Щелевая антенная решетка на П-волноводе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Щелевая антенная решетка на П-волноводе

А.О. Пелевин, В.В. Земляков, Г.Ф. Заргано

Аннотация

Представлен вариант применения П-волноводов для построения антенной решетки с близко расположенными к центральной оси волновода щелями. Выполнено моделирование нерезонансной 20-элементной переменно-фазной щелевой решетки на основе как прямоугольного, так и П-образного волновода для двух видов гребня в программном пакете CST Microwave Studio. В работе показано, что применение П-волновода позволяет приблизить щель к центральной оси волновода с улучшением характеристик направленности и увеличения рабочего диапазона результирующей антенной решетки, а также получить существенное преимущество в ее массогабаритных показателях.

Ключевые слова: щелевая антенная решетка, П-волновод, критическая частота, коэффициент усиления.

Ridged slotted waveguide antenna array

Abstract. The paper presents the results of CST Microwave Studio simulation of characteristics of 20-slot travelling-wave ridged waveguide antenna. The results show that waveguide ridging makes it possible to place a slot closer to the waveguide centerline as compared to similar rectangular waveguide design while improving the gain and efficiency of resulting antenna.

Keywords: slotted waveguide antenna, single-ridge waveguide, cut-off frequency, realized gain.

Введение

В качестве составных элементов фазированных антенных решеток (ФАР) широко применяются волноводно-щелевые антенные решетки [1, 2]. Расширение диапазонных свойств, снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности, увеличение угла сканирования, а также улучшение массогабаритных показателей является перспективной задачей при проектировании ФАР. Использование волноводов со сложным поперечным сечением является одним из возможных подходов к решению этой задачи [3-6]. В данной работе рассматривается применение П-волноводов для проектирования щелевой антенной решетки, а также выполнено сравнение с аналогичной решеткой, построенной на прямоугольном волноводе (рис.1).

Рис. 1. Геометрия фрагмента антенной решетки на прямоугольном (а) и П-волноводах (б, в)

а=23 мм, b=10 мм, w=1,5 мм, L=15 мм, t=1 мм, d=22,5 мм, a1=16 мм,

b1=8 мм, h=4,75 мм, v=1,15 мм, v1=11,5 мм, x=1,5 мм

щелевая антенная решетка волновод

При построении ФАР на основе волноводно-щелевых антенных решеток принято учитывать величину смещения щелей от центральной оси волновода, так как она влияет на интервал сканирования по углу в E-плоскости. Размещение щелей ближе к центральной оси волновода позволяет расширить угол сканирования ФАР, в результате уменьшения побочных максимумов диаграммы направленности [3]. Свойство П-волновода концентрировать, за счет присутствия продольного металлического гребня, электромагнитное поле в центре волновода позволило приблизить щели к оси волновода при сохранении существующих характеристик направленности, тем самым успешно заменить прямоугольный волновод.

При переходе от прямоугольного к П-волноводу важно сохранять эквивалентную среду распространения основной волны. Для этого необходимо подобрать П-волновод с таким же критическим волновым числом основной волны, как и у прямоугольного волновода. Затем сравнить коэффициенты усиления (КУ) одиночных щелей в прямоугольном и П-волноводе при одинаковом смещении щели от центральной оси, сопоставить КУ волноводно-щелевых антенных решеток на прямоугольном и П-волноводе в рабочем интервале частот [4].

1. Способ перехода от построения антенной решетки на прямоугольном волноводе к построению антенной решетки на П-волноводе

Волноводно-щелевая антенная решетка на основе прямоугольного волновода с 20 излучающими элементами была взята за основу данного исследования [2]. На протяжении всего исследования предполагается работа волноводов на основной волне. Критическая частота основной волны в прямоугольном волноводе сечением а = 23 мм, b = 10 мм с воздушным заполнением составляет f_кр = 6,52 ГГц. Электродинамический расчет параметров критического режима в П-волноводе, проведенный методом частичных областей с учетом особенности на ребре [4], позволил достаточно точно определить все возможные размеры гребня П-волновода с поперечным сечением a1 = 16 мм, b1 = 8 мм, при которых критическая частота основной волны также равна fкр = 6,52 ГГц (рис.2).

Рис. 2. Ширина v и высота h гребня, для которых f_кр = 6,52 ГГц

По результатам расчета (рис.2) можно сделать вывод, что критическая частота основной волны f_кр = 6,52 ГГц может быть получена при использовании как «узкого» так и «широкого» гребня в П-волноводе сечением a1 = 16 мм, b1 = 8 мм (рис. 1б, 1в).

Были получены коэффициенты стоячей волны (КСВ), направленного действия (КНД), полезного действия (КПД), а также коэффициенты усиления.

КПД рассчитывался на основе потерь на отражение и поглощение в согласованной нагрузке по формуле КПД = 1 - (S₁₁² + S₁₂²), соответственно - КУ = КНД * КПД. Для построения щелевой антенной решетки был выбран П-волновод поперечного сечения a1 = 16 мм и b1 = 8 мм с высотой гребня h = 4,75 мм при двух значениях ширины гребня: v = 1,15 мм ("узкий") и v1=11,5 мм ("широкий"), как показано на рис.1 б, в.

На рис. 3 показаны КУ одиночного щелевого излучателя в зависимости от его смещения от центральной оси для прямоугольного и П-волноводов на частоте 10,0 ГГц. Из проведенного анализа КУ следует, что при минимальном смещении щели (x = 1,5 мм) КУ для П-волновода имеет преимущество по сравнению с прямоугольным волноводом в 5 дБ, при применении как широкого, так и узкого гребня.

Рис. 3. Коэффициент усиления щелевого излучателя при разном смещении от оси прямоугольного и П-волноводов

Смещение щели от центральной оси П-волновода было выбрано минимальным (x = 1,5 мм) с точки зрения ее возбуждения. В исследовании использовались длина L и ширина w щелей, а также расстояние между щелями d аналогичные размерам, приведенным в работе [2] для щелевых антенн на прямоугольных волноводах. На рис. 4 представлено сравнение КУ одиночной щели для прямоугольного волновода и П-волноводов с двумя типами гребней. Анализ показывает, что щель в П-волноводе обладает более высоким коэффициентом усиления в более широком интервале частот, как для «узкого», так и для «широкого» гребня.

Рис. 4. Коэффициент усиления щелевого излучателя при смещении х=1,5 мм от оси симметрии на прямоугольном и П-волноводах

2. Сравнительный анализ решеток на прямоугольном и П-волноводах

На рис.5 представлены графики частотной зависимости КПД для трех видов рассматриваемых 20-элементных антенных решеток. В результате сравнения следует что антенные решетки на П-волноводе показывают существенной преимущество в КПД на частоте F=10 ГГц, при этом во всех случаях КСВ не превышал 1,25 в рабочем диапазоне частот.

Рис. 5. КПД щелевых антенных решеток на прямоугольном волноводе и П-волноводах

На рис. 6 сравниваются КУ антенных решеток на прямоугольном волноводе и П-волноводах с «узким» и «широким» гребнями. Из показанных графиков следует, волноводно-щелевая антенная решетка на П-волноводе с «узким» гребнем имеет больший КУ, чем у решетки на П-волноводе с «широким» гребнем и решетки на прямоугольном волноводе. Важно отметить, что высокий КУ у решетки на П-волноводе сохраняется в широкой полосе частот.

Рис. 6. КУ 20-элементной антенной решетки на прямоугольном и П-волноводах

Заключение

Представлен поэтапный переход от построения волноводно-щелевой антенной решетки на прямоугольном волноводе к построению решетки на П-волноводе. Для П-волновода с поперечным сечением 16х8 мм найдены все сочетания ширины и высоты гребня, обеспечивающие критическую частоту основной волны f_кр = 6,52 ГГц, как и у прямоугольного волновода с поперечными размерами 23х10 мм.

Как для одиночной щелевого излучателя, так и для антенной решетки установлено, что при малом удалении щели от центральной оси антенная решетка на П-волноводе имеет больший коэффициент усиления, чем решетка на прямоугольном волноводе. С использованием 20-элементной переменно-фазной волноводно-щелевой антенной решетки показано, что по сравнению с решеткой на прямоугольном волноводе, решетка на П-волноводе имеет больший (в 1,5 раза) КПД и коэффициент усиления на 2 дБ выше. На основании полученных результатов можно заключить, что применение волновода с П-образным поперечным сечением дает возможность приблизить щелевой излучатель непосредственно к оси волновода при улучшении КПД на центральной частоте 10 ГГц и КУ в более широкой полосе частот. Применение волноводно-щелевых решеток на основе П-волноводов вместо решеток на прямоугольных волноводах даёт также преимущество в габаритных размерах с сохранением антенных характеристик.

Литература

1. Мануилов М.Б., Лерер В.А., Синявский Г.П. Эффективный метод электродинамического анализа волноводно-щелевых антенных решеток. - Радиотехника и Электроника. 2008 т. 53 №8. с. 1-11.

2. Green J., Shnitkin H., Bertalan J.P. «Asymetric Ridge Waveguide Radiating Element for a Scanned Planar Array». IEEE Transaction on antennas and propagations. Vol.38, NO. 8, AUGUST 1990

3. Заргано Г.Ф., В.П. Ляпин, В.С. Михалевский и др. «Волноводы сложных сечений» - М.: Радио и связь, 1986. -124 с.

4. Бороденко С.С., Заргано Г.Ф., Земляков В.В. Электродинамический анализ асимметричного П-волновода и щелевых излучающих элементов на его основе // Антенны, 2013, № 10, с. 62-68.

5. Kim D.Y., Elliot R.S. «A design procedure for slot antenna arrays fed by single-ridged waveguide». IEEE Transaction on antennas and propagations. Vol.36,NO.11 November 1988

6. Wei Wang, Shun-Shi Zhong, Yu-Mei Zhang, Xian-Ling Liang «A broadband slotted ridge waveguide antenna array». IEEE Transaction on antennas and propagations. Vol.54, NO.8 August 2006

References

1. Manuilov M.B., Lerer V.A., Sinyavskii G.P. An efficient method for the electromagnetic analysis of slotted-waveguide antenna arrays. - Journal of Communications Technology and Electronics. 2008 vol. 53 №8. p. 1-11.

2. Green J., Shnitkin H., Bertalan J.P. «Asymetric Ridge Waveguide Radiating Element for a Scanned Planar Array». IEEE Transaction on antennas and propagations. Vol.38, NO. 8, AUGUST 1990

3. Zargano G.F., Lyapin V.P., Mikhalevskiy V.S. i dr. Volnovody slozhnykh secheniy [The

waveguides of complex cross-sections]. Moscow: Radio i svyaz', 1986, 124 p.

4. Borodenko S.S., Zargano G.F., Zemlyakov V.V., Electrodynamic analysis of asymmetric ridged waveguide and radiating slot elements on its basis, Antenny [Antennas], 2013, NO. 10, pp. 62-68.

5. Kim D.Y., Elliot R.S. «A design procedure for slot antenna arrays fed by single-ridged waveguide». IEEE Transaction on antennas and propagations. Vol.36,NO.11 November 1988

6. Wei Wang, Shun-Shi Zhong, Yu-Mei Zhang, Xian-Ling Liang «A broadband slotted ridge waveguide antenna array». IEEE Transaction on antennas and propagations. Vol.54, NO.8 August 2006

Размещено на Allbest.ru