Экспериментальное исследование широкополосной антенной решетки К-диапазона с использованием структур из искусственного неоднородного диэлектрика

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

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. 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 4.3λ_min. Если из конструкции исключить волноводную часть, толщина может быть уменьшена до 2.5λ_min что обеспечивает компактность АР при широкой полосе рабочих частот.

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.

1. Pi 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.2011.5783993

2. Moving 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.2013.6692638

3. A 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.2014.01.004

4. Distributed 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.I010497

5. Alexandrin 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.2013.6693593

6. Alexandrin 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.2016.7491859

7. Александрин 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.

8. Munk B. A. Finite Antenna Arrays and FSS. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc, 2003. 392 p.

9. Gross F. B. Frontiers in Antennas: Next Generation Design & Engineering. New York: McGraw-Hill, 2011. 526 p.

10. Volakis J. L. Antenna Engineering Handbook. New York: McGraw-Hill, 2007. 1754 p. doi: 10.1002/9780471730071.ch1

11. Lee 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.2008.4619302

12. Design 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.2012.2186782

13. Lenses 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.2016.7696399

14. Котляр В. В., Мелехин А. С. Преобразование Абеля в задачах синтеза градиентных оптических элементов // Компьютерная оптика. 2002. № 3. С. 29–36.

15. Триандафилов Я. Р., Котляр В. В. Фотонно-кристаллическая линза Микаэляна // Компьютерная оптика. 2007. Т. 31, № 3. С. 27–31.