Исследование частотного сканирования волноводно-щелевой антенной решетки с постоянным фазовым сдвигом между волноводами

Abstract

Numerical study of the dispersion properties of a 2-D periodic leaky wave antenna composed of the array of one-dimensional slotted waveguide antennas with linear phase shift between them is presented. Calculations were performed using the multimode setup for the eigen mode problem. The study revealed branches and stop bands in the dispersion diagram caused by the mutual coupling and phase shift between the waveguides in the array. The directions of radiation of the leaky Floquet space harmonic and the scanning sector in the frequency range for the given phase shift are determined. The numerical analysis of a large finite array composed of waveguides of finite length is carried out. The angles of radiation and the scanning sector of the finite array fed from all its inputs were computed in the given frequency range. They agree very well with the corresponding leakage directions and the scanning sector of the leaky space harmonic in the infinite array. For the given parameters the scanning sector is 30° in elevation and 40° in azimuth in the frequency range 8-11 GHz. The active reflection coefficients at the waveguide inputs do not exceed -20 dB in most of the frequency range. It is also shown that with increasing the phase shift between waveguides an additional beam corresponding to a different spatial harmonic may appear in the radiation pattern along with the main beam.

• leaky wave antenna
• 2-D periodic antenna array
• phase shift
• scanning sector

Аннотация (на русском)

Исследование частотного сканирования волноводно-щелевой антенной решетки с постоянным фазовым сдвигом между волноводами

Численно исследованы дисперсионные свойства двумерно-периодической антенны вытекающей волны в виде решетки одномерных волноводно-щелевых антенн с линейным сдвигом фазы между ними. Расчеты проведены в многомодовой постановке задачи на собственные значения. Исследование выявило особенности в дисперсионной диаграмме в виде ветвей и запрещенных зон, обусловленных взаимной связью и фазовым сдвигом между волноводами в решетке. Определены направления излучения вытекающей пространственной гармоники Флоке и сектор сканирования в диапазоне частот при заданном фазовом сдвиге. Численно решена задача возбуждения конечной решетки. Рассчитаны диаграммы направленности излучения и сектор сканирования в полосе частот при возбуждении со всех ее входов. Показано, что направление луча в диаграмме излучения конечной решетки и ее сектор сканирования совпадают с направлением излучения и сектором сканирования гармоники Флоке во всем рассмотренном диапазоне частот.

For citation

References

1. Уолтер К. Антенны бегущей волны. Пер. с англ. под ред. А. Ф. Чаплина. - М.: Энергия, 1970, 448 с.
2. Hansen R. C. Phased array antennas. -John Wiley & Sons, 1998, 486 p.
3. Калошин В. А. Антенны миллиметровых волн. Зарубежная радиоэлектроника, 1984, №11, сс. 97-106.
4. Мануилов М. Б., Лерер В. А., Синявский Г. П. Методы расчета и новые применения волноводно-щелевых антенных решеток. Успехи современной радиоэлектроники, 2007, №5, сс. 3-28.
5. Xu F. and Wu K. Understanding Leaky-Wave Structures. IEEE Microwave Magazine, 2013, Vol.14, No. 5, pp. 87-96.
6. Банков С. Е. Антенные решетки с последовательным питанием. -М.: Физматлит, 2013, 414 с.
7. Банков С. Е., Калиничев В. И., Калошин В. А., Фролова Е. В. Непериодические линейные и планарные антенные решетки вытекающей волны. Докл. 3 Всеросс. Микроволновой конф. "Радиолокация и радиосвязь", 25-27 ноября 2015, М. ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, сс. 207-211.
8. Zhao T., Jackson D. R., Williams J. T., Yang H.-Y. D., and Oliner A. A. 2-D Periodic Leaky-Wave Antennas - Part I: Metal Patch Design. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2005, Vol. 53, No. 11, pp. 3505-3514.
9. Zhao T., Jackson D. R., Williams J. T. 2-D Periodic Leaky-Wave Antennas - Part II: Slot Design. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2005, Vol. 53, No. 11, pp. 3515-3524.
10. Sengupta S., Jackson D. R., Long S. A. Properties of Microwave and Optical 2-D Periodic Leaky Wave Antennas. Wireless and Microwave Circuits and Systems (WMCS), 23-24 April, 2015, Texas, pp. 1- 4.
11. Ettorre M., Neto A., Gerini G., and Maci S. Leaky-Wave Slot Array Antenna Fed by a Dual Reflector System. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2008, Vol. 56, No. 10, pp. 3143-3149.
12. Ettorre M., Sauleau R., and Le Coq L. Multi-Beam Multi-Layer Leaky-Wave SIW Pillbox Antenna for Millimeter-Wave Applications. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2011, Vol. 59, No. 4, pp. 1093-1100.
13. Cheng Y. J., Hong W., and Wu K. Millimeter-Wave Substrate Integrated Waveguide Multibeam Antenna Based on the Parabolic Reflector Principle. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2008, Vol. 56, No. 9, pp. 3055-3058.
14. Chen P., et al. A Multibeam Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide Technology for MIMO Wireless Communications. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2009, Vol. 57, No. 6, pp.1813-1821.
15. В. И. Калиничев, А. А. Бабаскин. Метод расчета постоянной распространения вытекающей моды в волноводах со щелями. Журнал радиоэлектроники, 2015, №7. http://jre.cplire.ru/jre/jul15/2/text.pdf
16. В. И. Калиничев, А. А. Бабаскин. Анализ двумерно-периодической волноводно-щелевой решетки с частотно-фазовым сканированием луча. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2016, №2. URL: http://jre.cplire.ru/jre/feb16/3/text.pdf
17. В. И. Калиничев, А. А. Бабаскин. Частотное сканирование антенны вытекающей волны на прямоугольном волноводе, заполненном диэлектриком. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2016, №8. URL: http://jre.cplire.ru/jre/aug16/2/text.pdf
18. Lyu Y. L., Liu X. X., Wang P. Y., Erni D., Wu Q., Wang C., Kim N. Y., and Meng F. Y. Leaky-Wave Antennas Based on Noncutoff Substrate Integrated Waveguide Supporting Beam Scanning From Backward to Forward. IEEE Trans. Antennas and Propagation, 2016, Vol. 64, No. 6, pp.2155-2164.