ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ АНТЕННА БОКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КРУГОВЫМ СКАНИРОВАНИЕМ
HIGH-FREQUENCY CYLINDRICAL, LATERAL RADIATION ANTENNA WITH CIRCULAR SCANNING

Изобретение относится к области телекоммуникационных технологий, а более конкретно к конструкциям сканирующих высокочастотных антенн.
Антенны со сканирующим в пространстве направленным лучом представляют особый тип антенн, использующихся в радарной технике и в средствах коммуникации. По способу сканирования делятся на антенны механического, электронного и смешанного типа. В настоящее время наиболее перспективными считаются антенны с электронным сканированием луча, имеющие явные преимущества по быстродействию, надежности. Электронное сканирование осуществляется планарными, линейными и конформными антенными решетками. Планарные и линейные решетки менее сложны конструктивно и технологически, однако у них имеется существенный недостаток, а именно они позволяют осуществлять сканирование лишь в ограниченных углах полусферы (планарные) или полуокружности (линейные). Чтобы обеспечить полное круговое сканирование, применяются конформные решетки, имеющие форму цилиндров или многогранников. Излучающие элементы в таких решетках размещены на боковой поверхности. Подобные решетки имеют значительные объемные размеры, а их пространственный монтаж отличается большой трудоемкостью. Круговое сканирование в них, как правило, осуществляется путем включения части всех элементов, что требует применения сложных коммутационных схем. Следует отметить, что существуют также низкопрофильные конформные решетки, построенные на основе плоской линзы Люнеберга, но и в этом случае, чтобы реализовать полное круговое сканирование, такие антенны должны иметь сложные схемы коммутации и запитки.
Известные типы антенных решеток, осуществляющих круговое сканирование луча, имеют такие недостатки, как трудоемкость изготовления, наличие сложных запитывающе-коммутационных цепей и частичное использование всех излучающих элементов.
Антенна, представленная в патенте США №4143380 [1], осуществляет круговое сканирование луча путем переключения элементов, расположенных на боковой поверхности цилиндра. К недостаткам такой конструкции следует отнести трудность монтажа антенны, невозможность создания антенны, интегрированной с многоканальным приемо-передающим устройством. Наличие коаксиальных линий ограничивает применение данной антенны в миллиметровом диапазоне. К тому же антенна имеет значительную высоту, что делает невозможным ее применение в очень малых устройствах, таких как сотовые телефоны или планшетные компьютеры.
Антенная решетка с круговым обзором, предложенная в патенте США №4414550 [2], имеет технологичную низкопрофильную конструкцию, позволяющую реализовывать печатную технологию. Однако для реализации сканирования она требует сложной схемы с высокочастотными фазовращателями. Кроме того, поскольку одновременно задействована только часть элементов решетки, снижается ее эффективность как целой единицы.
В патенте РФ №2305879 [3] описана сканирующая антенная решетка, содержащая излучающую структуру в виде двумерной решетки из отверстий в металлическом диске и источник плоского фронта волны в виде слоя диэлектрика на металлическом основании и возбудителя слоя диэлектрика, который выполнен в виде открытого конца плоского волновода с расширением верхней стенки рупорного типа. Данная конструкция позволяет изготавливать компактные сканирующие антенны, однако не позволяет добиться полноценного кругового сканирования.
Подобный же недостаток присущ и конструкции антенной решетки, описанной в патенте США №3392394 [4]. Эта конструкция представляет собой планарную линзу Люнеберга с системой облучателей, расположенных по боковой поверхности линзы, и относительно несложной схемой запитки. Однако ввиду того, что излучатели и цепи коммуникации вынесены за пределы линзы, вся конструкция имеет значительные размеры в плоскости линзы. Кроме того, если используется однослойная линза, то невозможно осуществить полное круговое сканирование из-за затенения противоположных излучателей. Чтобы избежать этого, в [4] применена двухслойная линза, где внутренние и наружные излучатели разнесены по слоям и поэтому при сканировании не влияют друг на друга. Однако, это ведет к усложнению схемы запитки из-за наличия большого числа направленных ответвителей, кроме того, увеличивается толщина всей антенны, что также делает ее невозможной к применению в очень компактных устройствах.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает техническое решение, раскрытое в патенте США №6987493 [5] и предназначенное для кругового сканирования. Предложенная в [5] антенна состоит из вертикальных монополей, расположенных над проводящей плоскостью. Излучаемая центральным монополем изотропная волна приобретает направленность путем воздействия на нее пассивных монополей, расположенных осесимметрично. Фаза волны, переизлученной этими вибраторами, варьируется посредством перестраиваемых конденсаторов. К недостаткам такой антенны можно отнести необходимость использования перестраиваемых конденсаторов, что делает невозможным применение такой конструкции в миллиметровом диапазоне или же приведет к значительным потерям и слабовыраженной направленности. К тому же наличие только одного активного излучателя не позволяет использовать многоканальные приемные устройства с низкочастотным управлением фазой. Также из-за малого количества пассивных переизлучателей невозможно добиться большей направленности в плоскости Н.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать усовершенствованную конструкцию высокочастотной антенны с круговым сканированием, причем основными требованиями к такой антенне являются компактность и простота реализации.
Технический результат достигается за счет применения нового подхода к конструированию простой и компактной сканирующей антенны, которая включает в себя:
- цилиндрический волновод с диэлектрическим заполнением, образованный двумя параллельными металлическими дисками;
- диэлектрический цилиндр, расположенный между вышеупомянутыми дисками и являющийся заполнением цилиндрического волновода, при этом диэлектрический цилиндр выполнен с возможностью функционирования как в качестве согласующего трансформатора между цилиндрическим волноводом и свободным пространством, так и в качестве диаграммообразующего элемента;
<mrow><mn>0,85</mn><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>f</mi></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
- прямоугольную решетку излучателей, ориентированных нормально плоскости самой решетки, помещенную осесимметрично в цилиндрический волновод, причем плоскость решетки расположена параллельно основанию цилиндрического волновода с расстоянием между элементами решетки в обоих направлениях, равным
, где
f
λ - длина волны в заполненном цилиндрическом волноводе;
- два металлических цилиндра с боковым пазом, расположенные соответственно над верхним и под нижним дисками и выполненные с возможностью функционирования в качестве вспомогательных цилиндрических излучателей, корректирующих диаграммы направленности в угломестной плоскости.
Отсутствие сложных цепей запитки с высокочастотными коммутаторами, а также возможность управления лучом на низкой частоте преобразования существенно упрощает процесс изготовления антенны. Компактность достигается за счет того, что диаграммообразующая решетка помещена внутрь цилиндрического волновода, который одновременно является корпусом антенны, в отличие от других типов цилиндрических решеток, где излучатели размещаются на наружной боковой стороне цилиндра. Кроме того, данная структура антенны, обеспечивающая хорошую согласованность с пространством, позволяет делать устройство низкопрофильным и привлекать высокопроизводительную технологию печатных антенн.
Ввиду того, что для управления лучом требуются значения фаз, кратные 90 градусам, допустимо осуществлять управление по низкой частоте, исключив использование сложных высокочастотных фазовращателей, имеющих значительные потери особенно в миллиметровом диапазоне. К тому же фазовый метод кругового сканирования делает антенну более эффективной, так как позволяет использовать все элементы одновременно. В других антеннах подобного типа круговое сканирование осуществляется путем переключения части элементов. Ввиду этого использование всех элементов одновременно невозможно в принципе, поэтому снижается эффективность их использования в многоканальных приемных устройствах.
Одна из конструктивных особенностей заявляемой конструкции заключается в применении двумерной прямоугольной решетки монопольных излучателей, расположенных нормально общей плоскости. Шаг решетки в обоих измерениях составляет четверть длины волны в цилиндрическом заполненном волноводе. Вся решетка помещена осесимметрично между двумя параллельными металлическими дисками, образующими цилиндрический волновод. Пространство между дисками заполнено диэлектриком, конструктивно выполненным в виде цилиндра, соосного с дисками, но с большим радиусом. На верхнем и нижнем диске также соосно установлены два металлических цилиндра, причем в боковой поверхности каждого цилиндра имеется концентрический паз.
При возбуждении всех излучателей с соответствующими фазами в пространстве между дисками распространяется неизотропная цилиндрическая волна, имеющая определенную направленность. При изменении фазовых соотношений направление вектора распространения меняется относительно центра волновода. Далее волна излучается в пространство боковой частью цилиндра. Поскольку решетка излучателей формирует волну с определенным фазовым фронтом и распространением, то диаграмма направленности будет иметь ширину в азимутальной плоскости, зависящую от количества излучателей, и положение, зависящее от фаз возбуждения. Таким образом, меняя фазовые соотношения между излучателями, можно осуществлять круговое сканирование. Для формирования диаграммы направленности в угломестной плоскости используются две дополнительные цилиндрические структуры, установленные на верхней и нижней сторонах основной антенны. Цилиндры являются пассивными переизлучателями, корректирующими фронт основной волны.
На чертежах:
Фиг.1 - общий вид высокочастотной цилиндрической антенны бокового излучения с круговым сканированием:
1 - проводящий диск;
2 - диэлектрический цилиндр;
3 - излучатель;
4 - выступающая часть диэлектрического цилиндра;
5 - верхний цилиндр;
6 - нижний цилиндр;
7 - кольцевой паз;
8 - микродиск.
Фиг.2 - структура полей, формируемых антенной.
Фиг.3 - образование направленной волны в цилиндрическом волноводе.
Фиг.4 - функциональное назначение цилиндров 5 и 6.
Фиг.5 - графики коэффициента отражения.
Фиг.6 - принцип образования направленной волны в цилиндрическом волноводе.
Фиг.7 - фазовое распределение для углов отклонения 90 и 45 градусов.
Фиг.8 - фазовые распределения для семейства углов сканирования от 11 до 78 градусов.
Фиг.9 - графики диаграмм направленности антенны.
Фиг.10 - вариант видоизмененной антенны и ее диаграммы направленности.
Основу антенны (см. Фиг.1) представляет открытый цилиндрический волновод, образованный двумя металлическими дисками 1, в котором диэлектрический цилиндр 2 является средой заполнения волновода. Часть диэлектрического цилиндра 2, выступающая за пределы волновода, является согласующим элементом между цилиндрической волной и волной свободного пространства. Одновременно она, как диэлектрическая волноведущая структура, формирует диаграмму направленности в угломестной плоскости. Каждый излучатель 3, расположенный в пространстве цилиндрического волновода, возбуждает цилиндрическую волну, изотропно расходящуюся от излучателя к краю цилиндра, и в случае использования одного излучателя будет излучаться выступающей частью диэлектрического цилиндра 4 в пространство (см. Фиг.2). Чтобы реализовать направленное излучение в азимутальной плоскости антенны, необходимо в цилиндрическом волноводе сформировать направленную волну.
Решетка монопольных излучателей 3, установленных в цилиндрическом волноводе 2, реализует эту функцию. При одновременной запитке излучателей 3 с соответствующим фазовым распределением возбуждения распространение цилиндрической волны приобретает выраженную направленность в том или ином азимутальном направлении (см. Фиг.3). С целью получения максимально компактных размеров антенны высота цилиндрического волновода выбрана предельно малой. Однако такой волновод, имея очень малое волновое сопротивление, очень плохо согласуется с пространством. Чтобы устранить этот недостаток, применено согласующее устройство в виде выступающей части диэлектрического цилиндра 4. При этом при высоте волновода ~λ/4 и высоте излучателя 3 -0,12λ потери на согласование составляют < -20 дБ. Одновременно эта же часть, являясь диэлектрической волноводной структурой, осуществляет формирование диаграммы направленности в угломестной плоскости. Для дополнительного формирования диаграммы направленности в угломестной плоскости служат два цилиндра - верхний цилиндр 5 и нижний цилиндр 6 с кольцевыми пазами 7 в боковой поверхности. Пазы 7 в боковой поверхности выполняют функцию цилиндрических короткозамкнутых паразитных волноводов. Волна, излученная цилиндром 2, частично принимается этими волноводами и, отразившись от короткозамкнутой стенки, переизлучается с фазой, зависящей от положения стенки (см. Фиг.4). В результате поле от этих двух паразитных волноводов, складываясь с основным, осуществляет коррекцию диаграммы направленности в угломестной плоскости. Таким образом формируется однонаправленное излучение с вертикальной поляризацией, имеющее диаграмму, узкую в плоскости азимута (вектор Н) и более широкую в угломестной плоскости (вектор Е). Конструкция данной антенны позволяет менять диаграмму направленности в некоторых пределах. Так, для сужения диаграммы в азимутальной плоскости требуется увеличивать количество элементов решетки 3, а для сужения диаграммы в угломестной плоскости необходимо увеличивать радиус выступающей части цилиндра 4. Все это ведет к увеличению габаритов антенны и необходимости применять RF устройство с большим числом каналов. Оптимальным вариантом реализации представляется структура решетки, имеющая 16 излучателей. При таком количестве размеры антенны остаются еще очень малыми при удовлетворительной диаграммообразующей способности решетки.
В данной конструкции антенны особое значение имеет согласование элементов антенны. Хотя согласование одиночного излучателя 3 внутри цилиндрического волновода не вызывает проблем, излучатель в составе решетки имеет значительные потери на отражение вследствие очень близкого расположения элементов и, как результат, сильной взаимной связи. В результате воздействия этих перекрестных связей интегральный коэффициент отражения всей решетки может значительно возрасти, что приведет к большим потерям и искажениям диаграммы направленности.
Результирующий нормированный коэффициент отражения на i-ом элементе определяется как
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>4</mn></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mn>1</mn><mn>6</mn></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
jj
где S - комплексный коэффициент взаимной связи между i-ым и j-ым элементом. При i=j коэффициент представляет собой значение собственного отражения i-го элемента.
Чтобы идеально согласовать каждый элемент, требуется выполнение условия:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mn>1</mn><mn>6</mn></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>≠</mo><mi>j</mi></mrow>
ij
ik
Абсолютная величина взаимной связи в данной решетке очень значительна (для соседних элементов составляет -7 дБ). Вследствие этого для согласования элемента в окружении требуется вводить значительное его первоначальное рассогласование, хотя для некоторых элементов окружения выполняется условие S=-S и происходит их взаимная компенсация. Это происходит ввиду того, что пара равноудаленных элементов окружения имеет противоположное по фазе возбуждение (-90 и +90 градусов) и при наведении на расположенный между ними элемент их поля вычитаются.
Одним из методов добиться требуемого рассогласования является изменение входного импеданса излучателя 3 путем изменения электрической длины каждого излучателя.
Так, импеданс монопольного излучателя в первом приближении определяется как
<mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>j</mi><mn>60</mn><mi>Ω</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>cos</mi><mi>β</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>d</mi><mi>Ω</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>sin</mi><mi>β</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>b</mi><mi>Ω</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где b=F(z)sinβl-F(l)sinβ|z|+G(l)cosβz-G(z)cosβl
d=F(l)
<mrow><mi>Ω</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>l</mi></mrow><mi>a</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
а - радиус излучателя, l - длина излучателя.
Меняя длину излучателя, можно в широких пределах менять характер и величину импеданса. Для лучшего согласования каждый излучатель снабжен металлическим микродиском 8, который увеличивает эффективную длину излучателя.
На Фиг.5 приведены значения коэффициента отражения для отдельного излучателя и интегрального коэффициента отражения всей решетки, который и определяет общие потери антенны на отражение:
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>4</mn></mfrac><mrow><mo>|</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mn>1</mn><mn>6</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi></mrow></mstyle></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
где Si - комплексный коэффициент отражения i-го излучателя.
Для формирования направленной по оси X цилиндрической волны необходимо выполнение условия:
ij
φ=-90(i-1),
ij
где φ - фаза возбуждения элемента i-го ряда j-й строки (см. Фиг.6, вид 6.1).
В этом случае волна, распространяясь от элемента, будет складываться в фазе с волной последующего элемента при условии, что расстояние между элементами равно четверти длины волны. Обратная же волна, складываясь с волной предыдущего элемента в противофазе, распространяться не будет, а будет отражаться обратно (см. Фиг.6, вид 6.2). Линии равных фаз в общем случае параллельны и расположены перпендикулярно вектору распространения (в данном случае параллельно оси Y).
Очевидно, что если линии равных фаз повернуть на 90 градусов относительно центра координат, то при расстоянии между излучателями 3, равном четверти длины волны, направление распространения тоже повернется на 90 градусов (см. Фиг.7, вид 7.1). Соответственно, фазы возбуждения должны иметь приращение -90 градусов в направлении распространения.
<mrow><mfrac><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mi>λ</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mn>0,85</mn><mfrac><mi>λ</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
Также для того, чтобы направление распространения было повернуто на 45 градусов, линии равных фаз должны быть повернуты на 45 градусов (см. Фиг.7, вид 7.2). Однако в этом случае расстояние между соседними линиями равнофазного возбуждения будет равно
и условия формирования направленной волны несколько нарушаются. Но если установить изначальное расстояние между элементами по оси X и Y, равное
, то возможность направленного распространения будет сохраняться для любых направлений. Чтобы повернуть вектор распространения на углы, занимающие промежуточное значение, требуются комбинированные линии равных фаз, имеющие вид ломаной.
На Фиг.8 последовательно показаны линии фазового распределения для углов - 11; 22,5; 33; 56; 67; 78 градусов.
Данная система характеризуется тем, что значение фазы в любом случае кратно 90 градусам. Это позволяет осуществлять управление с помощью луча элементами низкочастотного тракта, не применяя высокочастотные фазовращатели, имеющие значительные потери и увеличивающие габариты антенны. Очевидно, что благодаря осевой симметрии всей антенны, можно осуществлять сканирование луча в пределах полной окружности.
На Фиг.9, вид 9.1, показаны диаграммы направленности антенны для некоторых углов сканирования. Можно видеть, что в плоскости азимута осуществляется достаточно равномерное перекрытие даже с шагом в 22.5 градуса. Добиться еще большей сглаженности можно используя шаг в 11 градусов.
Диаграммы направленности в угломестной плоскости показаны на Фиг.9, вид 9.2. Для углов ±45 от плоскости азимута обеспечивается уровень усиления не менее 6 дБ.
Данная структура антенны имеет симметричную диаграмму направленности в угломестной плоскости с максимумом в азимутальной плоскости. Иногда требуется получить диаграмму со смещенным максимумом излучения. Для этого можно боковой профиль антенны реконфигурировать, как показано на Фиг.10, вид 10.1. Из него видно, что нижняя сторона диэлектрического цилиндра полностью закрыта металлом.
Благодаря этому образуется волноводная структура в виде слоя диэлектрика над металлическим экраном. Антенны, построенные на таких структурах, имеют диаграммы направленности с лучом, отклоненным в сторону, противоположную экрану. На Фиг.10, вид 10.2, представлена диаграмма направленности, смещенная в угломестной плоскости.
Антенна имеет низкопрофильную структуру. Поэтому диэлектрический цилиндр 2 может быть выполнен на основе ламинированного диэлектрика. Верхний и нижний диски 1, образующие цилиндрический волновод, выполнены печатным способом. Излучатели 3 конструктивно представляют собой металлизированные отверстия, выполненные в диэлектрике. Реактивные элементы в виде микродисков 8 являются одновременно металлизированными площадками, необходимыми при металлизации отверстий. Таким образом, антенна в основном может быть изготовлена высокопроизводительным методом печатных технологий.
Верхний и нижний цилиндры 5 и 6 соединяются с дисками 1 преимущественно посредством пайки. Нижняя, компланарная, часть излучателей позволяет легко реализовать соединение с многоканальным приемо-передающим устройством, выполненным на отдельной микросхеме.
Данное изобретение может быть использовано в средствах коммуникации, где требуется осуществлять надежный прием с меняющегося направления и пространственное подавление интерферирующих направлений при малых размерах устройства. В частности, это могут быть устройства WiFi и WiGig коммуникации, устройства телевизионного приема для подвижных объектов, радары для автомобилей, осуществляющие круговой обзор.