Вестник Воронежского института МВД России №
4 / 2017
175
Д.А. Ерошенко
А.И. Климов,
доктор технических наук,
доцент
А.В. Кузнецов,
Воронежское центральное
конструкторское бюро
«Полюс»
ПЛОСКАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ДИАПАЗОНА КВЧ
С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ
PLANAR EHF HIGH GAIN ANTENNA ARRAY
Представлены результаты компьютерного моделирования плоской антенной
решетки вытекающей волны для радиотехнических устройств диапазона 93—96 ГГц.
Антенна имеет простую однослойную структуру с волноводным входом и обеспечивает
высокую эффективность излучения (56%) при коэффициенте усиления не менее 30 дБ.
The results of computer simulation of a planar leaky-wave antenna array for radio
technique devices of 93—96 GHz frequency range. The antenna has a simple single layer
structure with waveguide input and provides high radiation efficiency (56%) while the anten-
na gain is not less than 30 dBi.
В настоящее время происходит интенсивное освоение диапазона КВЧ для по-
строения радиотехнических систем передачи информации, радиолокационных
устройств и
систем, охранных систем и контрольно-измерительной аппаратуры. При-
мерами служат высокоскоростные радиорелейные и спутниковые системы передачи,
комплексы контроля дорожного движения, устройства контроля дорожной обстановки
для автотранспорта, охранные устройства и измерительные датчики (например, датчи-
ки уровня и вибрации) [1—8]. Одновременно ведутся разработки компактных эффек-
тивных антенн, которые могли бы прийти на смену традиционно используемым на ча-
стотах свыше 20—30 ГГц зеркальным и рупорным антеннам. Известные на сегодняшний
день компактные плоские антенны СВЧ и КВЧ можно отнести к следующим типам:
- полосковые и микрополосковые антенные решетки;
- волноводно-щелевые антенные решетки;
Радиотехника и связь
176
- антенны (антенные решетки) вытекающей волны.
Полосковые и микрополосковые антенные решетки (МПАР) характеризуются ма-
лыми габаритами и массой, достаточно высокой технологичностью изготовления, воз-
можностью реализации произвольных амплитудных распределений тока в излучателях
и,
соответственно, формирования диаграмм направленности (ДН) с низким уровнем
боковых лепестков (УБЛ) вплоть до значений менее −20 дБ. В зависимости от схемы
питания излучателей и требуемых значений коэффициента направленного действия
(КНД) и коэффициента усиления МПАР удовлетворительно
работают в относитель-
ной полосе частот до 5—15%. Предельные значения КНД МПАР типовых конструкций
в диапазоне СВЧ достигают 28—33 дБ [9]. МПАР могут иметь как линейную, так и
круговую поляризацию, в том числе две ортогональных поляризации.
Стоимость
МПАР в основном определяется стоимостью фольгированных диэлектриков СВЧ и
может быть относительно невысокой с учетом малой массы антенн. Главным извест-
ным недостатком МПАР является существенный рост потерь мощности с увеличением
рабочей частоты, выражающийся в соответствующем снижении коэффициента полез-
ного действия (КПД). В первую очередь речь идет о тепловых потерях в диэлектриче-
ских подложках и металлических элементах, а также о потерях на паразитное излуче-
ние схем питания и потерях на возбуждение в подложках нежелательных поверхност-
ных волн. Причем, чем выше требуемый КНД МПАР, тем больше должна быть пло-
щадь раскрыва антенны (естественно, и число излучателей),
тем ниже оказывается
КПД и, как следствие, эффективность излучения и коэффициент усиления антенны. На
частотах порядка 25 ГГц среднее значение КПД достигает 50—70%, на частотах поряд-
ка 35—40 ГГц — снижается до 30—50 %, а на частотах свыше 60 ГГц — до 15—30% с
соответствующими потерями в коэффициенте усиления.
Современные волноводно-щелевые антенные решетки (ВЩАР) выпускаются как
в классическом исполнении на основе чисто металлических конструкций, так и с исполь-
зованием довольно новой технологии SIW-волноводов (Substrate Integrated Waveguide),
интегрированных с диэлектрической подложкой (так называемые «Post-Wall» структуры
[10, 11]). КПД классических ВЩАР на основе металлических конструкций даже на ча-
стотах 60—80 ГГц достигает 95% , тогда как у ВЩАР на основе SIW он несколько ниже:
40—70% [10, 11]. В плане простоты, технологичности и невысокой стоимости перспек-
тивными представляются ВЩАР на основе SIW, но такие ВЩАР в варианте с централь-
ным питанием имеют пока практически не устраненный недостаток — высокий УБЛ
ДН, составляющий не менее −(7—9) дБ. Классические ВЩАР, хотя и чрезвычайно сложны
по конструкции и весьма нетехнологичны, при параллельном питании на частотах свыше
60 ГГц обладают коэффициентом усиления порядка 34—36 дБ в полосе частот до 5—20%
и могут быть рассчитаны на получение весьма низкого УБЛ — вплоть до −(25—35) дБ.
Перспективными кандидатами для использования в аппаратуре радиосистем
СВЧ и КВЧ диапазонов являются плоские антенны и антенные решетки вытекающей
волны (АВВ) [12, 13]. Одну из групп АВВ можно отнести к так называемым дифракци-
онным антеннам в смысле использования в конструкции
антенн дифракционной ре-
шетки и, соответственно, явления дифракции на ней поверхностных (при излучении)
или объемных (при приеме) электромагнитных волн [13]. Значительный интерес в
классе плоских АВВ СВЧ и КВЧ имеют антенны, содержащие плоский диэлектрический
волновод (ПДВ) и дифракционную решетку (ДР) из металлических полосок [13—15].
В режиме излучения в ПДВ возбуждается неоднородная (поверхностная) волна, кото-
рая, распространяясь вдоль его продольной оси, испытывает дифракцию на элементах
