radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-4-70-80radioelectronics-778Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASВолноводно-щелевая антенна на основе SIW-волноводаA Substrate Integrated Waveguide Slotted Antennahttps://orcid.org/0000-0003-1119-5117КошкидькоВ. Г.Koshkid’koV. G.

Кошкидько Владимир Георгиевич – кандидат технических наук (1988), доцент (1993) кафедры антенн и радиопередающих устройств Института радиотехнических систем и управления

ул. Б. Садовая, д. 105/42, Ростов-на-Дону, 344006

 Автор более 100 научных работ. Сфера научных интересов – исследования в области электромагнетизма и прикладной электродинамики (рассеяние электромагнитных волн импедансными структурами; импедансные, щелевые и микрополосковые электродинамические структуры; микрополосковые антенны; антенны с реактивными нагрузками). 

Vladimir G. Koshkid’ko - Сand. of Sci. (Eng.) (1988), Associate Professor (1993) of the Department of Antennas and Radio Transmitting Devices of Radio Engineering Systems and Control Institute

105/42, Bolshaya Sadovaya St., Rostov-on-don 344006

Honorary Worker of Higher Professional Education of the Russian Federation (2008). The author of more than 100 scientific publications. Area of expertise: electromagnetics and applied electrodynamics; electromagnetic waves scattering by impedance structures; impedance, slot and microstrip electromagnetic structures; microstrip antennas; reactive loaded antennas.

kvg59@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0195-7547ГальцовЯ. О.GaltsovYa. O.

Гальцов Ярослав Олегович – бакалавр наук (2022), магистрант кафедры антенн и радиопередающих устройств Института радиотехнических систем и управления 

ул. Б. Садовая, д. 105/42, Ростов-на-Дону, 344006

Сфера научных интересов – исследование антенных структур и иных устройств в интегральном исполнении; способы миниатюризации систем.

Yaroslav O. Galtsov -Master's degree student of the Department of Antennas and Radio Transmitting Devices of the Institute of Radio Engineering Systems and Management 

105/42, Bolshaya Sadovaya St., Rostov-on-don 344006

Area of expertise: research of antenna structures and other devices in integrated design; methods of miniaturization of systems.

galcov-111yaroslav@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0460-6248ПортныхД. А.PortnykhD. A.

Портных Дмитрий Александрович – бакалавр наук (2021), магистрант кафедры антенн и радиопередающих устройств Института радиотехнических систем и управления

ул. Б. Садовая, д. 105/42, Ростов-на-Дону, 344006

Сфера научных интересов – исследование многослойных СВЧ-структур; интегрированные в подложку волноводы; многоэлементные антенные решетки. 

Dmitry A. Portnykh - Master of the Department of Antennas and Radio Transmitting Devices of Institute of Radio Engineering Systems and Control

105/42, Bolshaya Sadovaya St., Rostov-on-don 344006

Area of expertise: research of multilayer microwave  structures; waveguides integrated into the substrate; multi-element antenna arrays.

portnuhd@gmail.comЮжный федеральный университетРоссияSouthern Federal UniversityRussian Federation2023011020232647080Copyright © Кошкидько В.Г., Гальцов Я.О., Портных Д.А., 20232023Кошкидько В.Г., Гальцов Я.О., Портных Д.А.Koshkid’ko V.G., Galtsov Y.O., Portnykh D.A.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/778Введение

Введение. Волноводно-щелевые антенны широко применяются в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн из-за множества достоинств, среди которых высокие направленные свойства, компактные размеры, плоская форма, удобство подведения питания и высокая эффективность. Вместе с этим наблюдается стремление к уменьшению размеров СВЧ-устройств, их миниатюризации и повышению степени интеграции. Одним из вариантов решения этой задачи является переход к устройствам на основе волноводов, интегрированных в подложку (Substrate Integrated Waveguide – SIW).

Цель работы

Цель работы. Разработка модели волноводно-щелевой антенны, построенной на основе SIW-волновода, с характеристиками, аналогичными антенне, выполненной по традиционной технологии на основе полого металлического волновода.

Материалы и методы

Материалы и методы. Построение модели исследуемой структуры, электромагнитное моделирование и анализ ее направленных свойств проведены в САПР Ansys HFSS. Для определения координат продольных щелей.на широкой стенке SIW-волновода использован энергетический метод. Для автоматизации операций по созданию и удалению однотипных объектов при построении модели разработаны макросы на языке Visual Basic Scripting Edition. Для печатного исполнения SIW-волновода использован СВЧ-материал Arlon AD300C. Проектирование антенны на основе SIW-волновода выполнялось поэтапно: сначала была разработана эталонная модель на основе полого металлического волновода, затем переходная модель на основе волновода, полностью заполненного диэлектриком, и итоговая модель на основе SIW.

Результаты

Результаты. На каждом этапе контролировалась диаграмма направленности. В итоге смоделирована антенна на основе SIW-волновода с направленными свойствами, полностью совпадающими со свойствами антенны на основе эталонного полого металлического волновода.

Заключение

Заключение. На основе моделирования в САПР Ansys HFSS разработана и протестирована волноводно-щелевая антенна на основе SIW-волновода с требуемыми характеристиками. Антенна позволит использовать одно из главных преимуществ SIW-технологии – возможность интегрировать все компоненты на одной подложке, включая антенны, пассивные компоненты и активные элементы, что неизбежно приведет к уменьшению размеров СВЧ-устройств и их миниатюризации

Introduction

Introduction. Slotted waveguide antenna arrays are widely used across centimeter- and millimeter-wavelength ranges due to numerous advantages, including their good directional properties, compact dimensions, flat shape, convenience of power supply, and high efficiency. At the same time, the current trend toward miniaturization of electronic devices and their integration requires new solutions, such as the development of devices based on wave-guides integrated into the substrate (Substrate Integrated Waveguide – SIW).

Aim

Aim. To simulate a SIW-based slotted antenna with characteristics similar to those of a conventional antenna array based on a hollow metal waveguide.

Materials and methods

Materials and methods. The Ansys HFSS software was used to simulate the structure under study and to carry out electro-magnetic modeling and analysis of its directional properties. The energy method was used to determine the coordinates of longitudinal slots on the wide wall of the SIW waveguide. Macros were developed in the Visual Basic Scripting Edition language to automate routine operations for creating and deleting objects of the same type when constructing a model. The Arlon AD300C microwave material was used to manufacture a printed version of the SIW waveguide.

Results

Results. The process of developing a SIW slotted antenna was carried out in the following stages: construction of a reference model based on a hollow metal waveguide followed by creating a transition model based on a waveguide completely filled with a dielectric and the final SIW-based model. At each stage, the radiation pattern was monitored to obtain the directional properties of the SIW slotted antenna with characteristics identical to those of an antenna based on the reference hollow metal waveguide.

Conclusion

Conclusion. A SIW slotted antenna with the required characteristics was simulated and tested in the Ansys HFSS environment. Such an antenna employs one of the main advantages of the SIW technology, i.e., the possibility of integrating all components on a single substrate, including antenna arrays, passive components, and active elements. This approach provides the basis for reducing the size of microwave devices and their miniaturization.

волноводно-щелевая антеннаSIWмоделированиеСАПРHFSSwaveguide slotted antennaSIWmodelingCADHFSSReferencesKurudere S., Erturk V. B. Design of substrate integrated waveguide based bandpass filters and power dividers: Master's Thesis / The Department of Electrical and Electronics Engineering and the Graduate School of Engineering and Science of Bilkent University. Ankara, 2013. 110 p. URL: http://hdl.handle.net/11693/15873 (дата обращения 03.03.23)Kurudere Sinan, Erturk Vakur B. Design of Substrate Integrated Waveguide Based Bandpass Filters and Power Dividers. Ankara, The Department of Electrical and Electronics Engineering and the Graduate School of Engineering and Science of Bilkent University, 2013, 110 p. Available at: http://hdl.handle.net/11693/15873 (accessed 03.03.23)Воскресенский Д. И. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. М.: Сов. радио, 1972. 320 c.Voskresenskiy D. I. Antenny i ustroystva SVCH. Raschet i proyektirovaniye antennykh resh-etok i ikh izluchayushchikh elementov [Antennas and Microwave Devices. Calculation and Design of Antenna Arrays and Their Radiating Elements]. Moscow, Sovetskoye radio, 1972, p. 320. (In Russ.)Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Исследование частотной зависимости диаграммы направленности резонансной волноводно-щелевой антенной решетки, состоящей из подрешеток, в САПР Ansys HFSS // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23, № 4. С. 15–24. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-4-15-24Koshkid’ko V. G., Migalin M. M. Investigation of a Radiation Pattern Frequency Dependence of a Subarrayed Slotted Waveguide Antenna Using CAD Ansys HFSS. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2020, vol. 23, no. 4, pp. 15–24. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-4-15–24 (In Russ.)Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Применение макросов языка VBScript при моделировании волноводно-щелевых антенн в САПР Ansys HFSS // 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. Journal 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.)Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Разработка линейной эквивалентной волноводно-щелевой антенной решетки и анализ ее направленных свойств // Антенны. 2018. № 2. С. 15–20.Koshkid'ko V. G., Migalin M. M. Development of a Linear Equivalent Slotted Waveguide Antenna Array and Analysis of its Directional Properties. Journal Antennas. 2018, no. 2, pp. 15–20. (In Russ.)Семенихин А. И., Кошкидько В. Г., Климов А. В. Проектирование зеркальных антенн с помощью пакета Mathcad. Таганрог: Изд-во Южного федерального ун-та, 2016. 80 с.Semenikhin A. I., Koshkid'ko V. G., Klimov A. V. Proyektirovaniye zerkal'nykh antenn s pomoshch'yu paketa Mathcad [Designing Reflector Antennas Using the Mathcad Package], Taganrog, Izdatel'stvo Yuzhnogo federal'nogo universiteta, 2016, 80 p. (In Russ.)Moitra S., Mukhopadhyay A. K., Bhattacharjee A. K. Ku-Band Substrate Integrated Waveguide (SIW) Slot Array Antenna for Next Generation Networks // Global J. of Computer Science and Technology. 2013. Vol. 13, № 5. P. 11–16.Moitra S., Mukhopadhyay A. K., Bhattacharjee A. K. Ku-Band Substrate Integrated Wave-guide (SIW. Slot Array Antenna for Next Generation Networks. Global Journal of Computer Science and Technology. 2013, vol. 13, no. 5, pp. 11–16.Deslandes D., Wu Ke. Single-Substrate Integration Technique of Planar Circuits and Waveguide Filters // IEEE Trans. on microwave theory and techniques. 2003. Vol. MTT-51, iss. 2. P. 593–596. doi: 10.1109/TMTT.2002.807820Deslandes D., Wu Ke. Single-Substrate Integration Technique of Planar Circuits and Wave-guide Filters. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2003, vol. 51, no. 2, pp 593–596. doi: 10.1109/TMTT.2002.807820Xu F., Wu K. Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide // IEEE Trans. on microwave theory and techniques. 2005. Vol. MTT-53, iss. 1. P. 66–73. doi: 10.1109/TMTT.2004.839303Xu Feng, Wu Ke. Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Wave-guide. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005, vol. 53, no. 1, pp. 66–73. doi: 10.1109/TMTT.2004.839303Simulation and experiment on SIW slot array antennas / L. Yan, W. Hong, G. Hua, J. Chen, K. Wu, T. J. Cui // IEEE Microwave and Wireless Components Lett. 2004. Vol. 14, iss. 9. P. 446–448. doi: 10.1109/lmwc.2004.832081Li Yan, Wei Hong, Guang Hua, Jixin Chen, Ke Wu, Tie Jun Cui. Simulation and Experiment on SIW Slot Array Antennas. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2004, vol. 14, pp. 446–448. doi:10.1109/lmwc.2004.832081Deslandes D. Design equations for tapered microstrip-to-Substrate Integrated Waveguide transitions // 2010 IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Anaheim, USA, 23–28 May 2010. P. 704–707. doi: 10.1109/MWSYM.2010.5517884Deslandes D. Design Equations for Tapered Mi-Crostrip-to-Substrate Integrated Waveguide Transitions. 2010 IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Anaheim, USA, 23–28 May 2010, pp. 704–707. doi: 10.1109/MWSYM.2010.5517884Logarithmic Slots Antennas Using Substrate Integrated Waveguide / J. Kachhia, A. Patel, A. Vala, R. Patel, K. Mahant // Intern. J. of Microwave Science and Technology. 2015. № 2. Article ID 629797. doi: 10.1155/2015/629797Kachhia J., Patel A., Vala A., Patel R., Mahant K. Logarithmic Slots Antennas Using Substrate Integrated Waveguide. Intern. J. of Microwave Science and Technology. 2015, no. 2, article ID 629797. doi: 10.1155/2015/629797Hilberg W. Strenge berechnung des wellenwiederstandes von parallelen streifenleitungen und lin vergleich mit naherungen // AEÜ. 1971. Bt. 54, № 4. P. 200–205.Hilberg W. Strenge Berechnung Des WellenWiederstandes Von Parallelen Streifenleitungen Und Lin Vergleich Mit Naherungen. AEÜ. 1971, Bt. 54, no. 4, pp. 200–205.Djerafi T., Doghri A., Wu K. Substrate Integrated Waveguide Antennas // Handbook of Antenna Technologies. Ed. by Z. Chen. Springer Science+Business Media Singapore, 2015. 60 p. doi: 10.1007/978-981-4560-75-7_57-1Djerafi Tarek, Doghri Ali, Wu Ke. Substrate Integrated Waveguide Antennas. Handbook of Antenna Technologies. Springer Science + Business Media Singapore, 2015, pp. 1–60.Останков А. В., Хрипунов Е. Г. Рупорная SIW-антенна со специальным копланарным переходом и диэлектрической линзой для питания планарной антенны вытекающей волны // Радиостроение. 2020. № 2. C. 1–26. doi: 10.36027/rdeng.0220.0000163Ostankov A. V., Khripunov Ye. G. Horn SIW Antenna with a Special Coplanar Junction and a Dielectric Lens for Powering the Planar Antenna of the Outflow Wave. Radiostroyeniye [Radioengineering]. 2020, no. 2, pp. 1–26. doi: 10.36027/rdeng.0220.0000163

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