Сверхширокополосная антенна Вивальди кардиоидной формы Российский патент 2024 года по МПК H01Q1/38 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, а именно к сверхширокополосным антеннам с линейной поляризацией, и может найти применение в виде самостоятельной антенны или в составе антенных решеток для систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

Известна печатная антенна Вивальди с низким уровнем КСВН (Ya-Wei Wang, Xiang-Jun Gao, Jian-Gang Liang, and Li Zhu, “Conformal Corrugated Edges for Vivaldi Antenna to Obtain Improved Low-Frequency Characteristics,” Progress In Electromagnetics Research C, vol. 60, pp. 75-81, 2015, doi: 10.2528/PIERC15101306). Антенна выполнена на диэлектрической подложке из тефлона. Структура питания представляет собой переход от микрополосковой к щелевой линии. Края металлизации устройства выполнены с наклонными вырезами, что упрощает гофрирование кромки антенны Вивальди. Показано, что выполнение кромки антенны с использованием вырезов особой формы по краям металлических слоёв позволяет уменьшить нижнюю рабочую частоту.

Признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого технического решения, являются: тип антенны; раскрыв экспоненциальной формы; сверхширокая рабочая полоса частот.

Недостатком данного технического решения является большая электрическая высота антенны, составляющая ≈6,250λ на верхней рабочей частоте (15 ГГц) и ≈1,250λ на нижней рабочей частоте (3 ГГц) при коэффициенте перекрытия, равном ≈5,0:1.

Известна антиподная антенна Вивальди для современных радиолокационных систем (Kambham Premchand, Harikrishna Paik, and Shailendra Kumar Mishra, “Stripline Fed Slotted Edge Balanced Antipodal Vivaldi Antenna for Advanced Radar Applications,” Progress In Electromagnetics Research Letters, vol. 103, pp. 119-126, 2022, doi: 10.2528/PIERL22012806). Устройство питается с помощью микрополосковой линии. Антенна имеет особую форму кромки металлического края в виде наклонных прямоугольных щелей разной длины. Показано, что специальная форма металлических слоёв антенны позволяет улучшить рабочую полосу на нижних частотах рабочего диапазона.

Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого технического решения, являются: тип антенны; раскрыв экспоненциальной формы; сверхширокая рабочая полоса частот.

Недостатком данного технического решения является большая электрическая высота антенны, составляющая ≈3,733λ на верхней рабочей частоте (20 ГГц) и ≈0,933λ на нижней (5 ГГц) при коэффициенте перекрытия, равном 4,0:1.

Известна печатная сверхширокополосная модифицированная антенна Вивальди со скругленными краями металлических слоёв (Aidin Mehdipour, K. Mohammadpour-Aghdam, and Reza Faraji-Dana, “Complete Dispersion Analysis of Vivaldi Antenna for Ultra Wideband Applications,” vol. 77, pp. 85-96, 2007, doi:10.2528/PIER07072904). В качестве антенного фидера выбрана коническая микрополосковая линия. Антенна выполнена на диэлектрической подложке из материала Rogers RO4003 и имеет особую скругленную форму металлического края главных лепестков.

Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: тип антенны; раскрыв экспоненциальной формы; скругленные края металлических слоёв; сверхширокая рабочая полоса частот.

Недостатками данного технического решения является большая электрическая высота антенны, составляющая ≈3,040λ на верхней рабочей частоте (12,0 ГГц) и ≈0,660λ на нижней (2,6 ГГц) при коэффициенте перекрытия, равном 4,615:1.

Техническим результатом, на решение которого направлено данное изобретение, является:

- уменьшение электрических размеров антенны (на верхней и нижней рабочих частотах);

- увеличение коэффициента перекрытия рабочей полосы частот по уровню КСВН≤3.

Технический результат достигается тем, что внешние края металлических слоёв сверхширокополосной антенны Вивальди кардиоидной формы, состоящей из диэлектрической подложки, разъёма, экрана и двух металлических слоёв, выполнены по кардиоидной форме с использованием следующей формулы:

где t изменяется от 0 до с шагом . Сверхширокополосная антенна Вивальди кардиоидной формы является антиподной: металлические слои выполнены на разных сторонах диэлектрической подложки. Сама же диэлектрическая подложка размером 0,5×40,0×24,0 мм выполнена из материала Rogers RT/duroid 5880. Антенна располагается на металлическом экране размером 20×40 мм и питается коаксиальным кабелем.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1. На фиг. 1 изображена сверхширокополосная антенна Вивальди кардиоидной формы, состоящая из диэлектрической подложки 1 с металлическими слоями 2 и 3 и экраном 4. Сверхширокополосная антенна Вивальди кардиоидной формы является антиподной: металлические слои выполнены на разных сторонах диэлектрической подложки. Питание производится с помощью коаксиального кабеля или разъёма 5, жила которого подключена к металлическому слою 2, а оплетка к металлическому слою 3 и к экрану 4.

Устройство работает следующим образом (рассмотрен режим передачи): электромагнитная волна из коаксиального кабеля или разъёма 5 переходит в волну, которая распространяется вдоль линии, образованной диэлектрической подложкой 1 и металлическими слоями 2 и 3. Волновое сопротивление линии плавно изменяется от значения, близкого к волновому сопротивлению коаксиального кабеля или разъёма 5 в начале линии до значения, близкого к характеристическому сопротивлению свободного пространства в конце линии. Благодаря последнему электромагнитная волна излучается в свободное пространство. Использование металлических слоёв кардиоидной формы позволяет выполнить изменение сопротивлений при меньшей длине линии с сохранением согласования линии с коаксиальным кабелем или разъёмом 5. Экран 4 создает направленное излучение, уменьшая его уровень в нижней полусфере.

При работе устройства на приём электромагнитная волна из свободного пространства попадает в верхнюю часть линии и, распространяясь по ней, переходит в коаксиальный кабель или разъём 5.

Настоящее изобретение может быть использовано в виде самостоятельной антенны или в составе антенных решеток для систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

Предлагаемая конструкция антенны Вивальди благодаря использованию кардиоидной формы построения внешних краёв лепестков позволяет обеспечить коэффициент перекрытия, равный ≈5,257 (5,24-27,55 ГГц) по уровню КСВН≤3 при сравнительно небольшой электрической высоте: 2,204λ - на верхней рабочей частоте 27,55 ГГц и 0,419λ - на нижней рабочей частоте 5,24 ГГц согласно частотной характеристике КСВН, представленной на фиг. 2.

При этом у первого аналога электрическая высота на верхней рабочей частоте равна 6,250λ, а на нижней - 1,250λ при коэффициенте перекрытия, равном ≈5,0:1. У предлагаемой сверхширокополосной антенны Вивальди кардиоидной формы электрическая высота на верхней рабочей частоте меньше на 4,046λ, а на нижней - на 0,831λ при большем на 0,257 коэффициенте перекрытия.

У второго аналога электрическая высота на верхней рабочей частоте равна 3,733λ, а на нижней - 0,933λ при коэффициенте перекрытия, равном 4,0:1. У предлагаемой сверхширокополосной антенны Вивальди кардиоидной формы электрическая высота на верхней рабочей частоте меньше на 1,529λ, а на нижней - на 0,514λ при большем на 1,257 коэффициенте перекрытия.

Несмотря на то, что у прототипа и предлагаемой антенны скруглённая форма металлических слоёв и сверхширокая рабочая полоса частот, он все же уступает предлагаемой сверхширокополосной антенне Вивальди кардиоидной форме по электрической высоте и коэффициенту перекрытия. Так, у прототипа коэффициент перекрытия равен 4,615:1, что на 0,642 меньше, чем у предлагаемой антенны. Более того, электрическая высота прототипа на верхней граничной частоте больше на 0,836λ, а на нижней - больше на 0,241λ.

Меньшая электрическая высота антенны позволяет снизить вес итогового устройства и затраты на его изготовление, а также упростить транспортировку. Больший коэффициент перекрытия антенны позволяет работать в более широкой полосе частот.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к сверхширокополосным антеннам с линейной поляризацией, и может служить в качестве самостоятельной антенны или в составе антенных решеток для систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации. Технический результат - уменьшение электрических размеров антенны на верхней и нижней рабочих частотах, а также увеличение коэффициента перекрытия рабочей полосы частот по уровню КСВН≤3. Технический результат достигается тем, что внешние края металлических слоёв сверхширокополосной антенны Вивальди кардиоидной формы, состоящей из диэлектрической подложки, разъёма, экрана и двух металлических слоёв, выполнены по кардиоидной форме с использованием следующей формулы: , где t изменяется от 0 до с шагом . 2 ил.

Сверхширокополосная антенна Вивальди кардиоидной формы, состоящая из диэлектрической подложки, разъёма, экрана и двух металлических слоёв, выполненных на разных сторонах диэлектрической подложки, отличающаяся тем, что внешние края металлических слоёв выполнены по кардиоидной форме с использованием следующей формулы:

где t изменяется от 0 до с шагом .