Направление и поглощение внутренней энергии в антеннах Вивальди с использованием множества щелей, широкополосных делителей, метаматериалов и распределенных резисторов

Почему важно укрощать энергию антенны

Беспроводные устройства — от базовых станций 5G до радаров для визуализации — зависят от антенн, которые могут передавать и принимать сфокусированные сигналы в широком диапазоне частот без лишних потерь энергии. Тем не менее во многих современных плоских антеннах удивительно большая доля подводимой энергии не превращается в полезное излучение. Вместо этого она «переливается» внутри структуры как посторонняя электромагнитная энергия, тихо ухудшая характеристики. В этой работе показано, как переработать популярный тип антенны так, чтобы большая часть энергии шла туда, куда нужно, а меньше терялось или отражалось, что приводит к более мощным, чистым и эффективным беспроводным лучам.

Формирование более разумной платы антенны

Работа сосредоточена на волноводной антенне типа Вивальди, привлекающей возможностью работать в очень широком диапазоне частот и реализовываться в виде плоской печатной платы. Авторы сначала анализируют базовую конструкцию с двумя коническими щелями, затем расширяют её до варианта с четырьмя щелями. Размещение нескольких щелей увеличивает эффективный проем, через который антенна излучает, как будто расширяют отражатель фонарика для получения более узкого луча. Удвоение числа щелей примерно удваивает плотность мощности в основном направлении, повышая коэффициент усиления примерно на 3 децибела. Однако измерения также показывают сильные флуктуации усиления по частоте: на одних частотах антенна излучает очень хорошо, а на других внутри структуры возникают деструктивные взаимодействия, снижающие эффективность.

Видение скрытой энергии внутри антенны

Чтобы понять эти флуктуации, команда обращается к подробным картам ближнего поля — электромагнитной активности очень близко к металлическим элементам. Отслеживая, как кластеры энергии перемещаются по структуре во времени, исследователи различают полезные потоки, направляющиеся прямо к проему, и нежелательные потоки, которые делают обходные маршруты, отражаются назад к питающим портам или приходят с запозданием. Они называют эти последние вклады остаточной энергией. Хотя эта остаточная энергия невидима в обычных измерениях в дальнем поле, она ясно проявляется на картах ближнего поля как яркие области вдоль определенных кромок и зазоров. Эти поздние или неверно направленные волны мешают основному излучению, вызывая наблюдаемые флуктуации усиления и дополнительные отражения.

Направление волн с помощью инженерных материалов

Когда доминирующие пути выявлены, авторы меняют движение энергии, добавляя небольшие узорчатые металлические включения — инженерный «метаматериал» — внутри каждой конической щели. Эти крошечные повторяющиеся элементы замедляют волны сильнее в центре каждой щели, чем у краев, помогая фронту волны выравниваться по мере достижения проема. Более плоский фронт волны означает, что вклады с разных частей апертуры приходят в фазе и усиливают друг друга, повышая направленность. Моделирование и измерения показывают, что такое применение метаматериала повышает коэффициент усиления антенны примерно на 1 децибел в широком диапазоне и слегка уменьшает отражения, что указывает на то, что большая часть подводимой мощности преобразуется в направленное излучение.

Поглощение оставшейся энергии

Выравнивание основного фронта волны недостаточно; значительная остаточная энергия всё ещё циркулирует вдоль боковых крыльев и изоляционных зазоров. Чтобы справиться с этим, авторы сознательно вырезают зигзагообразные щели во внешних крыльях и используют существующие зазоры между центральными крыльями как предпочтительные пути для посторонней энергии. Затем они размещают десятки крошечных резисторов вдоль этих путей. Зигзагообразная форма удлиняет маршрут и увеличивает разности напряжений, которые притягивают и направляют остаточную энергию в резисторы, где она безвредно преобразуется в тепло. Используя цепные модели на основе данных многопортовых параметров рассеяния, команда математически оптимизирует каждое значение резистора так, чтобы в диапазоне от 1,6 до 20 гигагерц отражения на входных портах были минимизированы, а поглощение — максимизировано. С оптимизированной сетью резисторов и небольшой проводящей петлей для замыкания определенных цепей на низкой частоте кривая усиления антенны становится гладкой, пиковое усиление повышается примерно до 20 децибел для отдельного устройства и около 25 децибел для массива 4×4, а повторяющиеся паразитные импульсы во временном сигнале излучения практически исчезают.

Питание решеток для реальных систем

Для практического использования эти антенны должны приводиться в действие одновременно многими идентичными элементами. Поэтому авторы разрабатывают новые делители мощности, собранные из простых Т-образных соединений линий, которые разделяют один вход на четыре, а затем комбинируют их иерархически для питания шестнадцати элементов. Эти делители сохраняют одинаковое сопротивление на всех портах и обеспечивают почти равные фазу и амплитуду в широком рабочем диапазоне, так что решетка ведет себя как один большой, хорошо сфокусированный излучатель. Измерения изготовленного прототипа хорошо согласуются с моделированием на значительной части полосы, подтверждая, что сочетание многослотовой геометрии, метаматериалов и подобранных резистивных путей работает в реальном оборудовании.

Что это значит для будущих антенн

Проще говоря, это исследование показывает, как превратить протекающий, неоднородный луч фонарика в яркий, устойчивый прожектор, аккуратно направляя и поглощая свет, который в противном случае отражался бы внутри корпуса. Классифицируя внутреннюю энергию на полезные и вредные потоки, а затем используя узорчатые материалы и крошечные резисторы для управления и рассеивания последних, авторы предлагают рецепт приближения широкополосных антенн к их теоретическим пределам. Подход не ограничивается конструкциями Вивальди; он дает общий способ диагностировать и устранять скрытые потери энергии в многих типах волноводных антенн, используемых в современных системах связи, датирования и радаров.

Цитирование: Hoang, H., Nguyen, MH. & Pham-Xuan, V. Guidance and absorption of internal energy in Vivaldi antennas using multiple slots, full-band dividers, metamaterials, and distributed resistors. Sci Rep 16, 10112 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39126-x

Ключевые слова: Антенна Вивальди, широкополосные антенны, метаматериалы, электромагнитная энергия, решетки антенн