radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-4-15-24radioelectronics-450Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASИсследование частотной зависимости диаграммы направленности резонансной волноводно-щелевой антенной решетки, состоящей из подрешеток, в САПР Ansys HFSSInvestigation of a Radiation Pattern Frequency Dependence of a Subarrayed Slotted Waveguide Antenna Using CAD Ansys HFSShttps://orcid.org/0000-0003-1119-5117КошкидькоВ. Г.Koshkid’koV. G.

Кошкидько Владимир Георгиевич – кандидат технических наук (1988), доцент (1993) кафедры антенн и радиопередающих устройств, Некрасовский пер, д. 44, г. Таганрог, Ростовская область, 347928, Россия

Vladimir G. Koshkid’ko, Сand. of Sci. (Eng.) (1988), Associate Professor (1993) of the Department of Antennas and Radio Transmitting Devices, 44 Nekrasovsky Ln., Taganrog, Rostov Region, 347928, Russia

kvg59@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1600-7349МигалинМ. М.MigalinM. M.

Мигалин Михаил Михайлович – магистр по направлению "Инфокоммуникационные технологии и системы связи" (2020), аспирант кафедры антенн и радиопередающих устройств, Некрасовский пер, д. 44, г. Таганрог, Ростовская область, 347928, Россия

Mikhail M. Migalin, Master of Science on Infocommunication technologies and communication systems (2020), post graduate student of the department of Antennas and radio transmitting devices, 44 Nekrasovsky Ln., Taganrog, Rostov Region, 347928, Russia

migalin.mikhail@gmail.comИнститут радиотехнических систем и управления Южного федерального университетаРоссияRadio engineering systems and control institute of Southern Federal UniversityRussian Federation2020071020202341524Copyright © Кошкидько В.Г., Мигалин М.М., 20202020Кошкидько В.Г., Мигалин М.М.Koshkid’ko V.G., Migalin M.M.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/450Введение

Введение. Направление максимального излучения резонансных волноводно-щелевых антенных решеток совпадает с нормалью к продольной оси антенны. Такие антенны хорошо согласованы с питающей линией только в узкой полосе частот. При большом количестве элементов решетки даже незначительное отклонение от рабочей частоты приводит к существенному искажению диаграммы направленности. Устранение этих искажений в рабочей полосе частот становится актуальной задачей.

Цель работы

Цель работы. Сохранение в рабочей полосе частот неискаженной формы диаграммы направленности линейной резонансной волноводно-щелевой антенной решетки, построенной на основе продольных щелей на широкой стенке прямоугольного волновода.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для решения поставленной задачи применено разбиение волноводно-щелевой антенной решетки на несколько подрешеток. Построение модели исследуемой структуры и анализ ее направленных свойств проведены в САПР Ansys HFSS с использованием макросов на языке Visual Basic Scripting Edition.

Результаты

Результаты. В САПР Ansys HFSS разработаны 3 модели волноводно-щелевых антенных решеток, состоящие из двух, четырех и восьми подрешеток. Исследовано влияние разбиения антенны на подрешетки на диаграмму направленности на центральной частоте и на крайних частотах рабочего диапазона. Показано, что при разбиении антенны на подрешетки ширину главного лепестка диаграммы направленности на крайних частотах удается уменьшить с 2.4 до 1.0° и сравнять со значением этого параметра на центральной частоте.

Заключение

Заключение. Исследования показали, что разбиение резонансной волноводно-щелевой антенной решетки на подрешетки является эффективной мерой, позволяющей добиться сохранения неискаженной диаграммы направленности в рабочей полосе частот. Сравнение полученных результатов с характеристиками антенны, не имеющей разбиения на подрешетки, показывает, что в области главного лепестка диаграммы направленности на центральной частоте и на крайних частотах рабочего диапазона совпадают с графической точностью, а уровень боковых лепестков не превышает –20 дБ.

Introduction

Introduction. A resonant slotted waveguide antenna allows providing broadside radiation, which coincides with the normal line to the longitudinal axis of the array. Such an antenna can be well-matched in a very narrow frequency band. Even a slight deviation from the operating frequency leads to a significant distortion of the radiation pattern. In this regard, the distortion of the radiation pattern is becoming an urgent task.

Aim

Aim. The main objective of this work is to preserve the radiation pattern of the resonant slotted waveguide antenna with longitudinal slots in the broad face in operating bandwidth.

Materials and methods

Materials and methods. Subarraying was performed to preserve the undistorted radiation pattern of the slotted waveguide antenna array in the operating bandwidth. The antenna model and its directional properties were analyzed in CAD Ansys HFSS using Visual Basic Scripting Edition macros.

Results

Results. Three slotted waveguide antennas’ models, consisting of two, four, and eight subarrays were developed in Ansys HFSS CAD. The effect of subarraying on the radiation pattern at the center frequency and the upper and the lower operating frequencies is studied. It is shown that the growing number of subarrays leads to a more stable radiation pattern in the operating bandwidth.

Conclusions

Conclusions. Full-wave electromagnetic simulations have shown that subarraying of a resonant slotted waveguide antenna is a useful measure that preserves undistorted radiation pattern in the operating frequency band. Usage of Visual Basic Scripting Edition macros allows to minimizing the time spent creating a model in CAD Ansys HFSS.

волноводно-щелевая антеннаподрешеткиполоса рабочих частотСАПРмакросVBScriptslotted waveguide antennasubarrayingoperating frequency bandCADmacrosVBScriptReferencesВоскресенский Д. И. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование антенных решеток: учеб. пособие для вузов; под. ред. Д. И. Воскресенского. 4-е изд. М.: Радиотехника, 2012. 744 с.Voskresenky D. I. Microwave devices and antennas. Antenna array design: Textbook for universities; editor D. I. Voskresenky. 4th ed. M.: Radiotekhnika, 2012, 744 p. (In Russ.)Вешникова И. Е., Евстропов Г. А. Теория согласованных щелевых излучателей // Радиотехника и электроника. 1965. Т. 10, № 7. С. 1181–1189.Veshnikova I. E., Evstropov G. A., Theory of matched slot radiators. Radiotechnika and electronica. 1965, vol. 10, no. 7, pp. 1181–1189. (In Russ)Евстропов Г. А., Царапкин С. А. Расчет волноводно-щелевых антенн с учетом взаимодействия излучателей по основной волне // Радиотехника и электроника. 1966. Т. 11, № 5. С. 822-830.Evstropov G. A, Tsarapkin S. A. Calculation of waveguide-slot antennas given the TE10 interaction of emitters. Radiotechnika and electronica. 1966, vol. 11, no. 5, pp. 822–830. (In Russ.)Лось В. Ф., Космодамианская Н. С. Метод расчета амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве волноводно-щелевой решетки с учетом внутреннего взаимодействия излучателей // Антенны. 1974. Вып. 20. С. 24–32.Los V. F., Kosmodamianskaya N. S. The amplitudephase distribution calculation method of the field int the aperture of the slotted waveguide array in consideration of the internal interaction of the emitters. Antenny. 1974, vol. 20, pp. 24–32. (In Russ.)Яцук Л. П., Жиронкина А. В., Катрич А. В. Возбуждение прямоугольного волновода наклонной и крестообразной щелями // Антенны. 1975. Вып. 22. С. 46–59.Yatsuk L. P., Zhironkina A. V., Katrich A. V. Excitation of a rectangular waveguide by inclined and cruciform slots. Antenny, 1975, no. 22, pp. 46–59. (In Russ.)Ершов Л. И., Кременецкий С. Д., Лось В. Ф. Электродинамика взаимовлияния в нерезонансных волноводно-щелевых решетках // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1978. Т. 21, № 2. С. 48–54.Ershov L. I, Kremenetsky S. D., Los V. F. Electrodynamics of mutual coupling in nonresonant slotted waveguide antennas. Izv. Vuzov, Ser. Radioelectronica, 1978, vol. 21, no. 2, pp. 48–54. (In Russ.)Электродинамические факторы взаимной связи при проектировании волноводно-щелевых решеток / Л. Д. Бахрах, Л. И. Ершов, С. Д. Кременецкий, В. Ф. Лось // Доклады АН СССР. 1978. Т. 243, № 2. С. 314–317.Bakhrakh L. D., Ershov L. I., Kremenetsky S. D., Los V. F. Consideration of the electrodynamic factors of mutual coupling in the design of slotted waveguide antennas. Rep. of the USSR Academy of Sciences, 1978, vol. 243, no. 2, pp. 314–317. (In Russ.)Ряполов В. В. Расчет волноводно-щелевых резонансных антенн с продольными излучающими щелями // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1985. Вып. 2 (374). С. 29–33.Ryapolov V. V. Calculation of resonant slotted waveguide antennas with longitudinal radiating slots. Electronnaya technika, Ser. Electronica SVCH. 1985, no. 2(374), pp. 29–33. (In Russ.)Иванов М. А., Ряполов В. В., Хавкина Т. А. Расчет волноводно-щелевых резонансных антенных решеток // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1990. Вып. 10 (434). C. 9–13.Ivanov M. A., Ryapolov V. V., Khavkina T. A. Calculation of the slotted waveguide antenna arrays. Electronnaya technika, Ser. Electronica SVCH. 1990, no. 10(434), pp. 9-13. (In Russ.)Кошкина Т. В., Максимов О. М. Влияние толщины стенки волновода на резонансную длину излучающих узких прямоугольных щелей // Антенны. 2003. № 12. С. 49–54. URL: http://www.radiotec.ru/article/1966 (дата обращения 22.03.2020).Koshkina T. V., Maksimov O. M. Influence of the wall thickness of the waveguide on the resonant length of narrow radiating rectangular slots. Antenny. 2003, no. 12, pp. 49–54. URL: http://www.radiotec.ru/article/1966 (accessed 22.03.2020) (In Russ.)Банков С. Е. Антенные решетки с последовательным питанием. М.: Физматлит, 2013. 416 с.Bankov S. E. Antenna arrays with sequential feeding. Moscow, Fizmatlit, 2013, 416 p. (In Russ.)Кременецкий С. Д., Лось В. Ф., Шаманов А. Н. Волноводно-щелевые антенные решетки // Антенны. 2004. № 8–9. С. 47–55. URL: http://www.radiotec.ru/article/1879 (дата обращения 22.03.2020).Kremenetsky S. D., Los V. F., Shamanov A. N. Slotted waveguide antenna arrays. Antenny. 2004, no. 8-9, pp. 47–55. URL: http://www.radiotec.ru/article/1879 (accessed 22.03.2020) (In Russ.)Кашин А. В. Методы проектирования и исследования волноводно-щелевых антенных решеток // Антенны. 2006. № 3. С. 3–60. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9213036 (дата обращения 22.03.2020).Kashin A. V. Design and research methods of the slotted waveguide antenna arrays. Antenny. 2006, no. 3, pp. 3–60. URL: https://www.elibrary.ru /item.asp?id=9213036 (accessed 22.03.2020) (In Russ.)Richardson P. N., Lee H. Y. Design and Analysis of Slotted Waveguide Arrays // Microwave J. 1988. № 6. P. 109–125. doi: 10.1002/1098-2760(20001220)27:63.3.CO;2-JRichardson P. N., Lee H. Y. Design and Analysis of Slotted Waveguide Arrays. Microwave J. 1988, no. 6, pp. 109–125. doi: 10.1002/1098-2760(20001220)27:63.3.CO;2-J (accessed 22.03.2020)Stern G., Elliott R. Resonant Length of Longitudinal Slots and Validity of Circuit Representation. Theory and experiment // IEEE Trans. on Antennas and Propagation 1985. Vol. 33, № 11. P. 1264–1271. doi: 10.1109/TAP.1985.1143509Stern G., Elliott R. Resonant Length of Longitudinal Slots and Validity of Circuit Representation. Theory and experiment. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1985, vol. 33, no. 11, pp. 1264–1271. doi: 10.1109/TAP.1985.1143509 (accessed 22.03.2020)Coetzee J., Joubert J. W., Tan L. Frequency Performance Enhancement of Resonant Slotted Waveguide Arrays through the Use of Wideband Radiator or Subarraying // Microwave and Optical Technology Lett. 1999. Vol. 22. P. 35–39.Coetzee J., Joubert J. W., Tan L. Frequency Performance Enhancement of Resonant Slotted Waveguide Arrays through the Use of Wideband Radiator or Subarraying. Microwave and Optical Technology Letters. 1999, vol. 22, pp. 35–39.Park P. K., Pavlov I. Yu. Characterization of Dumbbell Slots in Rectangular Waveguide by Method of Moments // Proc. 1984 Antennas Applications Symp., IL, USA, Sept. 1984. Piscataway: IEEE, 1984. P. 1–6.Park P. K., Pavlov I. Yu. Characterization of Dumbbell Slots in Rectangular Waveguide by Method of Moments. Proc. 1984 Antennas Applications Symp., IL, USA, Sept. 1984. Piscataway, IEEE, 1984, pp. 1–6.Elliott R. S., Kurtz L. A. The Design of Small Slot Arrays // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1978. Vol. AP-26, iss. 2. Р. 214–219. doi: 10.1109/TAP.1978.1141814Elliott R. S., Kurtz L. A. The Design of Small Slot Arrays. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1978, vol. AP-26, iss. 2, pp. 214–219. doi: 10.1109/TAP.1978.1141814 (accessed 22.03.2020).Elliott R. S. On the Design of Traveling-Wave-Fed Longitudinal Shunt Slot Arrays // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1979. Vol. AP-27, iss. 5. P. 717–720. doi: 10.1109/TAP.1979.1142166Elliott R. S. On the Design of Traveling-Wave-Fed Longitudinal Shunt Slot Arrays. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1979, vol. AP-27, iss. 5, pp. 717–720. doi: 10.1109/TAP.1979.1142166Elliott R. S. An Improved Design Procedure for Small Arrays of Shunt Slots // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1983. Vol. AP-31, № 1. P. 48–53. doi: 10.1109/TAP.1983.1143002Elliott R. S. An Improved Design Procedure for Small Arrays of Shunt Slots. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1983, vol. AP-31, no. 1, pp. 48–53. doi: 10.1109/TAP.1983.1143002Elliott R. S., O’Loughlin W. R. The Design of Slot Arrays including Internal Mutual Coupling // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1986. Vol. AP-34, № 9. P. 1149–1154. doi: 10.1109/TAP.1986.1143947Elliott R. S., O’Loughlin W. R. The Design of Slot Arrays including Internal Mutual Coupling. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1986, vol. AP-34, no. 9, pp. 1149–1154. doi: 10.1109/TAP.1986.1143947Elliott R. S. Antenna Theory and Design. New York: John Wiley & Sons, 2003. 612 p.Elliott R. S. Antenna Theory and Design. New York, John Wiley & Sons, 2003. 612 p.Sekretarov S. S., Vavriv D. M. A Wideband Slotted Waveguide Antenna Array for SAR Systems // Progress in Electromagnetics Research M. 2010. Vol. 11. P. 165–176. URL: http://www.jpier.org/PIERM/pierm11/14.10010606.pdf (дата обращения 22.03.2020).Sekretarov S. S., Vavriv D. M. A Wideband Slotted Waveguide Antenna Array for SAR Systems // Progress in Electromagnetics Research M. 2010, vol. 11, pp. 165–176. URL: http://www.jpier.org/PIERM/pierm11/14.10010606.pdf (accessed 22.03.2020)Koshkid'ko V. G., Migalin M. M. Design and Investigation of a Linear Equidistant Slotted Waveguide Antenna. // 2017 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). Divnomorskoe, Russia, 26–30 June 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 291–294. doi: 10.1109/RSEMW.2017.8103653Koshkid'ko V. G., Migalin M. M. Design and Investigation of a Linear Equidistant Slotted Waveguide Antenna. 2017 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), Divnomorskoe, Russia, 26–30 June 2017. Piscataway, IEEE, 2017, pp. 291–294. doi: 10.1109/RSEMW.2017.8103653Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Разработка линейной эквидистантной волноводно-щелевой антенной решетки и анализ ее направленных свойств // Антенны. 2018. № 2. C. 15–20. URL: http://www.radiotec.ru/article/20424 (дата обращения 22.03.2020).Koshkid'ko V. G., Migalin M. M. Design and investigation of a linear equidistant slotted waveguide antenna. Antenny. 2018, no. 2, pp. 15–20. URL: http://www.radiotec.ru/article/20424 (accessed 22.03.2020) (In Russ.)Семенихин А. И., Кошкидько В. Г., Климов А. В. Проектирование зеркальных антенн с помощью пакета Mathcad: учеб. пособие. Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2016. 80 с. URL: https://hub.lib.sfedu.ru/repository/material/800914249/ (дата обращения: 22.03.2020).Semenikhin A. I., Koshkidko V. G., Klimov A. V. Dish antennas design using the Mathcad package. Tutorial. Taganrog SFEDU Publishing House, 2016, 80 p. URL: https://hub.lib.sfedu.ru/repository/material/800914249/ (accessed 22.03.2020) (In Russ.)Johnson R. C., Jasik H. Antenna Engineering Handbook. 2nd ed. Portland: McGraw-Hill, 1993. 1408 p.Johnson R. C., Jasik H. Antenna Engineering Handbook. 2nd ed. Portland, McGraw-Hill, 1993. 1408 p.Koshkid'ko V. G., Migalin M. M. Frequency Performance Analysis of a Linear Equidistant Slotted Waveguide Antenna Consisting of Subarrays// 2019 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), Divnomorskoe, Russia, 24–28 June 2019. Piscataway: IEEE, 2017. P. 480–483. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792768Koshkid'ko V. G., Migalin M. M. Frequency Performance Analysis of a Linear Equidistant Slotted Waveguide Antenna Consisting of Subarrays. 2019 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), Divnomorskoe, Russia, 24–28 June 2019. Piscataway, IEEE, 2017, pp. 480–483. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792768Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Применение макросов языка VBScript при моделировании волноводно-щелевых антенн в САПР AnsysHFSS // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23, № 1. С. 6-17. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-1-6-17Koshkid’ko V. G., Migalin M. M. Design of a Slotted Waveguide Antenna by Means of VBScript Scripting Language Macros in CAD Ansys HFSS. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2020; vol. 23, no. 1, pp. 6-17. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-1-6-17 (In Russ.)

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