ЗЕРКАЛЬНАЯ АНТЕННА С ДВОЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ И ШИРОКИМ УГЛОМ СКАНИРОВАНИЯ
MIRROR ANTENNA WITH DOUBLE POLARIZATION AND WIDE SCANNING ANGLE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к антенной технике и, более конкретно, к зеркальной антенне с облучающей антенной решеткой с двойной поляризацией и широким углом сканирования.
Уровень техники
Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий мобильной связи. В настоящее время ведется активная разработка сетей миллиметрового диапазона 5G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, основанными на опыте использования, включая такие факторы, как удобство установления связи с ближайшими устройствами и повышенная энергоэффективность. Для технологий миллиметровых волн, существует множество фундаментальных проблем, связанных с физикой антенных решеток, конструкцией высокоскоростного приемопередатчика и т.д.
Основными задачами для интеграции антенн в миллиметровом диапазоне остаются стоимость, низкий уровень помех, обеспечение требуемого качества связи и энергоэффективность. При этом канал связи должен сохранять устойчивость при изменении положения мобильного устройства, с которым ведется связь. Соответственно, к антеннам, например, базовых станций предъявляются следующие требования:
1) высокий коэффициент усиления,
2) широкие углы сканирования,
3) высокая направленность,
4) низкий уровень боковых лепестков,
5) двухполяризационное формирование луча для увеличения скорости и повышения стабильности передачи данных,
6) высокий КПД антенны.
При функционировании сканирующих антенн очень актуальной является задача увеличения угла сканирования, поскольку она позволяет повышать эффективность системы. Угол сканирования традиционной антенной решетки обычно ограничен ±45 градусами без значительного снижения коэффициента усиления и без чрезмерного роста уровня боковых лепестков. Соответственно, в традиционном варианте для покрытия зоны в 360 градусов требуется минимум 4 сектора по 90 градусов, то есть 4 антенны с углом сканирования ±45 градусов (Фиг. 1). Между тем, использование трех антенн вместо четырех для покрытия всей зоны охвата могло бы существенно снизить требования к сложности управляющих и распределительных устройств на стороне приемопередатчика базовой станции, уменьшить ее габариты, а также упростить и ускорить монтаж базовой станции. Следовательно, желательно, чтобы каждая из этих трех антенн имела угол сканирования не менее ±60 градусов.
Для реализации расширения угла сканирования в миллиметровом диапазоне требуются специальные средства. В настоящее время для увеличения угла сканирования применяются, например, конформная антенная решетка (цилиндрическая), линзовая антенна Люнеберга, коммутируемые осесимметричные антенны. Эти типы антенн позволяют получать угол сканирования в ±90 и более. Однако этим типам антенн присущи некоторые недостатки: наличие сложного коммутатора, вводящего дополнительные потери, большие пространственные размеры и малая эффективность апертуры антенны.
Традиционные антенные решетки подходят также и для получения расширенного сканирования луча посредством особых структур, установленных перед решеткой. Эти структуры вызывают дополнительное отклонение фронта волны. Однако эти структуры обычно используются для больших решеток, имеющих широкие стороны.
В уровне техники известны некоторые решения для миллиметрового диапазона, которые являются в той или иной степени близкими к вышеуказанным требованиям.
Так, в публикации ʺAn E-band Cylindrical Reflector Antenna for Wireless Communication Systemsʺ 7th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP2013) раскрывается цилиндрическая зеркальная антенна (Фиг. 2A), предназначенная для высокочастотного применения и обладающая высоким коэффициентом усиления и относительно низкими потерями. Однако такая антенна не обладает возможностью сканирования, имеет КПД около 60% и работает только с одной поляризацией.
Известна также антенна (Фиг. 2B) для применения на частотах диапазона 23 ГГц, раскрытая в публикации ʺCylindrical-parabolic reflector with printed antenna structuresʺ IHTM-CMTM, University of Belgrade Journal of Microelectronics, Electronic Components And Materials Vol.43,No.2(2013), 97-102. Она имеет излучающую структуру в виде микрополосковой антенной решетки из диполей и цилиндрический рефлектор. Как и в предыдущем примере, данная антенна не обладает возможностью сканирования и работает только с одной поляризацией. Кроме того, она имеет КПД лишь 56% в силу того, что имеет микрополосковую фидерную линию для питания излучателей, в которой потери достигают 2-3 дБ. В указанном диапазоне миллиметровых длин волн существенно возрастают потери в фидерных микрополосковых линиях, связанные с потерями в диэлектрическом материалле и технологическими производственными дефектами (любые неровности, утолщения, сужения, надрезы, искривления, углы и т.д. могут приводить к переотражению, паразитному излучению и т.д.). Поэтому распределенная система фидерного тракта является недостатком для миллиметровых антенн.
Другая известная антенна (Фиг. 2C) раскрыта в публикации ʺThe Design on the Antenna Array with High Gain and Scanning Beamʺ Lu Zhiyong, The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang, 050081, China, International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), 2012. В данном случае цилиндрический (параболический) рефлектор облучается специальной решеткой для формирования сканирующего луча. Эта антенна, как и предыдущие, работает только с одной поляризацией и имеет относительно низкий КПД (около 60%). Кроме того, у нее очень ограниченный угол сканирования (±20 градусов), из-за чего для покрытия зоны в 360 градусов необходимо 9 антенн, а учитывая ее крайнюю громоздкость, применение такой антенны в базовых станциях мобильной связи является малопривлекательным.
Еще одним известным техническим решением в миллиметровом диапазоне является антенна Thomson CSF Radar Maser-T (Фиг. 2D). Это сложная сканирующая антенная решетка, состоящая из множества линейных микрополосковых антенных решеток, к каждой из которых подсоединена отдельная приемопередающая схема. Тем не менее, несмотря на всю свою сложность, эта антенна ограничена углом сканирования ±40 градусов, а ее микрополосковая структура обуславливает большие потери в фидерной линии и низкий КПД.
Тем самым, известные технологии не подходят для разработки антенных устройств, которые одновременно соответствовали бы всем вышеуказанным требованиям.
Сущность изобретения
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на создание зеркальной антенны с облучающей антенной решеткой с двойной поляризацией и широким углом сканирования.
Согласно настоящему изобретению предложена антенна, содержащая: рефлектор, который имеет профиль параболической формы в первом сечении и гиперболической формы во втором сечении, причем второе сечение является ортогональным первому сечению; и облучающую структуру, содержащую по меньшей мере одну фазированную антенную решетку, выполненную с возможностью облучения по меньшей мере части рефлектора и сканирования луча, причем края параболической огибающей рефлектора направлены к облучающей структуре, а края гиперболической огибающей рефлектора направлены от облучающей структуры.
В одном из вариантов осуществления облучающая структура является линейной и расположена компланарно с гиперболическим профилем перпендикулярно линии симметрии гиперболы.
В одном из вариантов осуществления облучающая структура содержит по меньшей мере две фазированные антенные решетки, каждая из которых выполнена с возможностью облучения соответствующей части рефлектора.
В одном из вариантов осуществления фазированная антенная решетка выполнена с возможностью формирования луча с двойной поляризацией.
В одном из вариантов осуществления фазированная антенная решетка является волноводной.
В одном из вариантов осуществления каждый излучатель фазированной антенной решетки является металлическим или металлизированным полым волноводом, открытым по направлению к рефлектору и закрытым с противоположной стороны.
В одном из вариантов осуществления каждый излучатель фазированной антенной решетки является металлическим или металлизированным полым волноводом, который запитывается с помощью содержащейся в нем микрополосковой линии.
В одном из вариантов осуществления волновод содержит по меньшей мере одну печатную плату, которая располагается в плоскости, перпендикулярной оси волновода и разделяющей волновод на части, и зажимается между разделенными частями волновода, причем упомянутая по меньшей мере одна печатная плата содержит фидер и зонд возбуждения волновода, которые выполнены в виде микрополосковой линии, причем микрополосковая линия является линейной и проходит перпендикулярно сквозь стенку волновода, причем один конец микрополосковой линии, поддержанный диэлектриком печатной платы, выходит в полость волновода, образуя зонд возбуждения волновода, причем металл в разделенных частях волновода устранен с образованием желоба вокруг микрополосковой линии.
В одном из вариантов осуществления каждая из упомянутой по меньшей мере одной печатной платы содержит два микрополоска, расположенных симметрично по обе стороны подложки печатной платы.
В одном из вариантов осуществления волновод содержит две печатные платы, причем микрополосковая линия первой печатной платы расположена перпендикулярно микрополосковой линии второй печатной платы.
В одном из вариантов осуществления во внутреннем пространстве волновода вдоль стенок сформированы выступы для понижения критической частоты волновода.
Настоящее изобретение позволяет реализовать антенну с улучшенным набором характеристик, в частности, обеспечивается увеличение угла сканирования антенны в одной плоскости при обеспечении возможности формирования требуемой диаграммы направленности в другой плоскости без увеличения габаритов, без ухудшения КПД и без повышения уровня боковых лепестков. При этом, в случае применения предложенной антенны для базовой станции, снижаются требования к сложности управляющих и распределительных устройств на стороне приемопередатчика базовой станции, уменьшаются габариты базовой станции, упрощается и ускоряется ее монтаж, а также увеличивается энергоэффективность.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Традиционная базовая станция с 4 секторами.
Фиг. 2A-2D - Примеры известных антенн миллиметрового диапазона.
Фиг. 3 - Антенна согласно настоящему изобретению.
Фиг. 4 - Характеристики гиперболического рефлектора в сравнении с традиционным цилиндрическим.
Фиг. 5 - Базовая станция с 3 секторами согласно настоящему изобретению.
Фиг. 6 - Облучающая структура согласно настоящему изобретению.
Фиг. 7 - Излучатель фазированной антенной решетки (структурный фрагмент) согласно настоящему изобретению.
Фиг. 8 - Микрополосковая линия согласно настоящему изобретению.
Фиг. 9 - Диаграмма направленности антенны согласно настоящему изобретению в вертикальной (угломестной) плоскости.
Фиг. 10 - график для способствования расчету гиперболического профиля рефлектора.
Подробное описание
На Фиг. 1 показана традиционная базовая станция с 4 секторами. За каждый сектор величиной 90 градусов отвечает одна антенна с углом сканирования ±45 градусов. Таким образом, во всей зоне покрытия 360 градусов базовая станция реализует функции мобильной связи для мобильных станций (МС), таких как смартфоны, планшеты, бортовые системы связи и т.д.
Как уже упоминалось выше, в уровне техники существует потребность в создании антенны с большим углом сканирования, что позволило бы упростить конструкцию и монтаж базовой станции.
Антенна с увеличенным углом сканирования показана на Фиг. 3. Согласно настоящему изобретению, антенна содержит рефлектор (зеркало), который имеет параболическую форму в первом сечении и гиперболическую форму во втором сечении, которое является ортогональным первому сечению. Таким образом, форму рефлектора можно описать как параболический гиперболоид. Антенна также содержит облучающую структуру для облучения рефлектора, расположенного так, что края параболической огибающей рефлектора направлены к облучающей структуре, а края гиперболической огибающей рефлектора направлены от облучающей структуры. Облучающая структура содержит по меньшей мере одну фазированную антенную решетку, с тем чтобы иметь возможность формирования диаграммы направленности и сканирования луча.
При использовании такой антенны, например, в базовой станции, целесообразно располагать ее таким образом, чтобы параболическая огибающая антенны проходила в вертикальном поперечном сечении, а гиперболическая огибающая антенны проходила в горизонтальном поперечном сечении.
Предложенная форма рефлектора антенны позволяет существенно увеличить угол сканирования луча за счет того, что в такой антенне побочные дифракционные лепестки не превышают приемлемый уровень даже при угле наклона луча 60 градусов, как изображено справа на Фиг. 4. В отличие от этого, например, как изображено слева на Фиг. 4, традиционные параболическо-цилиндрические антенны, которые в одном поперечном сечении имеют плоский профиль, при угле отклонения луча более 45 градусов имеют уровни дифракционных лепестков, сопоставимые с уровнем основного луча, тем самым создавая сильный уровень приема-передачи в нежелательных направлениях. К тому же, падает усиление антенны в основном направлении. При этом в предложенной антенне не происходит значимого падения коэффициента усиления, ухудшения КПД или направленности по сравнению с традиционными антеннами миллиметрового диапазона, имеющими равные габариты. Такой эффект можно объяснить тем фактом, что гипербола уменьшает изображение объекта, то есть при применении гиперболы к рефлектору антенны, облучаемому фазированной антенной решеткой, происходит (мнимое) уменьшение электрического расстояния между излучающими элементами решетки, что позволяет комплексно улучшить характеристики антенны. Условие, налагаемое на расстояние между излучающими элементами, при отсутствии паразитных дифракционных лепестков:
Уменьшая с помощью гиперболы расстояние между элементами решетки, можно увеличить угол сканирования, причем чем больше кривизна гиперболы, тем больший угол сканирования можно реализовать. При этом реальное расстояние между элементами решетки не меняется.
Таким образом, согласно настоящему изобретению, как показано на Фиг. 5, базовая станция может комплектоваться лишь тремя антеннами вместо традиционных четырех или более. В каждом из трех 120-градусных секторов располагается антенна, имеющая угол сканирования ±60 градусов, и базовая станция эффективно покрывает всю зону покрытия, поддерживая требуемый уровень усиления и не создавая больших помех. Тем самым, снижаются требования к сложности управляющих и распределительных устройств на стороне приемопередатчика базовой станции, уменьшаются габариты базовой станции, упрощается и ускоряется ее монтаж, а также увеличивается энергоэффективность. Более того, сохраняется возможность формирования формы диаграммы направленности в угломерной плоскости.
В одном варианте осуществления облучающая структура антенны в сечении, имеющем профиль гиперболы, может иметь форму, близкую к кругу или квадрату, и располагаться на оптической оси антенны. В другом варианте осуществления облучающая структура антенны может быть линейной и располагаться симметрично относительно центра оси антенны в горизонтальной плоскости, то есть компланарно с гиперболическим профилем перпендикулярно линии симметрии гиперболы (как показано на Фиг. 3). Точная форма и расположение облучающей структуры зависит от конкретного применения и требований к антенне.
Облучающая структура может содержать одну фазированную антенную решетку, которая облучает всю доступную поверхность рефлектора. В альтернативном варианте, облучающая структура может содержать две или более фазированные антенные решетки, каждая из которых облучает соответствующую часть рефлектора. Например, на Фиг. 3 изображены две фазированные антенные решетки: одна облучает верхнюю половину рефлектора, а другая облучает нижнюю половину рефлектора.
Фазированная антенная решетка может быть выполнена с возможностью формирования луча с двойной поляризацией.
Для того, чтобы дополнительно улучшить характеристики предложенной антенны, фазированная антенная решетка может быть волноводной, как показано на Фиг. 6. Специальная структура излучателя и запитывающей линии позволяет свести к минимуму потери облучателя в целом, при этом повышается КПД антенны, снижается паразитное излучение и в результате растет коэффициент усиления.
В частности, в предложенном варианте осуществления (Фиг. 7) каждый излучатель фазированной антенной решетки может представлять собой металлическую или металлизированную полость, стенки которой образуют полый волновод сложного сечения, открытый по направлению к рефлектору и закрытый с противоположной стороны. Одна из стенок волновода, расположенная перпендикулярно его оси, отсутствует, создавая условия для излучения, а вторая, противоположная задняя стенка служит рефлектором. Форма и размеры поперечного сечения волновода должны удовлетворять условиям распространения регулярной волны (в частности, длина волны накладывает ограничение на размеры, имея критическое значение, при котором более малое сечение не способно пропускать волну). Примерно на расстоянии четверти длины волны в волноводе от задней стенки излучатель (волновод) разделен на две части плоскостью, перпендикулярной оси волновода. В этой плоскости располагается печатная плата с фидером и зондом возбуждения волновода. Фидер и зонд представляют собой микрополосковую линию, выполненную на тонком пленочном диэлектрике. Печатная плата зажимается между разделенными частями (половинами) излучателя. Металл в половинах излучателя вокруг микрополосковой линии выбран (извлечен) по профилю желоба, что исключает контакт микрополосковой линии с металлическими элементами излучателя и создает условия для распространения ТЕМ волны. Ширина полосковой линии и поперечные размеры желоба определяются необходимым волновым сопротивлением. Один конец микрополосковой линии, поддержанный диэлектриком печатной платы, выходит в полость волновода, образуя зонд, возбуждающий излучатель. Длина зонда примерно равна ¾ от высоты волновода. Точное значение определяется условием наилучшего согласования волновода с фидером. Конструктивно все элементы запитки размещены на общей плате, а излучатели в едином блоке. Питание на излучатели поступает с радиочастотной (РЧ) схемы (например, РЧ-микросхемы, как показано на Фиг. 7).
Для того, чтобы сформировать луч с двойной поляризацией, волновод (излучатель) содержит две не соприкасающиеся между собой печатные платы, причем возбуждающий зонд первой печатной платы расположен перпендикулярно возбуждающему зонду второй печатной платы. Таким образом, происходит независимое возбуждение двух ортогональных поляризаций (в частности, горизонтальной поляризации (HP) и вертикальной поляризации (VP)). Во внутреннем пространстве волновода вдоль стенок сформированы прямоугольные выступы (ребра) для понижения критической частоты, при ограничениях на поперечные размеры волновода. Выступы могут быть продольными и поперечными. Между закрытым концом волновода и первой печатной платой, а также между первой печатной платой и второй печатной платой могут быть сформированы такие выступы, которые необходимы только для возбуждения волны той поляризации, которая обеспечивается возбуждающим зондом первой печатной платы. Далее между второй печатной платой и открытым концом волновода могут быть сформированы выступы, которые необходимы для распространения волн с обеими поляризациями.
Печатная плата может быть двухсторонней и содержать два микрополоска, расположенных симметрично по обе стороны подложки печатной платы (Фиг. 8). Такая структура микрополосковой линии позволяет оптимизировать распределение линий электромагнитного поля так, что оно концентрируется в воздухе вокруг микрополосковой линии, за счет чего существенно снижаются потери в фидерной линии и повышается КПД антенны. Например, в классической симметричной полосковой линии при H=0,8 мм и частоте 28 ГГц с применением диэлектрика на основе Taconic TLY наблюдаются потери около 0,5 дБ/см, тогда как в предложенной усовершенствованной микрополосковой линии с металлическим волноводным земляным основанием и воздушным заполнением наблюдаются потери лишь 0,1 дБ/см.
Предложенная структура фазированной антенной решетки позволяет формировать луч с двойной поляризацией при сохранении высокого КПД антенны, при этом кросс-поляризация не превышает -15 дБ. Кроме того, обеспечивается возможность формирования необходимого амплитудно-фазового распределения и формы диаграммы направленности в каждой плоскости в соответствии с требованиями конкретного применения.
Общие характеристики предложенной антенны с применением зеркала в форме параболического гиперболоида и волноводной фазированной антенной решетки с малыми потерями таковы: угол сканирования ±60 градусов, луч с двойной поляризацией, КПД=0,74. При этом потери в фидерной линии на опытном образце составили менее 1,5 дБ.
Антенну согласно настоящему изобретению можно использовать, например, в миллиметровом диапазоне для сетей мобильной связи перспективного стандарта 5G, для автомобильных радаров, для поисковых радаров и т.д.
При этом, например, как показано на Фиг. 9 справа, применяя в угломестной плоскости легко реализуемую в такой антенне базовой станции косекансную диаграмму направленности, можно полностью покрывать в этой плоскости всю зону охвата без потери усиления на ее краях, в результате чего не требуется ни дополнительное сканирование в угломерной плоскости, ни наличие дополнительных антенн для должного покрытия всей зоны охвата, в отличие от традиционных антенн (показано на Фиг. 9 слева).
Антенна согласно настоящему изобретению также полностью пригодна для использования в составе оборудования MIMO (множество входов - множество выходов).
Необходимые формулы для расчета гиперболического профиля рефлектора представлены ниже со ссылкой на Фиг. 10. Наиболее характерный исходный параметр M предпочтительно выбирается из значений 1,3-1,6. При больших значениях М угол сканирования увеличивается, однако усиление антенны снижается. Уравнение для гиперболического профиля следующее:
где
t -
свободный параметр,
f
- фокальное расстояние.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
В одном варианте осуществления элементы/блоки предложенной антенны находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Конструктивное исполнение элементов предложенного устройства является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы антенны могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках и литье по выплавляемой модели. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.
Несмотря на то что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.