Модернизированная сверхширокополосная антенна Вивальди

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к сверхширокополосным антеннам, и может найти применение в составе фазированных антенных решеток систем связи, радиолокации, радиомониторинга.
Известна антенная решетка (J. T. Logan, R. W. Kindt, M. N. Vouvakis, "A 1.2-12 GHz Sliced Notch Antenna Array," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 4, pp. 1818-1826, April 2018) из модифицированных печатных излучателей Вивальди. Описанные излучатели выполнены не модульными, каждый ряд антенной решетки изготовлен из цельного листа диэлектрика с двусторонней металлизацией. Возбуждение излучателей осуществляется через переходы микрополосковая линия - щелевая линия.
Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: излучатель Вивальди; полоса рабочих частот, превышающая декаду.
Недостатком данного технического решения является большая электрическая длина излучателей антенной решетки, составляющая ~3λ на верхней границе рабочего диапазона частот.
Известна сверхширокополосная антенная решетка (M. W. Elsallal, J. C. Mather, "An ultra-thin, decade (10:1) Bandwidth, modular “BAVA” array with low cross-polarization," 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), Spokane, WA, 2011, pp. 1980-1983), содержащая элементарные излучатели, представляющие собой разновидность балансных антиподальных антенн Вивальди. Описанные излучатели содержат три металлизированных слоя, два из которых располагаются на внешних поверхностях диэлектрической подложки, а третий - внутри диэлектрика на равном удалении от внешних слоев.
Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: излучатель Вивальди; полоса рабочих частот, превышающая декаду.
Недостатком данного технического решения является узкий сектор сканирования антенной решетки из описанных элементов в широкой полосе частот.
Известен сверхширокополосный излучатель антенной решетки (R. W. Kindt and W. R. Pickles, "Ultrawideband All-Metal Flared-Notch Array Radiator," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 58, no. 11, pp. 3568-3575), который принят за прототип, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемому объекту.
Цельнометаллическая антенна Вивальди, предназначенная для работы в составе линейных и плоских антенных решеток, содержит сужающуюся вдоль главной оси щелевую линию, которая простирается от широкого конца, представленного раскрывом антенны, до изогнутого участка постоянной ширины, который оканчивается щелевой полостью прямоугольной формы.
Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: антенна Вивальди; изогнутая линия передачи; полоса рабочих частот, превышающая декаду.
Недостатками данного технического решения являются: большая электрическая длина, составляющая ~3λ на верхней границе рабочего диапазона частот, и значительная масса цельнометаллических элементов антенной решетки.
Технический результат, на решение которого направлена предлагаемая полезная модель, - снижение массогабаритных параметров антенного устройства.
Технический результат достигается тем, что в антенне переход к несимметричной щелевой линии без перекрытия, переходящей в щелевой раскрыв, выполнен в форме синусоиды.
Для достижения технического результата в модернизированной сверхширокополосной антенне Вивальди, содержащей: диэлектрическую подложку, не менее двух проводящих слоев, расширяющуюся несимметричную щелевую линию передачи без перекрытия, переходящую в щелевой раскрыв, переход к несимметричной щелевой линии без перекрытия выполнен синусоидальной формы.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1. На фиг. 1 изображена модернизированная антиподальная антенна Вивальди, состоящая из диэлектрической подложки 1 с металлизированными слоями 2 и 3 на противоположно расположенных внешних поверхностях. Устройство работает следующим образом (рассмотрен режим передачи): электромагнитная энергия из ВЧ-разъема 4 поступает на вход микрополоскового симметрирующего трансформатора 5 и возбуждает в нем квази-ТЕМ волну. Выход симметрирующего трансформатора 5 представляет собой несимметричную щелевую линию передачи с перекрытием 6. Электромагнитная волна, распространяясь вдоль линии передачи 6, поступает в переход к несимметричной щелевой линии без перекрытия 7, причем переход 7 выполнен синусоидальной формы. Далее, волна, распространяясь вдоль плавно расширяющейся и переходящей в раскрыв 8 несимметричной щелевой линии без перекрытия, трансформируется в волну свободного пространства.
За счет синусоидального исполнения перехода 7 увеличивается электрическая длина пути, который проходит электромагнитная волна, трансформируясь на пути от линии передачи 6 к раскрыву 8. Таким образом, в антенне осуществляется более плавная трансформация волны, распространяющейся в диэлектрике и у его поверхности, в волну свободного пространства. Следствием из этого является смещение нижней границы рабочей полосы частот антенны в область более низких частот. Этим расширением частотного диапазона в области низких частот можно пожертвовать ради укорочения длины излучателей, поскольку соотношение длины излучателя Вивальди к его ширине (при работе в качестве элемента антенной решетки) находится в прямой зависимости от ширины рабочей полосы частот антенной решетки. Таким образом, становится возможна разработка излучателей Вивальди меньшей длины и, соответственно, массы, для антенных решеток, работающих в том же частотном диапазоне, что и известные аналоги из полноразмерных излучателей. При этом антенные решетки из модифицированных сверхширокополосных элементов Вивальди обладают высоким коэффициентом усиления и позволяют осуществлять электрическое сканирование луча в широком диапазоне углов, так же, как и известные аналоги из полноразмерных излучателей.
На фиг. 2 показана реализация перехода синусоидальной формы на примере балансной антиподальной антенны Вивальди. Изображенная реализация модернизированной сверхширокополосной антенны Вивальди состоит из: диэлектрической пластины 1 с металлизированными слоями 2, 3 и 4, причем слои 3 и 4 параллельны друг другу и находятся на внешних поверхностях диэлектрика, в то время как слой 2, называемый сигнальным, располагается внутри диэлектрической пластины 1; перехода 5 от полосковой линии передачи к балансной щелевой линии с перекрытием; синусоидального перехода 6 от балансной щелевой линии с перекрытием к несимметричной щелевой линии без перекрытия, плавно переходящей в раскрыв 7.
В качестве примера на фиг. 3 приведены расчетные зависимости КСВН от частоты для модернизированной сверхширокополосной антенны Вивальди 2 и антиподальной антенны Вивальди 1, не имеющей синусоидального перехода, при работе в составе антенной решетки. Длина модернизированных сверхширокополосных антенн Вивальди в примере составляет 284 мм, в то время как длина антиподальных антенн без синусоидального перехода - 400 мм.
На фиг. 4 приведены расчетные значения коэффициента усиления антенных решеток, одна из которых состоит из модернизированных сверхширокополосных антенн Вивальди 2 (длина элементов 284 мм), а другая из элементов Вивальди 1, не имеющих перехода в форме синусоиды (длина элементов составляет 400 мм).
Настоящая полезная модель может быть использована при создании высокоэффективных сверхширокополосных фазированных антенных решеток с уменьшенной высотой профиля для различных областей техники, например, радиолокации, радиомониторинга и связи.
Предлагаемая конструкция антенны Вивальди позволяет сократить количество СВЧ-материала, необходимого для производства излучателей антенной решетки, не менее чем на 29%. Попутно упрощается конструкция несущих элементов антенной решетки за счет снижения массы как самих излучателей, так и вспомогательных частей (межэлементные соединительные столбики).
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10537).