ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА
LENS ANTENNA

Область техники
Изобретение относится к области антенной техники, в частности, к новым линзовым антеннам, предназначенным для использования в различных приложениях систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн, таких как системы радиорелейной связи типа "точка-точка" и транспортные сети систем мобильной сотовой связи, радары, спутниковые и межспутниковые системы связи, локальные и персональные системы связи, и другие.
Уровень техники
Запрос на повышение скорости передачи данных приводит к все большему применению различных систем радиосвязи, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью использования широкой полосы частот, доступной в данном диапазоне, и, с другой стороны, значительным технологическим прогрессом, достигнутым в последние десятилетия, по созданию современных, эффективных и дешевых в массовом производстве приемопередатчиков в частотных диапазонах от 30 ГГц до более чем 100 ГГц. К современным системам радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн относятся, в частности, радиорелейные станции, обеспечивающие связь типа «точка-точка» и «точка-многоточка», автомобильные радары, системы локальной беспроводной радиосвязи, и некоторые другие.
Эффективность систем связи миллиметрового диапазона радиоволн определяется во многом характеристиками используемых антенн. Такие антенны должны, как правило, обладать высоким значением коэффициента усиления и, как следствие, формировать узкий луч диаграммы направленности. В этом случае антенны обеспечивают эффективную (то есть, с максимальной скоростью) передачу сигнала на большое расстояние, но требуют точной юстировки узких лучей двух станций радиосвязи друг на друга.
Требование высокого значения коэффициента усиления обусловлено малой в рассматриваемом диапазоне длиной волны распространяющегося излучения, что приводит к трудностям при передаче сигнала на большие расстояния при недостаточных коэффициентах усиления антенн. Также в данном диапазоне длин волн наблюдается сильное влияние погодных условий и атмосферных поглощений (так в диапазоне частот около 60 ГГц велико влияние линии поглощения кислорода, что приводит к дополнительному затуханию сигнала на 11 дБ/км).
К известным конфигурациям антенн миллиметрового диапазона длин волн, которые обеспечивают высокое значение коэффициента усиления, относятся антенные решетки (включая решетки щелевых антенн, реализованных в металлическом волноводе), зеркальные антенны (например, параболические антенны и антенны Кассегрейна), различные типы линзовых антенн (например, тонкие линзы с вынесенным облучателем, линзы Френеля, линзы Люнеберга, искусственные линзы из решетки переизлучателей). Для обеспечения большого значения коэффициента усиления все такие антенны имеют размер излучающей апертуры, который намного превышает рабочую длину волны. Обзор различных конфигураций апертурных антенн дан, например, в книге Y.T. Lo, S.W Lee, Antenna Handbook. Volume II: Antenna Theory, Springer, 1993, pp. 907.
Развитие технологий апертурных антенн происходит в нескольких направлениях. С одной стороны большое значение коэффициента усиления обеспечивается простым увеличением площади излучающей апертуры, что требует в основном усовершенствования технологий по точному изготовлению зеркал рефлекторных антенн, линз, других вторичных фокусирующих устройств большого размера. С другой стороны, при заданном размере апертуры увеличение коэффициента усиления обеспечивается повышением апертурной эффективности антенны (отношение эффективной и реальной площадей апертурной антенны), улучшением уровня согласования по импедансу и увеличением коэффициента полезного действия (КПД) антенны. Для этого предлагается множество новых и усовершенствованных конструкций апертурных антенн.
Увеличение коэффициента усиления апертурной антенны в общем случае обеспечивается за счет формирования более равномерного амплитудно-фазового распределения на эквивалентной апертуре антенны. Например, в рупорно-линзовых антеннах это может обеспечиваться за счет вставки в рупор диэлектрической линзы такой формы, чтобы обеспечить выравнивание фазового фронта излучаемой волны. Одна из реализаций рупорно-линзовой антенны раскрыта, в частности, в US 6859187 В2, опубл. 22.02.2005. Однако, несмотря на увеличение коэффициента усиления, такие антенны имеют большие габариты (а именно, осевой размер), достаточно сложны и, как следствие, дорогостоящи в изготовлении.
Поэтому, в новых конструкциях апертурных антенн миллиметрового диапазона длин волн также важным является простота реализации и установки и широкая полоса частот пропускания. Одним из наиболее перспективных типов антенн, способных обеспечить высокое значение коэффициента усиления в широком диапазоне частот, и имеющих простую конструкцию, является линзовая антенна с интегрированным антенным элементом (см., например, W.В. Dou and Z.L. Sun, "Ray tracing on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses," International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 16, pp. 1993-2002, No. 1L, 1995 и A. Karttunen, J. Ala-Laurinaho, R. Sauleau, and A. V. Raisanen, "Reduction of internal reflections in integrated lens antennas for beam-steering," Progress In Electromagnetics Research, Vol. 134, pp. 63-78, 2013).
Из US 5706017 А, опубл. 06.01.1998, известна линзовая антенна с интегрированным антенным элементом, обеспечивающая высокое значение коэффициента усиления в широком диапазоне частот. Увеличение значения коэффициента усиления в такой антенне достигается за счет использования линзы определенной формы, обеспечивающей фокусирование излучения в некотором пространственном направлении от первичного антенного элемента, который установлен в фокальной плоскости линзы на ее поверхности. Форма коллимирующей части линзы рассчитывается напрямую из ее диэлектрических свойств, в частности, диэлектрической проницаемости (ε>1). Канонической формой коллимирующей части линзы в рассматриваемых антеннах является полуэллипсоид вращения или полусфера. Неколлимирующая часть линзы при этом выполняется в виде удлинения различной формы требуемого размера. В данном устройстве за счет расположения первичного антенного элемента непосредственно на плоской поверхности линзы решается также задача позиционирования антенного элемента точно относительно фокуса линзы, что предопределяет простоту конструкции и сборки антенны.
Раскрытая в US 5706017 А линзовая антенна обеспечивает сканирование луча при использовании решетки переключаемых первичных антенных элементов. Такая возможность обусловлена свойством линзовой антенны по угловому отклонению луча относительно оси линзы при смещении первичного антенного элемента вдоль плоской поверхности линзы, на которой он установлен. Сканирование луча используется для упрощения и автоматизации подстройки луча в станциях радиорелейной связи типа "точка-точка", что является актуальной задачей при разработке апертурных антенн в силу узкого луча диаграммы направленности.
Известная из US 5706017 А линзовая антенна показана на фиг. 1. В общем случае линзовая антенна включает линзу и антенный элемент, являющийся первичным антенным элементом. Линза состоит из коллимирующей части и части удлинения, выполненных за одно из диэлектрического материала. На части удлинения линзы выполнена приблизительно плоская площадка, которую пересекает ось коллимирующей части линзы, а антенный элемент жестко зафиксирован на площадке. Преимуществами такой антенны являются простота и дешевизна изготовления, а также удобство сборки и позиционирования первичного антенного элемента в некотором положении относительно фокуса линзы.
Для обеспечения фокусирования излучения от первичного антенного элемента в некотором направлении коллимирующая часть линзы имеет эллиптическую (или квазиэллиптическую) форму с эксцентриситетом, обратно пропорциональным коэффициенту преломления материала линзы. Часть удлинения линзы при этом может иметь различную форму, например, цилиндрическую толщиной, равной фокусному расстоянию эллипсоида вращения. В случае, когда требуемый диаметр антенн небольшой, то возможно использование линз, имеющих модифицированную форму, например, полусферическую, гиперполусферическую, или эллиптическую с измененным эксцентриситетом.
В линзовой антенне, раскрытой в US 5706017 А, в качестве первичного антенного элемента используется планарная логопериодическая спиральная антенна. Достоинствами такой антенны является широкая полоса частот и возможность подключения между рукавами антенны детекторного элемента. Однако коэффициент направленного действия спиральной антенны определяется ее размерами, которые рассчитываются исходя из требований широкополосности. Это приводит к сложности оптимизации коэффициента направленного действия спиральной антенны для эффективной засветки диэлектрической линзы определенной геометрии и, как следствие, сложности максимизации коэффициента направленного действия всей линзовой антенны. Кроме того, такая антенна достаточно чувствительна к неточностям изготовления и имеет высокий уровень обратного излучения при интегрировании на линзу.
В некоторых известных устройствах линзовых антенн с конкретными типами интегрированных антенных элементов усовершенствования направлены на увеличение коэффициента усиления за счет модификации формы линзы при использовании некоторых типов планарных антенных элементов.
Указанная задача решалась, например, в US 6590544 В1, опубл. 08.07.2003. Известная из US 6590544 В1 линзовая антенна содержит диэлектрическую линзу с коллимирующей частью и частью удлинения, выполненными из диэлектрического материала, при этом на части удлинения выполнена приблизительно плоская площадка, которую пересекает ось коллимирующей части, и на которую устанавливается по меньшей один антенный элемент, при этом часть удлинения линзы состоит из множества диэлектрических слоев (см. фиг. 2). Увеличение коэффициента направленного действия в такой линзовой антенне для некоторого первичного антенного элемента обеспечивается за счет подбора толщин и количества диэлектрических слоев, из которых состоит часть удлинения. Линзовая антенна, раскрытая в US 6590544 В1, выбрана в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.
Однако рассмотренный подбор толщины удлинения линзы в ближайшем аналоге будет справедлив только для конкретного первичного антенного элемента. При изменении структуры антенного элемента, выбранное значение толщины удлинения не будет наилучшим. Поэтому, найденное оптимальное положение одного антенного элемента оказывается неэффективным для другого (с другими характеристиками диаграммы направленности в теле линзы). В наиболее близком аналоге используются антенные элементы в виде двух щелей, спиральных антенн, дипольного вибратора с треугольными плечами. Очевидно, что для обеспечения максимизации коэффициента направленного действия линзовой антенны при использовании каждого из таких антенных элементов, толщина и число слоев в части удлинения линзы может быть различна.
Кроме того, раскрытая как в ближайшем аналоге, так и в других описанных выше аналогах, структура линзовой антенны может быть эффективно использована только в тех системах радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн, где требуемый размер линзы меньше 10 длин волн в свободном пространстве. Для линз с большим диаметром можно показать, что при любых модификациях формы линзы (относительно канонической полуэллиптической с толщиной части удлинения равной фокусу линзы) распределение поля на эквивалентной круглой апертуре с увеличением диаметра линзы начинает претерпевать фазовые искажения так, что ближе к краям апертуры фаза сигнала меняется на противоположную. Это приводит к существенному ухудшению коэффициента направленного действия линзовой антенны. Поэтому, для создания линзовых антенн диаметром более 10-20 длин волн в свободном пространстве необходимо использовать линзы канонической полуэллиптической формы с фиксированной толщиной части удлинения линзы, равной фокусному расстоянию линзы. Применение структуры антенны, предложенной в ближайшем аналоге, для максимизации коэффициента направленного действия в этом случае становится неэффективным.
Также интегрированная линзовая антенна с электронным сканированием луча раскрыта в статье A. Artemenko et al., "Millimeter-Wave Electronically Steerable Integrated Lens Antennas for WLAN/WPAN Applications", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 4, 1 April 2013, pp. 1665-1671. Раскрытая линзовая антенна включает полусферическую линзу с цилиндрическим продолжением, четыре переключаемых микрополосковых антенных элемента и схему распределения сигнала. Однако, в конструкции такой антенны отсутствует возможность увеличения коэффициента направленного действия, так как в качестве облучателей линзы используются стандартные микрополосковые антенные элементы.
Также, US 2008/284655 A1, опубл. 20.11.2008, раскрывает полупроводниковую антенну, включающую антенные элементы, сформированные на одной полупроводниковой микросхеме с переключающей схемой, сконфигурированной для включения/выключения антенных элементов. Несмотря на реализацию антенных элементов на полупроводниковом кристалле, они имеют ту же самую микрополосковую структуру, которая не может быть оптимизирована для обеспечения оптимальной засветки линз и, посредством этого, для увеличения коэффициента усиления всей линзовой антенны.
Еще одна диэлектрическая линзовая антенна, возбуждаемая подключенным напрямую открытым концом волновода с диэлектрическим клином внутри, известна из статьи Fernandes С.A. et al., "Shaped Coverage of Elongated Cells at Millimetre Waves Using a Dielectric Lens Antennas", Proceedings of the 25th. European Microwave Conference 1995. Bologna, Sept. 4-7, 1995, pp. 66-70. В данной статье раскрыта возможность использования в качестве облучателя линзы полого волновода, который также служит и в качестве линии (фидера), подводящей сигнал к антенне. В этом случае излучающий раскрыв волновода не может быть оптимизирован по размеру для обеспечения оптимальной засветки внутренней поверхности линзы, что обусловлено тем фактом, что поперечное сечение подводящего волновода должно быть строго зафиксировано так, чтобы обеспечивать распространение только одной ТЕ 10 моды электромагнитного поля. В этом смысле подводящий волновод неэффективен и не может быть адаптирован для оптимальной засветки линз, выполненных из различных диэлектриков.
Таким образом, задачей изобретения является увеличение коэффициента направленного действия линзовой антенны при использовании линз любого, в том числе большого (>20 длин волн), диаметра. Другой задачей является обеспечение высокого КПД и улучшение уровня импедансного согласования в устройстве линзовой антенны. Решение этих задач позволяет увеличить коэффициент усиления линзовой антенны и, тем самым, увеличить эффективность систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн.
Сущность изобретения
В разработанной линзовой антенне, так же, как в ближайшем аналоге, используется линза и, по меньшей мере, один антенный элемент. Линза состоит из коллимирующей части и части удлинения, сформированных за одно из диэлектрического материала. На части удлинения линзы выполнена приблизительно плоская площадка, которую пересекает ось коллимирующей части, а антенный элемент жестко зафиксирован на площадке. Разработанная линзовая антенна отличается от ближайшего аналога тем, что антенный элемент выполнен в виде полого волновода, излучающий раскрыв которого обращен к линзе, а сам антенный элемент содержит переходную область между входным раскрывом полого волновода и его излучающим раскрывом. При этом переходная область имеет переменное по длине сечение, а антенный элемент содержит диэлектрическую вставку с формой поперечного сечения, совпадающей по существу с формой излучающего раскрыва. Указанная диэлектрическая вставка и диэлектрическая линза выполнены за одно из одного материала.
В разработанной линзовой антенне диэлектрическая линза обеспечивает фокусирование излучения от антенного элемента в некотором направлении, формируя узкий луч диаграммы направленности. Плоская площадка предназначена для установки на нее антенного элемента, что обеспечивает простоту позиционирования антенного элемента в фокальной плоскости в заданном положении относительно оси линзы.
Коэффициент усиления в разработанной линзовой антенне оказывается увеличен за счет выполнения антенного элемента в виде полого волновода с излучающим раскрывом, установленного на плоской площадке диэлектрической линзы. Введение диэлектрической вставки в полость волновода антенного элемента в разработанной линзовой антенне решает одновременно задачу обеспечения требуемого уровня согласования по импедансу в широкой полосе частот, что усиливает эффект увеличения коэффициента усиления. Такая вставка располагается с примыканием к плоской площадке линзы, обеспечивая тем самым переходную область между волноводом и линзой. В разработанной линзовой антенне также обеспечивается высокий КПД, так как антенный элемент, выполненный в виде полого металлического волновода, имеет малый уровень потерь при распространении в нем сигнала миллиметрового диапазона длин волн.
Выполнение диэлектрической вставки и диэлектричекой линзы за одно из одного материала позволяет облегчить изготовление и сборку линзовой антенны, так как отпадает необходимость механического присоединения вставки к плоской площадке линзы или внутрь полости волновода.
Согласно одному из вариантов реализации размер излучающего раскрыва волновода определен заранее заданной шириной главного лепестка и значениями уровней боковых лепестков диаграммы направленности линзовой антенны. Вариации размера и формы излучающего раскрыва волновода антенного элемента позволяют контролировать засветку коллимирующей части линзы и, тем самым, обеспечивать требуемое распределение электромагнитного поля на эквивалентной круглой апертуре линзы, которое и создает диаграмму направленности линзовой антенны с заранее заданной формой и шириной луча. Так, при увеличении размера излучающего раскрыва волновода антенный элемент обеспечивает более сфокусированное излучение в теле линзы и, тем самым, эффективно засвечивает только центральную область коллимирующей части линзы. Это приводит к уменьшению размера эквивалентной круглой апертуры линзовой антенны и, как следствие, к увеличению ширины луча и уменьшению уровня боковых лепестков диаграммы направленности. В случае небольшого размера (~λ/3-λ, где λ - длина волны в свободном пространстве) излучающего раскрыва волновода антенный элемент формирует более широкое излучение в теле линзы, что приводит к уменьшению ширины луча и увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности линзовой антенны. В частном случае требуемые форма и ширина основного луча и уровни боковых лепестков диаграммы направленности могут быть выбраны так, что достигается максимальное значение коэффициента направленного действия линзовой антенны.
Согласно другому варианту реализации разработанная линзовая антенна выполнена с возможностью осуществления контроля направления главного лепестка диаграммы направленности за счет расположения антенного элемента на площадке линзы в различных положениях относительно оси линзы. Это обусловлено свойством линзовых антенн по отклонению луча при смещении антенного элемента относительно оси линзы.
Согласно одному из вариантов реализации форма поперечного сечения диэлектрической вставки соответствует форме излучающего раскрыва волновода. Такая структура позволяет наиболее просто обеспечить требуемый уровень согласования по импедансу в широкой полосе частот.
В одном из вариантов реализаций длина диэлектрической вставки меньше длины волновода, что обеспечивает простоту установки вставки в волновод и эффективное соединение с внешними волноводными устройствами (например, приемопередатчиком).
Согласно другому варианту реализации излучающий раскрыв волновода имеет прямоугольную форму. В этом случае возможен вариант, когда линза выполнена из материала с диэлектрической проницаемостью в диапазоне от 2,0 до 2,5, а длина каждой стороны излучающего раскрыва волновода для увеличения коэффициента направленного действия выбирается из диапазона 0,6λ-1,0λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.
Согласно еще одному варианту реализации излучающий раскрыв волновода имеет круглую форму. В этом случае возможен вариант, когда линза выполнена из материала с диэлектрической проницаемостью в диапазоне от 2,0 до 2,5, а диаметр излучающего раскрыва волновода для увеличения коэффициента направленного действия выбирается из диапазона 0,6λ-1,0λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.
Согласно еще одному варианту реализации излучающий раскрыв волновода имеет эллиптическую форму. В этом случае возможен вариант, когда линза выполнена из материала с диэлектрической проницаемостью в диапазоне от 2,0 до 2,5, а малая и большая полуоси эллиптического излучающего раскрыва волновода для увеличения коэффициента направленного действия выбираются из диапазона 0,6λ-1,0λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.
Еще в одном из вариантов реализации коллимирующая часть линзы имеет форму полуэллипсоида вращения. В другом варианте реализации коллимирующая часть линзы имеет форму полусферы. Согласно одному из вариантов реализации поверхность части удлинения линзы является поверхностью вращения, например, имеет форму цилиндра или усеченного конуса. Усечение конусом части удлинения линзы способствует уменьшению веса линзы и обеспечивает возможность расположения антенных элементов на площадке, расположенной под углом, отличным от 90° по отношению к оси линзы.
Согласно еще одному из вариантов реализации входной раскрыв волновода соединен с приемопередатчиком для обеспечения приема/передачи и обработки информационного сигнала. При этом в одном из вариантов реализации для перехода с сечения излучающего раскрыва волновода первичного антенного элемента на сечение волноводного интерфейса приемопередатчика используется некоторая переходная (ступенчатая или плавная) область. Линзовая антенна в такой реализации обеспечивает простоту соединения антенного элемента и приемопередатчика.
Согласно одному из вариантов реализации линзовая антенна также содержит блок переключения для подачи сигнала, по меньшей мере, на один антенный элемент. В таком варианте линзовая антенна обеспечивает возможность электронного сканирования положением луча, что может быть эффективно использовано для автоматической юстировки антенны или для подстройки луча в ходе эксплуатации.
Дополнительные особенности и преимущества заявляемого изобретения могут быть понятны из последующего описания предпочтительных вариантов реализации со ссылками на чертежи. Сходные элементы на чертежах показаны с одинаковыми позиционными обозначениями.
Линзовая антенна предназначена для применения в системах радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн типа «точка-точка»
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана общая структура линзовой антенны с установленным на ее плоскую поверхность антенным элементом (уровень техники).
На фиг. 2 представлена структура линзовой антенны, в которой часть удлинения линзы состоит из множества диэлектрических слоев (уровень техники).
На фиг. 3 представлен пример выполнения линзовой антенны в соответствии с одной реализацией настоящего изобретения.
На фиг. 4 представлены различные формы линз в соответствии с настоящим изобретением: а) часть удлинения в виде цилиндра, б) часть удлинения в виде усеченного конуса.
На фиг. 5 изображена структура диэлектрической линзовой антенны с несколькими антенными элементами и блоком переключения, что обеспечивает возможность электронного сканирования луча.
На фиг. 6 показана зависимость коэффициента направленного действия от размера излучающего раскрыва волновода для линзы из политетрафторэтилена (ε=2,1) диаметром 40 мм на частоте 60 ГГц.
2
2
На фиг. 7 показаны сечения диаграмм направленности линзы из политетрафторэтилена диаметром 40 мм на частоте 60 ГГц при размерах излучающего раскрыва волновода в 2,5×3,3 мм и 5,0×6,6 мм.
На фиг. 8 показаны зависимости коэффициента отражения политетрафторэтиленовой линзовой антенны при использовании и без использования диэлектрической вставки.
На фиг. 9 показаны зависимости отклонения луча линзами из кремния, кварца и политетрафторэтилена от относительного смещения первичного антенного элемента от оси линзы.
Подробное описание изобретения
Разработанная линзовая антенна решает задачу увеличения коэффициента усиления в линзовых антеннах большого диаметра (более 10-20 длин волн в свободном пространстве, что требуется для радиорелейной связи типа "точка-точка" миллиметрового диапазона длин волн. Пример выполнения линзовой антенны согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения показан на фиг.3. Антенна включает линзу 1 и антенный элемент 2, являющийся первичным антенным элементом. Линза 1 состоит из коллимирующей части 8 и части удлинения 9, выполненные за одно из диэлектрического материала и показанные на фиг. 4. Антенный элемент 2 выполнен в виде полого волновода 3 с переходной областью 4 между входным раскрывом и обращенным к линзе излучающим раскрывом с шириной Wae и содержит диэлектрическую вставку 5. На части удлинения 9 линзы 1 выполнена по существу плоская площадка 6, а антенный элемент 2 жестко зафиксирован на площадке 6 с помощью винтов 7.
Как отмечено выше, полый волновод 3 содержит излучающий раскрыв, установленный на плоской площадке 6 линзы 1, что позволяет называть полый волновод 3 как излучающий волновод при последующем описании.
В разработанной линзовой антенне за счет определенного размера излучающего раскрыва волновода 3, зафиксированного на площадке 6 линзы 1, обеспечивается контроль формы диаграммы направленности антенного элемента 2 в теле линзы 1, что позволяет увеличить коэффициент направленного действия разработанной линзовой антенны.
Преимущество данного примера выполнения разработанной линзовой антенны заключается также и в возможности подведения сигнала с помощью волноводов любых (в том числе стандартных) размеров за счет изготовления их за одно с антенным элементом 2 посредством переходной области 4 с переменным (в том числе и ступенчатым) сечением.
В разработанной линзовой антенне диэлектрическая вставка 5 в антенном элементе 2 обеспечивает компенсацию неоднородности в виде границы волновод-диэлектрическое пространство, препятствующей прохождению электромагнитного сигнала миллиметрового диапазона длин волн. Такая неоднородность, возникающая при отсутствии вставки 5, приводит к большому значению коэффициента отражения сигнала, что уменьшает итоговый коэффициент усиления антенны. Компенсация такой неоднородности за счет введения в структуру линзовой антенны вставки 5 приводит к увеличению коэффициента усиления и улучшению уровня согласования по импедансу. Данная вставка 5 позволяет при некоторых геометрических параметрах и значении диэлектрической проницаемости обеспечить плавную трансформацию электромагнитного поля, что существенно уменьшает влияние неоднородности волновод-диэлектрическое пространство в широкой полосе частот. Введение в линзовую антенну диэлектрической вставки 5 не приводит к значимому изменению ширины диаграммы направленности первичного антенного элемента 2, которая определяется по существу только размером излучающего раскрыва волновода 3 и материалом линзы 1. Это позволяет проще проводить максимизацию коэффициента направленного действия и минимизацию коэффициента отражения независимо друг от друга.
Для эффективного обеспечения уменьшения коэффициента отражения должны быть подобраны форма, размер и толщина диэлектрической вставки 5. При этом они могут быть различными для различных значений диэлектрической проницаемости материала вставки 5. В одном из вариантов вставка 5 может быть выполнена из того же материала, что и линза 1. В одном из предпочтительных вариантов, поперечное по отношению к оси волновода 3 сечение диэлектрической вставки 5 имеет ту же форму, что и излучающий раскрыв волновода 3. При этом, форма продольного по отношению к оси волновода 3 сечения вставки 5 может быть прямоугольной, треугольной, трапециевидной, или любой другой.
Для достижения определенных характеристик диаграммы направленности линзовой антенны могут использоваться различные формы излучающего раскрыва волновода 3. В частных случаях данная форма имеет прямоугольную, круглую или эллиптическую форму. При длине диэлектрической вставки 5 меньше длины волновода 3 антенного элемента 2 кроме согласования по импедансу обеспечивается и простота изготовления и сборки. Использование различных форм излучающего раскрыва волновода эффективно при приеме или излучении электромагнитных волн с различными поляризациями. Так, прямоугольный раскрыв используется для приема и/или излучения сигнала с линейной или двумя ортогональными линейными поляризациями. Круглый раскрыв обеспечивает прием или передачу сигналов с любыми, в том числе и с круговой или эллиптической, поляризациями.
Крепление антенного элемента 2 на площадку 6 линзы 1 может осуществляться различными способами в разных реализациях. Как указано выше, в одном из предпочтительных вариантов реализации крепление антенного элемента 2 осуществляется с помощью винтов 7 и отверстий с резьбой, выполненных в диэлектрической линзе 1. В других вариантах крепление антенного элемента 2 может осуществляться, например, с помощью приклеивания волновода 3 на площадку 6 линзы 1, прижима волновода 3 и линзы 1 с помощью механических средств, ввинчивания волновода 3 в специально выполненное отверстие с резьбой в линзе 1, или навинчивания волновода 3 на часть линзы 1 с внешней резьбой.
Крепление диэлектрической вставки 5 в разработанной линзовой антенне в таком положении, чтобы один из ее торцов примыкал к площадке 6 линзы 1, также может осуществляться различными способами. В одном из предпочтительных вариантов и линза 1, и вставка 5 в волновод 3 могут быть выполнены за одно, что существенно упрощает сборку антенны и позиционирование элементов друг относительно друга. В других вариантах вставка 5 может быть приклеена к площадке 6 линзы 1 или закреплена тем или иным способом (например, запрессована) на внутренней поверхности волновода.
Эффективность использования линзовых антенн для различных применений радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн определяется также наличием и широкой доступностью материалов для изготовления линзы. Основное требование к таким материалам - низкое значение тангенса диэлектрических потерь. В миллиметровом диапазоне радиоволн для изготовления линзы могут использоваться такие материалы, как полипропилен, полистирол, полиэтилен, капролон, полиамид, поликарбонат, полиметилпентен, политетрафторэтилен, органическое стекло, плавленый кварц, рексолит, высокорезистивный кремний, и другие. При этом технологически линза может быть изготовлена с помощью технологий литья под давлением, токарно-фрезерной обработки, формовкой и т.п.
В конкретных реализациях диэлектрическая линза может быть окрашена с эстетическими целями или с целью указания некоторой информации на ее внешней поверхности (например, логотипа изготовителя). В других реализациях линза может быть покрыта радиопрозрачным колпаком для защиты от налипания снега, пыли и других внешних воздействий. Такой колпак может иметь различные формы и быть выполнен из стандартных материалов (текстолит, акрилонитрилбутадиеновый пластик, и другие), использующихся для изготовления радиопрозрачных колпаков для других апертурных антенн (например, параболических антенн, антенн Кассегрейна, и других).
В конкретной реализации линзовая антенна по фиг. 4а включает линзу 1 и антенный элемент 2. Линза 1 состоит из коллимирующей части 8, имеющей форму полуэллипсоида вращения, и части 9 удлинения, имеющей форму цилиндра. Часть 8 выполнена за одно с частью 9, причем части 8 и 9 линзы 1 выполнены из диэлектрического материала. На части 9 удлинения линзы 1 выполнена приблизительно плоская площадка 6, а антенный элемент 2 жестко зафиксирован на площадке 6. Эксцентриситет полуэллипсоида вращения коллимирующей части 8 линзы 1 в данном случае обратно пропорционален коэффициенту преломления материала линзы, а толщина части 9 равна фокусному расстоянию эллипсоида коллимирующей части 8, что требуется для обеспечения фокусирующих свойств линзы 1. Такая форма является необходимой при создании антенн диаметром более 20 длин волн в свободном пространстве. Модификация формы линзы от описанной выше для антенн такого размера приводит к существенному уменьшению коэффициента направленного действия.
В другой конкретной реализации линзовая антенна по фиг. 4б включает линзу 1 и антенный элемент 2. Линза 1 состоит из коллимирующей части 8, имеющей форму полуэллипсоида вращения, и части 9 удлинения, имеющей форму усеченного конуса. Часть 8 выполнена за одно с частью 9, при этом части 8 и 9 линзы 1 выполнены из диэлектрического материала. На части 9 выполнена по существу плоская площадка 6, а антенный элемент 2 жестко зафиксирован на площадке 6. Усечение конусом части 9 обеспечивает уменьшение веса линзы 1 без ухудшения электромагнитных характеристик, что важно для антенн большого размера.
В еще одной конкретной реализации линзовой антенны часть удлинения линзы образована некоторой поверхностью вращения для расположения антенных элементов на площадке, расположенной под углом, отличным от 90°, по отношению к оси линзы.
В другом варианте коллимирующая часть может иметь полусферическую форму. Такая форма линзы используется при создании линзовых антенн с диаметром менее 10-20 длин волн в свободном пространстве и обеспечивает в некоторых случаях более широкий диапазон отклонений луча в линзовых антеннах. При этом часть продолжения линзы может иметь толщину, меньшую или большую фокусного расстояния линзы, с целью обеспечивать близкий к равномерному фазовый фронт на эквивалентной круглой апертуре линзы.
Линзовая антенна в соответствии с фиг. 3 работает следующим образом. Сигнал миллиметрового диапазона длин волн, сформированный передатчиком, поступает на входной раскрыв волновода 3 антенного элемента 2. Затем, распространившись по полому волноводу 3, сигнал излучается в тело линзы 1 через излучающий раскрыв волновода 3. При этом диэлектрическая вставка 5 обеспечивает излучение сигнала в тело линзы 1 с уменьшенным коэффициентом отражения. Линза 1 за счет эффектов рефракции излучения на границе линза - свободное пространство формирует близкий к плоскому фазовый фронт на эквивалентной круговой апертуре с близким к равномерному амплитудным распределением электромагнитного поля. Таким образом, в дальней зоне линзовой антенны формируется диаграмма направленности с узким основным лучом в направлении, заданным положением антенного элемента 2 относительно оси линзы 1. При приеме сигнала с некоторого направления линза 1 фокусирует все излучение в области расположения антенного элемента 2. Сигнал, принимаемый антенным элементом 2, проходит от излучающего на входной раскрыв через полый волновод 3 и поступает на вход приемника миллиметрового сигнала.
На фиг. 5 представлена линзовая антенна в соответствии с еще одним вариантом реализации. Линзовая антенна включает диэлектрическую линзу 1, решетку первичных антенных элементов 2 и блок переключения 10. Линза 1 состоит из коллимирующей части 8 и части 9 удлинения, которые показаны на фиг. 4, выполнены за одно и изготовлены из диэлектрического материала. При этом на части 9 удлинения выполнена приблизительно плоская площадка, которую пересекает ось коллимирующей части 8. По меньшей мере, два антенных элемента в решетке жестко зафиксированы на площадке линзы 1, выполнены в виде полых волноводов и содержат каждый диэлектрическую вставку, один из торцов которой примыкает к указанной площадке, а размеры излучающих раскрывов волноводов определены заранее заданными формами и ширинами лучей диаграммы направленности линзовой антенны. Блок переключения 10 служит для подачи сигнала, по меньшей мере, на один антенный элемент.
Введение в структуру линзовой антенны, по меньшей мере, двух антенных элементов 2 позволяет использовать ее как сканирующую антенну. Так, при возбуждении каждого из антенных элементов 2, расположенных на различном расстоянии от оси линзы 1, линза 1 формирует основной луч диаграммы направленности в некотором направлении.
Разработанная линзовая антенна с несколькими антенными элементами 2 работает следующим образом. Сигнал, сформированный передатчиком миллиметрового диапазона длин волн, поступает на общий порт блока переключения 10. Затем, сигнал поступает на один из антенных элементов 2, выбранным блоком переключения 10 на основе, например, некоторых внешних низкочастотных управляющих сигналов. Выбранный антенный элемент 2 излучает сигнал тем же образом, что и в линзовой антенне с одним антенным элементом 2, что обеспечивает формирование линзой 1 узкого луча диаграммы направленности в заданном положением антенного элемента 2 направлении. Прием сигнала с направления, соответствующего положению одного из антенных элементов 2, также осуществляется данным антенным элементом 2 благодаря фокусированию излучения линзой 1. Принятый антенным элементом 2 сигнал, проходя через блок переключения 10, поступает на вход приемника миллиметрового сигнала.
Линзовая антенна в любой из рассмотренных реализаций может быть применена для различных приложений радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн, в частности, для систем РРС типа «точка-точка» в частотных диапазонах 57-66 ГГц, 71-76/81-86 ГГц, 92-95 ГГц, для радаров частотных диапазонов 77 ГГц и 94 ГГц и т.п. В различных реализациях предложенная антенна может обеспечивать ширину луча по уровню половинной мощности менее 3° или менее 1° за счет выполнения апертуры соответствующего размера.
В качестве примера, показывающего эффективность применения предложенного устройства линзовой антенны, было проведено электромагнитное моделирование линзовой антенны в соответствии с настоящим изобретением с канонической эллиптической линзой из политетрафторэтилена (диэлектрическая проницаемость ε=2,1) диаметром 40 мм на частоте 60 ГГц (длина волны в свободном пространстве λ=5 мм). Результаты моделирования в отношении коэффициента направленного действия такой линзовой антенны с волноводным антенным элементом, размер излучающего раскрыва которого составляет 3,76 мм × Wae, в зависимости от значения ширины Wae в миллиметрах показаны на фиг. 6. Вариации другого размера излучающего раскрыва приводят к схожим результатам. Видно, что существует максимальное значение коэффициента направленного действия, равное 27,6 дБи при Wae=3,8 мм. Это показывает, что используя антенный элемент в виде полого волновода, установленного на площадку линзы в ее фокусе, можно достичь значения коэффициента направленного действия, максимально близкого к теоретическому пределу, составляющему 28,0 дБи для круглой апертуры диаметром 40 мм.
При изменении сечения излучающего раскрыва волновода изменяется и форма диаграммы направленности. В частности, при увеличении Wae увеличивается ширина главного лепестка диаграммы направленности, но уменьшается уровень паразитного бокового излучения. Именно сочетанием этих двух факторов и обусловлено наличие максимума на кривой, показанной на фиг. 6. Таким образом, для линз с диэлектрической проницаемостью около 2-2,5 размер излучающего раскрыва волновода, необходимый для обеспечения максимизации коэффициента направленного действия, составляет около 0,6λ-1,0λ. При этом можно таким же образом получить, что указанный размер будет оптимальным при различных формах излучающего раскрыва.
При использовании материалов с другим значением диэлектрической проницаемости также можно получить похожую зависимость коэффициента направленного действия, максимум в которой будет обеспечиваться в другой точке по Wae. При увеличении диаметра линзы размер раскрыва волновода, обеспечивающий максимум коэффициента направленного действия, не изменяется. Данный факт доказывает, что предложенное устройство диэлектрической линзовой антенны позволяет увеличить коэффициент направленного действия (и, следовательно, коэффициент усиления) для линз произвольного диаметра.
2
2
2
В качестве примеров зависимости размера излучающего раскрыва волновода от заранее заданной ширины главного лепестка и значений боковых лепестков на фиг. 7 показаны сечения диаграмм направленности политетрафторэтиленовой эллиптической линзовой антенны диаметром 40 мм на частоте 60 ГГц при размерах излучающего раскрыва волновода в 2,5×3,3 мм и 5,0×6,6 мм. Из фиг. 7 видно, что волновод сечением 2,5×3,3 мм обеспечивает формирование более узкого главного лепестка диаграммы направленности при более высоких значениях уровней боковых лепестков. Таким образом, для обеспечения заранее заданной ширины главного лепестка и значений боковых лепестков диаграммы направленности, может быть выбран соответствующий размер излучающего раскрыва волновода антенного элемента.
В качестве примера, показывающего улучшение уровня согласования по импедансу за счет использования предложенной диэлектрической вставки, на фиг. 8 приведены коэффициенты отражения волновода (без диэлектрической вставки и с диэлектрической вставкой) сечением 3,76 мм × 3,5 мм, излучающего в линзу из политетрафторэтилена. Результаты получены с помощью электромагнитного моделирования в широком частотном диапазоне 50-70 ГГц. Видно, что в отсутствие диэлектрической вставки коэффициент отражения составляет около -10 дБ, что приводит к потерям на отражение 10% мощности, отданной источником сигнала антенне. Улучшение уровня согласования по импедансу обеспечивается в соответствии с настоящим изобретением с помощью диэлектрической вставки, выполненной из политетрафторэтилена, прямоугольным сечением 3.5 мм × 1,5 мм и толщиной 1,55 мм. Использование диэлектрической вставки позволяет уменьшить коэффициент до величины менее -16 дБ, во всей полосе от 50 до 70 ГГц, что приводит к увеличению итогового коэффициента усиления на 8-10%.
Таким образом, использование разработанной диэлектрической линзовой антенны позволяет увеличить коэффициент усиления вплоть до значений, близких к дифракционному пределу для апертурных антенн.
Также практически важным является наличие возможности контроля положения луча за счет места расположения антенного элемента на площадке линзы. Как известно, при смещении антенного элемента относительно оси линзы, луч линзовой антенны отклоняется на некоторую величину, зависящую от диэлектрической проницаемости материала линзы. На фиг. 9 показаны зависимости отклонения луча линзами из кремния, кварца и политетрафторэтилена от относительного смещения антенного элемента от оси линзы.
Для реализации антенн с возможностью контроля положения луча в предложенном устройстве волновод и диэлектрическая вставка могут располагаться в произвольном смещении относительно оси линзы на ее плоской площадке.
Настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в данном описании, и охватывает все модификации и варианты, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения, которые определены последующей формулой изобретения.