RU2773254C1

RU2773254C1 - Modified vivaldi antenna

Info

Publication number: RU2773254C1
Application number: RU2021118115A
Authority: RU
Inventors: Михаил Леонидович Артемов; Олег Владимирович Афанасьев; Дмитрий Иванович Воропаев; Михаил Павлович Сличенко; Екатерина Петровна Лавлинская
Original assignee: Акционерное общество "Концерн "Созвездие"
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2022-06-01

Abstract

FIELD: antenna equipment.

SUBSTANCE: invention relates to antenna equipment and is intended for use as an ultra-broadband beam antenna or an element of an ultra-broadband antenna array in radio engineering systems. Substance: an additional dielectric layer is introduced into the dielectric substrate (1) of the antenna, with a thickness equal to that of the contained layer, whereon a second metal plate (2) identical to the first one is located. The rectangular notches (5) have a width λ_low/20, are made in the areas of the metal plates defined by distances in λ _low/8 to the power line and λ_low/5 to the upper antenna aperture boundaries, and are placed with an offset no less than λ_low/5 from the aperture boundaries. One part of the resonator (4) is semicircular, and the other part, oriented in the direction from the slot, is rectangular. Equidistant additional rectangular notches (6) with identical length and width, symmetrical relative to the longitudinal direction, are made in the lower part of the metal plates with a pitch equal to the width of a single notch. One side of the notches is aligned with the lateral boundary of the dielectric substrate (1), and the other side is placed with an offset no less than λ_n/5 from the power line (6).

EFFECT: creation of a structurally simple ultra-broadband modified Vivaldi antenna, manufacturability, increase in the gain coefficient of the Vivaldi antenna in the lower part of the frequency range without the main lobe of the directivity pattern narrowing, reduction in the level of mutual influence of antennas placed in an antenna array due to the reduction in the lateral and reverse electromagnetic wave emission in a wide band of working frequencies.

1 cl, 9 dwg

Description

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.The invention relates to antenna technology, namely to ultra-wideband directional antennas, and can be used as a single antenna element, or as an antenna element as part of an antenna array in broadband radio engineering systems for various purposes. In particular, those in which the antenna element must provide a gain of at least 6 dBi with a width of the main lobe of the radiation pattern at a level of minus 3 dB of at least 45 degrees in the azimuthal plane and at least 40 degrees in the elevation plane with an operating frequency range coverage factor of up to 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.Due to the wide band of operating frequencies and the relative simplicity of manufacturing technology, classic Vivaldi printed antennas are widely used for receiving and emitting electromagnetic waves in radio engineering systems for various purposes. At the same time, such antennas, in view of the structural features, are characterized by a fairly high level of side lobes of the radiation pattern, low gain in the lower part of the operating frequency range, as well as a significant level of mutual influence of antennas on each other when placed as part of antenna arrays. The presence of the indicated characteristics limits the applicability of classical Vivaldi antennas in terms of receiving and emitting electromagnetic waves in advanced ultra-wideband radio systems for various purposes, characterized by a high level of gain and a wide main lobe of the radiation pattern, which determines the relevance and expediency of modifying the structure of such antennas in order to improve their main characteristics .

Известны примеры модификаций классической структуры антенны Вивальди, позволяющие улучшить некоторые характеристики антенны.There are known examples of modifications to the classical structure of the Vivaldi antenna, which improve some of the characteristics of the antenna.

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.Known classic printed Vivaldi antennas, the design of which is described in sufficient detail in [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] and [Gibson P.J., “The Vivaldi aerial”, Proceeding 9th European Microwave Conference, 1979, pp. 101-105]. The classic Vivaldi antenna contains a dielectric substrate consisting of one or two dielectric layers, one or two metal plates located on one of the sides or on both sides of the dielectric substrate, a slot with walls expanding linearly or exponentially along its longitudinal direction, forming an antenna opening, a line power supply, made in the form of a metal strip line of series-connected straight sections with a width corresponding to the impedance of the supply path, and ending in a section in the form of a sector bounded by a circular arc and segments connecting the arc to the power line. It is known that the length and width of the opening of the Vivaldi antenna must be at least the wavelength and half the wavelength at the lower operating frequency, respectively. This design of the Vivaldi antenna makes it possible to provide directional radiation of electromagnetic waves of vertical polarization in a wide frequency band, however, it has the following main disadvantages: a low level of gain in the lower part of the operating frequency range, as well as a significant level of lateral and backward radiation arising due to the sphericity of the phase front the electromagnetic wave formed in the aperture of the antenna, due to its expanding shape, the presence of which inevitably leads to a high level of mutual influence during the operation of antennas as part of antenna arrays.

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.A printed slot antenna is known, the design of which differs from the design of the classical Vivaldi antenna by the antipodal structure of the slot that forms the opening of the antenna [Batsula A.P., Volkov K.M., Vukolov A.E., Krylov A.N., Orlov A.B. , Orlov K.A. Printed antenna. Patent of the Russian Federation No. 2400876, H01Q 9/00]. The description of the patent indicates that the main advantage of such antennas relative to the classical Vivaldi antenna is the ability to provide a low level of side lobes of the radiation pattern. However, due to the need for galvanic connection of the metal surfaces of the antipodal slot on different sides of the dielectric substrate, such antennas have a complicated design, which, at the same time, does not solve the problem of the presence of a high level of phase distortions in the antenna aperture, which leads to a decrease in the gain achievable in practice, an increase in the level of mutual influence of antennas in the composition of antenna arrays, since the shape of the antenna opening and the metal plates forming the opening have not changed compared to the design of the classical Vivaldi antenna.

Известна гибридная щелевая антенна, описанная в [Азиатцев В.Е., Нефедьев В.М., Чертков Д.В., Кирпичёв Д.Б. Гибридная щелевая антенна. Патент РФ №2507648, H01Q 9/28, H01Q 1/38 ], 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. Known hybrid slot antenna, described in [Aziatsev V.E., Nefediev V.M., Chertkov D.V., Kirpichev D.B. Hybrid slot antenna. RF patent No. 2507648, H01Q 9/28, H01Q 1/38 ], which differs from the classic Vivaldi antenna by a power line in the form of a three-wire strip line, the presence of a ferrite ring installed at the end of a straight section of the strip line, as well as the presence of symmetrical electric vibrators of a conical shape, adjoining the ends of the expanding slot and oriented perpendicular to the direction of the slot expansion. Such an antenna provides an extended operating frequency band in terms of a gain of at least 6 dBi at the maximum of the directivity pattern, which is its main advantage. However, the presence in the design of the antenna of additional structures in the form of a ferrite ring and symmetrical vibrators significantly complicates the manufacturing technology of the antenna, and also increases the width of the antenna element by almost two times, which generally limits the possibility of its use as an element of a small-sized antenna array, and can also lead to increase the level of mutual influence of antennas.

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, H01Q 1/38 ]. 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.A known Vivaldi antenna with a printed lens located on a single dielectric substrate with an antenna, described in [Ashikhmin A.V., Fedorov S.M., Negrobov V.V., Pasternak Yu.G., Avdyushin A.S. Vivaldi antenna with a printed lens on a single dielectric substrate. RF patent No. 2593910, H01Q 1/38 ]. The main advantage of this design, achieved by correcting phase distortions in the antenna opening with a printed lens made of diffusers implemented in the form of electrically conductive plates, is an increase in the antenna gain by about 1-2 dB in the operating frequency range with an overlap factor of K = 3. However, despite the indicated advantage, in relation to radio engineering tasks, where there are increased requirements for the allowable width of the main lobe of the antenna element, this design has a significant drawback, namely, the narrowing of the main lobe of the directivity diagram due to the focusing by the printed lens of the antenna already formed in the near zone electromagnetic wave.

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.A well-known design of an antipodal Vivaldi antenna placed inside a dielectric is described in [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]. The main advantage of the design, achieved by adding a guide dielectric structure directly behind the antenna opening, as well as placing a dielectric structure outside the antenna with a dielectric constant different from that of the antenna substrate, is a significant increase in the gain in the operating frequency range with an overlap of K = 1.67. However, despite this advantage, this design has significant disadvantages for many radio engineering systems, namely, a significant complication of the design, an increase in overall dimensions in all planes and weight, the complexity of manufacturing technology, and a low value of the frequency overlap coefficient. These shortcomings significantly limit the possibility of using such antennas as part of broadband radio engineering systems for various purposes.

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.A modified Vivaldi antenna is known for use in mobile communication systems, described in [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], which differs from the classical Vivaldi antenna in the presence of rectangular cutouts rarely located in the metal plates of the antenna, placed along the entire length of the expanding slot and with a significant indent from it with a step several times greater than the width of the cutouts, the presence of a small round resonator displaced relative to the base of the slot radius, the presence of an asymmetric triangular cut at the base of the antenna, as well as the presence of a metal guiding structure of three rectangles placed along the axis of symmetry of the antenna, one of which is located in the widest part of the opening, and the other two are outside the antenna opening. The main advantage of such an antenna is an increase in the antenna gain by about 2 dB in the frequency range with an overlap coefficient K ≈ 2.5.

Однако такая конструкция обладает следующими существенными для радиотехнических систем недостатками:However, this design has the following significant disadvantages for radio engineering systems:

- небольшой коэффициент частотного перекрытия;- small coefficient of frequency overlap;

- значительная асимметрия диаграммы направленности антенны при её размещении на металлической поверхности носителя.- significant asymmetry of the antenna pattern when it is placed on the metal surface of the carrier.

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. In addition, the presence of cutouts of the proposed structure in the metal plates, judging by the given images of the current distribution in the modified antenna, does not lead to any significant changes in the distribution along the radiating aperture, which means that their presence does not significantly affect the characteristics of the antenna and the level of mutual influence, and the increase in the gain occurs due to the guiding structure in the antenna opening, that is, due to the narrowing of the radiation pattern. The presence of the described disadvantages limits the applicability of the specified antenna in radio systems.

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.The closest analogue in technical essence to the proposed antenna is the modified Vivaldi antenna described in [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, r. 235], taken as a prototype.

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.The prototype antenna is intended for use in WiFi systems and differs from the classical Vivaldi antenna by the presence of narrow rectangular cutouts made in a metal plate along the entire length of the expanding slot and located close to it, one of the sides of which is aligned with the lateral boundary of the dielectric substrate, as well as the presence triangular guide structure in the opening.

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.The advantages of this technical solution, when compared with those indicated above, are the simplicity of design, an increase in the gain in the operating frequency band with an overlap coefficient K = 1.5 in total by a value of the order of 4 ... due to a significant narrowing of the main lobe of the radiation pattern when it is focused by a triangular guide structure.

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.In FIG. 1 shows the design of the prototype antenna; in fig. 2 – design of the proposed modified Vivaldi antenna; in fig. 3 - frequency dependence of the standing wave ratio (SWR) of the proposed modified Vivaldi antenna; in fig. 4 - frequency dependence of the gain (GA) in units of dBi in the direction of the normal to the opening for the proposed modified Vivaldi antenna (solid line) and the prototype (dashed line); in fig. 5-a, 5-b, 5-c - elevation patterns in units of the gain of the proposed modified Vivaldi antenna (solid line) and prototype (dashed line) at frequencies of 3000 MHz, 4500 MHz and 6000 MHz, respectively; in fig. 6 - frequency dependence of the width of the main lobe of the azimuthal radiation pattern of the proposed modified Vivaldi antenna at a level of minus 3 dB from the maximum; in fig. 7 - frequency dependence of the width of the main lobe of the elevation pattern of the proposed modified Vivaldi antenna at a level of minus 3 dB from the maximum; in fig. 8-a, 8-b - distribution of the electric component of the electromagnetic field in the near zone of the proposed modified Vivaldi antenna and the prototype at a frequency of 3000 MHz; in fig. 8-c, 8-d - distribution of the electric component of the electromagnetic field in the near zone of the proposed modified Vivaldi antenna and the prototype at a frequency of 6000 MHz; in fig. 9 - image of the manufactured layout of the proposed modified Vivaldi antenna.

На фиг.1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:Figure 1 shows a diagram of a prototype device, where indicated:

1 – диэлектрическая подложка;1 – dielectric substrate;

2 – металлическая пластина;2 - metal plate;

3 – раскрыв антенны;3 - antenna opening;

4 – резонатор;4 - resonator;

5 – прямоугольные вырезы в металлической пластине;5 - rectangular cutouts in a metal plate;

6 – линия питания; 6 - power line;

7 – участок секторной формы.7 - section of a sector shape.

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.The prototype antenna contains a dielectric substrate 1, consisting of a dielectric layer, as well as a metal plate 2, made by metallization of one side of the dielectric substrate 1. Opening 3 is formed by the walls of a slot made in a metal plate, exponentially expanding in the longitudinal direction of a slot with an open end, the base of which is adjacent to round-shaped resonator 4. Rectangular cutouts 5 are made in the metal plate 2, which are equidistantly located relative to the longitudinal axis of the plate.

При этом ширина каждого выреза 5 равна λ_ниж/35. Вырезы 5 на металлической пластине 2 расположены на расстоянии от самой широкой части раскрыва 3 до расстояния λ_ниж/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.The width of each cut 5 is equal to λ _lower /35. The cutouts 5 on the metal plate 2 are located at a distance from the widest part of the opening 3 to the distance λ _lower /3 from the power line 6 with a step equal to the width of one cutout, one side of which is placed close to the opening 3, and the other side is aligned with the lateral boundary of the dielectric substrates 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. The power line 6 is made in the form of a metal strip line of consecutively connected straight sections and ends with a section in the form of a sector 7 bounded by a circular arc and segments connecting the arc to the power line 6.

Антенна-прототип работает следующим образом. Antenna prototype works as follows.

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.The electric current propagating along the power line 6, through the capacitor formed by the section of the sector shape 7 of the power line 6, the metal plate 2 and the dielectric substrate 1, excites surface currents that form the radiation of the antenna. The currents propagating along the symmetrical expanding boundaries of the aperture 3 generate electromagnetic field radiation. Resonator 4 provides scattering of back radiation from opening 3. Rectangular cutouts 5 in metal plate 2 dissipate currents propagating in areas outside opening 3 and, due to the re-reflections, increase the current density in opening 3 in the lower part of the operating frequency range.

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.The prototype device does not provide the required reduction in the level of side and rear radiation in the lower part of the antenna (after opening 3), which leads to the presence of mutual influence during the operation of the antenna as part of the antenna array. Also a significant drawback of the prototype is the small value of the frequency overlap factor. The presence of these shortcomings reduces the possibility of using such antennas in ultra-wideband radio systems, as well as in antenna arrays with a dense arrangement of antenna elements.

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.The objective of the proposed technical solution is to modify the structure of the classic Vivaldi antenna in order to create an ultra-wideband printed antenna with a simple design, increased gain without a significant effect of narrowing the main lobe of the radiation pattern and a reduced level of side and rear radiation.

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_ниж/20, где λ_ниж – длина волны на нижней рабочей частоте антенны, выполнены в областях металлических пластин, ограниченных расстояниями в λ_ниж/8 до линии питании и λ_ниж/5 до верхних границ раскрыва антенны и размещены с отступом не менее λ_ниж/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_ниж/5 от линии питания.To solve the problem in a modified Vivaldi antenna containing a dielectric substrate formed by a single layer of dielectric, the first metal plate, made by metallization of the outer side of the dielectric substrate, an opening formed by the walls of a slot exponentially expanding in the longitudinal direction with an open end, the base of which adjoins to the resonator, made in the form of a cutout in a metal plate, rectangular cutouts equidistantly located relative to the longitudinal axis, made in a metal plate with a step equal to the width of one cutout, one side of which is aligned with the lateral boundary of the dielectric substrate, a power line made in the form of sections of a metal strip line and ending in a wide section of arbitrary shape, according to the invention, an additional dielectric layer is introduced into the dielectric substrate of the antenna, forming the opposite side of the dielectric substrate, equal in thickness to the contained layer, and on which the second metal plate is located, identical to the first, while rectangular cutouts have a width of λ _lower /20, where λ _lower is the wavelength at the lower operating frequency of the antenna, made in the areas of metal plates limited by distances of λ _lower / 8 to the power line and λ _lower / 5 to the upper boundaries of the antenna aperture and placed with an indent of at least λ _lower / 5 from the aperture boundaries, one part of the resonator has the shape of a semicircle, and the other, oriented in the direction from the slot, has the shape of a rectangle, in addition, equidistantly located additional rectangular cutouts of the same length and width, symmetrical with respect to the longitudinal direction, made in the lower part of the metal plates with a step equal to the width of one cutout, one side of which is aligned with the lateral boundary of the dielectric substrate, and the second side is placed with an offset of at least λ _lower /5 from the power line.

На фиг. 2 представлена конструкция предлагаемой модифицированной антенны Вивальди, где обозначено:In FIG. 2 shows the design of the proposed modified Vivaldi antenna, where it is indicated:

2 – симметричные металлические пластины;2 - symmetrical metal plates;

3 – раскрыв антенны;3 - antenna opening;

4 – резонатор;4 - resonator;

5 – прямоугольные вырезы с шагом, равным ширине одного выреза; 5 - rectangular cutouts with a step equal to the width of one cutout;

6 – линия питания антенны;6 – antenna feed line;

7 – участок секторной формы;7 - section of a sector shape;

8 – дополнительные прямоугольные вырезы одинаковой длины и ширины с шагом, равным ширине одного выреза.8 - additional rectangular cutouts of the same length and width with a step equal to the width of one cutout.

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.The claimed modified Vivaldi antenna contains a dielectric substrate 1 formed by two glued dielectric layers of the same thickness (for example, glued with prepreg), on which symmetrical metal plates 2 are located on both sides. 2. The base of the opening 3 passes into the resonator 4, made in the form of cutouts in metal plates 2, one part of which, oriented in the direction of the slot, has the shape of a semicircle, and the other part has the shape of a rectangle. In metal plates 2, symmetrically with respect to opening 3, rectangular cutouts 5 are equidistantly located with a step equal to the width of one cutout, one side of which is placed with a fixed indent from opening 3, and the other side is aligned with the lateral boundary of the dielectric substrate 1. In the lower part of the antenna in metal plates 2, additional rectangular cutouts of the same length and width 8 are located symmetrically with respect to the opening 3 with a step equal to the width of one cutout, one side of which is aligned with the border of the dielectric substrate 1. Between the layers of the dielectric substrate 1 is the antenna feed line 6, made in the form of series-connected sections metal strip line with a width corresponding to the impedance of the supply path. The power line 6 ends with a section 7 of a sector shape, bounded by an arc of a circle and segments connecting it to the power line. Moreover, sections of the power line 6 can be of arbitrary shape, selected depending on the parameters of the supply path and the method of powering, but will always consist of a strip line of arbitrary shape and end in a wide section of arbitrary shape.

Таким образом, в заявляемую антенну внесены следующие изменения:Thus, the following changes have been made to the claimed antenna:

- 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; - in order to balance the currents propagating in the dielectric substrate 1, an additional dielectric layer is introduced, equal in thickness to the contained layer, with a metal plate 2, completely identical to the plate containing a slot forming the opening of the antenna 3;

- 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_ниж/8 относительно линии питания антенны 6, где λ_ниж – 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_ниж/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_ниж/20, а также отступ от линии раскрыва 3 не менее λ_ниж/5 для формирования канала распространения токов вдоль раскрыва в расширенном диапазоне частот;- in order to form an optimal distribution of currents over the antenna surface for solving the problem, the structure of cutouts in metal plates in the area of aperture 3 has been changed, namely, to dissipate currents propagating from the antenna power line 6 in the area outside aperture 3 and partially forming lateral radiation, rectangular cutouts 5 closest to the base of the slot forming the opening of the antenna 3 are placed with an offset of no more than _λlow /8 relative to the feed line of the antenna 6, where _λlow is the wavelength at the lower operating frequency of the antenna; to increase the electrical length of the opening of the antenna 3 and, accordingly, reduce the lower limit of the operating frequency range without increasing the size of the antenna, the areas of metal plates 2, forming a wide part of the opening 3 in the upper part of the antenna, with a length of at least λ _lower /5 are made without cutouts; to correct phase distortions due to alignment of the spherical front of the radiated wave and an increase in the intensity of currents on the aperture line 3 due to reflection from the boundaries of non-metallized antenna surfaces, rectangular cutouts 5 in metal plates have a width of λ _lower /20, as well as an offset from the aperture line 3 of at least λ _lower / 5 to form a channel for the propagation of currents along the aperture in an extended frequency range;

- 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.- in order to reduce the reverse and side radiation in the lower part of the antenna to dissipate the currents that form the reverse and side radiation, symmetrical equidistant additional cutouts 8 in metal plates 2 of rectangular shape of the same length and the same width, one side of which is aligned with the side boundary, are introduced into the design dielectric substrate 1, as well as to direct the currents propagating in the lower part of the antenna into the scattering regions of the cutouts 8, the shape of the lower part of the resonator 4 is changed to a rectangular one.

Заявляемая антенна работает следующим образом. The inventive antenna works as follows.

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.Similar to the prototype antenna, the electric current propagating along the power line 6, through the capacitor formed by the section of the sector shape 7 of the power line 6 and metal plates 2, excites surface currents that form the radiation of the antenna. The currents propagating along the symmetrical expanding boundaries of the opening 3, when approaching areas where the distance between the boundaries is comparable to the corresponding wavelength, generate the radiation of an electromagnetic field that forms the main lobe of the radiation pattern at the corresponding frequency. Thus, the expanding shape of the opening 3 provides a wide range of frequencies of the emitted waves. The resonator 4 provides scattering of the back radiation of the opening, which reduces the effect of this radiation on the matching characteristics of the feed line of the antenna with the feed path.

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. In classical Vivaldi antenna designs (described in 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 and Gibson P.J., “The Vivaldi aerial”, Proceeding 9th European Microwave Conference, 1979, pp. 101-105) the phase front of an electromagnetic wave propagating in an expanding antenna opening has a spherical shape, which causes phase distortions due to the phase difference of the propagating electromagnetic wave in the center of the opening and on its borders. The spherical front of the radiated wave and the resulting phase distortions cause increased levels of lateral and reverse radiation of the antenna, as well as a reduced level of gain in the lower part of the operating range, which is explained by the largest phase difference in the widest sections of the aperture, radiating waves of the lower part of the frequency range.

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_ниж/35, размещены эквидистантно вдоль раскрыва антенны с незначительным отступом от него, начиная от самой широкой части раскрыва и заканчивая расстоянием λ_ниж/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.In the prototype, the level of side lobes is reduced and the gain is increased by using the scattering properties of rectangular cutout areas in metal plates. These areas, each with a width of the order of λ _lower /35, are placed equidistantly along the antenna aperture with a slight indent from it, starting from the widest part of the aperture and ending at a distance of λ _lower /3 from the power line. The location directly at the edge of the aperture allows rectangular cutouts to dissipate currents that form the radiation of a spherical wave in areas outside the aperture, and increase the current density in the aperture due to the arising re-reflections, which can significantly reduce side radiation and, accordingly, increase the gain at the lower frequencies of the operating range. However, the location frequency and proximity to the aperture 3 rectangular cutouts 5, in turn, prevent the formation of a wave front at high frequencies, dissipating also currents propagating along the boundaries of the aperture 3, which significantly narrows the operating frequency band of the prototype.

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_ниж/5, достаточной для переотражения и синфазного сложения токов, возбуждающих раскрыв в широкой полосе частот. При этом прямоугольные вырезы 5 размещены на расстоянии от λ_ниж/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_ниж/5 от верхних границ раскрыва. Таким образом, области металлических пластин 2 длиной не менее λ_ниж/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.In the proposed technical solution, unlike the prototype, the rectangular cutouts 5 are placed in such a way that the space between these areas and the aperture 3 forms a propagation channel with a width of about λ _lower /5, sufficient for re-reflection and in-phase addition of currents that excite the aperture in a wide frequency band . At the same time, rectangular cutouts 5 are located at a distance from λ _lower /8 from the power line 6, which leads to the dissipation of currents of the power line that do not enter the opening 3 of the antenna and are the cause of lateral radiation, which increases the level of mutual influence when the antenna is placed in the antenna array, up to a distance λ _lower /5 from the upper boundaries of the opening. Thus, the areas of metal plates 2 with a length of at least λ _lower /5, forming a wide part of the aperture 3, are made without scattering rectangular cutouts, which increases the electrical length of the aperture and, accordingly, expands the operating frequency range of the antenna towards lower frequencies.

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. Thus, the proposed modified Vivaldi antenna has a reduced level of side lobes, an increased gain in the lower part of the frequency range and a wide range of operating frequencies, which is achieved due to the redistribution and partial dissipation of currents in the metal surfaces of the antenna 2 without the need to introduce structures into the antenna design that focus and narrowing the main lobe of the radiation pattern.

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. The currents that form the reverse and side radiation in the lower part of the modified Vivaldi antenna, propagating along the surface of the antenna from the power line 6 and resonator 4, are dissipated in rectangular cutouts 8. The rectangular shape of the lower part of the resonator 4 allows you to change the direction of propagation of the currents reflected from it, thus so that they are scattered by rectangular cutouts 8. The consequence of this scattering is a reduced level of side and back radiation of the modified Vivaldi antenna and, accordingly, the weakening of the mutual influence of such antennas when placed as part of an antenna array.

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.The achievement of the declared characteristics and the advantages of the proposed modified Vivaldi antenna in comparison with the prototype are confirmed by the results of electrodynamic modeling of the proposed antenna and its prototype by the finite element method in the ANSYS Electromagnetics Suite version 2021 R1 software product. The simulation was carried out for an antenna with an operating frequency range of 2100…7500 MHz. The antenna dimensions were chosen in accordance with the laws established for the classical Vivaldi antenna ([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 ] and [Gibson P.J., “The Vivaldiaerial”, Proceeding 9th European Microwave Conference, 1979, pp. 101-105]) and were 120 mm long and 75 mm wide.

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.According to the obtained frequency dependence of the standing wave ratio (Fig. 3), it can be seen that the proposed modified Vivaldi antenna has an SWR value of no more than 2.5 in the operating frequency band.

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.The obtained frequency dependences of the gains (Fig. 4) confirm the declared characteristics of achieving a level of at least 6 dBi in the operating range with a frequency overlap coefficient K = 3.57 and indicate an advantage in the level of achievable gain of the proposed modified Vivaldi antenna relative to the prototype in the operating frequency range.

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.Comparison of the obtained radiation patterns of the proposed modified Vivaldi antenna and the prototype at frequencies of 3000 MHz (Fig. 5-a), 4500 MHz (Fig. 5-b) and 6000 MHz (Fig. 5-c) indicates degradation with increasing frequency of the shape of the radiation pattern prototype while maintaining the shape of the radiation pattern of the proposed device.

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.The obtained frequency dependences of the width of the main lobe at the level of minus 3 dB of azimuth (Fig. 6) and elevation (Fig. 7) slices of the radiation pattern of the proposed modified Vivaldi antenna confirm the declared characteristics for ensuring the width of the main lobe of azimuth and elevation patterns of at least 45 and 40 degrees respectively.

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.Patterns of the distributions of the module of the electrical component of the electromagnetic field emitted by the proposed modified Vivaldi antenna at frequencies of 3000 MHz (Fig. 8-a) and 6000 MHz (Fig. 8-b) and the prototype at the same frequencies (Fig. 8-c and Fig. 8 -d, respectively), show the alignment of the spherical front of the radiated wave for the proposed modified Vivaldi antenna and the prototype at a frequency of 3000 MHz. At this frequency, the prototype is distinguished by the presence of an increased level of side and rear radiation. At a frequency of 6000 MHz, the proposed modified Vivaldi antenna retains a field distribution with an aligned phase front and a reduced level of side and back radiation. However, the field density of the prototype at a frequency of 6000 MHz is mainly concentrated in two elevation directions, as a result of which the radiation level decreases in the direction normal to the antenna opening and the level of side and back lobes increases.

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.Based on the simulation results, it was also found that the shape of the expanding slot that forms the opening, as well as the shape of the power line, do not affect the achievable characteristics in terms of increasing the gain, maintaining the shape of the radiation pattern, and reducing the levels of side and rear radiation.

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.In order to experimentally confirm the performance of the proposed antenna and its advantages relative to the prototype, a model of the proposed modified Vivaldi antenna was made using a dielectric substrate with a permittivity ε = 3.55 and metal plates made by copper metallization of the substrate. The antenna model has a length equal to 120 mm, a width of 75 mm and a thickness of 3 mm. The layout image is shown in Fig. 9. Measurements of the layout characteristics confirmed the values declared from the results of electrodynamic simulation.

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.Thus, the proposed modified Vivaldi antenna, due to a simple design that provides optimal distribution of surface currents that form radiation, has a reduced level of lateral and reverse radiation, a gain of at least 6 dBi in the frequency range of 2100 ... 7500 MHz (frequency overlap coefficient K = 3.57) with the width of the main lobe of the azimuth and elevation patterns in terms of minus 3 dB from the maximum of at least 45 and 40 degrees, respectively.

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.The use of the proposed modified Vivaldi antenna makes it possible to create for radio engineering systems for various purposes, in particular ultra-wideband radio communication, radar and radio monitoring complexes, ultra-wideband antenna systems with a simple design, manufacturable, increased gain in the lower part of the frequency range without a significant effect of narrowing the main lobe of the diagram directivity and a reduced level of side and rear radiation.

Claims

A modified Vivaldi antenna containing a dielectric substrate formed by a single layer of dielectric, a first metal plate made by metallization of the outer side of the dielectric substrate, an opening formed by the walls of a slot exponentially expanding in the longitudinal direction with an open end, the base of which is adjacent to the resonator, made in the metal plate. in the form of a cutout in a metal plate, rectangular cutouts equidistantly located relative to the longitudinal axis, made in a metal plate with a step equal to the width of one cutout, one side of which is aligned with the lateral boundary of the dielectric substrate, a power line made in the form of sections of a metal strip line and ending in a wide section of arbitrary shape, characterized in that an additional dielectric layer is introduced into the dielectric substrate of the antenna, forming the opposite side of the dielectric substrate, equal in thickness to the one contained with loy, and on which a second metal plate is located, identical to the first, while the rectangular cutouts have a width

_lower /20, where

_lower - wavelength at the lower operating frequency of the antenna, made in the areas of metal plates, limited by distances in

_lower /8 to the power line and

_lower /5 to the upper limits of the antenna opening, and placed with an indent of at least

_below /5 from the boundaries of the opening, one part of the resonator has the shape of a semicircle, and the other, oriented in the direction from the slot, has the shape of a rectangle, in addition, equidistantly located additional rectangular cutouts of the same length and width, symmetrical with respect to the longitudinal direction, made in the lower part of the metal plates with a step equal to the width of one notch, one side of which is aligned with the side boundary of the dielectric substrate, and the other side is placed with an indent of at least

_lower /5 from the power line.