Головков А. А., Калінікос Д. А., Кисельов Б. А., Криницька Є. Ю., Пивоваров І. Ю. Електротехнічний університет (ЛЕТІ), Санкт-Петербург – 197376, Росія Тел.: (812) 3464516; e-mail: Iab16@vilan.spb.ru

Анотація – У доповіді пропонується метод попередньої оцінки діапазонних властивостей випромінювачів біжучої хвилі на основі неоднорідної щілинної лінії. Метод дозволяє проводити попередню оцінку робочої смуги випромінювача за допомогою еквівалентних схем без електродинамічного моделювання. Представлені результати теоретичних та експериментальних досліджень випромінювача Вівальді в діапазоні 0.5 – 4 ГГц.

I. Вступ

В даний час в техніці НВЧ широко застосовуються неоднорідні щілинні антени біжучої хвилі, [1-4]. Перевагою таких антен, називаних звичайно антенами Вівальді незалежно від форми розкриву, є широкі робочі діапазони частот і можливість інтегрування з активними і пасивними елементами. При розрахунку таких антен важливо мати алгоритм, що дозволяє швидко оцінити імпедансні характеристики випромінювача. Методика, запропонована в даній роботі, дозволяє проводити попередню оцінку робочої смуги обраної геометрії розкриву випромінювача методом еквівалентних схем. Електродинамічний аналіз виконується в цьому випадку тільки для оптимального варіанту.

II. Основна частина

В основу методики покладено спрощує припущення, що припускає випромінювання з щілинної лінії тільки при значенні хвильового опору рівного хвильовому опору вільного простору. В цьому випадку антену Вівальді можна розглядати як трансформатор на основі неоднорідної лінії, узгоджувальний опір 377 Ом з внутрішнім опором збуджуючого генератора. При таких грубих припущеннях діапазону антени буде обмежена частотної дисперсією хвильового опору та електричної довжини в неоднорідною щілинної лінії. Зміна з частотою параметрів відрізка неоднорідною щілинної лінії призводить до істотної зміни її іммітансних характеристик в робочому діапазоні частот. Ця зміна іммітансних характеристик призводить до суттєвого зменшення смуги частот, в якій виконуються умови узгодження хвильового опору вільного простору з внутрішнім опором збуджуючого генератора.

Для оцінки граничного діапазону частот випромінювача в одномодовом наближенні профіль випромінювача Вівальді представляється у вигляді ступеневої еквівалента [5] з відрізків однорідних щілинних ліній. Синтез можна виконати, наприклад, в пакеті Microwave Office, при цьому еквівалентна випромінювача ланцюг буде виглядати як показано на рис.1. Тут хвильовий опір каскадно включених відрізків послідовно зменшується з 377 до 100 Ом – опору генератора. Частотна залежність параметрів кожного з відрізків щілинних ліній, впливає на характеристики антени в різному ступені. Визначивши коефіцієнти чутливості характеристики передачі ступінчастого еквівалента антени Вівальді до частотної залежності параметрів кожного зі складових її відрізків ліній, і розрахувавши, наскільки змінюється кожен з цих параметрів в діапазоні робочих частот, можна вирахувати, як впливає дисперсія в щілинної лінії на властивості антени в цілому.

Рис. 1. Загальний вид схемотехнічного ступеневої еквівалента експоненціального трансформатора.

Fig. 1. General view of the exponential transformer schematic equivalent

Зміна з частотою електричних характеристик кожного відрізка щілинної лінії можна отримати, розкладанням виразів для них в ряд Тейлора навколо значень характеристик на середній частоті робочого діапазону. Оскільки внесок у зміну передачі вносять все п елементів ступеневої еквівалента, то зміна характеристики випромінюючої частини антени можна визначити розкладанням її в багатопараметричний ряд Тейлора навколо точки номінальних параметрів:

де S, Д S / S – іммітансная (передатна) характеристика еквівалента антени при номінальних значеннях параметрів і її відносне зміна при зміні електричних параметрів у робочому діапазоні частот; Z, 9 – хвильовий опір і електрична довжина відрізка щілинної лінії на середній геометричній частоті діапазону; Bz, Be – коефіцієнти чутливості характеристики S до зміни хвильового опору та електричної довжини.

Обчисливши сумарний догляд характеристики, можна спрогнозувати частотні властивості даного профілю випромінювача. Точність методики багато в чому визначається точністю подання геометрії розкриву випромінювача ступінчастим еквівалентом. Чим менше буде приріст імпедансу від кроку до кроку, тим більше елементів буде в ступінчастому еквіваленті, і тим вище буде точність. З іншого боку велика кількість ступенів вимагає великого часу рахунку. На рис.2 зображена залежність, що характеризує точність наближення ступінчастим еквівалентом і часу рахунки в залежності від покрокового збільшення імпедансу (ЛZ).

Fig. 2. Run time and total drift S21 dependencies on impedance stepping

Як видно з рис.2, крок рівний 3% є оптимальним, тому що при ньому ще зберігається розумний час рахунку, а точність вже відповідає похибки вихідних виразів.

Методика була перевірена на безлічі описаних в літературі і експериментально досліджених антен Вівальді різних діапазонів частот [1-4],

[6]. Розрахункові та експериментальні значення відносного догляду S21 збігалися досить добре.

III. Висновок

Отримані результати свідчать, що запропонований в роботі алгоритм грубої оцінки широкополосности розкриву випромінювача Вівальді з допомогою коефіцієнтів чутливості якісно правильно відображає основні властивості розкриву і його можна використовувати для оцінки властивостей розкриву на етапі попереднього проектування, особливо для антен сантиметрового і міліметрового діапазонів, де дисперсія в щілинної лінії менше. Подальші дослідження цього питання дозволять розробити методику оптимізації частотних характеристик антени на схемотехнічному рівні за одночасної максимізації коефіцієнта передачі та мінімізації коефіцієнтів чутливості для параметрів окремих сходинок.

IV. Список літератури

[1 ] Lewis L. R. A broadband stripline array element / L. R. Lewis, M. Fassett, J. Hunt // Proc. IEEE Antennas Propagat. SymP. Dig. — 1974. — Vol. 17, №6. — P. 737-740.

[2]    Gazit E. Impruved design of the Vivaldi antenna / E. Gazit // IEE Proc. — 1988. —135H, №2. — P.89-92.

[3] HolterH. Elimination of impedance anomalies in single-and dual polarized endfire tapered slot phased arrays / H. Holter, Т. H. Chio, D. H. Shaubert / / IEEE Trans. Antennas Propagat. — 2000. — Vol. AP-48, №1. — P. 122- 124.

[4] Holter H. Experimental results of 144-element dual-polar-ized endfire tapered-slot phased arrays / H. Holter, Т. H. Chio, D. H. Shaubert / / IEEE Trans. Antennas Propagat.

—           2000. — Vol. AP-48, № 11. — P. 1707-1718.

[5] Фельдштейн A. Jl. Синтез чотириполюсників і восьміполюсніков на СВЧ / А. Л. Фельдштейн, Л. Р. Явич.

– М.: Связь, 1971,-С. 108-118.

[6] Проектування друкованої антени діапазону 0.5-

4 ГГц для радіотелескопу РАТАН-600 / А. А. Головков,

Е. Ю. Голубєва, Д. А. Калінікос та ін / / Проектування та технологія електронних засобів, № 1, 2002, с. 3-9.

METHOD OF ESTIMATION THE WIDEBAND CHARACTERISTICS OF PRINTED ANTENNAS ON THE BASIS OF NON-UNIFORM SLOT LINE

Рис. 2. Залежність часу рахунки і сумарного догляду S21 від покрокового збільшення імпедансу.

Golovkov A. A., Kalinikos D. A., Kiselev B. A., Krinitskaya E. Yu., Pivovarov I. Yu. Electrotechnical university (LETi)

St.-Petersburg – 197376, Russia phone: (812) 346-45-16; e-mail: Iab16@viian.spb.ru

Abstract – A new method of preliminary estimation the wideband properties for traveling-wave radiators based on the in- homogeneous slot line is proposed. The method permits a preliminary estimation the operation frequency band of mentioned radiator using the equivalent schemes and without electrodynamic modeling. Theoretical and experimental results for a Vivaldi radiator in 0.5 – 4 GHz frequency band are presented.

I.  Introduction

The inhomogeneous traveling-wave slot antennas [1-4] find now wide application microwave engineering. The advantages of these antennas usually named as Vivaldi antennas independently on the aperture shape are wide operational frequency band and their integration capability with active and passive components. To calculate antenna performances it is important to have an algorithm of fast estimation the impedance characteristics of radiator.

Calculation principles proposed in the paper permit a preliminary estimation of operation frequency band for given geometry of radiator aperture by the equivalent circuit method. In this case the equivalent circuit method is followed by electrodynamic analysis only for optimum preliminary version.

II.  Main part

The method is based on the simplifying assumption that radiation from a slot line occurs only when the antenna impedance is equal to that of free space. In this case the Vivaldi antenna is considered to be the inhomogeneous line transformer matching the 377 Ohm impedance and internal impedance of master oscillator. Under these rough assumptions the antenna bandness is limited by the frequency dispersion of both the impedance and electric length of the inhomogeneous slot line. The latter causes the essential variation of immittance characteristics of length of the inhomogeneous slot line within operational frequency band. And this in turn leads to the essential narrowing of the frequency band where the impedances of free space and of master oscillator are matched. To estimate the ultimate frequency band of radiator under single mode approximation the Vivaldi radiator profile is approximated as its stepped equivalent [5] made of homogeneous slot line lengths. Analytical synthesis made with Microwave Office leads to the equivalent circuit shown in Fig.1. Frequency dependence of parameters in each segment in stepped equivalent makes different effects on antenna characteristics.

After calculation the coefficients of sensitivity to the frequency dependent parameters of each length in stepped equivalent and then after calculation these parameters variation within frequency band it is possible to estimate how the dispersion in slot line effects the total antenna performance. Thus it is possible to evaluate band properties of the given radiator profile. Accuracy of this method depends on accuracy of sensitivity coefficients definition. The method is experimentally tested in 1- 4 GHz frequency band [6]. Accuracy of this method depends upon a number of elements in radiator equivalent of Fig. 2 , and the 3% step is optimal so impedance transformer will be represented by a step equivalent of 44 elements.

III.  Conclusion

The results show, that the offered method correctly evaluates main antenna properties and can be used for antenna characteristics estimation at a preliminary designing phase. In the following step of method development maximization of a transmission factor and minimization of sensitivity coefficients will be in progress simultaneously.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»