Волноводная отражательная антенная решетка
WAVEGUIDE REFLECTIVE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве приемно-передающей антенны в высокоскоростных системах передачи информации, в 5G системах.
Известна металлическая ОАР с прорезанными в ней канавками одинаковой геометрии, частично заполненными диэлектриком, при этом глубина и способ заполнения углублений диэлектриком удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на рабочей частоте (Ghalamkari, Behbod & Tavakoli, Ahad. (2016). A fast solution of ТЕ wave scattering by a 2D partially dielectric filled and coated rectangular crack. Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 30. 1-15. 10.1080/09205071.2016.1157047.)
Недостатками данного решения является возможность работы только на одной поляризации.
Известна металлическая ОАР с прорезанными в ней отверстиями одинакового радиуса, но различной глубины, при этом размеры и взаимное расположение углублений удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на рабочей частоте (KR 101084225 В1 "Cassegrain antenna for high gain")
Недостатками такого решения является некоторое уменьшение полосы рабочих частот, необходимость наличия дополнительной климатической защиты для предотвращения засорения углублений, существенные поперечные размеры (толщина) антенны.
Известна металлическая ОАР состоящая из набора металлических пластин различной толщины прорезанными в ними отверстиями одинакового размера таки образом, чтобы при их совмещении в металлическом слое образовывались углубления различной глубины, при этом размеры и взаимное расположение углублений удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на рабочей частоте. (KR 100932921 B1 "Antenna using a laminate plate")
Недостатком такого решения являются большие поперечные размеры (толщина) конструкции.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к предлагаемому устройству является волноводная отражательная антенная решетка, состоящая из металлического рефлектора и металлического слоя с круглыми отверстиями одинакового радиуса различной глубины, причем толщина металлического слоя, глубина отверстий, их взаимное расположение и радиус удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на рабочей частоте (S.V. Polenga, А.V. Stankovsky, R.М. Krylov, A.D. Nemshon, Y.А. Litinskaya and Y.P. Salomatov, "Millimeter-wave waveguide reflectarray," 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Omsk, 2015, pp. 1-4. doi: 10.1109/SIBCON.2015.714733 5).
Преимуществом прототипа являются возможность работы на круговой поляризации.
Недостатками прототипа являются:
- сложность изготовления, связанная с необходимостью применения технологии фрезерования;
- необходимость дополнительной климатической защиты для повышения эксплуатационной стабильности устройства, что увеличивает габаритные размеры конструкции.
- существенные поперечные размеры антенны, обусловленные ограниченной возможностью регулировки фазы отраженного сигнала одиночным элементом антенной решетки.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной стабильности, уменьшение поперечных размеров конструкции, улучшение технологичности изготовления устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное устройство, так же как и известное, состоит из металлического рефлектора и металлического слоя с круглыми отверстиями одинакового радиуса различной глубины, причем толщина металлического слоя, глубина отверстий, их взаимное расположение и радиус удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на рабочей частоте. Но, в отличие от известного, в предлагаемом изобретении металлический слой выполняется в виде набора пластин одинаковой толщины, глубина отверстий металлического слоя меняется с шагом, равном толщине металлических пластин, а к металлическому слою с круглыми отверстиями прилегает диэлектрический слой с выступающими из него цилиндрами различной высоты и одинаковыми радиусами, совпадающими с радиусами круглых отверстий в металлическом слое, и таким взаимным расположением, что выступающие цилиндры диэлектрического слоя полностью вкладываются в металлический слой, причем глубина отверстий металлического слоя и высота цилиндров диэлектрического слоя удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на рабочей частоте.
Достигаемым техническим результатом является повышение эксплуатационной стабильности, уменьшение поперечных размеров конструкции, улучшение технологичности изготовления устройства.
Технический результат достигается за счет выполнения металлического слоя в виде набора металлических пластин одинаковой толщины таким образом, что глубина отверстий металлического слоя меняется с шагом, равным толщине пластин. Кроме того, в структуру отражательной антенной решетки вводится диэлектрический слой, прилегающий к металлическому слою с отверстиями, с выступающими из него цилиндрами различной высоты и одинаковыми радиусами, совпадающими с радиусами круглых отверстий в металлическом слое, и таким взаимным расположением, что выступающие цилиндры диэлектрического слоя полностью вкладываются в металлический слой, причем глубина отверстий металлического слоя и высота цилиндров диэлектрического слоя удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на рабочей частоте. Возможный способ изготовления диэлектрического слоя - 3D-печать. Возможный способ изготовления металлического слоя - лазерная резка. При этом отверстия в металлическом слое надежно защищены от климатического воздействия или засорения за счет закрытости самой структуры и не требуют дополнительной климатической защиты, которая могла бы увеличить массу конструкции. Диэлектрический слой выполняет функции как климатической защиты, так и фокусировки поля облучателя на рабочей частоте.
Изобретение иллюстрируется 16 чертежами.
Фиг. 1 - вид антенной системы
Фиг. 2 - сечение антенной системы
Фиг. 3 - вид 1-ой металлических пластины.
Фиг. 4 - вид 2-ой металлических пластины.
Фиг. 5 - вид 3-ой металлических пластины.
Фиг. 6 - вид 4-ой металлических пластины.
Фиг. 7 - вид 5-ой металлических пластины.
Фиг. 8 - вид диэлектрического слоя с выступающими из него циллиндрами.
Фиг. 9 - элементарная ячейка антенной решетки с цилиндрическими отверстиями, частично заполненными диэлектриком.
Фиг. 10 - элементарная ячейка антенной решетки с цилиндрическими отверстиями и диэлектрическим укрытием.
Фиг. 11 - элементарная ячейка антенной решетки с цилиндрическими отверстиями, полностью заполненными диэлектриком.
Фиг. 12 - зависимости фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки от высоты выступающих циллиндров диэлектрического слоя и глубины отверстия металлического слоя.
Фиг. 13 - зависимости фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки от глубины отверстий металлического слоя.
Фиг. 14 - зависимости фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки от высоты выступающих циллиндров диэлектрического слоя и глубины отверстия металлического слоя.
Фиг. 15 - частотные зависимости коэффициента усиления различных геометрий волноводных отражательных антенных решеток.
Фиг. 16 - диаграммы направленности диэлектрической отражательной антенной решетки на различных частотах.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - облучатель.
2 - металлический рефлектор.
3 - металлические пластины с прорезанными в ними отверстиями.
4 - диэлектрический слой с выступающими из него цилиндрами различной высоты.
5 - воздушные зазоры.
6 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для малого шага изменения глубины отверстий в металлическом слое, глубина отверстий совпадает с высотой цилиндрических выступов в диэлектрическом слое.
7 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для глубины отверстий в металлическом слое - 2.5 мм.
8 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для глубины отверстий в металлическом слое - 2.0 мм.
9 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для глубины отверстий в металлическом слое - 1.5 мм.
10 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для глубины отверстий в металлическом слое - 1.0 мм.
11 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для глубины отверстий в металлическом слое - 0.5 мм.
12 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для прототипа с диэлектрическим укрытием, высота металлического слоя - 2.5 мм.
13 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для прототипа с диэлектрическим укрытием, высота металлического слоя - 3.5 мм.
14 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для прототипа с диэлектрическим укрытием, высота металлического слоя - 4.0 мм.
15 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для прототипа с диэлектрическим укрытием, высота металлического слоя - 5.0 мм.
16 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для предлагаемой волноводной отражательной антенной решетки, шаг сетки - 0.55 длины волны.
17 - зависимость фазы отраженного сигнала в пределах элементарной ячейки антенной решетки для прототипа при наличии диэлектрического укрытия (климатической защиты), шаг сетки - 0.8 длины волны.
18 - частотная зависимость коэффициента усиления для предлагаемой волноводной отражательной антенной решетки.
19 - частотная зависимость коэффициента усиления для прототипа с диэлектрическим укрытием (климатической защитой).
20 - частотная зависимость коэффициента усиления для предлагаемой волноводной отражательной антенной решетки, фиксированная глубина отверстий в металлическом слое.
21 - частотная зависимость коэффициента усиления для предлагаемой волноводной отражательной антенной решетки, малый шаг изменения глубины отверстий в металлическом слое, глубина отверстий совпадает с высотой цилиндрических выступов в диэлектрическом слое.
Антенна работает следующим образом.
Для объяснения работы устройства, в его структуру дополнительно вводится облучатель 1 (фиг. 1-2). При работе антенны в режиме передачи, волна от облучателя 1 падает на волноводную отражательную антенну решетку, состоящую из металлического слоя, выполненного из металлического рефлектора 2, набора металлических пластин 3 (фиг. 3-7), диэлектрического слоя 4 (фиг. 8) с выступающими из него цилиндрами различной высоты и одинаковыми радиусами, совпадающими с радиусами круглых отверстий в металлическом слое. При этом глубина отверстий в металлическом слое и высоты выступающих цилиндров выбраны таким образом, что возможно образование воздушных зазоров 5. Таким образом, при проектировании антенны по известной методике на основе анализа фазы отраженной волны в пределах элементарной ячейки (фиг. 9-11) (Thornton J., Huang K.-С. Modern Lens Antennas for Communications Engineering. Wiley-IEEE Press, 2012. P.272) достигается большее количество степеней свободы, по сравнению с известными аналогами, что позволяет уменьшить поперечные размеры антенны. За счет того, что отверстия в металлическом слое и выступы диэлектрического расположены таким образом, что совокупность элементов соответствует эквивалентной линзе Френеля (Н.D. Hristov, Fresnel zones in wireless links, zone plate lenses and antennas, Artech House, 2000) для фокусировки поля облучения, то при отражении падающей волны от антенны происходит преобразование сферического фронта волны от облучателя 1 в плоский фронт отраженной волны.
При работе антенны в приемном режиме, падающее поле от источника в дальней зоне после отражения от антенны фокусируется в точку, где расположен облучатель 1.
При этом может быть реализована как прямофокусная, так и офсетная схема размещения облучателя. В зависимости от требуемой формы диаграммы направленности и схемы размещения облучателя будет меняться и закон взаимного расположения отверстий в металлическом слое и выступов диэлектрического слоя.
Работа устройства подтверждается данными электродинамического моделирования прямофокусной волноводной отражательной антенной решетки с размерами 43×43 мм для работы на центральной частоте в 71 ГГц с шагом гексагональной сетки расположения цилиндрических полостей 0.55 длины волны на рабочей частоте и толщиной диэлектрической пластины 15 мм, из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью 2.33 и тангенсом потерь 0.0025. Образец антенны спроектирован исходя из его реализации методом лазерной резки из 5 листов металла толщиной 0.5 мм и с применением технологии 3Д-печати для диэлектрического слоя. Геометрии слоев получены по известной методике (Thornton J., Huang K.-С. Modern Lens Antennas for Communications Engineering. Wiley-IEEE Press, 2012. P. 272).
Синтез отражательной антенной решетки проводится на основании зависимостей фазы отраженного поля от размеров отверстий в металлическом слое и выступов диэлектрического слоя, полученных из моделирования в элементарной ячейке антенной решетки (фиг. 12-14). А именно, использовался набор зависимостей фазы отраженного поля от размеров выступа диэлектрического слоя для разных значений глубин отверстий металлического слоя (фиг. 12).
Из приведенных зависимостей фазы отраженного сигнала от размеров выступа диэлектрического слоя и глубины отверстия металлического слоя на фиг. 12 следует, что
- наибольшим диапазоном изменения фазы отраженного сигнала обладает вариант предложенной конструкции данного изобретения, с малым шагом изменения глубины отверстий в металлическом слое и полным заполнением углубления диэлектриком (фиг. 9) - глубина в металлическом слое отверстий полностью совпадает с размером выступов диэлектрического слоя, при этом выигрыш по полосе рабочих частот и максимальному значению коэффициента усиления, относительно предлагаемого решения, оказывется мал (фиг. 15);
- при использовании геометрии прототипа, при наличии только диэлектрического укрытия без выступов (фиг. 10), перестройка фазы при той же высоте конструкции возможно только при увеличении шага гексагональной сетки расположения элементов до 0.8 длины волны (фиг. 14), что из-за появления дифракционных лепестков, ведет к уменьшению коэффициента усиления в полосе рабочих частот.
- в случае если использовать фиксированную глубину отверстий и изменять только высоту цилиндрических выступов, то также будет наблюдаться уменьшение значений коэффициента усиления в полосе рабочих частот (фиг. 15).
Вариант конструкции предлагаемой антенны с шагом, равном толщине пластин (0.5 мм металлических пластин в рассматриваемом примере), является предпочтительным для реализации с применением технологии лазерной резки. Диаграммы направленности в полосе рабочих частот для данной антенны приводятся на фиг. 16.
Таким образом, показана достижимость технического результата - расширение полосы рабочих частот, повышение эксплуатационной стабильности, увеличение механической прочности в процессе эксплуатации, уменьшение размеров конструкции.