Antenna array based on patch elements with the capability of working with two linear polarizations
- Authors: Barannikov I.A.1, Ishchenko E.A.1, Pasternak Y.G.1, Proskurin D.K.1, Fedorov S.M.1,2
-
Affiliations:
- Voronezh State Technical University
- International Institute of Computer Technologies
- Issue: Vol 21, No 4 (2025): Bulletin of Voronezh State Technical University
- Pages: 162-165
- Section: Radio engineering and communication
- URL: https://ogarev-online.ru/1729-6501/article/view/364061
- DOI: https://doi.org/10.36622/1729-6501.2025.21.4.024
- ID: 364061
Cite item
Full Text
Abstract
Here we considered a developed antenna array based on patch elements with the ability to operate with two linear polarizations. The antenna system is based on the use of an aplanatic lens. We considered the design of the antenna system, and performed computer modeling to obtain the characteristics of the antenna system. The antenna design involves three flat metal plates that form two plane-parallel waveguides, between the plates there are two aplanatic lenses made of polystyrene with a refractive index of 2.56. An antenna array of patch radiators is located at the output of the system. The advantage of using an aplanatic lens in the system is that it has almost no losses (since the dielectric loss tangent of polystyrene is extremely small and is approximately 0.0002), and the wave propagation medium is actually a dielectrically filled waveguide. During the computer modeling, we obtained the S1,1 and S2,2 parameters, the radiation pattern at a frequency of 12 GHz and the electric field pattern at a frequency of 11.6 GHz. At 12 GHz, a directivity gain of 20.49 dB was achieved for the central feed port. The sidelobe level corresponds to -10.5 dB. The antenna system shown assumes switching scanning in the azimuthal plane.
Keywords
Full Text
Введение
В настоящее время для разработчиков антенных систем и специалистов в области антенн стоит задача при разработке линзовых структур широкоугольного сканирования не столкнуться с проблемами аберраций и комы, а также избежать ухудшения направленных свойств антенны при смещении облучателя перпендикулярно фокальной оси линзы. Чтобы предотвратить это, разработчики и специалисты обычно используют линзы особой конфигурации, которые по большей части не подвержены появлениям аберраций и комы при смещении облучателя, а также практически не искажают направленные свойства антенн. Такие линзы называются апланатическими. Апланатические линзы – это линзы, которые удовлетворяют условию Аббе и позволяют обеспечить возможность неискажённого широкоугольного сканирования при их использовании в антенных системах [1]. Сохранение направленных свойств антенны, недопустимость уменьшения коэффициента направленного действия и недопустимость увеличения уровня боковых лепестков важны во многих сферах в области антенн.
Обычно сами по себе линзы в антеннах не используются автономно и обособленно, а являются составной частью какой-либо структуры. Как минимум, требуется наличие излучателя. В статье [2] плоская апланатическая линза находится между металлических пластин с системой щелей, образующих плоско-параллельный волновод. Антенная система обладает линейной поляризацией с коэффициентом усиления 20—24 дБ и однокоординатным сканированием диаграммы направленности в полосе частот 24—24,25 ГГц. Линза состоит из диэлектрика с показателем преломления 1,6. При этом система имеет уровень боковых лепестков диаграммы направленности (–15…–20) дБ в секторе сканирования до ±30°. Недостатком такой системы является то, что она обладает только одной поляризацией. В работе [3] приводится многолепестковая антенна в виде волновода, линза находится прямо перед раскрывом рупора волновода. Материалом для реализации апланатической линзы был выбран полистирол с показателем преломления 2,56. Для одного из портов на частоте 1,7 ГГц КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) равен 11, к тому же в области пониженных частот согласование является довольно неудовлетворительным, но с повышением частоты, примерно начиная от 2 ГГц и выше согласование становится значительно лучше и значение КСВН антенной системы усреднённо стремится к значению 2. Коэффициент усиления в направлении главного лепестка диаграммы направленности на частоте 3 ГГц равен 12,9 дБ для одного из портов. Но на частотах выше можно видеть улучшение направленных свойств антенны, при том, как на частотах ниже характеристики антенны становятся хуже. Происходит это падение характеристик апланатической линзы на более пониженных частотах из-за дифракционных искажений, появляющихся из-за меньшего, относительно длины волны, фокального расстояния линзы. Значимое воздействие электрического расстояния на рабочие параметры линзы обуславливается использованием принципов оптической оптики во время её реализации. Антенна в указанной работе также располагает только одной поляризацией.
Конструкция антенной системы
Далее будет представлен следующий этап развития антенны, указанной в предыдущей работе. В данной статье будет рассмотрена разработанная антенная решетка на основе патч-элементов с возможностью работы с двумя линейными поляризациями. Также в настоящей работе антенна обладает большей величиной коэффициента усиления относительно предыдущего варианта конструкции. В составе описываемой системы также используется диаграммообразующая схема (ДОС) на основе апланатической линзы. Конструкция антенны подразумевает три плоские металлические пластины, формирующие непосредственно два плоскопараллельных волновода, между пластинами располагаются две апланатические линзы, сделанные из полистирола с показателем преломления 2,56. На выходе системы располагается антенная решётка из патч-излучателей. Суть использования апланатической линзы заключается в том, что на выходе у неё происходит выравнивание фазового и амплитудного фронта волны. Преимущество использования в системе апланатической линзы заключается в том, что у неё почти нет потерь (так как тангенс угла диэлектрических потерь полистирола крайне мал и составляет величину приблизительно 0,0002), а средой распространения волн фактически является диэлектрически заполненный волновод. Приведённая антенная система подразумевает коммутационное сканирование в азимутальной плоскости. Имеется возможность сформировать антенную решётку в вертикальной плоскости из таких же используемых подрешёток, и, далее, последующее управление формируемым лучом производить также в угло-местной плоскости.
Выигрыш именно такой используемой конфигурации антенной системы на основе двух апланатических линз заключается в особом свойстве волн на выходе данной системы – волны поляризованы единовременно в двух ортогональных плоскостях. Верхний плоскопараллельный волновод предназначен для формирования вертикальной поляризации, нижний – для горизонтальной.
В системе питание подается в порт и далее на патч-излучатель, находящийся за линзой. Далее волна со сферическим фронтом проходит по волноводу и встречает на своём пути апланатическую линзу. После линзы фронт волны выравнивается и становится плоским. Далее по ходу волны располагается устройство возбуждения антенного элемента, состоящее из патч-элементов, волноводов и печатной дорожки. После устройства возбуждения по ходу волны располагается антенный элемент в виде патча, который уже излучает волну в открытое пространство. Завершающий патч элемент имеет соединение с двумя патч элементами устройства возбуждения, расположенными каждый в верхнем и нижнем плоскопараллельном волноводе.
Размещение дополнительной решётки из патчей реализовано в целях экономии расчётных ресурсов. Результаты расчётов с наличием дополнительной решётки показывают отсутствие искажений при случае, если бы компьютерное моделирование проводилось одновременно для двух таких антенных систем.
На рис. 1 приведён внешний вид разрабатываемой антенны, на рис. 2 показаны внутренние слои полистирола вместе с запитываемыми патч-элементами.
Рис. 1. Внешний вид разработанной антенны
Рис. 2. Внутренние слои полистирола вместе с запитываемыми патч-элементами
Характеристики разработанной антенной системы
Было проведено компьютерное моделирование разработанной антенной решетки в программе CST Studio. На рис. 3 приведены S-параметры, полученные в результате компьютерного моделирования антенной системы – возвратные потери для центрально расположенных портов 1 и 2. S1,1 параметр на рисунке обозначен сплошной линией, а S2,2 параметр обозначен пунктирной линией.
Рис. 3. S1,1 и S2,2 параметры
График S1,1 и S2,2 параметров неравномерен ввиду использования апланатической линзы и, как следствие, наличия резонансов из-за особенностей диаграммообразующего устройства.
На рис. 4 располагается диаграмма направленности на частоте 12 ГГц для центрального порта 1. КНД антенны при таком случае соответствует величине 20,49 изотропных дБ. Уровень боковых лепестков соответствует величине -10,5 дБ.
Рис. 4. ДН на частоте 12 ГГц для порта 1
На рис. 5 располагается картина электрического поля на частоте 11,6 ГГц для порта 2. Из рисунка можно наблюдать, как происходит выравнивание сферического фронта волны после апланатической линзы.
Рис. 5. Электрическое поле для центрального порта 2 на частоте 11,6 ГГц
Заключение
В данной работе была рассмотрена и исследована конструкция разработанной антенной решетки на основе патч-элементов с возможностью работы с двумя линейными поляризациями. В составе системы использовались две апланатические линзы. На частоте 12 ГГц для центрального порта КНД составил 20,49 изотропных дБ. Уровень боковых лепестков соответствует величине -10,5 дБ. Выигрыш используемой конфигурации позволил на выходе системы получить волну, поляризованную в двух ортогональных плоскостях, и дал возможность плавно и практически без искажений управлять формируемым лучом при широкоугольном сканировании.
_________________________________________
© Баранников И.А., Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Проскурин Д.К., Фёдоров С.М., 2025
About the authors
Il’ya A. Barannikov
Voronezh State Technical University
Author for correspondence.
Email: 8thbar@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3093-0455
graduate student, assistant
Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, RussiaEvgeniy A. Ishchenko
Voronezh State Technical University
Email: kursk1998@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5270-0792
graduate student, engineer
Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, RussiaYuriy G. Pasternak
Voronezh State Technical University
Email: pasternakyg@mail.ru
Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor
Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, RussiaDmitriy K. Proskurin
Voronezh State Technical University
Email: rector@cchgeu.ru
Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Rector
Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, RussiaSergey M. Fedorov
Voronezh State Technical University; International Institute of Computer Technologies
Email: fedorovsm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9027-6163
Cand. Sc. (Technical), Associate Professor
Russian Federation, 84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia; 29b Solnechnaya str., Voronezh 394026, RussiaReferences
- Chistyukhin V.V. “Antenna-feeder devices” (“Antenno-fidernye ustroystva”), Moscow: MIET, 2010, 116 p.
- Belozertsev Yu.V., Galuza M.A., Klimov A.I. “Strip antenna arrays with multibeam beamforming systems based on flat lenses”, Bulletin of Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia (Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii), 2022, no. 3, pp. 115-123.
- Avdyushin A.S., Ashikhmin A.V., Pasternak Yu.G., Fedorov S.M. “Using the virtual ray method to analyze an ultra-wideband multibeam antenna array with an aplanatic lens”, Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2013, no. 9 (6-1), pp. 56-58.
Supplementary files
