Русский | English | Deutsch

Широкополосная двухслойная микрополосковая антенна круговой поляризации Ка-диапазона (28–30 ГГц) с апертурной связью

Проект содержит расчет, конструкторские данные и численное электродинамическое моделирование широкополосной микрополосковой антенны круговой поляризации миллиметрового диапазона (рабочая полоса 28.0–30.0 ГГц, Ka-диапазон). Излучатель выполнен по схеме апертурно-связанного резонатора со щелевым возбуждением через крестообразную апертуру в заземляющей пластине и включает дополнительный паразитный резонатор (stacked patch) для расширения рабочей полосы частот.

Содержание

Общее описание проекта
Структура проекта
Аналитический расчет
3D-моделирование и оптимизация одиночного излучателя
Результаты электромагнитного моделирования одиночного элемента
Исследование антенной решётки 8x8 и эффекта поверхностных волн
Подавление поверхностных волн перфорацией экрана и перенастройка излучателя
Подрешётка 2×2 с последовательным фазово-пространственным поворотом
Финальная оптимизированная решётка 8x8 и фазированное сканирование
Лицензия

Общее описание проекта

Целью разработки является создание компактной широкополосной печатной антенны для диапазона 28.0–30.0 ГГц с круговой поляризацией для систем миллиметровой связи, радиолокации и спутниковых каналов Ка-диапазона.

Основные технические особенности архитектуры:

Тип структуры: многослойная микрополосковая антенна с наложенными резонаторами (stacked patch).
Метод возбуждения: электромагнитная апертурная связь через крестообразную щель (cross-slot) в экране с питанием микрополосковой линией.
Согласование: четвертьволновый разомкнутый настроечный шлейф, центрированный непосредственно над апертурным крестом.
Формирование круговой поляризации: срезы противоположных углов (corner truncation) излучающих элементов для расщепления вырожденных мод $TM_{10}$ и $TM_{01}$ в квадратуре ($90^\circ$).
Расширение полосы: второй (паразитный) резонатор над основным патчем, формирующий двухрезонансный частотный отклик в полосе 28.0–30.0 ГГц.
Подавление поверхностных волн: неоднородности в виде отверстий в земляном полигоне вокруг излучателя для отражения волн подложки и ослабления взаимной связи.
Сверхширокополосная круговая поляризация массива: топология подрешётки $2 \times 2$ с последовательным поворотом элементов ($0^\circ, 90^\circ, 180^\circ, 270^\circ$) для взаимной компенсации паразитных мод и расширения полосы осевого отношения.
Стек материалов и конструкция: высокочастотный диэлектрик Rogers RT/duroid 5870 ($h = 0.254$ мм, $\varepsilon_r = 2.33$), медная фольга $t = 35$ мкм (1 oz), плата 90 $\times$ 89 мм с широкими краевыми полями земли для предотвращения краевого ухудшения КСВН.
Электромагнитная изоляция: заземляющий полигон с щелевой апертурной связью обеспечивает защиту антенного тракта от высокочастотных шумов и помех управляющих микросхем (Beamforming ICs / RFIC).

Структура проекта

Файлы репозитория распределены по специализированным каталогам:

├── .gitignore
├── README.md
├── README.en.md
├── README.de.md
├── cad/
│   ├── antenna_enclosure_base.step            # Корпус антенны: нижнее основание
│   ├── antenna_enclosure_cover.step           # Корпус антенны: верхняя защитная крышка
│   ├── antenna_pcb_layout.pcbdoc              # Исходный проект печатной платы (Altium Designer)
│   ├── antenna_pcb_odbpp.zip                  # Производственный архив слоев печатной платы ODB++
│   ├── pcb_driven_patch.step                  # 3D STEP-модель нижней платы (фидер и возбуждаемый патч)
│   ├── pcb_parasitic_patch.step               # 3D STEP-модель верхней платы (паразитный патч)
│   └── sma_edgemount_connector.step           # 3D STEP-модель торцевого разъема SMA End-Launch
├── calculations/
│   └── patch_antenna_analytical_calc.xmcd     # Аналитический расчет параметров и геометрии (Mathcad 14)
├── docs/
│   └── images/
│       ├── antenna_stackup_exploded_view.jpg  # Послойная структура стека печатной платы антенны
│       ├── array_8x8_3d_directivity_29ghz.png # 3D-диаграмма направленности КНД решётки 8x8 (21.63 dBi)
│       ├── array_8x8_3d_efield_29ghz.png      # 3D-распределение поля E-field решётки 8x8 на 29 ГГц
│       ├── array_8x8_3d_steered_beam_0deg.png # 3D-диаграмма луча решётки 8x8 в зените (0°)
│       ├── array_8x8_3d_steered_beam_17deg.png # 3D-диаграмма сканирования луча решётки 8x8 на 17°
│       ├── array_8x8_3d_steered_beam_33deg.png # 3D-диаграмма сканирования луча решётки 8x8 на 33°
│       ├── array_8x8_axial_ratio_polar_28ghz.png # Полярная диаграмма осевого отношения решётки 8x8 (28 ГГц)
│       ├── array_8x8_axial_ratio_polar_29ghz.png # Полярная диаграмма осевого отношения решётки 8x8 (29 ГГц)
│       ├── array_8x8_axial_ratio_polar_30ghz.png # Полярная диаграмма осевого отношения решётки 8x8 (30 ГГц)
│       ├── array_8x8_dimensions_and_ground_margin.png # Габариты платы 90x89 мм и широкие поля земли
│       ├── array_8x8_final_3d_efield_29ghz.png # 3D-распределение поля E-field финальной решётки 8x8
│       ├── array_8x8_final_axial_ratio_polar_28ghz.png # Осевое отношение финальной решётки 8x8 на 28 ГГц (2.1 дБ)
│       ├── array_8x8_final_axial_ratio_polar_29ghz.png # Осевое отношение финальной решётки 8x8 на 29 ГГц (1.6 дБ)
│       ├── array_8x8_final_axial_ratio_polar_30ghz.png # Осевое отношение финальной решётки 8x8 на 30 ГГц (0.7 дБ)
│       ├── array_8x8_final_gain_polar_29ghz.png # Коэффициент усиления финальной решётки 8x8 (21.8 dBi)
│       ├── array_8x8_final_model_ports.png    # 3D-модель финальной решётки 8x8 с 64 портами возбуждения
│       ├── array_8x8_final_vswr_ports.png     # График КСВН портов финальной решётки 8x8
│       ├── array_8x8_gain_polar_29ghz.png     # Диаграмма коэффициента усиления решётки 8x8 (Gain 21.3 dBi)
│       ├── array_8x8_steered_axial_ratio_0deg.png # Осевое отношение при сканировании луча на 0°
│       ├── array_8x8_steered_axial_ratio_17deg.png # Осевое отношение при сканировании луча на 17°
│       ├── array_8x8_steered_axial_ratio_33deg.png # Осевое отношение при сканировании луча на 33°
│       ├── array_8x8_steered_beam_0deg.png    # Диаграмма E-field при излучении в зенит (0°)
│       ├── array_8x8_steered_beam_17deg.png   # Диаграмма E-field при сканировании луча на 17°
│       ├── array_8x8_steered_beam_33deg.png   # Диаграмма E-field при сканировании луча на 33°
│       ├── array_8x8_vswr_ports.png           # График КСВН по портам решётки 8x8 при взаимной связи
│       ├── axial_ratio_3d_pattern_29ghz.png   # 3D-диаграмма коэффициента эллиптичности одиночного патча
│       ├── axial_ratio_polar_29ghz.png        # Полярная диаграмма осевого отношения одиночного патча (29 ГГц)
│       ├── cross_slot_aperture_dimensions.png # Размеры крестообразной апертуры связи (1.693 мм x 0.101 мм)
│       ├── ground_holes_lateral_spacing.png   # Латеральное расстояние до отверстий в земле (1.94 мм)
│       ├── parasitic_patch_geometry.png       # Первичная геометрия верхнего паразитного резонатора (2.01 мм)
│       ├── patch_truncation_geometry.png      # Первичная геометрия нижнего резонатора и срезов (2.65 мм)
│       ├── retuned_axial_ratio_polar_29ghz.png # Осевое отношение после перенастройки (2.8 дБ на 29 ГГц)
│       ├── retuned_driven_patch_with_ground_holes.png # Размеры перенастроенного нижнего патча (2.668 мм)
│       ├── retuned_quarter_wave_transformer.png # Длина четвертьволнового трансформатора (1.738 мм)
│       ├── retuned_s11_band_edge_lower.png    # Нижняя граница полосы после перенастройки (27.927 ГГц)
│       ├── retuned_s11_band_edge_upper.png    # Верхняя граница полосы после перенастройки (29.711 ГГц)
│       ├── retuned_single_patch_3d_directivity_29ghz.png # 3D-диаграмма КНД перенастроенного патча (7.47 dBi)
│       ├── retuned_vswr.png                   # График КСВН после перенастройки (1.30 на 29 ГГц)
│       ├── simulation_s11_band_edge_lower.png # Первичная нижняя граничная частота S11 (27.94 ГГц)
│       ├── simulation_s11_band_edge_upper.png # Первичная верхняя граничная частота S11 (29.58 ГГц)
│       ├── simulation_s_parameters_s11.png    # Первичный график коэффициента отражения S11
│       ├── simulation_vswr.png                # Первичный график КСВН одиночного элемента
│       ├── simulation_z_parameters.png        # График комплексного входного импеданса Z11
│       ├── subarray_2x2_3d_gain_29ghz.png     # 3D-диаграмма усиления подрешётки 2x2 (10.60 dBi)
│       ├── subarray_2x2_axial_ratio_polar_28ghz.png # Осевое отношение подрешётки 2x2 на 28 ГГц (0.8 дБ)
│       ├── subarray_2x2_axial_ratio_polar_29ghz.png # Осевое отношение подрешётки 2x2 на 29 ГГц (1.8 дБ)
│       ├── subarray_2x2_axial_ratio_polar_30ghz.png # Осевое отношение подрешётки 2x2 на 30 ГГц (1.6 дБ)
│       ├── subarray_2x2_sequential_rotation_geometry.png # Топология подрешётки 2x2 с поворотом на 90°
│       └── subarray_2x2_vswr_ports.png        # Характеристики КСВН по портам подрешётки 2x2
├── simulation/
│   ├── cp_stacked_patch_antenna_29ghz.cst     # Проект численного электромагнитного анализа одиночного элемента
│   └── ka_band_patch_array_8x8_full_model.cst # Полноволновая 3D-модель финальной решётки 8x8 в CST Studio Suite

Аналитический расчет

Аналитическая часть работы реализована в среде Mathcad (patch_antenna_analytical_calc.xmcd) и включает синтез микрополоскового тракта и базовых размеров апертуры:

1. Электрофизические параметры подложки и стек слоев

Материал подложки: армированный фторопласт Rogers RT/duroid 5870.
Относительная диэлектрическая проницаемость: $\varepsilon_r = 2.33$, тангенс угла потерь $\tan\delta = 0.0012$.
Толщина диэлектрических слоев: $h = 0.254$ мм (10 mil).
Толщина проводника (медь): $t = 35$ мкм (1 oz electrodeposited copper).
Рабочий частотный диапазон: $f_1 = 28.0$ ГГц, $f_2 = 30.0$ ГГц, средняя частота $f_0 = 29.0$ ГГц.

2. Оценка базовых размеров прямоугольного патча

Теоретическая ширина: $$W = \frac{c}{2 f_0} \sqrt{\frac{2}{\varepsilon_r + 1}} \approx 4.01\text{ mm}$$ Краевое удлинение за счет краевых полей рассеяния: $\Delta L \approx 0.129$ мм.
Эффективная полуволновая длина: $L_{\text{eff}} \approx 3.13$ мм.

3. Синтез апертурного элемента связи (Cross-Slot)

Ширина плеч крестообразной щели: $W_{\text{cross}} = 1.0$ мм.
Длина каждого плеча щели: $L_{1\text{cross}} = L_{2\text{cross}} \approx 1.69$ мм ($\approx \lambda_g / 4$).

4. Микрополосковая линия передачи и согласующий шлейф

Квазистатическая эффективная диэлектрическая проницаемость (по модели Wheeler & Schneider): $\varepsilon_{\text{eff},0} = 1.961$.
Коррекция частотной дисперсии микрополосковой линии в СВЧ-диапазоне (по модели Kobayashi): $\varepsilon_{\text{eff}}(29\text{ GHz}) = 1.997$.
Учет конечной толщины металлизации (Wheeler): поправка $\Delta W_2 \approx 0.215$ мм.
Параметры четвертьволнового согласующего шлейфа: длина $L_t = \lambda_g / 4 \approx 1.83$ мм, длина волны в тракте $\lambda_g \approx 7.32$ мм, ширина полоскового проводника $W_t \approx 0.54$ мм при характеристическом импедансе $Z_0 = 50\ \Omega$.

Рис. 1. Первичная топология нижнего излучателя: сторона патча 2.65 мм, фаска среза 0.35 мм.

3D-моделирование и оптимизация одиночного излучателя

Численное электродинамическое моделирование выполнено в CST Studio Suite (cp_stacked_patch_antenna_29ghz.cst). Процесс проектирования и оптимизации топологии антенны состоял из следующих последовательных этапов:

1. Базовая конфигурация одиночного патча

Смоделирован первичный микрополосковый фидер с четвертьволновым настроечным шлейфом, расположенным непосредственно над центром крестообразной щели связи в экране для компенсации реактивной индуктивной составляющей апертуры.

2. Подстройка согласования (КСВН)

Выполнена параметрическая коррекция геометрических размеров основного резонатора для обеспечения оптимального согласования и минимизации коэффициента стоячей волны в рабочей полосе частот.

3. Формирование круговой поляризации

На противоположных углах квадратного резонатора со стороной 2.65 мм выполнены диагональные срезы размером $\Delta c = 0.35$ мм под углом $45^\circ$. Данная геометрическая асимметрия расщепляет вырожденную моду на две ортогональные пространственные компоненты с равными амплитудами и фазовым сдвигом $90^\circ$.

4. Расширение полосы с помощью паразитного патча (Stacked Patch)

На дополнительной подложке толщиной $h_2 = 0.203$ мм над основным излучателем размещен верхний паразитный микрополосковый резонатор. Первичные геометрические параметры:

Размер квадратного паразитного патча составляет 2.01 мм $\times$ 2.01 мм.
Диагональные срезы углов верхнего патча имеют размер $\Delta c_{\text{top}} = 0.29$ мм под углом $45^\circ$, что обеспечивает согласованную круговую поляризацию на обеих модах.
Образованная связанная двухконтурная резонансная система обеспечивает широкополосную работу в диапазоне 28.0–30.0 ГГц как по согласованию ($S_{11} < -10$ дБ), так и по коэффициенту эллиптичности ($\text{AR} < 3$ дБ).

Рис. 2. Первичная топология верхнего паразитного излучателя: сторона патча 2.01 мм, фаска среза 0.29 мм, толщина диэлектрика 0.203 мм.

Рис. 3. 3D-модель одиночного элемента и пространственное распределение осевого отношения.

Результаты электромагнитного моделирования одиночного элемента

1. Коэффициент отражения ($S_{11}$) и граничные частоты полосы пропускания

В широкополосном диапазоне 28.0–30.0 ГГц антенна демонстрирует устойчивое согласование с глубоким резонансным провалом.
На проектной частоте 29.0 ГГц коэффициент отражения составляет $S_{11} = -13.24$ дБ.
Резонансный минимум достигает диапазона от $-21.5$ до $-28.0$ дБ в рабочей полосе.

Первичные граничные частоты согласования по уровню $S_{11} \le -10$ дБ:

Нижняя граница рабочего диапазона: $f_{\text{low}} = 27.938$ ГГц при уровне $S_{11} = -10.28$ дБ.
Верхняя граница рабочего диапазона: $f_{\text{high}} = 29.576$ ГГц при уровне $S_{11} = -10.58$ дБ.
Полоса рабочих частот по уровню -10 дБ составляет $\Delta f = 1.638$ ГГц (диапазон 27.94–29.58 ГГц).

Рис. 4. Обзорная частотная зависимость коэффициента отражения S11 одиночного излучателя.

Рис. 5. Первичная нижняя граничная частота по уровню S11 = -10 дБ (маркер 27.938 ГГц, -10.28 дБ).

Рис. 6. Первичная верхняя граничная частота по уровню S11 = -10 дБ (маркер 29.576 ГГц, -10.58 дБ).

2. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН / VSWR)

На частоте 29.0 ГГц КСВН составляет 1.56. В полосе частот согласования КСВН не превышает 2.0, опускаясь до 1.08 в зоне оптимального импедансного согласования.

Рис. 7. Первичная частотная зависимость КСВН одиночного элемента.

3. Входной импеданс ($Z_{11}$)

На частоте 29.0 ГГц действительная составляющая входного импеданса равна $\mathrm{Re}(Z_{11}) = 32.66\ \Omega$, мнимая составляющая составляет $\mathrm{Im}(Z_{11}) = 4.92\ \Omega$. Низкое значение реактивной составляющей подтверждает параллельный резонансный режим связанных контуров.

Рис. 8. Частотная характеристика действительной и мнимой частей входного импеданса Z11.

4. Осевое отношение (Axial Ratio / Поляризация)

В зенитном направлении ($\theta = 0^\circ$) на частоте 29.0 ГГц осевое отношение составляет около 1.0 дБ, что существенно ниже общепринятого граничного уровня круговой поляризации 3.0 дБ. Устойчивый сектор круговой поляризации охватывает рабочий угол места $|\theta| \le 30^\circ$.

Рис. 9. Полярная диаграмма осевого отношения одиночного элемента в сечении Phi=90° на частоте 29 ГГц.

Исследование антенной решётки 8x8 и эффекта поверхностных волн

Для повышения коэффициента усиления и формирования узкой диаграммы направленности спроектирована планарная антенная решётка формата $8 \times 8$ (64 излучающих элемента). В ходе подбора межэлементного расстояния с целью максимизации коэффициента усиления и углового сектора излучения выявлен физический эффект взаимной связи через поверхностные волны диэлектрика.

1. Характеристики направленности антенной решётки 8x8

На частоте 29.0 ГГц решётка формирует узкий игольчатый луч (pencil beam) с высоким коэффициентом направленного действия и усиления:

Коэффициент направленного действия (КНД / Directivity): 21.63 dBi в направлении нормали к плоскости решётки.
Реализованный коэффициент усиления (Gain): 21.3 dBi при сечении $\Phi = 90^\circ$.
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности (HPBW, 3 dB): $9.6^\circ$.
Уровень боковых лепестков (SLL): $-10.0$ дБ.
Эффективность излучения (Radiation Efficiency): 92.9% ($-0.32$ дБ), полная эффективность: 85.6% ($-0.68$ дБ).
Максимальная напряженность электрического поля в дальней зоне: $E_{\max} = 408.6$ В/м на расстоянии 1 м.

Рис. 10. 3D-диаграмма направленности КНД решётки 8x8 на частоте 29 ГГц (максимум 21.63 dBi).

Рис. 11. Полярная диаграмма коэффициента усиления решётки 8x8 в сечении Phi=90° (Gain = 21.3 dBi, ширина луча 9.6°).

Рис. 12. 3D-распределение поля излучения E-field решётки 8x8 на частоте 29 ГГц.

2. Взаимное влияние элементов и расщепление резонансов (КСВН)

Распространение поверхностных волн в общей непрерывной диэлектрической подложке приводит к сильной паразитной электромагнитной связи между соседними излучателями. Из-за пространственной асимметрии положения элементов в решётке (центральные, краевые и угловые элементы находятся в разном электродинамическом окружении) наблюдается выраженный разброс активных входных импедансов:

Каждый порт демонстрирует индивидуальное смещение резонансной частоты согласования в пределах 28.5–29.8 ГГц.
Значения КСВН по портам (VSWR1...VSWR10) сохраняются в допустимых пределах (от 1.1 до 1.7 на частотах резонанса), однако кривые расщепляются относительно характеристик одиночного патча.

Рис. 13. График КСВН для портов решётки 8x8, иллюстрирующий расщепление резонансов из-за взаимного влияния.

3. Деградация круговой поляризации из-за поверхностных волн

Наиболее критическим последствием поверхностных волн в подложке стало разрушение круговой поляризации антенной решётки:

Круговая поляризация в одиночном элементе достигалась прецизионным квадратурным балансом двух ортогональных мод за счет срезов углов.
В решётке $8 \times 8$ паразитные связанные поверхностные поля наводят дополнительные токи на соседние резонаторы с произвольными фазовыми сдвигами.
Нарушение квадратурного фазового сдвига ($90^\circ$) и равенства амплитуд ортогональных компонент поля привело к существенной деградации осевого отношения (Axial Ratio) во всем рабочем диапазоне:

На частоте 28.0 ГГц осевое отношение в зените ($\theta = 0^\circ$) ухудшилось до 5.3 дБ, что полностью выводит антенну из режима круговой поляризации в выраженную эллиптическую.
На центральной частоте 29.0 ГГц осевое отношение в направлении нормали составляет 3.9 дБ, что превышает допустимый критерий 3.0 дБ.
На частоте 30.0 ГГц осевое отношение в зените составляет около 2.6 дБ, однако сектор углов с приемлемой поляризацией оказывается крайне узким ($< 2^\circ$), резко возрастая при малейшем отклонении от оси.

Рис. 14. Полярная диаграмма осевого отношения решётки 8x8 на частоте 28 ГГц (деградация до 5.3 дБ).

Рис. 15. Полярная диаграмма осевого отношения решётки 8x8 на частоте 29 ГГц (деградация до 3.9 дБ).

Рис. 16. Полярная диаграмма осевого отношения решётки 8x8 на частоте 30 ГГц.

Подавление поверхностных волн перфорацией экрана и перенастройка излучателя

Для ослабления паразитной взаимной связи между соседними излучателями реализована концепция создания искусственных электромагнитных неоднородностей: в заземляющем полигоне вокруг каждого антенного элемента выполнена кольцевая перфорация (отверстия в металлическом экране). Отверстия формируют барьер с высоким поверхностным импедансом, отражающий и рассеивающий поверхностные волны подложки.

Поскольку перфорация экрана изменила электродинамическое окружение и реактивную составляющую проводимости апертуры связи, потребовалась комплексная перенастройка геометрии резонаторов и согласующего шлейфа.

1. Топология защитных отверстий в экране и геометрия щели связи

Вокруг излучателя сформировано защитное кольцо из отверстий:

Латеральное расстояние от центра резонатора до бокового ряда отверстий: 1.94 мм.
Длина каждого плеча крестообразной щели апертурной связи: 1.693 мм.
Ширина щели апертурного креста: 0.101 мм.

Рис. 17. Геометрия щели апертурной связи: длина плеч 1.693 мм, ширина щели 0.101 мм на фоне кольца отверстий.

Рис. 18. Латеральное расстояние от центра элемента до барьера отверстий в экране: 1.94 мм.

2. Перенастройка резонаторов и укорочение согласующего трансформатора

Для компенсации реактивной расстройки, вызванной отверстиями в земляном полигоне, четвертьволновой трансформатор (согласующий шлейф) был укорочен до длины $L_t = 1.738$ мм (на первом этапе составлял 1.83 мм). Размеры излучателей скорректированы:

Длина укороченного четвертьволнового трансформатора: $L_t = 1.738$ мм.
Размер нижнего возбуждаемого квадратного патча увеличен до 2.668 мм $\times$ 2.668 мм.
Диагональные срезы углов нижнего патча для круговой поляризации скорректированы до $\Delta c = 0.373$ мм.
Размер верхнего паразитного патча увеличен до 2.50 мм $\times$ 2.50 мм для согласованного двухконтурного отклика.

Рис. 19. Длина укороченного четвертьволнового трансформатора (шлейфа): 1.738 мм.

Рис. 20. Топология перенастроенного нижнего излучателя: сторона патча 2.668 мм, фаска среза 0.373 мм.

3. Результаты после оптимизации

Коэффициент отражения ($S_{11}$) и полоса пропускания: Нижняя граница рабочего диапазона по уровню $S_{11} = -10$ дБ составляет $f_{\text{low}} = 27.927$ ГГц (уровень $S_{11} = -10.06$ дБ).
Верхняя граница рабочего диапазона по уровню $S_{11} = -10$ дБ составляет $f_{\text{high}} = 29.711$ ГГц (уровень $S_{11} = -10.06$ дБ).
Итоговая полоса пропускания по уровню -10 дБ расширилась до $\Delta f = 1.784$ ГГц (диапазон 27.93–29.71 ГГц).

Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН): На центральной частоте 29.0 ГГц КСВН улучшился до 1.30 (на первом этапе составлял 1.56).
Минимальное значение КСВН достигает 1.05 вблизи 28.7 ГГц, обеспечивая высокое согласование с 50-омным фидером.

Восстановление круговой поляризации (Axial Ratio): На частоте 29.0 ГГц осевое отношение в зените ($\theta = 0^\circ$) улучшилось до 2.8 дБ.
Значение осевого отношения опустилось ниже нормативного порога 3.0 дБ в широком угловом секторе, что подтверждает успешное подавление паразитных поверхностных волн и восстановление режима круговой поляризации.

Рис. 21. Нижняя граница согласования по уровню S11 = -10 дБ (маркер 27.927 ГГц, -10.06 дБ).

Рис. 22. Верхняя граница согласования по уровню S11 = -10 дБ (маркер 29.711 ГГц, -10.06 дБ).

Рис. 23. Частотная характеристика КСВН после перенастройки (КСВН = 1.30 на 29.0 ГГц).

Рис. 24. Полярная диаграмма осевого отношения на частоте 29 ГГц: восстановление значения до 2.8 дБ (< 3.0 дБ).

Пространственная направленность и КПД оптимизированного одиночного элемента: КНД (Directivity) на частоте 29.0 ГГц составляет 7.47 dBi.
Эффективность излучения (Radiation Efficiency) достигает 94.7% ($-0.236$ дБ).
Полная эффективность (Total Efficiency) составляет 93.1% ($-0.313$ дБ).

Рис. 25. Пространственная 3D-диаграмма направленности (КНД = 7.47 dBi) перенастроенного одиночного патча на 29 ГГц.

Подрешётка 2×2 с последовательным фазово-пространственным поворотом

Для кардинального подавления деградации круговой поляризации, вызванной взаимной связью и поверхностными волнами в больших антенных массивах, оптимизированные излучатели скомпонованы в базовую подрешётку $2 \times 2$ по методу последовательного пространственного поворота и фазового сдвига (Sequential Rotation Technique).

1. Архитектура и геометрия подрешётки $2 \times 2$

В структуре $2 \times 2$ каждый последующий антенный элемент пространственно повернут относительно предыдущего на $90^\circ$ по кругу ($0^\circ, 90^\circ, 180^\circ, 270^\circ$). Питание элементов осуществляется со сдвигом фазы возбуждения, точно компенсирующим пространственный поворот: $0^\circ, 90^\circ, 180^\circ, 270^\circ$.
Вокруг каждого излучателя сохраняется защитный контур перфораций экрана для локализации поверхностных волн.

Преимущества последовательного поворота: Взаимная компенсация кросс-поляризационных компонент поля высших порядков.
Взаимное гашение отраженных волн от входов излучателей на сумматоре делителя мощности, улучшающее общее согласование.
Экстремальное расширение полосы частот с высоким качеством круговой поляризации ($\text{AR} &lt; 3$ дБ).

Рис. 26. 3D-топология подрешётки 2x2: пространственный поворот элементов на 90° и защитные контуры отверстий в экране.

2. Согласование по портам подрешётки $2 \times 2$

Частотные характеристики КСВН по всем четырем независимым портам (VSWR1, VSWR2, VSWR3, VSWR4) демонстрируют высокую симметрию и согласованность:

Резонансный минимум КСВН на портах достигает значений от 1.05 до 1.22 в полосе 29.1–29.4 ГГц.
Широкополосное согласование по критерию КСВН $&lt; 2.0$ охватывает диапазон от 28.4 до 30.0 ГГц для каждого из четырех каналов возбуждения.

Рис. 27. Частотные зависимости КСВН по всем портам подрешётки 2x2 (минимумы 1.05–1.22).

3. Характеристики излучения и усиления

При суперпозиции полей четырех каналов с последовательными фазами $[1\angle 0^\circ, 1\angle 90^\circ, 1\angle 180^\circ, 1\angle 270^\circ]$:

Коэффициент усиления (Gain) на центральной частоте 29.0 ГГц достигает 10.60 dBi.
Эффективность излучения (Radiation Efficiency) равна 94.2% ($-0.259$ дБ).
Полная эффективность (Total Efficiency) составляет 91.4% ($-0.391$ дБ).
Диаграмма направленности формирует симметричный главный лепесток с высокой круговой симметрией.

Рис. 28. Пространственная диаграмма коэффициента усиления подрешётки 2x2 на частоте 29 ГГц (Gain = 10.60 dBi).

4. Кардинальное улучшение круговой поляризации (Axial Ratio)

Последовательный фазовый поворот полностью решил проблему разрушения круговой поляризации в массиве, обеспечив превосходные показатели осевого отношения во всей рабочей полосе:

На частоте 28.0 ГГц осевое отношение в направлении главного луча составляет 0.8 дБ (в решётке $8 \times 8$ без последовательного поворота наблюдалась деградация до 5.3 дБ). Угловой сектор с уровнем $\text{AR} &lt; 3$ дБ составляет $|\theta| \le 22^\circ$.
На центральной частоте 29.0 ГГц осевое отношение в зените равно 1.8 дБ с широким сектором поддержания круговой поляризации $|\theta| \le 18^\circ$.
На верхней частоте 30.0 ГГц осевое отношение в зените равно 1.6 дБ (в решётке $8 \times 8$ рабочий сектор схлопывался до $&lt; 2^\circ$), сохраняя устойчивый сектор $|\theta| \le 25^\circ$.

Рис. 29. Полярная диаграмма осевого отношения подрешётки 2x2 на 28 ГГц (осевое отношение в зените 0.8 дБ).

Рис. 30. Полярная диаграмма осевого отношения подрешётки 2x2 на 29 ГГц (осевое отношение в зените 1.8 дБ).

Рис. 31. Полярная диаграмма осевого отношения подрешётки 2x2 на 30 ГГц (осевое отношение в зените 1.6 дБ).

Финальная оптимизированная решётка 8x8 и фазированное сканирование

Интеграция всех разработанных решений — оптимизированного двухслойного патча, барьеров из отверстий в земляном полигоне и кластеризации с последовательным поворотом элементов — позволила собрать полномасштабную антенную решётку $8 \times 8$ (64 излучателя), полностью подавить паразитную связь поверхностных волн и гарантировать стабильную круговую поляризацию во всем диапазоне частот 28.0–30.0 ГГц.

1. Конструктив печатной платы, стек слоев и подавление краевых эффектов

Полноволновой электродинамический расчет выполнен для законченной конструкции многослойной печатной платы:

Материал подложки: СВЧ-ламинат Rogers RT/duroid 5870 с относительной диэлектрической проницаемостью $\varepsilon_r = 2.33$ и тангенсом потерь $\tan\delta = 0.0012$.
Толщина слоев диэлектрика: $h = 0.254$ мм (10 mil).
Материал металлизации: медь толщиной $t = 35$ мкм (1 oz copper).
Физические габариты антенного полотна: 90.00 $\times$ 89.00 мм (до 99 $\times$ 89 мм с учетом монтажных технологических зон).

Широкие краевые поля земли (Ground Margins): По периметру матрицы излучателей сформированы широкие сплошные поля заземляющего полигона.
Благодаря этому краевые патчи находятся в идентичном электродинамическом окружении с центральными элементами решётки, что исключает краевой эффект искажения импеданса и деградацию КСВН на периферии массива.

Экранирование интегральных микросхем: Конструкция с апертурной электромагнитной связью через сплошной металлический экран обеспечивает полное радиочастотное экранирование антенного полотна от шумов, гармоник и паразитных наводок микросхем формирования диаграммы направленности (Beamforming ICs / RFIC), монтируемых на противоположной стороне платы.

Рис. 32. Взрыв-схема послойной структуры антенны: фидерный трансформатор, земляной экран с апертурным крестом и перфорациями, основной патч и паразитный резонатор.

Рис. 33. Топология печатной платы антенны 90.00 x 89.00 мм: регулярная матрица 8x8 в защитных контурах отверстий с широкими полями заземляющего полигона.

Рис. 34. Численная электромагнитная 3D-модель решётки 8x8 в CST Studio Suite с 64 независимыми портами возбуждения.

2. Согласование портов в финальной матрице 8x8 (КСВН)

В отличие от предварительной модели, где взаимная связь вызывала сильный разброс импедансов между каналами, в финальной структуре кривые КСВН всех портов сгруппированы в единый согласованный отклик:

Резонансные минимумы КСВН достигают 1.0–1.2 в окрестности 28.8 ГГц.
Широкополосное согласование по критерию $\text{КСВН} &lt; 2.0$ гарантированно выдерживается в диапазоне 28.1–29.7 ГГц для каждого из каналов массива.

Рис. 35. Частотные характеристики КСВН портов решётки 8x8: плотный согласованный отклик каналов без краевой расстройки.

3. Полное сохранение круговой поляризации во всем диапазоне

Совместное действие локальных неоднородностей экрана и пространственно-фазового вращения устранило деградацию круговой поляризации, зафиксированную на начальном этапе. Во всем рабочем диапазоне частот осевое отношение уверенно лежит ниже нормативного порога 3.0 дБ:

На частоте 28.0 ГГц осевое отношение в зените составляет 2.1 дБ (в исходной структуре достигало 5.3 дБ с полной потерей круговой поляризации).
На центральной частоте 29.0 ГГц осевое отношение в зените составляет 1.6 дБ (в исходной структуре составляло 3.9 дБ).
На верхней частоте 30.0 ГГц осевое отношение в направлении нормали достигает рекордных 0.7 дБ (в исходной структуре рабочий сектор сужался до $&lt; 2^\circ$).

Рис. 36. Полярная диаграмма осевого отношения финальной решётки 8x8 на частоте 28 ГГц (осевое отношение в зените 2.1 дБ).

Рис. 37. Полярная диаграмма осевого отношения финальной решётки 8x8 на частоте 29 ГГц (осевое отношение в зените 1.6 дБ).

Рис. 38. Полярная диаграмма осевого отношения финальной решётки 8x8 на частоте 30 ГГц (осевое отношение в зените 0.7 дБ).

4. Энергетические характеристики и диаграмма направленности

При синфазном сложении полей на частоте 29.0 ГГц решётка демонстрирует высокие показатели направленности:

Коэффициент усиления (Realized Gain): 21.8 dBi (увеличение по сравнению с базовыми 21.3 dBi).
Ширина главного лепестка по уровню половинной мощности (HPBW): $10.0^\circ$.
Уровень боковых лепестков (SLL): $-12.3$ дБ.
Эффективность излучения (Radiation Efficiency): 93.5% ($-0.29$ дБ).
Полная эффективность (Total Efficiency): 86.4% ($-0.63$ дБ).

Рис. 39. Полярная диаграмма коэффициента усиления финальной решётки 8x8 на 29 ГГц (Gain = 21.8 dBi, HPBW = 10.0°).

Рис. 40. Пространственная 3D-диаграмма распределения напряженности поля E-field на 29 ГГц (Emax = 395.5 В/м).

5. Электронное фазированное сканирование луча (Beam Steering)

Для оценки применения антенной матрицы в адаптивных фазированных антенных решётках (ФАР) и спутниковых терминалах промоделировано электронное сканирование главного лепестка при введении прогрессивного фазового сдвига между каналами:

Отклонение луча на $0^\circ$ (нормаль / зенит):
Максимальная напряженность поля: $E_{\text{max}} = 395$ В/м.
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности: $\text{HPBW} = 9.4^\circ$.
Уровень боковых лепестков: $\text{SLL} = -5.8$ дБ.
Осевое отношение (Axial Ratio): глубокий минимум $\text{AR} \approx 1.6$ дБ строго по направлению главного луча ($\theta = 0^\circ$).

Отклонение луча на $17^\circ$:
Максимальная напряженность поля: $E_{\text{max}} = 391$ В/м.
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности: $\text{HPBW} = 9.9^\circ$.
Уровень боковых лепестков: $\text{SLL} = -5.5$ дБ.
Осевое отношение (Axial Ratio): сектор круговой поляризации ($\text{AR} &lt; 3.0$ дБ) синхронно смещается вслед за лучом, сохраняя чистоту круговой поляризации на $\theta = 17^\circ$.

Отклонение луча на $33^\circ$:
Максимальная напряженность поля: $E_{\text{max}} = 325$ В/м.
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности: $\text{HPBW} = 11.7^\circ$.
Уровень боковых лепестков: $\text{SLL} = -6.5$ дБ.
Осевое отношение (Axial Ratio): даже при широкоугольном отклонении луча на $33^\circ$ минимум осевого отношения ($\text{AR} &lt; 3.0$ дБ) точно отслеживает направление максимума излучения, обеспечивая стабильную работу с сигналами круговой поляризации во всем секторе сканирования.

Рис. 41. Диаграмма направленности E-field при сканировании в зенит (0°): Emax = 395 В/м, HPBW = 9.4°.

Рис. 42. Диаграмма направленности E-field при сканировании на 17°: Emax = 391 В/м, HPBW = 9.9°.

Рис. 43. Диаграмма направленности E-field при сканировании на 33°: Emax = 325 В/м, HPBW = 11.7°.

Рис. 44. Полярная диаграмма осевого отношения (AR) при сканировании в зенит (0°): минимум AR расположен по направлению главного луча.

Рис. 45. Полярная диаграмма осевого отношения (AR) при отклонении луча на 17°: минимум AR (< 3.0 дБ) синхронно смещается в направлении сканирования.

Рис. 46. Полярная диаграмма осевого отношения (AR) при отклонении луча на 33°: сохранение круговой поляризации (< 3.0 дБ) в главном лепестке при широкоугольном сканировании.

Рис. 47. Пространственный 3D-луч при излучении по нормали (0°).

Рис. 48. Пространственный 3D-луч при электронном сканировании на 17°.

Рис. 49. Пространственный 3D-луч при электронном сканировании на 33°.

Лицензия

Copyright (c) 2026 Ilya Kornilov

Этот исходный проект описывает открытое аппаратное обеспечение (Open Hardware) и распространяется в соответствии с условиями лицензии CERN-OHL-P v2. Вы можете распространять и модифицировать этот исходный проект, а также создавать продукты на его основе в соответствии с условиями CERN-OHL-P v2 (https://cern.ch/cern-ohl).

Этот исходный проект распространяется БЕЗ КАКИХ-ЛИБО ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ ГАРАНТИЙ, ВКЛЮЧАЯ КОСВЕННЫЕ ГАРАНТИИ ТОВАРНОЙ ПРИГОДНОСТИ, УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНОГО КАЧЕСТВА И ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ЦЕЛИ. Ознакомьтесь с условиями лицензии CERN-OHL-P v2 для получения подробной информации.