Принципы построения сверхширокополосной антенны Вивальди для импульсных приемопередающих модулей систем ближней радиолокации и радиосвязи

Около четверти века назад были опубликованы первые работы по применению в радиосвязи и радиолокации сверхширокополосных (СШП) сигналов. С тех пор многочисленными исследователями получен ряд фундаментальных результатов, относящихся как к теоретическим основам нестационарной электродинамики, так и к принципам построения СШП-систем связи и радиолокационных систем (РЛС) [1 – 3]. Они послужили базой для создания СШП РЛС различного целевого назначения: обнаружения и распознавания космических аппаратов, ракет и самолетов, надводных кораблей и подводных лодок, мин, туннелей, археологических, геологических и других подповерхностных объектов; постро- ения трехмерных радиолокационных изображений и др. Внедрение СШП-сигналов требует существенного изменения принципов построения радиоаппаратуры. Непригодным оказывается большинство элементов и узлов узкополосной техники, используемых для формирования, преобразования и приема сигналов. В первую очередь это относится к антеннам и к резонансным элементам.

Технология СШП-радиосвязи подразумевает передачу потока сверхкоротких импульсов. Длительность импульсов мала – порядка 500 – 600 пикосекунд. Возможны две схемы модуляции: амплитудная модуляция и импульсная позиционная модуляция. Обе этих схемы зависят от характеристик антенной системы. Излучающая антенна иска- жает форму импульса. В связи с этим для улучшения характеристик импульсной СШП-системы необходимо знать, что происходит с импульсом во время излучения. В схемах с импульсной модуляцией влияние антенны играет важнейшую роль, т.к. каждая антенная система имеет уникальную передаточную функцию.

Таким образом, задача разработки антенны в составе импульсного СШП-передатчика для построения систем импульсной сверхширокополосной связи, бортовых автономных информационных и управляющих систем (АИУС), радиолокационных датчиков движения, систем радиозрения сквозь стены, систем подземного мониторинга представляет собой исключительную актуальность.

Рис. 1. Конструкция антенны Вивальди

В процессе создания антенны для излучения импульсных СШП-сигналов должны быть решены следующие задачи: ♦ разработка физической и математической модели антенны в специализированных САПР;

• ♦    анализ и оптимизация характеристик антенны в САПР, принятие решения о конструкции антенны;

• ♦    разработка конструкторской и технологической документации, необходимой для изготовления и тестирования антенны.

Наиболее оптимальным вариантом конструкции СШП-антенны является антенна Вивальди [4]. Данный тип антенны позволяет достигнуть приемлемой импульсной характеристики при небольших размерах, также данная антенна обеспечивает характеристики направленности, удовлетворяющие требованиям технического задания. Кроме того, антенна Вивальди имеет в составе своей конструкции трансформатор импеданса, являющийся согласующей частью.

Будем исследовать вариант построения компактной сверхширокополосной антенны СВЧ-диапазона от 1 до 4 ГГц, предназначенной для излучения импульсных сигналов сверхмалой длительности импульсным СШП-пе-редатчиком с дальнейшим применением в радиолокационных системах и импульсных системах связи. Данная антенна выполнена на печатной плате толщиной 1,55 мм.

Конструкция данной антенны ( рис. 1 ) представляет собой двухслойную антенну Вивальди с эллиптической аппроксимацией кривых излучателя, выполненную на печатной плате (dual elliptically tapered antipodal slot antenna – DETASA). При разработке сделаны расчеты антенны, выполнено моделирование антенны в специализированной САПР, изготовлены опытные образцы и проанализированы основные характеристики антенны на основе результатов измерений, моделирования и тестирования.

В данной конструкции используется определение кривых линий с помощью эллиптической аппроксимации. Конструкция антенны Вивальди подразумевает экспоненциальный закон определения кривых линий, однако при небольших габаритах (наибольший размер – 80 мм) эллиптическая аппроксимация не вносит значительных изменений в параметры антенны. Данный вид конструкции позволяет достичь полосы согласования антенны до 10 ГГц за счет возможности изменять входной импеданс антенны путем варьирования радиусами кривых линий. Также известны работы по созданию антенн Вивальди с несколькими диапазонами согласования. Такая возможность достигается применением кривых линий с несколькими участками с разными показателями экспоненты.

Для проверки результатов моделирования прототип антенны Вивальди был сначала промоделирован в САПР EMSS FEKO, а затем изготовлен с последующим измерением характеристик. Частотный диапазон, в котором производилось моделирование и измерение прототипа антенны, был выбран от 0,5 до 4 ГГц. Параметры эталонной конструкции были выбраны следующие:

a1 = 50 мм, a2 = 18 мм, Wg = 51 мм, bf = 19 мм, S = 1 мм, Wp = 1 мм.

Опытный образец был изготовлен на материале Rogers RO4003 толщиной 1,55 мм с величиной относительной диэлектрической проницаемости ε = 3,35.

В качестве основы была принята конструкция антенны Вивальди на печатной плате, состоящая из двух основных частей. Первая часть – это излучающая структура, вторая часть – это согласующая часть. Все кривые в данной топологии – это четверти эллипсов, которые при проектировании были заданы через величины основных и вспомогательных осей. Полоса частот для проектирования была задана от 0,5 до 3,5 ГГц. Для обеспечения данной полосы согласования необходимо выбрать толщину и длину согласующей линии. При проектировании была создана геометрическая модель, по которой далее было произведено разбиение на расчетную триангулированную сетку. В данной модели толщина печатной платы задана 1,55 мм, диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита 3,35. Принцип расчета антенны построен на определении основных граничных значений радиусов эллипсов, при которых антенна сохраняет свойства согласования. Далее эти значения принимаются за граничные для запуска процесса автоматической оптимизации. Критерием оптимальности для поиска принимается минимальное среднее значение коэффициента стоячей волны (КСВ) в данной полосе. В результате процесса оптимизации было произведено 58 итерационных вычислений. Оптимальными выбраны значения параметров, полученных в результате 55-й итерации. По полученным оптимальным параметрам был изготовлен опытный образец антенны. В табл. 1 показаны основные характеристики антенного блока на основе антенны Вивальди.

Таблица 1. Технические характеристики антенны

Характеристика	Значение
Тип антенны	антенна Вивальди
Частотный диапазон	1,5 – 4 ГГц
Коэффициент усиления	до 6 дБ (на частоте 4 ГГц)
Импеданс антенны	50 Ом, несбалансированный
КСВ	не более 2,5
Размеры антенны	61 × 92 × 1,5 мм
Разъем	SMA

Рис. 3. Трехмерная визуализация диаграммы направленности

Рис. 2. Внешний вид антенны, подключенной с помощью кабеля

Рис. 4. Внешний вид стенда со схемой оценки импульсной характеристики

На рис. 2 изображена антенна Вивальди с подключенным кабелем.

В качестве материала печатной платы антенны выбран стеклотекстолит, фольгированный медью марки Rogers RO4003 толщиной 1,55 мм. Для печатных проводников двухсторонней печатной платы допускается плотность тока до 20 А/мм2. Напряжение между проводниками зависит от величины минимального зазора между ними. Класс точности определяется в зависимости от плотности проводящего рисунка и выбирается из ряда: 0,65; 0,5; 0,25; 0,15 мм. Так как в данном проекте расстояние между соседними элементами составляет не менее 0,3 мм, то выбран третий класс точности. На основе результатов моделирования антенны в специализированном САПР выбран размер печатной платы 82×53 мм. Минимальная ширина проводников равна 2,4 мм. На основе конструктивных тре- бований и ограничений разработана топология печатной платы.

На основе разработанной конструкции антенны Вивальди было проведено численное моделирование ее диаграммы направленности в САПР EMSS FEKO. На рис. 3 изображен вид диаграммы направленности в трехмерном представлении.

При работе со сверхкороткоимпульсными сигналами немаловажной характеристикой антенны является ее импульсная характеристика. Без использования генератора сигналов, позволяющего подать на антенну сигнал, наиболее близкий к гауссовому импульсу, мы подадим на антенну импульсный сигнал длительностью 300 пс. В качестве приемной антенны будем использовать такую же антенну, подсоединенную к осциллографу. На рис. 4 представлен стенд со схемой оценки импульсной характеристики.

На рис. 5 нижний луч осциллографа показывает излучаемый сигнал, верхний луч показывает принимаемый сигнал.

Как видно из рис. 5 , колебания сигнала после окончания возбуждающего сигнала не превышают по длительности 2 нс, что позволяет судить о равномерной импульсной характеристике. Также стоит отметить, что в связи с использованием направленного ответвителя при подаче возбуждающего сигнала на излучающую антенну, форма импульса искажается, что приводит к дополнительным выбросам напряжения после окончания основного импульса. Измерения импульсной характеристики, проводимые на векторном анализаторе цепей, подтверждают результаты оценочных измерений.

Таким образом, рассмотрены теоретические аспекты проектирования сверхширокополосных антенн для работы со сверхкороткоимпуль-

Тек Stopped Single Seq lOBAcqs

Mid Ref

208,0m,V

Mid2 Ref

**V

File Edit Vert Horz/Acq Trig Display Cursor Meas Mask Math App MyScope Utilites Help Button iW^

48,03М...[Щ 48,02703M m;48,03M M: 48,031

•M a: 0,0

607,3mVn: 607,31253mm: 607,3mH607,3m a: 0,0

I SI Freq

I SI Amol

ISI 200mV£l

1И 10.0mVn

347,2mV@5 347,1875m m: 347,2mM: 347,2m a: 0,0 -260,1 mV^-260,12503m m:-260,1m M?260,1m a: 0,0 129,2ps @5-129,1569p m: 129,2p Mj129,2p a: 0,0 20,69ns @520,692451 n m:20,69n И20,69п a: 0,0

5,0ns/div

50,0GS/s ET 20,0ps/pt

0H|x136mV

I Ml Max

I Ml Min

IM1 Pos Wid

I Ml Neg Wid

Рис. 5. Вид импульсного сигнала до и после прохождения антенны

сными сигналами. Были проведены параметрические исследования характеристик антенны для различных видов конструкций, определено, что данный тип антенн реализуем при небольших массогабаритных характеристиках. Разработана оптимальная конструкция антенны Вивальди по минимальному значению коэффициента стоячей волны в рабочей полосе частот. Для разработанной конструкции антенны проведено численное моделирование ее диаграммы направленности и измерена импульсная характеристика.

Статья опубликована в рамках выполнения государственного задания на НИР в 2013 г. по АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту № 7.2583.2011 «Исследование систем сверхкороткоимпульсной локации бортовых автономных информационных и управляющих систем» ■