АНТЕННА ВИВАЛЬДИ С ПЕЧАТНОЙ ЛИНЗОЙ НА ЕДИНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ
VIVALDI ANTENNA WITH PRINTED LENS ON SINGLE DIELECTRIC SUBSTRATE

Изобретение относится к относится к антенной технике, в частности к сверхширокополосным антеннам, и может быть использовано в различных широкополосных радиотехнических системах.
Известен конвертор поляризации, содержащий диэлектрическую подложку, на которой размещены электропроводные пластинки, выполненные в виде квадратов, прямоугольников, эллипсов, многоугольников, в частности правильных шестиугольников, расположенных параллельными рядами (патент США №3267480).
Данный конвертор служит в антенно-фидерных устройствах для преобразования, например, линейной поляризации в круговую, и наоборот.
Впервые конструкция антенны Вивальди была предложена Гибсоном (Gibson P.J., "The Vivaldi aerial", Proceeding 9-th European Microwave Conference, 1979, рр. 101-105). Антенна Вивальди содержит диэлектрическую подложку, металлический слой, расположенный на диэлектрической подложке, щель, выполненную в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления, образующую раскрыв антенны. Антенна типа TSA (аббревиатура от англ. Tapered Slot Antenna - антенна с расширяющейся щелью) имеет форму, напоминающую камертон, поэтому из-за музыкальной ассоциации TSA принято называть антенной Вивальди.
Установленными закономерностями TSA являются следующие.
Ее ширина щели определяет нижнюю частоту, как у диполя.
Длина расширяющихся стенок щели определяет усиление в середине и на верхнем краю полосы, как у логопериодической антенны или рупора.
Форма щели определяет полосу частот (как в логопериодической антенне). Форма может быть разной, но установлено, что наиболее широкую полосу дает экспоненциальное нарастание ширины щели.
Место приложения питания к питающей щели влияет на согласование в нижней части полосы частот.
Классическая конструкция антенны Вивальди обладает следующими недостатками: высоким уровнем боковых лепестков и большим уровнем фазовых искажений. Искажения фазы обусловлены сферической формой фазового фронта волны, т.е. фаза на расширяющихся стенках щели отстает от фазы в центре раскрыва антенны.
Известны конструкции антенн Вивальди, отличающиеся средствами запитки, расположенными в щели питания (патент США №483704; патент США №5081466).
Недостатком этих конструкций являются значительные фазовые искажения электромагнитного поля в раскрыве антенны между расширяющимися стенками, что приводит к существенному уровню бокового излучения антенны в плоскости силовых линий электрического поля.
Известна конструкция антенны Вивальди, способная излучать в прямом и обратном направлении (патент США №7071888).
Это достигается за счет применения поверхности с неоднородным управляемым импедансом, которую облучает антенна Вивальди. Данная поверхность представляет собой диэлектрическую подложку, покрытую металлическими пластинками, электрический контакт между которыми управляется p-i-n диодами. Однако упомянутая поверхность расположена как в раскрыве антенны Вивальди, так и за ее пределами, на удалении от антенны Вивальди, являющейся облучателем данной поверхности, отражающие свойства которой управляются с помощью p-i-n диодов. Управляемая поверхность используется для электронного сканирования диаграммой направленности антенной системы. Металлические пластинки, расположенные в раскрыве и контактирующие с расширяющимися стенками щели, приводят к резкому искажению самой формы стенок, что приводит к дополнительным фазовым искажениям по сравнению с «классической» поверхностью стенок антенны Вивальди при сопоставлении с известными техническими решениями (Gibson Р.J., "The Vivaldi aerial", Proceeding of 9-th European Microwave Conference, 1979, рр. 101-105; патент США №483704; патент США №5081466). В принципе часть металлических пластинок, расположенная в раскрыве и щели питания, должна быть изолирована от планарной полосковой линии.
Известна также конструкция планарной линзы, используемой в качестве основы для ректенны (патент США №7456803). В фокусе каждой из линз, образующих антенную решетку, расположены диоды, преобразующие энергию сфокусированного электромагнитного поля в электрический ток. Печатная линза, состоящая из электрически малых (по сравнению с длиной волны) металлических рассеивателей, используется для концентрации силовых линий электрического поля на детекторных диодах. Так же как в предыдущем техническом решении, печатная линза расположена как в раскрыве антенны Вивальди (фиг. 8а), так и за ее пределами (фиг. 8а, 10) на удалении от антенны, являющейся облучателем печатной линзы. Металлические же рассеиватели, расположенные в раскрыве и контактирующие с расширяющимися стенками щели (фиг. 8а), приводят к искажению самой обобщенной формы стенок (стенки расширяющейся щели+металлические рассеиватели), что приводит к дополнительным неуправляемым (хаотичным) фазовым искажениям при сопоставлении с известными техническими решениями (Gibson Р.J., "The Vivaldi aerial", Proceeding of 9-th European Microwave Conference, 1979, рр. 101-105; патент США №483704; патент США №5081466).
Наиболее близкой к предложенному техническому решению является антенна Вивальди, содержащая диэлектрическую подложку, металлический слой, расположенный на диэлектрической подложке, щель, выполненную в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления и образующую раскрыв антенны, линзу, установленную в раскрыве антенны и выполненную из рассеивателей (Bin Zhou, Yan Yang, Hui Li, and Tie Jun Cui, "Beam-steering Vivaldi antenna based on partial Luneburg lens constructed with composite materials", Journal of Applied Physics,  V. 110, nо. 8, рр. 084908-084908-6, 2011).
Известное устройство содержит круглую линзу Люнеберга в раскрыве между расширяющимися стенками щели с наружной и внутренней поверхности диэлектрической подложки, так и за пределами раскрыва. Это антенное устройство состоит из антенны Вивальди, настроенной для работы в полосе частот 8-11 ГГц, и линзы Люнеберга (фиг. 2, 3). Линза Люнеберга изготавливается в виде нескольких дисков из диэлектрического материала и рассеивателей, в виде перфорации дисков круглыми отверстиями, за счет которых реализовывается необходимое распределение коэффициента преломления. Кроме того, диски линзы Люнеберга расположены по обеим сторонам от плоскости Е-поляризации антенны, и для удовлетворительного уменьшения уровня боковых лепестков и улучшения коэффициента усиления требуется использование восьми дисков линзы Люнеберга (по четыре выше и ниже от плоскости Е-поляризации антенны).
Преимуществами этого технического решения при сопоставлении с известными (Gibson Р.J., "The Vivaldi aerial", Proceeding of 9-th European Microwave Conference, 1979, рр. 101-105; патент США №483704; патент США №5081466) являются уменьшение уровня боковых лепестков и увеличение коэффициента усиления за счет использования линзы Люнеберга.
Недостатками известно устройства являются:
- сложность изготовления и громоздкость конструкции;
- большие продольные и поперечные габариты.
Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при использовании изобретения, - упрощение устройства, уменьшение продольных и поперечных (по высоте) габаритов.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной антенне Вивальди, содержащей диэлектрическую подложку, металлический слой, расположенный на диэлектрической подложке, щель, выполненную в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления и образующую раскрыв антенны, линзу, установленную в раскрыве антенны и выполненную из рассеивателей, согласно изобретению рассеиватели выполнены в виде электропроводных пластинок, расположенных на диэлектрической подложке между расширяющимися стенками, и свободными от контакта со стенками щели для коррекции фазовых искажений в раскрыве.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- электропроводные пластинки были расположены симметрично относительно оси продольного направления щели;
- электропроводные пластинки были расположены в рядах относительно оси продольного направления щели и поперечными рядами относительно нее;
- электропроводные пластинки были выполнены в виде треугольников, квадратов, прямоугольников, кругов, эллипсов, многоугольников, в том числе пяти- или шестиугольников, замкнутых или разомкнутых колец и их сочетаний;
- щель, выполненная в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления, в месте ее сужения была сопряжена с щелью питания, которая выполнена узкой и с параллельными стенками;
- наружный профиль электропроводных пластинок, образованный их поверхностями, обращенными к расширяющимся стенкам щели, был выполнен сужающимся в направлении от максимального раскрыва антенны к щели питания.
Для последнего дополнительного варианта целесообразно, чтобы:
- огибающая наружного профиля электропроводных пластинок была выполнена параболической, или в виде ветви гиперболы, или в виде части эллипса;
- наружный профиль электропроводных пластинок со стороны максимального раскрыва был выполнен в виде прямой, не выступающей за габарит максимального раскрыва антенны и параллельной ему.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 - вид классической антенны Вивальди, предшествующий уровень техники (prior art);
фиг. 2 - изображение диэлектрической подложки для установки линзы Люнеберга, предшествующий уровень техники (prior art);
фиг. 3 - то же, что фиг. 2, с установленной линзой Люнеберга;
фиг. 4 - заявленная конструкция антенны Вивальди (вид снаружи);
фиг. 5 - различные виды печатных линз: а - с треугольными электропроводными пластинками, б - в форме квадратов, в - кругов, г - шестиугольников, д - разомкнутых и замкнутых колец;
фиг. 6 - частотная зависимость коэффициента усиления G заявленной антенны (сплошная линия) по сравнению с аналогом без печатной линзы (пунктирная линия);
фиг. 7 - диаграмма направленности заявленной антенны в вертикальной плоскости на частоте 1, 2 и 3 ГГц с печатной линзой;
фиг. 8 - то же, что фиг. 7, без линзы.
Антенна Вивальди (фиг. 1-4) содержит диэлектрическую подложку 1, металлический слой 2, расположенный на диэлектрической подложке 1, щель 3, выполненную в металлическом слое 2 с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления и образующую раскрыв 4 антенны. Линза 5 установлена в раскрыве 4 антенны и выполнена из рассеивателей. В соответствии с изобретением рассеиватели линзы 5 (фиг. 4, 5) выполнены в виде электропроводных пластинок 6, расположенных на диэлектрической подложке 1 между расширяющимися стенками щели 3, и выполнены свободными от контакта со стенками щели 3 для коррекции фазовых искажений в раскрыве 4.
Под термином «электропроводные пластинки 6, свободные от контакта со стенками щели 3» подразумевается их расположение с небольшим зазором относительно расширяющихся стенок щели 3 в поперечном направлении и отсутствие электрического контакта со стенками щели 3 в продольном направлении.
Электропроводные пластинки 6 расположены симметрично относительно оси продольного направления щели 3.
Электропроводные пластинки 6 могут быть расположены в рядах относительно оси продольного направления щели 3 и поперечными рядами относительно нее.
Электропроводные пластинки 6 могут быть выполнены в виде треугольников (фиг. 5а), прямоугольников (фиг. 4), квадратов (фиг. 5б), кругов (фиг. 5в), эллипсов (на фиг. 5 не показано), многоугольников, например шестиугольников (фиг. 5г), замкнутых или разомкнутых колец (фиг. 5д) и их различных сочетаний (фиг. 5д).
Так же как в аналогах, щель 3, выполненная в металлическом слое 2 с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления, в месте ее сужения сопряжена с щелью 7 питания, которая выполнена узкой и с параллельными стенками (фиг. 1-4).
Наружный профиль электропроводных пластинок 6, образованный их поверхностями, обращенными к расширяющимся стенкам щели 3, выполнен сужающимся в направлении от максимального раскрыва 4 антенны к щели 7 питания (фиг. 4).
Огибающая S наружного профиля электропроводных пластинок 6 выполнена параболической (фиг. 5 а, б, в), или в виде ветви гиперболы (фиг. 5г), или в виде части эллипса (фиг. 5д).
Наружный профиль электропроводных пластинок 6 (или его огибающая S) со стороны максимального раскрыва 4 выполнен в виде прямой L, не выступающей за габарит максимального раскрыва 4 антенны и параллельной ему (фиг. 4, 5).
Работает заявленная антенна Вивальди (TSA) (фиг. 1, 4) следующим образом. Электромагнитная волна распространятся от щели 7 питания вдоль раскрыва 4 антенны. На участке, где расстояние между расширяющимися стенками щели 3 мало по сравнению с длиной волны в свободном пространстве, электромагнитные волны хорошо "связаны" со стенками щели 3. Но по мере увеличения расстояния между проводящими поверхностями расширяющихся стенок щели 3 увеличивается сопротивление излучения, и при достижении порогового значения волны излучаются антенной. Можно отметить, что на разных частотах излучают различные части стенок антенны Вивальди, поэтому теоретически она может обладать очень широкой полосой частот. Практически полоса частот ограничивается размерами антенны.
В классической антенне Вивальди (фиг. 1) на расширяющихся стенках щели 3 происходит искажение фазы волны, которое обусловлено сферической формой фазового фронта волны, т.е. фаза на расширяющихся стенках щели 3 отстает от фазы в центре раскрыва 4 продольного направления антенны. Искажение (отставание) фазы тем больше, чем больше расстояние между расширяющимися стенками щели 3.
Снизить уровень боковых лепестков и несколько улучшить коэффициент усиления можно за счет концентрации волны в продольном направлении при помощи линзы Люнеберга, как это выполнено в ближайшем аналоге. Однако полностью избавиться от фазовых искажений она не позволяет, поскольку отставание фазы в такой конструкции практически сохраняется. Такая линза должна выходить за пределы раскрыва 4 антенны (фиг. 3), т.к. именно эта часть вносит значительный вклад в формирование диаграммы направленности антенны.
В заявленном техническом решении используются рассеиватели линзы 5 (фиг. 4), которые полностью находятся в раскрыве 4 антенны. Рассеиватели линзы 5 выполнены в виде электропроводных пластинок 6 (например, металлических), которые расположены на диэлектрической подложке 1 между расширяющимися стенками щели 3, и обязательно выполнены свободными от контакта со стенками щели 3 (не соприкасающимися с расширяющимися стенками). В данном случае рассеиватели линзы 5 служат для компенсации отставания фазы волны на расширяющихся стенках щели 3 и не нарушают дугообразную форму стенок. Их количество больше в центре вдоль продольного распространения электромагнитной волны и увеличивается совместно с раскрывом 4 в поперечном направлении.
Электропроводные пластинки 6 могут быть расположены симметрично относительно оси продольного направления щели 3 для одинаковой компенсации отставания фазы между расширяющимися стенками щели 3 и формирования главного лепестка диаграммы направленности совпадающим с продольной осью антенны (фиг. 7).
Для упрощения изготовления (например, методами фотолитографии) и расчета коррекции фазовых искажений в раскрыве 4 электропроводные пластинки 6 могут располагаться в рядах относительно оси продольного направления щели 3 и поперечными рядами относительно нее. (Однако размеры электропроводных пластинок 6 выбираются значительно меньшими рабочей длины волны, поэтому они могут быть размещены достаточно хаотично с соблюдением симметричности наружного профиля.)
Как показали исследования, форма электропроводных пластинок 6 практически не влияет на компенсацию фазовых искажений, т.к. их размеры выбирается намного меньшей длины волны, поэтому они могут быть выполнены в виде треугольников (на фиг. 5а), прямоугольников (фиг. 4,), квадратов (фиг. 5б), кругов (фиг. 5в), эллипсов (на фиг. 5 не показано), многоугольников, в том числе шестиугольников (фиг. 5г), замкнутых или разомкнутых колец (фиг. 5д) и их сочетаний.
Щель 3, выполненная в металлическом слое 2 с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления, в месте ее сужения сопряжена с щелью 7 питания, которая выполнена узкой и с параллельными стенками (фиг. 1-4). Используемые известные средства запитки антенны Вивальди практически не влияют на коэффициент усиления G и диаграмму направленности антенны.
Так как отставание фазы на расширяющихся стенках щели 3 возрастает в продольном направлении в сторону максимального раскрыва 4, то наружный профиль электропроводных пластинок 6, образованный их поверхностями, обращенными к расширяющимся стенкам щели 3, выполнен сужающимся в направлении от максимального раскрыва 4 антенны к щели 7 питания (фиг. 4).
Эксперименты показали, что огибающая S наружного профиля электропроводных пластинок 6 может быть выполнена параболической (фиг. 5а, б, в), или в виде ветви гиперболы (фиг. 5г), или в виде части эллипса (фиг. 5д). Форма аппроксимирующей огибающей зависит от размеров антенны Вивальди, частотного диапазона, требуемой диаграммы направленности. Обнаружено, что при увеличении продольных размеров антенны форма огибающей S наружного профиля электропроводных пластинок 6 плавно переходит от параболической к гиперболической, а затем даже к эллиптической, что, по-видимому, связано с формой излучающих поверхностей расширяющихся стенкок щели 3. Хотя специалистам понятно, что в любом случае оптимизация формы аппроксимирующей огибающей S наружного профиля электропроводных пластинок 6 может быть получена методами машинного моделирования в зависимости от технического задания на параметры антенны Вивальди.
Наружный профиль электропроводных пластинок 6 (или его огибающая) со стороны максимального раскрыва 4 выполнен в виде прямой L, не выступающей за габарит максимального раскрыва 4 антенны и параллельной ему (фиг. 4, 5). Это сделано для того, чтобы уменьшить продольный габарит антенны при одновременном уменьшении уровня боковых лепестков и увеличении коэффициента усиления антенны, поскольку фазовые искажения происходят именно в раскрыве 4 между расширяющимися стенками щели 3. Настоящее изобретение как раз и направлено на коррекцию таких искажений, а не на то, чтобы сформировать диаграмму направленности иными средствами, как это сделано в других аналогах, например, с помощью диэлектрических линз, выполняющих функцию элемента, фокусирующего излучение волны. В настоящем изобретении электропроводные пластинки 6 линзы 5 представляют собой замедляющую структуру.
Уменьшение поперечных габаритов по высоте достигается в результате исключения из конструкции дисков линзы Люнеберга и выполнения линзы 5 с рассеивателями - электропроводными пластинками 6 на единой диэлектрической подложке 1 в плоскости Е-поляризации, что также обеспечивает технологичность и упрощение конструкции. При этом для размещения линзы 5 используется свободное пространство внутри щели 3 и та же самая диэлектрическая подложка 1, на которой расположена планарная полосковая линия антенного устройства, что уменьшает продольные габариты.
Использование заявленного устройства дает выигрыш в коэффициенте усиления G до 2 дБ и более в полосе частот 1-3 ГГц (фиг. 6). Также получены диаграммы направленности в вертикальной плоскости на частоте 1, 2 и 3 ГГц для антенны Вивальди с электропроводными пластинками 6 линзы 5 (фиг. 4, 7) и без нее (фиг. 1, 8). Как видно из фигур 7 и 8, наличие линзы 5 за счет компенсации фазовых искажений способствует фокусированию электромагнитной энергии в направлении главного лепестка диаграммы направленности. При этом наблюдается снижение уровня заднего и боковых лепестков.
Наиболее успешно заявленная «Антенна Вивальди с печатной линзой на единой диэлектрической подложке» промышленно применима в широкополосных радиотехнических системах как в качестве самостоятельного антенного устройства, так и в антенных решетках.