НЕРЕГУЛЯРНАЯ ЛИНЗА И МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА С ДВУМЯ ОРТОГОНАЛЬНЫМИ ПОЛЯРИЗАЦИЯМИ НА ЕЕ ОСНОВЕ
IRREGULAR LENS AND A MULTIBEAM ANTENNA SYSTEM WITH TWO ORTHOGONAL POLARIZATIONS BASED ON IT

Изобретение относится к области радиотехники, в частности - к многолучевым антенным системам для аппаратуры связи мобильного, бортового и стационарного базирования, в том числе, - к терминалам высокоскоростной спутниковой связи, а также - к системам сотовой и подвижной связи.
Для повышения коэффициента направленного действия многолучевых антенных систем используются антенные решетки из линз Люнеберга (см. например, патенты US 2017/0040706 A1 «SPHERICAL LENS ARRAY BASED MULT-BEAM ANTENNAE)) от 09.02.2017, US 2019/0081405 Al «LENS ARRAYS CONFIGURATIONS FOR IMPROVED SIGNAL PERFORMANCE)) от 14.03.2019).
Кроме того, для формирования диаграмм направленности специальной формы используются массивы из линз Люнеберга, сферических и гиперболических линз (патент US 2013/0186451 Al «OFF-ANGLE TRACKER» от 25.07.2013). В патенте WO 2017/173208 A1 «LENSED ANTENNAS FOR USE IN WIRELESS COMMUNICATIONS SYSTEMS)) от 05.10.2017 рассмотрены антенные системы, построенные на основе линейных, плоских и конформных подрешеток, состоящих из линзовых антенн.
Однако, несмотря на многие безусловные преимущества вышеупомянутых технических решений - возможность повышения коэффициента направленного действия в каждом из формируемых лучей, возможность получения диаграмм направленности специальной формы, им присущ и существенный недостаток - решетки из антенных элементов, размеры которых существенно, в 10 и более раз, превышают длину волны в свободном пространстве, характеризуются достаточно высоким уровнем боковых лепестков, причем уровень боковых лепестков может существенно превышать величину - 13.2 дБ, характеризующую синфазный и равноамплитудный раскрыв, что является неизбежным следствием использования прореженных антенных решеток.
Повышение уровня боковых лепестков, присущее разреженным антенным решеткам, и, в частности, антенным решеткам, состоящим из линз Люнеберга, или линз другого типа, приводит к повышению шумовой температуры антенных систем в режиме приема, что ограничивает применение подобных решений в системах связи, которые характеризуются очень слабыми принимаемыми сигналами, и, в частности, - в мобильных терминалах спутниковой связи.
Наиболее близким техническим решением является изобретение по патенту US 2019/0081405 A1 «LENS ARRAYS CONFIGURATIONS FOR IMPROVED SIGNAL PERFORMANCE» от 14.03.2019, принятое за прототип.
В вышеуказанном прототипе рассмотрены технические решения, позволяющие облучить, как минимум, две сферические линзы таким образом, чтобы электромагнитная энергия, фокусируемая первой линзой, не пересекала второй линзы, или большего числа сферических линз, формирующих антенную решетку. Подобный подход дает возможность формировать секторные диаграммы направленности с различной шириной главного лепестка с целью наиболее равномерного распределения излучаемой мощности в пространственно-угловой зоне действия радиотехнической системе связи, в частности - в базовой станции сотовой связи. Выбором оптимального положения облучателей можно добиться минимизации дифракционных лепестков антенной решетки, а также - добиться минимальных провалов диаграммы направленности в пределах сформированного главного лепестка антенной системы, состоящей из массива сферических линз.
Недостатком данного технического решения является сложность существенного снижения уровня боковых лепестков линейной антенной решетки, состоящей из сферических линз при синфазной запитке ее элементов, т.к. для этого существуют три основные возможности, и все они оказываются малоэффективными: - уменьшение шага антенной решетки невозможно в принципе, т.к. ее элементы являются линзовыми антеннами и имеют размеры, существенно большие, чем длина волны в свободном пространстве; - снижение уровня боковых лепестков линзовых элементов может быть достигнуто за счет увеличения числа слоев линзы, а, следовательно - за счет существенного усложнения технологии их производства и увеличения их стоимости; - использование неэквидистантных антенных решеток, во- первых, - малоэффективно, а во-вторых - приводит к увеличению габаритных размеров антенной системы, что ограничивает возможности ее использования в аппаратуре связи бортового и мобильного базирования.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а также снижение уровня боковых лепестков и повышение коэффициента направленного действия многолучевой антенной системы для каждого из формируемых лепестков ее диаграммы направленности.
Решение указанной задачи достигается тем, что, в предложенной нерегулярной линзе, являющейся основой многолучевой антенной системы с двумя ортогональными поляризациями, содержащей осесимметричные линзы, облучаемые линейными массивами облучателей с двумя ортогональными поляризациями, каждый из которых формирует сферическую волну, согласно изобретению, упомянутые линзы выполнены усеченными, размещены на одной оси и объединены в единый блок, при этом каждый массив облучателей выполнен с возможностью облучения усеченной линзы, напротив которой он расположен, и соседних усеченных линз, расположенных в непосредственной близости от нее.
На основе созданной нерегулярной линзы предложена многолучевая антенная система с двумя ортогональными поляризациями, в которой, согласно изобретению, усеченные линзы состоят из электрически малых металлических рассеивателей.
На основе созданной нерегулярной линзы предложена многолучевая антенная система с двумя ортогональными поляризациями, в которой, согласно изобретению, усеченные линзы выполнены из диэлектрика.
Настоящее техническое решение основано на том, что, для снижения уровня боковых лепестков линейной антенной решетки, состоящей из линзовых антенн, распределение электромагнитного поля в направлении вдоль решетки должно быть близким к непрерывному, для чего антенная решетка формируется из пересекающихся между собою соседних линзовых элементов с целью образования в ней пространственных областей, в которых электромагнитное поле формируется не только собственными облучателями каждой из линз, но и - облучателями соседних линз.
Изобретательский уровень предложенного технического решения определяется тем, что антенная решетка формируется из линзовых элементов измененной формы, а именно - из усеченных сферических линз, с постоянным, или же - зависящем от значения координаты значением эффективного коэффициента преломления материала (или -метаматериала) линзы, что является неочевидным для специалиста в данной области техники.
Для достижения уровня боковых лепестков антенной решетки из линзовых элементов, меньшего, чем у синфазного и равноамплитудного излучателя (значения -13.2 дБ), используется спадающее, к краям антенной решетки, амплитудное распределение при питании облучателей линз, составляющих многолучевую антенную систему. Нерегулярная линза может состоять из двух или большего количества усеченных линз, соединенных между собой.
Для реализации возможности формирования каждого из лучей диаграммы направленности многолучевой антенной системы на двух ортогональных поляризациях (линейной - вертикальной и горизонтальной, или ±45°, или круговой - правого и левого направления вращения) нерегулярная линза, состоящая из усеченных линз, должна характеризоваться близкими значениями эффективного коэффициента преломления в различных направлениях (быть практически изотропной) и облучаться антенными элементами с соответствующими видами поляризации. В качестве облучателей могут быть использованы вибраторные элементы с ортогональной поляризацией с рефлекторами и директорами, а также - с соответствующей схемой их питания, для формирования излучения с необходимым видом поляризации. Для более узкой рабочей полосы частот могут использоваться облучатели в виде патч-антенн, щелевые антенны, а также - облучатели волноводного типа.
Нерегулярная линза может быть изготовлена различными способами: 1) - из сплошного диэлектрика. В этом случае она состоит из усеченных сферических линз; 2) - напечатана на 3D-принтере (линза Люнеберга); 3) - состоять из металлических рассеивателей малых электрических размеров, размещенных во вспененном диэлектрике; 4) - состоять из электрически малых металлических рассеивателей, выполненных по технологии производства печатных плат, к которым могут припаиваться поперечные металлические рассеиватели малой электрической длины.
Сопоставительный анализ предложенного устройства с прототипом показал, что предложенное техническое решение существенно отличается от прототипа, так как в прототипе многолучевые антенные системы составлены из целых линз сферической формы, не соприкасающихся друг с другом, а в предлагаемом изобретении нерегулярная линза состоит из объединенных друг с другом усеченных линз, расположенных на одной оси.
Другое отличие состоит в том, что в выбранном прототипе каждый облучатель облучает только свою линзу, а в предлагаемом изобретении каждый облучатель облучает, как свою линзу, напротив которой он расположен, так и соседние линзы, что позволяет реализовать амплитудное распределение, близкое к равномерному, и существенно уменьшить уровень боковых лепестков, по сравнению с прототипом, в котором антенная решетка состоит из отдельных линз, являющихся излучателями больших электрических размеров, что приводит к увеличению уровня боковых лепестков антенной системы.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 показана нерегулярная линза из сплошного диэлектрика, вид спереди, на фиг. 2 показана нерегулярная линза из сплошного диэлектрика, вид сбоку, на фиг. 3 показана нерегулярная линза из сплошного диэлектрика, разрез в плоскости, проходящей через ось симметрии, на фиг. 4 показана нерегулярная линза, состоящая из усеченных линз, каждая из которых составлена из нескольких слоев диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости. Каждая из линз представляет собой линзу Люнеберга с оболочкой. На фиг. 5-7 показана нерегулярная неоднородная линза, составленная из усеченных линз Люнеберга, и ее фрагменты, технология изготовления - 3D-печать. На фиг. 8-9 показана реализация усеченной метаматериальной линзы из параллельных печатных плат с иерусалимскими крестами и поперечными металлическими штырями; метаматериальная линза состоит из электрически малых трехмерных рассеивателей. На фиг. 10-11 показан вариант конструкции многолучевой антенной системы, построенной на основе нерегулярной линзы из сплошного диэлектрика и патч-облучателей с двумя ортогональными поляризациями. На фиг. 12-13 показаны варианты размещения нерегулярной линзы на опорно-поворотной платформе, на фиг. 14 показана диаграмма направленности одного из лепестков антенной системы на основе нерегулярной линзы. В данном варианте конструкции нерегулярная линза и опорные пилоны являются единой диэлектрической деталью; опорные пилоны могут быть также металлическими. На фиг. 15 показана диаграмма направленности одного из лепестков антенной системы на основе нерегулярной линзы, составленной из усеченных линз Люнеберга, каждая из которых составлена из нескольких слоев диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости, на фиг. 16 показана диаграмма направленности одного из лепестков антенной системы на основе нерегулярной линзы, составленной из усеченных линз Люнеберга, технология изготовления - 3D-печать, на фиг. 17 показан облучатель на две ортогональные поляризации в виде четырех монополей с рефлектором, на фиг. 18 показан пример диаграммы направленности облучателя в виде четырех монополей с рефлектором, левая круговая поляризация
Нерегулярная линза является основой многолучевой антенной системы с двумя ортогональными поляризациями, и содержит осесимметричные линзы 1, облучаемые линейными массивами облучателей 2 (или патч-облучателей 2) с двумя ортогональными поляризациями, каждый из которых формирует сферическую волну. Линзы 1 выполнены усеченными, размещены на одной оси и объединены в единый блок 3. Каждый массив облучателей 4 выполнен с возможностью облучения усеченной линзы, напротив которой он расположен, и соседних усеченных линз, расположенных в непосредственной близости от нее.
На основе нерегулярной линзы предложена многолучевая антенная система с двумя ортогональными поляризациями, в которой усеченные линзы состоят из электрически малых металлических рассеивателей.
На основе нерегулярной линзы предложена многолучевая антенная система с двумя ортогональными поляризациями, в которой усеченные линзы выполнены из диэлектрика.
Нерегулярная линза, являющаяся основой многолучевой антенной системы с двумя ортогональными поляризациями, может использоваться следующим образом.
Каждый облучатель 2 создает сферическую волну, большая часть энергии которой проходит через усеченную линзу 1, напротив которой он расположен, а оставшаяся доля энергии его излучения приходится на соседние усеченные линзы, благодаря чему амплитудное распределение поля в раскрыве нерегулярной линзы, составленной из двух и более усеченных линз, выравнивается, и практически компенсируются дифракционные лепестки диаграммы направленности антенной решетки, состоящей из электрически больших излучателей - усеченных линз, составляющих нерегулярную линзу. Подобный способ построения нерегулярной линзы позволяет существенно уменьшить уровень боковых лепестков антенной системы и повысить коэффициент ее направленного действия в каждом из формируемых ее лепестков веерного типа.
На фиг. 4 показан пример реализации усеченной метаматериальной линзы электрически малых трехмерных рассеивателей. Устройство состоит из параллельных печатных плат с металлизацией в виде иерусалимских крестов и системы поперечных металлических штырей, установленных в каждой печатной плате. Нерегулярная линза может быть также реализована путем размещения электрически малых металлических линейных рассеивателей, ориентированных в направлениях х, у, z, во вспененном диэлектрике, либо - путем размещения трехмерных металлических рассеивателей в диэлектрике со значением диэлектрической проницаемости, близким к 1. Достоинством данного подхода является возможность изготовления антенных устройств, функционирующих не только в субмиллиметровом, миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн, но и - в более длинноволновых диапазонах (дециметровом и метровом).
Вариант конструкции многолучевой антенной системы, построенной на основе нерегулярной линзы из сплошного диэлектрика 1 и патч-облучателей 2 с двумя ортогональными поляризациями показан на фиг. 10.
Патч-облучатели нерегулярной линзы представляют собой наиболее простую конструкцию облучателей, которые легко реализовать по технологии производства печатных плат; использование патч- облучателей целесообразно при достаточно узкой полосе рабочих частот антенной системы (с коэффициентом частотного перекрытия не более 1.3-1.5). Для реализации более широкой полосы рабочих частот целесообразно использовать более широкополосные облучатели нерегулярной линзы: вибраторного типа; спирального типа; рупорного типа; логопериодические антенны; антенны Вивальди и другие.
Антенная система функционирует следующим образом. В режиме формирования одного из лепестков диаграммы направленности. Патч-облучатели 2, расположенные на одной прямой линии, параллельной оси симметрии нерегулярной линзы 1, запитываются синфазно; при этом могут использоваться различные схемы деления мощности между облучателями, в которых может быть реализовано, как, - равномерное распределение мощности, так и, - спадающее, к крайним усеченным линзам, составляющим нерегулярную линзу 1, с целью уменьшения уровня боковых лепестков диаграммы направленности.
Каждый облучатель создает сферическую волну, большая часть энергии которой проходит через усеченную линзу, напротив которой он расположен, а оставшаяся доля энергии его излучения приходится на соседние усеченные линзы, благодаря чему амплитудное распределение поля в раскрыве нерегулярной линзы, составленной из двух и более усеченных линз, выравнивается, и практически компенсируются дифракционные лепестки диаграммы направленности антенной решетки, состоящей из электрически больших излучателей - усеченных линз, составляющих нерегулярную линзу. Подобный способ построения нерегулярной линзы позволяет существенно уменьшить уровень боковых лепестков антенной системы и повысить коэффициент ее направленного действия в каждом из формируемых ее лепестков веерного типа.
На фиг. 12 показан вариант размещения нерегулярной линзы 5 на металлической опорно-поворотной платформе 6, а на фиг. 13 - вариант размещения нерегулярной линзы 7, опирающейся на диэлектрические пилоны 8 и 9, на металлической опорно-поворотной платформе 10. При этом нерегулярная линза 7 и диэлектрические пилоны 8 и 9 являются единой диэлектрической деталью, что позволяет увеличить механическую прочность конструкции антенной системы.
На фиг. 14-16 приведены примеры диаграммы направленности антенной системы на основе нерегулярной линзы для различных вариантов ее конструкции: линзы из сплошного диэлектрика, интегрированной с опорными пилонами (фиг. 14); линзы, составленной из усеченных линз Люнеберга, каждая из которых составлена из нескольких слоев диэлектрика с различными значениями диэлектрической проницаемости (фиг. 15); линзы, напечатанной на 3D-принтере, состоящей из усеченных линз Люнеберга (фиг. 16).
Пример конструкции облучателя на две ортогональные поляризации в виде четырех монополей с рефлектором показана на фиг. 17, а пример диаграммы направленности данного облучателя - на фиг. 18.
Использование предложенного технического решения позволит реализовать различные варианты построения многолучевой антенной системы с двумя ортогональными поляризациями, характеризующейся диаграммой направленности веерного типа для каждого из формируемых главных лепестков. Благодаря предложенной конструкции формирования нерегулярной линзы, являющейся основой антенной решетки, состоящей из пересекающихся между собою соседних линзовых элементов, электромагнитное поле в каждом из которых формируется, не только собственными облучателями каждой из линз, но и - облучателями соседних линз, появится возможность существенно снизить уровень боковых лепестков и повысить коэффициент направленного действия многолучевой антенной системы для каждого из формируемых лепестков ее диаграммы направленности,