Сканирующая антенна
SCANNING ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для приема и передачи электромагнитных волн. Устройство может быть использовано в системах связи, радиолокации и других радиотехнических системах.
Из текущего уровня техники известно большое количество сканирующих антенн. Наибольшая часть известных конструкций таких антенн по своему принципу работы относятся к фазированным антенным решеткам (Robert Mailloux, Phased Array Antenna Handbook, Third Edition, Artech, 2017), значительным недостатком которых является высокая сложность схем распределения мощности между излучателями и управления амплитудами и фазами излучателей.
Меньшая часть сканирующих антенн относится к антеннам на основе метаповерхностей. Принцип их работы заключается в управляемом рассеянии метаповерхностью бегущей по ней волны за счет излучения так называемых «вытекающих» волн.
Из уровня техники известна антенная система (US9887456, опубл. 06.02.2018 г.), содержащая множество управляемых рассеивающих резонансных элементов на основе жидких кристаллов.
Недостатком такой системы является высокая сложность системы управления, так как каждый элемент управляется в отдельности.
Наиболее близкой к заявляемой сканирующей антенне является антенная система (WO2020244743A1, опубл. 10.12.2020 г.), содержащая модулированную импедансную метаповерхность, по крайней мере один фидер, проводящий экран, расположенный на некотором расстоянии от импедансной метаповерхности, управляемую структуру со множеством возможных состояний, которые отличаются электрической длиной эквивалентной линии передачи по крайней мере в одной области импедансной метаповерхности. При этом различные состояния управляемой структуры соответствуют различным диаграммам направленности антенны, а количество степеней свободы структуры, используемых для управления диаграммой направленности, существенно меньше, чем количество элементов метаповерхности. Данное техническое решение принято за прототип.
Существенным недостатком прототипа является необходимость введения управляющих воздействий в пространство между импедансной метаповерхностью и экраном, что усложняет конструкцию и ухудшает развязку между цепями управления и СВЧ сигналом.
Техническая проблема заключается в необходимости разработки конструктивно простой сканирующей антенны с возможностью изменения поверхностного импеданса.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции сканирующей антенны, сопровождающееся улучшением гальванической развязки между цепями управления и СВЧ сигналом.
достигается
тем, что
Заявляемый технический результат  в сканирующей антенне, включающей пассивную часть содержащую модулированную импедансную метаповерхность, по крайней мере один фидер, возбуждающий бегущую поверхностную волну, проводящий экран, причем антенна дополнительно включает в себя активную часть, расположенную под проводящим экраном и выполненную с возможностью создания управляющего магнитного поля,  а пассивная часть антенны содержит материал с изменяемой магнитной проницаемостью.
Принцип управления диаграммой направленности заключается в изменении фазовой скорости бегущей волны за счет изменения магнитной проницаемости подложки при воздействии на нее сквозь немагнитный экран магнитного поля, создаваемого активной частью.
Дополнительно сканирующая антенна разделена на конечное количество секторов, фазовая скорость волны в каждом из которых управляется отдельно.
В качестве материала с изменяемой магнитной проницаемостью могут быть использованы ферриты, магнитные пленки или другие магниточувствительные структуры.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана конструкция сканирующей антенны в сборе;
На фиг. 2 показан вид конструкции с разнесенными частями;
На фиг. 3 показан вид сверху конструкции антенны;
На фиг. 4 показана электродинамическая модель заявляемой сканирующей антенны, разделенной на восемь секторов;
На фиг. 5 показаны результаты расчета диаграмм направленности электродинамической модели устройства.
На фиг. 6 показана электродинамическая модель заявляемой сканирующей антенны, разделенной на четыре сектора;
На фиг. 7 показаны результаты расчета диаграмм направленности электродинамической модели устройства.
Заявляемая сканирующая антенна, представленная на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, выполнена на основе метаповерхности 1 и состоит из пассивной излучающей 2 и активной управляющей 3 частей. Пассивная излучающая часть 2 содержит модулированную импедансную метаповерхность 4, по крайней мере один фидер 5, возбуждающий бегущую поверхностную волну, проводящий немагнитный экран 6, управляемую подложку 7, находящуюся между экраном 6 и импедансной метаповерхностью 4, и по крайней мере один СВЧ разъем 8. Управляемая подложка 7 может содержать диэлектрики, ферриты, магнитные пленки в различных конфигурациях и может быть разделена на несколько радиальных секторов. Активная управляющая часть 3 содержит управляющие катушки подмагничивания или постоянные магниты. Если управляемая подложка 7 выполнена секторной, то для каждого сектора управляемой подложки в активной управляющей части 3 имеется своя независимая система подмагничивания.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
Фидер 5 запитывается от СВЧ разъема 8 и возбуждает на поверхности антенны цилиндрическую электромагнитную волну TM типа. При распространении волна взаимодействует с импедансной метаповерхностью 4, имеющей периодическую модуляцию импеданса. В результате этого взаимодействия поверхностная волна трансформируется в излучаемую волну, формируя луч с заданными направлением, формой и поляризацией. В отсутствие активной управляющей части 3 или при отсутствии магнитных полей, создаваемых активной частью, антенна формирует луч, заданный свойствами метаповерхности. Для управления лучом необходимо чтобы намагничивающее внешнее поле внутри управляемой подложки 7 было направлено перпендикулярно магнитному СВЧ-полю волны, то есть в описываемом случае - радиально. При подаче магнитного поля со стороны активной управляющей части 3, содержащей управляющие катушки подмагничивания или постоянные магниты, оно проникает через проводящий немагнитный экран 6 в управляемую подложку 7, содержащую ферриты, магнитные пленки или другие магниточувствительные структуры, вызывая контролируемое изменение магнитной проницаемости управляемой подложки 7. Это вызывает локальное увеличение или уменьшение фазовой скорости поверхностной волны, что эквивалентно изменению периода модуляции импедансной метаповерхности и влияет на направление излучения, формируемого участком поверхности, а следовательно, и на форму луча антенны. Если подложка 7 и активная управляющая часть 3 выполнены секторными, то магнитная проницаемость изменяется в секторе целиком. При этом луч, формируемый антенной, отклоняется на угол, зависящий от получаемого в секторах эффективного периода модуляции импеданса.
При этом число секторов может быть любым в диапазоне от двух до нескольких десятков.
Число секторов равное двум позволяет управлять диаграммой направленности только в одной плоскости, при этом дискретность изменения магнитной проницаемости µ равна 180°. Четыре сектора позволяют осуществлять сканирование в двух плоскостях, при дискретности изменения µ равному 90°. Дальнейшее увеличение секторов увеличивает количество степеней свободы сканирования и улучшает параметры диаграммы направленности. В случае предельного перехода при бесконечном числе секторов будет получен идеальный градиентный переход магнитной проницаемости, без дискретного характера и наилучшие параметры диаграммы направленности. Однако, при этом соответственно усложняется система управления.
Заявляемое изобретение поясняется примерами.
Пример 1
Было проведено экспериментальное исследование эффективности работы сканирующей антенны. Для этого была создана электродинамическая модель заявляемого устройства, представленная на фиг. 4.
В качестве примера приведена антенна, подложка которой состояла из восьми секторов. При этом осуществлялось формирование дискретности градиента изменения µ с шагом 45°
Антенна имела размер 150×150 мм и была рассчитана на работу на частоте 12 ГГц. Подложка антенны была разделена на восемь радиальных секторов, с воздушными зазорами в 0,5 мм между секторами. Пассивная излучающая часть антенны имела четыре слоя: медный экран толщиной 20 мкм, СВЧ-феррит 3СЧ20 толщиной 1 мм, диэлектрик Rogers RO4003C толщиной 0,5 мм, импедансную метаповерхность из медных субволновых патчей овальной формы. Импедансная метаповерхность была рассчитана на формирование луча с круговой поляризацией, направленного по нормали к антенне с помощью методики, описанной в (К.В. Лемберг, Е.О. Грушевский, И.В. Подшивалов, А.Н. Космынин, К.Н. Космынина. Методика синтеза и экспериментальное исследование антенн Ku-диапазона на основе тензорных метаповерхностей // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. - 2021. - 14(7). С. 840–853).
Под экраном располагалась управляющая активная часть антенны, состоящая из восьми (по числу секторов) одинаковых частей, каждая в виде Y-образного магнитопровода, магнитный поток в котором управлялся тремя управляющими катушками подмагничивания. При соединении активной и пассивной частей антенны магнитный поток замыкался через ферритовые сектора, которые были расположены в подложке пассивной части. Катушки запитывались таким образом, чтобы в каждом секторе управляемой подложки пассивной части создавалось квазиоднородное магнитное поле, направленное радиально.
При этом протекание электрических токов через магнитоактивный материал, находящийся внутри антенны, отсутствовало, что обеспечивало заявленный технический результат, а именно улучшение гальванической развязки между цепями управления и СВЧ сигналом.
Напряженность магнитного поля влияет на эффективную магнитную проницаемость феррита для TM волны, возбуждаемой фидером и распространяющейся от центра к краю структуры. Это позволяет управлять фазовой скоростью волны в секторах. Изменение фазовой скорости эквивалентно увеличению или уменьшению периода модуляции импедансной метаповерхности, что приводит к отклонению луча.
При отсутствии управляющего магнитного поля эффективная магнитная проницаемость феррита равна единице. При этом луч направлен по нормали к плоскости антенны. Для отклонения луча необходимо, подбирая токи в управляющих катушках подмагничивания, увеличить эффективную магнитную проницаемость у сектора 9, уменьшить у сектора 13, у секторов 11 и 15 оставить магнитную проницаемость равной единице, а у пар секторов 10-16, и 12-14 эффективная магнитная проницаемость должна быть одинаковой в каждой паре немного больше и немного меньше единицы, соответственно.
На фиг. 5 приведены результаты расчета диаграмм направленности электродинамической модели заявляемого устройства для нескольких вариантов управляющих сигналов.  В качестве управляющих сигналов в данном случае выступают токи через катушки подмагничивания. Как видно из графика, при изменении токов подмагничивания наблюдается сканирование в диапазоне углов -8…+12°. При надлежащем выборе управляющих сигналов, возможно сканирование в любой другой выбранной плоскости. При этом конструкция антенны является простой, не имеет дорогих компонентов, а активная управляющая и пассивная излучающая части полностью разделены.
Пример 2
Электродинамическая модель антенны идентична электродинамической модели, представленной в Примере 1, за исключением того, что вместо управляющих катушек подмагничивания были использованы постоянные магниты. Намагниченность в магнитоактивном материале в таком случае варьировалась путем изменения расстояния между магнитами и подложкой.
Также в описываемом варианте реализации изобретения управляющая активная часть состояла из четырех секторов, как показано на фиг.6. Намагниченность в каждом из секторов задавалась тремя постоянными магнитами с величиной остаточной магнитной индукцией равной 1 Тл.
На фиг. 6 показана электродинамическая модель сканирующей антенны, разделенной на четыре сектора.
Для задания радиальной намагниченности внутри сектора полюса магнита, расположенного в центре антенны, были направлены противоположно магнитам, находящимся по краям. Направление магнитного поля, создаваемого магнитами схематически обозначено на фиг. 6 стрелками. Механическое перемещение магнитов осуществлялось одновременно на одинаковое расстояние внутри одного сектора.
Перестройка диаграммы направленности осуществлялась подобно принципу, описанному выше, только изменение магнитной проницаемости осуществлялось не токами в катушках, а воздушными зазорами между постоянными магнитами и магнитоактивной подложкой. Например, для наклона луча необходимо увеличить воздушный зазор у сектора 9, уменьшить у 13-го, и оставить фиксированным у секторов 11 и 15.
На фиг. 7 приведены результаты расчета диаграмм направленности электродинамической модели заявляемого устройства для нескольких вариантов управляющих сигналов. В данном варианте исполнения антенны управляющими сигналами являются магнитные поля, создаваемое постоянными магнитами. Из графика видно, что при варьировании расстояний между магнитами и подложкой происходит сканирование в диапазоне углов -9…+13°. При надлежащем выборе управляющих сигналов, возможно сканирование в другой плоскости. Таким образом, при использовании данного варианта конструкции антенны при намагничивании феррита отсутствовал физический и электрический контакт с управляющей системой.
Таким образом, результаты расчетов электродинамических моделей конкретных реализаций заявляемого устройства подтверждают достижение технического результата: достигнуто упрощение конструкции сканирующей антенны, сопровождающееся улучшением гальванической развязки между цепями управления и СВЧ сигналом.