Исследование характеристик элемента плоской антенной решетки Вивальди с расширенной полосой рабочих частот

Введение. Основным механизмом расширения полосы рабочих частот в антенных решетках Вивальди является удлинение излучателей. Однако вслед за длиной излучателей увеличивается масса всего изделия и стремительно растет уровень кросс-поляризации. Исследования последних лет в этой области в основном были сфокусированы на техниках снижения уровня кросс-поляризационного излучения. Однако малоизученной остается возможность разработки антенных решеток Вивальди с расширенной рабочей полосой частот в первую очередь без изменения габаритных размеров излучателей или шага антенной решетки.

Цель работы. Разработка конструкции и исследование характеристик излучателя антенной решетки Вивальди, обеспечивающего работу в более широкой рабочей полосе частот, не прибегая к увеличению габаритов и массы.

Материалы и методы. Численное исследование характеристик элементарной ячейки с периодическими граничными условиями на гранях выполнено в программе ANSYS HFSS. Проведен сравнительный анализ характеристик элементарных ячеек антенной решетки-прототипа и предлагаемой конструкции.

Результаты. Представлены результаты проектирования излучателя антенной решетки Вивальди с улучшенными характеристиками. Исследовано влияние отдельных параметров излучателя на его характеристики при работе в составе бесконечной антенной решетки. Проведен сравнительный анализ характеристик элементарных ячеек двух плоских бесконечных антенных решеток линейной поляризации: на основе предложенного излучателя и излучателя-прототипа. Показана возможность понижения нижней границы рабочей полосы частот на 18.6 % и снижения уровня кросс-поляризации на отдельных частотах до 15 дБ.

Заключение. Предложенная конструкция излучателя позволяет расширить рабочую полосу частот антенной решетки, не прибегая к увеличению габаритных размеров. Проведенное численное исследование позволило определить ориентиры, которых следует придерживаться при разработке антенных решеток на основе предлагаемого решения.

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

2. A low-profile broadband phased array antenna / B. Munk, R. Taylor, T. Durharn, T. Durharn, B. Pigon, R. Boozer, S. Brown, M. Jones, J. Pryor, S. Ortiz, J. Rawnick, K. Krebs, M. Vanstrum, G. Gothard, D. Wiebelt // Proc. IEEE Antennas Propag. Soc. Int. Symp. Columbus, USA. 22–27 June 2003. IEEE, 2003. P. 448–451. doi: 10.1109/APS.2003.1219272

3. Holland S. S., Vouvakis M. N. The Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) Array // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, № 1. P. 130–140. doi: 10.1109/TAP.2011.2167916

4. A New Class of Planar Ultrawideband Modular Antenna Arrays With Improved Bandwidth / J. T. Logan, R. W. Kindt, M. Y. Lee, M. N. Vouvakis // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66, № 2. P. 692–701. doi: 10.1109/TAP.2017.2780878

5. A review of Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) Arrays / J. T. Logan, S. S. Holland, D. H. Schaubert, R. W. Kindt, M. N. Vouvakis // Intern. Symp. on Electromagnetic Theory. Hiroshima, Japan, 20–24 May 2013. IEEE, 2013. P. 868–871.

6. Doane J. P., Sertel K., Volakis J. L. A Wideband, Wide Scanning Tightly Coupled Dipole Array With Integrated Balun (TCDA-IB) // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61, № 9. P. 4538–4548. doi: 10.1109/TAP.2013.2267199

7. Holland S. S., Vouvakis M. N. The Banyan Tree Antenna Array // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. Vol. 59, № 11. P. 4060–4070. doi: 10.1109/TAP.2011.2164177

8. Logan J. T., Kindt R. W., Vouvakis M. N. A 1.2–12 GHz Sliced Notch Antenna Array // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66, № 4. P. 1818–1826. doi: 10.1109/TAP.2018.2809476

9. Joon Shin, Schaubert D. H. A parameter study of stripline-fed Vivaldi notch-antenna arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1999. Vol. 47, № 5. P. 879–886. doi: 10.1109/8.774151

10. Review on Ultra-Wideband Phased Array Antennas / T. Latha, G. Ram, G. A. Kumar, M. Chakravarthy // IEEE Access. 2021. Vol. 9. P. 129742–129755. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3114344

11. Gazit E. Improved design of the Vivaldi antenna // IEE Proc. Microwaves, Antennas and Propagation. 1988. Vol. 135, № 2. P. 89–92. doi: 10.1049/ip-h-2.1988.0020

12. Ultra-wideband low-cost phased-array radars / C. T. Rodenbeck, Sang-Gyu Kim, Wen-Hua Tu, M. R. Coutant, Seungpyo Hong, Mingyi Li, Kai Chang // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53, № 12. P. 3697–3703. doi: 10.1109/TMTT.2005.856668

13. Nassar I. T., Weller T. M. A Novel Method for Improving Antipodal Vivaldi Antenna Performance // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63, № 7. P. 3321–3324. doi: 10.1109/TAP.2015.2429749

14. Vivaldi Antenna Arrays for Wide Bandwidth and Electronic Scanning / D. H. Schaubert, S. Kasturi, A. O. Boryssenko, W. M. Elsallal // The Second European Conf. on Antennas and Propagation, Edinburgh, 11–16 Nov. 2007. IEEE, 2007. P. 1–6. doi: 10.1049/ic.2007.1334

15. Logan J. T., Kindt R. W., Vouvakis M. N. Low Cross-Polarization Vivaldi Arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66, № 4. P. 1827–1837. doi: 10.1109/TAP.2018.2809492

16. Schaubert D. H., Joon Shin, Wunsch G. Characteristics of single-polarized phased array of tapered slot antennas // Proc. of Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Boston, USA, 15–18 Oct. 1996. IEEE, 1996. P. 102–106. doi: 10.1109/PAST.1996.565944

17. Polarization properties of scanning arrays / D. T. McGrath, N. Schuneman, T. H. Shively, J. Irion // IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Boston, USA, 14–17 Oct. 2003. IEEE, 2003. P. 295–299. doi: 10.1109/PAST.2003.1256997

18. Kindt R., Taylor D. Polarization correction in dual-polarized phased arrays of flared notches // 2011 IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Spokane, USA, 03–08 July 2011. IEEE, 2011. P. 1961–1964. doi: 10.1109/APS.2011.5996888

19. Kindt R. W., Logan J. T. Dual-Polarized MetalFlare Sliced Notch Antenna Array // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2020. Vol. 68, № 4. P. 2666–2674. doi: 10.1109/TAP.2020.2969724

20. Dual-polarized sliced notch array – ultrawideband flares with exceptional polarization control / R. Kindt, R. Mital, J. Logan, M. Vouvakis // IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology (PAST), Waltham, USA, 18–21 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–5. doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832628

21. Kindt R. W., Logan J. T. Single-Polarization Vivaldi Antenna Array with Orthogonal Walls for Improved Polarization Purity // IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems & Technology (PAST), Waltham, USA, 11–14 Oct. 2022. IEEE, 2022. P. 1–4. doi: 10.1109/PAST49659.2022.9975104

22. Kindt R. W., Logan J. T. Cross-Polarization Treatment in Linearly Polarized Vivaldi Array Apertures // IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems & Technology (PAST), Waltham, USA, 11–14 Oct. 2022. IEEE, 2022. P. 01–04. doi: 10.1109/PAST49659.2022.9975012

23. Yukhanov Yu. V., Bobkov I. N. Linear Vivaldi Antenna Array With Improved Low-Band Performance // Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), Divnomorskoe, Russia, 28 June 2021 – 02 July 2021. IEEE, 2021. P. 203–206. doi: 10.1109/RSEMW52378.2021.9494118

24. Пат. RU 203479 U1 H01Q 1/38 (2006.01). Модернизированная сверхширокополосная антенна Вивальди / Ю. В. Юханов, Т. Ю. Привалова, И. В. Мерглодов, И. В. Ильин, И. Н. Бобков; опубл. 07.04.2021.

25. Kindt R. W., Logan J. T. Benchmarking Ultrawideband Phased Antenna Arrays: Striving for Clearer and More Informative Reporting Practices. IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2018, vol. 60, no. 3, pp. 34–47. doi: 10.1109/MAP.2018.2818464

26. Schaubert D. H. A Gap-Induced Element Resonance in Single-Polarized Arrays of Notch Antennas. Proc. of IEEE Antennas and Propagation Society International Symp. and URSI National Radio Science Meeting, Seattle, USA, 20–24 June 1994. IEEE, 1994, vol. 2, pp. 1264–1267. doi: 10.1109/APS.1994.407859

27. Pozar D. M. The Active Element Pattern. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1994, vol. 42, no. 8, pp. 1176–1178. doi: 10.1109/8.310010