Кольцевая многолучевая антенная решетка с частотным сканированием
- Авторы: Ищенко Е.А.1, Пастернак Ю.Г.1, Проскурин Д.К.1, Фёдоров С.М.1
-
Учреждения:
- Воронежский государственный технический университет
- Выпуск: Том 28, № 3 (2025)
- Страницы: 56-62
- Раздел: Статьи
- URL: https://journal-vniispk.ru/1810-3189/article/view/343630
- DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2025.28.3.56-62
- ID: 343630
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обоснование. Реализация сканирующих антенн для систем помехозащищенной связи, радиолокационных систем является важной и актуальной задачей. Одним из наиболее перспективных методов отклонения луча является частотное сканирование, которое может эффективно сочетаться с коммутационным, что позволит обеспечить полноазимутальное и угломестное сканирование без применения фазовращателей. Цель. Произвести исследование и моделирование кольцевой многолучевой антенной системы с возможностью частотного сканирования, а также формирования нескольких лучей одновременно. Выполнить моделирование при запитывании разных портов для оценки возможностей формирования разных лучей антенны, а также в многолучевом режиме. Исследовать возможность отклонения луча по частоте с определением диапазона рабочих частот. Методы. Основные результаты получены на основе электродинамического моделирования, которое выполнялось с использованием метода конечных элементов в DS CST Studio Suite 2025. Основные методы анализа характеристик базировались на рассмотрении диаграмм направленности, а также их поведении при дифракции на решетках эшелетт. Результаты. Получены характеристики антенной системы в диапазоне частот от 8,3 до 10 ГГц. Доказано, что антенная система позволяет реализовать полноазимутальное сканирование путем коммутации разного числа входных портов. Показано, что предложенная конструкция антенной системы может управляться как по направлению луча, так и по ширине главного лепестка путем выполнения коммутации разного числа антенных элементов, при этом сохраняется частотное сканирование в широком диапазоне рабочих частот. Получено, что антенна позволяет обеспечивать формирование двух разнонаправленных лучей с частотным сканированием. Заключение. Предложенная антенная система может быть использована для реализации высокочастотного обнаружения малых целей и помехозащищенного канала связи с частотной перестройкой для удержания объекта в луче антенны. Особенность предложенной многолучевой антенны заключается в возможности реализации двухкоординатного сканирования на основании частотного сканирования и коммутационного подключения антенных элементов.
Полный текст
Введение
В настоящее время актуальна реализация антенных систем для задач помехозащищенных каналов связи с высокомобильными роботизированными комплексами. Особый акцент в таких задачах стоит сделать на реализации систем связи с полноазимутальной многолучевой системой передачи данных, а также с возможностью отклонения луча диаграммы направленности. Для реализации антенных систем с возможностью отклонения луча используется множество методов. Так, в работе [1] авторы предлагают систему с отклонением луча на основе линзы. Особенностью предлагаемого решения является то, что благодаря предложенной конструкции линзы появляется возможность сформировать многомодовое излучение, которое отклоняет луч в пространстве. Помимо использования анизотропных линз, которые изменяют свои характеристики в зависимости от моды волны для формирования сканирующей антенны, могут быть применены диэлектрические линзы, как это показано в [2]. Предложенное решение формирует двухфокальную линзу, которая обеспечивает фокусирование электромагнитных волн с последующим формированием направленного луча. Сканирование в такой конструкции осуществляется путем переключения облучателей, что значительно усложняет процесс разработки антенной системы, так как необходимо верно находить фокальные точки.
Особый интерес вызывает возможность реализации многолучевых сканирующих антенн [3–5]. Для реализации таких конструкций авторы приведенных работ используют антенны на основе волноводов, которые интегрированы в диэлектрическую подложку (SIW). Однако использование SIW-структур позволяет сформировать многолучевое и направленное излучение, но для отклонения луча приходится использовать диаграммообразующие устройства [3], сложные многослойные структуры [4], активные коммутационные устройства [5], метаматериалы [6]. Таким образом, для реализации высокоэффективной системы связи требуется решение ряда задач – достижения высокого уровня коэффициента направленного действия (КНД), управления лепестком антенны, а также возможностью формирования многолучевого режима. Большинство таких антенных систем представляют собой антенные решетки с активными линиями питания и системами диаграммообразования [7–9].
Особый интерес вызывает возможность формирования многоканальных антенн, что требует применения антенных решеток, которые способны работать в разных поляризациях [10], а также с возможностью многоканального сканирования путем коммутации лучей [11]. В данной работе предлагается конструкция кольцевой антенной решетки с возможностью формирования многолучевого режима излучения, а также с частотным сканированием лепестком в свободном пространстве. В данной работе предлагается конструкция кольцевой антенной решетки с возможностью формирования многолучевого режима излучения, а также с частотным сканированием лепестком в свободном пространстве.
1. Конструкция кольцевой антенной решетки с возможностью частотного санирования
В процессе реализации антенной решетки с возможностью частотного сканирования особое внимание необходимо уделить системе, которая будет обеспечивать частотозависимое формирование луча антенной системы. В предлагаемом решении в роли частотосканирующей формирующей системы служит решетка эшелетт (рис. 1). Она выступает в роли дифракционной системы, которая обладает постоянным периодом, при этом благодаря ее конструкции и отражению волн с последующей дифракцией и интерференцией происходит формирование лепестков с разными направлениями на различных частотах, что позволяет сформировать частотное сканирование в пространстве.
Рис. 1. Дифракционная решетка эшелетт
Fig. 1. Echelette diffraction grating
Для реализации полноазимутальной системы сканирования дифракционная решетка формирует цилиндр с дифракционным рисунком, над которым помещаются излучающие однопроводные линии, имеющие также форму дифракционной решетки. Для возбуждения антенной системы используются пирамидальные круглые рупорные излучатели. Конструкция антенны приводится на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция многолучевой частотосканирующей антенной системы с полноазимутальным обзором
Fig. 2. Design of a multi-beam frequency scanning antenna system with full azimuth coverage
Приведенная конструкция имеет полный внешний диаметр дифракционной решетки эшелетт в 145 мм, полная высота антенной системы составляет 336 мм. Для формирования лучей в антенной решетке используются 24 однопроводные линии, которые устанавливаются по окружности с возможностью запитывания с двух концов. Разработанная антенная система предназначена для работы в диапазоне частот от 8,3 до 10 ГГц, что позволяет обеспечить высокоэффективную связь в X-диапазоне частот с возможностью повышения помехозащищенности канала связи с высокомобильными роботизированными комплексами.
2. Применение многолучевой частотосканирующей антенной решетки для формирования направленного излучения
В процессе исследования основных характеристик кольцевой антенной решетки следует уделить внимание характеристикам лучей, которые могут быть сформированы при запитывании равноамплитудно и синфазно нескольких соседних портов. В процессе исследования рассматривалась ситуация, когда запитывание выполнялось для портов 1, 2, 3, 4, 5 и 6 одновременно, при этом фазовый сдвиг принимался равным 0, а амплитуда была одинаковой для всех портов. На рис. 3 приводится вид диаграмм направленности для всех случаев на частоте 9 ГГц, а также уровень коэффициента усиления антенны в диапазоне исследуемых частот.
Рис. 3. Характеристики диаграмм направленности антенны при запитывании портов 1, 2, 3, 4, 5 и 6: а – срез диаграммы направленности в вертикальной плоскости; б – коэффициент усиления антенны в исследуемом диапазоне рабочих частот
Fig. 3. Characteristics of the antenna radiation patterns when feeding ports 1, 2, 3, 4, 5 and 6: a – radiation pattern cut in the vertical plane; b – antenna gain in the studied operating frequency range
Полученные результаты показывают, что при запитывании 1 порта в антенне формирование луча не происходит, картина излучения нарушается, что вызвано взаимным влиянием соседних элементов, а также профилем дифракционной антенной решетки эшелетт. Аналогичная проблема возникает при запитывании 2 портов одновременно, поэтому применение данной антенной решетки при запитывании портов 1 и 2 не несет положительного эффекта. Особый интерес взывают случаи синфазного возбуждения портов 3, 4 и 6 соответственно. В данных случаях КУ антенны лежит в диапазоне от 14 до 17 дБ, при этом ширина главного лепестка в азимутальной плоскости составляет более 35°, а в угломестной – менее 7°, что формирует веерную диаграмму направленности с максимальной эффективностью для обеспечения связи с роботизированными комплексами. Пик характеристик антенны приходится на ситуацию, когда синфазно и равноамплитудно запитываются 5 портов. В таком случае достигается уровень КУ от 17 до 19,2 в рабочем диапазоне, ширина главного лепестка в угломестной плоскости менее 7°, а в азимутальной – 32°. Таким образом, получаем высокоэффективно работающую антенну с возможностью формирования направленного излучения. На рис. 4 приводится вид частотного сканирования при запитывании 5 портов в антенной системе.
Рис. 4. Демонстрация частотного сканирования антенной системой: а – f = 8,4 ГГц; б – f = 8,9 ГГц; в – f = 9,5 ГГц; г – f = 10 ГГц
Fig. 4. Demonstration of frequency scanning by the antenna system: a – f = 8,4 GHz; b – f = 8,9 GHz; c – f = 9,5 GHz; d – f = 10 GHz
Полученные результаты показывают, что в диапазоне частот от 8,3 до 10 ГГц антенная система сканирует лучом в азимутальной плоскости от 49 до 15° по отношению к оси нормали, при этом симметричная конструкция антенны позволяет осуществлять такое сканирование симметрично относительно основной оси.
Таким образом, кольцевая антенная решетка позволяет сформировать веерную диаграмму направленности с частотным сканированием, что обеспечивает связь с повышенной помехозащищенностью. Рассмотрим также случай, когда предложенная антенна формирует два луча. На рис. 5 приводится вид диаграмм направленности при запитывании двух пар по 6 портов, которые расположены на противоположных концах антенной системы.
Рис. 5. Картины многолучевого режима работы антенны с частотным сканированием: а – f = 8,3 ГГц; б – f = 9,4 ГГц
Fig. 5. Pictures of the multi-beam mode of operation of the antenna with frequency scanning: a – f = 8,3 GHz; b – f = 9,4 GHz
Как видно, полученная антенная система позволяет обеспечить сканирование не только одним лепестком, но также и двумя лепестками с веерной диаграммой направленности. Таким образом, эта антенная система показывает высокую эффективность, а также благодаря возможности частотного сканирования данная антенная решетка может быть использована для частотно перестраиваемых систем передачи данных.
Заключение
Полученные результаты показывают, что разработанная антенная система обеспечивает многолучевой режим работы с частотным сканированием. Реализованная в данной работе антенная система может быть использована для обеспечения высокоэффективной системы связи, при этом применение кольцевой антенной системы позволяет обеспечить полноазимутальную работу антенны, а применение частотного сканирования обеспечивает сканирование в угломестной плоскости. Полученная антенная система имеет малые размеры, что обуславливает высокоэффективную передачу данных в X-диапазоне.
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания «молодежная лаборатория» № FZGM-2024-0003.
Об авторах
Евгений Алексеевич Ищенко
Воронежский государственный технический университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: kursk1998@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5270-0792
аспирант, ассистент кафедры радиоэлектронных устройств и систем
Область научных интересов: антенные системы
Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84Юрий Геннадьевич Пастернак
Воронежский государственный технический университет
Email: pasternakyg@mail.ru
доктор технических наук, профессор кафедры радиоэлектронных устройств и систем
Область научных интересов: антенные системы, устройства СВЧ
Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84Дмитрий Константинович Проскурин
Воронежский государственный технический университет
Email: rector@cchgeu.ru
кандидат физико-математических наук, ректор
Область научных интересов: антенные системы, устройства СВЧ
Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84Сергей Михайлович Фёдоров
Воронежский государственный технический университет
Email: fedorov_sm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9027-6163
кандидат технических наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем
Область научных интересов: сверхширокополосные линзовые антенны
Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84Список литературы
- Beam scanning lens antenna based on elliptic rotating phase distribution lens / H.-F. Wang [et al.] // 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS). Guangzhou, China, 2019. P. 1–3. DOI: https://doi.org/10.1109/IEEE-IWS.2019.8804122
- Design of medium-size dielectric bifocal lenses for wide-angle beam scanning antennas / T.V. La [et al.] // 2012 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP). Prague, Czech Republic, 2012. P. 3287–3291. DOI: https://doi.org/10.1109/EuCAP.2012.6206003
- Kamalzadeh S., Soleimani M. Multibeam SIW leaky-wave antenna with beam scanning capability in two dimensions // Electronics. 2022. Vol. 11, no. 15. P. 2315. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics11152315
- Planar millimeter-wave 2-D beam-scanning multibeam array antenna fed by compact SIW beam-forming network / J.-W. Lian [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66, no. 3. P. 1299–1310. DOI: https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2797873
- Differentially-fed dual-polarized 2D multibeam antenna array for millimeter-wave applications / Q. Yang [et al.] // 2020 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). Shanghai, China, 2020. P. 1–3. DOI: https://doi.org/10.1109/ICMMT49418.2020.9386279
- Li Q., Zhang Y., Wu C.-T.M. Wide-angle frequent scanning metamaterial leaky wave antenna array for automotive radars // 2018 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). Chengdu, China, 2018. P. 1–3. DOI: https://doi.org/10.1109/ICMMT.2018.8563472
- A digital multibeam array with wide scanning angle and enhanced beam gain for millimeter-wave massive MIMO applications / Y. Hu [et al.] // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66, no. 11. P. 5827–5837. DOI: https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2869200
- Feng P.-Y., Qu S.-W., Yang S. Wideband mechanical scanning lens antenna at Ku-band // 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP). Paris, France, 2017. P. 1076–1078. DOI: https://doi.org/10.23919/EuCAP.2017.7928295
- Compact wide-angle scanning multibeam antenna array for V2X communications / M.K. Ishfaq [et al.] // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2021. Vol. 20, no. 11. P. 2141–2145. DOI: https://doi.org/10.1109/LAWP.2021.3100349
- Влияние кросс-поляризации двухполяризационных антенных элементов на эргодическую пропускную способность многоканальной системы / Е.В. Аверина [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2024. Т. 27, № 4. С. 59–67. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2024.27.4.59-67
- Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Сафонов К.С. Антенная решетка с коммутационным сканированием в угломестной плоскости // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2021. Т. 24, № 3. С. 100–106. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2021.24.3.100-106
Дополнительные файлы
