Разработка и исследование модифицированной антенны Вивальди в составе плоской широкополосной антенной решётки Х-диапазона Текст научной статьи по специальности «Физика»

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эя Н?ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025.155М 1994-0408_

Разработка и исследование модифицированной антенны Вивальди в составе плоской широкополосной антенной решётки Х-диапазона 77-30569/247762

# 11, ноябрь 2011

Чернышев С. Л., Виленский А. Р.

УДК. 621.372.8

МГТУ им. Н.Э. Баумана 1етаГогуои@уапёех. ги chernshv@bmstu.ru

Развивающееся в последние десятилетия направления сверхкорокоимпульсной (СКИ) и сверхширокополосной (СТТТП) радиолокации требует создания эффективных антенных систем. В то же время растущие потребности в адаптации и диаграммоформировании обуславливают применение антенных решёток (АР). В связи с этим задача разработки излучателей для СКИ и СТТТП решёток сегодня актуальна. В работе исследуются излучатели в печатном исполнении Х-диапазона длин волн для построения полотна АР непосредственно на выходах микрополосковых плат разводки СВЧ мощности, что позволяет получить простые и надёжные конструкции решёток. При этом возможны два варианта - использование широкополосных антенн с полосой порядка 15-20 % в Х-диапазоне (примером такой антенны может служить широкополосный вибратор на диэлектрической подложке без металлизации [1]) и применение сверхширокополосных излучателей на основе, например, антенн Вивальди (АВ), оптимизированных в рассматриваемой широкой полосе по согласованию и параметрам диаграммы направленности (ДН). Результаты применения последнего подхода при разработке излучателей АР представленны в данной работе.

Исследование одиночной модифицированной антенны Вивальди. АВ - СТТТП щелевые излучатели бегущей волны на основе щели с экспоненциальным профилем -ранее неоднократно были описаны в литературе [2], [3]. Было показано, что СТТТП свойства такой антенны обеспечиваются благодаря плавной трансформации характеристического сопротивления щелевой линии для обеспечения эффективной

излучающей способности сегментов щели с размерами порядка половины длины излучаемой волны [4].

Профиль щели АВ описывается выражениями вида:

Ж (у) = Жэ1пеау, а = (1/Ьа)1п(Жэо„, / Щ,) где -ширина шелевой линии в области возбуждения, Жэои, - ширина щелевой линии на выходе антенны, Ьа - длина нерегулярной щелевой линии.

Такие АВ обладает требуемыми СТТТП характеристиками. В тех случаях, когда требуется построить ШП радиоэлектронную систему с относительной полосой частот излучаемого сигнала 15-20 %, удачно можно использовать антенны с СТТТП характеристиками, оптимизированные в конкретной полосе частот. При этом за счёт отказа от СТТТП свойств антенне могут быть приданы другие полезные характеристики.

Для устранения недостатков конструкция СТТТП АВ была доработана для оптимального функционирования в диапазоне частот 8.5 - 10 ГГц при требовании минимальных габаритов излучателя. Геометрическая структура модифицированной АВ (МАВ) с упрощенной ШП схемой возбуждения щели показана на рисунке 1. Щелевые канавки у раскрыва решают одновременно две задачи: обеспечение широкополосного согласования как единичного излучателя, так и излучателя в сотаве АР, а также устранение существенного для АВ уровня обратного излучения в требуемой полосе.

Рис. 1. Геометрия структуры МАВ

Процесс параметрической оптимизации харакетристик антенны, проводимый при вариации глубин канавок, проиллюстрирован на рисунках 2 и 3. Здесь Б1_кпее -величина приращения базовых глубин канавок, выбранных изначально, равными Ьк1 = 4 мм, Ьк2 = 6 мм. На рисунке 2 отражены частотные зависимости модуля коэффициента отражения на входе антенны, на рисунке 3 представлены частотные зависимости уровня обратного излучения МАВ.

Рис. 2. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения МАВ

для различных В1_кпвв

-(іі,(І),дБ эз

• ЕН_кпе*= *1 —Ш— 01_клее=0 —■— СН_клее-1

8.6 8.7

Рис. 3. Частотная зависимость уровня обратного излучения МАВ

для различных В1_кпее

Г,ГГц

Исследование модифицированной антенны Вивальди в составе АР. Описанная МАВ была исследована в составе косоугольной равноамлитудной ФАР. На рисунке 4 показана вырезка из такой АР, с помощью которой были исследованы характеристики

направленности и согласования излучателя в составе решётки. Здесь же приведена геометрия сетки АР. Для исследования антенной системы было проведено электродинамичское моделирование во временной области. Задача решалась методом конечного интегрирования при возбуждении структуры электромагнитным сигналом с требуемой полосой частот анализа. При этом возбуждался центральный элемент исследуемого сегмента АР, в результате чего определялись коэффициенты связи центрального элемента с другими излучателями сегмента, а также коэффициент отражения единичного излучателя. Полученные результаты позволили при использованиии принципа суперпозиции рассчитать частотные зависимости коэффициента отражения на входе излучателя в составе АР [5] для случая равноамплитудного возбуждения решётки при сканировании в Н-плоскости в секторе углов 0 - 40 0.

Рис. 4. Структура исследуемого сегмента АР и геометрия сетки

На рисунке 5 проиллюстрированы частотные зависимости модуля коэффициента отражения при сканировании в описанном режиме. На рисунках 6 и 7 продемонстрированы полярные ДН излучателя в составе АР для различных частот диапазона в Е и Н-плоскостях соответственно. Стоит отметить, что предложенная конфигурация излучателей позволила обеспечить качественное широкополосное согласование и стабильность харакетристик направленности в диапазоне частот 8,5 -10,2 ГГц.

Рис. 5. Частотные зависимости модуля коэффициента отражения при сканировании в Н-плоскости

Рис. 6. Сечения ДН МАВ в составе ФАР в Е-плоскости

Рис. 7. Сечения ДН МАВ в составе ФАР в Н-плоскости

Для верификации результатов, полученных при исследовании согласования элемнта во временной области, было проведено электродинамичесое моделирование МАВ в составе бесконечной периодической равноамплитудной АР. Вычисления проводились с использованием метода конечных элементов при представлении поля над элементом АР с помощью модели канала Флоке [5]. При этом поле в ячейке Флоке было описано 98 гармониками Флоке с не более чем тремя вариациями в Е и Н-плоскостях антенны. Полученные частотные зависимости модуля коэффициента отражения при изменении угла сканирования в Н-плоскости (angle_scan) представлены на рисунке 8. Общий характер результатов, полученных при решении задачи в частотной области, близок к частотному поведению коэффициента отражения, найденному ранее, что позволяет сделать вывод о высокой достоверности результатов моделирования.

\т\, об

8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10

Рис. 8. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения МАВ в составе бесконечной периодической косоугольной АР

Выводы. Представленная в работе модификация известной СШП АВ позволяет строить на её основе печатные ТТТП АР, обеспечивая широкополосное согласование элемента в составе решётки при существенном уменьшении уровня взаимных связей с соседними излучателями и частотной стабильности ДН.

Литература

1. Чернышев С.Л., Виленский А.Р. Разработка излучателей для сверхкороткоимпульсных антенных решёток. Доклады XYII МНТК «Радиолокация.Навигация.Связь», Воронеж, 2011, стр. 2159 - 2170.

2. P. J. Gibson, “The Vivaldi aerial”, 9th European Microwave Conference, pp. 101-105, 1979.

3. Gazit, E., “Improved Design of the Vivaldi Antenna,” IEE Proceedings, Vol.135, No.2: pp.89-92, 1999.

4. R. Janaswamy and D. H. Schaubert, “Analysis of tapered slot antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 33, pp. 1058-1065, Sept. 1987.

5. Н. Амитей, В. Галиндо, Ч. Ву. Теория и анализ фазированных антенных решёток. - М.: Изд-во «Мир», 1974. - 455 с.

electronic scientific and technical periodical

SCIENCE and EDUCATION

__________El. .Vs KS 77 - 30569. -V«042l 100025. ISSN 1994-0408_

Development and study of a modified Vivaldi aerial as part of a flat wideband X-band antenna array 77-30569/247762

# 11, November 2011 Chernyshev S.L., Vilenskii A.R.

Bauman Moscow State Technical University temaforyou@yandex. ru chernshv@bmstu.ru

This paper presents the results of development of radiators for ultrashot impulse wideband X-band printed phased antenna arrays. Ultra-wideband travelling wave slot Vivaldi antenna was studied and adapted for radiation at X-band as an effective wideband radiator with required characteristics. The modification of this aerial is presented. Matching characteristics and radiation patterns were obtained both for single radiator and for radiator in periodic flat antenna array.

Publications with keywords: ultra-wideband printed antenna, Vivaldi aerial, wideband antenna array

Publications with words: ultra-wideband printed antenna, Vivaldi aerial, wideband antenna array

Reference

1. Chernyshev S.L., Vilenskii A.R., in: Proceedings of the XVII international scientific and technical conference on Radiolocation, Navigation and Communication, Voronezh, 2011, pp. 2159 - 2170.

2. P. J. Gibson, The Vivaldi aerial, in: Proc. of the 9th European Microwave Conference, 1979, pp. 101-105.

3. Gazit, E., Improved Design of the Vivaldi Antenna, IEE Proceedings 135 (2) (1999) 89-92.

4. R. Janaswamy, D. H. Schaubert, Analysis of tapered slot antenna, IEEE Trans. Antennas Propag. 33 (Sept.) (1987) 1058-1065.

5. N. Amitei, V. Galindo, Ch. Vu., Theory and analysis of phased antenna arrays, Moscow, Izd-vo «Mir», 1974, 455 p.