ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ШИРОКИМ УГЛОМ СКАНИРОВАНИЯ
DUALPOLARIZED WIDE-ANGLE ANTENNA ARRAY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к широкоугольной сканирующей двухполяризационной антенной решетке.
Уровень техники
Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка перспективных сетей связи 5G и 6G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, такими как высокая скорость передачи и энергоэффективность.
Новые приложения требуют внедрения нового класса радиосистем, способных осуществлять передачу/прием данных/энергии и имеющих возможности адаптивного изменения характеристик излучаемого электромагнитного поля. Важным компонентом таких систем являются управляемые антенные решетки, которые находят свое применение в системах передачи данных, таких как 5G (28ГГц), WiGig (60ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G(субТГц), системах беспроводной передачи мощности на большие расстояния (Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24ГГц), системах автомобильных радаров (24ГГц, 79ГГц) и т.д.
Антенные решетки миллиметрового диапазона, используемые в упомянутых областях, должны отвечать нескольким основным требованиям:
- низкие потери и высокий коэффициент усиления;
- возможность гибкого управления лучом (направлением максимума излучения), т.е. сканирование лучом и фокусировка излучаемого поля в широком диапазоне углов;
- работа в широком диапазоне частот;
- компактная, недорогая, простая архитектура, применимая для серийного производства.
На сегодняшний день при создании излучателей миллиметрового диапазона широко используется технология печатных плат (PCB), так как данная технология позволяет получать устройства, характеризующиеся простотой конструкции и технологичностью, удобством выполнения на единой подложке с другими электронными узлами, возможностью достижения широкой полосы рабочих частот.
Печатная антенная решетка представляет собой массив патч-антенн (печатных антенных элементов).
Существующие технологии антенн миллиметрового диапазона обладают рядом ограничений, существенно влияющих на возможность их применения:
- малое расстояние между питающими портами антенных элементов;
- распространение поверхностных волн в печатных платах антенн;
- значительное падение коэффициента усиления на больших углах сканирования;
- необходимость адаптации к технологии AiP (Antenna-in-package);
- предельно жесткие требования к точности изготовления и т.д.
При использовании в системах связи основные требования к антенной решетке в составе базовой станции - это обеспечение полного кругового (360 градусов) сканирования луча по азимуту и работа с двойной поляризацией. Такой сектор сканирования достигается за счет комбинирования нескольких антенных решеток с ограниченным сектором сканирования. Очевидно, что количество необходимых для базовой станции решеток определяется диапазоном сканирования отдельных применяемых решеток. Таким образом, если сектор сканирования антенной решетки ограничен ± 45 градусов, что характерно для применяемых в настоящее время в базовых станциях антенных решеток, тогда требуются 4 решетки для обеспечения полного кругового (360 градусов) сканирования лучом. При расширенном до ± 60 градусов секторе сканирования для решетки потребуется всего 3 решетки. Таким образом, увеличение сектора сканирования отдельной антенной решетки может привести к снижению требуемого количества антенных решеток для обеспечения заданного угла сканирования и, соответственно, снижению сложности управления антенными решетками.
Одним из основных недостатков существующих двухполяризационных антенных решеток является взаимное влияние питающих портов антенных элементов друг на друга (кроссполяризационная связь между питающими портами разной поляризации в одном антенном элементе и в соседних антенных элементах, а также кополяризационная связь между питающими портами одной поляризации в соседних антенных элементах).
Этот эффект связан с распространением паразитных поверхностных волн между элементами решетки в подложке печатной платы и над ее поверхностью и вытекающих волн (leaky waves) над антенной решеткой, их сложением в точках расположения элементов запитки, что приводит к рассогласованию антенных элементов или, в случае двухполяризационных решеток, перетеканию мощности в порты второй поляризации.
Двухполяризационные антенные элементы имеют ассиметричную структуру, что может усугублять эти эффекты. На этапе проектирования антенных решеток это также проявляется в асимметричной диаграмме направленности отдельного антенного элемента в составе всей решетки и результирующей асимметрии в характеристиках сканирования.
Традиционный патч-элемент (печатный антенный элемент) двухполяризационной антенной решетки с возбуждением посредством возбуждающего зонда (Probe или L-probe) представляет собой патч-элемент, расположенный над земляным слоем и соединенный посредством микрополосковых линий передачи с двумя питающими портами, предназначенными для возбуждения полей с разной поляризацией (например, вертикальной и горизонтальной). Подведение питания к питающим линиям через земляной слой осуществляется через межслойный переход с помощью переходного металлизированного отверстия (VIA). Для предотвращения замыкания токов на землю, вокруг VIA образуется кольцевой зазор. Указанное VIA соединено с продолжением питающей линии, расположенной на другом слое печатной платы. Антенный элемент при этом окружен множеством VIA, образующих «стенки полости», для снижения взаимного влияния соседних антенных элементов. В силу производственных ограничений, упомянутые зазоры вокруг запитывающих VIA имеют размер близкий к половине длины волны излучения, что соответствует размеру излучающей кольцевой (круговой) щели. Вследствие этого при сканировании поверхностные волны в печатной плате возбуждают кольцевую щель в другом питающем порте. Два вертикальных штыря VIA работают как два вертикальных связанных монополя, которые являются несбалансированными вследствие различия токов, ориентированных по оси z. Таким образом, существуют два нескомпенсированных источника излучения. Эта ситуация ухудшается из-за наличия вокруг антенного элемента множества VIA, образующих «стенки полости», которые предназначены для снижения связи между соседними элементами антенной решетки. В данном случае упомянутая полость действует также в качестве открытого резонатора для возбужденных паразитных электромагнитных полей в упомянутых щелях. Стенки полости позволяют блокировать только паразитные волны, распространяющиеся в диэлектрической подложке печатной платы. Паразитные поверхностные и вытекающие волны все еще присутствуют в антенной решетке. Таким образом, кроссполяризационная связь между элементами антенной решетки все еще остается высокой и асимметричной вследствие разных расстояний между некоторым портом и соседними портами с отличной поляризацией.
В результате, возникает нежелательное падение коэффициента усиления элемента решетки при некотором угле излучения относительно нормали, асимметричная диаграмма направленности отдельного антенного элемента и всей решетки, а также уменьшение рабочего частотного диапазона. Результатом этого является неоправданное падение коэффициента усиления при широких углах сканирования (больше 50 градусов). При этом стоит отметить, что при отклонении луча на угол более 45 градусов коэффициент усиления решетки падает значительно в одном направлении сканирования из двух, именно вследствие асимметрии диаграммы направленности отдельного элемента антенной решетки.
Для решения упомянутых выше проблем необходимо, чтобы антенная решетка отвечала следующим условиям:
- высокая степень симметричности элементов антенной решетки;
- высокая степень ортогональности электромагнитных полей рабочих поляризаций в элементе антенной решетки;
- отсутствие условий для распространения паразитных поверхностных волн и вытекающих волн между элементами антенной решетки.
Из предшествующего уровня техники известно решение, раскрытое в статье D. Dogan, "A wide band, dual polarized patch antenna for wide angle scanning phased arrays", 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, 2013, с. 135-138. В данной статье раскрыт антенный элемент, реализованный на многослойной печатной плате, содержащий два расположенных друг над другом патч-элемента, возбуждаемые двумя прямыми скрещенными под прямым углом щелями, расположенными на слое ниже патч-элементов. Упомянутые щели в свою очередь возбуждаются двумя микрополосковыми П-образными питающими элементами, расположенными ортогонально друг другу, каждый на своем слое, ниже щелевых элементов. Однако, данное решение характеризуется сложной структурой вследствие наличия многослойной структуры питания и необходимости ее согласования.
Патентный документ CN 210245710 U раскрывает многослойную антенну, которая содержит полость для изоляции области излучающего патча, окруженную металлическими сквозными отверстиями, полость для изоляции опорной области, окруженную металлическими пластинами, и полость для изоляции области питания, окруженную металлическими сквозными отверстиями, последовательно сверху вниз; верхняя часть изолирующей полости области излучающего патча содержит двухслойный излучающий патч, а смежное соединение изолирующей полости опорной области и изолирующей полости области питания содержит однослойный излучающий патч; изолирующая полость области питания снабжена внутри последовательно сверху вниз соединительной структурой и питающей структурой; питающая структура используется для наведения электромагнитного поля в соединительной структуре и осуществления подачи совместного питания на двухслойный излучающий патч и однослойный излучающий патч. Однако, в данном решении используется сложная металлическая полость между верхней и нижней, что усложняет структуру антенного элемента и его сборку. Кроме того, данный антенный элемент имеет несимметричную структуру линий питания, что может приводить к асимметричной диаграмме направленности антенны.
Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой и недорогой структуры управляемой антенны с широким углом сканирования луча, низкими потерями, компактными размерами и высоким коэффициентом усиления.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложен элемент двухполяризационной антенной решетки, включающий в себя: многослойную печатную плату, основной патч-элемент, расположенный на внутреннем слое печатной платы, дополнительный патч-элемент, расположенный на верхнем слое печатной платы и связанный посредством электромагнитного поля с основным патч-элементом, две П-образные щели, расположенные ортогонально друг другу на слое печатной платы под основным патч-элементом, линии питания, расположенные на одном слое печатной платы под упомянутыми П-образными щелями ортогонально друг другу и выполненные с возможностью возбуждения упомянутых П-образных щелей, и множество EBG-элементов (элементы с электромагнитной запрещенной зоной), расположенных в области границы элемента антенной решетки.
Согласно одному варианту осуществления элемента антенной решетки патч-элементы, П-образные щели, линии питания повернуты относительно сторон элемента антенной решетки на 45 градусов вокруг нормали к плоскости элемента антенной решетки.
Согласно другому варианту осуществления элемента антенной решетки между внутренним слоем, на котором расположен основной патч-элемент, и верхним слоем, на котором расположен дополнительный патч-элемент, находится по меньшей мере один промежуточный слой печатной платы.
Согласно другому варианту осуществления элемента антенной решетки патч-элементы имеют форму симметричную относительно плоскости/плоскостей поляризации элемента антенной решетки.
Согласно другому варианту осуществления элемента антенной решетки каждый EBG-элемент представляет собой несколько проводящих площадок, расположенных друг над другом на разных слоях печатной платы и соединенных посредством переходного металлизированного отверстия (VIA) со слоем заземления.
Согласно другому варианту осуществления элемента антенной решетки вокруг линий питания расположены развязывающие VIA для подавления паразитного излучения от линий питания.
Согласно другому варианту осуществления элемента антенной решетки EBG-элементы расположены в один ряд по периметру элемента антенной решетки.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложена антенная решетка, включающая в себя множество элементов антенной решетки.
Согласно одному варианту осуществления над антенной решеткой расположен слой диэлектрика на расстоянии , где  - длина волны излучаемого/принимаемого антенной решеткой сигнала в свободном пространстве.
Согласно другому варианту осуществления слой диэлектрика представляет собой метаповерхность.
Согласно другому варианту осуществления метаповерхность представляет собой перфорированный слой диэлектрика.
Настоящее изобретение позволяет получить управляемую антенную решетку с простой архитектурой, высоким КПД, низкими потерями, компактными размерами, высоким коэффициентом усиления, выполненную с возможностью осуществления фокусировки/сканирования луча в широком диапазоне углов сканирования, работающую в широком диапазоне частот.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает элемент антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления, при этом в левой части фиг.1 изображен вид сбоку поперечного сечения упомянутого элемента антенной решетки, а в правой части фиг. 1 изображен вид сверху отдельных слоев элемента антенной решетки, причем на изображениях вида сверху слоев элемента антенной решетки пунктирными линиями изображены элементы, находящиеся на слое ниже изображенного слоя.
Фиг. 2 изображает примерный вариант осуществления EBG-элемента (общий вид, вид сверху и вид сбоку).
Фиг. 3 изображает эквивалентную схему EBG-элемента, находящегося между двумя смежными антенными элементами.
Фиг. 4 изображает варианты расположения EBG-элементов различной формы в области границы элемента антенной решетки.
Фиг. 5 изображает вид сверху одного элемента антенной решетки в соответствии с примерным и альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения с указанием плоскостей сканирования.
Подробное описание
В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящее изобретение представляет собой двухполяризационную антенную решетку, реализованную на многослойной печатной плате, причем каждый элемент (1) антенной решетки (см. фиг. 1) содержит многоуровневый (составной) патч-элемент (патч-антенну), состоящий из двух патч-элементов, причем основной патч-элемент (2) расположен на внутреннем слое печатной платы, а дополнительный связанный с ним патч-элемент (3) расположен на верхнем слое печатной платы, две П-образные щели (4), расположенные ортогонально друг другу ниже основного патч-элемента (2) и возбуждаемые линиями (5) питания, расположенными под упомянутыми П-образными щелями (4). При этом элемент антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением включает в себя множество EBG-элементов (6), расположенных в один ряд в области границы элемента антенной решетки, а над элементом антенной решетки расположен слой (7) диэлектрика.
Выражение «в области границы» в данной заявке независимо от формы EBG-элементов включает в себя как возможность их расположения вблизи границы антенного элемента, так и расположение непосредственно на границе (на периметре) антенного элемента.
Далее элементы антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением будут описаны подробнее.
В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения (см. фиг.1) элемент (1) антенной решетки имеет форму квадрата. Элемент (1) антенной решетки реализован на многослойной печатной плате. Каждый элемент (1) антенной решетки содержит многоуровневый (составной) патч-элемент, состоящий из двух патч-элементов, причем основной патч-элемент расположен на внутреннем слое печатной платы, а дополнительный связанный патч-элемент (3) расположен на верхнем слое печатной платы. Ниже основного патч-элемента (2) ортогонально друг другу расположены две П-образные щели (4), каждая из которых возбуждается линией (5) питания, расположенной под упомянутой П-образной щелью (4). П-образные щели (4) используются для возбуждения патч-элемента (2), расположенного на внутреннем слое печатной платы над упомянутыми П-образными щелями (4), который в свою очередь посредством электромагнитного поля связан с патч-элементом (3), расположенным на верхнем слое печатной платы и предназначенным для формирования излучения определенной поляризации при подаче питания через одну из упомянутых линий (5) питания. Линии (5) питания, предназначенные для возбуждения П-образных щелей (4), расположены на одном слое печатной платы ортогонально друг другу. В примерном варианте осуществления в качестве линии (5) питания используется симметричная полосковая линия. Вследствие расположения линий (5) питания на одном слое печатной платы обеспечивается компактная и простая структура элемента антенной решетки.
На фиг. 1 между внутренним слоем, на котором расположен основной патч-элемент, и верхним слоем, на котором расположен дополнительный патч-элемент, находится промежуточный слой печатной платы. В общем случае, промежуточных слоев может не быть или быть несколько. Высота между основным и дополнительным патч-элементами определяет широкополосность антенного элемента, т.е. если количество доступных слоев в печатной плате позволяет увеличить это расстояние, то рабочая полоса частот устройства становится больше.
Две П-образные щели (4) расположены симметрично относительно одной из плоскостей элемента антенной решетки (например, относительно плоскости XZ). Каждая щель (4) возбуждается линией (5) питания, расположенной под щелью (4). Каждая П-образная щель (4) возбуждает электромагнитным образом токи в основном патч-элементе (2) на внутреннем слое печатной платы, который связан с дополнительным патч-элементом (3) на верхнем слое печатной платы. Индуцированные токи в патч-элементах приводят к формированию электромагнитных полей соответствующей поляризации. Упомянутые линии (5) питания имеют одинаковую форму и также расположены симметрично относительно той же плоскости симметрии элемента антенной решетки (XZ). В примерном варианте осуществления на фиг. 1 линии питания изображены как Г-образные элементы. Основное требование к исполнению линий питания - они не должны пересекаться и все элементы изгибов должны быть ортогональны друг другу. Изгибов может быть более одного, если это требуется для настройки и компактности линии питания. Линии питания разных поляризаций должны быть одинаковыми, но зеркально отображенными - это требуется для обеспечения ортогональности возбуждаемых электромагнитных полей.
Вокруг линий (5) питания в плоскости, где расположены упомянутые линии питания, и симметрично относительно упомянутой выше плоскости симметрии расположены развязывающие VIA (8) для подавления паразитного излучения самой линии питания.
Высокая степень симметричности конфигурации антенного элемента обеспечивает высокую степень симметричности и ортогональности электромагнитных полей в антенном элементе. Эта симметрия поля поддерживается даже при сканировании. Паразитные волны, распространяющиеся в слоях печатной платы, где расположены линии (5) питания, блокируются развязывающими VIA (8), что позволяет снизить взаимное влияние элементов антенной решетки друг на друга. Таким образом, апертурное возбуждение, т.е. с помощью щелей, в настоящем изобретении не требует переходных VIA для возбуждения патч-элементов (2, 3), что способствует минимизации паразитных эффектов, особенно при сканировании, и обеспечивает простую структуру антенного элемента.
В описанном выше примерном варианте осуществления патч-элементы имеют форму квадрата, хотя такой патч-элемент может иметь любую форму, обладающую симметрией относительно плоскости поляризации (в случае двойной поляризации патч-элемент должен быть симметричен относительно обеих плоскостей).
Дополнительный патч-элемент (3) на верхнем слое печатной платы расположен аналогично основному патч-элементу (2) на внутреннем слое печатной платы и возбуждается посредством электромагнитной связи с основным патч-элементом (2) на внутреннем слое печатной платы.
Углы квадратного патч-элемента могут быть скруглены или срезаны для обеспечения его компактности.
Элемент (1) антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения окружен по периметру одним рядом EBG-элементов (6), формирующих EBG-структуру (Electromagnetic Band Gap - структура с электромагнитной запрещенной зоной, т.е. структура, формирующая область с невозможностью распространения электромагнитных волн определенного диапазона частот), которая блокирует распространение электромагнитных волн (утечку) на требуемых частотах из элемента антенной решетки вдоль ее поверхности за счет формирования, в рабочем диапазоне частот, зоны запирания (band gap).
Расположение EBG-элементов в один ряд позволяет блокировать составляющую поверхностных и вытекающих волн, распространяющуюся вдоль этого ряда. При этом составляющая вытекающих волн, распространяющаяся поперек ряда EBG-элементов не блокируется. Однако даже один ряд EBG-элементов оказывает значительное влияние на блокировку паразитных поверхностных и вытекающих волн, что позволяет значительно снизить взаимное влияние смежных элементов антенных решеток. Это обеспечивает стабильное согласование элементов антенной решетки даже при значительных углах сканирования, широкий рабочий диапазон длин волн, симметричную диаграмму направленности.
Элемент EBG представляет собой небольшой проводящий участок (площадку) с VIA (переходное металлизированное отверстие), соединенным со слоем заземления, в центре. В общем случае, упомянутые EBG-элементы имеют грибообразную форму, т.е. состоят из проводящей площадки («шляпки гриба») и основания («ножки гриба») в виде цилиндра, соединяющего проводящую площадку и слой заземления печатной платы. В печатной плате основание EBG-элемента выполнено посредством VIA. Форма площадки в зависимости от варианта осуществления может быть круглой, квадратной, прямоугольной, треугольной, шестиугольной и т.д. Размеры и форма площадки влияют на эквивалентную емкость в соответствии с эквивалентной схемой EBG-элемента, определяющую диапазон запрещенной зоны, и выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения.
Расстояние между EBG-элементами определяется размером выбранной ячейки EBG-элемента. Для удобства, ее можно выбирать как размер ячейки антенного элемента, деленный на целое количество EBG-элементов. Далее конфигурация EBG-элемента рассчитывается для этого выбранного размера ячейки и для обеспечения требуемой запрещенной зоны в частотном диапазоне. Т.е. количество EBG-элементов в рамках одного элемента антенной решетки определяется на основании технологических и конструктивных требований. При выборе размера EBG ячейки также необходимо учитывать технические ограничения изготовления печатных плат на диаметр VIA и диаметр проводящих площадок вокруг них.
С
L
В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 1 и 2, EBG-элементы (6) имеют несколько площадок, расположенных друг над другом и соединенных посредством VIA. Количество площадок влияет на эквивалентную емкость  EBG-элемента (см. фиг. 3) и в первую очередь определяется условием формирования запретной зоны. Максимальное количество площадок ограничено доступным количеством слоев печатной платы. Высота и диаметр VIA в основном влияют на эквивалентную индуктивность  EBG-элемента (см. фиг. 3). Конфигурация с множеством площадок позволяет уменьшить габариты EBG-элемента, что необходимо для их размещения в элементе антенной решетки без пересечения с возбуждающими щелями и патч-элементами. Вследствие этого исключается паразитное влияние на антенный элемент и улучшается развязка между питающими портами.
В альтернативном варианте осуществления возможно применение EBG-элемента с одной проводящей площадкой. Такой вариант осуществления является более простым в производстве, но при этом является узкополосным.
Возможны различные варианты расположения EBG-элементов с проводящими площадками различной формы в области границы элемента антенной решетки (см. фиг. 4). Первые три примера, изображенные на фиг. 4, показывают варианты осуществления элементов антенной решетки, в которых EBG-элементы, расположенные по периметру элемента антенной решетки, являются общими EBG-элементами со смежными элементами антенной решетки, т.е. между смежными элементами антенной решетки расположен только один ряд EBG-элементов. В то же время, последние два примера на фиг. 4 изображают варианты осуществления, в которых некоторые EBG-элементы в области границы элемента антенной решетки полностью размещены в пределах упомянутого элемента антенной решетки. Это обеспечивает возможность аналогичного размещения EBG-элементов в смежных элементах антенной решетки. В результате между смежными элементами антенной решетки могут располагаться два ряда EBG-элементов, что может улучшать характеристики сканирования антенной решетки за счет дополнительного уменьшения связи между элементами решетки. При этом для достижения максимального эффекта улучшения развязки необходимо соблюдать геометрические параметры ячейки (т.е. расстояние между EBG-элементами) и во втором направлении, где расположено два ряда элементов.
Антенная решетка в соответствии с настоящим изобретением включает в себя слой (7) диэлектрика, расположенный над каждым элементом (1) антенной решетки. Слой (7) диэлектрика расположен в ближней зоне антенного элемента, причем высота зазора между антенной решеткой и слоем диэлектрика  ( - длина волны излучаемого/принимаемого антенной решеткой сигнала в свободном пространстве). Это дополнительно подавляет распространение поверхностных волн путем изменения нагрузочных условий элемента (1) антенной решетки с целью снижения коэффициента связи. Слой (7) диэлектрика позволяет увеличить параллельную емкость для EBG-элементов (6), что может дополнительно усиливать эффект блокировки распространения поверхностных и вытекающих волн над печатной платой антенны.
Зазор между антенной решеткой и слоем диэлектрика может поддерживаться посредством диэлектрических проставок (спейсеров).
ε
Слой диэлектрика в одном варианте осуществления представляет собой метаповерхность. Метаповерхность в данном случае представляет собой перфорированный слой (7) диэлектрика для обеспечения требуемой диэлектрической проницаемости. Множество отверстий в перфорированном слое (7) диэлектрика имеют периодическую структуру, например, выполнены над углами каждого элемента антенной решетки. Такое исполнение метаповерхности является простым в проектировании и изготовлении. Однако, при диаметре отверстий меньше λ/4 расположение отверстий становится не принципиальным. Выполнение отверстий в слое (7) диэлектрика позволяет получить требуемую диэлектрическую проницаемость упомянутого слоя (7) диэлектрика, не реализуемую для сплошного диэлектрика. Изменяя диэлектрическую проницаемость слоя (7) диэлектрика над антенной решеткой можно добиться значительного снижения коэффициента связи между питающими портами даже во время сканирования. Возможны и другие реализации метаповерхности в зависимости от требуемых параметров антенной решетки.
Математическое моделирование, выполненное для примерного варианта осуществления изобретения, показало, что слой диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε, имеющей значение в диапазоне 1,5…3,2, позволяет значительно снизить распространение поверхностных и вытекающих волн над печатной платой антенны. Однако, для других вариантов выполнения антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением (с использованием других материалов и с измененной конфигурацией) оптимальное значение диэлектрической проницаемости может быть другим.
Слой (7) диэлектрика дополнительно может использоваться в качестве защитного слоя (радиопрозрачного укрытия антенны).
Как изображено на фиг. 1, в примерном варианте осуществления настоящего изобретения патч-элементы (2, 3) (так же как и П-образные щели, и линии питания) повернуты относительно сторон элемента (1) антенной решетки на 45 градусов вокруг нормали к плоскости элемента антенной решетки. Благодаря этому, сканирование антенной решетки осуществляется в D-плоскости элемента антенной решетки, в которой форма диаграммы направленности элемента антенной решетки по существу одинакова для обеих поляризаций как промежуточного сечения диаграммы элемента.
Антенный элемент имеет, как правило, разные формы диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях, т.е. расположение элемента без поворота дает разные диаграммы направленности для каждого из портов антенны. В D-плоскости (см. фиг. 5) диаграммы направленности разных портов, для указанного случая, зеркально симметричны (Д1(ϑ)=Д2(-ϑ)) и близки к симметричным в случае малой утечки мощности между портами во всем диапазоне сканирования. Как следствие, при разработке антенного элемента и решетки, оптимизацию его геометрии достаточно проводить в одной плоскости (во второй плоскости результаты моделирования, благодаря симметрии характеристик излучения в D-плоскости, будут такими же). Это также упрощает управление решеткой, так как можно будет подавать одинаковое фазовое распределение на элементы решетки для сканирования по обеим поляризациям.
Однако, настоящее изобретение позволяет повысить симметричность диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях даже в альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения (см. фиг. 5 справа), в котором отсутствует поворот патч-элементов относительно сторон элемента антенной решетки. В известных решениях упомянутые характеристики ухудшаются при значительных углах сканирования вследствие наличия поверхностных волн, которые являются главной причиной проблем двухполяризационных антенных решеток. Однако настоящее изобретение вследствие высокой степени симметричности элементов, отсутствия нескомпенсированных элементов в своей структуре, обеспечения блокировки поверхностных и вытекающих волн позволяет эффективно решать упомянутые выше проблемы.
Предложенная конфигурация элемента антенной решетки также может быть использована и для проектирования сканирующих антенных решеток, работающих с одной поляризацией. В таком случае элемент антенной решетки конструктивно отличается от описанного выше примерного варианта осуществления настоящего изобретения только количеством элементов для возбуждения патчей, т.е. элемент антенной решетки содержит только одну П-образную щель и одну линию питания. Таким образом, элемент антенной решетки в соответствии с данным вариантом осуществления включает в себя: многослойную печатную плату, основной патч-элемент, расположенный на внутреннем слое печатной платы, дополнительный патч-элемент, расположенный на верхнем слое печатной платы и связанный посредством электромагнитного поля с основным патч-элементом, П-образную щель, расположенную под основным патч-элементом, линию питания, расположенную под упомянутой П-образной щелью и выполненную с возможностью возбуждения упомянутой П-образной щели, развязывающие VIA для подавления паразитного излучения от линии питания, и множество EBG-элементов (элементы с электромагнитной запрещенной зоной), расположенных в области границы элемента антенной решетки. Такой элемент антенной решетки будет работать только с одной линейной поляризацией. EBG-элементы также будут обеспечивать блокировку поверхностных и вытекающих волн, что позволит уменьшить развязку между элементами решетки и улучшить ее характеристики сканирования.
Далее описывается функционирование антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Высокочастотный сигнал от генератора подается на линию (5) питания рабочей поляризации антенного элемента (1). Подводимый сигнал характеризуется амплитудой и фазой. В общем случае амплитуда сигналов на всех элементах решетки должна быть одинаковой. Фаза сигнала определяет положение антенного луча в пространстве.
Посредством П-образной щели (4), возбуждаемой электромагнитным полем подводимой линии (5) питания, индуцируются токи в основном патч-элементе (2), расположенном на внутреннем слое печатной платы. Размер и форма патч-элемента (2) являются резонансными для сигнала подаваемой частоты. Основной патч-элемент (2) на внутреннем слое печатной платы посредством электромагнитного поля связан с дополнительным патч-элементом (3), расположенным на верхнем слое печатной платы. Размер и форма дополнительного патч-элемента (3) являются резонансными для сигнала подаваемой частоты. Патч-элемент (3) на верхнем слое печатной платы формирует электромагнитное поле определенной поляризации. Вследствие высокой степени симметрии конфигурации элемента (1) антенной решетки обеспечивается высокая степень симметрии и ортогональности электромагнитных полей в антенном элементе для обеих поляризаций (в случае двухполяризационной антенной решетки) даже во время сканирования.
EBG-элементы (6), расположенные в области границы элемента (1) антенной решетки, блокируют распространение электромагнитных волн в подложке печатной платы и над антенной решеткой. В результате элементы антенной решетки имеют низкую кополяризационную и кроссполяризационную взаимосвязь с соседними элементами.
Метаповерхность, представляющая собой тонкий диэлектрический лист с заданной диэлектрической проницаемостью, дополнительно снижает взаимосвязь между соседними антенными элементами.
Электромагнитное поле, возбуждаемое каждым составным патч-элементом антенной решетки, складывается в дальней зоне решетки, в результате чего, при определенном распределении фаз сигналов, подаваемых на элементы, излучение решетки становится направленным и происходит формирование антенного луча. Управляя фазой подаваемого сигнала, управляют положением луча в пространстве и осуществляют антенное сканирование. Настоящее изобретение позволяет уменьшить связь между соседними элементами антенной решетки и между портами разной поляризации в пределах одного элемента, что в свою очередь расширяет возможности сканирования.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет расширить диапазон сканирования и полосу рабочих частот антенной решетки, повысить ее эффективность и снизить потери. При этом антенная решетка в соответствии с настоящим изобретением имеет компактные размеры, а также простую и недорогую архитектуру, подходящую для массового производства.
Антенная решетка в соответствии с настоящим изобретением является совместимой с технологией AiP (Antenna-in-Package).
Антенная решетка согласно настоящему изобретению предназначена для использования в миллиметровом диапазоне длин волн. Однако, альтернативно могут быть использованы любые диапазоны длин волн, для которых возможно осуществить излучение и управляемую направленность электромагнитных волн. Например, в качестве альтернативы может быть использовано коротковолновое, субмиллиметровое (терагерцовое) излучение и т.д.
Компактные и высокоэффективные системы с управляемой антенной решеткой в соответствии с настоящим изобретением могут найти применение в системах беспроводной связи перспективных стандартов 5G, 6G и WiGig. При этом настоящее изобретение может использоваться как в базовых станциях, так и в антеннах мобильных терминалов. В этом случае базовая станция реализует управление лучом с разделением по времени между пользователями. Максимум луча антенн терминала пользователя отклоняется при этом на позицию антенны базовой станции.
Настоящее изобретение может найти применение в системах LWPT всех типов: наружных/внутренних, автомобильных, мобильных и т.д. При этом обеспечивается высокая эффективность передачи мощности при любых сценариях. Устройство передачи мощности может быть построено на основании описанной структуры антенной решетки и таким образом может реализовывать фокусировку луча при зарядке устройств в зоне ближнего поля или сканирование луча для передачи мощности устройствам, находящимся в дальней зоне антенны передатчика.
При использовании в робототехнике можно использовать предложенную антенну для обнаружения/избежания препятствий.
Настоящее изобретение также может использоваться в радарах автономных транспортных средств.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления. Специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты осуществления, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.