Широкополосная антенна с торцевым диэлектрическим стержнем и высоким коэффициентом усиления, питаемая волноводом с коническим гребнем для применений в диапазонах k/Ka.

В этом исследовании предлагается широкополосная и высокоэффективная торцевая антенна с диэлектрическим стержнем для применения как в K-, так и в Ka-диапазонах. За счет использования структуры питания волновода с двойным гребнем (DRW), которая состоит из перехода от коаксиальной линии к коническому DRW, параболического конического DRW и расширяющейся параллельной секции волновода с параболическим сужением, полоса импеданса этой предлагаемой антенны расширяется до 84,5. %. Диэлектрический стержень с двойным круговым усеченным конусом, действующий в качестве основного излучателя предлагаемой антенны, принят для достижения более высоких коэффициентов усиления и более низких уровней боковых лепестков по сравнению с традиционным диэлектрическим стержнем с круглым конусом, в то время как вставлена ​​структура с четырьмя клиньями. В волноводе разработана согласующая секция диэлектрического стержня для дальнейшего улучшения согласования импедансов. Результаты измерений показывают, что эта антенна может работать в диапазоне 17,9–44,1 ГГц, а измеренный коэффициент усиления изменяется от 9,9 до 15,5 дБи. Кроме того, диаграммы направленности продемонстрированы с наблюдаемой характеристикой конца горения во всем рабочем диапазоне. 1 Введение Благодаря высокой характеристике направленности, торцевые антенны широко применяются в военных и коммерческих целях, например, в беспилотных летательных аппаратах и ​​разведывательных аппаратах, ракетах, радарах и т. д. В последние годы, в связи с быстрым развитием технологий беспроводной связи, таких как Помимо наступления эры связи 5G, срочно требуется высокая пропускная способность данных, поэтому антенны торцевого огня, работающие в миллиметровом диапазоне волн с широкой полосой частот и высокой направленностью, привлекли огромное внимание. Основными типами торцевых антенн миллиметрового диапазона являются следующие: микрополосковая антенная решетка [[1]], щелевая антенна [[2]), рупорная антенна SIW [[3]], линзовая антенна [[4]] и антенна с диэлектрическим стержнем [[5]]. Среди них диэлектрическая антенна имеет относительно высокую эффективность апертуры. Кроме того, благодаря таким преимуществам, как малый вес, низкая стоимость и малая взаимная связь между отдельными элементами антенной решетки, его можно рассматривать как превосходного кандидата для миллиметрового диапазона волн. За последние сто лет исследователи провели большое количество исследований по теории диэлектрических стержневых антенн, в основном сосредоточив внимание на стержневой части тела. В 1910 году Хондрос и Дебай [[6]] теоретически обнаружили, что электромагнитная волна, возможно, направляется диэлектрическим проводом, и описали взаимосвязь между фазовой скоростью направленной волны, относительной диэлектрической проницаемостью и диаметром провода. . В [[7]], проведены расширенные теоретические исследования по [[6]] и проверены экспериментальные работы в [[8]]. Позже Коллин и Цукер [[9]] предложили концепцию излучения разрыва для объяснения механизма излучения диэлектрического стержня. В работах [[10]-[12]] механизм излучения и характеристики диэлектрических стержневых антенн были дополнительно исследованы теоретическими и экспериментальными методами. В 1992 году Цукер и Джонсон [[13]] продемонстрировали принципы проектирования, обеспечивающие максимальное усиление, минимальную ширину луча и минимальный уровень боковых лепестков для антенны на поверхностных волнах, которая включает в себя антенны с диэлектрическими стержнями. Джеймс [[14]] представил общие правила проектирования диэлектрической стержневой антенны с конусным профилем. Однако вышеупомянутые исследования представляют собой всего лишь карандашные и бумажные методы. В последнее время, в связи с развитием компьютерного программного обеспечения, Характеристики излучения и оптимальную конструкцию диэлектрического стержня можно изучить с помощью алгоритмов и моделирования. В [[15]] эта исследовательская группа демонстрирует концепцию разрывного излучения диэлектрической стержневой антенны посредством численного анализа. Андо и др. [[16]] также применяет метод конечной разности тела вращения во временной области для численного анализа линейно и криволинейно сужающихся цилиндрических диэлектрических стержневых антенн и предлагает влияние преобразования направленной моды стержня на направленность излучения. В [[17]] для анализа диэлектрических стержней произвольного профиля принята технология моментов тела вращения, а также в статье показано, как спроектировать профиль диэлектрического стержня для достижения более высокого усиления и более низкого уровня боковых лепестков. (СЛЛ). Более того, Многие исследователи концентрируются на использовании многослойного диэлектрического стержня, каждый слой которого имеет разную относительную диэлектрическую проницаемость. Благодаря использованию этой новой методологии характеристики антенн эффективно улучшаются [[18],[19]]. Поскольку технология трехмерной (3D) печати широко используется для изготовления антенных структур, авторы в [[20]) исследуют влияние шероховатости поверхности на характеристики 3D-печатной диэлектрической стержневой антенны. Однако именно свойства широкополосной и разнообразной поляризации антенн крайне необходимы в приложениях связи миллиметрового диапазона 5G, и эти характеристики также имеют тесную связь со структурой питания. Поэтому также важно исследовать питающую сеть для улучшения характеристик антенны. Авторы работы [[21]] разработали переходной переход микрополоскового волновода с квадратным волноводом с двойной линейной поляризацией для питающей структуры и используют традиционный конический диэлектрический стержень с круглым конусом с этой специально разработанной питающей структурой для создания антенны с двойной поляризацией. Для конструкции, описанной в [[22]], путем поворота конуса излучения диэлектрического стержня на угол 45 относительно конуса согласования облучателя можно получить способность к круговой поляризации для этой диэлектрической стержневой антенны. В [[23],[24]] широкополосная интегрированная в подложку волноводная структура с антиподальным переходом Вивальди используется для питания диэлектрической стержневой антенны, и эта питающая сеть может эффективно увеличить полосу пропускания, но рабочий диапазон антенн не удовлетворены приложениями мм-волн, при этом максимальная полоса пропускания одного антенного элемента составляет всего 40%. Абумуншар и Сертель [[25]] представили диэлектрическую стержневую антенну с длинной коаксиальной фидерной сетью, полоса пропускания этой антенны может достигать 133%. Однако структура питания, изготовленная из коаксиальных кабелей RG402, ухудшает характеристики антенны на более высоких частотах миллиметрового диапазона, что ограничивает расширение рабочего диапазона. Хоу и др. [[26]] предлагают простую в изготовлении прямоугольную диэлектрическую стержневую антенну, в которой в качестве питающей структуры используется параллельная полосковая линия с воздушной подложкой. За счет согласования импедансов в зависимости от параллельной полосковой линии процедура проектирования антенны упрощается. Эта антенна имеет высокий коэффициент усиления 16,7 дБи. Однако полоса пропускания составляет всего 20% из-за ограничений структуры подачи. В этой статье, Мы разрабатываем торцевую антенну с диэлектрическим стержнем мм-волн и широкой полосой пропускания, охватывающую диапазоны K и Ka. Вместо использования традиционного прямоугольного волновода для питания полосу импеданса можно значительно расширить, приняв коническую питающую сеть с двойным гребнем волновода (DRW). Кроме того, для дальнейшего улучшения согласования импедансов используется диэлектрическая секция в форме четырех клиньев. В результате относительная полоса пропускания предлагаемой нами антенны может достигать 84,5%. Основной излучатель корпуса стержня, выполненный в виде двойного кругового усеченного конуса, может обеспечить более высокий коэффициент усиления и меньшие SLL, чем обычный диэлектрический стержень с круглым конусом. Более того, эти лучшие свойства объясняются теорией апертуры бегущей волны, с помощью которой также анализируются диаграммы направленности. Вместо использования традиционного прямоугольного волновода для питания полосу импеданса можно значительно расширить, приняв коническую питающую сеть с двойным гребнем волновода (DRW). Кроме того, для дальнейшего улучшения согласования импедансов используется диэлектрическая секция в форме четырех клиньев. В результате относительная полоса пропускания предлагаемой нами антенны может достигать 84,5%. Основной излучатель корпуса стержня, выполненный в виде двойного кругового усеченного конуса, может обеспечить более высокий коэффициент усиления и меньшие SLL, чем обычный диэлектрический стержень с круглым конусом. Более того, эти лучшие свойства объясняются теорией апертуры бегущей волны, с помощью которой также анализируются диаграммы направленности. Вместо использования традиционного прямоугольного волновода для питания полосу импеданса можно значительно расширить, приняв коническую питающую сеть с двойным гребнем волновода (DRW). Кроме того, для дальнейшего улучшения согласования импедансов используется диэлектрическая секция в форме четырех клиньев. В результате относительная полоса пропускания предлагаемой нами антенны может достигать 84,5%. Основной излучатель корпуса стержня, выполненный в виде двойного кругового усеченного конуса, может обеспечить более высокий коэффициент усиления и меньшие SLL, чем обычный диэлектрический стержень с круглым конусом. Более того, эти лучшие свойства объясняются теорией апертуры бегущей волны, с помощью которой также анализируются диаграммы направленности. Диэлектрическая секция в форме четырех клиньев используется для дальнейшего улучшения согласования импедансов. В результате относительная полоса пропускания предлагаемой нами антенны может достигать 84,5%. Основной излучатель корпуса стержня, выполненный в виде двойного кругового усеченного конуса, может обеспечить более высокий коэффициент усиления и меньшие SLL, чем обычный диэлектрический стержень с круглым конусом. Более того, эти лучшие свойства объясняются теорией апертуры бегущей волны, с помощью которой также анализируются диаграммы направленности. Диэлектрическая секция в форме четырех клиньев используется для дальнейшего улучшения согласования импедансов. В результате относительная полоса пропускания предлагаемой нами антенны может достигать 84,5%. Основной излучатель корпуса стержня, выполненный в виде двойного кругового усеченного конуса, может обеспечить более высокий коэффициент усиления и меньшие SLL, чем обычный диэлектрический стержень с круглым конусом. Более того, эти лучшие свойства объясняются теорией апертуры бегущей волны, с помощью которой также анализируются диаграммы направленности.