны в ММДС. Приведены теоретические обоснования для выбора конструкции антенны. В разработанной ММДС для построения микроволнового изображения используется апертурный синтез. Представлены этапы и результаты моделирования широкополосных двухгребневых антенн в программе трехмерного моделирования электромагнитного поля CST Studio. Рассмотрены результаты моделирования двухгребневых антенн: пирамидальной, конической, в круглом и эллиптическом волноводах. Произведено сравнение результатов измерения в безэховой камере для макета полученной антенны и результатов моделирования.

Результаты

Результаты. Разработана и изготовлена двухгребневая эллиптическая антенна жесткой конструкции, с КСВН не более 2 и кроссполяризационной развязкой в пространственном угле 30° не менее 28 дБ в диапазоне частот, перекрывающем октаву.

Заключение

Заключение. Антенна может быть использована в ММДС для детектирования эффекта деполяризации микроволнового излучения скрытыми опасными объектами на теле человека. Высокое значение КПР антенны в широком пространственном угле позволит в дальнейшем внедрить микроволновую поляриметрию в ММДС.

Introduction

Introduction. The resolution of the problem of radio polarimetry in multiposition microwave screening systems (MMSS) with aperture synthesis requires the use of antennas with a high level of cross-polarization discrimination (XPD) in a wide spatial angle. The radio images are reconstructed in MMSS at distances commensurate with the aperture of the antenna structures. Therefore, the value of the spatial angle, at which high XPD is required, can reach 30°. This leads to a new problem of creating an antenna configuration of the X and Ku band, the application of which in MMSS will resolve the problem of constructing a radio image of depolarized microwave radiation scattered on the human body in the form of hidden dangerous objects.

Aim

Aim. To develop a double-ridged receiving antenna for long-term operation in MMSS with an XPD level of 28 dB at a spatial angle of 30° and operating frequencies of 8…20 GHz.

Materials and methods

Materials and methods. The requirements for the receiving antenna in MMSS were determined. Theoretical justifications were proposed for the choice of antenna design. Aperture synthesis was used to construct microwave images in MMSS. The stages and results of modelling broadband double-ridge antennas were presented using the CST Studio software broadly applied for three-dimensional electro-magnetic field modelling. The results of modelling pyramidal and conical double-ridged antennas, as well as those in circular and elliptical waveguides, were analyzed. The designed antenna was tested in an anechoic chamber. The measurement results were compared with those obtained during simulation.

Results

Results. An elliptical double-ridged horn antenna with a VSWR of no more than 2 and cross-polarization discrimination in a spatial angle of 30° of no less than 28 dB for the frequency range that covers an octave was designed and constructed.

Conclusion

Conclusion. The developed antenna can be used in MMSS for the purpose of detecting the effect of micro-wave radiation depolarization as hidden dangerous objects on a human body. Such characteristics of the antenna as its high XPD value in a wide spatial angle will allow the future introduction of microwave polarimetry in MMSS.

двухгребневая рупорная антеннакроссполяризационная развязкаэллиптическая двухгребневая антеннаdouble-ridged horn antennacross-polarisation discriminationdouble-ridged elliptical antennaReferencesГригорьев А. Д., Мещеряков В. В., Семенов С. Н. Исследование эффекта изменения поляризации микроволнового излучения скрытыми объектами на теле человека // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2015. № 6. С. 41–45.Grigoriev A. D., Mesheryakov V. V., Semenov S. N. Investigation of polarization changing effect by hidden objects placed on a human body. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2015, no. 6, pp. 41–45. (In Russ.)Cameron W. L., Youssef N. N., Leung L. K. Simulated Polarimetric Signatures of Primitive Geometrical Shapes // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 1996. Vol. 34, № 3. P. 793–803. doi: 10.1109/36.499784Cameron W. L., Youssef N. N., Leung L. K. Simulated Polarimetric Signatures of Primitive Geometrical Shapes. IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 1996, vol. 34, no. 3, pp. 793–803. doi: 10.1109/36.499784Touzi R., Charbonneau F. Characterization of Target Symmetric Scattering Using Polarimetric SARs // IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing. 2002. Vol. 40, № 11. P. 2507–2516. doi: 10.1109/TGRS.2002.805070Touzi R., Charbonneau F. Characterization of Target Symmetric Scattering Using Polarimetric SARs. IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing. 2002, vol. 40, no. 11, pp. 2507–2516. doi: 10.1109/TGRS.2002.805070Design and Implementation of 0.7 to 7 GHz Broadband Double-Ridged Horn Antenna / H. Fallahi, M. Kaboli, S. A. Mirtaheri, A. Mehrdadian // 7 th Intern. Symp. on Telecommunications (IST'2014). Tehran, Iran, 9–11 Sept. 2014, Piscataway: IEEE, 2014. P. 250–255. doi: 10.1109/ISTEL.2014.7000707Fallahi H., Kabo-li M., Mirtaheri S. A., Mehrdadian A. Design and Implementation of 0.7 to 7 GHz Broadband Double-Ridged Horn Antenna. 7 th Intern. Symp. on Telecommunications (IST'2014). 9–11 Sept. 2014, Tehran, Iran. Piscataway, IEEE, 2014, pp. 250–255. doi: 10.1109/ISTEL.2014.7000707Paez C. I., Criollo E. H. Improved Broadband Double Ridged Horn Antenna without Split Radiation Pattern // IEEE Latin America Trans. 2016. Vol. 14, iss. 3. P.1156–1161. doi: 10.1109/TLA.2016.7459593Paez C. I., Criollo E. H. Improved Broadband Double Ridged Horn Antenna without Split Radiation Pattern. IEEE Latin America Trans. 2016, vol. 14, iss. 3, pp.1156–1161. doi: 10.1109/TLA.2016.7459593Migliaccio M., Gambardella A., Tranfaglia M. SAR Polarimetry to Observe Oil Spills // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 2007. Vol. 45, iss. 2. P. 506–511. doi: 10.1109/TGRS.2006.888097Migliaccio M., Gambardella A., Tranfaglia M. SAR Polarimetry to Observe Oil Spills. IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 2007, vol. 45, iss. 2, pp. 506–511. doi: 10.1109/TGRS.2006.888097Martorella M., Berizzi F., Bruscoli S. Use of Genetic Algorithms for Contrast Maximization and Entropy Minimization in ISAR Autofocusing // EURASIP J. on Applied Signal Processing. Vol. 2006. Article ID 87298. P. 1–11. doi: 10.1155/ASP/2006/87298Martorella M., Berizzi F., Bruscoli S. Use of Genetic Algorithms for Contrast Maximization and Entropy Minimization in ISAR Autofocusing. EURASIP J. on Applied Signal Processing. Vol. 2006, article ID 87298, pp. 1–11. doi: 10.1155/ASP/2006/87298Jacobs O. B., Odendaal J. W., Joubert J. Elliptically Shaped Quad-Ridge Horn Antennas as Feed for a Reflector // IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett. 2011. Vol. 10. P. 756–759. doi: 10.1109/LAWP.2011.2163050Jacobs O. B., Odendaal J. W., Joubert J. Elliptically Shaped Quad-Ridge Horn Antennas as Feed for a Reflector. IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett. 2011, vol. 10, pp. 756–759. doi: 10.1109/LAWP.2011.2163050Broadband Dual-Polarization Microstrip Antenna with High Cross-Polarization Isolation for SAR / Y. Ma, J. Hu, Y. Zhang, L. Li, L. Liu // 2018 China Intern. SAR Symp. (CISS). Shanghai, China, 10–12 Oct. 2018, Piscataway: IEEE, 2018. doi: 10.1109/SARS.2018.8551999Ma Y., Hu J., Zhang Y., Li L., Liu L. Broadband DualPolarization Microstrip Antenna with High CrossPolarization Isolation for SAR. 2018 China Intern. SAR Symp. (CISS). Shanghai, China, 10–12 Oct. 2018. Piscataway, IEEE, 2018. doi: 10.1109/SARS.2018.8551999Stojce D. I. Global Mobile Satellite Communications Theory. Cham, Switzerland: Springer International Publishing, 2017. 599 p. doi: 10.1007/978-3-319-39171-7Stojce D. I. Global Mobile Satellite Communications Theory. Cham, Switzerland: Springer International Publishing, 2017, 599 p. doi: 10.1007/978-3-319-39171-7Ludwig A. The Definition of Cross Polarization // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1973. Vol. 21, iss. 1. P. 116–119. doi: 10.1109/TAP.1973.1140406Ludwig A. The Definition of Cross Polarization. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1973, vol. 21, iss. 1, pp. 116–119. doi: 10.1109/TAP.1973.1140406Многопозиционная система построения микроволнового изображения в режиме реального времени / С. И. Воробьев, В. П. Аверьянов, М. Ю. Осипов, С. Н. Семенов // Сб. статей 13-й Междунар. науч.-практ. конф. "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике". Санкт-Петербург, Россия, 24–26 мая 2012. С. 44–47.Vorobiev S. I., Averyanov V. P., Osipov M. Yu., Semenov S. N. Multi-Position System for Constructing a Microwave Image in Real Time. Collection of articles of the 13th intern. scien. and practical conf. “Fundamental and Applied Research, Development and Application of High Technologies in Industry and Economics”, St. Petersburg, Russia, May 24–26, 2012, pp. 44–47. (In Russ.)Automatic standoff detection of threats in crowed areas / V. Averianov, A. Evsenin, I. Gorshkov, P. Iurmanov, A. Kuznetsov, G. Labzovsky, V. Meshcheryakov, M. Mokhova, S. Semenov, D. Vakhtin, I. Vorobev, S. Vorobyev, D. Kellermann // 9th Future Security. Security Research Conf. Proc., Berlin, Germany, 16–18 Sept. 2014. Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2014. P. 322–329.Averianov V., Evsenin A., Gorshkov I., Iurmanov P., Kuznetsov A., Labzovsky G., Meshcheryakov V., Mokhova M., Semenov S., Vakhtin D., Vorobev I., Vorobyev S., Kellermann D. Automatic Standoff Detection of Threats in Crowed Areas. 9 th Future Security. Security Research Conf. Proc., Berlin, Germany, 16–18 Sept., 2014. Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2014,pp. 322–329.Analysis of Elliptical Ridged Waveguide / J. Xu, W. Wang, Y. Gong, Y. Weiz // 2006 Joint 31st Intern. Conf. on Infrared Millimeter Waves and 14th Intern. Conf. on Teraherz Electronics. Shanghai, China, 18–22 Sept. 2006. doi: 10.1109/ICIMW.2006.368473Xu J., Wang W., Gong Y., Weiz Y. Analysis of Elliptical Ridged Waveguide. 2006 Joint 31st Intern. Conf. on Infrared Millimeter Waves and 14th Intern. Conf. on Teraherz Electronics. Shanghai, China, 18–22 Sept. 2006. doi: 10.1109/ICIMW.2006.368473Айзенберг Г. З., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ. Ч. 1. М.: Связь, 1977. 384 с.Aizenberg G. Z., Yampolsky V. G., Tereshin O. N. Antennas VHF. Pt. 1. Moscow, Svyaz’, 1977, 384 p. (In Russ.)Устройства СВЧ и антенны / Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарев; под ред. Д. И. Воскресенского. 2-е изд. М.: Радиотехника, 2006. 376 с.Voskresenskii D. I., Gostyukhin V. L., Maksimov V. M., Ponomarev L. I. Microwave Devices and Antennas; ed. by D. I. Voskresenskii. 2nd ed. Мoscow, Radiotekhnika, 2006, 376 p. (In Russ.)Tsogkas G. D., Roumeliotis J. A., Savaidis S. P. Cutoff Wavelengths of Elliptical Metallic Waveguides // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2009. Vol. 57, iss. 10. P. 2406–2415. doi: 10.1109/TMTT.2009.2029636Tsogkas G. D., Roumeliotis J. A., Savaidis S. P. Cutoff Wavelengths of Elliptical Metallic Wave-guides. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2009, vol. 57, iss. 10, pp. 2406–2415. doi: 10.1109/TMTT.2009. 2029636Nel M., Joubert J., Odendaal J. W. The Measurement of Complex Antenna Transfer Functions for UltraWideband Antennas in a Compact Range // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2014. Vol. 56, iss. 6. P. 163–170. doi: 10.1109/MAP.2014.7011037Nel M., Joubert J., Odendaal J. W. The Measurement of Complex Antenna Transfer Functions for Ultra-Wideband Antennas in a Compact Range, IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2014, vol. 56, iss. 6, pp. 163–170. doi: 10.1109/MAP.2014.7011037

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