Генерация и фильтрация СВЧ излучения в схеме микрополосковой антенны-генератора, интегрированной с волноводом, встроенным в диэлектрическую подложку

Abstract

Microwave oscillator, based on the microstrip log-periodic antenna integrated with field-effect transistor and substrate integrated waveguide (SIW) is experimentally studied. SIW consisted of two dielectric plates with one side being covered by thin metal film. Another side of one of these dielectric plates was used as a substrate for the antenna-coupled field-effect transistor. Thus the microstrip antenna-oscillator was inserted into the SIW. SIW geometry provides microwave propagation and output both at the fundamental frequency of the log-periodic antenna and at the second harmonic. For more generation efficiency one end of the SIW was shorted and another one was narrowed, so the microstrip antenna-oscillator turned to be inside the rectangular microwave resonator. Computer modeling of the oscillator construction at the fundamental frequency and second harmonic was performed via FDTD method. S-parameters were evaluated in the frequency range 10.5-12.5 GHz, that confirmed a good matching and feedback in the oscillator. The simulation showed also, that the microwave energy at the fundamental frequency is concentrated inside the resonator and the second harmonic radiation propagates outside through the narrow part of the SIW if the evanescent waveguide is used. In the experiments Arlon AD255 was used as a dielectric for SIW fabrication and NE350184C field-effect transistor with 13,5 dB gain at 20 GHz was integrated with log-periodic antenna. Experimentally obtained output power was 1mW at the fundamental frequency (12 GHz) and 100 uW at the second harmonic.

• microwave
• oscillator
• Substrate Integrated Waveguide
• log-periodic antenna
• field-effect transistor

Аннотация (на русском)

Генерация и фильтрация СВЧ излучения в схеме микрополосковой антенны-генератора, интегрированной с волноводом, встроенным в диэлектрическую подложку

Экспериментально исследована конструкция генератора микроволнового излучения на основе микрополосковой антенны логопериодического типа, интегрированной с полевым транзистором, и волновода, встроенного в диэлектрическую подложку. Волновод состоял из двух диэлектрических пластин, покрытых с одной стороны тонкой металлической пленкой. Другая сторона одной из пластин служила подложкой для антенно-связанного полевого транзистора. Таким образом микрополосковая антенна-генератор была размещена внутри волновода. Геометрия волновода обеспечивает возможность распространения и выхода излучения, как на основной частоте логопериодической антенны, так и на ее второй гармонике. Для повышения эффективности генерации один конец волновода замыкался накоротко, а другой сужался до размера, запредельного для основной частоты, поэтому антенна-генератор оказывается внутри прямоугольного резонатора. Методом конечных разностей во временной области проведено компьютерное моделирование конструкции генератора в частотном диапазоне вблизи первой и второй гармоники. Определены S-параметры в диапазоне 10,5-12,5 ГГц, что позволило подтвердить хорошее согласование и уровень обратной связи в генераторе. Расчеты показали также, что при использовании запредельного волновода по основной гармонике, энергия излучения сконцентрирована внутри резонатора, а излучение на второй гармонике выходит через суженную часть волновода. В качестве диэлектрика для изготовления волновода использовался Arlon AD255, а транзистор NE350184C с коэффициентом усиления 13,5 дБ на частоте 20 ГГц служил активным элементом антенны-генератора. Экспериментально полученная мощность на выходе составила 1 мВт на частоте основной гармоники (12 ГГц) и 100 мкВт на частоте второй гармоники.

For citation

References

1. Донец И. В. Электродинамический анализ интегрированного в подложку волновода // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2008. - Т. 13. - №. 5.
2. Cassivi Y., Wu K. Low cost microwave oscillator using substrate integrated waveguide cavity // Microwave and Wireless Components Letters, IEEE. - 2003. - Vol. 13. - №. 2. - P. 48-50.
3. Zhong C. et al. Ka-Band Substrate Integrated Waveguide Gunn Oscillator // Microwave and Wireless Components Letters, IEEE. - 2008. - Vol. 18. - №. 7. - P. 461-463.
4. Любченко В.Е., Радченко Д.Е., Телегин С.А., Юневич Е.О. Микрополосковая антенна-генератор. Патент на полезную модель №156623 с приоритетом от 23 июня 2015г. Зарегистрирован в Госреестре полезных моделей РФ 16.10.2015г.
5. Ahmad B. H., Sabri S. S., Othman A. R. Design of a compact X-Band substrate integrated waveguide directional coupler // International Journal of Engineering and Technology (IJET). - 2013. - Vol. 5. - №. 2. - P. 1905-1911.
6. Жердев Д. А., Фурсов В. А. Высокопроизводительное моделирование распространения электромагнитного поля с использованием технологии CUDA //Сборник трудов международной научной конференции Параллельные вычислительные технологии. - 2013. - С. 338-345.
7. Jin J. M. The finite element method in electromagnetics. - John Wiley & Sons, 2014. 753 с.
8. Shaw J. A. Radiometry and the Friis transmission equation // American Journal of Physics. - 2013. - Vol. 81. - №. 1. - P. 33-37.