Диэлектрическая отражательная антенная решетка

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве приемно-передающей антенны мобильных и стационарных устройств спутниковой связи, использующих два частотных диапазона и работающих на круговой поляризации.
Известна диэлектрическая отражательная антенная решетка, обеспечивающая фокусировку поля облучения на двух рабочих частотах, причем работу на верхней рабочей частоте обеспечивает верхний диэлектрический слой, представляющий собой зонную пластинку Френеля, а работу на нижней частоте - расположенный за ним металлический слой, состоящий из набора параллельных проводников (Патент РФ RU2533636C2).
Недостатками такой системы являются низкие значения коэффициентов использования поверхности на обеих частотах, возможность работы только на одной (вертикальной или горизонтальной) поляризации на нижней рабочей частоте и только на одной (ортогональной используемой на нижней частоте) поляризации - на верхней рабочей частоте.
Из уровня техники известна двухчастотная отражательная антенная решетка, состоящая из металлического слоя с прорезанными в нем щелевыми элементами в виде вложенных друг в друга разрезанных колец, где фокусировка поля облучения на верхней и нижней рабочей частоте обеспечивается взаимным расположением внутренних и внешних колец соотвественно, а металлический слой с прорезанными в нем щелями удален на некоторое расстояние от металлического рефлектора. (J. A. Ortiz-Fuentes, J. Silva-Montero, J. I. Martinez-Lopez, J. Rodriguez-Cuevas and A. E. Martynyuk, "Dual-Frequency Reflectarray Based on Split-Ring Slots," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 952-955, 2017. doi: 10.1109 / LAWP. 2016. 2615049)
Недостатком такого решения являются узкие относительные полосы обеих рабочих частот, ограниченные возможности по степени разнесения рабочих частот.
Известна отражательная антенная решетка, характеризующаяся тем, что содержит металлический слой, выполненный в виде зонированной линзы Френеля, обеспечивающей работу на верхней рабочей частоте, при работе на нижней рабочей частоте как волноводно-щелевой антенной решетки (ВЩАР) с внутренним питанием. (Патент РФ RU 2435263).
Недостатками такого решения является возможность работы только на одной поляризации в нижнем диапазоне рабочих частот, большая трудоемкость изготовления, обусловленная необходимостью придания металлической излучающей поверхности ВЩАР специальной формы.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к предлагаемому устройству является плоская зонированная диэлектрическая отражательная антенна (Н. D, Hristov, Fresnel zones in wireless links, zone plate lenses and antennas, Artech House, 2000.). Устройство содержит металлический рефлектор и диэлектрический слой, представляющего собой линзу Френеля для фокусировки поля облучения.
Преимуществами прототипа являются широкая полоса рабочих частот и возможность обеспечения круговой поляризации.
Недостатком прототипа является невозможность его работы на двух разнесенных друг от друга частотах.
Задачей предлагаемой полезной модели является возможность обеспечения независимой работы на двух частотах и обеспечения круговой поляризации на обеих частотах.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное устройство, также как и известное, состоит из металлического рефлектора и диэлектрического слоя, представляющего собой линзу Френеля для фокусировки поля облучения. Но, в отличие от известного, в предлагаемой диэлектрической отражательной антенной решетке между диэлектрическим слоем и металлическим рефлектором размещен металлический слой с прорезанными в нем щелевыми элементами в виде разрезанных колец, а металлический рефлектор отделен от него воздушным промежутком, причем величина этого промежутка и параметры щелевых элементов удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на двух рабочих частотах.
Достигаемым техническим результатом является возможность обеспечения независимой работы на двух частотах и обеспечения круговой поляризации на обеих частотах.
Технический результат достигается за счет введения в структуру отражательной конструкции дополнительного металлического слоя с прорезанными в нем щелевыми элементами в виде разрезанных колец, и отделенного от металлического рефлектора воздушным промежутком. При этом величина воздушного промежутка, закон изменения диэлектрической проницаемости и параметры щелевых элементов удовлетворяют условию фокусировки поля облучения на двух рабочих частотах.
Полезная модель иллюстрируется 8 чертежами.
Фиг. 1. Сечение антенной системы.
Фиг. 2. Фрагмент сечения антенной системы.
Фиг. 3. Диэлектрический слой.
Фиг.4. Металлический слой с прорезанными в нем щелями. Фиг. 5. Элементарная ячейка антенной решетки.
Фиг. 6. Распределение величины поправочного коэффициента вносимой фазовой задержки при синтезе металлического слоя с прорезанными в нем щелями. Фиг. 7. Диаграммы направленности в Е - и Н - плоскостях на 20 ГГц. Фиг. 8. Диаграммы направленности в Е - и Н - плоскостях на 36 ГГц. На чертежах введены следующие обозначения:
1 - облучатель.
2 - диэлектрический слой в виде зонированной линзы Френеля.
3 - металлический слой с прорезанными в нем щелями в виде разрезанных колец 4.
5 - металлический рефлектор.
6 - воздушный слой.
7 - крепежные элементы.
Антенна работает следующим образом.
Для объяснения работы устройства в его структуру дополнительно вводится облучатель 1. При работе антенны на передачу, электромагнитная волна от облучателя 1 поступает на поверхность диэлектрической отражательной антенной решетки (2-7) (фиг. 1-2) на двух рабочих частотах - Fb и Fh. На частоте Fb фокусировку поля облучения осуществляет диэлектрический слой в виде зонированной линзы Френеля 2 (фиг. 3). На частоте Fh - металлический слой 3 с прорезанными в нем щелями в виде разрезанных колец 4 (фиг. 4), отделенный от металлического рефлектора 5 воздушным слоем 6. Соединение слоев производится при помощи крепежных элементов 7.
При работе антенны в приемном режиме, падающее поле от источника в дальней зоне после отражения от антенны фокусируется в точку, где расположен облучатель 1 на обеих рабочих частотах.
Конфигурации слоев 2 и 3 определяются их взаимным влиянием друг на друга, что находит отражение в поправочных коэффициентах, вносимых в выражения, используемые при синтезе упомянутых элементов. При этом толщина воздушного слоя 6, а также геометрия разрезанных колец 4, их взаимное местоположение в металлическом слое 3 и ориентация вокруг собственной оси каждого элемента выбирается исходя из процесса оптимизации численным методом в пределах элементарной ячейки антенной решетки (фиг.5).
гад
После чего в пределах элементарной ячейки антенной решетки строится зависимость фазы отраженной волны  не только в зависимости от угла поворота щелевого элемента вокруг своей оси  но и от угла падения волны от облучателя по отношению к ее нормальному падению а, а также средней толщины диэлектрического слоя над металлическим слоем с прорезанным в нем щелями. В итоге, для выбранных отношения верхней и нижней частоты и материалов получаем функцию вида
Где
- зависимость фазы отраженной волны от угла поворота щелевого
элемента в пределах ячейки Флоке в воздушном пространстве или при наличии однородного диэлектрика,
- вводимая поправочная функция, для щелевого элемента в составе ячейки Флоке при наличии над ним диэлектрического слоя переменной высоты.
Для верхней рабочей частоты находится усредненная по N углам поворота щелевого элемента  в пределах элементарной ячейки антенной решетки зависимость фазы отраженной волны от толщины диэлектрического слоя  т.е.
Таким образом, на основании полученных зависимостей  и  синтезируются новые геометрии металлического слоя с прорезанными в нем
щелевыми элементами и диэлектрического слоя, учитывающее взаимное влияние друг на друга.
При этом непосредственное введение в структуру антенны металлического слоя с прорезанными в нем щелевыми элементами, синтезированного для фокусировки поля облучения на нижней рабочей частоте не дает желаемого результата, так как не учитывает фазовой задержки, возникающей в диэлектрическом слое и, в свою очередь, вносит ошибку в фокусировку поля облучения на верхней рабочей частоте. Распределение поправочных коэффициентам по элементам решетки для металлического слоя с прорезанными в нем щелями приводится на фиг. 6.
Работа устройства подтверждается результатами электродинамического моделирования прямофокусной отражательной антенной решетки, с выбранным соотношением верхней и нижней рабочих частот как 9:5, с размером раскрыва 10×10 в долях длины волны, соответствующей нижней рабочей частоте, с шагом решетки 0.5 в долях длины волны, соответствующей нижней рабочей частоте, величиной воздушного промежутка 0.1 в долях длины волны, соответствующей нижней рабочей частоте, максимальной толщиной диэлектрического слоя 1 в долях длины волны, соответствующей верхней рабочей частоте, с диэлектрической проницаемостью 2.33 и тангенсом потерь 0.0025.
ДН в Е - и Н-плоскостях на нижней и верхней рабочих частотах приводятся на фиг. 7 и фиг. 8 соответственно.
Таким образом, показана достижимость технического результата - обеспечение независимой работы на двух частотах и обеспечение круговой поляризации на обеих частотах.