НАПРАВЛЕННАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ПЛАНАРНАЯ ПОРТАТИВНАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА
DIRECTED SCANNING PLANAR PORTABLE LENS ANTENNA

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к конструкции малогабаритных сканирующих антенн, которые могут найти применение в портативных мобильных устройствах связи.
Направленные сканирующие антенны в настоящее время получают все большее распространение не только в радарной технике и сложных специальных коммуникационных системах, но также в общедоступных электронных устройствах. Использование таких функционально сложных антенн в сравнительно недорогих устройствах накладывает определенные ограничения на выбор типа антенны. На первый план выступают такие ограничения, как габариты и цена антенного устройства.
Исходя из таких соображений наиболее привлекательными являются плоские и линейные антенные решетки, а также переключаемые антенны.
В конструкциях на основе многоканальной приемо-передающей микросхемы применение антенных решеток представляется очень перспективным, однако такие антенны имеют ограничение по углам сканирования луча, к тому же при максимальном отклонении имеет место значительное снижение усиления антенны.
От этого недостатка свободны антенны со сканированием луча путем переключения излучателей, формирующих направленность в том или ином направлении.
Наиболее подходящей в таких конструкциях может быть линзовая антенна осесимметричной формы, позволяющая реализовать сканирование луча вплоть до 360 градусов в очень широких пределах без значительного уменьшения усиления, причем сканирование может быть как пространственным, так и планарным.
Линзы пространственного сканирования имеют значительные габариты и малопригодны для применения в компактных портативных устройствах, в то время как линзы планарного сканирования могут иметь очень малый размер по высоте, что позволит разместить их в портативных устройствах.
Известные из уровня техники направленные антенны с широким круговым сканированием луча имеют общий существенный недостаток, а именно, сложность в изготовлении и сборке в сочетании с необходимостью применения сложного переключающего устройства для управления направленностью.
В частности, антенна, описанная в докладе Liang Xue, Vincent Fusco - Electronically Reconflgurable Microwave Lens Antennas; EOARD FA8655-04-1-3076; 2nd Six Monthly Report; www.ecit.qub.ac.uk [1], реализована на основе цилиндрической планарной линзы, в которой, благодаря уменьшению диэлектрической проницаемости от центра цилиндра к периферии, происходит формирование направленности излучения. При этом искусственное уменьшение диэлектрической проницаемости осуществляется путем высверливания части диэлектрика и заменой его, таким образом, воздухом.
Как уже отмечалось ранее, такой тип линзовой антенны имеет определенные недостатки. В частности, хотя линзовая структура такого типа легко реализуема, однако это справедливо только в случае, когда размер линзы сравнительно велик. А если диаметр линзы мал, то ее стенки, разделяющие отверстия, из-за высокой плотности последних, становятся очень хрупкими. Реализовать такую структуру технологически трудно. Кроме того, в процессе изготовления требуется дополнительная операция, а именно после выполнения отверстий сверху и снизу линзы, необходима установка металлических экранов. И еще необходима дополнительная доводка формы боковой поверхности линзы.
Другая известная из уровня техники конструкция линзовой антенны описана в патенте США №6,982,676 [2]. Она имеет то преимущество, что ее изготовление целиком основано на технологии многослойных печатных плат, однако в качестве недостатков следует указать на то, что такая антенна состоит из двух печатных плат, расположенных перпендикулярно одна другой, и многоконтактное электрическое соединение таких частей сопряжено с большими трудностями. Кроме того, угол сканирования имеет существенное ограничение из-за плоского раскрыва антенны.
Антенна, представленная в патенте США №5,966,103 [3], характеризуется тем, что ее основные компоненты выполняются методом печатного монтажа, однако сама линза изготавливается отдельно и к тому же имеет сложный профиль. Изготовление антенны подразумевает механическую сборку. В условиях массового производства этот недостаток является существенным.
Тот же недостаток присущ антенне, описанной в патенте США №3,958,246 [4]. Антенна требует отдельного изготовления компонентов с последующей сборкой.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает линзовая антенна, описанная в патенте США №6,317,092 [5] и представленная на Фиг.1. Здесь замедляющая структура формируется аналогично, путем установки набора одинаковых по высоте металлических штырьков, равномерно распределенных внутри цилиндра. Данная структура, однако, предполагает наличие воздушной среды в пространстве, заполненном металлическими штырьками. В связи с этим конструкция не предполагает выполнение линзы в среде многослойной печатной платы. К тому же, в данной антенне применен сложный коммутатор с активными навесными элементами, что ведет к значительным потерям и требует затрат энергии на управление.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать конструкцию малоразмерной планарной линзовой антенны с широким сканированием луча и с возможностью изготовления на основе печатной технологии.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной конструкции направленной сканирующей планарной портативной линзовой антенны, которая включает в себя:
- верхнюю и нижнюю линзовые структуры в виде набора проводящих цилиндров, расположенных между двумя проводящими экранами - наружным экраном и внутренним экраном, перпендикулярно им и в контакте с внутренним экраном, при этом цилиндры каждой линзовой структуры имеют переменную высоту и размещены таким образом, что расстояние между цилиндрами приблизительно равно четверти длины волны в окружающем диэлектрике, причем в центральной части высота цилиндров максимальна и уменьшается к периферии; область, занимаемая цилиндрами, имеет круглую форму с осевой симметрией, причем нижняя линзовая структура является зеркальным отражением верхней линзовой структуры;
- монопольные излучатели, из которых верхние расположены по периферии верхней линзовой структуры, а нижние расположены на периферии нижней линзовой структуры коллинеарно проводящим цилиндрам на равных угловых расстояниях один от другого в 45 градусов относительно центра, причем группа верхних излучателей расположена диаметрально противоположно группе нижних излучателей; излучатели выполнены с возможностью формирования цилиндрической волны, распространяющейся в плоском волноводе, образованном наружным экраном и внутренним экраном, в сторону линзовых структур;
- рефлекторы в виде трех проводящих цилиндров, расположенных с противоположной от линзовых структур стороны каждого излучателя на расстоянии, приблизительно равном четверти длины волны в заполняемом диэлектрике, причем рефлекторы выполнены с возможностью формирования направленного распространения волны в сторону центра линзовых структур;
- коммутатор, расположенный в средней части всей системы между верхней линзовой структурой и нижней линзовой структурой в виде пассивного шестнадцатиполюсного устройства, выполненного на базе двухфидерной офсетной симметричной линии, причем каждый выходной порт коммутатора соединен с соответствующим излучателем, а каждый входной порт соединен с отдельным портом внешнего восьмиканального приемо-передающего устройства; коммутатор выполнен с возможностью суммирования мощности восьми входных сигналов на одном или на двух излучателях в режиме сканирования.
Основная идея заключается в том, что все элементы линзовой переключаемой антенны и сама линза выполнены в печатном исполнении. Причем замедляющие свойства линзы реализуются полем проводящих цилиндров в толще многослойной печатной платы, а коммутатор каналов представляет собой полностью пассивное шестнадцатиполюсное полосковое устройство, в котором переключение каналов осуществляется изменением фаз входных сигналов. В результате получается компактная планарная антенна с направленным управляемым излучением, в которой потери на переключение минимальны, вследствие отсутствия активных элементов. Все элементы антенны изготавливаются высокопроизводительным печатным способом.
Конструкция, положенная в основу заявляемого изобретения, представляет собой трехсекционную планарную структуру, выполненную на слоистом металлизированном диэлектрике. Нижняя и верхняя секции представляют собой диэлектрические слои, ограниченные по внешним верхней и нижней сторонам металлическими экранами круглой формы. В среде каждого диэлектрического слоя между экранами размещено множество проводящих цилиндров, образованных путем металлизации отверстий, выполненных в многослойном диэлектрике с осесимметричным распределением и с разной высотой цилиндров, уменьшающейся от центра к краю. Расстояние между цилиндрами приблизительно равно четверти длины волны в среде диэлектрического слоя. Совокупность этих цилиндров выполняет роль планарной диаграммообразующей линзовой структуры. По периферии каждой такой структуры на равном расстоянии расположены по четыре металлизированных отверстия, выполняющих функцию элементарных излучателей. Центральный угол, определяемый крайними излучателями, равен 135 градусам. С противоположной от центра стороны каждый излучатель имеет рефлектор, выполненный в виде трех металлизированных отверстий. Обе группы излучателей с их рефлекторами верхней и нижней секции расположены диаметрально противоположно относительно центральной оси, причем структура нижней секции является зеркальным отражением верхней относительно средней секции. Средняя секция представляет собой многослойное полосковое соединение, выполняющее функции коммутатора излучателей. Выходы коммутатора соединены с соответствующими излучателями, а входы - с внешним восьмиканальным приемо-передающим устройством.
Восьмиканальный сигнал поступает в среднюю секцию антенного устройства, представляющую собой шестнадцатиполюсный распределитель и выполняющую роль коммутатора. Благодаря фазовым соотношениям мощность всех сигналов суммируется на одном или двух соседних выходных портах коммутатора. Далее сигнал поступает на соответствующие один или два соседних излучателя верхней или нижней секции антенны, представляющих собой планарную линзу, и излучается ими в сторону центра планарной линзы в форме цилиндрической волны, направляемой верхним и нижним проводящими экранами. Формируемая излучателем и направляемая верхним и нижним проводящими экранами цилиндрическая волна распространяется в направлении центра планарной линзы. Проходя далее сквозь совокупность реактивных элементов, выполненных в виде металлизированных отверстий, цилиндрический фронт волны преобразуется в близкий по форме к плоскому фронту. Таким образом, поле реактивных элементов реализует функцию линзы, формирующей направленное излучение. Далее электромагнитная волна излучается торцевой частью антенны в том или ином направлении в зависимости от конкретного излучателя. Благодаря коммутатору происходит плоское сканирование в пределах 360 градусов, причем четыре излучателя верхней или нижней секции перекрывают угол 180 градусов каждый, дополняя один другой до полных 360 градусов.
Все реактивные элементы, излучатели, а также рефлекторы представляют собой металлизированные отверстия в теле многослойного диэлектрика, изготавливаемые по технологии печатных плат.
Фиг.1 - чертеж из патента-прототипа [5].
Фиг.2 - представляет общий вид заявляемой антенны,
где 1 - верхняя линзовая структура,
2 - нижняя линзовая структура,
4 - верхний проводящий экран,
5 - нижний проводящий экран,
6 - излучатель,
7 - рефлектор,
8 - коммутатор,
9 - внешнее приемо-передающее устройство.
Фиг.3 - показывает совокупность проводящих цилиндров, образующих линзовую структуру,
где 3 - проводящий цилиндр,
4 - верхний проводящий экран,
5 - нижний проводящий экран.
Фиг.4 - демонстрирует вид планарной диэлектрической линзы, расположенной в плоском волноводе,
где 10 - проводящая плоскость,
11 - элементарная ячейка.
Фиг.5 - иллюстрирует процесс выравнивания фронта волны, проходящей через линзу.
Фиг.6 - изображает неоднородность как элементарную ячейку,
где 3 - проводящий цилиндр.
Фиг.7 - показывает поперечную конфигурацию линзовой структуры.
Фиг.8 - представляет эквивалентную схему линзовой структуры.
Фиг.9 - демонстрирует парциальные диаграммы направленности.
Фиг.10 - изображает топологию коммутатора,
где 12 - тандемный направленный ответвитель,
13 - фазовращатель.
Фиг.11 - представляет структуру тандемного направленного ответвителя.
Фиг.12 - изображает поперечную структуру всей антенны,
где 1 - верхняя линзовая структура,
2 - нижняя линзовая структура,
3 - проводящий цилиндр,
4 - верхний проводящий экран,
5 - нижний проводящий экран,
6 - излучатель,
7 - рефлектор,
8 - коммутатор.
Фиг.13 - содержит таблицу фазовых соотношений входных сигналов.
Фиг.14 - демонстрирует способ возбуждения посредством двухщелевого излучателя,
где 1 - верхняя линзовая структура,
4 - верхний проводящий экран,
5 - нижний проводящий экран,
14 - щелевой излучатель,
15 - симметричная запитывающая линия.
Общий вид антенны представлен на Фиг.2. Основу антенны представляют собой верхняя (1) и нижняя (2) линзовые структуры с четырьмя монопольными излучателями (6) каждая.
Излучатели (6) расположены по периферии боковой поверхности линзовой структуры (1), (2) на одинаковом расстоянии друг от друга. Каждый излучатель в отдельности формирует цилиндрическую волну, распространяющуюся в пространстве между верхним (4) и нижним (5) экранами с поляризацией, перпендикулярной экранам. Благодаря рефлекторам (7), расположенным за излучателями (6) на расстоянии, приблизительно равном четверти длины волны в среде диэлектрика, распространение волны наружу линзовой структуры (1), (2) значительно ослаблено и сконцентрировано в направлении к центру. В процессе распространения, при прохождении через замедляющую структуру линзы (1), (2), происходит преобразование цилиндрического фронта волны в близкий к плоскому.
В роли замедляющей структуры линзы (1), (2) выступает совокупность реактивных элементов в виде проводящих цилиндров (3) на Фиг.3. Способ формирования замедляющей диаграммообразующей линзовой структуры показан на Фиг.4. Здесь две проводящие плоскости (10) выполняют роль плоского волновода, частично заполненного диэлектриком. Благодаря переменной плотности заполнения скорость распространения волны будет разной в отдельных частях волновода. Если разбить всю область заполнения на однородные ячейки (11), то фазовая задержка для периферийных ячеек будет меньше, чем для центральных.
Фазовая задержка определится выражением
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>Δ</mi><mi>l</mi></mrow>
ef
где ε - эффективная диэлектрическая проницаемость элементарной ячейки,
Δl - протяженность ячейки,
0
λ - длина волны.
Область частичного заполнения диэлектриком имеет осевую симметрию. Часть фронта цилиндрической волны, распространяясь от монопольного излучателя (6), проходя через центральную область линзовой структуры (1), (2), испытывает большее замедление, чем часть, проходящая по периферии. В результате общий фронт волны получает существенное выравнивание, изображенное на Фиг.5, что и приводит к увеличению направленности антенны.
Помимо реального диэлектрика замедление скорости распространения может быть также реализовано путем введения в структуру специальных неоднородностей в виде реактивных элементов. Так неоднородность в виде проводящего цилиндра (3), изображенная на Фиг.6, представляет собой параллельный конденсатор, дающий фазовую задержку:
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>h</mi><mo>;</mo><mi>d</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext></mrow>
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mi>arctan</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>2</mn><mrow><mi>ω</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mi>ω</mi><mi>C</mi><mtext>    </mtext></mrow>
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>φ</mi><mtext> - фазовый сдвиг</mtext><mtext>, даваемый проводящим  цилиндром</mtext><mtext>,</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>С - эквивалентная емкость неоднородности</mtext><mtext>,</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>h - высота цилиндра</mtext><mtext>,</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>d - диаметр цилиндра</mtext><mtext>.</mtext></mtd></mtr></mtable>
Таким образом, проводящий цилиндр (3) можно представить как элементарную ячейку протяженностью Δl, заполненную диэлектриком с эффективной диэлектрической проницаемостью, дающей такой же фазовый сдвиг, как и цилиндр. На Фиг.6 граничные плоскости эквивалентной ячейки обозначены как T1 и T2. В итоге, проводящий цилиндр (3) может быть представлен как ячейка (11), заполненная искусственным диэлектриком. Очевидно, что эффективная диэлектрическая проницаемость такого диэлектрика зависит от высоты цилиндра и его диаметра, а также от высоты плоского волновода. Следовательно, чтобы сформировать линзовую структуру (1), (2), выравнивающую фронт волны, требуется, чтобы высота цилиндров была максимальной в центре и уменьшалась к периферии. Структура такой линзовой структуры (1), (2) должна быть также осесимметрична. На Фиг.7 изображено поперечное сечение линзовой структуры (1), (2). Высота цилиндров должна меняться так, чтобы приблизительно выполнялось следующее условие:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
ef
где ε(r) - эффективная диэлектрическая проницаемость искусственного диэлектрика, выполненного на базе металлических цилиндров, приведенная к проницаемости среды, окружающую линзу.
r - текущий радиус линзы,
R - внешний радиус линзы.
На Фиг.8 представлена эквивалентная схема линзовых структур (1), (2). Значения реактивных проводимостей определяются экспериментально либо аналитически. Для того, чтобы элементы линзовых структур (1), (2) не вызывали существенных отражений падающей волны, расстояние между соседними проводящими цилиндрами (3) (длина согласующего трансформатора Tr) должно быть такой, чтобы выполнялось условие:
<mrow><msub><mi>B</mi><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>B</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mi>min</mi><mo>;</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>B</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mi>Im</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>tanh</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><msub><mi>l</mi><mrow><mi>t</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mi>tanh</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><msub><mi>l</mi><mrow><mi>t</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><msub><mi>B</mi><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
tr
где l - длина трансформатора.
На Фиг.8 представлена парциальная диаграмма направленности антенны в плоскости формирования луча (плоскость вектора Н) с учетом потерь в диэлектрике. Сканирование осуществляется путем переключения элементарных излучателей.
Благодаря осевой симметрии всей системы одинаковые диаграммы будут располагаться на равных углах один от другого. Для плавного перекрытия заданной области без существенной девиации уровня усиления парциальная диаграмма направленности должна быть достаточной ширины. Так как ширина диаграммы определяется в первую очередь размером линзы, то имеются ограничения на ее размеры. В данном случае диаметр линзы не должен превышать 2λ, для обеспечения перекрытия соседних диаграмм по уровню 3 дБ. Высота линзы ограничена конструктивными и технологическими требованиями, а также условием отсутствия высших типов волн.
<mrow><mi>h</mi><mo><</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>f</mi><mi>i</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
fil
где ε - диэлектрическая проницаемость материала заполнения линзы.
Переключение каналов в процессе сканирования осуществляется специальным пассивным коммутатором, расположенным между верхней и нижней линзами. Топология коммутатора показана на Фиг.10. Все элементы коммутатора выполнены в двух смежных слоях диэлектрика на базе симметричной полосковой линии. Основной элемент коммутатора - это тандемный направленный ответвитель (12) с полной связью, показанный на Фиг.11. Вся схема позволяет суммировать сигналы, поступающие одновременно на восемь входных портов на каком-либо одном выходном порте, соединенным с соответствующим элементарным излучателем (6). Номер выхода зависит от фазовых соотношений входных сигналов. С помощью дополнительных фазовращателей (13) обеспечивается смешанный режим, когда возможно подать равнофазный сигнал одновременно на два соседних элементарных излучателя. В этом случае формируется диаграмма направленности, занимающая промежуточное положение между двумя основными, при этом зона сканирования будет иметь более равномерное покрытие. Коммутатор имеет прямые потери около 1,5 дБ и развязку между выключенными каналами не хуже 20 дБ.
В таблице, приведенной на Фиг.13.1, указаны значения фаз входных сигналов для передачи всей мощности в тот или иной выходной порт коммутатора.
В таблице, приведенной на Фиг.13.2, указаны значения фаз входных сигналов для смешанного режима, когда мощность делится между двумя портами для возбуждения пары смежных излучателей.
Общий поперечный разрез структуры антенны показан на Фиг.12.
Заявляемое изобретение может быть использовано в портативных средствах коммуникации, а именно там, где требуется осуществлять надежный прием с меняющегося направления и пространственное подавление интерферирующих направлений. В качестве примера можно привести WiFi- и WiGig-коммуникации; телевизионный прием для подвижных объектов; радары для автомобилей, осуществляющие круговой обзор.