Сверхширокополосная диэлектрическая стержневая антенна

Введение. Пространство, выделяемое для размещения антенны, в различных устройствах может характеризоваться неудобной для этого формой. В частности, на борту летательного аппарата длина и высота зоны размещения антенны соотносятся приблизительно как 5:1. Задача размещения антенны в этом пространстве предполагает разработку диэлектрической стержневой антенны со сходным соотношением габаритных размеров и возможностью удобного крепления на плоской проводящей поверхности. Широкополосность антенны характеризуется отношением верхней в f_в нижней f_н граничных частот рабочего диапазона. В авиационной технике целесообразно применение сверхшировополосных антенн, имеющих отношение в f_в / f_н = 9:1. При этом коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) не должно превышать 3, коэффициент усиления (КУ) быть не менее 1 дБи, диаграмма направленности должна быть осесимметричной с уровнем боковых лепестков, не превышающим 25 %.

Цель. Разработка и исследование характеристик сверхширокополосной диэлектрической стержневой антенны.

Материалы и методы. Конструирование и определение параметров антенн выполнены электродинамическим моделированием в среде Ansoft HFSS. Предложены два различающихся конструктивно варианта сверхширокополосной диэлектрической стержневой антенны.

Результаты. В результате проведенного моделирования получены антенны со следующими параметрами в требуемом диапазоне частот: – для первого варианта – КСВН не превышает 3.25, КУ изменяется от 6 до 12 дБи, диаграмма направленности осесимметричная с уровнем боковых лепестков, не превышающим 30 %; – для второго варианта – КСВН не превышает 2.75, КУ изменяется от 5 до 11 дБи, диаграмма направленности осесимметричная с уровнем боковых лепестков, не превышающим 20 %; Конструктивные особенности второго варианта позволяют удобно закрепить его на плоской проводящей поверхности.

Заключение. Сравнение полученных результатов с требованиями, предъявляемыми к рассматриваемой антенне, показывают, что второй вариант, в отличии от первого, обладает допустимым уровнем согласования (КСВН 2.75 £ ) и бокового излучения диаграммы направленности (20 %) и может быть рекомендован для предполагаемого применения.

1. Lippincott W. L. Design of a Broadband Zig-Zag Pyramidal Log-Periodic Antenna // 2009 IEEE Anten. and Prop. Society Intern. Symp. Charleston, SC, USA, 1–5 June, 2009. doi: 10.1109/APS.2009.5172290

2. Пат. 2427060, МПК H01Q13/02. Сверхширокополосная рупорная антенна / Г. В. Коробейников, Д. Д. Кохнюк, А. Р. Григорьев. Опубл. 20.08.2011. Бюл. № 23.

3. Abumushar A. J., Sertel K. 5:1 Bandwidth Dielectric Rod Antenna using a Novel Feed Structure // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2017. Vol. 65, iss. 5. P. 2208–2214. doi: 10.1109/TAP.2017.2677379.

4. Kumar V. S., Kurup D. G. Design of Dielectric Rod Antenna for Ground Station Applications // 2017 IEEE Intern. Conf. on Antenna Innovations & Modern Technologies for Ground, Aircraft and Satellite Applications (iAIM). Bangalore, India, 24–26 Nov. 2017. doi: 10.1109/IAIM.2017.8402629.

5. Qiu Jing-hui, Wang Nan-nan. Optimized Dielectric Rod Antenna for Millimeter Wave FPA Imaging System / 2009 IEEE Intern. Workshop on Imaging Systems and Techniques. Shenzhen, China, 11–12 May 2009. doi: 10.1109/IST.2009.5071621

6. The Dielectric Wedge Antenna / A. G. Yarovoy, A. D. Schukin, I. V. Kaploun, L. P. Ligthart // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2002. Vol. 50, iss. 10. P. 1460–1472. doi: 10.1109/TAP.2002.803968

7. Chung J. Y. Ultra wideband dielectric loaded horn antenna with dual linear polarization capability. Progress In Electromagnetics Research. 2010. Vol. 102. P. 397– 411. doi: 10.2528/PIER10022703

8. Wittemen N. R. Ultra Wideband Dielectric Rod Antenna Advancements through Additive Manufacturing // 2018 IEEE Intern. Symp. on Anten. and Prop. & USNC/URSI National Radio Science Meeting. Boston, Massachusetts. 8–13 July, 2018. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608445

9. Lee K.-H., Chen C.-C., Lee R. UWB Dual-Linear Polarization Dielectric Horn Antennas as Reflector Feeds // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2007. Vol. 55, iss. 3. P. 798–804. doi: 10.1109/TAP.2007.891804

10. Duncan J. W., Minerva V. P. 100:1 Bandwidth Balun transformer // Proc. of the IRE. 1960. Vol. 48, iss. 2. P. 156–164. doi: 10.1109/JRPROC.1960.287459

11. Numerical Modeling of Ultra Wideband Dielectric Horn Antennas Using FDTD / N. V. Venkatarayalu, C.-C. Chen, F. L. Teixeira, R. Lee // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2004. Vol. 52, iss. 5. P. 1318–1323. doi: 10.1109/TAP.2004.827510

12. Lai A. K. Y., Sinopoli A. L., Burnside W. D. A Novel Antenna for Ultra Wideband Applications // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 1992. Vol. 40, iss. 7. P. 755–760. doi: 10.1109/8.155739

13. Turk A. S., Keskin A. K., Senturk M. D. Dielectric Loaded TEM Horn-Fed Ridged Horn Antenna Design for Ultra Wideband Ground-Penetrating Impulse Radar // Turkish J. of Electrical Engineering & Computer Sciences. 2015.Vol. 23.P.1479–1488. doi: 10.3906/elk-1303-48

14. Chung K., Pyun S., Choi J. Design of an Ultra wideband TEM Horn Antenna With a Microstrip-Type Balun // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2005. Vol. 53, iss. 10. P. 3410–3413. doi: 10.1109/TAP.2005.856396