ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО

Настоящая полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для синтеза электромагнитной волны с заданным пространственным распределением амплитуды и фазы, в частности, в сканирующих антеннах СВЧ с электронным управлением.
Термин "голографическая антенна" выделяет класс антенн, в которых электромагнитное поле излучения формируется как результат дифракции падающей (в оптике - опорной) волны на совокупности распределенных по поверхности антенны, либо по ее объему, неоднородностей электродинамических параметров материала: ε, µ, σ - диэлектрической, магнитной проницаемостей и проводимости, соответственно. Голографическая антенна при этом представляет собой совокупность устройств формирования падающего поля и устройств преобразования падающего поля в излучаемое поле (в оптической голографии - восстановленная предметная волна).
В антенной технике СВЧ устройства формирования падающего поля - это облучатели, волноводные или иные системы распределения поля источника. Устройства преобразования падающего поля в излучаемое поле с заданным распределением амплитуд и фаз в антенной технике СВЧ - это апертурные антенные устройства рупоры, зеркала, совокупности фазовращателей и элементарных излучателей, и более близкие к понимаемым как традиционно голографические устройства с распределенными неоднородностями геометрических и материальных параметров, с функциями, аналогичными функциям голограммы в оптике.
Процесс формирования излучаемой волны аналогичен хорошо исследованному процессу восстановления объектной волны падающей на голограмму опорной волной в оптике (см. Гинзбург В.М., Степанов В.М., (ред.), Голография. Методы и аппаратура. М., Советское радио, 1974).
Известны голографические антенны различной конструкции.
Известна голографическая антенна (см. Checcacci, Ρ, "Holographic antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume: 18, Issue: 6, Nov. 1970, pp. 811-813), состоящая из диэлектрических и выполняющих функции волноведущих и излучающих металлизированных слоев с распределенными неоднородностями формы. Пространственная конфигурация проводников повторяет картину распределения амплитуд поля (интерференционных линий), возникающего при интерференции падающей на голографическую антенну и излучаемой волн. Картина голограммы была компьютерно сгенерированной, в качестве падающей волны использовалась плоская волна, в качестве излучаемой - волна, обладающая заданным распределением амплитуд и фаз на поверхности голографической антенны, обеспечивающим требуемую диаграмму направленности.
Известная голографическая антенна не допускает электронного управления формой диаграммы направленности. Для сканирования по пространству требуется механический привод. Диапазон рабочих частот жестко ограничен пространственной конфигурацией проводников.
Известна голографическая антенна (см. А.Е. Fathy et al., "Silicon based holographic reconfigurable antennas - Concepts, analysis, implementation and feasibility," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques., vol. 51, June 2003, pp. 1650-1661), состоящая из плоской полупроводниковой подложки с нанесенной на нее матрицей точечных металлических проводников. Голограмма падающей и излученной волн создается в полупроводниковой подложке за счет инжектирования носителей заряда из проводника в подложку. В результате в полупроводниковой подложке формируется картина зон повышенной проводимости, повторяющая дискретизированную картину голограммы. Картина голограммы компьютерно генерируется. Такая конструкция позволяет, за счет управления инжекцией носителей заряда с различных групп контактов, формировать динамические голограммы, что дает возможность динамически перестраивать диаграмму направленности антенны, и, как следствие вести сканирование пространства без механических перемещений антенны, а также использовать широкий диапазон рабочих частот.
Известная голографическая антенна обладает малой дифракционной эффективностью, поскольку является плоской тонкой амплитудной голограммой и не обладает однозначностью восстановления предметной волны в схеме с плоской опорной волной, а антенна на ее основе формирует диаграмму направленности с неприемлемо высоким уровнем боковых лепестков. Кроме того, при реализации поля излучения как поля токов, протекающих в областях с повышенной за счет инжекции проводимостью, имеющей максимумы в области инжектирующих контактов, омические потери в сформированных таким образом токоведущих элементах становятся порядка или больше потерь на излучение в силу недостаточно высокой проводимости.
Мала скорость перестройки диаграммы направленности, так как мала скорость перезаписи голограмм, ограничиваемая временем релаксации инжектированного заряда перед записью новой голограммы.
Требуемая большая мощность для управления проводимостью в совокупности с СВЧ потерями и необходимостью принятия мер для охлаждения приводят к неэффективности антенны и неудовлетворительным массогабаритным характеристикам.
Известна голографическая антенна (см. патент US 7460084, МПК H01Q 15/02, H01Q 15/00, опубликован 12.02.2008) состоящая из набора трубок, заключенного в диэлектрическую матрицу. Каждая трубка подключена через управляемый вентиль к насосу. Компьютерно сгенерированная голографическая картина создается заполнением соответствующих трубок проводящей или непроводящей жидкостью. Такая конструкция позволяет формировать динамические голограммы и динамически перестраивать диаграмму направленности антенны. Скорость переключения определяется давлением в гидравлической системе и диаметром трубок и может быть довольно-таки высокой. Дифракционная эффективность определяется проводимостью жидкости.
Дифракционная эффективность известной голографической антенны в традиционной схеме восстановления предметной волны с тонкой голограммой и плоской опорной волной ограничена, не обладает однозначностью восстановления предметной волны и голографическая антенна в такой схеме обладает диаграммой направленности с неприемлемо высоким уровнем боковых лепестков. Кроме того, дифракционная эффективность низка в силу недостаточной проводимости жидкости и, соответственно, высоких СВЧ потерь в трубчатых элементах.
Быстродействие существенно ниже быстродействия электронно-управляемых антенных устройств и определяется конструкцией и совокупным временем переключения системы подачи жидкости и перезаполнения жидкостью трубок, необходимых для формирования голограммы.
Известна голографическая антенна (см. патент RU 2089027, МПК H01Q 15/00, опубликован 27.08.1997) один из вариантов которой состоит из полупроводниковой пластины и записывающего лазера. Компьютерно сгенерированная голографическая картина создается в виде линий нагрева лазером полупроводниковой пластины. За счет нагрева проводимость освещенных областей увеличивается по сравнению с темными областями. Такая конструкция позволяет формировать динамические голограммы и динамически перестраивать диаграмму направленности антенны и обеспечивает высокое разрешение голограммы, а также использовать широкий диапазон рабочих частот.
Известная голографическая антенна в традиционной схеме восстановления предметной волны с тонкой голограммой и плоской опорной волной обладает малой дифракционной эффективностью, не обладает однозначностью восстановления распределения излучаемого поля, диаграмма направленности имеет неприемлемо высокие боковые лепестки.
Известная голографическая антенна обладает малой дифракционной эффективностью, так как высоки СВЧ потери в силу недостаточно высокой проводимости в нагреваемых областях. Громоздкость, высокая стоимость и высокая требуемая мощность управления системой, включающей мощный быстродействующий сканирующий лазер, либо иную быстродействующую систему распределения достаточно большой мощности оптического излучения, а также наличие динамической системы охлаждения, являются недостатками устройства. Скорость перестройки диаграммы направленности ограничена скоростью перезаписи голограмм, в свою очередь ограниченной требуемым временем охлаждения пластины перед записью новой голограммы
В ходе информационного поиска не было выявлено устройств, совпадающих с настоящим техническим решением по существенным признакам, таким образом, устройство - прототип отсутствует.
Задачей полезной модели являлась разработка такой голографической антенны, которая бы обеспечивала электронное управление формой диаграммы направленности, высокую дифракционную эффективность и широкую полосу рабочих частот при низких массогабаритных характеристиках.
Поставленная задача решается тем, что среда для записи голограмм в предлагаемом голографическом антенном устройстве (ГАУ) представляет собой совокупность металлизированных широких стенок прямоугольных волноводов волноводно-щелевой антенной решетки, в каждой из которых по разные стороны относительно середины сформированы две кусочно-непрерывные параллельные щелевые линии. Вдоль щелевых линий расположена управляемая коммутирующая структура, обеспечивающая изменение электродинамических параметров щелевых линий в заданных пространственных точках волновода. Коммутирующая структура содержит устройство формирования управляющих сигналов и управляемые коммутирующие элементы, включенные между сторонами щелевых линий в соответствующих точках и изменяющие комплексную проводимость между сторонами щелей в точках включения. В качестве управляемых коммутирующих элементов могут быть использованы p-i-n-диоды, реле, устройства на основе эффекта памяти формы, механические контактные устройства, и иные устройства, обеспечивающие замыкание сторон щелей, т.е. изменение проводимости и значений иных электродинамических параметров среды между сторонами щелей в соответствующих точках.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показана схема предлагаемого голографического антенного устройства.
Настоящее голографическое антенное устройство содержит: волноводы 1, щелевые линии 2, расположенные симметрично относительно середины широкой стенки волновода, управляемые коммутирующие элементы 3, устройство формирования управляющих сигналов 4.
Настоящее голографическое антенное устройство используют следующим образом. В волноводах 1 опорной волной возбуждается основная мода. В соответствии с пространственной структурой основной моды щелевые линии 2, при расположении их по разные стороны относительно середины широкой стенки волновода, возбуждаются в противофазе. Так как расстояние между двумя противофазными щелями меньше половины длины волны, при одинаковом уровне возбуждения не происходит излучения поля, возбуждаемого щелевыми линиями, в дальнюю зону и, следовательно, возбуждается быстрая поверхностная волна, распространяющаяся вдоль волновода. Для излучения поля в дальнюю зону требуется внести разбаланс в возбуждение щелевых линий, что достигается изменением одного или нескольких электродинамических параметров щелевых линий (к электродинамическим параметрам относятся: диэлектрическая и магнитная проницаемости и проводимость). Изменение электродинамических параметров щелевых линий осуществляется управляемыми коммутирующими элементами 3, расположенными вдоль линии. Далее осуществляется генерация компьютерной голограммы опорной волны и требуемой излучаемой волны в виде пространственного распределения электродинамических параметров и запись в виде состояния "включено - выключено" управляемых коммутирующих элементов в полотно антенны.
Управляемые коммутирующие элементы, под действием сигнала с устройства формирования управляющих сигналов 4, обеспечивают необходимое пространственное распределение электродинамических параметров по площади антенны.
01
-6
-8
Таким образом, в настоящем голографическом антенном устройстве за счет управления распределением неоднородностей электродинамических параметров по поверхности голографической антенны достигается управление формой диаграммы направленности в широкой полосе рабочих частот, ограничиваемой лишь полосой рабочих частот системы формирования опорной волны - бегущей волны типа H в совокупности излучающих волноводов. Скорость перезаписи голограммы и, соответственно, время перестройки диаграммы направленности, определяется временем переключения управляемых коммутирующих элементов, которое, например, для p-i-n диодов может составлять (10-10) сек.
Оценки показывают следующие достижимые параметры ГАУ:
полоса перестройки рабочих частот
20%
допустимая излучаемая импульсная мощность
на 1 м<sup>2</sup> апертуры
(0.1-1) МВт
средняя мощность на 1 м<sup>2</sup> апертуры
10 кВт
частота смены положения луча
10 кГц
время переброса луча
1 мкс
общие потери
≤1 дБ
масса 1 м<sup>2</sup> апертуры
(10-20) кг