МНОГОКАНАЛЬНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
MULTICHANNEL ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к радиотехнике, и может быть использовано при разработке антенных систем.
Известна антенная решетка, приведенная в описании изобретения под названием «Nonreciprocal transmission line apparatus whose propagation constants in forward and backward directions are different from each other" [1].
Антенная решетка предназначена для работы в частотном диапазоне (5-7 ГГц) состоит из N антенных элементов, выполненных в виде микрополосковых линий. Включает основание, диэлектрик, два слоя металлизации (микрополосковые линии), керамические конденсаторы, Микрополосковые линии расположены друг над другом. Антенные элементы разнесены на расстояние, равное половине длине волны. В данной антенной решетке присутствуют переходные отверстия, предназначенные для заземления элементов антенной решетки.
Учитывая, что данная антенная решетка предназначена для работы в диапазоне (5-7 ГГц), недостатком данного решения является низкая предельная разрешающая способность по дальности (3 м). Кроме этого к недостаткам данной антенной решетки следует отнести наличие конденсатора, выполненного в виде физического элемента, что накладывает ограничение на габариты антенной решетки.
Наиболее близкой к заявляемому устройству, является антенная решетка, приведенная в статье K-band frequency-scanned leaky-wave antenna based on composite right/left-handed transmission lines [2]. Антенная решетка предназначена для работы в диапазоне от 20 до 30 ГГц. Антенная решетка содержит основание, N антенных элементов, разнесенных на расстояние, равное половине длине волны, каждый из которых выполнен в виде Н-образных слоев металлизации (два слоя). Также антенная решетка содержит два слоя диэлектрика и препрег.
Недостатком данной антенной решетки является неравномерность в диаграмме направленности по уровню коэффициента усиления и ширине главного лепестка, вызванная формой элемента, а также количеством диэлектрических слоев.
Учитывая, что данная антенная решетка предназначена для работы в диапазоне (20-30 ГГц), недостатком данного решения будет являться низкая разрешающая способность по дальности (около 1.5 м)
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - улучшение характеристик антенной решетки, в том числе получение равномерной диаграммы направленности по уровню коэффициента усиления во всей рабочей полосе частот, а также повышение разрешающей способности по дальности.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в антенную решетку, содержащую: вход, выполненный в виде микрополоскового элемента, основание, препрег, первый и второй слои диэлектрика, первый из которых прилегает непосредственно к основанию, N антенных элементов, разнесенных на расстояние, равное половине длине волны, каждый из которых включает два слоя металлизации, (причем слои смещены друг относительно друга на расстояние половины длины волны в диэлектрике), первый из которых наносится на препрег и располагается между препрегом и вторым слоем диэлектрика, а второй наносится на сверху на второй слой диэлектрика, дополнительно вводится третий слой диэлектрика, расположенный между первым слоем диэлектрика и препрегом, причем, каждый слой металлизации выполнен в форме буквы П, вход, выполненный в виде микрополоскового элемента, наносится на второй слой диэлектрика.
Подробное описание устройства
Антенная решетка может быть применена в радиолокационных системах, а также в системах связи, в том числе системах связи пятого поколения для реализации технологии «Massive MIMO».
На основании антенной решетки могут также размещаться приемопередающие модули. Сигнал на вход антенной решетки поступает через копланарную линию с выхода приемо-передающего модуля. Предлагаемая антенная решетка работает в диапазоне частот 76-81 ГГц. Значения диэлектрической проницаемости первого 3, второго 6 и третьего 4 диэлектриков, используемых в предлагаемом устройстве должны находиться в диапазоне от 2.5 до 10.
Металлизация может выполняться при помощи меди, серебра, иммерсионного золота.
Толщина диэлектрика и препрега выбирается исходя из поставленной задачи. При увеличении толщины препрега и диэлектрика, угол сканирования антенной решетки также увеличится, но при этом понизится коэффициент усиления антенной решетки. Данный эффект появляется из-за дополнительных потерь, связанных с прохождением волны в среде, у которых тангенс угла диэлектрических потерь не равен 0.
Изменение толщины диэлектрика может производиться в диапазоне 0.127-1.5 мм. Изменение толщины препрега может производиться в диапазоне 0.127-0.5 мм.
Применяя подобную конфигурацию, антенная решетка может обеспечить формирование диаграммы направленности с более узкой шириной главного лепестка (1 градус, против 5 градусов у прототипа), а также с большей разрешающей способностью по дальности (в 2.5 раза относительно прототипа) за счет большей полосы в пределах отклонения главного лепестка диаграммы направленности на 1 градус.
Пример формируемой антенной решеткой диаграммы направленности приведен на фиг. 2. Из фиг. 2 видно, что диаграмма направленности, формируемая антенной решеткой равномерна во всей полосе рабочих частот.
Получение равномерной диаграммы направленности по уровню коэффициента усиления во всей рабочей полосе частот достигается за счет изменения формы элемента в антенной решетки, с Н-образного на П-образный. При использовании данного типа элемента, настройка антенной решетки значительно упрощается, в связи с меньшими габаритами П образного элемента по сравнению с Н образным. Таким образом в рабочей полосе частот, изменение ширины главного лепестка составляет не более 0,5 дБ.
Повышение разрешающей способности по дальности достигается за счет того, что предлагаемая антенная решетка работает в диапазоне 76-81 ГГц, и достигает 2,5 раз по сравнению антенной решеткой, выбранной в качестве прототипа.
Краткое описание чертежей
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - основание, 2 - вход, 3, 6 - первый и второй слои диэлектрика, 4 - третий слой диэлектрика, 5 - препрег, 7, 8 - первый и второй слои металлизации.
На фиг. 2 показаны графики диаграммы направленности антенной системы в зависимости от частоты сигнала.
1. Ueda, Tetsuya, and Andrey Porokhnyuk. "Nonreciprocal transmission line apparatus whose propagation constants in forward and backward directions are different from each other." U.S. Patent No. 9,490,511. 8 Nov. 2016..
2. Jiang W. et al. K-band frequency-scanned leaky-wave antenna based on composite right/left-handed transmission lines // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2013. - T. 12. - С. 1133-1136.