Синтез направленного излучателя в диапазоне 0.9…5.8 ГГц

Введение. Рассмотрена проблема синтеза направленного излучателя с 50-омным портом на входе, в частотном диапазоне 0.9…5.8 ГГц. Данный диапазон на сегодняшний день является наиболее актуальным для анализа электромагнитной обстановки, так как в этой полосе частот наиболее часто реализуется обмен информацией с бортовой аппаратурой беспилотных летательных аппаратов.

Цель работы. Синтез направленного широкополосного излучателя в частотном диапазоне 0.9…5.8 ГГц.

Материалы и методы. Для синтеза широкополосного излучателя используется метод конечных элементов при электродинамическом моделировании в программном средстве HFSS. Характеристики излучателя, оптимизированные на электродинамической модели, подтверждаются с помощью натурных экспериментов на макете излучателя. Измерения диаграммы направленности, проводимые в безэховой камере, и коэффициента стоячей волны (КСВ) осуществляются с помощью анализатора цепей.

Результаты. Предложен неаналитический метод параметрической оптимизации модели по критерию КСВ < 2 удобный для применения в средствах электродинамического моделирования (HFSS, CST, FEKO и др.). Приведены эскизы разработанной оптимизированной модели с указанием итоговых значений всех геометрических параметров излучателя. Представлены снимки расчетного распределения электрического поля на полотне антенны, расчетные диаграммы направленности на крайних частотных точках рабочего диапазона (0.9 ГГц…5.8 ГГц), расчетный КСВ модели. Полученные результаты дают представление об основных характеристиках синтезируемой антенны. По результатам моделирования и параметрической оптимизации геометрии излучателя изготовлен макет антенны. Приведены измеренные главные сечения диаграммы направленности и КСВ макета.

Заключение. В результате представленного исследования разработана модель широкополосного излучателя в диапазоне 0.9…5.8 ГГц, проведено макетирование и краткий сравнительный анализ расчетных и измеренных характеристик антенны, демонстрирующий хорошее совпадение расчетных и измеренных диаграмм направленности и зависимостей КСВ от рабочей частоты. Описаны преимущества предложенного метода и самой модели излучателя. Результаты работы актуальны в задачах наблюдения, пеленгации и приема сигналов от беспилотных летательных аппаратов.

1. Yang L., Giannakis G. B. Ultra-Wideband Communications. An Idea whose Time has Come // IEEE Signal Processing Magazine. 2004. Vol. 21, № 6. P. 26–54. doi: 10.1109/MSP.2004.1359140

2. Localization via Ultra-Wideband Radios / S. Gezici, Z. Tian, G. B. Giannakis, H. Kobayashi, A. V. Molisch, H. V. Poor, Z. Sahinoglu // IEEE Signal Processing Magazine. 2005. Vol. 22, № 4. P. 70–84. doi: 10.1109/MSP.2005.1458289

3. Чернышев С. Л. Приближенный аналитический синтез сверхширокополосных устройств на плавных нерегулярных линиях // Наука и образование. Электрон. журн. 2008. № 1. URL: http://engineeringscience.ru/doc/70017.html (дата обращения: 09.04.2019)

4. Ultrawideband VHF/UHF Dipole Array Antenna / A. J. Fenn, P. T. Hurst, J. D. Krieger, J. S. Sandora, L. I. Parad // Proc. of 2010 IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, MA, USA, 12–15 Oct. 2010. Piscataway: IEEE, 2010. P. 79–82. doi: 10.1109 /array.2010.5613390

5. Yang K.-W., Zhang F.-S., Li C. Design of a Novel Wideband Printed Dipole Array Antenna // Proc. of 2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conf. (CSQRWC), Xuzhou, China, 21–24 July 2018. Piscataway: IEEE, 2018. doi: 10.1109 /csqrwc.2018.8455804

6. Terentyeva P. V., Golovkov G. A., Borovikov S. G. Antenna Array for the Passive Radar Monitoring System // Proc. of 2018 22nd Intern. Microwave and Radar Conf. (MIKON), Poznan, Poland, 14–17 May 2018. Piscataway: IEEE, 2018 P. 208–211. doi: 10.23919/MIKON.2018.8405179

7. Теоретические основы радиолокации / под ред. Я. Д. Ширмана. М.: Сов. радио, 1970. 560 с.

8. Исследование возможности использования принципа фрактальности для построения многодиапазонных сверхширокополосных антенных структур на основе ТЕМ-рупоров, размещенных внутри друг друга / А. В. Ашихмин, Ю. Г. Пастернак, И. В. Попов, Ю. А. Рембовский // Антенны. 2008. № 2 (129). С. 32–38.

9. Ротхаммель К. Антенны: В 2 т. Т. 2. М.: ДМКПресс, 2011. 414 с.

10. Gibson P. J. The Vivaldi aerial // 9th European Microwave Conf. Brighton, UK, 17–20 Sept. 1979. Piscataway: IEEE, 1979. P. 101–105. doi: 10.1109/EUMA.1979.332681

11. A UHF Ultrabroadband Vivaldi-Type Direction Finding Antenna / R. Mueller, S. Lutz, R. Lorch, T. A. Walter // Proc. of 2010 IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Toronto, ON, Canada, 11–17 July 2010. Piscataway: IEEE, 2010. doi: 10.1109/aps.2010.5561691

12. A Design of High-Gain Vivaldi Antenna Loaded with Antipodal Structure and Slotting Correction / Y. Tang, X. Cao, Y. Song, L. Jidi, J. Lan, H. Yu // Proc. of 2018 IEEE MTT-S Intern. Wireless Symp. (IWS), Chengdu, China, 6–10 May 2018. Piscataway: IEEE, 2018. doi: 10.1109/ieee-iws.2018.8400909

13. A Miniaturized Vivaldi Antenna with High Gain for Ultra-Wideband Applications / H. Wang, S. He, Z. Ding, J. Cao, Y. Yang // Proc. of 2017 Sixth Asia-Pacific Conf. on Antennas and Propagation (APCAP), Xi'an, China, 16–19 Oct. 2017. Piscataway: IEEE, 2017. doi: 10.1109/apcap .2017.8420722

14. Виленский А. Р. Чернышев С. Л. Синтез сверхширокополосных излучателей экспоненциального типа // XV МНТК "Радиолокация, навигация, связь". Воронеж, 14–16 апр. 2009. Т. 1. С. 396–405.

15. Рязанов И. Г., Бякин А. А., Белоусов О. А. Анализ и синтез широкополосной планарной щелевой антенны с экспоненциальным изменением ширины щели для систем широкополосного доступа // Вопр. соврем. науки и практики. 2013. № 2 (46). C. 297–306.

16. Математические методы прикладной электродинамики / под ред. С. Б. Раевского. М.: Радиотехника, 2007. 88 с.

17. Shan J., Xu A., Lin J. A Parametric Study of Microstrip-Fed Vivaldi Antenna // Proc. of 2017 3rd IEEE Intern. Conf. on Computer and Communications (ICCC), Chengdu, China, 13–16 Dec. 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 1099–1103. doi: 10.1109/compcomm.2017.8322713