RU2834735C1

RU2834735C1 - Compact ultra-wideband vivaldi radiator of cardioid form of wide-angle scanning with impedance inserts

Info

Publication number: RU2834735C1
Application number: RU2024128817A
Authority: RU
Inventors: Роман Эдуардович Косак; Армен Валерьевич Геворкян
Filing date: 2024-09-27
Publication date: 2025-02-13

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, namely to ultra-wideband emitters of wide-angle scanning. Outer edges of metal layers are made in cardioid shape using the following formula:

where t varies from 0 to 2π with step ; 54 impedance inserts of H-shape are introduced into the opening of the radiator, of which 22 inserts have size of 12×12 mm with cutouts with size of 4×4 mm, and 32 inserts have size of 6×6 mm with cutouts measuring 2×2 mm and are located with pitch of 1 mm from each other, wherein the extreme row of impedance inserts is located at distance of 3 mm from the edge of the dielectric substrate.

EFFECT: reduced electrical dimensions of the radiator, increased coefficient of overlapping of the operating frequency band by level the VSWR ≤ 3 and increase in the sector of scanning angles of the emitter in the E- and H-planes by level the VSWR ≤ 3.

1 cl, 3 dwg

Description

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. The proposed invention relates to the field of radio engineering, namely to ultra-wideband wide-angle scanning emitters and can find application in antenna arrays, including phased antenna arrays, for radio communication, radar and radio navigation systems. The emitter is designed as part of an infinite antenna array.

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.A Vivaldi antenna-based emitter is known (JP Massman and TP 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). The emitter is an all-metal element consisting of two metal conductors and a modified power supply system, which reduces the cost and manufacturing time of a phased antenna array. It is broadband when scanning in the E- and H-planes. Additive technology is used to manufacture the emitter.

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°.The features that coincide with the essential features of the claimed technical solution are: the type of emitter; calculation as part of an infinite antenna array; the ability to scan in the E- and H-planes; a wide sector of scanning angles equal to ±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.The disadvantage of this technical solution is the large electrical height of the emitter, which is ≈0.816 λ at the upper operating frequency (20.4 GHz) and ≈0.560 λ at the lower operating frequency (14.0 GHz) and the overlap coefficient equal to ≈ 1.457:1 when scanning in the E- and H-planes.

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.A printed Vivaldi antenna array is known for internal network monitoring (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). Unlike traditional Vivaldi antenna arrays, this paper presents a hexagonal coupling element embedded in the power supply system of the antenna array emitters. An internal monitoring network was created based on this development. The emitter is broadband when scanning in the E- and H-planes.

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.The features that coincide with the essential features of the claimed technical solution are: the type of emitter; calculation as part of an infinite antenna array; the possibility of scanning in the E- and H-planes; the material of the dielectric substrate.

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. The disadvantages of this technical solution are the large electrical height of the slot part of the emitter (the expanding slot and the round cutout), which is ≈1.042 λ at the upper operating frequency and ≈0.707 λ at the lower one, the overlap coefficient equal to ≈1.474:1 when scanning in the E- and H-planes, and the scanning angle sector of ±50°. At the same time, if we consider the emitter together with the power supply system, its electrical height will be ≈3.949 λ at the upper operating frequency and ≈2.680 λ at the lower one.

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. An ultra-wideband wide-angle scanning emitter based on the Vivaldi antenna is known (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). The use of a multi-segment power structure together with an absorber material made it possible to achieve wide-angle scanning in a wider operating frequency band. The emitter has good manufacturability, which allows it to be used as part of phased antenna arrays. A feature of the development is the combination of the advantages of an ultra-wide operating frequency band and a wide sector of scanning angles.

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°.The features that coincide with the declared technical solution are: the type of emitter; calculation as part of an infinite antenna array; the ability to work in the E- and H-planes; an ultra-wide operating frequency band with an overlap factor of 2.620:1; a wide sector of scanning angles equal to ±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).The disadvantages of this technical solution are the large electrical height of the slot part of the emitter (expanding slot and round cutout), which is ≈1.026 λ at the upper operating frequency (13.1 GHz) and ≈0.392 λ at the lower (5 GHz). At the same time, if we consider the emitter together with the power supply system, its electrical height will be ≈2.074 λ at the upper operating frequency (13.1 GHz) and ≈0.792 λ at the lower (5 GHz).

Техническим результатом, на решение которого направлено данное изобретение, является:The technical result that this invention is aimed at solving is:

– уменьшение электрических размеров излучателя (на верхней и нижней рабочих частотах); – reduction of the electrical dimensions of the emitter (at the upper and lower operating frequencies);

– увеличение коэффициента перекрытия рабочей полосы частот по уровню КСВН ≤ 3; – increase in the coefficient of overlap of the operating frequency band at the level of VSWR ≤ 3;

– увеличение сектора углов сканирования излучателя в Е- и Н-плоскостях по уровню КСВН ≤ 3. – increase in the sector of emitter scanning angles in the E- and H-planes at the VSWR level ≤ 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: The technical result is achieved by the fact that in a compact ultra-wideband Vivaldi emitter of cardioid shape with wide-angle scanning with impedance inserts, consisting of a dielectric substrate, a connector, a screen and two metal layers made on different sides of the dielectric substrate, the outer edges of the metal layers are made in a cardioid shape using the following formula:

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

где t изменяется от 0 до $2 π$ с шагом $\frac{2 π}{1000}$ ; 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.where t varies from 0 to $2 π$ with a step $\frac{2 π}{1000}$ ; additionally, 54 H-shaped impedance inserts are introduced into the emitter aperture, of which 22 inserts have a size of 12x12 mm with cutouts of 4x4 mm, and 32 inserts have a size of 6x6 mm with cutouts of 2x2 mm and are located with a pitch of 1 mm from each other, while the outer row of impedance inserts is located at a distance of 3 mm from the edge of the dielectric substrate; impedance inserts are placed on the side of the metal layer connected to the core of the coaxial cable.

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.The compact ultra-wideband Vivaldi cardioid wide-angle scanning emitter with impedance inserts is antipodal: the metal layers are made on different sides of the dielectric substrate. The dielectric substrate itself, measuring 0.9×150.0×300.0 mm, is made of Rogers RT/duroid 5880. The emitter is located on a metal screen measuring 100×150 mm and is fed by a coaxial cable.

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. The essence of the proposed invention is explained in Fig. 1. Fig. 1 shows a compact ultra-wideband Vivaldi emitter of a cardioid shape with wide-angle scanning with impedance inserts, consisting of a dielectric substrate 1 with metal layers 2 and 3 and a screen 4. Power is supplied using a coaxial cable or connector 5, the core of which is connected to the metal layer 2, and the braid to the metal layer 3 and to the screen 4. In the aperture of the emitter there are 54 impedance inserts 6 and 7 of an H-shape: 22 inserts 6 measuring 12x12 mm with cutouts measuring 4x4 mm, as well as 32 inserts 7 measuring 6x6 mm with cutouts measuring 2x2 mm. The H-shaped impedance inserts are arranged with a pitch of 1 mm, with the outermost row of inserts 8 located at a distance of 3 mm from the edge of the dielectric substrate with all impedance inserts placed on the side of the metal layer connected to the core of the coaxial cable, as shown in Fig. 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.The device operates as follows (the transmission mode is considered): the electromagnetic wave from the coaxial cable or connector 5 transforms into a wave that propagates along the line formed by the dielectric substrate 1 and metal layers 2 and 3. The wave impedance of the line smoothly changes from a value close to the wave impedance of the coaxial cable or connector 5 at the beginning of the line to a value close to the characteristic impedance of free space at the end of the line. Due to the latter, the electromagnetic wave is radiated into free space. The use of cardioid-shaped metal layers allows changing the impedances at a shorter line length while maintaining the matching of the line with the coaxial cable or connector 5. The use of large 6 and small 7 impedance inserts improves the matching of the emitter during wide-angle scanning in the H-plane. Screen 4 creates directional radiation, reducing its level in the lower hemisphere.

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.When the device is operating in reception mode, an electromagnetic wave from free space enters the upper part of the line and, spreading along it, passes into the coaxial cable or connector 5.

Настоящее изобретение может быть использовано в составе антенных решеток, включая фазированные антенные решетки, для систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации.The present invention can be used in antenna arrays, including phased antenna arrays, for radio communication, radar and radio navigation systems.

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. The proposed design of the Vivaldi radiator, due to the use of a cardioid shape of the construction of the outer edges of the lobes and impedance inserts in the aperture, allows for an overlap coefficient of ≈3.102 (233.3–723.8 MHz) at a VSWR level of ≤ 3 with wide-angle scanning in a sector of angles of ±60° in the E- and H-planes at a relatively small electrical height: ≈0.724 λ – at the upper operating frequency of 723.8 MHz and ≈0.233 λ – at the lower operating frequency of 233.3 MHz, according to the frequency characteristics of the VSWR when scanning in the E- and H-planes, shown in Figs. 2 and 3, respectively.

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. In this case, the first analogue has an electrical height at the upper operating frequency of ≈0.816 λ, and at the lower one ≈0.560 λ with an overlap factor of ≈1.457:1. The proposed compact ultra-wideband Vivaldi cardioid wide-angle scanning emitter with impedance inserts has an electrical height at the upper operating frequency that is 0.092 λ lower, and at the lower one – 0.327 λ lower with an overlap factor that is 1.645 higher.

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°.The second analogue has an electrical height of the slot part of the emitter (expanding slot and round cutout) at the upper operating frequency of ≈1.042 λ, and at the lower frequency of ≈0.707 λ with an overlap ratio of 1.474:1. The proposed compact ultra-wideband Vivaldi emitter of a cardioid shape with wide-angle scanning and impedance inserts has an electrical height at the upper operating frequency that is 0.318 λ less, and at the lower frequency - 0.474 λ less, with an overlap ratio that is 1.628 greater. At the same time, if we consider the second analogue together with the power supply system, its electrical height will be 3.225 λ greater at the upper operating frequency and 2.447 λ greater at the lower frequency. Moreover, the scanning angle sector of the second analogue is up to ±50°, and the proposed emitter is capable of scanning in an angle sector of up to ±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.Despite the fact that the prototype and the proposed emitter have an ultra-wide operating frequency band and a coinciding sector of scanning angles of ±60°, it is still inferior to the proposed compact ultra-wideband Vivaldi emitter of a cardioid shape of a wide-angle scanning with impedance inserts in terms of electrical height and overlap coefficient. Thus, the prototype has an overlap coefficient of 2.620:1, which is 0.482 less than that of the proposed emitter. Moreover, the electrical height of the prototype at the upper limit frequency is 0.302 λ higher, and at the lower one - 0.159 λ higher. At the same time, if we consider the prototype together with the power supply system, its electrical height is 1.350 λ higher at the upper operating frequency and 0.559 λ higher at the lower one.

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.The lower electrical height of the emitter allows to reduce the weight of the final device and the costs of its manufacture, and also to simplify transportation. The higher overlap coefficient of the emitter allows to work in a wider frequency band, and the wide sector of scanning angles allows to survey a larger sector of space.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №РНФ/22-29-РТ (соглашение №22-19-00537).The study was supported by a grant from the Russian Science Foundation No. RSF/22-29-RT (agreement No. 22-19-00537).

Claims

A compact ultra-wideband Vivaldi cardioid wide-angle scanning emitter with impedance inserts, consisting of a dielectric substrate, a connector, a screen and two metal layers made on different sides of the dielectric substrate, characterized in that the outer edges of the metal layers are made in a cardioid shape using the following formula:

where t varies from 0 to with a step ;

Additionally, 54 H-shaped impedance inserts are introduced into the emitter aperture, of which 22 inserts have a size of 12x12 mm with cutouts of 4x4 mm, and 32 inserts have a size of 6x6 mm with cutouts of 2x2 mm and are located at a pitch of 1 mm from each other, while the outer row of impedance inserts is located at a distance of 3 mm from the edge of the dielectric substrate; impedance inserts are placed on the side of the metal layer connected to the core of the coaxial cable.