ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА С ЭЛЕКТРОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ЛУЧА
ELECTRONIC BEAM SCANNING LENS ANTENNA

Область техники
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и предназначено для использования наиболее предпочтительно в высокоскоростных радиорелейных станциях (РРС) преимущественно миллиметрового диапазона длин волн.
Уровень техники
Радиорелейные станции предназначены для обеспечения высокоскоростной связи типа «точка-точка» на расстояниях в несколько километров в условиях прямой видимости. Такие станции широко используются в различных транспортных сетях для множества приложений, одним из наиболее перспективных из которых являются транспортные сети между базовыми станциями систем мобильной сотовой связи.
В настоящее время радиорелейные станции используют различные радиочастотные диапазоны от 10 ГГц до 100 ГГц. При этом с возрастанием требований к скорости передачи данных использование более высоких частотных диапазонов становится все более перспективным. Увеличение скорости передачи данных при большем значении несущей частоты основано, как правило, на возможности использования более широкой полосы частот для передачи сигнала.
Для компенсации потерь при распространении сигнала в свободном пространстве в РРС используют апертурные антенны, размер которых существенно превосходит рабочую длину волны. Такие антенны характеризуются большим коэффициентом направленного действия и узким основным лучом диаграммы направленности. К апертурным антеннам относятся различные зеркальные антенны, рупорно-линзовые антенны, антенны Кассегрейна, антенны Грегори и линзовые антенны. В таких антеннах первичный антенный элемент излучает сигнал, а вторичное устройство (система зеркал, линза) большого размера формирует узкую диаграмму направленности.
Однако при использовании антенн с узким лучом диаграммы направленности возникают трудности, связанные с юстировкой и вероятностью сбоя связи даже при незначительных изменениях ориентации радиорелейной станции. Для обеспечения автоматической настройки положения луча в некотором непрерывном секторе углов шириной в несколько основных лучей диаграммы направленности за небольшое время и без необходимости вмешательства специально обученного персонала используют апертурные антенны с электронным сканированием луча.
Хотя электронное сканирование может быть реализовано в различных типах апертурных антенн, наиболее перспективными для этой цели являются интегрированные линзовые антенны. В таких антеннах первичные антенные элементы установлены непосредственно на плоской поверхности диэлектрической линзы, расположенной вблизи ее фокальной поверхности. Сканирование осуществляется за счет переключения между первичными антенными элементами, установленными на различном расстоянии от оси линзы.
Расположение антенных элементов на поверхности диэлектрической линзы выгодно отличает интегрированные линзовые антенны от других типов линзовых антенн, таких как рупорно-линзовые антенны, линзы Френеля, тонкие (по сравнению с фокусным расстоянием) линзы с вынесенными первичными антенными элементами.
Так, 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. Это преимущество интегрированных линзовых антенн особенно важно для рассматриваемых приложений, в частности, радиорелейной связи.
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 эффективной засветки фокусирующей поверхности линзы и, как следствие, максимального коэффициента направленного действия. Кроме того, потери в планарной структуре и/или в электрических соединениях микросхем достаточно велики, что уменьшает эффективность излучения и коэффициент усиления антенны.
Антенны с электронным сканированием луча находят все большее применение во многих областях радиосвязи, включающих в себя различные радарные приложения, локальные системы связи и радиорелейные системы связи. Ниже приводится анализ основных известных сканирующих антенн с узким лучом диаграммы направленности, применяемых в различных приложениях и рассматриваемых в качестве аналогов предложенного изобретения.
Сканирующие зеркальные антенны
Сканирование в различных типах зеркальных антенн, таких как параболические антенны или антенны Кассегрейна, осуществляется в основном за счет либо механического перемещения первичного антенного элемента относительно фокуса основного зеркала, либо электронного переключения между несколькими первичными элементами, расположенными на различном расстоянии от точки фокуса. Антенны с электронным сканированием являются более перспективными, так как обеспечивают возможность подстройки луча за небольшое время и без вмешательства специального персонала.
Например, конструкция зеркальной антенны с электронным сканированием луча раскрыта в патенте США №7834803 "Electronically steered, dual-polarized, dual-plane, monopulse antenna feed". Предложенная конструкция содержит антенну Кассегрейна (или любой другой тип антенны с вынесенными облучателями) и решетку переключаемых рупорных антенн, выполняющих функцию первичных антенных элементов. Такая конструкция позволяет осуществить электронное сканирование луча в различных радарных приложениях. Основной принцип сканирования в апертурных антеннах, предложенный в патенте США №7834803, представлен на фиг.1.
3дБ
Однако известны и недостатки сканирующих антенных систем подобного типа. Такие недостатки включают в себя сложность обеспечения непрерывного диапазона углов сканирования при сохранении высокой апертурной эффективности антенны (особенно при увеличении угла отклонения луча). Диапазон углов сканирования можно считать непрерывным, если лучи, образованные при подаче сигнала на каждый из первичных антенных элементов, пересекаются по некоторому заданному уровню (обычно используют уровень половинной мощности или -3 дБ от максимума диаграммы направленности). На фиг.2 схематично показаны лучи сканирующей антенны, перекрывающиеся по уровню -3 дБ, то есть при взаимном смещении лучей, равном ширине луча θ.
Из фиг.2 видно, что в случае большего взаимного смещения лучей, возникают некоторые зоны, в которых уровень сигнала значительно меньше максимума, и диапазон сканирования не может более считаться непрерывным. Отклонение лучей в апертурных антеннах определяется смещением антенных элементов относительно оси антенны.
Сложность обеспечения непрерывного диапазона углов сканирования в зеркальных антеннах вызвана достаточно большим размером рупорных антенных элементов (в параболических антеннах) или вспомогательного гиперболического зеркала (в антеннах Кассегрейна), что делает невозможным расположение их фазовых центров близко друг к другу, и, следовательно, не позволяет обеспечить непрерывный сектор углов сканирования.
Для примера можно показать, что параболическая антенна диаметром 130 мм и фокусным расстоянием 150 мм обеспечивает на частоте 75 ГГц максимальный КНД=38,1 дБи при диаметре рупора первичного элемента 8 мм. Таким образом, минимально возможное смещение первичного антенного элемента составляет около 8,5-9 мм (с учетом толщины металлизации рупора), что приведет к отклонению луча в 3,3° при ширине луча по уровню -3 дБ от максимума, равной 2,0°. Для уменьшения отклонения луча до значения в 2,0° необходимо использовать рупорный антенный элемент диаметром 4 мм (минимально возможное смещение тогда составляет 5 мм). Однако в этом случае КНД антенны уменьшается до 35,5 дБи.
Рассмотренный пример показывает, что увеличить уровень перекрытия лучей в зеркальных антеннах возможно при уменьшении размеров рупорных антенных элементов и, как следствие, более близкого их расположения друг к другу. Но в этом случае часть излучения от первичного рупорного антенного элемента распространяется минуя основное зеркало (вследствие более широкой диаграммы направленности антенного элемента), что приводит к уменьшению апертурной эффективности и, как следствие, КНД.
Для решения последней проблемы в патенте США №7834803 предложено использовать рупорные антенны попарно так, чтобы фазовые центры диаграмм направленности при излучении каждой из пар рупоров были близки друг к другу и обеспечивали требуемое перекрытие лучей антенны. Однако увеличение количества рупорных антенных элементов, очевидно, приводит к увеличению сложности и стоимости системы.
Кроме того, необходимо отметить и требование точного позиционирования решетки рупорных антенных элементов относительно фокуса основного зеркала в антенне по патенту США №7834803. Для обеспечения такого точного механического позиционирования применяются различные дополнительные удерживающие устройства, также увеличивающие сложность антенны.
Сканирующие антенны для автомобильных радаров
Апертурная антенна с электронным сканированием также рассмотрена в патенте США №6034641 "Antenna device". Представленная антенна содержит набор антенных элементов для приема сигнала и набор антенных элементов для передачи сигнала. Выбор направления основного луча диаграммы направленности определяется системой переключения. 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, присущими антеннам с первичными антенными элементами, реализованными отдельно от основного зеркала или линзы. Устранение данных недостатков возможно при использовании предложенных интегрированных линзовых антенн.
Линзовые антенны с электронным сканированием
Существует большое разнообразие линзовых антенн, обеспечивающих большое значение КНД. Соответственно и сканирование может быть осуществлено в них различными способами в зависимости от конструкции антенны.
Наиболее известны линзовые антенны различных форм с вынесенным первичным антенным элементом. Такие линзовые антенны широко представлены в различных источниках (например, Y.T.Lo, S.W Lee. Antenna Habdbook: Volume 2 Antenna theory. Chapter 16 "Lens Antennas": Chapman&Hall, New-York, 1993; Зелкин E.Г., Петрова Р.А., Линзовые антенны, М., 1974; Авдеев С.М., Бей Н.А., Морозов А.Н., Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности, М., 1987).
Сканирование в таких антеннах аналогично рефлекторным антеннам может осуществляться за счет смещения первичного антенного элемента из точки фокуса перпендикулярно оси линзы. Одна из возможных реализации такого сканирования описана в международной публикации «Antenna, radio unit and radar» (WO/2004/051803, 17.06.2004). Недостатки таких антенн аналогичны недостаткам рефлекторных антенн.
Интегрированные линзовые антенны с планарными антенными элементами
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; Т.Н.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).
Расположение решетки антенных элементов на поверхности линзы определенной формы позволяет избежать многих недостатков, присущих другим антеннам с электронным сканированием. К таким недостаткам можно отнести: необходимость расположения переключаемых первичных антенных элементов на некоторой искривленной, чаще всего, сферической поверхности; необходимость точного расположения решетки антенных элементов в фокальной плоскости основной антенны; сложность обеспечения непрерывного сектора углов сканирования и высокого коэффициента направленного действия антенны.
Различные конфигурации интегрированных линзовых антенн применительно к системам связи раскрыты в нескольких патентах и патентных заявках.
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 (см. фиг.3). Такая конфигурация позволяет использовать щелевые и спиральные антенные элементы, что увеличивает коэффициент направленного действия интегрированной линзовой антенны. Кроме того, показано, что максимизация КНД может производиться за счет вариации длины цилиндрического продолжения полусферической линзы. Однако следует отметить, что данный метод оптимизации применим только при условии небольших размеров линзы (диаметром менее 10-20 рабочих длин волн). С увеличением диаметра линзы данный метод становится все менее эффективным, так как вариации длины цилиндрического продолжения приводят к значительным искажениям плоского фазового фронта, формируемого линзой. Поэтому актуальной является задача максимизации КНД линзовой антенны большой апертуры за счет оптимизации параметров только первичного антенного элемента, расположенного на поверхности канонической эллиптической линзы с цилиндрическим продолжением.
В патенте США №7683844 "Mm-wave scanning antenna" раскрыт еще один вариант интегрированной линзовой антенны, в котором первичные антенные элементы реализованы на полупроводниковой микросхеме (см. фиг.4). В такой реализации также трудно обеспечить максимизацию КНД за счет подбора параметров планарных антенных элементов, что требуется при увеличении диаметра линзы. Кроме того, реализация антенных элементов на полупроводниковой подложке со сравнительно большим уровнем потерь приводит к небольшой эффективности излучения и КУ.
Еще один вариант интегрированной линзовой антенны раскрыт в патентной заявке PCT/RU2011/000371 "Electronically Beam Steerable Antenna Device". В указанной заявке раскрыта линзовая антенна с электронным сканированием луча, содержащая диэлектрическую линзу с плоской поверхностью, 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 па диэлектрической плате (например, печатной или керамической), которая может быть изготовлена в массовой партии с помощью стандартных широко распространенных технологий. Использование диэлектрической платы позволяет повысить эффективность излучения линзовой антенны по сравнению с рассмотренным случаем реализации антенных элементов на микросхеме. Примеры конструкций интегрированной линзовой антенны с планарными антенными элементами показаны на фиг.5. Система переключения и микросхема приемопередатчика в раскрытом изобретении установлены на ту же диэлектрическую плату с помощью СВЧ соединений.
Основной недостаток изобретения, рассматриваемого в патентной заявке PCT/RU2011/000371 "Electronically Beam Steerable Antenna Device", также заключается в сложности оптимизации структуры первичных антенных элементов для максимизации КНД линзовых антенн с большой апертурой. Рассмотренная линзовая антенна с планарными антенными элементами выбрана за прототип настоящего изобретения.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание линзовой антенны с электронным сканированием луча в непрерывном диапазоне улов, которая одновременно обладает высокими КНД и эффективностью излучения.
Сущность изобретения
Указанная задача решена благодаря тому, что в линзовой антенна с электронным сканированием луча, содержащей диэлектрическую линзу с плоской поверхностью, антенные элементы и систему переключения, выполненную с возможностью подачи сигнала по меньшей мере на один из антенных элементов, антенные элементы представляют собой рупорные антенные элементы установленные на плоской поверхности диэлектрической линзы с обеспечением возможности направления их излучения на линзу.
Выполнение антенных элементов в виде рупорных антенных элементов, установленных на плоской поверхности диэлектрической линзы, обеспечивает технический результат в виде увеличения коэффициента направленного действия (КНД) антенны при обеспечении непрерывного диапазона углов сканирования по сравнению с известными антеннами, которые также могут обеспечивать непрерывный диапазон углов сканирования, в частности по сравнению с зеркальными антеннами и с интегрированными линзовыми антеннами с планарными антенными элементами.
Кроме того, благодаря этому также увеличена эффективность излучения заявляемой линзовой антенны при обеспечении непрерывного диапазона углов сканирования и, как следствие, увеличение коэффициента усиления (КУ) линзовой антенны, используемой для организации радиосоединения, по сравнению с известными линзовыми антеннами с планарными элементами, которые также обеспечивают непрерывный диапазон углов сканирования.
В частности, использование в интегрированных линзовых антеннах по настоящему изобретению рупорных антенных элементов, установленных на плоской поверхности диэлектрической линзы, позволяет за счет выбора геометрических параметров (формы и размера раскрыва) таких антенных элементов увеличить коэффициент направленного действия антенны по сравнению с известными интегрированными линзовыми антеннами. Рупорные антенные элементы содержат металл, имеющий малый уровень потерь, что дополнительно обеспечивает и большую эффективность излучения таких антенн, и, следовательно, большее значение коэффициента усиления.
Использование предложенных в настоящем изобретении интегрированных линзовых антенн с переключаемыми рупорными антенными элементами, установленными на плоской поверхности диэлектрической линзы, позволяет также устранить недостатки известных зеркальных антенн, в частности, увеличить апертурную эффективность антенны, а следовательно, и КНД, за счет оптимизации размеров рупора при обеспечении непрерывного диапазона углов сканирования посредством более близкого расположения рупоров на плоской поверхности линзы, что возможно благодаря сокращению длины волны (и, как следствие, уменьшению размера рупоров) при распространении сигнала внутри тела линзы. Кроме того, упрощено позиционирование рупоров относительно фокуса линзы за счет их расположения непосредственно на поверхности линзы.
Для сравнения с рассмотренными характеристиками зеркальной антенны ниже представлены результаты моделирования на частоте 75 ГГц интегрированной линзовой антенны (ИЛА) того же диаметра (130 мм) с рупорным антенным элементом диаметром 2,5 мм. Рассматривается линза из материала с диэлектрической проницаемостью 2,1, что для лучшего сравнения обеспечивает равенство продольных размеров линзовой и параболической антенн (150 мм). В данном случае ИЛА обеспечивает КНД в 38,0 дБи и отклонение луча в 2°, что соответствует ширине луча по уровню -3 дБ, при смещении рупорного антенного элемента порядка 3 мм. Таким образом, использование предложенных линзовых антенн позволило увеличить КНД на 2,5 дБ по сравнению с параболической антенной тех же размеров при обеспечении непрерывного сектора углов сканирования.
Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения предложенная антенна дополнительно содержит приемопередатчик, выполненный с возможностью передачи сигнала на один из антенных элементов и приема сигнала от одного из антенных элементов, и электрически соединенный с системой переключения.
Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения передача и прием сигнала обеспечены в различных полосах частот.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения антенна также содержит переключатель для переключения между режимами приема и передачи.
Предпочтительно, система переключения может содержать по меньшей мере один переключатель типа 1×N (N≥2), где N - количество выходных каналов переключателя, причем указанный по меньшей мере один переключатель реализован на полупроводниковых микросхемах. В таком варианте полупроводниковые микросхемы системы переключения могут быть установлены на диэлектрической плате с использованием высокочастотных электрических соединений. В качестве альтернативы, высокочастотное электрическое соединение может быть проволочным соединением или соединением методом перевернутых кристаллов. Также система переключения, установленная на диэлектрической плате, может быть электрически соединена с антенными элементами и с приемопередатчиком посредством волноводно-микрополосковых переходов.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения рупорные антенные элементы по меньшей мере частично заполнены диэлектрическим материалом. В таком варианте диэлектрический материал рупорных антенных элементов может быть выбран так, что его диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне примерно от 1 и примерно до величины диэлектрической проницаемости материала линзы.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения плоская поверхность линзы по существу совпадает с ее фокальной плоскостью.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения рупорные антенные элементы имеют прямоугольный раскрыв. В качестве альтернативы, рупорные антенные элементы могут иметь круглый раскрыв.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения форма диэлектрической линзы выбрана из группы, содержащей форму полуэллипсоида вращения с цилиндрическим продолжением и форму полусферы с цилиндрическим продолжением. В качестве альтернативы, цилиндрическое продолжение линзы может быть усечено конусом с вершиной, лежащей на оси линзы снаружи этой линзы.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения антенна имеет коэффициент усиления более 30 дБи.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения размеры антенных элементов выбраны так, что обеспечен оптимизированный коэффициент направленного действия, а расстояния между антенными элементами выбраны так, что обеспечен непрерывный сектор углов сканирования указанной антенны.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения рупорные антенные элементы выполнены с возможностью подведения сигнала к ним с помощью волновода.
В качестве альтернативы, антенна может быть выполнена с возможностью работы в диапазоне частот 71-86 ГГц, причем она обеспечивает ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности менее 1° для каждого луча при сканировании, или антенна может быть выполнена с возможностью работы в диапазоне частот 57-66 ГГц, причем она обеспечивает ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности менее 3° для каждого луча при сканировании.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения антенна выполнена с возможностью обеспечения высокоскоростной связи в радиорелейной системе миллиметрового диапазона длин волн и с возможностью электронной подстройки основного луча в процессе начальной настройки антенны или в случае изменения пространственной ориентации антенны.
Предложена также станция высокоскоростной радиорелейной связи миллиметрового диапазона длин волн, содержащая линзовую антенну по любому из указанных вариантов реализации настоящего изобретения.
Другие аспекты и особенности настоящего изобретения могут быть понятны из описания предпочтительных вариантов реализации и прилагающихся чертежей.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично представлена зеркальная антенна с электронным сканированием.
На фиг.2. проиллюстрировано перекрытие лучей по уровню -3 дБ от максимума.
На фиг.3. показана интегрированная линзовая антенна с планарным антенным элементом и оптимизированной длиной цилиндрического продолжения.
На фиг.4. показана интегрированная линзовая антенна с антенными элементами, реализованными на полупроводниковой микросхеме.
Нва фиг.5. показана интегрированная линзовая антенна с антенными элементами, реализованными на диэлектрической плате.
На фиг.6. показана линзовая антенна с решеткой рупорных антенных элементов.
На фиг.7. схематично показаны эффекты бокового излучения и потерь на засветку в случаях широкой (а) и узкой (б) диаграмм направленности антенного элемента.
На фиг.8. представлены графики КНД рупорного антенного элемента без заполнения (а) и с диэлектрическим заполнением (б) при излучении внутрь тела линзы с диэлектрической проницаемостью 2,1 на частоте 75 ГГц.
На фиг.9. показана структура предложенной линзовой антенны.
На фиг.10. показана структура предложенной линзовой антенны с приемопередатчиком и печатной платой для установки переключателя, соединенные между собой и с рупорными антенными элементами с помощью волноводно-микрополоскового перехода.
На фиг.11. показана интегрированная линзовая антенна с частично заполненными диэлектриком рупорными антенными элементами.
На фиг.12. представлены эллиптическая или полусферическая линзы с цилиндрическим и конусированным продолжениями.
Подробное описание изобретения
Для решения рассмотренных проблем при оптимизации характеристик интегрированных линзовых антенн большого размера (диаметром более 20 рабочих длин волн) предложено использование в таких антеннах рупорных первичных антенных элементов, установленных на плоскую поверхность линзы, как это представлено на фиг.6.
Наиболее предпочтительна при разработке антенн большого размера, обеспечивающих все требуемые характеристики для использования в системах РРС, линза эллиптической формы, выполненная из однородного диэлектрика с некоторой диэлектрической проницаемостью.
Изменение параметров линзы (как эллиптической части, так и длины цилиндрического продолжения) не может быть использовано для максимизации характеристик антенны вследствие возникающих значительных искажений фазового фронта на эквивалентной апертуре антенны. Однако такая максимизация возможна за счет подстройки характеристик излучения первичного антенного элемента, что приводит к увеличению КНД интегрированной линзовой антенны. В частности, при широкой диаграмме направленности первичного антенного элемента внутри тела линзы проявляется эффект излучения из боковой цилиндрической поверхности линзы. Такое излучение приводит к увеличению боковых лепестков диаграммы направленности всей линзовой антенны и, как следствие, уменьшению ее КНД. Наоборот, при узкой диаграмме направленности первичного антенного элемента внутри тела линзы происходит локализация интенсивности излучения на некоторой части эллиптической поверхности линзы и уменьшение апертурной эффективности антенны. При этом диаграмма направленности линзовой антенны будет иметь более широкий луч и меньший КНД. Схематично данные эффекты представлены на фиг.7а и 7б. Подстройка характеристик антенного элемента позволяет найти такое соотношение между уровнем бокового излучения и потерь на засветку поверхности линзы, которое обеспечивает наибольшее КНД линзовой антенны.
В случае использования планарных антенных элементов оптимизация характеристик его излучения достаточно сложна и требует применения зачастую сложных решений, например добавления паразитных излучающих элементов, усложнения структуры подложки, использования комбинации из нескольких одновременно излучающих антенных элементов. Кроме того, все рассмотренные методы достаточно сильно ограничены по диапазону возможных итоговых характеристик диаграмм направленности планарных антенных элементов внутри тела линзы. Также важно отметить, что при разработке сканирующих линзовых антенн с планарной решеткой необходимо учитывать и взаимовлияние антенных элементов между собой, что не позволяет располагать антенные элементы очень близко друг к другу. Все это приводит к усложнению всей линзовой антенны и удорожанию ее стоимости.
Другим вариантом, предложенным в настоящем изобретении, является использование рупорных антенных элементов. Оптимизация характеристик диаграммы направленности рупорных антенных элементов может быть произведена за счет вариации размера раскрыва. Причем, так как в данном случае рупорные антенные элементы интегрированы на поверхность линзы с некоторой диэлектрической проницаемостью, то диапазон оптимизируемых характеристик (в частности, ширина диаграммы направленности) достаточно широк. Также, при использовании рупорных антенных элементов достигается высокий уровень изоляции между соседними элементами даже при их близком расположении, что обеспечивается закрытой со всех сторон металлической структурой таких элементов. Рупорные антенные элементы могут быть изготовлены, например, из алюминия или латуни, кроме того, на их поверхность может быть дополнительно напылен тонкий слой серебра или золота.
В качестве примера на фиг.8а приведена зависимость КНД рупорной антенны квадратного сечения от длины раскрыва при излучении в линзу с диэлектрической проницаемостью 2,1 на частоте 75 ГГц. Из представленных данных видно, что за счет вариаций размера раскрыва рупорного антенного элемента можно изменять КНД диаграммы направленности внутри тела линзы в диапазоне от 8,5 дБи до более чем 13 дБи. Изменение КНД в означенном диапазоне приводит к различному соотношению между потерями на боковое излучение через цилиндрическую поверхность линзы и потерями на засветку эллиптической поверхности линзы и, как следствие, возможности улучшения характеристик линзовой антенны в целом, а именно увеличению КНД линзовой антенны при обеспечении непрерывного сектора углов сканирования.
Также важно отметить, что для лучшего импедансного согласования рупорный антенный элемент может быть частично или полностью заполнен диэлектриком с проницаемостью, близкой к диэлектрической проницаемости линзы. В качестве такого заполнения могут использоваться различные материалы, например, фторопласт (диэлектрическая проницаемость 2.1) при изготовлении линзы также из фторопласта ил рексолита (диэлектрическая проницаемость 2.53). В этом случае может обеспечиваться даже больший диапазон возможных КНД рупорного антенного элемента из-за эффекта уменьшения электрической длины волны. На фиг.8б приведена зависимость КНД рупорной антенны квадратного сечения с заполнением диэлектриком от длины раскрыва при излучении в полупространство с диэлектрической проницаемостью 2.1 на частоте 75 ГГц. Видно, что можно обеспечить КНД рупорного антенного элемента от 7 дБи до более чем 13 дБи. Практические значения КНД планарных антенных элементов, известных из аналогов настоящего изобретения, для данного случая составляют не более 8,5 дБи, что часто не позволяет обеспечить наилучшие характеристики. Данный вывод справедлив и при рассмотрении линз из материалов с другими значениями диэлектрической проницаемости, например из кварца (диэлектрическая проницаемость 3.78).
2
2
Следует отметить, что за счет рассмотренного подбора характеристик рупорного антенного элемента КНД всей интегрированной линзовой антенны может быть увеличен на 1-3 дБ. Например, для линзы диаметром 200 мм, изготовленной из материала с диэлектрической проницаемостью 2,1, при использовании рупорного антенного элемента, заполненного диэлектриком, сечением 1,5×1,5 мм, КНД составляет 40,4 дБи, а при использовании рупора сечением 2,8×2,8 мм - КНД увеличивается до 42,1 дБи.
Предложенная конфигурация интегрированной линзовой антенны также обуславливает возможность близкого друг к другу расположения антенных элементов, что обеспечивает перекрытие лучей при сканировании по некоторому заданному уровню (например, -3 дБ от максимума) и, тем самым, непрерывный сектор углов, в котором возможна настройка радио соединения. Такая возможность определяется пропорциональным коэффициенту преломления линзы уменьшением электрической длины волны и, как следствие, уменьшением требуемого размера раскрыва рупорного антенного элемента по сравнению с аналогичным антенным элементом, используемым в известных линзовых и зеркальных антеннах.
Таким образом, в наиболее предпочтительном варианте предложенная интегрированная линзовая антенна с электронным сканированием луча содержит диэлектрическую линзу с плоской поверхностью, антенные элементы и систему переключения, выполненную с возможностью подачи сигнала по меньшей мере на один из антенных элементов, и отличается от аналогов тем, что антенные элементы представляют собой рупорные антенные элементы, установленные на плоской поверхности диэлектрической линзы с обеспечением возможности направления их излучения на линзу. Структура предложенной линзовой антенны в общем виде представлена на фиг.9. При этом плоская поверхность линзы по существу совпадает с ее фокальной плоскостью, размеры антенных элементов обеспечивают оптимизированный коэффициент направленного действия, а расстояния между антенными элементами обеспечивают непрерывный сектор углов сканирования указанной антенны.
В рассмотренной конфигурации система переключения служит для выбора и подачи сигнала на один из рупорных антенных элементов. Выбранный антенный элемент, установленный на плоскую поверхность линзы, излучает сигнал, фронт которого можно рассматривать в некотором приближении сферическим, в тело линзы. Линза служит для трансформации данного сферического фронта волны в плоский фронт в свободном пространстве, что и определят высокий КНД и узкий луч итоговой диаграммы направленности всей антенны в дальней зоне. При этом плоский волновой фронт и, соответственно, луч в дальней зоне формируются в направлении, определяемом расстоянием между центром плоской поверхности линзы и выбранным антенным элементом в решетке.
Предложенная интегрированная линзовая антенна максимально реализует свои преимущества при размерах линзы, в десятки раз превышающих длину волны на рабочей частоте. Так, на частоте 60 ГГц линза диаметром 100 мм обеспечивает ширину луча по уровню половинной мощности в 3°, а при диаметре 150 мм - 2°. При этом возможно обеспечить КНД в 33 дБи и 36,5 дБи соответственно. Такая линза может быть изготовлена, например, из фторопласта, тогда ее продольный размер составит 117 мм и 175 мм для рассмотренных диаметров. Непрерывный сектор углов сканирования в данном случае обеспечится при расстояниях между соседними антенными элементами в 2,8 мм.
В другом варианте, предложенная антенна дополнительно содержит приемопередатчик, выполненный с возможностью передачи сигнала на один из антенных элементов и приема сигнала от одного из антенных элементов, и электрически соединенный с системой переключения. Причем передача и прием сигнала могут осуществляться как одновременно в различных полосах частот (режим частотного дуплексирования), так и быть разнесены во времени (режим временного дуплексирования). В последнем случае, антенна может дополнительно содержать и переключатель для выбора режимов приема и передачи. Данный переключатель может быть реализован как отдельно от системы переключения линзовой антенны, так и быть интегрирован в нее.
Система переключения может быть реализована на одной или нескольких полупроводниковых микросхемах, установленных на диэлектрическую плату с помощью высокочастотных электрических соединений, например, проволочных соединений, или методом перевернутых кристаллов. В таком случае, предложенная линзовая антенна также содержит волноводно-микрополосковые переходы для электрического соединения системы переключения с первичными антенными элементами и с приемопередатчиком. Данные переходы обеспечивают передачу сигнала от приемопередатчика на планарную линию передачи, подведенную ко входу системы переключения, и далее от выбранной выходной планарной линии передачи па рупорный антенный элемент с подведением сигнала с помощью волновода. Структура рассмотренного варианта реализации изобретения представлена на фиг.10.
В рассматриваемом изобретении могут использоваться рупорные антенные элементы с различной формой раскрыва. В частности, наиболее практичной является реализация рупорных антенных элементов за счет расширения стандартного прямоугольного волновода. В этом случае раскрыв рупорных элементов также будет иметь прямоугольную форму. В другом случае, для обеспечения симметричной относительно оси диаграммы направленности антенного элемента внутри тела линзы, могут использоваться рупорные антенные элементы с круглым раскрывом.
В еще одном варианте реализации, частичное заполнение рупорных антенных элементом диэлектриком может быть технологически обеспечено за счет изготовления выступов определенной формы, выполненных на плоской поверхности линзы в местах подсоединения рупорных антенных элементов. Форма данных выступов должна определяться так, чтобы обеспечить наилучший уровень согласования (минимальный коэффициент отражения). Интегрированная линзовая антенна с рупорными антенными элементами, частично заполненными диэлектрическим материалом, показана на фиг.11.
В предлагаемом изобретении форма диэлектрической линзы может быть выбрана из группы, содержащей полуэллипсоидную форму с цилиндрическим продолжением, полусферическую форму с цилиндрическим продолжением, полуэллипсоидную форму с продолжением в виде усеченного конуса, полусферическую форму с продолжением в виде усеченного конуса. На фиг.12 показаны эллиптическая форма диэлектрической линзы с продолжением в виде цилиндра и в виде усеченного конуса. Использование линз с продолжением в виде усеченного конуса позволяет значительно уменьшить массу линзы, что является существенным для больших антенн, используемых в радиорелейных станциях.
Предложенная линзовая антенна может обеспечивать коэффициент усиления более 30 дБи при работе в различных полосах частот. Однако наиболее перспективно применение данной антенны для систем радиорелейной связи диапазона частот 71-86 ГГц при обеспечении ширины диаграммы направленности по уровню половинной мощности менее 1° для каждого луча при сканировании или в диапазоне 60 ГГц при обеспечении ширины диаграммы направленности по тому же уровню менее 3°.
Предложенная линзовая антенна в любой из рассмотренных конфигураций может быть адаптирована для обеспечения высокоскоростной связи в радиорелейной системе миллиметрового диапазона длин волн и подстройки основного луча в процессе начальной юстировки антенны или в случае изменения ориентации антенны вследствие воздействия ветра, вибраций, сжатия/расширения несущих конструкций при изменении температуры и др.