С.А. Королёв1, А.В. Зайцев2, В.М. Селезнёв3, И.А. Илларионов4, М.Д. Проявин5, А.А. Орловский6, В.Е. Котомина7

1-3 Институт физики микроструктур РАН (г. Нижний Новгород, Россия)

4 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (г. Нижний Новгород, Россия)

5,7 Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (г. Нижний Новгород, Россия)

6 Волжский государственный университет водного транспорта (г. Нижний Новгород, Россия)

1 pesh@ipm.sci-nnov.ru; 2 zaytsev@ipmras.ru; 3 valentin.seleznev@wcc.unn.ru; 4 illarionov@list.ru; 5 pmd@ipfran.ru; 6 alexorlovskiy@ipfran.ru; 7 kotomina@ipfran.ru

Постановка проблемы. В неблагоприятных условиях окружающей среды оптимальным с точки зрения получения радиоизображений пространства является миллиметровый (ММ) диапазон длин волн. Современные пассивные системы радиовидения ММ-диапазона не требуют использования искусственного источника засветки. Большинство таких систем базируется на механическом сканировании, что обусловлено необходимостью удешевления прибора за счет уменьшения числа приемных элементов. Однако такой подход не позволяет сделать прибор портативным. Устранить данное противоречие можно за счет применения квазиоптического матричного приемника, имеющего простую конструкцию и низкую стоимость. В этом случае наиболее целесообразно использовать слоистую топологию, в которой матрица антенн, матрица чувствительных элементов, матрица низкочастотных усилителей и т.д. представляют собой отдельные составные части, соединенные между собой.

Цель. Исследовать возможности технологии 3D-печати для создания матрицы антенн квазиоптической системы радиовидения ММ-диапазона.

Результаты. Предложен новый подход к созданию матрицы широкополосных антенн для квазиоптических систем радиовидения ММ-диапазона с применением технологии 3D-печати с последующей металлизацией поверхности. Разработаны и изготовлены рупорные антенны W-диапазона и соответствующая матрица размером 3×3 элемента с шагом 4 мм. Измерены характеристики антенн и продемонстрировано хорошее согласие с результатами моделирования, что подтверждает высокое качество полученной матрицы антенн.

Практическая значимость. Предложенный подход к изготовлению антенной матрицы для квазиоптических систем радиовидения имеет экономические преимущества перед методом штамповки на этапе прототипирования прибора, а также при изготовлении небольших серий устройств.

Королёв С.А., Зайцев А.В., Селезнёв В.М., Илларионов И.А., Проявин М.Д., Орловский А.А., Котомина В.Е. Матрица рупорных антенн для квазиоптических систем радиовидения миллиметрового диапазона, изготовленная методом 3D-печати // Радиотехника. 2026. Т. 90. № 8. С. 174–182. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202608-16

1. Goldsmith P.F., Hsieh C.‐T., Huguenin G.R., Kapitzky J., Moore E.L. Focal plane imaging systems for millimeter wavelengths // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1993. V. 41. № 10. P. 1664–1675. DOI: 10.1109/22.247910.
2. Yujiri L., Shoucri M., Moffa P. Passive millimeter‐wave imaging // IEEE Microwave Magazine. 2003. V. 4. № 3. P. 39–50. DOI: 10.1109/MMW.2003.1237476.
3. Ekers R., Wilson T.L. Radio telescopes // Telescopes and Instrumentation. Ed. by I. S. McLean. Dordrecht: Springer. 2013. Ch. 8.
4. Radar Handbook. Ed. by M. I. Skolnik. 3rd ed. New York: McGraw-Hill. 2008.
5. Middleton C., Zummo G., Weeks A., et al. Passive millimeter-wave focal plane array // Conference Digest of the 2004 Joint 29th International Conference on Infrared and Millimeter Waves. Karlsruhe. 2004. P. 745-746. DOI: 10.1109/ICIMW.2004.1422307.
6. Kuroda R.T., Stewart J.J., Shoucri M.M., Moffa P.J., Mussetto M.S., Schau H.C., Hauss B.I., Agravante H.H. Direct-detection MMIC FPAs for MMW imaging // Proceedings of SPIE 3064. Passive Millimeter-Wave Imaging Technology. Orlando. 1997. P. 90–97. DOI: 10.1117/12.277070.
7. Shashkin V.I., Volkov P.V., Goryunov A.V., Illarionov I.A., Belov Y.I., Serkin A.G. The detector array system for 3-mm wavelength video imaging // Proceedings of COMCAS 2013. Tel Aviv. 2013. P. 1–4. DOI: 10.1109/COMCAS.2013.6685247.
8. Rutledge D.B., Neikirk D.P., Kasilingam D.P. Integrated-circuit antennas // Infrared and Millimeter Waves. V. 10. Ed. by K.J. Button. New York: Academic. 1983. P. 1–90.
9. Alexopoulos N.G., Katehi P.B., Rutledge D.B. Substrate optimization for integrated circuit antennas // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1983. V. 31. № 7. P. 550-557. DOI: 10.1109/TMTT.1983.1131544.
10. Allen J. On surface-wave coupling between elements of large arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1965. V. 13. № 4. P. 638-639. DOI: 10.1109/TAP.1965.1138465.
11. Rebeiz G.M., Kasilingam D.P., Guo Y., Stimson P.A., Rutledge D.B. Monolithic millimeter-wave two-dimensional horn imaging arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1990. V. 38. № 9. P. 1473-1482. DOI: 10.1109/8.57001.
12. Shen J., Ricketts D.S. Additive manufacturing of complex millimeter-wave waveguides structures using digital light processing // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2019. V. 67. № 3. P. 883-895. DOI: 10.1109/TMTT.2018.2889452.
13. Guo C., Shang X., Li J., Lancaster M.J., Xu J. 3-D printed lightweight microwave waveguide devices // Proceedings of 2016 IEEE 5th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). Kaohsiung. 2016. P. 47-48. DOI: 10.1109/APCAP.2016.7843092.
14. McKerricher G., Nafe A., Shamim A. Lightweight 3D printed microwave waveguides and waveguide slot antenna // Proceedings of 2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. Vancouver. 2015. P. 1322-1323. DOI: 10.1109/APS.2015.7305050.
15. Yang X., Zhang G., Zhang W., Gao Q., Wang S., Si Y., Tang W., Yang J. Design of dual-band filtering antenna based on 3-D printed half-mode gap waveguide quadruple-mode resonator // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2024. V. 23. № 2. P. 468-472. DOI: 10.1109/LAWP.2023.3323474.
16. Proyavin M.D., Kotomina V.E., Orlovskiy A.A., Zaslavsky V.Yu., Morozkin M.V., Palitsin A.V., Rodin Y.V., Sobolev D.I., Peskov N.Y. Application of chemical metallization of photopolymer structures additive technology in the production of components for electronic devices // Micromachines. 2023. V. 14. P. 1897. DOI: 10.3390/mi14101897.
17. Zárate Y.D., Torres F., Rodriguez M., Pizarro F. 3D-printed low-cost choke corrugated Gaussian profile horn antenna for Ka-band // Scientific Reports. 2023. V. 13. P. 22957. DOI: 10.1038/s41598-023-50174-5.
18. Vähä-Savo L., Luoma I., Icheln C., Haneda K. 3D printed horn antennas for millimeter wave and sub-THz bands // Proceedings of 18th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2024). Glasgow, 2024. DOI: 10.23919/EuCAP60739.2024.10500951.
19. Kang H., Kaneko K., Sakai R., Gonzalez A. A wideband millimeter-wave corrugated horn at 30–50 GHz taking advantage of all-metal 3-D printing fabrication // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2023. V. 22. № 6. P. 1446-1450. DOI: 10.1109/LAWP.2023.3245642.
20. Vosoogh A., Kildal P., Vassilev V., Uz Zaman A., Carlsson S. E-band 3-D metal printed wideband planar horn array antenna // Proceedings of 21st International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP 2016). Okinawa. 2016. P. 304-305.
21. Li Y., Sun F., Wang J. 3D-printed high-gain wideband antenna arrays for millimeter-wave applications // Proceedings of TENCON. Hong Kong. 2022. P. 1-3. DOI: 10.1109/TENCON55691.2022.9977875.
22. García-Vigueras M., Polo-Lopez L., Stoumpos C., Dorlé A., Molero C., Gillard R. Metal 3D-printing of waveguide components and antennas // Hybrid Planar - 3D Waveguiding Technologies. Ed. by M.D. Fernandez. IntechOpen. 2023. Ch. 6. DOI: 10.5772/intechopen.106690.
23. Ribeiro J.A.P., Boas E.C.V., Figueiredo F.A.P., Mejía-Salazar J.R. Photonics-based all-dielectric horn antenna for millimeter waves in 5G and 6G applications // Applied Physics Letters. 2024. V. 124. № 4. Art. 043501. DOI: 10.1063/5.0181328.
24. Lei Y., Liang B., Xiao J., Duan J., Lu Z., Wang S., Hu Q., Wang Z., Gong Y. A 3-D-printed lens antenna with tunable varifocal based on the Moiré effect // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2024. V. 23. № 8. P. 2301-2305. DOI: 10.1109/LAWP.2024.3388093.
25. Kaděra P., Sánchez-Pastor J., Sakaki M., Jakoby M., Benson N., Jimenez-Saez A., Lacik J. Alumina 3-D printed wide-angle partial Maxwell fish-eye lens antenna // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2024. V. 23. № 7. P. 2051-2055. DOI: 10.1109/LAWP.2024.3378754.
26. Born M., Wolf E. Principles of Optics. 7th ed. Cambridge: Cambridge Univ. Press. 1999. Ch. 8.
27. Волков П.В., Белов Ю.И., Горюнов А. В., Илларионов И.А., Серкин А.Г., Шашкин В.И. Асферический однолинзовый объектив для систем радиовидения миллиметрового диапазона длин волн // Журнал технической физики. 2014. Т. 84. № 4. С. 120–125.
28. Проявин М.Д., Вихарев А.А., Федотов А.Э., Соболев Д.И., Песков Н.Ю., Махалов П.Б., Шмелёв М.Ю., Кузиков С.В. Разработка электродинамических компонентов для приборов СВЧ-электроники с использованием технологии фотополимерной трёхмерной печати с химической металлизацией поверхности // Известия вузов. Сер. Радиофизика. 2020. Т. 63. № 5-6. С. 521–531.