Рупорная SIW-антенна со специальным копланарным переходом и диэлектрической линзой для питания планарной антенны вытекающей волны


https://doi.org/10.36027/rdeng.0220.0000163

Полный текст:


Аннотация

В статье описываются основные этапы и особенности разработки устройства питания для антенны вытекающей волны диапазона КВЧ. Задача обеспечения питания может быть эффективно решена с помощью рупорной антенны, выполненной на основе технологии SIW и интегрированной на одной подложке с излучающей апертурой антенны вытекающей волны. В отличие от большинства аналогичных исследований, в которых анализируются случаи возбуждения апертуры из структуры закрытого типа, в работе синтезировано устройство питания антенны открытого типа.

Выполнен краткий обзор основных достижений в области проектирования традиционных SIW-структур и приведены соотношения, необходимые для их расчёта. На основе результатов электромагнитного моделирования методом конечных интегралов Вейланда выявлено влияние диэлектрической проницаемости подложки на эффективность SIW-линии передачи. Рассмотрены наиболее распространенные типы волноводных переходов к SIW, включая микрополосковые линии и заземленные копланарные волноводы (GCPW). Определены условия выбора конструкции перехода в зависимости от требуемой ширины полосы пропускания и габаритов подложки. Особое внимание уделено нестандартному копланарному переходу с дополнительной заземленной поверхностью (EGCPW), который целесообразно использовать в случае подложек большой толщины. На его основе разработан и представлен новый, более эффективный EGCPW-переход, дополнительная заземленная поверхность которого содержит специальным образом выполненные щели (SEGCPW). Даны рекомендации по настройке перехода.

На основе моделирования получены зависимости коэффициента усиления от ширины апертуры H-плоскостной SIW-рупорной антенны, которые использованы для выбора ее оптимальных размеров. Установлено, что для согласования устройства возбуждения и апертуры антенны вытекающей волны и уменьшения уровня бокового излучения показано использовать диэлектрическую линзу со сквозными отверстиями. На основе моделирования элементарной ячейки линзы получена зависимость эффективной диэлектрической проницаемости от диаметра сквозного отверстия. Определено влияние степени неоднородности линзы с отверстиями различных диаметров на эффективность излучения рупорной антенны. Представлена полная конструкция синтезированного устройства питания и его диаграммы направленности, подтверждающие эффективность работы антенны в расширенной полосе рабочих частот.


Об авторах

А. В. Останков
Воронежский государственный технический университет, Воронеж
Россия

Останков Александр Витальевич

профессор кафедры радиотехники, соавтор статьи «Микрополосковые направленные ответвители УВЧ и СВЧ диапазонов» в Радиостроении, 2017, № 5, SPIN-код: 6317-7626



Е. Г. Хрипунов
Воронежский государственный технический университет, Воронеж
Россия

Хрипунов Евгений Геннадьевич

аспирант факультета радиотехники и электроники



Список литературы

1. Шестопалов В.П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1: Открытые структуры. Киев: Наукова думка, 1985. 213 с.

2. Евдокимов А.П. Антенны дифракционного излучения // Физические основы приборостроения. 2013. Т. 2. № 1(6). С. 108–124. DOI: 10.25210/jfop-1301-108125

3. Крюков Д.Ю., Останков А.В. Рефлексивный анализ возможностей и основных конструктивно-технических характеристик антенн дифракционного излучения на основе периодических замедляющих структур // Вестник Воронежского гос. техн. ун-та. 2017. Т. 13. №1. С. 95-103.

4. Honey R. A flush-mounted leaky-wave antenna with predictable patterns // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1959. Vol. 7. No. 4. Pp. 320–329. DOI: 10.1109/TAP.1959.1144703

5. Ghomi M., Lejay B., Amalric J.L., Baudrand H. Radiation characteristics of uniform and nonuniform dielectric leaky-wave antennas // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1993. Vol. 41. No. 9. Pp. 1177–1186. DOI: 10.1109/8.247743

6. Sharkawy M.A., Foroozesh A., Kishk A.A., Paknys R. A robust horn ridge gap waveguide launcher for metal strip grating leaky wave antenna // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. No. 12. Pp. 6019–6026. DOI: 10.1109/TAP.2014.2364050

7. Yang Cai, Zuping Qian, Yingsong Zhang. Design of planar leaky wave antenna fed by substrate integrated waveguide horn // Frequenz. 2017. Vol. 72. No. 1–2. Pp. 33–37. DOI: 10.1515/freq-2016-0290

8. Ke Wu, Deslandes D., Cassivi Y. The substrate integrated circuits – a new concept for high-frequency electronics and optoelectronics // 6th Intern. conf. on telecommunications in modern satellite, cable and broadcasting services: TELSIKS’03 (Nis, Yugoslavia, October 1-3, 2003): Proc. Vol. 1. N.Y.: IEEE, 2003. Pp. P–III. DOI: 10.1109/TELSKS.2003.1246173

9. Feng Xu, Ke Wu. Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53. No. 1. Pp. 66–73. DOI: 10.1109/TMTT.2004.839303

10. Cassivi Y., Perregrini L., Arcioni P., Bressan M., Ke Wu, Conciauro G. Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2002. Vol. 12. No. 9. Pp. 333–335. DOI: 10.1109/LMWC.2002.803188

11. Deslandes D., Ke Wu. Single-substrate integration technique of planar circuits and waveguide filters // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2003. Vol. 51. No. 2. Pp. 593–596. DOI: 10.1109/TMTT.2002.807820

12. Bozzi M., Feng Xu, Deslandes D. Ke Wu. Modeling and design considerations for substrate integrated waveguide circuits and components // 8th Intern. conf. on telecommunications in modern satellite, cable and broadcasting services (Nis, Serbia, September 26-28, 2007): Proc. N.Y.: IEEE, 2007. Pp. P-VII–P-XVI. DOI: 10.1109/TELSKS.2007.4375921

13. Bozzi M., Perregrini L., Ke Wu, Arcioni P. Current and future research trends in substrate integrated waveguide technology // Radioengineering. 2009. Vol. 18. No. 2. Pp. 201-209. Режим доступа: https://www.radioeng.cz/fulltexts/2009/09_02_201_209.pdf (дата обращения 7.06.2020).

14. Deslandes D. Design equations for tapered microstrip-to-substrate integrated waveguide transitions // IEEE MTT-S intern. microwave symp. (Anaheim, CA, USA, May 23-28, 2010): Proc. N.Y.: IEEE, 2010. DOI: 10.1109/MWSYM.2010.5517884

15. Mahmoud S.F., Antar Y.M.M. Printed leaky wave antennas // Microstrip and printed antennas: new trends, technique and applications. Hoboken: Wiley, 2010. Ch. 13. Pp. 435-462. DOI: 10.1002/9780470973370.ch13

16. Deslandes D., Ke Wu. Analysis and design of current probe transition from grounded coplanar to substrate integrated rectangular waveguides // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53. No. 8. Pp. 2487–2494. DOI: 10.1109/TMTT.2005.852778

17. Kazemi R., Fathy A.E., Songnan Yang, Sadeghzadeh R.A. Development of an ultra wide band GCPW to SIW transition // IEEE radio and wireless symp. (Santa Clara, CA, USA, January 15-18, 2012): Proc. N.Y.: IEEE, 2012. Pp. 171–174. DOI: 10.1109/RWS.2012.6175308

18. Song Lin, Songnan Yang, Fathy A., Elsherbini A. Development of a novel UWB Vivaldi antenna array using SIW technology // Progress in Electromagnetics Research. 2009. Vol. 90. Pp. 369–384. DOI: 10.2518/PIER09020503

19. Songnan Yang, Elsherbini A., Song Lin, Fathy A.E., Kamel A., Elhennawy H. A highly efficient Vivaldi antenna array design on thick substrate and fed by SIW structure with integrated GCPW feed // IEEE Antennas and Propagation Soc. intern. symp. (Honolulu, HI, USA June 9-15, 2007): Proc. N.Y.: IEEE, 2007. Pp. 1985–1988. DOI: 10.1109/APS.2007.4395912

20. Yang Cai, Zuping Qian, Wenquan Cao, Yingsong Zhang, Jun Jin, Liu Yang, Nan Jing. Compact wideband SIW horn antenna fed by elevated-CPW structure // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63. No. 10. Pp. 4551–4557. DOI: 10.1109/TAP.2015.2456936

21. Zhaolong Li, Ke Wu, Denidni T.A. A new approach to integrated horn antenna // 10th intern. symp. on antenna technology and applied electromagnetics (Ottawa, Canada, July 20-23, 2004): Proc. N.Y.: IEEE, 2004. Pp. 535–538. DOI: 10.1109/ANTEM.2004.7860646

22. Hao Wang, Da-Gang Fang, Bing Zhang, Wen-Quan Che. Dielectric loaded substrate integrated waveguide (SIW) H-plane horn antennas // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2010. Vol. 58. No. 3. Pp. 640–647. DOI: 10.1109/TAP.2009.2039298

23. Lei Wang, Xiaoxing Yin, Shunli Li, Hongxin Zhao, Leilei Liu, Ming Zhang. Phase corrected substrate integrated waveguide H-plane horn antenna with embedded metal-via arrays // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. No. 4. Pp. 1854–1861. DOI: 10.1109/TAP.2014.2298042

24. Morote M.E., Fuchs B., Mosig J.R. Analytical model of a printed transition for SIW antennas // 6th European conf. on antennas and propagation: EUCAP 2012 (Prague, Czech Republic, March 26-30, 2012): Proc. N.Y.: IEEE, 2012. Pp. 414–417. DOI: 10.1109/EuCAP.2012.6206105

25. Esquius-Morote M., Fuchs B., Zurcher J.-F., Mosig J.R. A printed transition for matching improvement of SIW horn antennas // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61. No. 4. Pp. 1923–1930. DOI: 10.1109/TAP.2012.2231923

26. Esquius-Morote M., Fuchs B., Zurcher J.-F., Mosig J.R. Novel thin and compact H-plane SIW horn antenna // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61. No. 6. Pp. 2911–2920. DOI: 10.1109/TAP.2013.2254449

27. Yang Cai, Zhang Y.-S., Qian Z.-P., Jun Jin, Cao W.-Q. Bandwidth enhancement of SIW horn antenna loaded with air-via perforated dielectric slab // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2014. Vol. 13. Pp. 571–574. DOI: 10.1109/LAWP.2014.2312917

28. Yingsong Zhang, Yang Cai, Hao Chi Zhang, Tao Yang, Weimin Ni, Jun Jin. Broadband implementation of SIW horn antenna with air-via dielectric slab // IEEE 4th Asia-Pacific conf. on antennas and propagation: APCAP 2015 (Kuta, Indonesia, June 30-July 3, 2015): Proc. N.Y.: IEEE, 2015. Pp. 563–567. DOI: 10.1109/APCAP.2015.7374489

29. Xi Chen, Hui Feng Ma, Xia Ying Zou, Wei Xiang Jiang, Tie Jun Cui. Three-dimensional broadband and high-directivity lens antenna made of metamaterials // J. of Applied Physics. 2011. Vol. 110. No. 4. Pp. 044904–044904-8. DOI: 10.1063/1.3622596


Дополнительные файлы

Для цитирования: Останков А.В., Хрипунов Е.Г. Рупорная SIW-антенна со специальным копланарным переходом и диэлектрической линзой для питания планарной антенны вытекающей волны. Радиостроение. 2020;(2):1-26. https://doi.org/10.36027/rdeng.0220.0000163

For citation: Ostankov A.V., Khripunov E.G. SIW Horn Antenna with a Special Coplanar Transition and Dielectric Lens for Feeding a Leaky-Wave Antenna. Radio Engineering. 2020;(2):1-26. (In Russ.) https://doi.org/10.36027/rdeng.0220.0000163

Просмотров: 102

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2587-926X (Online)