ПЛАНАРНАЯ ЛИНЕЙНАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С РАСШИРЕННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ЛУЧА
PLANAR LINEAR PHASED ARRAY ANTENNA WITH THE EXTENSION BEAM SCANNING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к антенной технике, в частности, к планарной линейной фазированной антенной решетке с расширенным сканированием луча.
Уровень техники
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 значительных потерь коэффициента усиления. Однако для реализации расширения угла сканирования до 70 градусов требуются специальные средства, особенно для мобильных устройств, поскольку оптимальное направление трафика изменяется в широких пределах.
В настоящее время для увеличения угла сканирования применяются 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.
1. Наличие сложного коммутатора, вводящего дополнительные потери.
2. Большие пространственные размеры.
3. Малая эффективность апертуры антенны в случае коммутируемых антенн.
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 значительные размеры.
Таким образом, все упомянутые технологии не подходят для разработки очень компактных антенных устройств.
Известны некоторые решения, направленные на создание очень компактной фазированной антенной решетки, обеспечивающей сканирование луча в возможно широком диапазоне.
Например, в патенте US 6,496,155 (Поверхностная антенна или решетка осевого излучения с перестраиваемым полным сопротивлением (End-fire antenna or array on surface with tunable impedance)) раскрыта антенна, являющаяся линейной решеткой осевого излучения. Элементы решетки расположены на поверхности печатной платы. Сканирование по азимуту реализуется посредством фазовых соотношений между элементами. Недостаток данной решетки состоит в ограниченном угле сканирования (меньше 40 градусов) вследствие отсутствия достаточно широкого луча элементарного излучателя.
В непатентном документе «Линзовая антенна с формированием луча на кремниевой пластине с высоким удельным сопротивлением для WPAN на 60 ГГц» (Сборник IEEE по антеннам и распространению волн, том. 58, №3, март 2010) («Beamforming Lens Antenna on a High Resistivity Silicon Wafer for 60 GHz WPAN» (IEEE Transaction of Antennas and Propagation vol. 58, No3, March 2010)) раскрыта антенна, являющаяся планарной одномерной сканирующей линзовой антенной. Данная антенна создается посредством технологии печатных плат. Недостатки заключаются в ограниченном угле сканирования (±40 градусов) и необходимости в сложном коммутаторе для задействования управления лучом.
В патенте US 6,987,493 (Электрически управляемая пассивная антенная решетка (Electrically steerable passive array antenna)) раскрыта антенная решетка, включающая в себя активный излучающий элемент и один или более пассивных элементов. Каждый пассивный элемент антенны расположен по кругу вокруг излучающего элемента антенны. Полное сопротивление пассивного элемента изменяется посредством перестраиваемого конденсатора, соединенного с каждым пассивным элементом. Вследствие изменения полного сопротивления фаза вторично излученной волны изменяется, и изменяется в результате направление главного луча. Данная антенна имеет планарную структуру и обеспечивает круговое сканирование в одной плоскости. Недостатки заключаются в значительном уровне обратного излучения, слабой направленности, наличии только одного активного канала, необходимости в активных перестраиваемых элементах и контроллере для них.
В патенте US 8,493,281 (Линза для расширения угла сканирования фазированных антенных решеток (Lens for scanning angle enhancement of phased array antennas)), рассматриваемом в качестве прототипа для настоящего изобретения, раскрыта структура антенны, состоящая из двух основных частей: планарной антенной решетки и структуры из линзы бакибольной формы, охватывающей антенную решетку. Конструкция линзы создана из метаматериала с отрицательным показателем преломления. Планарная антенная решетка используется для создания формирования остронаправленного луча и для ограниченного сканирования. Линза бакибольной формы выполнена с возможностью отклонения луча, сгенерированного фазированной антенной решеткой, приблизительно на 90 градусов. Данное решение также имеет недостатки: антенная решетка имеет очень большие пространственные размеры. Сферическая форма рассеивающей линзы не позволяет применять данное решение для интеграции ее с портативными устройствами, такими как мобильные телефоны и планшетные персональные компьютеры.
Дополнительно, известные прежде антенны, обеспечивающие сканирование луча, имеют такие недостатки, как высокая сложность в производстве и сборке, наличие сложных коммутирующих и питающих схем и частичное использование излучающих элементов.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков для того, чтобы создать весьма компактную фазированную антенную решетку, обеспечивающую сканирование луча не меньше, чем в ±75 градусов. В целом антенна имеет планарную форму и может быть изготовлена на основе технологии печатных плат, однако, не ограничиваясь этим. Данные признаки очень желательны для варианта выполнения антенны внутри компактных устройств для сценария устройств мобильной связи, таких как мобильные телефоны, планшетный персональный компьютер и другие.
По сравнению с аналогами антенна, согласно настоящему изобретению, не имеет никаких перестраиваемых активных сосредоточенных элементов для сканирования луча. Главный признак данной антенны заключается в применении особой отклоняющей структуры, представленной в виде среды из метаматериала, для получения расширенного сканирования луча. Данная среда представляет собой область особой формы внутри структуры печатной платы. Данная область из метаматериала выполняется таким образом, чтобы реализовать дополнительную задержку фронта волны на периферии антенной решетки. Данная фазовая задержка вызывает дополнительное отклонение фронта волны. В качестве задерживающего метаматериала используется металлизированное отверстие внутри печатной платы. Вследствие разной высоты отверстия в области заполнения, получается неравномерная задержка фронта волны. В результате сканирование луча фазированной решетки расширяется от ±55 градусов до ±75 градусов.
Главное отличие настоящего изобретения от прототипа заключается в выполнении отклоняющей области внутри очень тонкой планарной структуры, например, структуры печатной платы. Поэтому описанное устройство может быть разработано в качестве элемента устройств для портативного сценария (мобильные телефоны, планшетный персональный компьютер и другие). В отличие от этого, отклоняющая система прототипа представляет собой сферическую, не компактную, форму.
Согласно одному из вариантов осуществления антенна, согласно настоящему изобретению, представляет собой линейную фазированную решетку. Однако могут использоваться и другие возможные структуры фазированной решетки.
В качестве элементов решетки могут использоваться любые подходящие типы излучателей. Несимметричные вибраторы (монополи) являются предпочтительными, потому что они обеспечивают наилучшее согласование и возможность выполнения в печатной плате. Также при необходимости могут использоваться рамочные излучатели.
Количество излучателей может отличаться, и оно ограничивается только конструктивными требованиями.
Элементы решетки располагаются в среде диэлектрического слоя (подложке печатной платы) между двух горизонтальных параллельных проводящих экранов. Совокупность проводящих экранов и диэлектрика образует планарный волновод. Сзади линии излучателя на расстоянии приблизительно в 1/4 длины волны в диэлектрике для наилучшего согласования и оптимального формирования луча расположен общий рефлектор (отражатель). Решетка излучателей совместно с этим рефлектором образует однонаправленную плоскую волну, распространяющуюся внутри планарного волновода. Волновод образован парой параллельных проводящих экранов и диэлектрическим слоем (подложкой) между упомянутыми проводящими экранами. Оптимальная форма внешней границы планарного волновода представляет собой полукруг, однако возможными также являются любые симметричные кривые (эллипс, парабола и другие), и излучающие элементы решетки располагаются вдоль диаметра. Имеется возможность управлять направлением фронта волны в относительно нормальных пределах посредством изменения фаз в излучателях (вертикальных несимметричных вибраторах). Между решеткой излучения и внешней границей планарного волновода размещена область отклоняющей структуры. Отклоняющая структура состоит из одного или более подблоков отклонения (элементов отклоняющей структуры). Первый подблок отклонения является главным и располагается вплотную к внешней границе планарного волновода. Кроме того, может использоваться второй подблок отклонения, который является вспомогательным и располагается между фазированной решеткой и первым подблоком отклонения.
Согласно одному из вариантов осуществления, выполненный в диэлектрике профиль области первого подблока отклонения имеет подковообразную форму, направленную выпуклой частью к периферии антенны. Ширина области первого подблока отклонения минимальна в центральном направлении и постепенно увеличивается по направлению к боковым сторонам. Сама отклоняющая структура может представлять собой искусственный диэлектрик с различными значениями диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость первого подблока отклонения больше диэлектрической проницаемости слоя диэлектрика, а диэлектрическая проницаемость второго подблока отклонения меньше диэлектрической проницаемости слоя диэлектрика. Искусственный диэлектрик первого подблока отклонения вызывает дополнительную задержку фронта волны, и кроме того, задержка не является постоянной для различных частей фронта волны, потому что ширина первого подблока отклонения также изменяется. Таким образом, когда собственный фронт волны антенной решетки отклоняется, то боковая сторона фронта волны, которая расположена ближе к решетке, будет испытывать большую задержку вследствие большей ширины искусственного диэлектрика. В результате произойдет расширение угла сканирования.
Предназначенный для усиления эффективности отклонения второй подблок отклонения может представлять собой искусственный диэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого меньше диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя. Данная область примыкает к внутренней стороне первого и имеет профиль полумесяца (серпа). Ширина области второго подблока отклонения максимальна в центральном направлении и постепенно уменьшается по направлению к боковым сторонам. Процесс воздействия на фронт волны является обратным тому, который описан выше. Часть фронта волны, которая более удалена от решетки излучателей, проходит через более широкую зону второй области, чем противоположная часть. Вследствие более низкой диэлектрической проницаемости второй области, первая часть фронта волны получает большее ускорение. Данный эффект вызывает дополнительное отклонение всего фронта волны. Область первого подблока отклонения является искусственным диэлектриком, включающим в себя множество металлизированных отверстий в диэлектрическом слое волновода (диэлектрической подложке печатной платы). Каждое металлизированное отверстие является неоднородностью в планарном волноводе и характеризуется некоторым реактивным импедансом, вследствие которого получается дополнительная фазовая задержка. К тому же фазовая задержка и значение диэлектрической проницаемости зависят от высоты отверстий. Расстояние между отверстиями приблизительно равно 1/4 длины волны в подложке, для реализации максимальной прозрачности отклоняющей структуры.
Область второго подблока отклонения является искусственным диэлектриком с более низкой диэлектрической проницаемостью, чем диэлектрическая проницаемость подложки, включающим в себя множество неметаллизированных отверстий. Поскольку эти отверстия для данного случая заполнены воздухом, то эффективная диэлектрическая проницаемость данной области будет меньше диэлектрической проницаемости сплошного диэлектрика. Значение диэлектрической проницаемости при этом определяется плотностью отверстий и диаметром. Проходя через данную среду, волна подвергается дополнительному ускорению по отношению к диэлектрику. Таким образом, в данном случае имеет место двойной эффект дополнительного отклонения фронта волны, в частности, замедление одной стороны фронта и ускорение противоположной стороны. Если генерируется типовая волна в основном направлении (без сканирования), то боковые стороны фронта волны получают одинаковую задержку, вследствие симметричной формы отклоняющей структуры. Однако фронт волны искривляется вследствие более высокой скорости волны в средней части антенны.
Тем не менее, данное искажение может быть скомпенсировано посредством соответствующей коррекции фаз в излучателях. Дополнительно прошедшая через отклоняющую структуру поперечная электромагнитная (TEM) волна проходит к краю антенны и излучается в пространство.
Вследствие чрезвычайно малой высоты планарного волновода, ограниченного толщиной печатной платы, эффективность излучения очень низкая. В таком случае, согласно одному из вариантов осуществления, предлагается использовать преобразование вертикальной поляризации в горизонтальную поляризацию, что позволяет реализовать высокую эффективность излучения. Вертикально поляризованная волна, достигшая края планарного волновода, распределяется по множеству каналов посредством экспоненциальных заужений (трансформаторов), расположенных по краю планарного волновода. Эти заужения представляют собой продолжения планарного волновода. Каждая отделенная волна, прошедшая экспоненциальный трансформатор, попадает в симметричный вибратор, ориентированный горизонтально. Каждая ветвь симметричного вибратора является продолжением верхнего или нижнего проводящего экрана планарного волновода. Эффективная длина симметричных вибраторов является достаточной (приблизительно в ½ длины волны), поэтому согласование с пространством и эффективность излучения являются очень хорошими. При необходимости улучшения полной направленности, перед каждым симметричным вибратором размещается пассивный вибратор.
Согласно другому варианту осуществления конструкция антенны может быть упрощена в случае увеличения ширины волновода, тем самым необходимость в преобразовании поляризации пропадает. Согласно одному из вариантов осуществления, антенна заканчивается гладким краем (кромкой) планарного волновода, и поляризация излучения является вертикальной. Верхний проводящий экран короче нижнего проводящего экрана. Выступающая часть диэлектрического слоя совместно с нижним проводящим экраном служит в качестве согласующего преобразователя между планарным волноводом и пространством.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
На Фиг. 1a-1c представлен общий вид планарной фазированной антенной решетки с расширенным сканированием луча.
На Фиг. 2 изображен фрагмент элементов отклоняющей структуры.
На Фиг. 3 изображен процесс отклонения луча.
На Фиг. 4 продемонстрирован край планарного волновода, заканчивающегося симметричным(и) вибратором(ами).
На Фиг. 5 представлен вариант осуществления антенны, реализующей вертикально поляризованное излучение.
На Фиг. 6a-6b представлены графики диаграмм направленности излучения как для E-плоскости, так и для H-плоскости.
На Фиг. 7 представлен вид аналога, описанного в патенте US 6,496,155.
На Фиг. 8 представлен вид аналога, описанного в документе «Линзовая антенна с формированием луча на кремниевой пластине с высоким удельным сопротивлением для WPAN на 60 ГГц»; Сборник IEEE по антеннам и распространению волн, том.58, №3, март 2010.
На Фиг. 9 представлен вид аналога, описанного в патенте US 6,987,493.
На Фиг. 10 представлен вид прототипа, описанного в патенте US 8,493,281.
Подробное описание
На Фиг. 1a-1c продемонстрирована полная форма настоящего изобретения планарной антенны с линейной фазированной решеткой с расширенным углом сканирования. Излучающая решетка представлена линейкой вертикальных несимметричных вибраторов (1), размещенных в диэлектрическом слое (2) между верхним проводящим экраном (3) и нижним проводящим экраном (4). Объект настоящего изобретения не накладывает ограничений на количество несимметричных вибраторов. Количество излучателей ограничивается только конструктивными требованиями.
Совокупность диэлектрического слоя (2), верхнего проводящего экрана (3) и нижнего проводящего экрана (4) образует планарный волновод. Радиус верхней части каждого несимметричного вибратора (1) больше нижней, для получения лучшего согласования с низким волновым сопротивлением планарного волновода. Решетка излучает в пространство планарного волновода вертикально поляризованную (TEM) волну. Для обеспечения распространения в одном направлении задний общий рефлектор (5) располагается позади несимметричных вибраторов на расстоянии приблизительно в 1/4 длины волны внутри диэлектрического слоя (2). Когда фаза возбуждения является одной и той же для каждого несимметричного вибратора, то фронт волны распространяется нормально к решетке. Направление распространения получает некоторое отклонение, вызванное разностью фаз между несимметричными вибраторами (1). В ходе распространения фронта волны от несимметричных вибраторов (1) к краю планарного волновода (6) плоская волна проходит через область отклоняющей структуры, составленной из первого и второго подблоков отклонения (7a) и (7b). Форма отклоняющей структуры является цилиндрической, и генератор цилиндра является нормальным по направлению к верхнему и нижнему проводящим экранам (3); (4).
На Фиг. 2a-2b изображен образец компонентов верхнего и нижнего подблоков отклонения (7a); (7b). Основание цилиндра первого подблока отклонения (7a) имеет подковообразную форму с шириной, увеличивающейся от направления нормали к бокам. Область первого подблока отклонения (7a) заполнена металлизированными отверстиями (8). Металлизированные отверстия (8) разнесены приблизительно на 1/4 длины волны друг от друга для получения максимальной прозрачности блока отклонения. Множество металлизированных отверстий (8) обладает свойством искусственного диэлектрика, вследствие дополнительной фазовой задержки распространяющейся волны. Данная задержка вызвана реактивным сопротивлением металлизированных отверстий, выступающих в качестве некоторой неоднородности внутри планарного волновода. Диэлектрическая проницаемость данного искусственного диэлектрика выше диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя (2).
С целью усиления действия дополнительного отклонения выполняется второй подблок отклонения (7b). Положение данного блока отклонения заключено между первым блоком отклонения (7a) и несимметричными вибраторами (1). В данном случае, наоборот, область второго подблока отклонения (7b) заполнена полыми отверстиями (9). Диэлектрическая проницаемость перфорированного диэлектрического слоя ниже диэлектрической проницаемости диэлектрика. Область второго подблока отклонения (7b) примыкает к первому подблоку отклонения (7a), и профиль данной области является обратным профилю области первого подблока отклонения. В частности, ширина области максимальна в направлении нормали относительно линии излучателей и постепенно уменьшается к боковым сторонам.
1
Процесс распространения фронта волны изображен на Фиг3. Когда фронт волны(10) отклоняется на угол  вследствие фазового сдвига между сигналами, возбуждающими несимметричные вибраторы (1), то сторона фронта волны, находящаяся ближе к решетке, будет задерживаться больше противоположной стороны вследствие разной длины траекторий распространения внутри задерживающего первого подблока отклонения (7a). Другая сторона фронта волны, наоборот, ускоряется вследствие более длинной траектории внутри второго блока отклонения (7b) с меньшей диэлектрической проницаемостью искусственного диэлектрика. Поэтому, в данном случае имеет место двойной эффект отклонения фронта волны (10) посредством замедления одной стороны фронта волны и ускорения второй. Начальный угол сканирования получает дополнительное значение . Таким образом, например, угол сканирования в ±60 градусов расширяется до ±(75-80) градусов. В случае нормального распространения (без отклонения луча), обе стороны фронта волны имеют одинаковую задержку, потому что структура является симметричной, и нет никакого формирования дополнительного отклонения.
После отклоняющей структуры распределенная поперечная электромагнитная волна достигает края (6) планарного волновода. Однако излучение вертикально поляризованной волны является незначительным из-за чрезвычайно малой высоты волновода. Максимальная высота ограничена толщиной печатной платы. Достаточное согласование с пространством может быть осуществлено посредством преобразования вертикальной поляризации в горизонтальную поляризацию.
Процедура преобразования поляризации изображена на Фиг. 4. Волна на краю планарного волновода разделяется и распределяется посредством экспоненциальных трансформаторов (11). Трансформаторы являются продолжениями планарного волновода. Далее, распределенные волны излучаются посредством десятков горизонтальных симметричных вибраторов (12). Длина горизонтально ориентированных симметричных вибраторов является достаточной для требуемого согласования всей антенны с пространством. При необходимости улучшения направленности, перед каждым симметричным вибратором (12) размещается пассивный вибратор (директор) (13).
Область излучения антенны согласно одному из вариантов осуществления, в соответствии с настоящим изобретением, изображена на Фиг. 5.
На Фиг. 6a-6b представлен график диаграмм направленностей излучения для обеих E-; H-плоскостей.
sp
sp
Фактически конструкция антенны может быть упрощена. Таким образом, если в частном применении можно взять более толстый диэлектрический слой (2), то потребность в преобразовании поляризации исчезает, потому что согласование планарного волновода с пространством улучшается с увеличением его высоты. В данном случае антенна заканчивается гладким краем планарного волновода, и поляризация излучения является вертикальной. Верхний проводящий экран (3) короче нижнего проводящего экрана (4). Выступающая часть (14) диэлектрического слоя совместно с нижним проводящим экраном служит в качестве согласующего преобразователя между планарным волноводом и пространством. Однако для выполнения данной версии антенны необходимо наличие строгого ограничения на ширину диэлектрического слоя (2). В частности, высота антенны должна быть более 0,5 λ, где λ является длиной волны в слое диэлектрика (2).
0
0
Высота предложенной антенны с преобразованием поляризации может составлять приблизительно 0,08 λ или более, где λ является длиной волны в пространстве.
Ссылочные позиции
1 - вертикальный несимметричный вибратор
2 - диэлектрический слой
3 - верхний проводящий экран
4 - нижний проводящий экран
5 - общий рефлектор
6 - кромка волновода
7a,b - первый и второй подблок отклонения
8 - металлизированное отверстие
9 - полое отверстие
10 - фронт волны
11 - экспоненциальный трансформатор
12 - горизонтальный симметричный вибратор
13 - пассивный вибратор
14 - выступающая часть
15 - диаграмма направленности в центральном направлении
16 - диаграмма направленности максимально отклоненного главного луча.