Конформная антенная решетка Вивальди Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к сверхширокополосным антенным решеткам (далее — АР), и может найти применение в составе систем связи, радиолокации и радионавигации.

Известна конформная АР (Y. Chen, Y. He, W. Li, L. Zhang, S. -W. Wong and A. Boag, "A 3–9 GHz UWB High-Gain Conformal End-Fire Vivaldi Antenna Array," 2021 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI), 2021, pp. 737-738) из двух излучателей Вивальди, выполненных на гибкой диэлектрической подложке с двусторонней металлизацией. АР располагается на внешней поверхности воздушного цилиндра радиусом 37.5 мм. Вход описанной АР представлен микрополосковой линией, которая разделяется на две при помощи Т-тройника. Возбуждение излучателей осуществляется синфазно равными амплитудами при помощи переходов микрополосковая линия–щелевая линия. АР обладает направленными свойствами излучения, максимум коэффициента усиления направлен вдоль оси вращения воздушного цилиндра. В описанном техническом решении излучающая часть антенн (плавно расширяющаяся щель) располагается только с одной стороны гибкой диэлектрической подложки.

Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: конформная форма антенной решетки; поверхность вращения; излучатели Вивальди; широкая полоса рабочих частот; направленная диаграмма направленности.

Недостатком данного технического решения является недостаточно широкая полоса рабочих частот, от 3.06 ГГц до 9.5 ГГц (3.1:1) по уровню |S₁₁| < -10 дБ. При этом электрическая длина излучателей составляет ~2.35λ_н, где λ_н – длина волны на нижней границе рабочего диапазона частот, а радиус цилиндрической поверхности составляет ~0.375λ_н.

Известна конформная MIMO система (M. A. Ashraf, O. M. Haraz and S. Alshebeili, "Compact size enhanced gain switched beam conformal antipodal tapered slot antenna system for 5G MIMO wireless communication," 2015 IEEE 11th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob), 2015, pp. 613-618) из четырёх антиподальных излучателей Вивальди на гибкой диэлектрической подложке из композитного материала на основе политетрафторэтилена с двусторонней металлизацией. Излучатели располагаются на цилиндре из вспененного диэлектрика радиусом 12 мм, причём между металлическими краями соседних излучателей имеется промежуток, и они не соприкасаются. Вход каждого элемента представлен микрополосковой линией передачи.

Для увеличения коэффициента усиления система излучателей нагружена на диэлектрическую линзу в форме полусферы радиусом 32 мм, причем линза располагается на некотором удалении от апертур излучателей. Диаграммы направленности приведены для режима возбуждения одиночного излучателя, при этом остальные излучатели нагружены на согласованные нагрузки. Тем не менее конструкция описанного решения допускает работу на круговой поляризации при равноамплитудном возбуждении излучателей с квадратурным фазовым сдвигом.

Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: конформная форма системы излучателей; поверхность вращения; антиподальные излучатели Вивальди; широкая полоса рабочих частот; направленная диаграмма направленности.

Недостатком данного технического решения также является недостаточно широкая полоса рабочих частот при больших электрических размерах антенной системы. Полоса рабочих частот по уровню |S₁₁| < -10 дБ от 14.8 ГГц до 40 ГГц (2.7:1). Электрическая длина металлических частей излучателей при этом составляет ~1.35λ_н, где λ_н – длина волны на нижней границе рабочего диапазона частот, а радиус цилиндрической поверхности составляет ~0.59λ_н (линза не учтена).

Известна конформная АР (Li-Ming Si et al., "Design of a 6–18 GHz UWB conformal antipodal Vivaldi antenna array," 2013 IEEE International Conference on Microwave Technology & Computational Electromagnetics (ICMTCE), 2013, pp. 153-156) из четырёх антиподальных излучателей Вивальди, которая принята за прототип, как наиболее близкая по технической сущности к заявляемому объекту. Излучатели выполнены на отдельных гибких диэлектрических подложках из композитного материала на основе политетрафторэтилена с двусторонней металлизацией. Все четыре излучателя идентичны и располагаются на внешней поверхности цилиндра радиусом 30 мм из диэлектрического материала с ε_r = 2.5, при этом между краями соседних излучателей имеется воздушный зазор шириной 20 мм. Вход каждого элемента представлен микрополосковой линией.

Описанное решение обладает направленной диаграммой направленности, максимум коэффициента усиления направлен вдоль оси вращения диэлектрического цилиндра. Один из описываемых режимов работы подразумевает равноамплитудное возбуждение излучателей с квадратурным фазовым сдвигом для обеспечения работы АР на круговой поляризации.

Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: конформная форма антенной решетки; поверхность вращения; антиподальные излучатели Вивальди; широкая полоса рабочих частот; направленная диаграмма направленности.

Недостатком данного технического решения является недостаточно широкая полоса рабочих частот при больших габаритных размерах АР. Заявленная полоса рабочих частот от 6 до 18 ГГц (3:1). Электрическая длина излучателей составляет ~1.6λ_н, где λ_н – длина волны в свободном пространстве на нижней частоте, радиус цилиндрической поверхности составляет ~0.6λ_н.

Технический результат, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, - расширение полосы рабочих частот конформной антенной решетки.

Технический результат достигается тем, что излучатели конформной АР Вивальди имеют форму винтовых поверхностей.

Для достижения технического результата в конформной АР Вивальди, содержащей: диэлектрическую подложку, не менее двух проводящих слоев, расширяющиеся несимметричные щелевые линии передачи без перекрытия, переходящие в щелевые раскрывы, излучатели имеют форму винтовых поверхностей.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1. На фиг. 1 изображена конформная АР из четырёх антиподальных излучателей Вивальди. Геометрия АР построена путем конформного отображения структуры металлических слоев (см. фиг. 2) четырёх идентичных антиподальных излучателей на две цилиндрические поверхности с общей осью вращения, отличающиеся радиусом на толщину диэлектрической подложки 1, причём металлические слои 2 и 3 находятся на противоположно расположенных внешних поверхностях диэлектрической подложки 1 и имеют форму винтовых поверхностей. Устройство работает следующим образом (рассмотрен режим передачи): электромагнитная энергия поступает на входы 4 микрополосковых симметрирующих трансформаторов 5 и возбуждает в них квази-ТЕМ волну. Выходы симметрирующих трансформаторов 5 представляют собой несимметричные щелевые линии передачи с перекрытием 6. Электромагнитная волна, распространяясь вдоль линий передачи 6, поступает в переходы к несимметричным щелевым линиям без перекрытия 7, причем длина переходов 7 увеличена за счёт придания им винтовой формы. Далее, волна, распространяясь вдоль плавно расширяющихся и переходящих в раскрывы 8 несимметричных щелевых линий без перекрытия, трансформируется в волну свободного пространства.

За счет придания излучателям конформной АР формы винтовых поверхностей увеличивается электрическая длина переходов 7 от линий передачи 6 к несимметричным щелевым линиям без перекрытия, переходящим в щелевые раскрывы, 8. Таким образом в излучателях 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 АР в область более низких частот.

Таким образом становится возможна разработка конформных АР Вивальди работающих в более широкой полосе частот, чем известные аналоги, без увеличения габаритных размеров или массы изделия. При этом конформные АР Вивальди с излучателями, имеющими форму винтовой поверхности, обладают высоким коэффициентом полезного действия, также, как и известные аналоги конформных АР с осенаправленной диаграммой направленности.

На фиг. 2 показана развёртка металлических слоёв антиподального излучателя конформной АР Вивальди. Излучатель условно разделён на три части. Часть 1 выполнена прямой относительно продольной оси. Часть 2 смещена относительно продольной оси в сторону таким образом, чтобы принять вид схожий с графиком функции на участке . Часть 3 выполнена прямой, но смещена относительно продольной оси до соединения с частью 2. Скругления 9 не являются обязательными, но незначительно улучшают характеристики излучателя при работе в составе конформной АР. Форма перехода к несимметричной щелевой линии без перекрытия в Части 2, имеющая вид тангенсоиды, при конформном отображении на поверхности вращения позволяет получить необходимую для работы предлагаемого технического решения форму винтовой поверхности.

В качестве примера на фиг. 3 показаны зависимости КСВН и КПД от частоты для двух конформных АР Вивальди. Обе АР имеют равные габаритные размеры и были получены при помощи конформного отображения структуры излучателей на цилиндрические поверхности диаметром 310 мм и высотой 600 мм, при этом отличие АР друг от друга заключается в форме излучателей (прямая форма и форма винтовых поверхностей). Полоса рабочих частот конформной АР с излучателями в форме винтовых поверхностей, определяемая по уровню |S₁₁| < -10 дБ (КСВН < 1.925), составляет от 386 МГц до 3075 МГц (7.9:1). Нижняя граница полосы рабочих частот конформной АР с прямыми излучателями, определяемая по уровню |S₁₁| = -10 дБ (КСВН = 1.925), не беря во внимание худшее согласование во всей полосе рабочих частот и локальные превышения КСВН заданного уровня |S₁₁| < -10 дБ, определяется на частоте 443 МГц, что на 14% выше нижней граничной частоты конформной АР с излучателями в форме винтовых поверхностей. При этом КПД предлагаемого решения составляет не менее 89% во всей полосе рабочих частот, а электрическая длина излучателей составляет ~0.77λ_н, где λ_н – длина волны в свободном пространстве на частоте 386 МГц, радиус цилиндрической поверхности составляет ~0.2λ_н.

Настоящее изобретение может быть использовано при создании высокоэффективных сверхширокополосных конформных АР с расширенной полосой рабочих частот для различных областей техники, например, радиолокации, радионавигации и связи.

Предлагаемая конструкция конформной АР Вивальди позволяет сместить нижнюю границу рабочего диапазона длин волн в область более низких частот, не прибегая к увеличению высоты профиля или радиуса АР.

Использование: изобретение относится к области радиотехники, а именно к сверхширокополосным антенным решеткам, и может найти применение в составе систем радиолокации, радионавигации и связи. Технический результат: расширение полосы рабочих частот конформной антенной решетки. Сущность: в конформной антенной решетке Вивальди, состоящей из диэлектрической подложки, не менее двух проводящих слоев, расширяющихся несимметричных щелевых линий передачи без перекрытия, переходящих в щелевые раскрывы, излучатели имеют форму винтовых поверхностей. 3 ил.

Конформная антенная решетка Вивальди, состоящая из диэлектрической подложки, не менее двух проводящих слоев, расширяющихся несимметричных щелевых линий передачи без перекрытия, переходящих в щелевые раскрывы, отличающаяся тем, что развертка металлических частей излучателей имеет три части: нижняя часть выполнена прямой относительно продольной оси, срединная часть смещена относительно продольной оси в виде тангенсоиды, верхняя часть выполнена прямой и смещена относительно продольной оси до соединения со срединной частью.