Отражательная антенная решетка

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве приемно-передающей антенны мобильных и стационарных устройств спутниковой связи.
Известна двухслойная отражательная антенная решетка, содержащая проводящий рефлектор и отделенные от него и друг от друга воздушными промежутками слои с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в каждом слое удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот (Huang J., Encinar J.A. Reflectarray Antennas. Institute of Electrical and Electronic Engineers. 2008).
Недостатками такой системы являются большие поперечные размеры и вес конструкции, узкая полоса рабочих частот.
Из уровня техники известна двухчастотная отражательная антенная решетка, состоящая из проводящего рефлектора и отделенного от него и друг от друга воздушными промежутками слоями с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в каждом слое удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы на двух рабочих частотах (М. R. Chaharmir, J. Shaker and H. Legay, "Dual-band Ka/X reflectarray with broadband loop elements," in IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 4, no. 2, pp. 225-231, Feb. 2010).
Недостатком такого решения являются узкие относительные полосы обеих рабочих частот, необходимость наличия двух источников поля облучения.
Известна отражательная антенная решетка, характеризующаяся тем, что содержит проводящий рефлектор и отделенный от него воздушным промежутком слой с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, форма и размеры проводящего рефлектора и слоя с отражательными элементами совпадают, оба слоя являются согнутыми в вертикальной плоскости, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в первом слое, количество сгибов и углы сгибов металлического рефлектора и слоя с отражательными элементами удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот (Патент US 6411255 В2).
Недостатками такого решения является конформность устройства.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к предлагаемому устройству является однослойная отражательная антенная решетка (М.I. Sugak, S.V. Ballandovich, G.A. Kostikov, Y.G. Antonov and L.M. Liubina, "K-band slot reflectarray antennas," 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), Moscow, 2018, pp. 516-520.). Устройство содержит проводящий рефлектор и отделенный от него воздушным промежутком слой с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в первом слое удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот.
Преимуществом прототипа являются малые поперечные размеры, механическая прочность.
Недостатком прототипа является узкая полоса рабочих частот.
Задачей предлагаемой полезной модели является возможность расширения полосы рабочих частот при неизменном коэффициенте усиления.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное устройство, так же как и известное, содержит проводящий рефлектор и отделенный от него воздушным промежутком слой с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в первом слое удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот. Но, в отличие от известного, в предлагаемой отражательной антенной решетке дополнительно над первым слоем размещен второй слой с отражательными элементами, отделенный от первого слоя воздушным промежутком и имеющий такую же форму, что и первый слой, но с отверстием в области максимальных значений амплитуды поля облучения, области расположения отражательных элементов на втором слое соответствует область, выполняющая роль проводящего рефлектора первого слоя, а величина воздушного промежутка между слоями, взаимное расположение элементов и их размеры в каждом слое, размер области максимальных значений амплитуды поля облучения, толщина второго слоя удовлетворяют условию формированию диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот.
Достигаемым техническим результатом является возможность расширения полосы рабочих частот при неизменном коэффициенте усиления.
Технический результат достигается за счет размещения над первым слоем второго слоя с отражательными элементами, отделенного от первого слоя воздушным промежутком и имеющего такую же форму, что и первый слой, но с отверстием в области максимальных значений амплитуды поля облучения. При этом, области расположения отражательных элементов на втором слое соответствует область, выполняющая роль проводящего рефлектора первого слоя, а величина воздушного промежутка между слоями, взаимное расположение элементов и их размеры в каждом слое, размер области максимальных значений амплитуды поля облучения, толщина второго слоя удовлетворяют условию формированию диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот.
Полезная модель иллюстрируется 14 чертежами.
Фиг. 1 - вид спереди двухслойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 2 - сечение двухслойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 3 - проводящий рефлектор.
Фиг. 4 - первый слой с отражательными элементами двухслойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 5 - второй слой с отражательными элементами двухслойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 6 - слой с отражательными элементами однослойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 7 - сечение однослойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 8 - распределение фазы по раскрыву однослойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 9 - распределение фазы по раскрыву двухслойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 10 - частотные зависимости коэффициента усиления отражательных антенных решеток.
Фиг. 11 - частотные зависимости уровня боковых лепестков отражательных антенных решеток.
Фиг. 12 - нормированные диаграммы направленности отражательной антенной решетки на 21 ГГц.
Фиг. 13 - нормированные диаграммы направленности отражательной антенной решетки на 20.5 ГГц.
Фиг. 14 - нормированные диаграммы направленности отражательной антенной решетки на 23 ГГц.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - облучатель
2 - первый слой с отражательными элементами двухслойной отражательной антенной решетки.
3 - второй слой с отражательными элементами двухслойной отражательной антенной решетки.
4 - проводящий рефлектор.
5 - воздушный промежуток.
6 - элементы крепления.
7 - слой с отражательными элементами однослойной отражательной антенной решетки.
Антенна работает следующим образом. Для объяснения работы устройства (фиг. 1), в его структуру дополнительно вводится облучатель 1 (фиг. 2). При работе антенны в режиме передачи, волна от облучателя 1 падает на отражательную антенную решетку, состоящую из проводящего рефлектора 5 и двух слоев с отражательными элементами 2-3, разделенными воздушными промежутками 6, причем во втором слое в области максимальных значений поля облучения выполнено отверстие, а области второго слоя с отражательными элементами соответствует область первого слоя, выполненная в виде проводящего рефлектора. Причем форма и размер второго слоя 3 совпадают с формой и размером области первого слоя, выполненной в форме проводящего рефлектора. Таким образом, при проектировании антенны по известной методике на основе анализа фазы отраженного поля в пределах элементарной ячейки (Thornton J., Huang K.-С. Modern Lens Antennas for Communications Engineering. Wiley-IEEE Press, 2012. P. 272) для отражательных элементов второго слоя учитывается дополнительная фазовая задержка Δϕ, определяющаяся величиной воздушного промежутка между первым и вторым слоем d исходя из соотношения Δϕ=(4nd)/λ, где X - длина волны, соответствующая частоте проектирования, что соответственно отражается в выборе геометрии каждого отражательного элемента второго слоя. За счет того, что в итоге каждый элемент отражательной антенной решетки вносит свою фазовую задержку, отраженное поле является синфазным, а совокупность отражательных элементов в обоих слоях отражательной антенной решетки удовлетворяет условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот (Munk В.A. Finite Antenna Arrays and FSS. NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2003. P. 392).
При работе антенны в приемном режиме, падающее поле от источника в дальней зоне после отражения от антенны фокусируется в точку, где расположен облучатель 1.
При этом может быть реализована как прямофокусная, так и офсетная схема размещения облучателя. В зависимости от требуемой формы диаграммы направленности и схемы размещения облучателя будет меняться и закон взаимного расположения отражательных элементов в двух слоях, величины воздушных промежутков, а также размер и положение отверстия во втором слое отражательной антенной решетки.
Работа устройства подтверждается данными электродинамического моделирования прямофокусной отражательной антенной решетки с размерами 170×170 мм для работы на центральной частоте в 21 ГГц с шагом гексагональной сетки расположения цилиндрических полостей 0.55 длины волны на рабочей частоте и величиной воздушных промежутков 9 мм. Образец антенны спроектирован исходя из его реализации методом лазерной резки из листов металла толщиной 1 мм. Геометрии слоев получены по известной методике (Thornton J., Huang К.-С.Modern Lens Antennas for Communications Engineering. Wiley-IEEE Press, 2012. P. 272) и представлены на фиг. 3-5. Сравнение характеристик проводилось с прямофокусной отражательной антенной решеткой прототипа, с теми же габаритными размерами, шагом гексагональной сетки и величиной воздушного промежутка (фиг. 6-7).
Синтез отражательной антенной решетки проводится на основании зависимостей фазы отраженного поля от размеров отражательного элемента в пределах ячейки Флоке, а также с учетом вводимой за счет воздушного промежутка между первым и вторым слоем фазовой задержки в области максимальных значений поля облучения. Таким образом удается избежать одного сброса фазы в 2π в распределении фазы по раскрыву однослойной отражательной антенной решетки (фиг. 8-9), который, как известно, приводит к уменьшению полосы рабочих частот отражательных антенных решеток (D.М. Pozar, "Bandwidth of reflectarrays," in Electronics Letters, vol. 39, no. 21, pp. 1490-1491, 16 Oct. 2003), а следовательно, приблизить итоговое фазовое распределение к фазовому распределению параболического зеркала, обладающего большей полосой рабочих частот.
Из приведенных частотных зависимостей коэффициента усиления (фиг. 10) и уровня боковых лепестков (фиг. 11) для однослойной отражательной антенной решетки (фиг. 8) и предлагаемой двухслойной отражательной антенной решетки (фиг. 2) видно, что при переходе к двухслойной отражательной антенной решетке и сохранении геометрии ячейки происходит расширение полосы рабочих частот по уровню -3 дБ от максимального значения коэффициента усиления с 9% до 15.5% при большем уровне боковых лепестков как на частоте расчета (21 ГГц), так и в полосе рабочих частот. Диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях в полосе рабочих частот для двухслойной отражательной антенной решетки приводятся на фиг. 12-14.
Таким образом, показана достижимость технического результата - расширение полосы рабочих частот при неизменном коэффициенте усиления.