SYNTHESIS OF AMPLITUDE DISTRIBUTION IN INTEGRATED SLOTTED WAVEGUIDE ANTENNA ARRAYS

СИНТЕЗ АМПЛИТУДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ

Научная статья

Панько В.С.^1, *, Кислица А.С.²

¹ Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия;

² АО «Акметрон», Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (vpanko[at]sfu-kras.ru)

Аннотация

В работе описано моделирование и экспериментальное исследование волноводно-щелевых антенных решеток (ВЩАР), изготовленных по технологии интегрированного в подложку волновода (substrate integrated waveguide, SIW). Разработана программа, реализующая синтез ВЩАР по методу Эллиота. В ходе исследования на частоте 10 ГГц синтезированы две ВЩАР размером 1х8 щелей с равномерным и спадающим Дольф-Чебышевским амплитудными распределениями. Для синтезированных ВЩАР разработаны электродинамические модели, расчет по которым подтвердил правильность синтеза. Анализировались амплитудное распределение вдоль ВЩАР, диаграмма направленности, уровень боковых лепестков, коэффициент отражения. По электродинамическим моделям были изготовлены два макета, характеристики макетов измерены в безэховой камере по методу ближнего поля. В ходе измерений получены карты амплитудно-фазового распределения, диаграммы направленности, коэффициенты отражения в диапазоне 9-11 ГГц. Сравнение показало хорошее совпадение измеренных характеристик с результатами моделирования.

Ключевые слова: волноводно-щелевая антенная решетка, метод Эллиота, интегрированный в подложку волновод, SIW.

SYNTHESIS OF AMPLITUDE DISTRIBUTION IN INTEGRATED SLOTTED WAVEGUIDE ANTENNA ARRAYS

Research article

Panko V.S.^1, *, Kislitsa A.S.²

¹ Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia;

² JSC Akmetron, Moscow, Russia

* Corresponding author (vpanko[at]sfu-kras.ru)

Abstract

The article describes the modeling and experimental study of slotted waveguide antenna arrays manufactured via the substrate integrated waveguide technology. The authors introduce a program that implements the synthesis of slotted waveguide antenna arrays using the Elliott method. In the course of the study at a frequency of 10 GHz, two 1x8 slit SWAAs with uniform and falling Dolph-Chebyshev amplitude distributions were synthesized. The study also introduces electrodynamic models for the synthesized SWAAs, the calculation of which confirmed the correctness of the synthesis. The authors analyze the amplitude distribution along the SWAAs, the radiation pattern, the level of the side lobes, and the reflection coefficient. These electrodynamic models allowed for creating two models, the characteristics of which were measured in an anechoic chamber using the near-field method. During the measurements, maps of the amplitude-phase distribution, radiation patterns, reflection coefficients in the range of 9-11 GHz were also obtained. The comparison demonstrates a good correlation between the measured characteristics with the simulation results.

Keywords: slotted waveguide antenna array, Elliott method, substrate integrated waveguide, SIW.

Введение

В радиолокации и других отраслях радиотехники на данный момент широко используются волноводно-щелевые антенные решётки (ВЩАР), так как данный тип антенн позволяет легко реализовать частотное сканирование диаграммы направленности (ДН). ВЩАР имеют хорошие массогабаритные показатели в сравнении с апертурными антеннами, и могут быть выполнены в конформном виде, что позволяет разместить их на самолётах, ракетах и других подвижных носителях. Основным недостатком щелевых антенн является относительно узкая полоса частот, однако, это зачастую не препятствует их применению. Амплитудное распределение в ВЩАР задается смещением щелей относительно центральной линии волновода.

В данной работе для создания ВЩАР используется технология волновода, интегрированного в подложку – Substrate Integrated Waveguide (SIW). Линия передачи такого типа представляет собой структуру, созданную двумя рядами металлизированных отверстий в диэлектрической подложке, покрытой с обеих сторон металлом [1]. Таким образом, интегрированный волновод может быть изготовлен с помощью простых и доступных существующих технологий производства, например в виде печатных плат, или керамики с низкой температурой обжига (LTCC). SIW структуры имеют электродинамические характеристики, сходные с классическим прямоугольным волноводом, в том числе структуру поля и дисперсионные характеристики. SIW технология может быть успешно использована для создания таких устройств, как фильтры, направленные ответвители, фазовращатели, усилители, фазированные антенные решетки и антенны вытекающей волны [2]. В последнее время появилось множество работ, посвященных использованию SIW для создания различных типов антенн и устройств СВЧ [3], [4], [5].

Методы и принципы исследования

В данной работе для синтеза ВЩАР использовался т. н. «метод Эллиота», называемый так по имени его автора. Этот метод позволяет рассчитать произвольную ВЩАР с заданным амплитудным распределением. Математический аппарат метода достаточно подробно изложен в работах [6], [7], [8], его суть заключается в расчете комплексных проводимостей щелей в составе решетки с учетом их взаимного влияния.

Для реализации метода был разработан вычислительный алгоритм и написана программа в среде Matlab, интерфейс программы представлен на рисунке 1. Входными данными для расчета являются рабочая частота, сечение волновода, тип амплитудного распределения и количество щелей в решетке. Результатом работы программы являются смещения щелей относительно средней линии волновода X и их длины L.

Рис. 1 – Интерфейс программы синтеза ВЩАР

 

С помощью разработанной программы были синтезированы две линейные ВЩАР размером 1х8 щелей (рисунок 2): одна с равномерным амплитудным распределением, вторая со спадающим типа Дольф-Чебышева, что обеспечивает пониженный уровень боковых лепестков ДН. Затем произведено их электродинамическое моделирование.

Рис. 2 – Модель ВЩАР

  Первая модель имеет равномерное амплитудное распределение, ее размеры представлены в таблице 1. Центральная частота антенны 10 ГГц.  

Таблица 1 – Смещения и длины щелей ВЩАР с равномерным амплитудным распределением

№	1	2	3	4	5	6	7	8
L, мм	8,611	8,556	8,4	8,42	8,42	8,4	7,704	8,611
X, мм	0,251	-0,183	0,253	-0,182	0,182	-0,253	0,183	-0,251

 

Вторая модель имеет ту же рабочую частоту и количество щелей, но амплитудное распределение принято спадающим, и задано таким образом, чтобы уровень боковых лепестков ДН не превышал минус 20 дБ. Размеры ВЩАР представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Смещения и длины щелей ВЩАР со спадающим амплитудным распределением

№	1	2	3	4	5	6	7	8
L, мм	8,611	8,322	8,42	8,434	8,434	8,42	8,322	8,611
X, мм	0,18	-0,182	0,25	-0,251	0,251	-0,25	0,182	-0,18

 

Основные результаты

Далее на основе рассчитанных моделей были изготовлены два экспериментальных макета из фольгированного СВЧ-диэлектрика Rogers 4003С по обычной технологии производства печатных плат. В безэховой камере проведены измерения характеристик изготовленных макетов по методу ближнего поля (рисунок 3).

Рис. 3 – Измерения характеристик макетов в безэховой камере

 

Результаты измерений ВЩАР с равномерным амплитудным распределением показаны ниже в сравнении с результатами моделирования. На рисунке 4 видно хорошее совпадение графиков коэффициента отражения. Ширина полосы рабочих частот составила 0,3 ГГц, или Δf = 3% по уровню минус 10 дБ. Расчётное значение Δf = 2,3%.

Рис. 4 – Коэффициент отражения ВЩАР с равномерным амплитудным распределением

 

Диаграмма направленности была получена пересчётом распределения поля ближней зоны с помощью программы ScanNearField, являющейся разработкой института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета. На рисунке 5 видно, что ДН реального макета хорошо совпадает с рассчитанной диаграммой направленности. Ширина главного лепестка ДН 17 градусов, уровень боковых лепестков минус 14,3 дБ.

Рис. 5 – Нормированная ДН ВЩАР с равномерным амплитудным распределением

 

На рисунке 6 показаны графики коэффициента отражения для ВЩАР со спадающим амплитудным распределением, видно хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений. Измеренная ширина полосы рабочих частот составила 0,29 ГГц, или Δf = 2,9% по уровню минус 10 дБ, расчётное значение Δf = 2,4%.

Рис. 6 – Коэффициент отражения ВЩАР с амплитудным распределением Дольф-Чебышева

 

Рисунок 7 демонстрирует хорошее совпадение ДН реального макета с расчетной ДН ВЩАР со спадающим амплитудным распределением. Уровень боковых лепестков не превышает значения минус 19,5 дБ, что и было принято за исходную величину при расчете Дольф-Чебышевского распределения.

Рис. 7 – Нормированная ДН ВЩАР с амплитудным распределением Дольф-Чебышева

 

Заключение

Приведенное сравнение экспериментальных и расчетных результатов позволяет заключить, что описанный метод синтеза ВЩАР, реализованный в виде программного алгоритма, является надежным и практически пригодным для разработки антенн данного типа. Разработанная программа может быть использована для синтеза ВЩАР с различными типами амплитудного распределения, изготовленных по технологии интегрированного в подложку волновода.

В дальнейшем планируется расширение функциональных возможностей описанного алгоритма и разработанного программного обеспечения для реализации возможности синтеза двумерных ВЩАР с учетом использования диаграммообразующей схемы.

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

1. Xu F. Guide-Wave and Leakage Characteristics of substrate Integrated Waveguide / F. Xu, K. Wu // IEEE Trans. Microwave Theory & Tech. – 2005. – V. 13, P. 66-73.
2. Bozzi M. Review of Substrate Integrated Waveguide (SIW) Circuits and Antennas / M. Bozzi, A. Georgiadis, K. Wu // IET Microwaves, Antennas and Propagation. – 2011. – Vol. 5. – No. 8.– P. 909–920.
3. Herrero-Sebastián I. Wideband SIW Slot-Array Design Based on Reflection-Slope-Synthesis Method for 5G Services / I. Herrero-Sebastián, C. Benavente-Peces // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2020. – Vol. 19. – No. 12. – P. 2082-2086.
4. Lemberg K. V. High Gain Ku-Band Substrate Integrated Waveguide Slot Antenna Array / K. V. Lemberg, O. A. Nazarov, V. S. Panko et al. // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. – 2015. – Vol. 8.– P. 319-323.
5. Lemberg K. V. X-Band Substrate Integrated Waveguide (SIW) Slot Antenna Array / K. V. Lemberg, O. A. Nazarov, V. S. Panko et al. // 2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. – 2013. – Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk.
6. Elliot R. Design of slot array including internal mutual coupling / R. Elliot, W. O’Loughlin // IEEE transaction on Antennas and Propagation. – 1986. – Vol. 34. – No. 9. – P. 1149-1154.
7. Elliot R. S. Antenna theory and design / R. Elliot. – 2003. – Wiley-IEEE Press. – P. 624.
8. Rashid M. T. Design and Modeling of a Linear Array of Longitudinal Slots on Substrate Integrated Waveguide / M. T. Rashid, A. R. Sebak // 2007 National Radio Science Conference. – 2007. – P. 1-19.