TSA, или антенна Вивальди

Изучение свойств сверхширокополосной планарной УКВ антенны

TSA (аббревиатура от англ. Tapered Slot Antenna – антенна с расширяющейся щелью) – это относительно новая антенна, появившаяся и развивающаяся во многом благодаря средствам компьютерного моделирования. Её форма напоминает камертон или музыкальный инструмент, поэтому TSA из-за этой музыкальной ассоциации еще называют антенной Вивальди (конечно, комозитор и скрипач Антонио Вивальди не имеет никакого отношения к этой антенне, поэтому на мой взгляд это название неудачное, но оно прижилось, так часто бывает с неудачными, но запоминающимися названиями).

TSA (антенна Вивальди) выполняется из плоского металлического листа. Выглядит она так, как показано на рис. 1. Места подключения источника отмечены точками.


Рис. 1.

На что она похожа?

Во-первых, на щелевую антенну. Правда щель здесь не замкнутая и расширяющаяся, в отличие от классической щелевой антенны.

Во-вторых, на толстый широкополосный диполь с шунтовым питанием (представьте вертикально стоящий диполь с половинками в виде металлических плоскостей).

В-третьих, на логопериодическую антенну. Размер проводника убывает от источника. Но тут вроде бы нет противофазного питания соседних элементов, да и изменение ширины идет не по геометрической прогрессии, а по экспоненциальному закону.

В-четвертых, рупорную антенну. Во всяком случае – разрез рупора.

Всем этим TSA (антенна Вивальди) отчасти и является. Но только отчасти. Полная (т.е. пригодная для инженерных расчетов) теория её работы до сего момента (2014 г) не разработана. Поэтому оптимизация размеров и форм TSA ведется методами компьютерного моделирования. Это дает разнообразие форм и пропорций, в зависимости от конкретной задачи.

Выясненными закономерностями в TSA являются следующие:

  1. Её ширина (высота по рис. 1) определяет нижнюю частоту. Как у диполя.
  2. Длина определяет усиление в середине и на верхнем краю полосы. Как у логопериодической антенны или рупора.
  3. Форма разомкнутой щели определяет полосу (как в логопериодической антенне). Форма может быть разной, но считается, что наиболее широкую полосу дает экспоненциально нарастание ширины щели.
  4. Размеры и формы отверстия справа от точки питания влияют на реактивность (т.е. на согласование) в нижней части полосы.

Данных по расчетам и измерениям TSA опубликовано немало. Но они обычно неполны и у меня остались вопросы. Поэтому пришлось поступить как обычно в таких случаях: сделать модель TSA и поизучать её свойства. Размеры анализируемой модели показаны на рис. 2, распределение токов на котором соответствует частоте 2,1 ГГц.


Рис. 2.

Сканированием по частоте от 0,4 до 15 ГГц с шагом 100 МГц, были получены три следующих графика.

КСВ рассчитывался относительно 188 Ом. Такое сопротивление – это фундаментальное свойство любой сверхширокополосной антенны. КСВ выглядит неплохо:


Рис. 3.

КСВ188 не превышает 3 в полосе от 0,65 до 14,5 ГГц. Особенно, если учесть, что наша модель из проволочной сетки, а при сплошной металлической плоскости резонансные выбросы КСВ будут меньше.

Но, как мы знаем из п. 12.5 6-й части ”Антенн КВ и УКВ” широкая полоса по согласованию еще не означает приемлемой диаграммы направленности.

Посмотрим, как обстоит дело с этим. На рис. 4 показано как меняется усиление в той же полосе 0,4 ... 15 ГГц:


Рис. 4.

Видно, что антенна обладает некоторым усилением, а в части полосы, даже вполне приличным: выше 10 dBi. Это в свободном пространстве, конечно.

Но и усиление говорит не всё о направленности. График рис.4 ничего не говорит куда направлено это усиление. Ведь усиление в несколько dBi может дать направленный куда угодно один лепесток.

Поэтому посмотрим на графики F/B в той же полосе. Направлением тыла на рис. 5 cчитается всё, попадающее в телесный угол 1200 (тоже свободное пространство):


Рис. 5.

По этим графикам сразу видно, что хоть сколь-нибудь направленная форма ДН (скажем, по уровню F/B хотя бы выше 3 дБ) сохраняется лишь в участках от ~1 до 2,8 ГГц (и то с оговорками в начале полосы) и от 4,8 до 5,8 ГГц. От 2,8 до 4,8 ГГц и выше 5,8 ГГц ДН представляет из себя ”ежика” нескольких направленных куда придется лепестков (участок с приличным F/B от 11 до 13,4 ГГц является результатом случайного попадания таких лепестков в правильную сторону).

 

Вывод: TSA (антенна Вивальди) имеет значительно более широкую полосу по КСВ, чем по удобоваримой форме ДН. Если по КСВ достигается почти 20-ти кратное перекрытие частоты, то по F/B > 3 дБ – менее, чем трехкратное.

 

Возвращаясь к нашей модели, это означает, что в полосе 0,65 ... 14 ГГц такая антенна может быть применена лишь как обзорная (хотя я слабо представляю себе зачем на частотах в единицы гигагерц может потребоваться антенна без усиления с плохой формой ДН). А звание направленной антенны наша модель TSA заслуживает лишь в полосе 1 ... 2,8 ГГц.

Поэтому построим графики, аналогичные трём предыдущим, но в меньшей полосе от 0,6 до 6 ГГц и с более частым шагом расчета 25 МГц (шаг расчета 100 МГц на предыдущих графиках грубоват и можно проскочить паразитный резонанс). Шаг вертикальной сетки на рис. 6...8 составляет 200 МГц.


Рис. 6.

Рис. 7.

Рис. 8.

Видно, что полоса в которой антенна работает прилично (т.е. ведет себя относительно терпимо по усилению, КСВ и F/B) составляет 1 ... 2,8 ГГц. В этой полосе КСВ почти не превышает 2 (отдельные пики в районе 1,2...1,4 ГГц скорее всего связаны с проволочной структурой модели, видимо какие-то резонансы отдельных проволок), Ga > ~4 dBi (достигая хорошей величины почти 13 dBi на 2,4 ГГц), F/B > 3 дБ (провалы районе 1,2...1,4 по тем же причинам, что и пики КСВ).

Изменение по частоте формы азимутальной ДН TSA антенны показано на рис. 9.


Рис. 9.

Конструктивно TSA почти всегда выполняется в виде печатных проводников на стеклотекстолите. Влияние диэлектрика несколько понижает частоту и входное сопротивление. Но последнее все равно остается значительно выше 50 Ом: 140 ...160 Ом (в зависимости от толщины в λ стеклотекстолита).

Как согласовать TSA на 50 Ом? Простейшее решение: четвертьволновая линия. Оно чаще всего и используется. Но ведь четвертьволновый трансформатор это резонансное устройство. Да, но при трансформации в сопротивлений втрое его полоса получается почти трехкратной по КСВ < 2. Что достаточно для удовлетворительного согласования TSA.

Согласующая четвертьволновая линия (электрическая длина λ/4 на на среднегеометрической частоте полосы TSA) выполняется как микрополосковая с обратной стороны стеклотекстолитовой платы, как показано на рис. 10. Волновое сопротивление этой линии около 85 Ом. Передача энергии от конца согласующей линии до входа TSA (точек питания на рис. 1) осуществляется конструктивным конденсатором. Его нижней обкладкой служит расширяющаяся площадка на конце линии, верхней – нижняя(по рис. 10) половина металла TSA (верхняя часть металла TSA подключена к согласующей линии напрямую, ибо является вторым проводником - землей этой линии).


Рис. 10.

TSA используется в гигагерцовой технике. Широкая полоса и выполнение по печатной технологии позволяют снизить затраты на проектирование и производство.

Плоская конструкция позволяет относительно легко создавать антенные решетки из TSA как линейные (просто повторением на одной широкой плате нескольких TSA друг за другом), так и объемные (по принципу сот) с двумя линейными или одной вращающейся поляризацией. Дополнительным бонусом является то, что в отличие от большинства других антенн TSA при создании из нее решетки не сужает, а расширяет полосу. Это понятно, при большом числе элементов ДН решетки мало зависит от формы ДН единичного элемента и почти полностью определяется конфигурацией решетки.

Решетка из нескольких десятков TSA может иметь пятикратное перекрытие по частоте и усиление свыше 20 dBi. Поэтому такие антенны используются в фазированных решетках сверхширокополосных сканирующих радаров и в радиоастрономии.



Bonn, 24.01.2014

На главную - Main page