Интегральная плоская диэлектрическая линзовая антенна миллиметрового диапазона длин волн

Полезная модель относится к антенной технике миллиметрового диапазона длин волн и предназначена для использования в системах связи миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
Современный этап развития систем связи характеризуется переходом в миллиметровый диапазон длин волн и увеличением скорости передачи данных (T. S. Rappaport, J. N. Murdock, and F. Gutierrez, Jr., State of the art in 60-GHz integrated circuits and systems for wireless communications // Proc. IEEE, vol. 99, no. 8, pp. 1390-1436, Aug. 2011; B. Ayvazian Second generation E-band solutions: Opportunities for carrier-class LTE backhaul // Heavy Reading, White paper, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Available at: http://www.huawei.com/au/static/HW-206551.pdf; E. Johnson, “Mobile data backhaul: The need for E-band,” Mobile World Congr., 2013, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Availablet: http://www.microwavejournal.com/ext/resources/whitepapers/2013/february/Sky-Light-esearch-E-Band.pdf?1471624980). К таким системам радиосвязи относятся: системы локальной и персональной беспроводной связи диапазона 57-66 ГГц (WLAN/WPAN), системы радиовидения, а также радиорелейные линии диапазонов 60 ГГц и 71-76/81-86/92-95 ГГц.
Примерно с 2013 года, значительные исследования были проведены для поиска решений в области диапазона частот выше 100 ГГц (N. Deferm and P. Reynaert, “A 120 GHz fully integrated 10 Gb/s short-range star-QAM wireless transmitter with on-chip bondwire antenna in 45 nm low power CMOS,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 49, no. 7, pp. 1606-1616, Jul. 2014; C. Wang, C. Lin, Q. Chen, B. Lu, X. Deng, and J. Zhang, A 10-Gbit/s wireless communication link using 16-QAM modulation in 140-GHz band // IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 61, no. 7, pp. 2737-2746, Jul. 2013; I. Ando, M. Tanio, M. Ito, T. Kuwabara, T. Marumoto, and K. Kunihiro, Wireless D-band communication up to 60 Gbits/s with 64QAM using GaAs HEMT technology // in Proc. IEEE Radio Wireless Symp. (RWS), Austin, TX, USA, Jan. 2016, pp. 193-195; H. Shams, M. J. Fice, L. Gonzalez-Guerrero, C. C. Renaud, F. van Dijk, and A. J. Seeds, “Sub-THz wireless over fiber for frequency band 220-280 GHz // J. Lightw. Technol., vol. 34, no. 20, pp. 4786-4793, Oct. 15, 2016; N. Sarmah, P. R. Vazquez, J. Grzyb, W. Foerster, B. Heinemann, and U. R. Pfeiffer, A wideband fully integrated SiGe chipset for high data rate communication at 240 GHz // in Proc. EuMA, London, U.K., Oct. 2016, pp. 181-184.).
Развиваются стандарты связи 5G и 6G, предусматривающие использование миллиметрового и терагерцового диапазонов длин волн (D. Cohen, 5G and the IoT: 5 Trends and implications // Microw.J., vol. 59, no. 9, pp. 44-48, Sep. 2016, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Available: http://www.microwavejournal.com/articles/27058-g-and-the-iot-5-trendsand-implications; Theodore S. Rappaport, Yunchou Xing, Ojas Kanhere, Shihao Ju, Arjuna Madanayake, Soumyajit Mandal, Ahmed Alkhateeb, Georgios C. Trichopoulos, Wireless Communications and Applications Above 100 GHz: Opportunities and Challenges for 6G and Beyond // http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html).
Впервые ТГц - беспроводная система связи с несущей частотой более 100 ГГц была представлена в 2000 году японской компанией NTT (Nagatsuma T., Hirata A., Royter Y. et al. BA 120-GHz integrated photonic transmitter // Proc. Int. Top. Meet. MWP, Sep. 2000. P. 225-228.). После этого разработка систем ТГц - беспроводной связи продолжилась быстрыми темпами: в течение следующих лет были опубликованы результаты экспериментов по передаче данных на несущих частотах 75-110 ГГц, 140 ГГц, 200-240 ГГц, 250-400 ГГц, 625 ГГц (В. Семенова, В. Беспалов, Терагерцевые технологии для телекоммуникаций // Первая миля 7/2015, с. 36-46; В. Семенова, В. Беспалов, Терагерцевые технологии для телекоммуникаций.// фотоника N 3 / 51 / 2015, с. 126-141).
Одним из основных элементов связи на миллиметровых волнах, в том числе и для систем 5G, является линзовая диэлектрическая антенна (Oscar Quevedo-Teruel, Mahsa Ebrahimpouri, and Fatemeh Ghasemifard, Lens Antennas for 5G Communications Systems // IEEE Communications Magazine, July 2018, рр. 36-41).
Известна сканирующая линзовая антенна, содержащая диэлектрическую линзу, форма тела которой образована путем вращения апланатического фокусирующего геометрического профиля вокруг фокальной вертикальной оси линзы, вблизи которой размещены излучающие элементы фазированной антенной решетки (Патент РФ 2660385).
Известно устройство диэлектрической линзы, в котором использован диэлектрический линзовый узел, включающий диэлектрическое удлинение на полусферической линзе. Полусферическая часть и удлинительная часть (цилиндрической или конической формы) изготовлены с использованием диэлектрического материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, большую, чем диэлектрическая проницаемость среды связи (Patent US 6590544 Dielectric lens assembly for a feed antenna).
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, US Patent 5,706,017 Hybrid antenna including a dielectric lens and planar feed; 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; А.В. Можаровский, А.А. Артеменко, А.А. Мальцев, Р.О. Масленников, В.Н. Ссорин, А.Г. Севастьянов, Исследование интегрированных линзовых антенн с двумерным электронным сканированием в миллиметровом диапазоне длин волн // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2014, No 4 (1), с. 98-105).
Известна интегрированная линзовая антенна, представляющая собой диэлектрическую линзу эллиптической или квазиэллиптической формы с диэлектрическим цилиндрическим удлинением и с интегрированной на ее заднюю (плоскую) фокальную поверхность решеткой переключаемых первичных облучателей (Патент РФ 2585309).
Известна линзовая антенна, содержащая диэлектрическую линзу с плоской поверхностью в которой плоская поверхность линзы, по существу, совпадает с ее фокальной плоскостью и в которой форма диэлектрической линзы выбрана из группы, содержащей форму полуэллипсоида вращения с цилиндрическим продолжением и форму полусферы с цилиндрическим продолжением (патент РФ 2494506).
Известна линзовая антенна, миллиметрового диапазона длин волн, содержащая диэлектрическую линзу состоящую из коллимирующей линзы цилиндрического удлинения (Aimeric Bisognin, Nour Nachabe, Cyril Luxey, Frédéric Gianesello, Daniel Gloria, Jorge R. Costa , Carlos A. Fernandes , Yuri Alvarez , Ana Arboleya-Arboleya , Jaime Laviada, Fernando Las-Heras, Nemat Dolatsha, Baptiste Grave, Mahmoud Sawaby and Amin Arbabian Ball Grid Array Module With Integrated Shaped Lens for 5G Backhaul/Fronthaul Communications in F-Band // IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 65, NO. 12, DECEMBER 2017, рр. 6380-6393).
Известна интегрированная линзовая антенна, предназначенная для работы в терагерцовом диапазоне длин волн и состоящая из коллимирующей полусферической линзы и цилиндрического удлинения с плоским торцом (А. Г. Черевко, Ю. В. Моргачев, Е.М. Ильин, А.И. Полубехин, Эффективность технологий антенных модулей терагерцового диапазона // Вестник СибГУТИ. 2016. No 3, с. 192-203).
Недостатком известных интегральных диэлектрических линзовых антенн с плоским торцом является их сложность, обусловленная сложностью поверхности диэлектрической линзы.
Известно, что высота интегрированной сферической или эллиптической диэлектрической линзы с цилиндрическим удлинением равна для диэлектрических материалов с величиной показателя преломления порядка 1,5 и диаметром порядка 4λ, где λ длина волны излучения в свободном пространстве (Daniel F. Filipovic, Steven S. Gearhart, and Gabriel 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).
h
D
N
Отношение высоты  к диаметру  диэлектрической антенны изготовленной из материала с показателем преломления  может быть описано выражением:
<mrow><mfrac><mi>h</mi><mi>D</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>N</mi><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
.
Из уровня техники известно, что длина указанного цилиндрического продолжения обычно выбирается близкой по величине с оптическим фокусом линзы.
Таким образом, высота диэлектрической линзы увеличивается с увеличением ее диаметра и c уменьшением величины показателя преломления материала линзы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) выбрана интегральная однородная диэлектрическая линзовая антенна миллиметрового диапазона длин волн с плоской поверхностью и состоящая из коллимирующей полусферической или эллиптической линзы, цилиндрического удлинения, выполненного из того же материала, что и материал коллимирующей линзы, на плоской поверхности которого размещена микрополосковая антенна (Muhammad Kamran Saleem, Mingyang Xie, Majeed A. S. Alkanhal,Muhammad Saadi, Effect of dielectric materials on integrated lens antenna for millimeter wave applications // Microw. Opt. Technol. Lett. 2019; 1-5., DOI: 10.1002/mop.31676).
Недостатком интегральной диэлектрической линзовой антенны с плоским торцом является ее сложность, обусловленная сложностью поверхности диэлектрической линзы.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно создание интегральной плоской диэлектрической линзовой антенны миллиметрового диапазона длин волн.
Указанная задача достигается тем, что в интегральной диэлектрической линзовой антенне миллиметрового диапазона длин волн с плоской поверхностью, состоящей из диэлектрической линзы на плоской поверхности которой размещена микрополосковая антенна, новым является то, что диэлектрическая линза выполнена в форме параллепипеда с величиной ребер не менее λ, высотой равной примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала линзы находящимся в диапазоне, примерно равным от 1,3 до 1,7.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обуславливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема интегральной плоской диэлектрической линзы миллиметрового диапазона длин волн, вид сбоку и сверху.
На фиг. 2 приведен пример зависимости усиления (дБ) интегральной плоской диэлектрической линзы от частоты, с размерами параллепипеда (1,5×1,5×1,7)λ, где λ длина волны излучения в свободном пространстве. Повышение усиления по сравнению с микрополосковой первичной антенны составило 7,5-8,5 дБ.
Обозначения: 1 - высокочастотная диэлектрическая плата; 2 - перичная микрополосковая антенна; 3 - диэлектрическая линза в форме параллелепипеда.
Заявляемая интегральная плоская диэлектрическая линзовая антенна миллиметрового диапазона длин волн работает следующим образом.
Первичная микрополосковая антенна 2 располагается на высокочастотной диэлектрической плате 1 и на плоском торце диэлектрической линзы 3 в форме параллелепипеда с величиной ребер не менее λ и высотой равной примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве, при этом показатель преломления материала диэлектрической линзы находится в диапазоне примерно равным от 1,3 до 1,7. Диэлектрическая линза 3 в предлагаемом устройстве формирует узкий луч и обеспечивает отклонение луча при сканировании. При этом плата 1 с первичными излучателями 2 и линиями передачи интегрирована на плоскую поверхность диэлектрической линзы 3.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы в форме параллелепипеда куба с величиной ребер не менее λ и высотой равной примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала диэлектрической линзы в диапазоне примерно равным от 1,3 до 1,7 при его облучении электромагнитной волной точечным источником (первичной антенной) формируют на внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения узкую диаграмму направленности.
Например, увеличение усиления (дБ) интегральной плоской диэлектрической линзы в миллиметровом диапазоне длин волн, с размерами параллепипеда (1,5×1,5×1,7)λ, где λ длина волны излучения в свободном пространстве и выполненной из фторопласта (показатель преломления примерно равен 1,46) по сравнению с микрополосковой первичной антенной составило 7,5-8,5 дБ в диапазоне 52-68 ГГц.
Высота диэлектрической линзовой антенны выбирается на основании анализа конечных характеристик предлагаемой линзовой антенны с конкретным первичным излучателем и находится в диапазоне равного примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве. Вне этого диапазона значений уменьшается усиление линзовой антенны.
Простая плоская форма поверхности интегральной диэлектрической линзовой антенны, например, позволяет просто нанести на поверхность согласующий слой, уменьшающий потери на отражение в диэлектрике и тем самым повысить эффективность антенны. Основным требованием к материалу диэлектрической линзы является малый уровень потерь при распространении сигнала и величина показателя преломления материала линзы должен находиться в диапазоне примерно равным от 1,3 до 1,7. Вне этого диапазона значений показателя преломления уменьшается усиление линзовой антенны.
В качестве высокочастотной диэлектрической платы, например, могут быть использованы плоская плата из низкотемпературной или высокотемпературной керамики, печатные платы из политетрафторэтилена, рексолита и плавленого кварца и т.д.
В качестве первичных антенных элементов в интегрированных линзовых антеннах, в общем случае, могут быть использованы диполи, монополи, щелевые антенны, различные микрополосковые антенны и т. д. (А.А. Артеменко, А.А. Мальцев, Р.О. Масленников, А.Г. Севастьянов, В.Н. Ссорин, Исследование кремниевых интегрированных линзовых антенн для систем радиосвязи частотного диапазона 60 ГГц // Известия вузов. Радиофизика, Том LV, No 8, 2012, с. 565-75).
Изготовление мезоразмерных диэлектрических линзовых антенн в миллиметровом и терагерцовом диапазоне длин волн возможно, например, методами 3D печати (Vorobyov, A., J. R. Farserotu, and J.-D. Decotignie, 3D printed antenna for mm-wave sensing application // 2017 11th Int. Symp. Med. Inf. and Commun. Technol. (ISMICT), 23-26, Lisbon, Apr. 2017.), методами механической обработки (фрезерованием, прессованием, литьем и т.д.), методами фотолитографии (патент РФ № 2350996, авт. Генцелев А.Н., Гольденберг Б. Г., Кондратьев В. И., Петрова Е. В. Способ изготовления литографической маски для LIGA-технологий; Janne-Mieke Meijer, Dmytro V. Byelov, Laura Rossi, Anatoly Snigirev, Irina Snigireva, Albert P. Philipsea and Andrei V. Petukhov. Self-assembly of colloidal hematite cubes: a microradian X-ray diffraction exploration of sedimentary crystals // Soft Matter, 2013, 9, 10729-10738), методами стереолитографии (Ngoc Tinh Nguyen, Nicolas Delhote, Mauro Ettorre, Dominique Baillargeat, Laurent Le Coq, and Ronan Sauleau, Design and Characterization of 60-GHz Integrated Lens Antennas Fabricated Through Ceramic Stereolithography // IEEE Trans. on antennas and propagation, Vol. 58, N. 8, August 2010, рр. 2757-2762) и т.д.