Синтез фазокорректирующих элементов на основе полосового фильтра и их применение в антенных решетках проходного типа

Введение. Представлена процедура синтеза фазокорректирующих элементов (ФКЭ) на основе полосового фильтра с помощью специально разработанного программного обеспечения (ПО). Проведено сравнение амплитудно-частотных характеристик синтезированных ФКЭ и LC-фильтров на сосредоточенных элементах. Полученные структуры могут быть применены в отклоняющих и фокусирующих антенных решетках (АР) проходного типа и в низкопрофильных сканирующих антенных системах (АС) наземных терминалов спутниковых систем связи. Это особенно актуально в условиях активного развития спутниковой связи, особенно при использовании средне- и низкоорбитальных космических аппаратов.
Цель работы. Разработка ПО для синтеза ФКЭ на основе полосового фильтра и последующее их применение в отклоняющих и фокусирующих АР проходного типа. Материалы и методы. Для расчета характеристик фильтров использовались программы MATLAB, Filter Solutions и AWR DE. Характеристики ФКЭ получены при помощи электродинамического моделирования методом конечных элементов и методом конечного интегрирования.
Результаты. Произведены расчеты полосовых LC-фильтров по заданным характеристикам: центральная частота – 10 ГГц; полоса пропускания – 40 %; неравномерность в полосе пропускания – 0.1 дБ. Разработано ПО для синтеза ФКЭ на основе фильтров Чебышева 1-го типа четного и нечетного порядков с 3-го по 9-й. Получено хорошее совпадение характеристик фильтра на связанных резонаторах и ФКЭ. Синтезированы отклоняющая и фокусирующая структуры и проведено их электродинамическое моделирование. Угол наклона диаграммы направленности отклоняющей структуры составил 20º. Коэффициент отражения фокусирующей структуры в диапазоне 10.7…12.7 ГГц не превысил –15 дБ. Коэффициент направленного действия изменялся от 25.8 до 28 дБ.
Заключение. Разработанное ПО позволяет синтезировать резонаторные фильтры и ФКЭ различных порядков по заданным характеристикам. ПО позволяет в значительной степени сократить время, затрачиваемое на расчет и синтез большого количества ФКЭ. Синтезированные отклоняющие и фокусирующие структуры могут быть использованы как самостоятельно, так и в качестве управляющих слоев в низкопрофильных сканирующих АС.

1. Антенные системы с широкоугольным механоэлектрическим сканированием / А. В. Станковский, С. В. Поленга, Е. А. Стригова, Ю. П. Саломатов // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 5. С. 50–62. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-5-50-62

2. Khan M. R. A beam steering technique using dielectric wedges / Department of' Electronic and Electrical Engineering, University College London. 1985. 206 p.

3. Griffiths H. D., Khan M. R. Antenna beam steering technique using dielectric wedges // IEE Proc. H. Microwaves, Antennas and Propagation. 1989. Vol. 136, iss. 2. P. 126–131.

4. Вендик И. Б., Вендик О. Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот (обзор) // Журн. техн. физики. 2013. Т. 83, № 1. С. 3–28. doi: 10.1134/S1063784213010234

5. Гуляев Ю. В., Лагарьков А. Н., Никитов С. А. Метаматериалы: фундаментальные исследования и перспективы применения // Вестн. РАН. 2008. Т. 78, № 5. С. 438–449.

6. Engheta N., Ziolkowski R. W. Metamaterials: physics and engineering explorations. New Jersey: John Wiley & Sons, 2006. 440 p. doi: 10.1002/0471784192

7. Полосно-пропускающий фильтр из диэлектрических слоев с субволновыми решетками полосковых проводников на границах / Б. А. Беляев, В. В. Тюрнев, А. С. Волошин, Ан. А. Лексиков, Р. Г. Галеев, В. Ф. Шабанов // Докл. РАН. Физика, технические науки. 2020. Т. 494, № 1. С. 75–81. doi: 10.31857/s2686740020050041

8. Al-Joumayly M. A., Behdad N. Wideband Planar Microwave Lenses Using Sub-Wavelength Spatial Phase Shifters // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. Vol. 59, № 12. P. 4542–4552. doi: 10.1109/TAP.2011.2165515

9. White C. R., Ebling J. P., Rebeiz G. A wide-scan printed planar K-band microwave lens // IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp. 2005. Vol. 4. P. 313–316. doi: 10.1109/APS.2005.1552652

10. Singh N., Choure K. K., Kumari M. A Survey on Free-Standing Phase Correcting gain enhancement Devices // Int. J. of Sci. & Eng. Research. 2013. Vol. 4, iss. 7. P. 109–115.

11. Munk B. A. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. New York: Wiley-Interscience, 2000. 440 p. doi: 10.1002/0471723770

12. A broadband sub-wavelength phase-correcting element for transmit antenna arrays / A. D. Nemshon, A. M. Alexandrin, S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, V. S. Panko, Yu. P. Salomatov // 24th Intern. Crimean Conf. Microwave & Telecommunication Technology, Sevastopol, 07−13 Sept. 2014. IEEE, 2014. P. 469−470. doi: 10.1109/CRMICO.2014.6959483

13. Synthesis of Spatial Band-Pass Filter Based on Frequency-Selective Surfaces / A. V. Stankovsky, Ye. A. Litinskaya, A. D. Nemshon, S. V. Polenga, Yu. P. Salomatov // Ural Symp. on Biomedical Eng., Radioelectronics and Information Technology, Yekaterinburg, Russia, 13–14 May 2021. IEEE, 2021. P. 234–237. doi: 10.1109/USBEREIT51232.2021.9455106

14. Simple and accurate analytical model of planar grids and high-impedance surfaces comprising metal strips or patches / O. Luukkonen, C. Simovski, Gé. Granet, G. Goussetis, D. Lioubtchenko, A. V. Raisanen, S. A. Tretyakov // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. Vol. 56, № 6. P. 1624–1632. doi: 10.1109/TAP.2008.923327

15. Li M., Al-Joumayly M. A., Behdad N. Broad-band True-Time-Delay Microwave Lenses Based on Miniaturized Element Frequency Selective Surfaces // IEEE transactions on antennas and propagation. 2013. Vol. 61, № 3. P. 1166–1179. doi: 10.1109/TAP.2012.2227444

16. Gagnon N., Petosa A. Using Rotatable Planar Phase Shifting Surfaces to Steer a High-Gain Beam // IEEE transactions on antennas and propagation. 2013. Vol. 61, № 6. P. 3086–3092. doi: 10.1109/TAP.2013.2253298

17. Zverev A. I. Handbook of filter synthesis. New York: John Wiley and Sons, 1967. 592 p.

18. Al-Joumayly M. A., Behdad N. A generalized method for synthesizing low-profile, band-pass frequency selective surfaces with non-resonant constituting elements // IEEE transactions on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, № 12. P. 4033–4041. doi: 10.1109/TAP.2010.2078474

19. Алексеев Л. В., Знаменский А. Е., Лоткова Е. Д. Электрические фильтры метрового и дециметрового диапазонов. М.: Связь, 1976. 281 c.