Исследование частотной зависимости диаграммы направленности резонансной волноводно-щелевой антенной решетки, состоящей из подрешеток, в САПР Ansys HFSS

Введение. Направление максимального излучения резонансных волноводно-щелевых антенных решеток совпадает с нормалью к продольной оси антенны. Такие антенны хорошо согласованы с питающей линией только в узкой полосе частот. При большом количестве элементов решетки даже незначительное отклонение от рабочей частоты приводит к существенному искажению диаграммы направленности. Устранение этих искажений в рабочей полосе частот становится актуальной задачей.

Цель работы. Сохранение в рабочей полосе частот неискаженной формы диаграммы направленности линейной резонансной волноводно-щелевой антенной решетки, построенной на основе продольных щелей на широкой стенке прямоугольного волновода.

Материалы и методы. Для решения поставленной задачи применено разбиение волноводно-щелевой антенной решетки на несколько подрешеток. Построение модели исследуемой структуры и анализ ее направленных свойств проведены в САПР Ansys HFSS с использованием макросов на языке Visual Basic Scripting Edition.

Результаты. В САПР Ansys HFSS разработаны 3 модели волноводно-щелевых антенных решеток, состоящие из двух, четырех и восьми подрешеток. Исследовано влияние разбиения антенны на подрешетки на диаграмму направленности на центральной частоте и на крайних частотах рабочего диапазона. Показано, что при разбиении антенны на подрешетки ширину главного лепестка диаграммы направленности на крайних частотах удается уменьшить с 2.4 до 1.0° и сравнять со значением этого параметра на центральной частоте.

Заключение. Исследования показали, что разбиение резонансной волноводно-щелевой антенной решетки на подрешетки является эффективной мерой, позволяющей добиться сохранения неискаженной диаграммы направленности в рабочей полосе частот. Сравнение полученных результатов с характеристиками антенны, не имеющей разбиения на подрешетки, показывает, что в области главного лепестка диаграммы направленности на центральной частоте и на крайних частотах рабочего диапазона совпадают с графической точностью, а уровень боковых лепестков не превышает –20 дБ.

1. Воскресенский Д. И. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование антенных решеток: учеб. пособие для вузов; под. ред. Д. И. Воскресенского. 4-е изд. М.: Радиотехника, 2012. 744 с.

2. Вешникова И. Е., Евстропов Г. А. Теория согласованных щелевых излучателей // Радиотехника и электроника. 1965. Т. 10, № 7. С. 1181–1189.

3. Евстропов Г. А., Царапкин С. А. Расчет волноводно-щелевых антенн с учетом взаимодействия излучателей по основной волне // Радиотехника и электроника. 1966. Т. 11, № 5. С. 822-830.

4. Лось В. Ф., Космодамианская Н. С. Метод расчета амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве волноводно-щелевой решетки с учетом внутреннего взаимодействия излучателей // Антенны. 1974. Вып. 20. С. 24–32.

5. Яцук Л. П., Жиронкина А. В., Катрич А. В. Возбуждение прямоугольного волновода наклонной и крестообразной щелями // Антенны. 1975. Вып. 22. С. 46–59.

6. Ершов Л. И., Кременецкий С. Д., Лось В. Ф. Электродинамика взаимовлияния в нерезонансных волноводно-щелевых решетках // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1978. Т. 21, № 2. С. 48–54.

7. Электродинамические факторы взаимной связи при проектировании волноводно-щелевых решеток / Л. Д. Бахрах, Л. И. Ершов, С. Д. Кременецкий, В. Ф. Лось // Доклады АН СССР. 1978. Т. 243, № 2. С. 314–317.

8. Ряполов В. В. Расчет волноводно-щелевых резонансных антенн с продольными излучающими щелями // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1985. Вып. 2 (374). С. 29–33.

9. Иванов М. А., Ряполов В. В., Хавкина Т. А. Расчет волноводно-щелевых резонансных антенных решеток // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1990. Вып. 10 (434). C. 9–13.

10. Кошкина Т. В., Максимов О. М. Влияние толщины стенки волновода на резонансную длину излучающих узких прямоугольных щелей // Антенны. 2003. № 12. С. 49–54. URL: http://www.radiotec.ru/article/1966 (дата обращения 22.03.2020).

11. Банков С. Е. Антенные решетки с последовательным питанием. М.: Физматлит, 2013. 416 с.

12. Кременецкий С. Д., Лось В. Ф., Шаманов А. Н. Волноводно-щелевые антенные решетки // Антенны. 2004. № 8–9. С. 47–55. URL: http://www.radiotec.ru/article/1879 (дата обращения 22.03.2020).

13. Кашин А. В. Методы проектирования и исследования волноводно-щелевых антенных решеток // Антенны. 2006. № 3. С. 3–60. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9213036 (дата обращения 22.03.2020).

14. Richardson P. N., Lee H. Y. Design and Analysis of Slotted Waveguide Arrays // Microwave J. 1988. № 6. P. 109–125. doi: 10.1002/1098-2760(20001220)27:63.3.CO;2-J

15. Stern G., Elliott R. Resonant Length of Longitudinal Slots and Validity of Circuit Representation. Theory and experiment // IEEE Trans. on Antennas and Propagation 1985. Vol. 33, № 11. P. 1264–1271. doi: 10.1109/TAP.1985.1143509

16. Coetzee J., Joubert J. W., Tan L. Frequency Performance Enhancement of Resonant Slotted Waveguide Arrays through the Use of Wideband Radiator or Subarraying // Microwave and Optical Technology Lett. 1999. Vol. 22. P. 35–39.

17. Park P. K., Pavlov I. Yu. Characterization of Dumbbell Slots in Rectangular Waveguide by Method of Moments // Proc. 1984 Antennas Applications Symp., IL, USA, Sept. 1984. Piscataway: IEEE, 1984. P. 1–6.

18. Elliott R. S., Kurtz L. A. The Design of Small Slot Arrays // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1978. Vol. AP-26, iss. 2. Р. 214–219. doi: 10.1109/TAP.1978.1141814

19. Elliott R. S. On the Design of Traveling-Wave-Fed Longitudinal Shunt Slot Arrays // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1979. Vol. AP-27, iss. 5. P. 717–720. doi: 10.1109/TAP.1979.1142166

20. Elliott R. S. An Improved Design Procedure for Small Arrays of Shunt Slots // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1983. Vol. AP-31, № 1. P. 48–53. doi: 10.1109/TAP.1983.1143002

21. Elliott R. S., O’Loughlin W. R. The Design of Slot Arrays including Internal Mutual Coupling // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1986. Vol. AP-34, № 9. P. 1149–1154. doi: 10.1109/TAP.1986.1143947

22. Elliott R. S. Antenna Theory and Design. New York: John Wiley & Sons, 2003. 612 p.

23. Sekretarov S. S., Vavriv D. M. A Wideband Slotted Waveguide Antenna Array for SAR Systems // Progress in Electromagnetics Research M. 2010. Vol. 11. P. 165–176. URL: http://www.jpier.org/PIERM/pierm11/14.10010606.pdf (дата обращения 22.03.2020).

24. Koshkid'ko V. G., Migalin M. M. Design and Investigation of a Linear Equidistant Slotted Waveguide Antenna. // 2017 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). Divnomorskoe, Russia, 26–30 June 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 291–294. doi: 10.1109/RSEMW.2017.8103653

25. Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Разработка линейной эквидистантной волноводно-щелевой антенной решетки и анализ ее направленных свойств // Антенны. 2018. № 2. C. 15–20. URL: http://www.radiotec.ru/article/20424 (дата обращения 22.03.2020).

26. Семенихин А. И., Кошкидько В. Г., Климов А. В. Проектирование зеркальных антенн с помощью пакета Mathcad: учеб. пособие. Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2016. 80 с. URL: https://hub.lib.sfedu.ru/repository/material/800914249/ (дата обращения: 22.03.2020).

27. Johnson R. C., Jasik H. Antenna Engineering Handbook. 2nd ed. Portland: McGraw-Hill, 1993. 1408 p.

28. Koshkid'ko V. G., Migalin M. M. Frequency Performance Analysis of a Linear Equidistant Slotted Waveguide Antenna Consisting of Subarrays// 2019 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), Divnomorskoe, Russia, 24–28 June 2019. Piscataway: IEEE, 2017. P. 480–483. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792768

29. Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Применение макросов языка VBScript при моделировании волноводно-щелевых антенн в САПР AnsysHFSS // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23, № 1. С. 6-17. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-1-6-17