ПЛАНАРНЫЙ ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С ДУАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ И АНТЕННАЯ РЕШЕТКА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ ИЗЛУЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
DUAL-POLARISATION PLANAR RADIATING ELEMENT AND ANTENNA ARRAY HAVING SAID RADIATING ELEMENT

Настоящее изобретение относится к планарному излучающему элементу с дуальной поляризацией, в котором явление электростатических разрядов минимизировано, и к антенной решетке, содержащей такой излучающий элемент. Изобретение применимо к любому типу антенны, содержащей, по меньшей мере, один планарный излучающий элемент с дуальной поляризацией, к излучающим решеткам, которыми оснащены некоторые антенны, и к устанавливаемым на борту космического аппарата, например, на спутнике, антенным решеткам, таким как отражательные антенные решетки или фазированные антенные решетки.
Антенная решетка, такая как, например, отражательная антенная решетка (англ. - reflectarray antenna) или фазированная антенная решетка (англ. - phased array antenna), содержит совокупность элементарных излучающих элементов, собранных в одну излучающую одномерную или двумерную решетку, позволяя повысить направленность и коэффициент усиления антенны. В отражательных антенных решетках элементарные излучающие элементы решетки часто представляют собой расположение накладок и щелей, размеры которых меняются. Форма излучающих элементов, например, квадратная, круглая, шестиугольная, является, как правило, постоянной и единой для решетки. Размеры излучающих элементов регулируются таким образом, чтобы получить необходимую диаграмму излучения при их облучении первичным источником. В фазированных антенных решетках распределение сигнала к излучающим элементам решетки осуществляется при помощи распределительного устройства формирования пучка.
Элементарные излучающие элементы могут быть представлены структурой с объемным резонатором и излучающими щелями, которая устанавливается на металлической плоскости, или планарной структурой, содержащей металлическую излучающую накладку, нанесенную на поверхность диэлектрической подложки, установленной на металлической плоскости, причем металлическая накладка может содержать одну или множество щелей, как это показано, например, на фиг.1. Излучающие щели могут быть выполнены в диэлектрическом материале или композитном материале, в частности, в наложенной сотовой структуре из нанесенных тонких диэлектрических подложек, используемых в качестве поверхностного слоя композитного материала. Однако для того, чтобы антенна могла выдерживать космическое окружение, необходимо добиться того, чтобы явления электростатических разрядов, возникающих между излучающими элементами, были минимизированы.
Известно, что электростатические разряды на космическом аппарате можно минимизировать путем соединения всех электрически проводящих внешних поверхностей и всех внутренних металлических элементов космического аппарата с основной металлической конструкцией аппарата. Для излучающих элементов с линейной поляризацией замыкание на корпус может быть выполнено без особых проблем путем соединения излучающих элементов с внешней металлической сеткой металлическим проводом по оси симметрии, перпендикулярной направлению поляризации.
Однако для излучающей решетки, образованной элементарными излучающими элементами планарной структуры с дуальной поляризацией, необходимо учитывать поляризацию различных излучающих элементов. Действительно, непосредственное соединение излучающих элементов между собой, например, посредством металлического провода способно повлиять на поляризацию и функционирование этих элементов и могло бы разрушить резонансы и привести к возбуждению других высших мод. Кроме того, в антенной решетке могло бы быть нарушено согласование излучающих элементов.
Техническая задача настоящего изобретения заключается в устранении данной проблемы путем предложения планарного излучающего элемента с дуальной поляризацией, в котором явление электростатических разрядов минимизировано без создания помех для ответного сигнала излучающего элемента, на который под прямым углом оказывается воздействие поляризованной волны.
В связи с этим объектом предлагаемого изобретения является планарный излучающий элемент с дуальной поляризацией, отличающийся тем, что он содержит внешнюю металлическую сетку, по меньшей мере, одну концентрическую относительно внешней металлической сетки металлическую накладку и объемный резонатор, разделяющий металлическую сетку и металлическую накладку; причем сетка и накладка имеют многоугольную форму, ограниченную, по меньшей мере, четырьмя попарно противолежащими сторонами, и тем, что он содержит два ортогональных направления поляризации, соответствующих двум ортогональным электрическим полям; причем, по меньшей мере, одно из направлений поляризации параллельно двум сторонам многоугольника, и тем, что каждая сторона металлической накладки, параллельная направлению поляризации, электрически соединена с зоной внешней сетки, в которой одно из электрических полей является минимальным.
Предпочтительно, многоугольная форма металлической накладки выбирается среди форм квадрата, прямоугольника, креста, шестиугольника.
Предпочтительно, планарный излучающий элемент имеет четыре попарно ортогональных стороны, причем каждая сторона металлической накладки, параллельная направлению поляризации, соединена, соответственно, с одной стороной внешней сетки, перпендикулярной упомянутому направлению поляризации.
Предпочтительно, каждая сторона металлической накладки, параллельная направлению поляризации, содержит центр, соединенный с центром одной стороны внешней сетки, перпендикулярной упомянутому направлению поляризации.
Согласно одному частному варианту реализации, металлическая накладка может содержать несколько ортогональных щелей, образующих крест.
Согласно другому варианту реализации, металлическая накладка содержит одну внешнюю кольцевую накладку, по меньшей мере, одну внутреннюю накладку, концентрическую относительно внешней кольцевой накладки, и, по меньшей мере, одну кольцевую щель, разделяющую внутреннюю и внешнюю накладки; причем внутренняя и внешняя накладки имеют одинаковую многоугольную форму; причем каждая сторона внутренней накладки, параллельная направлению поляризации, соединена с одной стороной внешней кольцевой накладки, перпендикулярной упомянутому направлению поляризации.
В необязательном порядке внутренняя накладка может содержать несколько ортогональных щелей, образующих центральный крест.
Предпочтительно, каждая сторона внутренней накладки, параллельная направлению поляризации, имеет центр, соединенный с центром одной стороны внешней кольцевой накладки, перпендикулярной упомянутому направлению поляризации.
Согласно одному частному варианту реализации, многоугольная форма металлических накладок представляет собой крест, а внешняя сетка - форму квадрата.
Согласно другому частному варианту реализации, металлическая накладка содержит внешнюю кольцевую накладку, по меньшей мере, одну внутреннюю накладку, концентрическую относительно внешней кольцевой накладки, и, по меньшей мере, одну кольцевую щель, разделяющую внутреннюю и внешнюю накладки; причем внутренняя и внешняя накладки, имеющие форму шестиугольника, содержат две стороны, параллельные направлению поляризации, и четыре стороны, наклоненные по косой относительно упомянутого направления поляризации и соединенные попарно вершиной; причем каждая сторона внешней металлической накладки, параллельная упомянутому направлению поляризации, электрически соединена с вершиной внутренней накладки, а каждая сторона внутренней накладки, параллельная упомянутому направлению поляризации, электрически соединена с вершиной внешней металлической накладки.
Изобретение также относится к антенной решетке, содержащей, по меньшей мере, один планарный излучающий элемент с дуальной поляризацией, причем внешняя металлическая решетка каждого излучающего элемента соединена с металлической заземляющей плоскостью решетки.
Другие особенности и преимущества предлагаемого изобретения станут понятны после изучения описания, предлагаемого в качестве примера, который носит исключительно иллюстративный, но не ограничительный характер, со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых:
- фиг.1 представляет собой схематический вид примера антенной решетки;
- фиг.2 представляет собой схематический вид первого примера элементарного излучающего элемента с дуальной поляризацией, выполненного с применением планарной технологии;
- фиг.3а и 3b представляют собой два схематических вида сверху второго и третьего примеров элементарного излучающего элемента с дуальной поляризацией, выполненного с применением планарной технологии;
- фиг.4, 5а, 5b представляют собой три схематических вида сверху трех примеров излучающего элемента согласно изобретению;
- фиг.6 представляет собой схематический вид сверху четвертого примера излучающего элемента согласно изобретению;
- фиг.7 и 8 представляют собой два схематических вида сверху пятого и шестого примеров излучающего элемента согласно изобретению;
- фиг.9а, 9b, 9с представляют собой три схематических вида сверху трех примеров излучающей антенной решетки согласно изобретению.
На фиг.1 изображен пример антенной решетки 10, содержащей отражательную антенную решетку 11, которая образует отражающую поверхность 14, и первичный источник 13, предназначенный для облучения отражательной решетки 11 падающей волной. Отражательная решетка содержит множество элементарных излучающих элементов, размещенных на одной двухмерной поверхности.
На фиг.2 изображен первый пример элементарного излучающего элемента 12 с дуальной поляризацией, содержащего металлическую накладку 15, нанесенную на верхней стороне подложки 16, на нижней стороне которой имеется металлическая заземляющая плоскость 17; причем подложка может быть выполнена из диэлектрического материала или композитного материала, образованного разделяющим материалом, например, из сот, и тонкими диэлектрическими материалами. Металлическая накладка 15 содержит две щели 18 в виде креста, выполненные в ее центре. Форма элементарных излучающих элементов 12 может быть, например, квадратной, прямоугольной, шестиугольной, круглой, в виде креста или любой другой геометрической формой. Щели могут быть также выполнены в количестве, отличающемся от двух, а их расположение может быть иным, чем крест. На фиг.2 щели имеют одинаковые размеры, но они могли бы быть и разных размеров.
На фиг.3а изображен второй пример планарного излучающего элемента с дуальной поляризацией. Излучающий элемент имеет многоугольную форму, например, квадратную и содержит первую внутреннюю металлическую накладку 30, вторую внешнюю кольцевую металлическую накладку, образующую металлическое кольцо 31, и кольцевую щель 32, разделяющую внешний металлическое кольцо 31 и внутреннюю металлическую накладку 30. Внутренняя накладка, кольцо и щель являются концентрическими. После осуществления поляризации под прямым углом излучающего элемента двумя возбуждающими волнами два электрических поля Ev и Eh, соответствующие двум направлениям поляризации, ортогональны между собой. Поле Ev параллельно первой стороне 33 излучающего элемента, а поле Eh параллельно второй стороне 34 излучающего элемента; причем первая и вторая стороны 33, 34 ортогональны между собой. Кольцевая щель 32 является резонирующей, когда ее окружность равна периоду установившейся моды поляризации. Таким образом, как это показано на фиг.3а, электрическое поле Ev является максимальным в некоторых зонах 35 щели, где электрическое поле Eh является минимальным, и исчезает в других зонах 36, где электрическое поле Eh является максимальным. Зоны, где одно из полей Ev, соответственно, Eh постепенно исчезают, являются зонами, где внешнее кольцо параллельно соответствующему направлению поляризации. В местах, где электрическое поле Ev, соответственно, Eh исчезает, представляется возможным устанавливать короткое замыкание между внутренней накладкой и внешним кольцом, поскольку оно не окажет никакого влияния на ответный сигнал излучающего элемента, подверженного воздействию поляризованной волны согласно этому способу. Действительно, как это изображено на фиг.3b, для каждой поляризации кольцевая щель 32 эквивалентна двум половинам щелей, имеющим форму двух взаимодополняющих полуколец, расположенных симметрично относительно медиатрисы стороны, параллельной соответствующей поляризации. Таким образом, для поляризации Ev кольцевая щель 32 эквивалентна двум половинам щелей 1, 2, расположенным симметрично относительно медиатрисы 5 стороны 33. Также для поляризации Eh кольцевая щель 32 эквивалентна двум половинам щелей 3, 4, расположенным симметрично относительно медиатрисы 6 стороны 34. Четыре половины щелей, образованные четырьмя переплетающимися полукольцами, изображенными на фиг.3b, имеют, таким образом, для каждой поляризации Ev, Eh характеристику, эквивалентную кольцевой щели, как это изображено на фиг.3а.
Излучающие элементы, изображенные на фиг.3а и 3b, обладают такой же характеристикой, что и излучающий элемент, который содержит короткие замыкания между внутренней накладкой и внешним кольцом в местах, где электрическое поле Ev, соответственно, Eh исчезает, как это показано на фиг.4. В данном примере, согласно изобретению, каждая сторона внутренней металлической накладки 30 электрически соединена, например, посредством металлического провода 37 со стороной внешнего кольца 31, которая ортогональна ей. Предпочтительно, металлический провод 37 соединяет середину стороны внутренней металлической накладки 30 с серединой стороны внешнего кольца 31, которая ортогональна ей. Помимо резонанса замыкание накоротко щелей любым способом не приводит к существенному изменению характеристик излучающего элемента. Когда щели близки к резонансу, такое электрическое соединение оказывает лишь небольшое влияние на ответный сигнал излучающего элемента, когда он возбужден волной с ортогональной поляризацией так, что каждое направление поляризации параллельно одной из сторон накладки и внешнего кольца. Действительно, электрическое поле, соответствующее каждому направлению поляризации, является максимальным в зонах щелей, перпендикулярных упомянутому направлению поляризации, и очень слабым, даже нулевым, в зонах щелей, параллельных упомянутому направлению поляризации.
После соединения каждой стороны внутренней накладки с внешним кольцом, как это было описано выше, паразитные электростатические заряды, которые появляются на внутренней накладке, отводятся к внешнему кольцу. Таким образом, для отвода электростатических зарядов достаточно соединить внешнее кольцо излучающего элемента с металлической массой антенны или излучающей решеткой, на которой он установлен.
Как это показано на фиг.5а, в процессе встраивания излучающего элемента в излучающую решетку может быть добавлена внешняя металлическая сетка для отвода электростатических зарядов к металлической заземляющей плоскости решетки, такой как заземляющая плоскость 17 излучающих элементов.
Излучающий элемент, изображенный на фиг.5а, содержит металлическую накладку 15, например, квадратной формы, в которой выполнены две ортогональные щели 18, 20, образующие крест. Крест, как правило, располагается в центре металлической накладки, и в нем каждая щель параллельна двум противолежащим сторонам квадрата. Может рассматриваться вариант, когда крест содержит дополнительные ортогональные щели 21, 22, 23, 24, как, например, изображенный на фиг.5b крест, называемый иерусалимским крестом, который содержит четыре дополнительных щели, расположенных, соответственно, под прямым углом на двух концах каждой центральной щели. Излучающий элемент 39 содержит, кроме того, внешнюю кольцевую металлическую сетку 38, ограничивающую объемный резонатор 41 между сеткой и металлической накладкой. Внешняя кольцевая сетка и металлическая накладка являются концентрическими и имеют одинаковую геометрическую форму. Объемный резонатор 41 работает как излучающая щель и участвует в общем излучении. Геометрическая форма накладки, изображенной на фиг.5а и 5b, представляет собой квадрат, однако изобретение не ограничивается данным типом формы. В частности, изобретение также применимо к накладкам, имеющим прямоугольную или многоугольную форму, которая ограничена, по меньшей мере, четырьмя попарно противолежащими сторонами, такой как шестиугольник или крест. Согласно изобретению, каждая сторона 42, 43, 44, 45 внутренней металлической накладки электрически соединена, например, посредством металлического провода 46 со стороной 47, 48, 49, 50 внешней сетки 38, которая ортогональна ей. Предпочтительно, металлический провод соединяет середину стороны внутренней металлической накладки с серединой стороны внешней сетки, которая ей ортогональна. Такие же доводы, которые применялись в примере, изображенном на фиг.4, остаются приемлемыми, но с заменой металлического кольца 31 металлической сеткой 38.
После соединения каждой стороны внутренней накладки с внешней сеткой, как это описано выше, паразитные электростатические заряды, появляющиеся на накладке, отводятся к внешней сетке. Таким образом, для отвода электростатических зарядов достаточно подсоединить внешнюю сетку излучающего элемента к металлической массе антенны или излучающей решетки, на которой он устанавливается.
На фиг.6 изображен третий пример излучающего элемента согласно изобретению. В этом примере излучающий элемент имеет геометрическую форму шестиугольника, который содержит шесть попарно противолежащих сторон. Этот излучающий элемент содержит две кольцевые концентрические металлические накладки 61, 62, разделенные кольцевой щелью 63. Когда этот излучающий элемент возбужден волной с ортогональной поляризацией так, что одно из направлений поляризации Eh параллельно двум противолежащим сторонам 64, 65 шестиугольника, поле Ev является минимальным в зонах внешней накладки, перпендикулярных полю Ev, т.е. в районе вершин шестиугольника, где сходятся стороны 66, 67, 68, 69, которые не параллельны никакому направлению поляризации. Таким образом, каждая сторона 72, 73 внутренней накладки 62, параллельная одному из направлений поляризации Eh, электрически соединена с вершиной 70, 71 внешней накладки 61, где сходятся стороны 66, 67 и 68, 69, которые не параллельны никакому направлению поляризации. Также вершина 74, 75 внутренней накладки 62, где сходятся стороны 56, 57, 58, 59, которые не параллельны никакому направлению поляризации, электрически соединена со стороной 65, 64 внешней накладки 61, параллельной одному направлению поляризации Eh. Как и в предыдущих примерах, при включении излучающего элемента в излучающую решетку добавляется внешняя металлическая сетка (не показана) для отвода электростатических зарядов к металлической заземляющей плоскости решетки, такой как заземляющая плоскость 17 излучающих элементов.
Аналогичный принцип применяется также для излучающих элементов, содержащих несколько кольцевых щелей 76, 77 и несколько металлических концентрических накладок 78, 79, 80; причем, как это показано на фиг.7 и 8, каждая кольцевая щель разделяет две соседние накладки. В этом случае каждая сторона первой внутренней металлической накладки 80, параллельная одному направлению поляризации, электрически соединена с ортогональной стороной второй кольцевой металлической накладки 79, которая ее окружает, а каждая сторона второй кольцевой металлической накладки 79, параллельная одному направлению поляризации, электрически соединена с ортогональной стороной третьей металлической накладки 78, которая ее окружает. И так далее для каждой из металлических накладок таким образом, что каждая из всех металлических накладок, внутренних относительно кольцевой металлической накладки, которая их окружает, соединена со стороны, параллельной одному направлению поляризации, с ортогональной стороной кольцевой металлической накладки, которая ее окружает. Кроме того, излучающий элемент может содержать внешнюю кольцевую металлическую сетку 94, отделенную от внешней кольцевой накладки 78 объемным резонатором 98. В этом случае, как это было описано ранее со ссылкой на фиг.5, каждая сторона третьей внешней металлической накладки 78 электрически соединена со стороной внешней сетки 94, которая ей ортогональна.
Изображенный на фиг.8 излучающий элемент содержит внешнюю сетку 82 в форме квадрата и центральный крест, отделенный от внешней сетки объемным резонатором 88. Центральный крест содержит две кольцевые металлические накладки 83, 84 в виде креста, разделенные кольцевой щелью 85 в виде креста, и две ортогональные щели 86, 87, образующие крест, расположенный в центре излучающего элемента. В различных крестах каждая щель 85, 86, 87 содержит зоны, параллельные первому направлению поляризации Ev, и зоны, параллельные второму направлению поляризации Eh. Также каждая кольцевая металлическая накладка 83, 84 и сетка 82 содержат стороны, параллельные, и стороны, ортогональные первому направлению поляризации Ev, а также стороны, параллельные, и стороны, ортогональные второму направлению поляризации Eh. Как и в примере, изображенном на фиг.7, каждая сторона первой внутренней металлической накладки 84, параллельная одному направлению поляризации, электрически соединена с ортогональной стороной второй кольцевой металлической накладки 83 или внешней металлической сетки 82, которая ее окружает. Преимуществом данного типа планарного излучающего элемента, имеющего форму креста, является возможность добиться меньших габаритных размеров, чем структуры с кольцевыми щелями в элементах квадратного или круглого типа, поскольку образуется удлиненная электрическая цепь. Таким образом, они могут быть установлены в антенных решетках с более мелкими ячейками, что является благоприятным для рабочих характеристик в полосе пропускания и улучшает ответный сигнал решетки волнам с сильным падением.
На фиг.9а, 9b, 9с изображены три примера излучающей решетки согласно изобретению. Решетка, представленная на фиг.9а, содержит два планарных излучающих элемента с дуальной поляризацией, причем каждый излучающий элемент 39, 40 содержит металлическую накладку 15, 19 и внешнюю сетку, отделенную от накладки объемным резонатором. Два излучающих элемента являются смежными, а две внешние сетки 50, 51 содержат общую сторону 49. Каждая сторона металлической накладки электрически соединена с ортогональной стороной внешней сетки.
Решетки, изображенные на фиг.9b и 9с, содержат четыре планарных излучающих элемента с дуальной поляризацией. Как это показано на фиг.9b, каждый излучающий элемент 90, 91, 92, 93 содержит внутреннюю металлическую накладку 80; первую кольцевую металлическую накладку 79, отделенную от внутренней накладки первой кольцевой щелью 77; вторую кольцевую металлическую накладку 78, отделенную от первой кольцевой накладки 79 второй кольцевой щелью 76; кольцевую металлическую сетку 94, 95, 96, 97, отделенную от второй кольцевой металлической накладки 78 объемным резонатором 98. Четыре излучающих элемента являются смежными, а четыре сетки содержат попарно общие стороны 99, 101, 102, 102.
Как это показано на фиг.9с, каждый излучающий элемент 104, 105, 106, 107 содержит две центральные щели 86, 87, имеющие форму креста; первую внутреннюю кольцевую накладку 84, окружающую центральный крест; вторую кольцевую накладку 83, внешнюю относительно первой кольцевой накладки 84 и отделенную от нее кольцевой щелью 85; и внешнюю кольцевую металлическую сетку 82, имеющую квадратную форму и отделенную от второй кольцевой металлической накладки 83 объемным резонатором 88, как это показано на фиг.8. Четыре излучающих элемента являются смежными между собой, а четыре сетки имеют попарно общие стороны.
Каждая металлическая накладка содержит стороны, параллельные направлению поляризации, которые соединены с одной ортогональной стороной металлической накладки, которая ее окружает, или для второй кольцевой накладки - с одной ортогональной стороной внешней металлической сетки. Таким образом, все электростатические заряды отводятся к внешней металлической сетке, не создавая помех для ответного сигнала излучающих элементов, подверженных воздействию ортогонально поляризованной волны. Затем электростатические заряды отводятся к металлической заземляющей плоскости решетки, соединяя внешнюю сетку с этой металлической заземляющей плоскостью.
Таким образом, излучающая решетка, обладающая различными размерами и различными характеристиками, может быть практически реализована путем комбинирования множества излучающих элементов для образования одномерной или двумерной излучающей поверхности желаемого размера. Элементы могут быть или все идентичные, или иметь различную структуру в зависимости от типа желаемой антенны. Затем решетка может быть вмонтирована в определенную антенную решетку, такую, как, например, изображена на фиг.1, или в антенную решетку любого другого типа.
Хотя описание изобретения приведено со ссылкой на отдельные варианты реализации, вполне очевидно, что оно ни в коей мере ими не ограничивается и содержит все технические эквиваленты описанных средств, а также их сочетание, если они не выходят за рамки предлагаемого изобретения. В частности, могут быть практически реализованы все комбинации цельных или кольцевых накладок и ортогональных центральных щелей в виде креста; причем крест может содержать количество ортогональных щелей, большее или равное двум, как, например, простой крест или иерусалимский крест. Также планарный излучающий элемент, имеющий шестиугольную геометрическую форму или форму креста, может содержать внешнюю сетку другой формы, например, квадратную. Кроме того, излучающие элементы, имеющие форму шестиугольника, могут содержать внутреннюю накладку с ортогональными центральными щелями, образующими простой крест или иерусалимский крест.