Линзовая матричная антенна
LENS MATRIX ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к линзовым антеннам СВЧ диапазона.
В настоящее время значительная часть прикладных задач спутниковой телекоммуникации требует возможности отслеживания спутника в движении, а также возможности быстрого переключения на другие спутники. Известно большое количество моделей антенн с возможностью управления направлением излучения. Механическое позиционирования является наиболее громоздким, медленным и энергозатратным. Популярным методом формирования направленного управляемого излучения без использования механических составляющих является фазированная антенная решетка. Такие антенны обычно генерируют единственный управляемый луч и часто требуют отдельных устройств для приема и передачи. Другим значительным минусом фазированных антенных решеток является их дороговизна и высокое энергопотребление. Массив обычно содержит сотни точечных источников, каждый из которых должен быть снабжен фазовращателем и усилителем.
Линзовые матричные антенны представляют собой более технологически совершенные устройства и позволяют добиться увеличения интенсивности сигнала и повысить число каналов. Примером является линза Люнеберга, где тщательный подбор геометрии и неоднородности материала внутри линзы позволяет достичь неплохих характеристик, в том числе высокой направленности. Подобные антенны могут генерировать несколько лучей одновременно от разных точечных источников в массиве. Минусом линз Люнеберга является их громоздкость, поскольку радиальный размер и толщина таких линз примерно одинаковы. Кроме того, точечные источники должны размещаться на сферической поверхности, что не позволяет добиться компактности устройства. В литературе известны попытки создания компактных линз Люнебурга. Разработка дизайна таких линз выходит за рамки аналитических расчетов (обычно используемых для описания классических линз) и требует численного моделирования. Такой подход является шагом в направлении к концепции металинзы, используемой в дизайне изобретения.
Известен способ формирования плоской линзы для создания антенн с изменяющимся значением эффективной диэлектрической проницаемости за счет перфорирования радиальных кольцевых объемов с помощью сквозных и не сквозных отверстий (патент RU2751120, МПК H01Q 19/06, H01Q 15/08, от 28.10.2020г.).
В данном изобретении линза рассматривается отдельно от антенного массива, что не позволяет учесть всех возможных деталей и особенностей. Принципиальным ограничением является обратное влияние стержневой антенны на свойства линзы, расположенной, как правило, в ближнем поле. Используемое перфорирование обеспечивает радиальный градиент диэлектрической проницаемости с ограниченным числом степеней свободы.
Для увеличения степеней свободы антенной системы требуется дополнительное перфорирование внешних слоев для обеспечения согласования линзы с условиями фокусировки излучения на плоскость антенны.
Наиболее близким техническим решением является многолучевая линзовая антенна по патенту RU2642512, МПК H01Q 19/06, H01Q15/08, от 01.10.2016г. Многолучевая антенна содержит фокусирующую систему, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из двумерного массива антенных элементов, и размещенное на расстоянии от фокусирующей системы.
Многолучевая антенна в этом изобретении может быть передающей, приемной, или приемо-передающей с различными вариациями поляризации радиосигнала. В данном техническом решении рассмотрены два варианта передающей антенны. Варианты приемной антенны получаются инверсией приемных и передающих элементов путем изменения положения облучателя линзового элемента в фокальной плоскости. Данный способ реализуется либо механическим перемещением облучателей, либо формированием множества облучателей в фокальной плоскости сферической линзы. В описываемом техническом решении акцент сделан на многоканальной передаче информации в линзованных антеннах и не предлагается ничего нового в плане самих линз.
Недостатком известной многолучевой антенны является недостаточность ее селективности и недоиспользование степеней свободы оптимизации, связанных с самой линзой.
Технической задачей предложенного решения является обеспечение согласования линзы с условиями фокусировки излучения на плоскость антенны, что позволяет улучшить характеристики всего антенного блока.
Изобретение представляет собой компактную линзовую матричную антенну, состоящую из диэлектрической градиентной металинзы, содержащей не менее трех областей с различными плотностями заполнения при трехмерной печати: первая с коэффициентом  f=1, вторая с коэффициентом f=0,7, третья с коэффициентом f=0,4, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из массива антенных элементов (МАЭ), выполняющее функцию массива облучателей. Массив антенных элементов расположен на расстоянии от фокусирующей системы металинзы и перекрывает зону проекций лучей на расстоянии, соответствующем максимуму диаграммы направленности МАЭ.
Возможно управление положением главного лепестка диаграммы направленности, которое может быть достигнуто за счет использования слабонаправленных антенных элементов МАЭ, смещенных относительно оптической оси диэлектрической линзы.
ой
Линзовая матричная антенна предназначена для направленного многоканального приема/передачи сигналов и позволяет варьировать направление в широком диапазоне углов. Метаматериал линзы создается с помощью 3D печати и представляет собой диэлектрик с распределенными внутри воздушными полостями различных форм и субволновых размеров. Распределение градиента диэлектрической проницаемости, соответствующее требуемым характеристикам линзы (толщина, тип диэлектрика, фокусное расстояние и т.д.) задаются областями с различной плотностью заполнения при трехмерной печати: первая с коэффициентом f=1, вторая с коэффициентом f=0,7, третья с коэффициентом f=0,4. Линзовая матричная антенна функционирует следующим образом. При нормальном падении излучения на линзу, оно собирается в точке фокуса, расположенной на оптической оси устройства. МАЭ располагается в фокальной плоскости. При нормальном падении усиленный (сфокусированный) сигнал принимается МАЭ расположенн на пересечении фокальной плоскости с оптической осью. Когда излучение падает под углом к оптической оси, точка фокусировки смещается вдоль фокальной плоскости и сигнал принимается соответствующим антенным элементом МАЭ. Шаг между элементами МАЭ (выполняющими при приеме роль точечных приемников) подбирается в соответствии с необходимыми характеристиками устройства. Ситуация симметрично обратима в случае передачи сигнала. Для генерации излучения в заданном направлении задействуется соответствующий элемент МАЭ (выполняющий роль точечного излучателя), смещенный относительно оптической оси на необходимое расстояние до достижения максимума диаграммы направленности для заданного направления. Сферический волновой фронт точечного излучателя преобразуется металинзой в плоскую волну, распространяющуюся в заданном направлении. Допускается также использование группы излучателей для более точной подстройки профиля волнового фронта. Механизм позволяет одновременно генерировать или принимать несколько сигналов в разных направлениях. Подчеркнем, что генерация плоской волны в заданном направлении с помощью фазированных решеток требует суперпозиции излучения всех точечных источников МАЭ с точным соблюдением временных задержек.
При формировании классической схемы функционирования линзовой матричной антенны, слабонаправленный единичный антенный элемент МАЭ размещается в точке фокуса линзы. Таким образом достигается максимальный коэффициент усиления антенной системы. Расстояние между линзовым элементом и МАЭ (элементарных излучателей) соответствует максимуму коэффициента усиления линзовой антенны. Концепция линзовой матричной антенны предполагает использование набора слабонаправленных излучателей/ элементов МАЭ с независимыми точками подключения, расположенных на фокальной плоскости линзы. Подключение источника радиосигналов к смещенному относительно оптической оси линзы элементу МАЭ позволяет изменить направление главного максимума диаграммы направленности линзовой матричной антенны на шаг, пропорциональный линейному смещению подключённого излучателя относительно центра линзы.
Изобретение поясняется чертежом. где на фиг. 1 показана линзовая матричная антенна, а на фиг.2 – выполнение диэлектрической градиентной металинзы.
На чертеже обозначены: 1 – диэлектрическая градиентная металинза; 2 – матрица антенных элементов; 3 – смещенный элемент МАЭ; 4 – центральный элемент МАЭ. На фиг.2 показана структура градиентной диэлектрической металинзы – 1, где отмечены три области с различной плотностью заполнения при трехмерной печати: 5 – коэффициент f=1; 6 – коэффициент f=0,7; 7 – коэффициент f=0,4.
При подключении к источнику радиосигнала центрального элемента антенного массива формируется диаграмма направленности с направлением максимума по оптической оси линзы. При этом коэффициент усиления антенны максимален. При подключении к источнику радиосигнала смещенного антенного элемента массива диаграмма формируется диаграмма направленности со смещенным положением максимума в противоположную сторону относительно оптической оси металинзы. Подключение к источнику радиосигналов последующих смещенных элементов МАЭ позволяет увеличивать угол наклона главного лепестка диаграммы направленности относительно оси линзы, при этом максимальное значение коэффициента усиления антенны уменьшается.
Используемая металинза фактически является полноценным 3D метаматериалом позволяющим подобрать градиент любой сложности во всех трех направлениях, одновременно обеспечивая необходимые характеристики линзы (фокусное расстояние, степень усиления и т.д.) и минимизируя отражения на поверхности. Используемый метаматериал имеет высокое разрешение (ограниченное только разрешением 3D принтера) и, как следствие, более высокую степень плавности градиентов по сравнению с перфорированной линзой.
В качестве основного метода изготовления плоских линзовых элементов предлагается использование трехмерной технологии послойного наплавления (FDM-печать). При использовании данного метода основными исходными данными являются диэлектрическая проницаемость исходного материала для печати (filament) в используемом диапазоне частот и зависимость эффективной диэлектрической проницаемости от объемного коэффициента заполнения f (infill) в формируемой конструкции. Исходную диэлектрическую проницаемость материала для трехмерной печати получают путем оценки диэлектрических свойств методом закрытой линии передач. Для этого используется векторный анализатор цепей и волноводный калибровочный комплект соответствующего диапазона частот. Для получения зависимости эффективной диэлектрической проницаемости от коэффициента заполнения используются измерения контрольных образцов с воздушными полостями различной формы и методы математической интерполяции значений. В качестве базовой зависимости предлагается:
где f – объемный коэффициент заполнения,  – диэлектрическая проницаемость материала при f=1.
На фиг. 2 отмечены три области с различной плотностью заполнения при трехмерной печати: 5 –область заполнения с коэффициентом f=1; 6 – с коэффициентом f=0,7; 7 – с коэффициентом f=0,4. Таким образом центральная область металинзы является полностью цельнодиэлектрической. Область 6 заполнена диэлектриком на 70%, область 7 заполнена на 40% диэлектриком. В зависимости от требований к градиенту эффективной диэлектрической проницаемости и зависимости от радиуса линзы концентрических областей может быть и больше - до 8.
Техническим результатом изобретения является компактная, дешевая (по сравнению с аналогами), многоканальная и эффективная линзовая матричная антенна. Достижение технического результата обеспечивается за счет использования градиентных линз из метаматериала, создаваемых с помощью современных 3D принтеров высокого разрешения. Дизайн металинз создается с учетом влияния выполнения МАЭ. Используются современные численные методы и высокопроизводительные компьютеры, позволяющие решать задачи волновой оптики, а также с использованием методов оптимизации и инверсного дизайна. Очевидными плюсами данного подхода являются: плоский дизайн устройства, полностью электронное управление без механических частей, значительное уменьшение количества точечных источников (по сравнению с фазированными решетками) и, как следствие, удешевление устройства, а также одновременная генерация и независимое управление несколькими лучами.
Дополнительное преимущество представленной технологии заключается в возможности одновременного использования нескольких антенных каналов на разных частотах, что позволяет вести одновременный прием/передачу радиосигналов с различных направлений. Данное преимущество может быть особенно актуально при работе с несколькими спутниковыми группировками, работающими на различных частотах.