Модифицированная антенна Вивальди
MODIFIED VIVALDI ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике, а именно к сверхширокополосным направленным антеннам, и может быть использовано как одиночный антенный элемент, либо как антенный элемент в составе антенной решётки в широкополосных радиотехнических системах различного назначения. В частности, таких, в которых антенный элемент должен обеспечивать коэффициент усиления не менее 6 дБи при ширине главного лепестка диаграммы направленности по уровню минус 3 дБ не менее 45 градусов в азимутальной плоскости и не менее 40 градусов в угломестной плоскости с коэффициентом перекрытия диапазона рабочих частот до 3.5.
Классические печатные антенны Вивальди вследствие широкой полосы рабочих частот и относительной простоты технологии изготовления широко используются для приёма и излучения электромагнитных волн в радиотехнических системах различного назначения. Вместе с тем такие антенны, в виду особенностей структуры, характеризуются достаточно высоким уровнем боковых лепестков диаграммы направленности, низким коэффициентом усиления в нижней части рабочего диапазона частот, а также значительным уровнем взаимного влияния антенн друг на друга при размещении в составе антенных решёток. Наличие обозначенных характеристик ограничивает применимость классических антенн Вивальди в части приёма и излучения электромагнитных волн в перспективных сверхширокополосных радиотехнических системах различного назначения, характеризуемых высоким уровнем коэффициента усиления и широким главным лепестком диаграммы направленности, что определяет актуальность и целесообразность модификации структуры таких антенн с целью улучшения их основных характеристик.
Известны примеры модификаций классической структуры антенны Вивальди, позволяющие улучшить некоторые характеристики антенны.
Известны классические печатные антенны Вивальди, конструкция которых достаточна подробна описана в [L. R. Lewis, M. Fasset and J. Hunt, “A broadband stripline array element”, Digest of 1974 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp. 335-337] и [Gibson P.J., “The Vivaldi aerial”, Proceeding 9-th European Microwave Conference, 1979, pp. 101-105]. Классическая антенна Вивальди содержит диэлектрическую подложку, состоящую из одного или двух слоёв диэлектрика, одну или две металлические пластины, расположенные на одной из сторон или на обеих сторонах диэлектрической подложки, щель с линейно или экспоненциально расширяющимися вдоль её продольного направления стенками, образующую раскрыв антенны, линию питания, выполненную в виде металлической полосковой линии из последовательно соединённых прямолинейных участков с шириной, соответствующей волновому сопротивлению питающего тракта, и оканчивающуюся участком в виде сектора, ограниченного дугой окружности и отрезками, соединяющими дугу с линией питания. Известно, что длина и ширина раскрыва антенны Вивальди должны быть не менее длины волны и половины длины волны на нижней рабочей частоте соответственно. Такая конструкция антенны Вивальди позволяет обеспечить направленное излучение электромагнитных волн вертикальной поляризации в широкой полосе частот, однако обладает следующими основными недостатками: низкий уровень коэффициента усиления в нижней части рабочего диапазона частот, а также значительный уровень бокового и обратного излучения, возникающего из-за сферичности фазового фронта формируемой в раскрыве антенны электромагнитной волны, обусловленной его расширяющейся формой, наличие которого неизбежно приводит к высокому уровню взаимного влияния при работе антенн в составе антенных решёток.
Известна печатная щелевая антенна, конструкция которой отличается от конструкции классической антенны Вивальди антиподальной структурой щели, формирующей раскрыв антенны [Бацула А.П., Волков К.М., Вуколов А.Э., Крылов А.Н., Орлов А.Б., Орлов К.А. Печатная антенна. Патент РФ №2400876, H01Q 9/00]. В описании патента указано, что основным преимуществом таких антенн относительно классической антенны Вивальди является возможность обеспечения низкого уровня боковых лепестков диаграммы направленности. Однако такие антенны из-за необходимости гальванического соединения металлических поверхностей антиподальной щели на разных сторонах диэлектрической подложки имеют усложнённую конструкцию, которая, вместе с тем, не решает проблему наличия высокого уровня фазовых искажений в раскрыве антенны, приводящего к снижению достижимого на практике коэффициента усиления, повышению уровня взаимного влияния антенн в составе антенных решёток, так как форма раскрыва антенны и образующих раскрыв металлических обкладок не претерпела изменений по сравнению с конструкцией классической антенны Вивальди.
H01Q 9/28, H01Q 1/38
Известна гибридная щелевая антенна, описанная в [Азиатцев В.Е., Нефедьев В.М., Чертков Д.В., Кирпичёв Д.Б. Гибридная щелевая антенна. Патент РФ №2507648, ], отличающаяся от классической антенны Вивальди линией питания в виде трехпроводной полосковой линии, наличием ферритового кольца, установленного на конце прямолинейного участка полосковой линии, а также наличием симметричных электрических вибраторов конической формы, примыкающих к концам расширяющейся щели и ориентированных перпендикулярно направлению расширения щели. Такая антенна обеспечивает расширенную полосу рабочих частот по уровню коэффициента усиления не менее 6 дБи в максимуме диаграммы направленности, что является её основным преимуществом. Однако наличие в конструкции антенны дополнительных структур в виде ферритового кольца и симметричных вибраторов значительно усложняет технологию изготовления антенны, а также увеличивает ширину антенного элемента почти в два раза, что в целом ограничивает возможность её использования в качестве элемента малогабаритной антенной решётки, а также может привести к увеличению уровня взаимного влияния антенн.
H01Q 1/38
Известна антенна Вивальди с печатной линзой, расположенной на единой с антенной диэлектрической подложке, описанная в [Ашихмин А.В., Федоров С.М., Негробов В.В., Пастернак Ю.Г., Авдюшин А.С. Антенна Вивальди с печатной линзой на единой диэлектрической подложке. Патент РФ №2593910, ]. Основным преимуществом такой конструкции, достигаемым за счёт коррекции фазовых искажений в раскрыве антенны печатной линзой, выполненной из рассеивателей, реализованных в виде электропроводных пластинок, является повышение коэффициента усиления антенны на величину порядка 1-2 дБ в диапазоне рабочих частот с коэффициентом перекрытия K = 3. Однако, несмотря на указанное преимущество, применительно к радиотехническим задачам, где предъявляются повышенные требования к допустимой ширине главного лепестка диаграммы направленности антенного элемента, такая конструкция обладает существенным недостатком, а именно сужением главного лепестка диаграммы направленности за счёт фокусирования печатной линзой уже сформированной в ближней зоне антенны электромагнитной волны.
Известна конструкция антиподальной антенны Вивальди, размещённой внутри диэлектрика, описанная в [Mahdi Moosazadeh, “High-Gain Antipodal Vivaldi Antenna Surrounded by Dielectric for Wideband Applications”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume: 66, Issue: 8, Aug. 2018, pp. 4349-4352]. Основным преимуществом конструкции, достигаемым за счет добавления направляющей диэлектрической структуры непосредственно за раскрывом антенны, а также размещением за пределами антенны диэлектрической структуры с диэлектрической проницаемостью, отличной от диэлектрической проницаемости подложки антенны, является существенное повышение коэффициента усиления в диапазоне рабочих частот с перекрытием K = 1.67. Однако, несмотря на указанное преимущество, данная конструкция обладает существенными для многих радиотехнических систем недостатками, а именно значительным усложнением конструкции, увеличением габаритных размеров во всех плоскостях и массы, сложностью технологии изготовления, а также невысоким значением коэффициента частотного перекрытия. Указанные недостатки значительным образом ограничивают возможность использования таких антенн в составе широкополосных радиотехнических систем различного назначения.
Известна модифицированная антенна Вивальди, предназначенная для применения в системах связи на подвижных носителях, описанная в [Shan Hong He, Wei Shan, Chong Fan, Zhi Chao Mo, Fu Hui Yang, Jun Hua Chen, “An Improved Vivaldi Antenna for Vehicular Wireless Communication Systems”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume: 13, pp. 1505-1508], отличающаяся от классической антенны Вивальди наличием редко расположенных в металлических пластинах антенны вырезов прямоугольной формы, размещенных по всей длине расширяющейся щели и со значительным отступом от неё с шагом в несколько раз превышающим ширину вырезов, наличием смещённого относительно основания щели круглого резонатора малого радиуса, наличием ассиметричного треугольного среза в основании антенны, а также наличием металлической направляющей структуры из трех прямоугольников, размещенных вдоль оси симметрии антенны, один из которых расположен в самой широкой части раскрыва, а два оставшихся – за пределами раскрыва антенны. Основным преимуществом такой антенны является увеличение коэффициента усиления антенны на величину порядка 2 дБ в частотном диапазоне с коэффициентом перекрытия K ≈ 2.5.
Однако такая конструкция обладает следующими существенными для радиотехнических систем недостатками:
- небольшой коэффициент частотного перекрытия;
- значительная асимметрия диаграммы направленности антенны при её размещении на металлической поверхности носителя.
Кроме того, наличие в металлических пластинах вырезов предложенной структуры, судя по приведённым изображениям распределения токов в модифицированной антенне, не приводит к каким-либо существенным изменениям распределения вдоль излучающего раскрыва, откуда следует, что их наличие не оказывает существенного влияния на характеристики антенны и уровень взаимного влияния, а повышение коэффициента усиления происходит за счёт направляющей структуры в раскрыве антенны, то есть, за счёт сужения диаграммы направленности. Наличие описанных недостатков ограничивает область применимости указанной антенны в радиотехнических системах.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемой антенне является модифицированная антенна Вивальди, описанная в [Ahmed S. I. Amar, Alla M. Eid, Amgad A. Salama, “High Gain Low Cost Vivaldi Antenna Design Using Double Slits and Triangle Metallic Strip for WiFi Applications”, 2019 15th International Computer Engineering Conference (ICENCO) – Egypt, IEEE Xplore, 10.1109/ICENCO48310.2019.9027348, pp. 234-238, fig. 1-c, р. 235], принятая за прототип.
Антенна-прототип предназначена для использования в системах WiFi и отличается от классической антенны Вивальди наличием узких вырезов прямоугольной формы, выполненных в металлической пластине по всей длине расширяющейся щели и расположенных вплотную к ней, одна из сторон которых совмещена с боковой границей диэлектрической подложки, а также наличием треугольной направляющей структуры в раскрыве.
Преимуществами этого технического решения при сопоставлении с указанными выше, является простота конструкции, увеличение коэффициента усиления в полосе рабочих частот с коэффициентом перекрытия K = 1.5 суммарно на величину порядка 4…5 дБ как за счёт коррекции прямоугольными вырезами распределения токов вдоль раскрыва антенны, так и за счёт существенного сужения главного лепестка диаграммы направленности при её фокусировании треугольной направляющей структурой.
На фиг. 1 изображена конструкция антенны-прототипа; на фиг. 2 – конструкция предлагаемой модифицированной антенны Вивальди; на фиг. 3 – частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) предлагаемой модифицированной антенны Вивальди; на фиг. 4 – частотная зависимость коэффициента усиления (КУ) в единицах дБи в направлении нормали к раскрыву для предлагаемой модифицированной антенны Вивальди (сплошная линия) и прототипа (пунктирная линия); на фиг. 5-а, 5-б, 5-в – угломестные диаграммы направленности в единицах коэффициента усиления предлагаемой модифицированной антенны Вивальди (сплошная линия) и прототипа (пунктирная линия) на частотах 3000 МГц, 4500 МГц и 6000 МГц соответственно; на фиг. 6 – частотная зависимость ширины главного лепестка азимутальной диаграммы направленности предлагаемой модифицированной антенны Вивальди по уровню минус 3 дБ от максимума; на фиг. 7 – частотная зависимость ширины главного лепестка угломестной диаграммы направленности предлагаемой модифицированной антенны Вивальди по уровню минус 3 дБ от максимума; на фиг. 8-а, 8-б – распределения электрической составляющей электромагнитного поля в ближней зоне предлагаемой модифицированной антенны Вивальди и прототипа на частоте 3000 МГц; на фиг. 8-в, 8-г – распределения электрической составляющей электромагнитного поля в ближней зоне предлагаемой модифицированной антенны Вивальди и прототипа на частоте 6000 МГц; на фиг. 9 – изображение изготовленного макета предлагаемой модифицированной антенны Вивальди.
На фиг.1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 – диэлектрическая подложка;
2 – металлическая пластина;
3 – раскрыв антенны;
4 – резонатор;
5 – прямоугольные вырезы в металлической пластине;
6 – линия питания;
7 – участок секторной формы.
Антенна-прототип содержит диэлектрическую подложку 1, состоящую из слоя диэлектрика, а также металлическую пластину 2, выполненную металлизацией одной стороны диэлектрической подложки 1. Раскрыв 3 образован стенками выполненной в металлической пластине, экспоненциально расширяющейся в продольном направлении щели с открытым концом, основание которой примыкает к резонатору круглой формы 4. В металлической пластине 2 выполнены прямоугольные вырезы 5, которые эквидистантно расположены относительно продольной оси пластины.
ниж
ниж
При этом ширина каждого выреза 5 равна λ/35. Вырезы 5 на металлической пластине 2 расположены на расстоянии от самой широкой части раскрыва 3 до расстояния λ/3 от линии питания 6 с шагом, равным ширине одного выреза, одна сторона которых размещена вплотную к раскрыву 3, а другая сторона совмещена с боковой границей диэлектрической подложки 1.
Линия питания 6 выполнена в виде металлической полосковой линии из последовательно соединённых прямолинейных участков и оканчивается участком в виде сектора 7, ограниченного дугой окружности и отрезками, соединяющими дугу с линией питания 6.
Антенна-прототип работает следующим образом.
Электрический ток, распространяющийся по линии питания 6, через конденсатор, образованный участком секторной формы 7 линии питания 6, металлической пластиной 2 и диэлектрической подложкой 1, возбуждает поверхностные токи, формирующие излучение антенны. Токи, распространяющиеся вдоль симметричных расширяющихся границ раскрыва 3, порождают излучение электромагнитного поля. Резонатор 4 обеспечивает рассеяние обратного излучения раскрыва 3. Прямоугольные вырезы 5 в металлической пластине 2 рассеивают токи, распространяющиеся в областях вне раскрыва 3, и за счёт возникающих переотражений увеличивают плотность токов в раскрыве 3 в нижней части рабочего диапазона частот.
Устройство-прототип не обеспечивает требуемого снижения уровня бокового и заднего излучения в нижней части антенны (после раскрыва 3), что приводит к наличию взаимного влияния при работе антенны в составе антенной решётки. Также существенным недостатком прототипа является небольшое значение коэффициента частотного перекрытия. Наличие этих недостатков сокращает возможности использования таких антенн в сверхширокополосных радиотехнических системах, а также в антенных решётках с плотным расположением антенных элементов.
Задачей предлагаемого технического решения является модификация структуры классической антенны Вивальди с целью создания сверхширокополосной печатной антенны с простой конструкцией, повышенным коэффициентом усиления без существенного эффекта сужения главного лепестка диаграммы направленности и пониженным уровнем бокового и заднего излучения.
ниж
ниж
ниж
ниж
ниж
ниж
Для решения поставленной задачи в модифицированной антенне Вивальди, содержащей диэлектрическую подложку, образованную одним слоем диэлектрика, первую металлическую пластину, выполненную металлизацией внешней стороны диэлектрической подложки, раскрыв, образованный стенками выполненной в металлической пластине экспоненциально расширяющейся в продольном направлении щели с открытым концом, основание которой примыкает к резонатору, выполненному в виде выреза в металлической пластине, эквидистантно расположенные относительно продольной оси прямоугольные вырезы, выполненные в металлической пластине с шагом, равным ширине одного выреза, одна сторона которых совмещена с боковой границей диэлектрической подложки, линию питания, выполненную в виде участков металлической полосковой линии и оканчивающуюся широким участком произвольной формы, согласно изобретению, в диэлектрическую подложку антенны введены дополнительный слой диэлектрика, образующий противоположную сторону диэлектрической подложки, равный по толщине содержащемуся слою, и на которой расположена вторая металлическая пластина, идентичная первой, при этом прямоугольные вырезы имеют ширину λ/20, где λ – длина волны на нижней рабочей частоте антенны, выполнены в областях металлических пластин, ограниченных расстояниями в λ/8 до линии питании и λ/5 до верхних границ раскрыва антенны и размещены с отступом не менее λ/5 от границ раскрыва, одна часть резонатора имеет форму полукруга, а другая, ориентированная в направлении от щели, имеет форму прямоугольника, кроме того, симметричные относительно продольного направления эквидистантно расположенные дополнительные прямоугольные вырезы одинаковой длины и ширины, выполненные в нижней части металлических пластин с шагом, равным ширине одного выреза, одна сторона которых совмещена с боковой границей диэлектрической подложки, а вторая сторона размещена с отступом не менее λ/5 от линии питания.
На фиг. 2 представлена конструкция предлагаемой модифицированной антенны Вивальди, где обозначено:
1 – диэлектрическая подложка;
2 – симметричные металлические пластины;
3 – раскрыв антенны;
4 – резонатор;
5 – прямоугольные вырезы с шагом, равным ширине одного выреза;
6 – линия питания антенны;
7 – участок секторной формы;
8 – дополнительные прямоугольные вырезы одинаковой длины и ширины с шагом, равным ширине одного выреза.
Заявляемая модифицированная антенна Вивальди содержит диэлектрическую подложку 1, образованную двумя склеенными слоями диэлектрика одинаковой толщины (например, склеенными препрегом), на которой с двух сторон расположены симметричные металлические пластины 2. Раскрыв антенны 3 образован стенками экспоненциально расширяющихся в продольном направлении щелей, выполненных в металлических пластинах 2. Основание раскрыва 3 переходит в резонатор 4, выполненный в виде вырезов в металлических пластинах 2, одна часть которого, ориентированная в направлении щели, имеет форму полукруга, а другая часть имеет форму прямоугольника. В металлических пластинах 2 симметрично относительно раскрыва 3 эквидистантно расположены прямоугольные вырезы 5 с шагом, равным ширине одного выреза, одна сторона которых размещена с фиксированным отступом от раскрыва 3, а другая сторона совмещена с боковой границей диэлектрической подложки 1. В нижней части антенны в металлических пластинах 2 симметрично относительно раскрыва 3 эквидистантно расположены дополнительные прямоугольные вырезы одинаковой длины и ширины 8 с шагом, равным ширине одного выреза, одна сторона которых совмещена с границей диэлектрической подложки 1. Между слоями диэлектрической подложки 1 расположена линия питания антенны 6, выполненная в виде последовательно соединённых участков металлической полосковой линии с шириной, соответствующей волновому сопротивлению питающего тракта. Линия питания 6 оканчивается участком 7 секторной формы, ограниченным дугой окружности и отрезками, соединяющими её с линией питания. Причем участки линии питания 6 могут быть произвольной формы, выбранной в зависимости от параметров питающего тракта и способа запитки, но всегда будут состоять из полосковой линии произвольной формы и оканчиваться широким участком произвольной формы.
Таким образом, в заявляемую антенну внесены следующие изменения:
- с целью симметрирования токов, распространяющихся в диэлектрической подложке 1, введён дополнительный слой диэлектрика, равный по толщине содержащемуся слою, с металлической пластиной 2, полностью идентичной пластине, содержащей щель, образующую раскрыв антенны 3;
ниж
ниж
ниж
ниж
ниж
- с целью формирования оптимального для решения поставленной задачи распределения токов по поверхности антенны изменена структура вырезов в металлических пластинах в области раскрыва 3, а именно – для рассеивания токов, распространяющихся от линии питания антенны 6 в области вне раскрыва 3 и частично формирующих боковое излучение, прямоугольные вырезы 5, ближайшие к основанию щели, образующей раскрыв антенны 3, размещены с отступом не более λ/8 относительно линии питания антенны 6, где λ – длина волны на нижней рабочей частоте антенны; для увеличения электрической длины раскрыва антенны 3 и, соответственно, снижения нижней границы рабочего диапазона частот без увеличения размеров антенны, области металлических пластин 2, образующие широкую часть раскрыва 3 в верхней части антенны, длиной не менее λ/5 выполнены без вырезов; для коррекции фазовых искажений вследствие выравнивания сферического фронта излучаемой волны и увеличения интенсивности токов на линии раскрыва 3 вследствие отражения от границ неметаллизированных поверхностей антенны прямоугольные вырезы 5 в металлических пластинах имеют ширину λ/20, а также отступ от линии раскрыва 3 не менее λ/5 для формирования канала распространения токов вдоль раскрыва в расширенном диапазоне частот;
- с целью снижения обратного и бокового излучения в нижней части антенны для рассеивания токов, формирующих обратное и боковое излучение, в конструкцию введены симметричные эквидистантно расположенные дополнительные вырезы 8 в металлических пластинах 2 прямоугольной формы одинаковой длины и одинаковой ширины, одна сторона которых совмещена с боковой границей диэлектрической подложки 1, а также для направления токов, распространяющихся в нижней части антенны, в рассеивающие области вырезов 8, форма нижней части резонатора 4 изменена на прямоугольную.
Заявляемая антенна работает следующим образом.
Аналогично антенне-прототипу, электрический ток, распространяющийся по линии питания 6, через конденсатор, образованный участком секторной формы 7 линии питания 6 и металлическими пластинами 2, возбуждает поверхностные токи, формирующие излучение антенны. Токи, распространяющиеся вдоль симметричных расширяющихся границ раскрыва 3, при приближении к участкам, где расстояние между границами сопоставимо с соответствующей длиной волны, порождают излучение электромагнитного поля, формирующего главный лепесток диаграммы направленности на соответствующей частоте. Таким образом, расширяющаяся форма раскрыва 3 обеспечивает широкий диапазон частот излучаемых волн. Резонатор 4 обеспечивает рассеяние обратного излучения раскрыва, что уменьшает влияние этого излучения на характеристики согласования линии питания антенны с питающим трактом.
В классических конструкциях антенны Вивальди (описанных в L. R. Lewis, M. Fasset and J. Hunt, “A broadband stripline array element”, Digest of 1974 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp. 335-337 и Gibson P.J., “The Vivaldi aerial”, Proceeding 9-th European Microwave Conference, 1979, pp. 101-105) фазовый фронт электромагнитной волны, распространяющейся в расширяющемся раскрыве антенны, имеет сферическую форму, что является причиной возникновения фазовых искажений, обусловленных разностью фаз распространяющейся электромагнитной волны в центре раскрыва и на его границах. Сферический фронт излучаемой волны и возникающие вследствие этого фазовые искажения являются причиной повышенных уровней бокового и обратного излучения антенны, а также пониженного уровня коэффициента усиления в нижней части рабочего диапазона, что объясняется наибольшей разностью фаз в самых широких участках раскрыва, излучающих волны нижней части частотного диапазона.
ниж
ниж
В прототипе снижение уровня боковых лепестков и повышение коэффициента усиления осуществляется за счёт использования рассеивающих свойств областей вырезов прямоугольной формы в металлических пластинах. Эти области, каждая шириной порядка λ/35, размещены эквидистантно вдоль раскрыва антенны с незначительным отступом от него, начиная от самой широкой части раскрыва и заканчивая расстоянием λ/3 от линии питания. Расположение непосредственно у границы раскрыва позволяет прямоугольным вырезам рассеивать токи, формирующие излучение сферической волны в областях вне раскрыва, и увеличивать плотность токов в раскрыве за счёт возникающих переотражений, что позволяет значительно снизить боковое излучение и, соответственно, увеличить коэффициент усиления на нижних частотах рабочего диапазона. Однако частота расположения и близость к раскрыву 3 прямоугольных вырезов 5, в свою очередь, препятствуют формированию волнового фронта на высоких частотах, рассеивая также и токи, распространяющиеся вдоль границ раскрыва 3, что существенно сужает полосу рабочих частот прототипа.
ниж
ниж
ниж
ниж
В предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, прямоугольные вырезы 5 размещены таким образом, что пространство между этими областями и раскрывом 3 формирует канал распространения с шириной около λ/5, достаточной для переотражения и синфазного сложения токов, возбуждающих раскрыв в широкой полосе частот. При этом прямоугольные вырезы 5 размещены на расстоянии от λ/8 от линии питании 6, что приводит к рассеиванию токов линии питания, не поступающих в раскрыв 3 антенны и являющихся причиной бокового излучения, повышающего уровень взаимного влияния при размещении антенны в составе антенной решётки, до расстояния λ/5 от верхних границ раскрыва. Таким образом, области металлических пластин 2 длиной не менее λ/5, формирующие широкую часть раскрыва 3, выполнены без рассеивающих прямоугольных вырезов, что увеличивает электрическую длину раскрыва и, соответственно, расширяет диапазон рабочих частот антенны в сторону нижних частот.
Таким образом, предлагаемая модифицированная антенна Вивальди обладает пониженным уровнем боковых лепестков, повышенным коэффициентом усиления в нижней части частотного диапазона и широким диапазоном рабочих частот, что достигается за счёт перераспределения и частичного рассевания токов в металлических поверхностях антенны 2 без необходимости введения в конструкцию антенны структур, фокусирующих и сужающих главный лепесток диаграммы направленности.
Токи, формирующие обратное и боковое излучение в нижней части модифицированной антенны Вивальди, распространяющиеся по поверхности антенны от линии питания 6 и резонатора 4, рассеиваются в прямоугольных вырезах 8. Прямоугольная форма нижней части резонатора 4 позволяет изменить направления распространения токов, отражающихся от него, таким образом, чтобы они были рассеяны прямоугольными вырезами 8. Следствием этого рассеяния является пониженный уровень бокового и обратного излучения модифицированной антенны Вивальди и, соответственно, ослабление взаимного влияния таких антенн при размещении в составе антенной решётки.
Достижение заявленных характеристик и преимущества предлагаемой модифицированной антенны Вивальди в сравнении с прототипом подтверждены результатами электродинамического моделирования предлагаемой антенны и ее прототипа методом конечных элементов в программном продукте ANSYS Electromagnetics Suite версии 2021 R1. Моделирование проводилось для антенны с диапазоном рабочих частот 2100…7500 МГц. Габариты антенны выбирались в соответствии с закономерностями, установленными для классической антенны Вивальди ([L. R. Lewis, M. Fasset and J. Hunt, “A broadband stripline array element”, Digest of 1974 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp. 335-337] и [Gibson P.J., “The Vivaldi aerial”, Proceeding 9-th European Microwave Conference, 1979, pp. 101-105]) и составили 120 мм в длину и 75 мм в ширину.
По полученной частотной зависимости коэффициента стоячей волны (фиг. 3) видно, что предлагаемая модифицированная антенна Вивальди имеет значение КСВ не более 2.5 в полосе рабочих частот.
Полученные частотные зависимости коэффициентов усиления (фиг. 4) подтверждают заявленные характеристики по достижению уровня не менее 6 дБи в рабочем диапазоне с коэффициентом частотного перекрытия K = 3.57 и указывают на преимущество в уровне достижимого коэффициента усиления предлагаемой модифицированной антенны Вивальди относительно прототипа в рабочем диапазоне частот.
Сравнение полученных диаграмм направленности предлагаемой модифицированной антенны Вивальди и прототипа на частотах 3000 МГц (фиг. 5-а), 4500 МГц (фиг. 5-б) и 6000 МГц (фиг. 5-в) указывает на деградацию с ростом частоты формы диаграммы направленности прототипа при сохранении формы диаграммы направленности предлагаемого устройства.
Полученные частотные зависимости ширины главного лепестка по уровню минус 3 дБ азимутальных (фиг. 6) и угломестных (фиг. 7) срезов диаграммы направленности предлагаемой модифицированной антенны Вивальди подтверждают заявленные характеристики по обеспечению в рабочем диапазоне частот ширины главного лепестка азимутальных и угломестных диаграмм направленности не менее 45 и 40 градусов соответственно.
Картины распределений модуля электрической компоненты электромагнитного поля, излучаемого предлагаемой модифицированной антенной Вивальди на частотах 3000 МГц (фиг. 8-а) и 6000 МГц (фиг. 8-б) и прототипом на тех же частотах (фиг. 8-в и фиг. 8-г соответственно), показывают выравнивание сферического фронта излучаемой волны для предлагаемой модифицированной антенны Вивальди и прототипа на частоте 3000 МГц. На этой частоте прототип отличается наличием повышенного уровня бокового и заднего излучения. На частоте 6000 МГц предлагаемая модифицированная антенна Вивальди сохраняет распределение поля с выровненным фазовым фронтом и пониженным уровнем бокового и заднего излучения. Однако плотность распределения поля прототипа на частоте 6000 МГц в основном сконцентрирована в двух угломестных направлениях, в результате чего снижается уровень излучения в направлении нормали к раскрыву антенны и повышается уровень боковых и задних лепестков.
По результатам моделирования также установлено, что форма расширяющейся щели, образующей раскрыв, а также форма линии питания не влияют на достижимые характеристики в части повышения коэффициента усиления, сохранения формы диаграммы направленности, а также снижения уровней бокового и заднего излучения.
С целью экспериментального подтверждения работоспособности предлагаемой антенны и ее преимуществ относительно прототипа был изготовлен макет предложенной модифицированной антенны Вивальди с применением диэлектрической подложки с диэлектрической проницаемостью ε = 3.55 и металлических пластин, выполненных металлизацией подложки медью. Макет антенны имеет длину, равную 120 мм, ширину 75 мм и толщину 3 мм. Изображение макета приведено на фиг. 9. Измерения характеристик макета подтвердили заявленные по результатам электродинамического моделирования значения.
Таким образом, предлагаемая модифицированная антенна Вивальди за счёт простой конструкции, обеспечивающей оптимальное распределение поверхностных токов, формирующих излучение, имеет пониженный уровень бокового и обратного излучения, коэффициент усиления не менее 6 дБи в диапазоне частот 2100…7500 МГц (коэффициент частотного перекрытия K = 3.57) при ширине главного лепестка азимутальной и угломестной диаграммы направленности по уровню минус 3 дБ от максимума не менее 45 и 40 градусов соответственно.
Применение предлагаемой модифицированной антенны Вивальди позволяет обеспечить создание для радиотехнических систем различного назначения, в частности сверхширокополосных комплексов радиосвязи, радиолокации и радиомониторинга, сверхширокополосных антенных систем с простой конструкцией, технологичной при изготовлении, повышенным коэффициентом усиления в нижней части частотного диапазона без существенного эффекта сужения главного лепестка диаграммы направленности и пониженным уровнем бокового и заднего излучения.