Компактный двухполяризационный сверхширокополосный кардиоидный излучатель с согласующими вставками

Введение. В настоящее время наблюдается тенденция к миниатюризации печатных излучателей фазированных антенных решеток. При этом довольно часто от таких излучателей требуется работа в сверхширокой полосе (СШП) частот, возможность широкоугольного сканирования, а также работа на двух поляризациях. Для улучшения качества характеристик печатных излучателей иногда используются согласующие вставки определенного размера и формы.
Цель работы. Увеличение значения коэффициента перекрытия излучателя с сохранением СШП, широкоугольности сканирования в секторе углов ±60º, ограниченного рассогласованием, и электрической компактности с высотой, значение которой не превышает λ на верхней рабочей частоте, благодаря использованию различных согласующих металлических вставок.
Материалы и методы. Электродинамическое моделирование излучателя выполнено в составе бесконечной антенной решетки в системе автоматизированного проектирования Ansys HFSS.
Результаты. Использование металлических прямоугольных вставок размером 25.5×145.0 мм на краях излучателя позволяет расширить его рабочую полосу частот, а использование дополнительной вставки в расширяющейся щели позволяет улучшить его согласование (излучатель с комбинированными вставками). Рабочая полоса частот исходного излучателя по уровню коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) ≤ 3 располагается в диапазоне от 257.6 до 732.5 МГц, чему соответствует коэффициент перекрытия 2.844. Рабо-чая полоса частот излучателя с комбинированными вставками по тому же уровню КСВН располагается в диапазоне от 164.9 до 677.5 МГц, чему соответствует коэффициент перекрытия 4.109. Электрический размер предложенного излучателя на верхней рабочей частоте 677.5 МГц составляет 0.339λ × 0.339λ × 0.678λ, а на нижней 164.9 МГц 0.083λ × 0.083λ × 0.165 λ.
Заключение. Благодаря использованию комбинированных вставок удалось увеличить значение коэффициента перекрытия излучателя с сохранением СШП, широкоугольности сканирования в секторе углов ±60º и электрической компактности. Предложенный излучатель может использоваться в составе фазированных антенных решеток для систем радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

1. Антенные решетки спутниковых мобильных телекоммуникационных систем / Е. В. Овчинникова, Э. В. Гаджиев, С. Г. Кондратьев, А. Л. Поландов, П. А. Шмачилин, М. А. Соков, О. А. Волков // Вопр. электромеханики. Тр. ВНИИЭМ. 2021. Т. 182, № 3. С. 39-54.

2. Особенности построения фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона волн для РЛС зенитно-ракетного комплекса малой дальности / О. Ю. Шевцов, А. В. Артющев, В. М. Крехтунов, М. Е. Голубцов, Ю. С. Русов // Изв. РА ракетных и артиллерийских наук. 2010. № 3 (65). С. 61-69.

3. Pandey A. K. Phased Array Antenna with Beam-forming Network for 5G mmWave Communication System // 50th European Microwave Conf., Utrecht, Netherlands, 12 14 Jan. 2021. IEEE, 2021. P. 364 367. doi: 10.23919/EuMC48046.2021.9338222

4. Устройства СВЧ и антенны / Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарев; под. ред. Д. И. Вознесенского. 2 е изд., перераб. и доп. М.: Радиотехника, 2006. 376 с.

5. Хансен Р. С. Фазированные антенные решетки. 2 е изд. М.: Техносфера, 2012. 560 с.

6. Инденбом М. В. Антенные решетки подвижных обзорных РЛС. Теория, расчет, конструкции. М.: Радиотехника, 2015. 416 с.

7. Gibson P. J. The Vivaldi Aerial // 9th European Microwave Conf., Brighton, UK, 17 20 Sept. 1979. IEEE, 1979. P. 101 105. doi: 10.1109/EUMA.1979.332681

8. Dixit A. S., Kumar S. A Survey of Performance Enhancement Techniques of Antipodal Vivaldi Antenna // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 45774-45796. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2977167

9. Compactness and performance enhancement techniques of ultra wideband tapered slot antenna: A comprehensive review / S. Saleh, M. H. Jamaluddin, F. Razzaz, S. M. Saeed, N. Timmons, J. Morrison // Alexandria Eng. J. 2023. Vol. 74. P. 195-229. doi: 10.1016/j.aej.2023.05.020

10. Ротхаммель К. Антенны / пер. с нем. С. А. Захарченко. 1 е полн. изд. СПб: Бояныч, 1998. 656 с.

11. Guo L., Qiang Y. F. Design of a Compact Wide-band Dual Polarization Antipodal Vivaldi Antenna Array // IEEE Intern. Conf. on Computational Electromagnetics, Chengdu, China, 26 28 March 2018. IEEE, 2018. P. 1 3. doi: 10.1109/COMPEM.2018.8496541

12. A UHF L Band Dual polarization BAVA with 0.1λ Profile of Low Frequency / J. Zhu, M. Huang, C. Chen, W. Qiao // Intern. Conf. on Microwave and Millimeter Wave Technology, Nanjing, China, 23 26 May 2021, IEEE, 2021. P. 1 3. doi: 10.1109/ICMMT52847.2021.9618151

13. Gao X., Liu W., Sun S. An Ultra wideband Dual polarized Array Antenna with Wide angle Scanning Performance // IEEE MTT S Int. Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications, Guangzhou, China, 27-29 Nov. 2022. IEEE, 2022. P. 1 3. doi: 10.1109/IMWS-AMP54652.2022.10107134

14. Банков С. Е., Курушин А. А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS // Журн. радиоэлектроники. 2009. № 5. 736 c.

15. Косак Р. Э., Геворкян А. В. Компактный сверхширокополосный излучатель Вивальди кардиоиднойформы с прямоугольными импедансными вставками // Изв. ЮФУ. Техн. науки. 2024. № 3. С. 276 284. doi: 10.18522/2311-3103-2024-3-276-284

16. Пат. RU 231877 U1 H01Q 1/38. Компактный сверхширокополосный излучатель Вивальди кардиоидной формы с прямоугольными вставками / Р. Э. Косак, А. В. Геворкян. Опубл. 14.02.2025. Бюл. № 5.

17. Kosak R. E., Gevorkyan A. V. Compact Ultra Wideband Cardioid Shaped Vivaldi Radiator with H Shaped Impedance Inserts in the Aperture // IEEE 9th All Russ. Microwave Conf., Moscow, Russia, 25 29 Nov. 2024. IEEE, 2024. P. 330 334. doi: 10.1109/RMC62880.2024.10846865