Сверхширокополосная антенна с устройством адаптивной коррекции диаграммы направленности

Изобретение относится к антенной технике, в частности к сверхширокополосным антеннам, и может быть использовано в различных широкополосных радиотехнических системах, в частности в системах стандартов связи 3G, 4G. 5G, Wi-Fi.

Впервые конструкция антенны Вивальди была предложена Гибсоном (Gibson PJ., "The Vivaldi aerial", Proceeding 9-th European Microwave Conference, 1979, pp.101-105). Антенна Вивальди содержит диэлектрическую подложку, металлический слой, расположенный на диэлектрической подложке, щель, выполненную в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления, образующую раскрыв антенны. Антенна типа TSA (аббревиатура от англ. Tapered Slot Antenna - антенна с расширяющейся щелью) имеет форму, напоминающую камертон, поэтому из-за музыкальной ассоциации TSA принято называть антенной Вивальди.

Установленными закономерностями TSA являются следующие. Ее ширина щели определяет нижнюю частоту, как у диполя.

Длина расширяющихся стенок щели определяет усиление в середине и на верхнем крае полосы, как у логопериодической антенны или рупора.

Форма щели определяет полосу частот. Форма может быть разной, но установлено, что наиболее широкую полосу дает экспоненциальное нарастание ширины щели.

Место приложения питания к питающей щели влияет на согласование в нижней части полосы частот.

Классическая конструкция антенны Вивальди обладает следующими недостатками: высоким уровнем боковых лепестков и широкой диаграммой направленности. Широкая диаграмма направленности антенны (ДНА) обусловлена сферической формой фронта волны.

Известны конструкции антенн Вивальди, отличающиеся средствами запитки, расположенными в щели питания (патент США №483704; патент США №5081466).

Недостатком этих конструкций являются симметричное относительно горизонтальной оси расширение ДНА в раскрыве антенны между расширяющимися стенками, что приводит к существенному уровню нижнего излучения антенны в плоскости силовых линий электрического поля.

Близкой к предложенному техническому решению является антенна Вивальди, содержащая диэлектрическую подложку, металлический слой, расположенный на диэлектрической подложке, щель, выполненную в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления и образующую раскрыв антенны, линзу, установленную в раскрыве антенны и выполненную из рассеивателей (Bin Zhou, Yan Yang, Hui Li, and Tie Jun Cui, "Beam-steering Vivaldi antenna based on partial Luneburg lens constructed with composite materials", Journal of Applied Physics, V. 110, no. 8, pp. 084908-084908-6, 2011).

Известное устройство содержит круглую линзу Люнеберга в раскрыве между расширяющимися стенками щели с наружной и внутренней поверхности диэлектрической подложки, так и за пределами раскрыва. Это антенное устройство состоит из антенны Вивальди, настроенной для работы в полосе частот 8-11 ГГц, и линзы Люнеберга. Линза Люнеберга изготавливается в виде нескольких дисков из диэлектрического материала и рассеивателей, в виде перфорации дисков круглыми отверстиями, за счет которых реализовывается необходимое распределение коэффициента преломления. Кроме того, диски линзы Люнеберга расположены по обеим сторонам от плоскости Е-поляризации антенны, и для удовлетворительного уменьшения уровня боковых лепестков и улучшения коэффициента усиления требуется использование восьми дисков линзы Люнеберга (по четыре выше и ниже от плоскости Е-поляризации антенны).

Преимуществами этого технического решения при сопоставлении с известными (Gibson P.J., "The Vivaldi aerial", Proceeding of 9-th European Microwave Conference, 1979, pp.101-105; патент США №483704; патент США №5081466) являются уменьшение уровня боковых лепестков и увеличение коэффициента усиления за счет использования линзы Люнеберга.

Недостатками известного устройства являются: сложность изготовления и громоздкость конструкции, отсутствие возможности выборочной коррекции боковых сторон главного лепестка ДНА, большие продольные и поперечные габариты.

Наиболее близкой к предложенному техническому решению является антенна Вивальди, содержащая диэлектрическую подложку, металлический слой, расположенный на диэлектрической подложке, щель, выполненную в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления и образующую раскрыв антенны, линзу, установленную в раскрыве антенны и выполненную из рассеивателей, отличающаяся тем, что рассеиватели выполнены в виде электропроводных пластинок, расположенных на диэлектрической подложке между расширяющимися стенками, и выполнены свободными от контакта со стенками щели для коррекции фазовых искажений в раскрыве (Патент РФ №2593910).

Известное устройство является линзой, за счет компенсации фазовых искажений способствует фокусированию электромагнитной энергии в направлении главного лепестка ДНА.

Недостатками известного устройства являются: сложность в изготовлении, отсутствие возможности выборочной коррекции боковых сторон главного лепестка ДНА.

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.

Технический результат, который получен при использовании изобретения, - упрощение устройства, уменьшение продольных и поперечных (по высоте) габаритов, реализация возможности выборочной коррекции боковых сторон главного лепестка ДНА.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной антенне Вивальди, содержащей диэлектрическую подложку, металлический слой, расположенный на диэлектрической подложке, щель, выполненную в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления и образующую раскрыв антенны, устройство адаптивной коррекции ДНА, размещенное в раскрыве антенны. Согласно изобретению устройство адаптивной коррекции ДНА является устройством выборочной коррекции ДНА. Устройство адаптивной коррекции ДНА выполнено из специального радиопоглощающего материала, расположено на противоположной стороне диэлектрической подложки и, таким образом, свободно от контакта со стенками щели для коррекции ДНА в раскрыве.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства:

- устройство адаптивной коррекции ДНА антенны было расположено в диэлектрическом корпусе, в который возможно поместить антенну, перпендикулярно относительно оси продольного направления щели;

- устройство адаптивной коррекции ДНА было расположено в диэлектрическом корпусе, в который возможно поместить антенну, параллельно относительно оси продольного направления щели;

- устройство адаптивной коррекции ДНА состоит из нескольких частей, было расположено в диэлектрическом корпусе, в который возможно поместить антенну, параллельно или перпендикулярно относительно оси продольного направления щели.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 - вид заявленной антенны, вид снаружи;

фиг. 2 -вид заявленной антенны, вид изнутри, с изображением устройства адаптивной коррекции ДНА;

фиг. 3 - вид диаграммы направленности заявленной антенны на частоте 2,4 ГГц без установленного устройства адаптивной коррекции ДНА;

фиг. 4 - вид ДНА на частоте 2,4 ГГц с установленным устройством адаптивной коррекции ДНА;

фиг. 5 - вид заявленной антенны с устройством адаптивной коррекции ДНА;

Заявленная антенна (фиг. 5) содержит диэлектрическую подложку 2, металлический слой 1, расположенный на диэлектрической подложке 2, щель 3, выполненную в металлическом слое 1 с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления и образующую раскрыв 4 антенны. Устройство адаптивной коррекции ДНА 5 установлено в раскрыве 4 антенны. В соответствии с изобретением устройство адаптивной коррекции ДНА 5 (фиг. 5) является устройством выборочной коррекции ДНА. Устройство адаптивной коррекции ДНА выполнено в виде специального радиопоглощающего материала, расположенного на диэлектрической подложке 2 между расширяющимися стенками щели 3, на противоположной стороне антенны и, таким образом, выполнено свободным от контакта со стенками щели 3 для коррекции диаграммы направленности в раскрыве 4.

Под термином «устройство адаптивной коррекции ДНА» 5 подразумевается специальный радиопоглощающий материал.

Устройство адаптивной коррекции ДНА 5 расположено перпендикулярно относительно оси продольного направления щели 3.

Устройство адаптивной коррекции ДНА 5 может быть расположено в рядах относительно оси продольного направления щели 3.

Устройство адаптивной коррекции ДНА 5 не является линзой и не является устройством коррекции фазовых искажений в раскрыве.

Устройство адаптивной коррекции ДНА 5 применимо для антенн типа Вивальди.

Так же как в аналогах, щель 3, выполненная в металлическом слое 1 с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления, в месте ее сужения сопряжена с щелью 6 питания, которая выполнена узкой (фиг. 4).

Устройство адаптивной коррекции ДНА 5 может быть выполнено в виде отдельного конструктивного элемента 5 (фиг. 5), либо может быть нанесено в виде покрытия (например, на эпоксидной или лакокрасочной основе).

Работает заявленная антенна (фиг. 1, 2, 4) следующим образом. Электромагнитная волна распространятся от щели 6 питания вдоль раскрыва 4 антенны. На участке, где расстояние между расширяющимися стенками щели 3 мало по сравнению с длиной волны в свободном пространстве, электромагнитные волны хорошо "связаны" со стенками щели 3. Но по мере увеличения расстояния между проводящими поверхностями расширяющихся стенок щели 3 увеличивается сопротивление излучения, и при достижении порогового значения волны излучаются антенной.

Можно отметить, что на разных частотах излучают различные части стенок

антенны, поэтому теоретически она может обладать очень широкой полосой частот. Практически полоса частот ограничивается размерами антенны.

В классической антенне Вивальди ширина ДНА обусловлена формой фронта волны, характеризуется высоким уровнем боковых лепестков и широкой ДНА.

Сузить ДНА можно за счет концентрации волны в продольном направлении при помощи линзы Люнеберга, как это выполнено в ближайшем аналоге. Однако выборочно корректировать ДНА в необходимой ее части она не позволяет. Такая линза должна выходить за пределы раскрыва 4 антенны, т.к. именно эта часть вносит значительный вклад в формирование ДНА.

В заявленном техническом решении используется устройство адаптивной коррекции ДНА 5 (фиг. 5), которое находятся в раскрыве 4 антенны. Устройство адаптивной коррекции ДНА 5 выполнено в виде специального радиопоглощающего материала, который расположен на диэлектрической подложке 2 между расширяющимися стенками щели 3, и обязательно размещен на противоположной стороне диэлектрической пластины, свободным от контакта со стенками щели 3 (не соприкасающимся с расширяющимися стенками). В данном случае радиопоглощающий материал служит для коррекции основного лепестка ДНА за счет физических механизмов радиопоглощения, происходящих в его микроструктуре.

Эксперименты показали, что форма устройства адаптивной коррекции ДНА может быть выполнена в виде прямоугольника 5 (фиг. 5), или в другом виде. Форма устройства адаптивной коррекции ДНА зависит от размеров антенны Вивальди, частотного диапазона, требуемой выборочной коррекции ДНА. При этом устройство адаптивной коррекции ДНА может быть размещено на различном расстоянии от края диэлектрической пластины, что влияет на вид диаграммы направленности. Устройство адаптивной коррекции ДНА может быть выполнено виде отдельного конструктивного элемента 5 (фиг. 5), либо может быть нанесено в виде покрытия. При этом состав и свойства радиопоглощающего материала зависят от преследуемой цели в выборочной коррекции ДНА.

Использование заявленного устройства дает выигрыш в выборочной коррекции настилающего слоя ДНА (фиг. 4), как следствие рациональное использование подводимой к антенне мощности. Также получены диаграммы направленности в вертикальной плоскости на частоте 2,4 ГГц для антенны Вивальди с устройством адаптивной коррекции ДНА 5 (фиг. 4) и без него (фиг. 3). Как видно из фигур 3 и 4, наличие устройства адаптивной коррекции ДНА 5 способствует выборочному фокусированию электромагнитной энергии в направлении главного лепестка ДНА, коррекцию настилающего слоя ДНА (фиг. 4).

Наиболее успешно заявленная «Сверхширокополосная антенна с устройством адаптивной коррекции диаграммы направленности» промышленно применима в широкополосных радиотехнических системах как в качестве самостоятельного антенного устройства, так и в антенных решетках.