ИЗЛУЧАТЕЛЬ-ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Полезная модель относится антенной технике, а именно к устройствам для изменения ориентации и (или) формы диаграммы направленности (ДН) волн, излучаемых антенной или группой антенн. Управление ДН осуществляется изменением электрических характеристик отражающих устройств, конструктивно связанных с излучающим элементом.
Устройство может быть использовано в качестве излучателя реконфигурируемой отражательной антенной решетки в аэрокосмических системах связи и радиолокации.
Известно устройство [1], представляющее собой микрополосковый излучающий элемент отражательной антенной решетки в виде прямоугольной металлической пластины над экраном (так называемый patch-излучатель). Фаза электромагнитной волны, отраженной от излучателя, регулируется изменением емкости варикапа, включенного между пластиной и проводящим экраном. Емкость варикапа регулируется подаваемым на него напряжением. Регулировка фазы отраженной волны в диапазоне 0…360° достигалась при изменении емкости варикапа 0,2…2,2 пФ. К недостаткам рассмотренного устройства следует отнести невысокую пропускаемую мощность (около 0,1 Вт) и достаточно большие нелинейные искажения пропускаемого сигнала.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту, принятым в качестве прототипа, является излучающий элемент отражательной антенной решетки в виде прямоугольной металлической пластины, расположенный над щелью регулируемой длины, прорезанной в тонком проводящем экране [2]. Управление фазой электромагнитной волны, отраженной от излучателя, производится изменением длины щели. Изменение длины реализуется замыкания и размыкания микроэлектромеханических ключей (МЭМС-ключей), установленных внутри щели. Под металлическим экраном с щелями находится система подвода питания и управления МЭМС-ключами. К недостаткам рассмотренного устройства следует отнести высокое управляющее напряжение (порядка 70-100 В), недостаточный динамический диапазон регулировки фазы отраженной волны (0…150°).
Общим недостатком обоих устройств является высокий уровень кроссполяризационной составляющей электромагнитной волны, связанный с применением patch-элемента.
Технической задачей предлагаемой конструкции излучателя-фазовращателя является обеспечение максимальной развязки между сигнальными цепями, цепями питания и управления, расширение динамического диапазона изменения фазы, улучшение его кроссполяризапионных свойств.
Для решения заявленной задачи в предлагаемой конструкции излучателя в качестве элементов управления фазой электромагнитной волны используются полупроводниковые фоторезистивные СВЧ-ключи. Под действием оптического излучения такие СВЧ-ключи изменяют свою проводимость, переходя из диэлектрического состояния в проводящее, что соответствует логическим состояниям «выключен» и «включен». Таким образом изменяется длина щели, и, следовательно, фаза отраженной волны. Управление полупроводниковыми фоторезистивными СВЧ-ключами происходит без использования электрических связей, что обеспечивает максимальную развязку между сигнальными цепями, цепями питания и управления, увеличение помехозащищенности устройства.
Переключение фоторезистивных СВЧ-ключей осуществляется изменением напряжения, подаваемого на светодиоды. Величина этого напряжения, как правило, не превышает 3 В по сравнению с напряжением 70…100 В, необходимым для переключения МЭМС-ключей.
По сравнению с прототипом, в устройстве вместо patch-элемента используется щелевой излучатель, расположенный над сплошной металлической пластиной (рефлектором), что позволяет улучшить кроссполяризапионные свойства излучателя.
По сравнению с прототипом, в устройстве используется не одна щель, а пара связанных щелей. Такая модификация излучателя позволяет добиться более плавной характеристики изменения фазы от длины щели (см. фиг.1). Обеспечивается регулировка фазы в диапазоне 0…315º. Более плавная регулировка фазы позволяет установить в каждую щель большее количество ключей, т.е. обеспечить меньший дискрет изменения фазы.
Предлагаемая конструкция системы (модуля) излучателей-фазовращателей изображена на фиг.2. Одиночный излучатель-фазовращатель изображен в разрезе на фиг.3.
В качестве излучающего элемента отражательной антенной решетки используется щелевой излучатель 1, состоящий из двух щелей, расположенных на расстоянии d, равном 0,1λ, где λ - длина волны в свободном пространстве. Щели прорезаны в металлическом экране 2. Длина одной щели 0,55λ, длина второй щели 0,4λ. Ширина щелей 0,04λ.
Под щелями установлены полупроводниковые фоторезистивные СВЧ-ключи 3, представляющие собой участки размерами примерно 1×2 мм на кремниевой пластине 4 толщиной 300…500 мкм. Под каждым щелевым излучателем 1 могут быть установлены как одна, так и несколько пластин 4 (на фиг 3 показана одна пластина). Для обеспечения гальванического контакта на верхней стороне пластины 4 по периметру щелей нанесена металлизация 5. На нижней стороне пластины нанесен светозащитный слой 6 с отверстиями 7 для подключения световодов (оптических фидеров).
На расстоянии порядка λ/4 от экрана с щелями расположена металлическая пластина (рефлектор) 8. Под рефлектором расположена оптическая панель управления (LED- матрица) 9. На ней смонтирована система светодиодов 10, координаты которых соответствуют координатам СВЧ-ключей. На нижнюю сторону рефлектора нанесен светозащитный слой 6. Светодиод и фоторезистивный СВЧ-ключ образуют оптронную пару, связанную световодом. Между рефлектором 8 и кремниевыми пластинами 4 расположена сотовая панель 11 из материала с низкой диэлектрической проницаемостью (ε=1,1…1,15). В сотах панели проложены световоды 12, соединяющие светодиоды 10 и СВЧ-ключи 3. Питание и управление излучателя фазовращателя (системы излучателей-фазовращателей) осуществляется при помощи блока питания и управления 13, в который входит блок питания и микроконтроллер.
Конструктивно предлагаемое устройство (излучатель-фазовращатель или система из излучателей-фазовращателей) представляет собой интегральный модуль, который может использоваться при построении реконфигурируемых антенн различного назначения.
Источники информации:
1. L. Boccia, G. Amendola, and G. Di Massa. Performance Improvement for a Varactor-Loaded Reflectarray Element// IEEE Trans. AP, Vol.58, No.2,2010, pp.585-589;
2. H. Rajagopalan, Rahmat-Samii, W. A. Imbriale. RF MEMS Actuated Reconfigurable Refectarray Patch-Slot Element// IEEE Trans. AP, Vol.56, No.12, 2008, pp.3689-3699.