УПРАВЛЯЕМАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА
CONTROLLED LENS ANTENNA SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к микроэлектронике, а более конкретно - к компактным антенным устройствам, применяемым в мобильных средствах связи и в другой аппаратуре, работающей в миллиметровом диапазоне.
С каждый годом у разрабатываемых полупроводниковых интегральных схем (ИС) отмечается повышение плотности компоновки и максимальная рабочая частота. К настоящему времени рабочие частоты коммерческих систем связи и радарных приложений также достигли верхних границ радиодиапазона, распространившись до миллиметровых волн. С появлением кремниевых ИС, обладающих большими функциональными возможностями на более высоких частотах при меньших габаритах и по более низкой стоимости, стало экономически оправдано производство высокочастотных широкополосных ИС как для коммерческого использования, как и для потребительской электронной техники. Высокочастотные широкополосные элементы на основе ИС применяются в настоящее время в связных устройствах, работающих на малых расстояниях в миллиметровом диапазоне порядка 24 ГГц-60 ГГц, и в автомобильных радарах, работающих в диапазоне 24 ГГц-77 ГГц.
Из уровня техники известны конструкции миниатюрных антенн на основе ИС для работы в миллиметровом диапазоне. В частности, в патенте США №7812775 [1]. В патенте описано устройство с фазированной решеткой для работы в миллиметровом диапазоне, включающее: одну кремниевую подложку; электрическую схему для работы в миллиметровом диапазоне, включающую, по меньшей мере, один из следующих элементов: модуль передатчика, в который входит: миллиметровый передатчик, интегрированный в упомянутую подложку; первая антенная система с фазовой решеткой, интегрированная в упомянутую подложку, электрически связанная с упомянутым передатчиком и включающая в себя два или более антенных элемента; модуль приемника, в который входят: миллиметровый приемник, интегрированный в упомянутую подложку; и вторая антенная система с фазовой решеткой, интегрированная в упомянутую подложку, электрически связанная с упомянутым передатчиком и включающая в себя два или более антенных элемента; и одна или более диэлектрических линз, операционно связанных с, по меньшей мере, одной из упомянутых антенных систем для улучшения передачи или приема миллиметровых волн, при этом вся электрическая схема интегрирована в подложку, устраняя, таким образом, необходимость подключения к миллиметровым сигналам вне подложки.
В патенте США №8193994 [2] заявлена система линзовой антенной решетки на ИС, причем система включает в себя: линзу для волн миллиметрового диапазона; антенную решетку, выполненную с возможностью генерации и направленной передачи падающего пучка сигналов миллиметрового диапазона через линзу для волн миллиметрового диапазона для последующей трансляции, причем линза имеет внутреннюю и внешнюю поверхности, кривизна которых выбраны таким образом, чтобы сформировать расходящийся пучок на первой плоскости и незначительно расходящийся пучок на второй плоскости.
Наиболее близкими признаками к заявляемому изобретению обладает техническое решение, описанное в патенте США №7683844 [3]. В этом патенте предложена полупроводниковая сканирующая антенна, состоящая из множества антенных элементов, сформированных в теле полупроводника; межэлементного беспроводного соединения, сформированного в полупроводнике; беспроводной разводки, обеспечивающей связь межэлементного соединения с множеством антенных элементов; и коммуникационной схемы, сформированной в беспроводной разводке, для управления работой множества антенных элементов, при этом коммуникационная схема выполнена с возможностью включения того из множества антенных элементов, который подсоединен к беспроводному соединению, отвечающему за управляющие сигналы и за обеспечение лучевого сканирования.
Основным недостатком всех известных технических решений по данной тематике является то, что они позволяют осуществлять только дискретное переключение направленности. Для плавного сканирования в известных решениях требуется увеличение числа антенн на ИС, что приводит к увеличению размеров ИС, а это допустимо далеко не всегда.
Таким образом, задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке компактной линзовой антенной системы, позволяющей плавное изменение направленности без увеличения размеров ИС.
Технический результат достигается за счет применения нового подхода к конструированию управляемой линзовой антенны. Заявляемая антенная система состоит из антенны на ИС и диэлектрической линзовой антенны, выполненных с возможностью формирования плоской волны, и пластины, выполненной с возможностью отклонения сформированной плоской волны на произвольный угол.
Более детально существо заявляемого изобретения поясняется далее со ссылками на графические материалы.
На Фиг.1 представлена описанная в прототипе [3] схема сканирующей линзовой антенны 100, используемой в системах визуализации. Антенна 100 включает в себя линзу 110 и антенные элементы 120. Линза 110 включает в себя полусферическую часть 112, имеющую радиус R и цилиндрическое продолжение 114, имеющее длину L. Линза 110 может быть изготовлена из диэлектрического материала. Антенные элементы 120 расположены на плоской поверхности цилиндрического продолжения 114. Каждый антенный элемент 120 принимает сигналы посредствам соответствующих лучей 130. Направление луча 130 соответствует смещению X элемента антенны 120 из фокуса 116 линзы 110. Сканирование обеспечивается путем переключения элементов антенны 120, для чего могут потребоваться внешние цепи коммутации. Кроме того, внешняя схема может быть использована для передачи видеосигналов из каждого элемента антенны 120.
1
2
1
2
Заявляемая управляемая линзовая антенная система, представленная на Фиг.2, состоит из интегральной схемы (ИС) 1, из антенны 2 на ИС 1, диэлектрической линзовой антенны 3.1-3.4 и отклоняющей пластины 4.1-4.4. Система, состоящая из антенны 2 на ИС 1 и линзы 3.1-3.4, формирует плоскую волну. Диэлектрическая линзовая антенна может быть однородной или составной и состоять из тела 3.1, 3.2 с относительной диэлектрической проницаемостью ε и вставки 3.4 с относительной диэлектрической проницаемостью ε (ε<ε). Линза также может иметь согласующее покрытие 3.3. Плоская волна отклоняется отклоняющей пластиной 4. Отклоняющая пластина может состоять, например, из керамической пластины 4.2, двух согласующих пластин 4.1, 4.3 и контактов 4.4. Относительную диэлектрическую проницаемость пластин 4.2 изменяют посредством приложенного напряжения. Угол отклонения arcsin(d/s), где d - разность хода, S - расстояние между центрами контактов (см. Фиг.3). Таким образом, угол отклонения может быть выражен как:
<mrow><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>h</mi><mo stretchy="false">(</mo><msqrt><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>p</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msqrt><mo>−</mo><msqrt><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>p</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></msqrt><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
p1
р2
где h - толщина керамической пластины, ε и ε относительные диэлектрические проницаемости различных частей пластины под влиянием различного напряжения. На Фиг.5 показана диаграмма направленности управляемой линзовой антенной системы.
1
2
1
2
В конструктивном отношении заявляемая антенная система на ИС может быть изготовлена на высокорезистивной полупроводниковой подложке. Диэлектрическая линзовая антенна может быть составной и состоять из тела с относительной диэлектрической проницаемостью ε и гиперболоида с относительной диэлектрической проницаемостью ε. Гиперболическая вставка способна значительно уменьшить размеры антенной системы. Для преобразования сферической волны в плоскую волну необходимо поставить источник волн в фокусе гиперболоида (см. Фиг.4). При этом зависимость относительных диэлектрических проницаемостей ε и ε выражается уравнением:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>ε</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ϕ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
2
1
2
1
1
2
1
где φ - угол между осями гиперболоида. Таким образом, в случае φ=90°, ε-2ε. Если учесть диэлектрические потери, мы получим ε<2ε, ε<ε<2ε.
3
Линза также может иметь согласующее покрытие с относительной диэлектрической проницаемостью ε
<mrow><msub><mi>ε</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt></mrow>
Отклоняющая пластина может состоять из сегнетоэлектрических керамических пластин и согласующих слоев. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрических керамических пластин регулируется приложенным напряжением.
Заявляемое изобретение может быть использовано как часть систем миллиметрового диапазона, таких как беспроводные системы передачи данных и автомобильные радары. Причем такой подход позволяет конструировать компактные управляемые линзовые антенные системы также и для более низких частот.