Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2016, № 12 · ELECTRODYNAMICS

Исследование влияния геометрических характеристик схемы запитки несбалансированного элемента Вивальди на его частотные и направленные свойства

A.S. Gvozdarev1, T.K. Artemova1, A.V. Petrov1

1 Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова, Russia
Full text (PDF) UDC 621.396.67 EDN YFYPER

Abstract

The results of a numerical electromagnetic simulation of an unbalanced Vivaldi element are presented. The study is devoted to the analysis of a feeding scheme geometry (designed in the form of a radial stripline stub) influence upon the directivity and frequency parameters: resonant frequencies, best input impedance matching frequencies, input impedance matching frequency bands, sidelobe levels, mainlobe beamwidths, antenna gain. It was found that the antenna gain, provided by the geometry under consideration, is weakly sensitive to the deviations of a radial stub flare angle form 0° to 100° and angular displacement from 30° to 120° and equals to 10 dB. In the tuning range of both angles form 0° to 110° the lowest possible, almost constant and equal to -10 dB sidelobe level is achieved. For an angular displacement of a radial stub up to 110° and flare angle deviations up to 120° the mainlobe half-power beamwidths stays practically constant and equal to its minimum value of 70°. It was observed that the initial feeding geometry provide the best possible directivity characteristics but is far from optimal for frequency characteristics and matching the antenna with the input signal source. In particular the antenna is effectively matched with the input source for almost all radial stub flare angles under consideration. Nevertheless the radial stub flare angle diminishing by 10° can possibly yield input source matching improvement up to 19 dB and angular displacement diminishing by the same value delivers up to 11 dB. Hereby it was demonstrated that such a feeding geometry can be effectively utilized to synthesize an ultra-wideband antenna with mechanical steering of the feeding radial stripline stub parameters yielding 10 dB gain, -10 dB sidelobe level and high input signal source matching for different frequency subbands.

  • vivaldi antenna
  • sidelobe level
  • gain
  • simulation
Аннотация (на русском)

Исследование влияния геометрических характеристик схемы запитки несбалансированного элемента Вивальди на его частотные и направленные свойства

В работе приведены результаты проведённого электродинамического моделирования несбалансированного элемента Вивальди. Представлен анализ влияния геометрических характеристик схемы запитки, выполненной в форме возбуждающего "веера", на его частотные и направленные свойства: резонансные частоты, частоты наилучшего согласования, полосы частот согласования, уровень боковых лепестков, ширину главного лепестка, коэффициент усиления. Было обнаружено, что коэффициент усиления, обеспечиваемый исследуемой геометрией, слабо чувствителен к изменению угла поворота от 0° до 100° и угла раскрыва от 30° до 120° и равен 10 дБ. В диапазоне перестройки обоих углов от 0° до 110° достигается наиболее низкий и практически постоянный уровень боковых лепестков равный -10 дБ. При повороте запитывающего "веера" вплоть до 110° или увеличении его угла ракрыва до 120° ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровню -3 дБ остается практически постоянной и равной своему минимальному значению 70°. Отмечено, что базовая схема запитки обеспечивает наилучшие характеристики направленности, однако далека от наилучших частотных характеристик и согласования антенного элемента с источником сигнала. Так в частности, антенна является эффективно согласованной для любого рассматриваемого диапазона раскрывов возбуждающего веера. При этом уменьшение (по сравнению с базовой геометрией) угла раскрыва на 10° обеспечивает увеличение согласования на 19 дБ, а поворот на туже величину - на 11 дБ. Было показано, что исследованная геометрия может быть эффективно использована для построена широкополосной антенны с механической перестройкой геометрических параметров "веера" запитки, обеспечивающей коэффициент усиления до 10 дБ, уровень боковых лепестков до -10 дБ, с высоким уровнем согласования в различных частотных поддиапазонах.

For citation

Gvozdarev A.S., Artemova T.K., Petrov A.V. Исследование влияния геометрических характеристик схемы запитки несбалансированного элемента Вивальди на его частотные и направленные свойства // Journal of Radio Electronics. – 2016. – No. 12.

References

  1. Yngvesson The tapered slot antenna - a new integrated element for millimeter-wave applications // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 37, No. 2, February 1989, pp. 365-374.
  2. Gibson P.J. The Vivaldi aerial // Proc. 9th European Microwave Conference, 1979, Brighton, 17-20 September 1979. Pp. 103-105.
  3. Wang H.Y. Rigorous analysis of tapered slot antennas on dielectric substrates // 10th International conference on antennas and propagation, 1997. Edinburgh, UK, 14-17 April, 1997.
  4. Lee R.Q., Simons R.N. Advances in microstrip and printed antennas / John Wiley and Sons, 1997.
  5. Банков С. Е., Дупленкова М. Д., Калошин В. А. Сверхширокополосная облучающая система на основе линейной решетки из антенн Вивальди для многолучевых гибридных антенн // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2015. № 12. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec15/18/text.html.
  6. Банков С.Е., Давыдов А.Г., Курушин А.А. Оценка параметров сверхширокополосной многолучевой гибридной линзовой антенны // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2016. № 1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan16/2/text.html.
  7. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток /Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Издательство «Радиотехника», 2003. - 632 с.
  8. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft v. 10 // М.: ООО «Оркада». 2009. - 250 c.
  9. He X.X., Chen T., Wang X. A novel low RCS design method for X-band Vivaldi antenna // International journal of antennas and propagation, vol. 2012, article ID 218681, 6 pages, 2012.
  10. Shin J. and Schaubert D. H. A parameter study of stripline-fed Vivaldi notch-antenna arrays // IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. 47, no. 5, pp. 879-886, May 1999.
  11. Shafieha J. H., Nourinia J., Ghobadi C. Probing the feed line parameters in vivaldi notch antennas // Progress in electromagnetics research B, Vol. 1, 2008, pp. 237-252.
  12. Yang Y., Wang Y., Fathy A. E. Design of compact vivaldi antenna arrays for UWB see through wall applications // Progress in electromagnetics research, Vol. 82, 2008, pp. 401-418.