Моделирование и практическая реализация широкополосной двухгребневой рупорной антенны с шириной рабочей полосы более октавы и высоким уровнем кроссполяризационной развязки

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. 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. 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. 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. 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.

1. Григорьев 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.

2. 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: 10.1109/36.499784

3. Touzi 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.2002.805070

4. Design 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.2014.7000707

5. Paez 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.2016.7459593

6. Migliaccio 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.2006.888097

7. Martorella 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/2006/87298

8. Jacobs 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.2011.2163050

9. Broadband 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.2018.8551999

10. Stojce D. I. Global Mobile Satellite Communications Theory. Cham, Switzerland: Springer International Publishing, 2017. 599 p. doi: 10.1007/978-3-319-39171-7

11. Ludwig A. The Definition of Cross Polarization // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1973. Vol. 21, iss. 1. P. 116–119. doi: 10.1109/TAP.1973.1140406

12. Многопозиционная 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.

13. 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.

14. 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.2006.368473

15. Айзенберг Г. З., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ. Ч. 1. М.: Связь, 1977. 384 с.

16. 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.

17. 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.2009.2029636

18. Nel 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.2014.7011037