СВЧ-антенна с веерной диаграммой направленности

Актуальность темы обусловлена необходимостью создания высоконаправленных низкопрофильных антенн с веерной диаграммой направленности, предназначенных для решения поисковых, мониторинговых и задач удаленной связи в СВЧ-диапазоне.

Целью исследования является разработка антенны вытекающей волны СВЧ-диапазона с простой конструкцией излучающего раскрыва, обладающей веерной диаграммой направленности с узкой шириной главного лепестка в одной из плоскостей и сниженным уровнем бокового излучения.

Методы. Аналитический обзор научных публикаций для обоснования выбора ключевых параметров геометрии излучающего раскрыва антенны вытекающей волны СВЧ-диапазона. Численно-аналитическое моделирование антенны на основе оригинальной проекционной 2D-модели, учитывающей краевые эффекты, полноволновое трехмерное моделирование методом конечных интегралов Вейланда, параметрический синтез излучающего раскрыва.

В ходе решения задачи разработана низкопрофильная линейная антенна СВЧ-диапазона (9,3–9,4 ГГц) с веерной диаграммой направленности, излучающий раскрыв которой реализован на основе диэлектрической линии передачи, включающей плоский диэлектрический волновод, экранированный проводящей квазипериодической решеткой, и возбуждаемый рупорно-линзовым устройством. Антенна с площадью излучающего раскрыва менее 0,2 м² обладает коэффициентом полезного действия, составляющим около 89 %, способна гарантировать коэффициент усиления не хуже 31,5 дБ при ширине диаграммы направленности в Е-плоскости, равной 1,2 °, и уровне бокового излучения около –19 дБ.

Научная новизна работы определяется авторским подходом к комбинированию методов анализа и синтеза линейной антенны вытекающей волны на основе 2D- и 3D-моделей, позволяющим существенно сократить сроки проектирования и улучшить ее характеристики. Впервые в отечественной практике продемонстрирована возможность реализации высоконаправленной СВЧ-антенны вытекающей волны с низкопрофильным излучающим раскрывом простой конструкции и сниженным уровнем бокового излучения в рабочей плоскости.

Практическая значимость. Разработанная методика позволяет проектировать низкопрофильные антенны вытекающей волны с типовой и специальной диаграммами направленности на основе математических методов с последующей верификацией посредством полноволнового моделирования. Полученные в работе результаты могут быть использованы для решения поисковых, мониторинговых и задач удаленной связи, где важным требованием является узкая диаграмма направленности антенны в сочетании со сниженным уровнем бокового излучения.

1. Петров А.С. Принципы реализации систем дистанционного зондирования Земли с высоким разрешением в широкой полосе захвата // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 2. С. 44–57. DOI:10.18127/j20700784-202302-04. EDN:WLHDJZ

2. Batool S., Frezza F., Mangini F., Simeoni P. Introduction to Radar Scattering Application in Remote Sensing and Diagnostics: Review // Atmosphere. 2020. Vol. 11. Iss. 5. P. 517. DOI:10.3390/atmos11050517. EDN:FUUZLR

3. Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г., Курков И.Г., Хохлов С.М. Некоторые направления развития многопозиционных радиотехнических систем дистанционного зондирования Земли // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2016. № 1(21). С. 22–30. EDN:VSLOCD

4. Меркулов В.И., Лось В.Ф., Чернов В.С. Особенности построения антенных систем многодиапазонных бортовых радиолокационных комплексов мониторинга окружающего пространства // Успехи современной радиоэлектроники. 2017. № 4. С. 3–12. EDN:YZMCIN

5. Гринев А.Ю., Подберезный А.В. Методы и технические решения построения широкоугольных сканирующих плоских антенных систем // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 2. С. 58–76. DOI:10.18127/j20700784-202302-05. EDN:TBLKKB

6. Проскурин Д.К. Антенные системы двухпозиционного радиолокатора для обнаружения беспилотных летательных аппаратов // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2024. № 30. С. 96–107. EDN:VAHPBN

7. Галуза М.А., Климов А.И., Кузнецов А.В., Нечаев Ю.Б. Сканирующие антенны вытекающей волны КВЧ-диапазона // Антенны. 2019. № 4(258). С. 33–40. DOI:10.18127/j03209601-201904-03. EDN:JAHIOK

8. Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки. М.: Техносфера, 2012. 560 с.

9. Мануилов М.Б. Волноводные антенные решетки и устройства СВЧ. Ростов-на-Дону: Южный федеральный университет, 2021. 314 с. DOI:10.18522/801287815. EDN:TXKCMF

10. Синани А.И., Гринев А.Ю., Мосейчук Г.Ф., Багно Д.В., Зайкин А.Е., Ильин Е.В. Результаты исследований и разработки излучающих систем антенных решеток // Антенны. 2021. № 5(273). С. 52–64. DOI:10.18127/j03209601-202105-06. EDN:ZNSOCH

11. Евдокимов А.П. Антенны дифракционного излучения // Физические основы приборостроения. 2013. Т. 2. № 1(6). С. 108–125. EDN:OSLBSO

12. Седельников Ю.Е., Олейник Е.Ю., Шаабан М. Линейные антенные решетки КВЧ диапазона на диэлектрических волноводах // Журнал радиоэлектроники. 2018. № 8. С. 8. DOI:10.30898/1684-1719.2018.8.1. EDN:VAQINQ

13. Munawar H.S. Applications of Leaky-wave Antennas: A Review // International Journal of Wireless and Microwave Technologies. 2020. Vol. 10. Iss. 3. PP. 56–62. DOI:10.5815/ijwmt.2020.03.05. EDN:DQJURE

14. Lyu Y.L., Liu X.X., Wang P.Y., Erni D., Wu Q., Wang C., et al. Leaky-Wave Antennas Based on Noncutoff Substrate Integrated Waveguide Supporting Beam Scanning From Backward to Forward // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2016. Vol. 64. Iss. 6. PP. 2155–2164. DOI:10.1109/TAP.2016.2550054

15. Melezhik P.N., Sidorenko Yu.B., Provalov S.A., Andrenko S.D., Shilo S.A. Planar antenna with diffraction radiation for radar complex of millimeter band // Radioelectronics and Communications Systems. 2010. Vol. 53. Iss. 5. PP. 233–240. DOI:10.3103/S073527271005002X. EDN:XKKEKH

16. Salman A.O. On the antenna efficiencies for the dielectric leaky-wave antennas with a sinusoidal metallic diffraction grating coupled from the broad and the narrow face of the dielectric // Microwave and Optical Technology Letters. 2011. Vol. 53. Iss. 9. PP. 2030–2034. DOI:10.1002/mop.26223

17. Крюков Д.Ю., Останков А.В., Пастернак Ю.Г., Юдин В.И. Высокотехнологичная антенна вытекающей волны на основе дифракционной решетки с периодической гребенчатой структурой // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 6. С. 80–83. EDN:VATVLR

18. Останков А.В., Чернышев А.Ю., Крюков Д.Ю., Калинин Ю.Е. Интегрированная линейная антенна вытекающей волны с большим коэффициентом усиления // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 7. С. 64–67. DOI:10.18127/j00338486-202407-13. EDN:IUQOON

19. Шестопалов В.П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. Киев: Наукова думка, 1985. 216 с.

20. Останков А.В., Кирпичёва И.А., Рябчунов А.И. Угловая дисперсия антенны дифракционного излучения // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 4. С. 76–79. EDN:UJKBLN

21. Стешенко С.А. Синтез антенны вытекающих волн по заданному распределению поля на апертуре // Радиофизика и радиоастрономия. 2013. Т. 18. № 4. С. 373–380.

22. Крыжановский В.В., Крыжановский С.В., Стешенко С.А., Чистякова О.В. Резонансные свойства системы планарный диэлектрический волновод-гребенка // Радиофизика и электроника. 2008. Т. 13. № 3. С. 481–488.

23. Останков А.В. Дифракционная антенна вытекающей волны с нестандартной реализацией излучающего раскрыва // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 8. С. 17–26. EDN:MTGMEV

24. Банков С.Е. Антенные решетки с последовательным питанием. М.: Физматлит, 2013. 416 с. EDN:UGLFRF

25. Останков А.В. Анализ и оптимизация дифракционной антенны поверхностной волны // Антенны. 2010. № 9(160). С. 44–53. EDN:NCEWET

26. Сабанин В.Р., Смирнов Н.И., Репин А.И. Модифицированный генетический алгоритм для задач оптимизации и управления // Exponenta Pro. Математика в приложениях. 2004. № 3–4. С. 78–85. EDN:TAXZCP