Особенности формирования излучения малоапертурными СВЧ-антеннами

Abstract

В настоящее время одна из основных проблем состоит в создании широкополосных малоапертурных одиночных излучателей и антенных решеток для беспроводных локальных сетей, задач неразрушающего контроля, мониторинга окружающей среды, биологии, медицины и др. В условиях, когда размеры излучателя становятся сравнимыми с рабочей длиной волны, возрастающее взаимное влияние отдельных элементов антенны и увеличивающаяся роль краевых эффектов в формировании излучения антенн становятся принципиальными и требуют самостоятельного и детального изучения. В работе реализован подход, связанный с применением анализа распределений электромагнитного (ЭМ) поля в промежуточной зоне излучателей для объяснения особенностей формирования излучения в антенной решетке и планарной спиральной антенне. Измеряются распределения ЭМ-поля в промежуточной зоне, и проводится их анализ совместно с распределениями ЭМ-поля в дальней зоне. При этом используются специальные волноводные зонды. Показано, что для элементов антенной решетки ЭМ-волны, рассеянные как на их границах, так и на экране обусловливают осцилляции интенсивности в главном лепестке диаграммы направленности (ДН) и увеличение уровня кросс-компоненты. Для спиральной антенны отличия в распределениях ЭМ-поля в промежуточной зоне на ортогональных компонентах приводят как к различию соответствующих ДН, так и к неравномерному изменению коэффициента эллиптичности в рабочем частотном диапазоне. Предложенный в работе подход к анализу характеристик антенн, а также исследованные антенны могут найти применение при создании устройств систем связи.

На сьогодні однією з основних проблем є створення широкосмугових малоапертурних поодиноких випромінювачів та антенних ґраток для безпровідних локальних мереж, задач неруйнівного контролю, моніторингу довкілля, біології, медицини та інше. В умовах, коли розміри випромінювача стають порівнянними з довжиною робочої хвилі, зростаючий взаємний вплив окремих елементів антени та істотно більша роль крайових ефектів в формуванні випромінювання антен стають принциповими, та потребують самостійного та детального вивчення. В роботі реалізовано підхід, що пов’язаний з використанням аналізу розподілів електромагнітного (ЕМ) поля в проміжній зоні випромінювання для пояснення особливостей формування випромінювання в антенній ґратці та планарній спіральній антені. Вимірюються розподіли ЕМ-поля в проміжній зоні, та проводиться їх аналіз разом з розподілами ЕМ-поля в дальній зоні. При цьому використовуються спеціальні хвилеводні зонди. Показано, що для елементів антенної ґратки ЕМ-хвилі, що розсіються як на їх границях, так і на екрані обумовлюють осциляції інтенсивності в головній пелюстці діаграми спрямованості (ДС) та зростання рівня крос-компоненти. Для спіральної антени відмінності в розподілах ЕМ-поля в проміжній зоні на ортогональних компонентах приводять як до різниці в ДС, так і до нерівномірної зміни коефіцієнта еліптичності в робочому частотному діапазоні. Запропонований в роботі підхід до аналізу характеристик антен, а також досліджені антени можуть найти використання при створенні пристроїв систем зв’язку.

Currently, one of the major problems is to create the broadband individual small aperture radiators and antenna arraysfor wireless local area networks, nondestructive problems, the environment monitoring, biology, medicine, etc. Under conditions when the radiator size is comparable to the operating wavelength, the increasing mutual influence of the individual antenna elements and the increasing role of edge effects in the formation of antenna radiation become principal and require separate and detailed studying. In the paper the approach involving the analysis of near-field distributions of the concrete individual radiator is realized to explain the features of the radiation formation in the antenna array and planar spiral antenna. The near-field distributions are measured and their analysis is carried out along with the electromagnetic field distributions measured in the far field region. The special waveguide probes are used. It is shown that relative to the antenna array the electromagnetic waves scattered at the edges of array elements and at the ground plane cause the field intensity oscillations in the main lobe of the radiation pattern and the increase of the cross-component level. As regards the spiral antenna, the differences in the near-field distributions for the orthogonal components lead to a difference in the suitable radiation patterns and to the irregular changes of the axial ratio in the operational frequency band. The proposed approach to the analysis of antenna performance, as well as the presented and tested antennas can be used in designing different wireless communication systems.