Волноводно-щелевая антенна на основе SIW-волновода

Введение. Волноводно-щелевые антенны широко применяются в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн из-за множества достоинств, среди которых высокие направленные свойства, компактные размеры, плоская форма, удобство подведения питания и высокая эффективность. Вместе с этим наблюдается стремление к уменьшению размеров СВЧ-устройств, их миниатюризации и повышению степени интеграции. Одним из вариантов решения этой задачи является переход к устройствам на основе волноводов, интегрированных в подложку (Substrate Integrated Waveguide – SIW).

Цель работы. Разработка модели волноводно-щелевой антенны, построенной на основе SIW-волновода, с характеристиками, аналогичными антенне, выполненной по традиционной технологии на основе полого металлического волновода.

Материалы и методы. Построение модели исследуемой структуры, электромагнитное моделирование и анализ ее направленных свойств проведены в САПР Ansys HFSS. Для определения координат продольных щелей.на широкой стенке SIW-волновода использован энергетический метод. Для автоматизации операций по созданию и удалению однотипных объектов при построении модели разработаны макросы на языке Visual Basic Scripting Edition. Для печатного исполнения SIW-волновода использован СВЧ-материал Arlon AD300C. Проектирование антенны на основе SIW-волновода выполнялось поэтапно: сначала была разработана эталонная модель на основе полого металлического волновода, затем переходная модель на основе волновода, полностью заполненного диэлектриком, и итоговая модель на основе SIW.

Результаты. На каждом этапе контролировалась диаграмма направленности. В итоге смоделирована антенна на основе SIW-волновода с направленными свойствами, полностью совпадающими со свойствами антенны на основе эталонного полого металлического волновода.

Заключение. На основе моделирования в САПР Ansys HFSS разработана и протестирована волноводно-щелевая антенна на основе SIW-волновода с требуемыми характеристиками. Антенна позволит использовать одно из главных преимуществ SIW-технологии – возможность интегрировать все компоненты на одной подложке, включая антенны, пассивные компоненты и активные элементы, что неизбежно приведет к уменьшению размеров СВЧ-устройств и их миниатюризации

1. Kurudere S., Erturk V. B. Design of substrate integrated waveguide based bandpass filters and power dividers: Master's Thesis / The Department of Electrical and Electronics Engineering and the Graduate School of Engineering and Science of Bilkent University. Ankara, 2013. 110 p. URL: http://hdl.handle.net/11693/15873 (дата обращения 03.03.23)

2. Воскресенский Д. И. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. М.: Сов. радио, 1972. 320 c.

3. Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Исследование частотной зависимости диаграммы направленности резонансной волноводно-щелевой антенной решетки, состоящей из подрешеток, в САПР Ansys HFSS // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23, № 4. С. 15–24. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-4-15-24

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

5. Кошкидько В. Г., Мигалин М. М. Разработка линейной эквивалентной волноводно-щелевой антенной решетки и анализ ее направленных свойств // Антенны. 2018. № 2. С. 15–20.

6. Семенихин А. И., Кошкидько В. Г., Климов А. В. Проектирование зеркальных антенн с помощью пакета Mathcad. Таганрог: Изд-во Южного федерального ун-та, 2016. 80 с.

7. Moitra S., Mukhopadhyay A. K., Bhattacharjee A. K. Ku-Band Substrate Integrated Waveguide (SIW) Slot Array Antenna for Next Generation Networks // Global J. of Computer Science and Technology. 2013. Vol. 13, № 5. P. 11–16.

8. Deslandes D., Wu Ke. Single-Substrate Integration Technique of Planar Circuits and Waveguide Filters // IEEE Trans. on microwave theory and techniques. 2003. Vol. MTT-51, iss. 2. P. 593–596. doi: 10.1109/TMTT.2002.807820

9. Xu F., Wu K. Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide // IEEE Trans. on microwave theory and techniques. 2005. Vol. MTT-53, iss. 1. P. 66–73. doi: 10.1109/TMTT.2004.839303

10. Simulation and experiment on SIW slot array antennas / L. Yan, W. Hong, G. Hua, J. Chen, K. Wu, T. J. Cui // IEEE Microwave and Wireless Components Lett. 2004. Vol. 14, iss. 9. P. 446–448. doi: 10.1109/lmwc.2004.832081

11. Deslandes D. Design equations for tapered microstrip-to-Substrate Integrated Waveguide transitions // 2010 IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Anaheim, USA, 23–28 May 2010. P. 704–707. doi: 10.1109/MWSYM.2010.5517884

12. Logarithmic Slots Antennas Using Substrate Integrated Waveguide / J. Kachhia, A. Patel, A. Vala, R. Patel, K. Mahant // Intern. J. of Microwave Science and Technology. 2015. № 2. Article ID 629797. doi: 10.1155/2015/629797

13. Hilberg W. Strenge berechnung des wellenwiederstandes von parallelen streifenleitungen und lin vergleich mit naherungen // AEÜ. 1971. Bt. 54, № 4. P. 200–205.

14. Djerafi T., Doghri A., Wu K. Substrate Integrated Waveguide Antennas // Handbook of Antenna Technologies. Ed. by Z. Chen. Springer Science+Business Media Singapore, 2015. 60 p. doi: 10.1007/978-981-4560-75-7_57-1

15. Останков А. В., Хрипунов Е. Г. Рупорная SIW-антенна со специальным копланарным переходом и диэлектрической линзой для питания планарной антенны вытекающей волны // Радиостроение. 2020. № 2. C. 1–26. doi: 10.36027/rdeng.0220.0000163