Компактный сверхширокополосный излучатель Вивальди кардиоидной формы широкоугольного сканирования с импедансными вставками Российский патент 2025 года по МПК H01Q1/38 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, а именно к сверхширокополосным излучателям широкоугольного сканирования и может найти применение в составе антенных решеток, включая фазированные антенные решетки, для систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации. Излучатель рассчитан в составе бесконечной антенной решетки.

Известен излучатель на основе антенны Вивальди (J. P. Massman and T. P. Steffen, “Low Cost All Metal Additively Manufactured Wideband Antenna Array Modules,” 2020 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting, Montreal, QC, Canada, 2020, pp. 1357–1358, doi: 10.1109/IEEECONF35879.2020.9330321). Излучатель представляет собой цельнометаллический элемент, состоящий из двух металлических проводников и модифицированной системы питания, что позволяет снизить стоимость и время изготовления фазированной антенной решетки. Он является широкополосным при сканировании в Е- и Н-плоскостях. Для изготовления излучателя используется аддитивная технология.

Признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого технического решения, являются: тип излучателя; расчет в составе бесконечной антенной решетки; возможность сканирования в Е- и Н-плоскостях; широкий сектор углов сканирования равный ±60°.

Недостатком данного технического решения является большая электрическая высота излучателя, составляющая ≈0,816 λ на верхней рабочей частоте (20,4 ГГц) и ≈0,560 λ на нижней рабочей частоте (14,0 ГГц) и коэффициент перекрытия равный ≈ 1,457:1 при сканировании в Е- и Н-плоскостях.

Известен печатный излучатель на основе антенны Вивальди, предназначенный для внутреннего сетевого мониторинга (H. Wu, Y. Li, J. Tao, X. Li and Z. Gu, “Design of an Ultrawideband Dual-polarization Vivaldi Antenna Array in Integrated with Internal Monitoring Network,” 2021 13th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE), Zhuhai, China, 2021, pp. 1–3, doi: 10.1109/ISAPE54070.2021.9753453). В отличие от традиционных антенных решеток из излучателей Вивальди, в данной работе представлен шестиугольный элемент соединения, внедренный в систему питания излучателей антенной решетки. На основе этой разработки создана внутренняя сеть мониторинга. Излучатель является широкополосным при сканировании в Е- и Н-плоскостях.

Признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого технического решения, являются: тип излучателя; расчет в составе бесконечной антенной решетки; возможность сканирования в Е- и Н-плоскостях; материал диэлектрической подложки.

Недостатками данного технического решения являются большая электрическая высота щелевой части излучателя (расширяющаяся щель и круглый вырез), составляющая ≈1,042 λ на верхней рабочей частоте и ≈0,707λ на нижней, коэффициент перекрытия равный ≈1,474:1 при сканировании в Е- и Н-плоскостях, а также сектор углов сканирования ±50°. При этом, если рассматривать излучатель вместе с системой питания, его электрическая высота будет составлять ≈3,949 λ на верхней рабочей частоте и ≈2,680 λ на нижней.

Известен сверхширокополосный излучатель широкоугольного сканирования на основе антенны Вивальди (L. Yang and L. Zhihui, “An Element of Wide-band and Wide-scan Phased Array Antenna,” 2021 IEEE International Workshop on Electromagnetics: Applications and Student Innovation Competition (iWEM), Guangzhou, China, 2021, pp. 1–3, doi: 10.1109/iWEM53379.2021.9790413). Использование многосегментной структуры питания совместно с поглощающим материалом позволило добиться широкоугольного сканирования в более широкой рабочей полосе частот. Излучатель обладает хорошей технологичностью, что позволяет применять его в составе фазированных антенных решеток. Особенностью разработки является объединение достоинств сверхширокой рабочей полосы частот и широкого сектора углов сканирования.

Признаками, совпадающими с заявляемым техническим решением, являются: тип излучателя; расчет в составе бесконечной антенной решетки; возможность работы в Е- и Н-плоскостях; сверхширокая рабочая полоса частот с коэффициентом перекрытия равным 2,620:1; широкий сектор углов сканирования равный ±60°.

Недостатками данного технического решения является большая электрическая высота щелевой части излучателя (расширяющаяся щель и круглый вырез), составляющая ≈1,026 λ на верхней рабочей частоте (13,1 ГГц) и ≈0,392 λ на нижней (5 ГГц). При этом, если рассматривать излучатель вместе с системой питания, его электрическая высота будет составлять ≈2,074 λ на верхней рабочей частоте (13,1 ГГц) и ≈0,792 λ на нижней (5 ГГц).

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

– уменьшение электрических размеров излучателя (на верхней и нижней рабочих частотах);

– увеличение коэффициента перекрытия рабочей полосы частот по уровню КСВН ≤ 3;

– увеличение сектора углов сканирования излучателя в Е- и Н-плоскостях по уровню КСВН ≤ 3.

Технический результат достигается тем, что в компактный сверхширокополосный излучатель Вивальди кардиоидной формы широкоугольного сканирования с импедансными вставками, состоящий из диэлектрической подложки, разъёма, экрана и двух металлических слоев, выполненных на разных сторонах диэлектрической подложки, внешние края металлических слоев выполнены по кардиоидной форме с использованием следующей формулы:

$$\{\begin{array}{l}x(t)=\mathrm{0,}\\ y(t)=\frac{\mathrm{0,5}}{7}\cdot \cos (t),\\ z(t)=\frac{1}{9}\cdot (\sin (t)+\sqrt{|\cos (t)|}),\end{array}$$

где t изменяется от 0 до $$2\pi$$ с шагом $$\frac{2\pi }{1000}$$; дополнительно в раскрыв излучателя введены 54 импедансные вставки Н-формы, из которых 22 вставки имеют размер 12×12 мм с вырезами размером 4×4 мм, а 32 вставки имеют размер 6×6 мм с вырезами размером 2×2 мм и расположены с шагом 1 мм друг от друга, при этом крайний ряд импедансных вставок располагают на расстоянии 3 мм от края диэлектрической подложки; импедансные вставки размещают на стороне металлического слоя, подключенного к жиле коаксиального кабеля.

Компактный сверхширокополосный излучатель Вивальди кардиоидной формы широкоугольного сканирования с импедансными вставками является антиподным: металлические слои выполнены на разных сторонах диэлектрической подложки. Сама же диэлектрическая подложка размером 0,9×150,0×300,0 мм выполнена из материала Rogers RT/duroid 5880. Излучатель располагается на металлическом экране размером 100×150 мм и питается коаксиальным кабелем.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1. На фиг. 1 изображен компактный сверхширокополосный излучатель Вивальди кардиоидной формы широкоугольного сканирования с импедансными вставками, состоящий из диэлектрической подложки 1 с металлическими слоями 2 и 3 и экраном 4. 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. В раскрыве излучателя расположены 54 импедансные вставки 6 и 7 Н-формы: 22 вставки 6 размером 12×12 мм с вырезами размером 4×4 мм, а также 32 вставки 7размером 6×6 мм с вырезами размером 2×2 мм. Импедансные вставки Н-формы расположены с шагом 1 мм, при этом крайний ряд вставок 8 располагается на расстоянии 3 мм от края диэлектрической подложки с размещением всех импедансных вставок на стороне металлического слоя, подключенного к жиле коаксиального кабеля, что указано на фиг. 1.

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. Использование импедансных вставок большого 6 и маленького 7 размера улучшает согласование излучателя при широкоугольном сканировании в Н-плоскости. 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 составе антенных решеток, включая фазированные антенные решетки, для систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

Предлагаемая конструкция излучателя Вивальди благодаря использованию кардиоидной формы построения внешних краёв лепестков и импедансных вставок в раскрыве позволяет обеспечить коэффициент перекрытия равный ≈3,102 (233,3–723,8 МГц) по уровню КСВН ≤ 3 при широкоугольном сканировании в секторе углов ±60° в Е- и Н-плоскостях при сравнительно небольшой электрической высоте: ≈0,724 λ – на верхней рабочей частоте 723,8 МГц и ≈0,233 λ – на нижней рабочей частоте 233,3 МГц, согласно частотным характеристикам КСВН при сканировании в Е- и Н-плоскостях, представленных на фиг. 2 и 3, соответственно.

При этом у первого аналога электрическая высота на верхней рабочей частоте равна ≈0,816 λ, а на нижней ≈0,560 λ при коэффициенте перекрытия равном ≈1,457:1. У предлагаемого компактного сверхширокополосного излучателя Вивальди кардиоидной формы широкоугольного сканирования с импедансными вставками электрическая высота на верхней рабочей частоте меньше на 0,092 λ, а на нижней – на 0,327 λ при большем на 1,645 коэффициенте перекрытия.

У второго аналога электрическая высота щелевой части излучателя (расширяющаяся щель и круглый вырез) на верхней рабочей частоте равна ≈1,042 λ, а на нижней ≈0,707 λ при коэффициенте перекрытия равном 1,474:1. У предлагаемого компактного сверхширокополосного излучателя Вивальди кардиоидной формы широкоугольного сканирования с импедансными вставками электрическая высота на верхней рабочей частоте меньше на 0,318λ, а на нижней – на 0,474 λ при большем на 1,628 коэффициенте перекрытия. При этом, если рассматривать второй аналог вместе с системой питания, его электрическая высота будет больше на 3,225 λ на верхней рабочей частоте и на 2,447 λ на нижней. Более того, сектор углов сканирования второго аналога представлен до ±50°, а предлагаемый излучатель способен сканировать в секторе углов до ±60°.

Несмотря на то, что у прототипа и предлагаемого излучателя сверхширокая рабочая полоса частот и совпадающий сектор углов сканирования ±60°, он все же уступает предлагаемому компактного сверхширокополосного излучателя Вивальди кардиоидной формы широкоугольного сканирования с импедансными вставками по электрической высоте и коэффициенту перекрытия. Так, у прототипа коэффициент перекрытия равен 2,620:1, что на 0,482 меньше, чем у предлагаемого излучателя. Более того, электрическая высота прототипа на верхней граничной частоте больше на 0,302 λ, а на нижней – больше на 0,159λ. При этом, если рассматривать прототип вместе с системой питания, его электрическая высота больше на 1,350 λ на верхней рабочей частоте и на 0,559 λ больше на нижней.

Меньшая электрическая высота излучателя позволяет снизить вес итогового устройства и затраты на его изготовление, а также упростить транспортировку. Больший коэффициент перекрытия излучателя позволяет работать в более широкой полосе частот, а широкий сектор углов сканирования позволяет обозревать больший сектор пространства.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №РНФ/22-29-РТ (соглашение №22-19-00537).

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к сверхширокополосным излучателям широкоугольного сканирования. Технический результат - уменьшение электрических размеров излучателя, увеличение коэффициента перекрытия рабочей полосы частот по уровню КСВН ≤ 3 и увеличение сектора углов сканирования излучателя в Е- и Н-плоскостях по уровню КСВН ≤ 3. Результат достигается тем, что внешние края металлических слоев выполнены по кардиоидной форме с использованием следующей формулы:

где t изменяется от 0 до 2π с шагом ; в раскрыв излучателя введены 54 импедансные вставки Н-формы, из которых 22 вставки имеют размер 12×12 мм с вырезами размером 4×4 мм, а 32 вставки имеют размер 6×6 мм с вырезами размером 2×2 мм и расположены с шагом 1 мм друг от друга, при этом крайний ряд импедансных вставок располагают на расстоянии 3 мм от края диэлектрической подложки. 3 ил.

Компактный сверхширокополосный излучатель Вивальди кардиоидной формы широкоугольного сканирования с импедансными вставками, состоящий из диэлектрической подложки, разъёма, экрана и двух металлических слоев, выполненных на разных сторонах диэлектрической подложки, отличающийся тем, что внешние края металлических слоев выполнены по кардиоидной форме с использованием следующей формулы:

где t изменяется от 0 до с шагом ;

дополнительно в раскрыв излучателя введены 54 импедансные вставки Н-формы, из которых 22 вставки имеют размер 12×12 мм с вырезами размером 4×4 мм, а 32 вставки имеют размер 6×6 мм с вырезами размером 2×2 мм и расположены с шагом 1 мм друг от друга, при этом крайний ряд импедансных вставок располагают на расстоянии 3 мм от края диэлектрической подложки; импедансные вставки размещают на стороне металлического слоя, подключенного к жиле коаксиального кабеля.