Интегрированная линзовая антенна

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и предназначено для использования в антенных устройствах миллиметрового и терагерцового диапазонов длин волн.
В настоящее время интенсивно осваивается электромагнитный диапазон длин волн, включая миллиметровый, терагерцовый (0.1-10 ТГц). Развитие и освоение этого диапазона стимулировано как вследствие расширения технологий, так и благодаря перспективам использования его для фундаментальных и прикладных исследований, например, для интроскопии объектов, включая неинвазивную медицинскую диагностику (выявление новообразований и патологий под кожей, стоматология, хирургия и др.) и системы безопасности (обнаружение скрытого под одеждой оружия, взрывчатки и др.), в астрофизических исследованиях, видения в оптически непрозрачных средах и т.д. При этом с возрастанием требований к скорости передачи данных и увеличения пространственного разрешения использование более высоких частотных диапазонов становится все более перспективным.
Для этих и других применений используются интегрированные линзовые антенны. В таких антеннах первичные антенные элементы установлены непосредственно на поверхности диэлектрической линзы, расположенной вблизи ее фокальной поверхности. Расположение антенных элементов на поверхности диэлектрической линзы приводит к уменьшению электрической длины волны при распространении в теле линзы тем большему, чем больше значение диэлектрической проницаемости линзы.
За счет этого обеспечивается миниатюризация самих антенных элементов и возможность их расположения на небольших расстояниях друг от друга. Таким образом, требуемая площадь антенной решетки значительно меньше, чем для антенн другого типа, в которых антенные элементы и основное фокусирующее устройство (зеркало или линза) разнесены друг от друга.
С другой стороны, возможность близкого расположения антенных элементов обеспечивает небольшое угловое расстояние между основными лучами при сканировании. Таким образом, становится возможным разработка сканирующих антенн с достаточно большим перекрытием лучей при сканировании и, как следствие, обеспечением сканирования в некотором непрерывном секторе углов, превышающем ширину луча антенны.
Известны сканирующие интегрированные линзовые антенны, в которых первичные антенные элементы реализованы на планарных структурах, таких как высокочастотные печатные и керамические платы, различные полупроводниковые микросхемы. Однако в таких антеннах крайне трудно провести оптимизацию характеристик антенных элементов для обеспечения максимально эффективного приема сигнала с поверхности линзы. Кроме того, потери в планарной структуре и/или в электрических соединениях микросхем достаточно велики, что уменьшает эффективность приема падающего излучения и уменьшается коэффициент усиления интегральной антенны.
Апертурная антенна с электронным сканированием рассмотрена в патенте США №6034641 "Antenna device". Представленная антенна содержит набор антенных элементов для приема сигнала. Для формирования узкого луча диаграммы направленности могут использоваться как линзовые антенны, так и зеркальные антенны с вынесенными первичными антенными элементами. Решетка антенных элементов реализована на диэлектрической плате и расположена в фокусе основного зеркала или линзы. Использование дешевой в массовом производстве диэлектрической платы для изготовления первичных антенных элементов позволяет уменьшить стоимость антенны.
Рассмотренная конфигурация также обладает всеми описанными выше недостатками (большие габариты, большими потерями энергии падающего излучения), присущими антеннам с первичными антенными элементами, реализованными отдельно от основного зеркала или линзы. Устранение данных недостатков возможно при использовании предложенных интегрированных линзовых антенн.
Интегрированные линзовые антенны могут применяться для создания направленных антенн с широким спектром характеристик. Первые научные работы и патенты по направленным интегрированным линзовым антеннам относятся к 90-м годам 20-го века (например, «Hybrid antenna including a dielectric lens and planar feed», US Patent 5,706,017, issued January 6, 1998; D.F. Filipovic, S.S. Gearhart, and G.M. Rebeiz, «Double-Slot Antennas on Extended Hemispherical and Elliptical Silicon Dielectric Lenses» // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 41, No. 10, October 1993; T.H. Buttgenbach «An Improved Solution for Integrated Array Optics in Quasi-Optical mm and Submm Receivers: the Hybrid Antenna» // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 41, No. 10, October 1993).
В патенте США №6590544 "Dielectric lens assembly for a feed antenna" раскрыт вариант интегрированной линзовой антенны с планарными антенными элементами, расположенными на линзе с многослойным цилиндрическим продолжением. Такая конфигурация позволяет использовать щелевые и спиральные антенные элементы. Однако эффективность таких планарных первичных антенных элементов низка и их габариты велики.
В патенте США №7683844 "Mm-wave scanning antenna" раскрыт еще один вариант интегрированной линзовой антенны, в котором первичные антенные элементы реализованы на полупроводниковой микросхеме.
Однако реализация антенных элементов на полупроводниковой подложке со сравнительно большим уровнем потерь приводит к небольшой эффективности приема излучения.
Еще один вариант интегрированной линзовой антенны раскрыт в патентной заявке PCT/RU 2011/000371 "Electronically Beam Steerable Antenna Device". В указанной заявке раскрыта линзовая антенна с электронным сканированием луча, содержащая диэлектрическую линзу, антенные элементы и систему переключения, выполненную с возможностью подачи сигнала по меньшей мере на один из антенных элементов.
В данном варианте первичные антенные элементы реализованы на диэлектрической плате (например, печатной или керамической), которая может быть изготовлена в массовой партии с помощью стандартных широко распространенных технологий.
Основной недостаток изобретения, рассматриваемого в патентной заявке PCT/RU 2011/000371 "Electronically Beam Steerable Antenna Device", заключается в больших потерях излучения в первичных антенных элементов.
В качестве прототипа выбрана линзовая антенна по патенту РФ №2494506 «Линзовая антенна с электронным сканированием луча», содержащая диэлектрическую линзу, антенные элементы, выполненные в виде рупорных антенн, установленных на поверхности диэлектрической линзы.
Выполнение антенных элементов в виде рупорных антенных элементов, установленных на поверхности диэлектрической линзы, позволяет уменьшить потери излучения в антенных элементах, по сравнению с аналогами. Но для современных применений необходимы более эффективные первичные антенные элементы с повышенной чувствительностью к приему падающего излучения.
Таким образом, задачей настоящей полезной модели является создание интегрированной линзовой антенны с высокой чувствительностью к приему падающего излучения.
Указанная задача решена благодаря тому, что в интегрированной линзовой антенне, содержащей диэлектрическую линзу и не менее одного рупорного антенного элемента, установленного на поверхности диэлектрической линзы, новым является то, что, на торце каждого рупора, расположенного в противоположной стороне от линзы, размещается устройство формирования фотонных струй в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, с характерным размером не менее λ/2, формирующих и направляющих фотонные струи на приемник электромагнитного излучения, где λ длина волны излучения в свободном пространстве и коэффициентом преломления диэлектрического материала, лежащего в диапазоне от 1.2 до 2. При этом мезомасштабные частицы могут быть выполнены в виде кубика. При этом мезомасштабные частицы могут быть выполнены в виде сферы.
Выполнение рупорных антенных элементов, установленных на поверхности диэлектрической линзы, на торце рупора расположенного в противоположной стороне от линзы размещается устройство формирования фотонных струй в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, с характерным размером не менее λ/2, формирующих и направляющий фотонные струи на приемник электромагнитного излучения, где λ длина волны излучения в свободном пространстве и коэффициентом преломления диэлектрического материала лежащего в диапазоне от 1.2 до 2, обеспечивает технический результат в виде увеличения чувствительности интегральной линзовой антенны по сравнению с известными интегральными линзовыми антеннами. При этом рупорные антенные элементы могут иметь прямоугольный или круглый раскрыв.
На фиг. 1 показана интегрированная линзовая антенна с рупорным антенным элементом и с устройством формирования фотонной струи в виде сферы.
На фиг. 2 показана интегрированная линзовая антенна с рупорным антенным элементом и с устройством формирования фотонной струи в виде кубика.
На фиг. 3 показаны результаты экспериментального исследования распределения интенсивности поля на выходе прямоугольного рупора на частоте 125 ГГц для двух поляризаций с и без устройства формирования фотонной струи. Исследования проводились для характерных размеров устройства формирования фотонной струи равных длине волны используемого излучения и коэффициента преломления материала устройства равного 1.46.
На фиг. 1-3 обозначено: 1 - направление падения излучения на диэлектрическую линзу 2; 3 - первичный антенный элемент; 4 - устройство формирования фотонной струи в виде мезомасштабных диэлектрических частиц; 5 - формируемая фотонная струя; 6 -приемное устройство.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Падающее электромагнитное излучение 1 миллиметрового или терагерцового диапазона длин волн освещает диэлектрическую линзу 2, которая фокусирует это излучение на своей поверхности, на которой размещены первичные антенные элементы в виде рупорных антенн 3. Далее это излучение концентрируется и направляется устройством формирования фотонной струи 4 на приемном устройстве 6.
Устройства формирования фотонной струи 4 расположенные непосредственно на выходе рупорной антенны 3 позволяют более эффективно собрать и направить электромагнитное излучение на приемный элемент, уменьшить размеры приемного элемента, уменьшить шум и повысить чувствительность приемного элемента.
Фотонная струя 5 (Chen Ζ., Taflove Α., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visiblelight ultramicroscopy technique // Optics Express, 12, №7, pp. 1214-1220, 2004; И.В. Минин, O.B. Минин Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015, 163 с.) возникает в области теневой поверхности диэлектрических частиц, непосредственно у границы раздела диэлектрик - внешняя среда и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокусировки, при этом достижимо пространственное разрешение ниже дифракционного предела.
Достоинством устройства 4 является возможность фокусировки электромагнитного излучения на приемное устройство 6 с размерами порядка λ/3 непосредственно за устройством формирующего фотонную струю.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у кубика начинается с размера грани 0.5 длины волны используемого излучения. В то время как у сферы при таком диаметре на одной поляризации локализация поля еще не выделена. При этом максимальная интенсивность поля на оси у кубика выше, чем у сферы в 1.4 раза.
Для характерных размеров кубика и сферы менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.
Экспериментально установлено, что использование устройств формирования фотонной струи на выходе рупорной антенны повышает сигнал на приемном устройстве на 8 дБ, фиг. 3.
При коэффициенте преломления диэлектрического материала устройств формирующих фотонную струю менее 1.2, формируемая фотонная струя не обеспечивает эффективной концентрации электромагнитного излучения и при примерно более 2, фотонная струя формируется внутри устройства формирования фотонной струи, не обеспечивая увеличения сигнала на приемном устройстве.
Устройства формирования фотонных струй в виде мезомасштабных диэлектрических частиц могут изготавливаться из диэлектриков с коэффициентом преломления лежащего в диапазоне от 1.2 до примерно 2, таких как, например (О.V. Minin, I.V. Minin. Difrractional Optics of Millimetre Waves - IoP, Bristol and Philadelphia, 2004, 396p., pp. 369-373): полистирол, акрил, полиэтилен, полипропилен, поли-4-метилпентен, фторопласт, плавленый кварц, лавсан и других материалов и из полупроводниковых материалов, например, кремния, германия, арсенида галлия и других материалов.
Изготовить матрицу устройств формирования фотонных струй в виде мезомасштабных диэлектрических частиц можно, например, методом печати на 3D принтере (Kyoung Youl Park, Nophadon Wiwatcharagoses, Premjeet Chahal. Wafer-level Integration of Micro-Lens for THz Focal Plane Array Application // Electronic Components & Technology Conference, 2013, pp. 1912-1919) используя термопластичные материалы, такие как, например, полиэтилен, акрил и т.д. Например акрил в диапазоне частот от 0.1 до 0.8 ТГц имеет коэффициент преломления 1.65-1.68 и малые потери электромагнитной энергии в материале (тангенс угла потерь изменяется от 0.012 до 0.05).