Разработка и исследование антенной системы (широкополосная малогабаритная антенная решётка)

1. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт радиоэлектроники и информационной безопасности
Кафедра «Радиоэлектроника и телекоммуникации»
Выпускная квалификационная работа на тему:
Разработка и исследование антенной системы
(Широкополосная малогабаритная антенная решётка)
Выполнил: Борсук К. В., гр. ИКС/м-31-оз
Руководитель работы: Сердюк И. В., к.т.н., доцент кафедры РТ

2. Целью выпускной квалификационной работы является разработка сканирующей антенной решётки, построенной на базе элементов

Вивальди.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить
следующие задачи:
— провести обзор разработок фазированных антенных решёток,
выполненных на основе щелевых и волноводных излучателей;
— проанализировать способы распределения питания в антенной
решётке;
— разработать методику расчёта характеристик элемента Вивальди и
антенной решётки, выполненной на его основе;
— провести расчёты характеристик элемента Вивальди и антенной
решётки, выполненной на его основе;
— провести исследование характеристик антенной решётки при
сканировании главным лепестком диаграммы направленности.

3. Обзор разработок широкополосных фазированных антенных решеток щелевых излучателей

4. Методика расчёта поля излучения антенной решётки

5. Модель антенны в программе FEKO

RM
RБ

6. Диаграммы направленности излучателя с подключением питания к двум пластинам

f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
f норм ( ),
дБ
135
–4 дБ
45
–8 дБ
150
30
165
180
195
–20 Б
30
0
345
210
330
225
300
255
270
285
6 ГГц
315
240
, град
300
255
f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
–8 дБ
150
30
165
–12 дБ
15
180
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
18 ГГц
, град
–12 дБ
15
195
315
240
–4 дБ
45
180
330
225
60
165
345
210
0 дБ
75
–8 дБ
–16 дБ
0
90
150
–12 дБ
15
105
120
–16 дБ
–20 Б
270
285
12 ГГц
, град
–16 дБ
–20 Б

7. Диаграммы направленности излучателя с питанием перекрестной линией

f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
f норм ( ),
дБ
135
–4 дБ
45
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
–8 дБ
150
30
165
–12 дБ
15
180
0
195
–8 дБ
150
165
–16 дБ
–20 Б
225
0
195
345
210
330
300
255
270
6 ГГц
285
330
225
315
240
315
240
, град
300
255
f норм ( ),
дБ
135
105
90
60
–4 дБ
45
–8 дБ
150
30
165
–12 дБ
15
180
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
18 ГГц
270
285
, град
0 дБ
75
120
, град
–12 дБ
15
180
345
210
30
–16 дБ
–20 Б
12 ГГц
–16 дБ
–20 Б

8. Зависимость от частоты КСВ

К СВ
4
3
К СВ
2.8
3.7
2.6
3.4
2.4
3.1
2.2
2.8
2
2.5
1.8
2.2
1.6
1.9
1.4
1.6
1.2
1.3
1
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
f , ГГц
Излучатель с подключением питания к двум
пластинам
1
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
f , ГГц
Излучатель с питанием перекрёстной
линией

9. Конфигурации малоэлементных антенных решеток

10. ДН четырёхэлементной продольной антенной решетки

f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
–8 дБ
150
30
165
–12 дБ
15
180
0
195
–16 дБ
–20 Б
165
0
210
270
285
6ГГц
–20 Б
330
225
315
240
300
255
–16 дБ
345
315
240
–12 дБ
15
180
330
225
30
195
345
210
–8 дБ
150
, град
300
255
270
285
, град
18ГГц
ДН восьмиэлементной продольной антенной решетки
f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
f норм ( ),
135
дБ
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
–8 дБ
–8 дБ
150
165
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
30
–12 дБ
–12 дБ
15
180
6ГГц
150
30
–16 дБ
–20 Б
165
15
180
0
195
–16 дБ
–20 Б
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
18ГГц

11. ДН четырёхэлементной поперечной антенной решетки

f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
–8 дБ
150
30
165
0
195
–16 дБ
–20 Б
6ГГц
270
285
–4 дБ
45
–8 дБ
30
180
–12 дБ
0
–16 дБ
–20 Б
345
210
330
225
315
240
300
255
60
15
315
240
0 дБ
75
165
330
225
90
195
345
210
105
120
150
–12 дБ
15
180
f норм ( ),
135
дБ
, град
300
255
270
285
, град
18ГГц
ДН восьмиэлементной поперечной антенной решетки
f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
f норм ( ),
дБ
135
105
90
0 дБ
75
120
60
–4 дБ
45
–8 дБ
–8 дБ
150
30
165
0
195
345
210
330
225
6ГГц
–12 дБ
15
180
315
240
300
255
270
285
, град
150
–16 дБ
–20 Б
30
165
–12 дБ
15
180
0
195
–16 дБ
–20 Б
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
18ГГц

12. ДН четырёхэлементной поперечной фазированной антенной решетки

f норм ( ),
120
дБ
105
90
1
75
60
0,8
135
45
0,6
150
f норм ( ),
120
дБ
105
90
1
75
60
0,8
135
45
0,6
30
0,4
150
30
0,4
165
6 ГГц
15
180
0
195
0,2
210
f норм ( ),
120
дБ 135
105
270
285
225
90
75
1
0,8
45
0,6
f норм ( ),
120
дБ 135
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
0,2
90
1
75
60
0,8
45
150
0,4
15
105
, град
285
270
0,6
30
180
300
255
60
165
315
240
, град
150
12 ГГц
330
300
255
0
345
315
240
0,2
0
195
330
225
15
180
345
210
165
0
30
0,4
165
15
0
180
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
0,2
0

13. ДН четырёхэлементной продольной фазированной антенной решетки

105
E , дБ
90
1
75
120
60
0,8
135
105
E , дБ
45
90
1
75
120
60
0,8
135
45
0,6
150
0,6
30
150
0,4
165
6 ГГц
15
180
0
195
0,2
0
0,4
165
180
270
285
105
90
75
225
120
315
240
, град
1
60
0,8
135
E , дБ
300
255
270
285
105
90
75
120
, град
1
60
0,8
135
45
45
0,6
0,6
150
150
30
30
0,4
0,4
165
12 ГГц
15
180
0
165
15
0,2
0
180
0
195
195
345
345
210
210
330
330
225
225
315
315
240
300
255
270
285
, град
0
330
300
255
0,2
345
315
240
E , дБ
0
210
330
225
15
195
345
210
30
240
300
255
270
285
, град
0,2
0

14. ДН восьмиэлементной поперечной фазированной антенной решетки

105
E , дБ
90
1
75
120
60
0,8
135
105
E , дБ
45
90
1
75
120
60
0,8
135
45
0,6
150
0,6
30
150
30
0,4
165
6 ГГц
15
180
0
195
0,2
0
165
180
270
285
105
90
75
120
225
315
240
, град
1
60
0,8
135
E , дБ
45
300
255
270
285
105
90
75
120
, град
1
60
0,8
135
45
0,6
150
0,6
30
150
0,4
165
12 ГГц
15
180
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
0,2
0
0
330
300
255
0,2
345
315
240
E , дБ
0
210
330
225
15
195
345
210
0,4
30
0,4
165
15
180
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
0,2
0

15. ДН восьмиэлементной продольной фазированной антенной решетки

105
E , дБ
90
1
75
120
60
0,8
135
105
E , дБ
45
90
1
75
120
60
0,8
135
45
0,6
150
0,6
30
150
0,4
165
6 ГГц
15
180
0
195
0,2
0
0,4
165
180
270
285
105
90
75
120
225
315
240
, град
1
60
0,8
135
45
E , дБ
300
255
270
285
105
90
75
120
, град
1
60
0,8
135
45
0,6
150
0,6
30
150
0,4
165
12 ГГц
15
180
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
0,2
0
330
300
255
0,2
345
315
240
E , дБ
0
210
330
225
15
195
345
210
30
30
0,4
165
15
0
180
0
195
345
210
330
225
315
240
300
255
270
285
, град
0,2
0

16. Заключение

В ходе выполнения выпускной работы проведено исследование характеристик малоэлементной
антенной решётки, выполненной на основе элементов Вивальди.
На основании проведенного обзора разработок широкополосных фазированных антенных решеток для
проведения исследований их характеристик в качестве первичного излучателя выбрана антенна Вивальди.
Представлен и проанализирован метод расчета характеристик излучения антенной решетки и входных
характеристик отдельных ее элементов — метод моментов. Для электродинамического моделирования
щелевых антенн и их решеток использовался программный пакет FEKO.
Показано, что при построении антенной решетки на базе излучателя Вивальди необходимо
пользоваться излучателем с подключением питания непосредственно к каждой излучающей части.
Показано, что продольная линейная антенная решетка на базе излучателя Вивальди формирует более
направленное излучение в Е-плоскости и обладает большим КНД по сравнению с поперечной линейной
решеткой.
Показано, что поперечная линейная антенная решётка излучателей Вивальди обладает худшей
направленностью по сравнению с продольной, однако позволяет лучше согласовать питающую линию со
входами антенны, а также должна обладать большими возможностями сканирования главным лепестком
диаграммы направленности, так как предельный угол сканирования непосредственно связан с шириной
диаграммы направленности элемента решетки и кластера всей решетки в целом.
Показано, что увеличение количества элементов в антенной решетке позволяет расширить пределы угла
сканирования главным лепестком диаграммы направленности.
Возможности сканирования главным лепестком поперечной антенной решетки значительно выше, чем
продольной.
В диапазоне частот 6 — 18 ГГц антенная решётка характеризуется стабильными характеристиками
излучения, качественным согласованием на входе с КСВ не более 2, линейной поляризацией поля излучения с
низким уровнем кроссполяризационной составляющей, а также позволяет осуществлять сканирование
главным лепестком ДН в секторе углов 140 градусов и более.
Таким образом, все поставленные задачи выполнены, цель выпускной квалификационной работы
достигнута.