Низкопрофильная антенная решетка сильносвязанных диполей с дифференциальным питанием

Введение. Антенные решетки сильносвязанных диполей в настоящее время относятся к одному из наиболее востребованных типов систем излучателей. Их основные достоинства – электрически малая высота профиля, возможность сканирования луча в широком секторе углов без появления эффекта ослепления, низкий уровень кроссполяризации. Количество публикаций по теме антенных решеток этого типа за последние годы значительно выросло. Большое внимание авторы уделяли симметрирующим устройствам в составе излучателей. Однако малоизученной остается возможность реализации простого дифференциального питания плеч диполей в антенных решетках такого типа, что делает исследование этого вопроса особенно актуальным при разработке радиотехнических устройств, где такая схема питания является предпочтительной.

Цель работы. Разработать конструкцию элемента антенной решетки сильносвязанных дипольных излучателей с дифференциальным питанием и исследовать ее характеристики.

Материалы и методы. Для изготовления макета применялись следующие материалы: лист медный, диэлектрик RO3003, ситалловая подложка СТ-50-1. Численное исследование характеристик выполнялось в программе ANSYS HFSS, экспериментальное исследование макета – в безэховой камере с применением автоматизированного измерительного комплекса и векторного анализатора цепей.

Результаты. Представлены результаты проектирования плоской антенной решетки сильносвязанных диполей X-диапазона. В антенной решетке питание каждого из плеч диполей осуществляется при помощи отдельного коаксиального кабеля, при этом 2 плеча одного диполя запитываются в противофазе. Приведены результаты численного исследования характеристик антенной решетки 8 × 8 из разработанных элементов. В диапазоне от 6.5 до 12.25 ГГц средний активный коэффициент стоячей волны по напряжению не превышает 3, при этом коэффициент усиления варьируется от 21.5 до 25.7 дБи. Показана возможность сканирования луча в секторе углов до ±45°. Приведены результаты экспериментального исследования характеристик излучения и согласования макета одного элемента.

Заключение. Показана важность проведения расчетов с учетом эффектов, возникающих на краях антенных решеток конечных размеров. Экспериментально подтверждена целесообразность изготовления и измерений макетов антенных решеток с большим количеством элементов. Предложенная конструкция элемента показала возможность реализации дифференциального питания в антенных решетках сильносвязанных дипольных излучателей.

1. Opportunities and advances in ultra-wideband electronically scanned arrays / J. T. Logan, R. W. Kindt, M. Y. Lee, M. N. Vouvakis // Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Fajardo, USA, 26 June–01 July 2016. IEEE, 2016. P. 431–432. doi: 10.1109/APS.2016.7695924

2. Elsallal M. W., Mather J. C. An ultra-thin, decade (10∶1) Bandwidth, modular "BAVA" array with low cross-polarization // Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Spokane, USA, 03–08 July 2011. IEEE, 2011. P. 1980–1983. doi: 10.1109/APS.2011.5996893

3. Holland S. S., Vouvakis M. N. The Banyan Tree Antenna Array // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. Vol. 59, № 11. P. 4060–4070. doi: 10.1109/TAP.2011.2164177

4. Livingston S., Lee J. J. A wide band low profile dual-pol "Thumbtack" array // Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, USA, 12–15 Oct. 2010. IEEE, 2010. P. 477–483. doi: 10.1109/ARRAY.2010.5613323

5. Compact light weight UHF arrays using long slot apertures / J. J. Lee, S. Livingston, R. Koenig, D. Nagata, L. L. Lai // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. Vol. 54, № 7. P. 2009–2015. doi: 10.1109/TAP.2006.877169

6. Lee J. J., Livingston S., Nagata D. A low profile 10:1 (200–2000 MHz) wide band long slot array // Antennas and Propagation Society Intern. Symp., San Diego, USA, 05–11 July 2008. IEEE, 2008. P. 1–4. doi: 10.1109/APS.2008.4619302

7. Long slot arrays part 2: ultra wideband test results / J. J. Lee, S. Livingston, R. Koenig, D. Nagata, L. Lai // Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Washington, USA, 03–08 July 2005. IEEE, 2005. Vol. 1A. P. 586–589. doi: 10.1109/APS. 2005.1551387

8. A low-profile broadband phased array antenna / B. Munk, R. Taylor, T. Durharn, W. Croswell, B. Pigon, R. Boozer, S. Brown, M. Jones, J. Pryor, S. Ortiz, J. Rawnick, K. Krebs, M. Vanstrum, G. Gothard, D. Wiebelt // Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Columbus, USA, 22–27 Jun. 2003. IEEE, 2003. Vol. 2. P. 448–451. doi: 10.1109/APS.2003.1219272

9. Gevorkyan A. V., Privalova T. Y., Yukhanov Y. V. Radiation Characteristics of the Low Profile Dipole Antenna // Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS-Toyama), Toyama, Japan, 01–04 Aug. 2018. IEEE, 2019. P. 1621–1625. doi: 10.23919/PIERS.2018.8597967

10. Novak M. H., Volakis J. L. Ultrawideband Antennas for Multiband Satellite Communications at UHF–Ku Frequencies // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63, № 4. P. 1334–1341. doi: 10.1109/TAP.2015.2390616

11. Holland S. S., Vouvakis M. N. The Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) Array // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, № 1. P. 130–140. doi: 10.1109/TAP.2011.2167916

12. Au V. B., Bobkov I. N., Yukhanov Y. V. Low-Profile Circularly Polarized Tightly Coupled Dipole Array // IEEE 8th All-Russ. Microwave Conf. (RMC), Moscow, Russia, 23–25 Nov. 2022. IEEE, 2022. P. 207–210. doi: 10.1109/RMC55984.2022.10079477

13. A New Class of Planar Ultrawideband Modular Antenna Arrays with Improved Bandwidth / J. T. Logan, R. W. Kindt, M. Y. Lee, M. N. Vouvakis // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66, iss. 2. P. 692–701. doi: 10.1109/TAP.2017.2780878

14. Lee M. Y., Kindt R. W., Vouvakis M. N. Polarization properties of finite ultra-wideband arrays // 31st Intern. Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics (ACES), Williamsburg, USA, 22–26 March 2015. IEEE, 2015. P. 1–2.

15. Merola C. S., Vouvakis M. N. UHF planar ultra-wideband modular antenna (PUMA) arrays // Intern. Symp. on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, USA, 09–14 July 2017. IEEE, 2017. P. 1803–1804. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072944

16. Logan J. T., Vouvakis M. N. Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) arrays scalable to mmwaves // Antennas and Propagation Society Intern. Symp. (APSURSI), Orlando, FL, USA, 07–13 July 2013. IEEE, 2014. P. 624–625. doi: 10.1109/APS.2013.6710972

17. A 6:1 bandwidth PUMA array at 7mm scale / R. Kindt, R. Mital, J. Logan, M. Lee, M. Vouvakis // Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology (PAST), Waltham, USA, 18–21 Oct. 2016. IEEE, 2017. P. 1–4. doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832626

18. Lee M. Y., Kindt R. W., Vouvakis M. N. Planar ultrawideband modular antenna (PUMA) wavelengthscaled array // Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Fajardo, USA, 26 June–01 July 2016. IEEE, 2016. P. 435–436. doi: 10.1109/APS.2016.7695926

19. Simplified design of 6∶1 PUMA arrays / M. Y. Lee, J. T. Logan, R. W. Kindt, M. N. Vouvakis // Intern. Symp. on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Vancouver, Canada, 19–24 July 2015. IEEE, 2015. P. 2515–2516. doi: 10.1109/APS.2015.7305646

20. Tightly Coupled Array Antennas for Ultra-Wideband Wireless Systems / Y. Zhou, F. Zhu, S. Gao, Q. Luo, L.-H. Wen, Q. Wang, X. X. Yang, Y. L. Geng, Z. Q. Cheng // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 61851–61866. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2873741

21. Holzman E. On the use of dummy elements to match edge elements in transmit arrays // Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, USA, 15–18 Oct. 2013. IEEE, 2014. P. 549–552. doi: 10.1109/ARRAY.2013.6731887