РЕШЕТКИ ВОЛНОВОДНО-РУПОРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ, СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ РЕШЕТОК ВОЛНОВОДНО-РУПОРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ
ARRAY OF WAVEGUIDE-HORN RADIATORS, METHODS OF BUILDING ARRAYS OF WAVEGUIDE-HORN RADIATORS AND ANTENNA SYSTEMS

Область техники
Настоящая заявка относится в основном к микрополосковым антеннам, в частности к антенным системам.
Уровень техники
При использовании способа формирования голографического изображения в миллиметровом диапазоне волн полные данные могут быть получены только путем выполнения частотного сканирования в определенном частотном диапазоне с тем, чтобы можно было рассчитать трехмерное изображение объекта. В сканирующей системе приемопередающая антенна располагается сверху, и она служит для передачи сигнала на объект и приема сигналов, отраженных от объекта. Требования к приемопередающей антенне, составляющей одно целое с системой, включают в себя: 1) небольшой объем для облегчения интеграции антенны; 2) сильная направленность антенны; при этом главный лепесток диаграммы направленности должен быть направлен на объект; и 3) достаточно широкий диапазон частот, удовлетворяющий требованиям системы к частотному диапазону.
При построении системы к приемопередающей антенне предъявляется ряд требований. С учетом требований по миниатюризации, направленности и интеграции в систему лучшим вариантом является микрополосковая антенна. Однако стандартная микрополосковая антенна обычно характеризуется узкой полосой частот. Если за критерий взять коэффициент стоячей волны по напряжению <2, то относительный диапазон частот будет составлять, как правило, менее 10%. Если взять, к примеру, антенну с центральной частотой 30 ГГц, то рабочий диапазон при коэффициенте стоячей волны по напряжению <2 составит 3 ГГц. Такой диапазон совершенно не удовлетворяет эксплуатационным требованиям.
r
Расширить частотный диапазон микрополосковой антенны можно несколькими способами, в том числе: 1) путем уменьшения значения добротности (Q) эквивалентной схемы; 2) путем увеличения толщины диэлектрика, уменьшения диэлектрической проницаемости ε и увеличения тангенса угла потерь диэлектрика tgδ, что, однако, приведет к увеличению потерь в антенне; 3) путем добавления пассивного излучателя или за счет использования эффекта электромагнитного взаимодействия; 4) путем разработки схемы согласования импедансов, что, однако, приведет к увеличению размеров антенны; и 5) за счет использования решетчатой конструкции.
Различные способы, упомянутые выше, расширяют диапазон частот за счет увеличения размеров антенны или снижения эффективности. Кроме того, диаграмма направленности антенны может изменяться в зависимости от конкретного способа увеличения частотного диапазона.
За эти годы была разработана широкополосная антенна миллиметрового диапазона, а также подробно разработано ее технологическое оснащение. С учетом требования к направленности, описанного в настоящей заявке, технологическое оснащение, которое могло бы расширить частотный диапазон с обеспечением сильной направленности, является большой редкостью. В существующем способе расширения диапазона обычно используется добавление слота в диэлектрической пластине или паразитной панели, что обеспечивает соответствие требованиям к частотному диапазону, но дает слабую направленность.
Сущность изобретения
Принимая во внимание недостатки прототипа, предлагается решетка волноводно-рупорных излучателей, которая подходит для малогабаритной широкополосной микрополосковой антенны, а также способ построения волноводно-рупорной антенной решетки и антенная система.
Согласно одному из аспектов настоящей заявки предлагается решетка волноводно-рупорных излучателей, включающая в себя металлическую пластину прямоугольной формы, обработанную таким образом, что ее поперечное сечение содержит множество прямоугольных отверстий, расположенных по всей длине прямоугольной металлической пластины; при этом нижняя часть каждого отверстия выполнена в виде прямоугольного волновода, а верхняя часть - в виде рупора; а с двух сторон отверстий на верхней поверхности прямоугольной металлической пластины предусмотрен желобок заданной глубины, который тянется в направлении расположения множества отверстий.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения в желобке выполнено множество резьбовых отверстий для соединения решетки волноводно-рупорных излучателей с антенной решеткой.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения ширина желобка лежит в пределах 3,0-5,0 мм, а его глубина составляет 8,8-12,0 мм.
Согласно еще одному из аспектов настоящей заявки предлагается способ построения решетки волноводно-рупорных излучателей, включающий в себя стадию обработки прямоугольной металлической пластины таким образом, чтобы в поперечном сечении она содержала множество прямоугольных отверстий, расположенных по длине прямоугольной металлической пластины; при этом чтобы нижняя часть каждого отверстия была выполнена в виде прямоугольного волновода, а верхняя часть - в виде рупора; и стадию выполнения желобка заданной глубины с двух сторон отверстий на верхней поверхности прямоугольной металлической пластины, который должен тянуться в направлении расположения множества отверстий.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предложенный способ включает в себя стадию выполнения в желобке множества резьбовых отверстий для соединения решетки волноводно-рупорных излучателей с антенной решеткой.
Согласно одному из аспектов настоящей заявки предлагается антенная система, содержащая антенную решетку, которая включает в себя диэлектрическую подложку прямоугольной формы; множество излучающих панелей, расположенных с определенным интервалом по длине диэлектрической подложки на ее верхней поверхности; и множество соединительных панелей на верхней поверхности диэлектрической подложки, расположенных в соответствии с множеством излучающих панелей, отходящих от края диэлектрической подложки и заканчивающихся на заданном расстоянии от соответствующих излучающих панелей; а также решетку волноводно-рупорных излучателей, которая включает в себя прямоугольную металлическую пластину, обработанную таким образом, что в поперечном сечении она содержит множество прямоугольных отверстий, расположенных по длине прямоугольной металлической пластины; при этом нижняя часть каждого отверстия выполнена в виде прямоугольного волновода, а верхняя часть - в виде рупора; и желобок заданной глубины с двух сторон отверстий на верхней поверхности прямоугольной металлической пластины, который тянется в направлении расположения множества отверстий. Каждый прямоугольный волновод решетки волноводно-рупорных излучателей характеризуется такими же размерами, что и соответствующая ему излучающая панель; и каждый прямоугольный волновод соединен с соответствующей ему излучающей панелью.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения антенная решетка включает в себя металлическую опору на нижней поверхности диэлектрической подложки, идущую от края нижней поверхности диэлектрической пластины вниз к заземлению; и слой воздуха заданной толщины, который образуется под поверхностью диэлектрической подложки.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения слой воздуха имеет толщину в пределах 0,5-3,0 мм.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения металлическая опора представляет собой медные пластины, установленные с двух сторон диэлектрической подложки.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения медная пластина имеет ширину в пределах 0,4-0,6 мм.
Используя технические решения, описанные выше, можно сохранить отличные свойства антенны в отношении ее частотного диапазона и направленности, усилив при этом развязку между передающей антенной и приемной антенной системы.
Краткое описание чертежей
На представленных ниже чертежах проиллюстрированы примеры реализации настоящего изобретения. Чертежи и примеры реализации настоящего изобретения представляют некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, не ограничивая и не исчерпывая его объем, где:
На Фиг. 1 показан вид сверху микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 2 показан вид справа микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 3 показан вид спереди микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 4 показан вид снизу микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 5 представлен вид микрополосковой антенны в разрезе в направлении, показанном на Фиг. 1, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 6 показана диаграмма коэффициентов стоячей волны по напряжению микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 7 показана диаграмма направленности микрополосковой антенны при частоте 28 ГГц согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, где сплошная линия и пунктирная линия обозначают, соответственно, Phi=0° и Phi=90°;
На Фиг. 8 показана схема антенной решетки согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 9 показан вид сверху решетки волноводно-рупорных излучателей согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 10 показан вид в разрезе решетки волноводно-рупорных излучателей, представленной на Фиг. 9;
На Фиг. 11 показана диаграмма коэффициентов стоячей волны по напряжению приемопередающей антенны;
На Фиг. 12 показана диаграмма направленности антенной решетки;
На Фиг. 13 показана развязка антенной решетки без рупорных излучателей и
На Фиг. 14 показана развязка антенной решетки с рупорными излучателями.
Подробное описание изобретения
Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения подробно описаны ниже. Следует отметить, что представленные в настоящем документе варианты осуществления изобретения носят исключительно иллюстративный характер и не ограничивают объем настоящего изобретения. В описании ниже разъясняется ряд конкретных особенностей с тем, чтобы обеспечить лучшее понимание сущности настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано и без этих конкретных деталей. В прочих примерах осуществления настоящего изобретения не описаны широко используемые схемы, материалы или способы, что сделано специально для того, чтобы не затруднять понимание сути изобретения.
Встречающиеся по всему описанию настоящего изобретения ссылки на «один из вариантов», «вариант», «один из примеров» или «пример» означают, что характерные признаки, конструкции или свойства, описанные в отношении какого-либо варианта или примера осуществления настоящего изобретения, включены, по меньшей мере, в один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Следовательно, фразы «согласно одному из вариантов», «в одном из вариантов», «в одном из примеров» или «в примере», разбросанные по всему описанию настоящего изобретения, могут не относиться к одному и тому же варианту или примеру осуществления настоящего изобретения. Кроме того, характерные признаки, конструкции или свойства могут быть объединены в один или несколько вариантов или примеров осуществления настоящего изобретения любым приемлемым способом. Помимо этого, специалистам в данной области техники понятно, что термин «и/или», используемый в настоящей заявке, означает любые возможные комбинации одной или нескольких перечисленных позиций.
В качестве антенны, характеризующейся широким частотным диапазоном, сильной направленностью и небольшими размерами, варианты осуществления настоящего изобретения представляют широкополосную микрополосковую антенну. Эта антенна содержит диэлектрическую подложку прямоугольной формы; излучающую панель на верхней поверхности диэлектрической подложки; соединительную панель на верхней поверхности диэлектрической подложки, отходящую от края диэлектрической подложки и заканчивающуюся на заданном расстоянии от излучающей панели; металлическую опору на нижней поверхности диэлектрической подложки, идущую от края нижней поверхности диэлектрической пластины вниз к заземлению; и слой воздуха заданной толщины, образованный между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземлением. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения антенна работает на высокой частоте (например, с центральной частотой диапазона К-Ка, т.е. она представляет собой антенну миллиметрового диапазона), и характеризуется относительным частотным диапазоном свыше 20%. Главный лепесток диаграммы направленности обращен в пространство над антенной с тем, чтобы большую часть энергии можно было использовать для более эффективного обнаружения. Кроме того, антенна характеризуется небольшими размерами. Например, один из ее размеров равен длине рабочей волны.
На Фиг. 1, 2, 3 и 4 представлены виды микрополосковой антенны, соответственно, сверху, справа, спереди и снизу согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, антенна включает в себя диэлектрическую подложку 110 прямоугольной формы, излучающую панель 120 и соединительную панель 130. Как показано на Фиг. 3, частотный диапазон антенны расширен за счет добавления слоя 160 воздуха и использования электромагнитного взаимодействия; при этом в ней использован микрополосковый фидер на 50 Ом.
Как показано, излучающая панель 120 расположена на верхней поверхности диэлектрической подложки 110. Соединительная панель 130 также расположена на верхней поверхности диэлектрической подложки 110; при этом она отходит от края диэлектрической подложки 110 и заканчивается на заданном расстоянии от излучающей панели 120. Металлическая опора 140 расположена на нижней поверхности диэлектрической подложки 110; при этом она идет от края нижней поверхности диэлектрической пластины 110 вниз к заземлению 150. Между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземлением образуется слой 160 воздуха заданной толщины.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения диэлектрическая подложка 110 выполнена из материала Rogers  5880, характеризующийся толщиной в пределах 0,2-0,4 мм, предпочтительно - 0,254 мм; диэлектрической проницаемостью ε свыше 2, предпочтительно - 2,2; и тангенсом угла потерь диэлектрика 0,0009. Диэлектрическая подложка характеризуется длиной в пределах 6,5-8,5 мм, предпочтительно - 7,8 мм; шириной в пределах 5-7 мм, предпочтительно - 6,1 мм.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения слой 160 воздуха характеризуется толщиной ha в пределах 0,5-3,0 мм, предпочтительно - 1,0 мм. Соединительная панель 130 характеризуется длиной lpl в пределах 1,5-2,5 мм, предпочтительно - 1,9 мм; и шириной wpl в пределах 0,5-1,2 мм, предпочтительно - 0,8 мм. Излучающая панель 120 характеризуется длиной lp в пределах 4,0-5,0 мм, предпочтительно - 2,7 мм; и шириной wp в пределах 2,0-3,0 мм, предпочтительно - 4,5 мм. Излучающая панель 120 и соединительная панель 130 удалены друг от друга на заданное расстояние d, значение которого лежит в пределах 0,4-0,5 мм, предпочтительно - 0,45 мм. Кроме того, снизу слоя диэлектрика 160 предусмотрена металлическая опора. В предпочтительном варианте металлическая опора представляет собой медную пластину шириной в пределах 0,4-0,6 мм, предпочтительно - 0,5 мм. С одной стороны металлическая опора поддерживает диэлектрическую подложку 110, а с другой стороны - обеспечивает требуемое заземление во время монтажа.
На Фиг. 5 показан вид в разрезе микрополосковой антенны в направлении, показанном на Фиг. 1, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 5, металлическая опора 140 расположена с краю нижней поверхности диэлектрической подложки, и идет вниз (вправо на разрезе, показанном на Фиг. 5).
На Фиг. 6 показана диаграмма коэффициентов стоячей волны по напряжению (КСВН) микрополосковой антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 6, антенна с КСВН <2 характеризуется шириной полосы пропускания, определяемой по полному входному сопротивлению, на уровне 10 ГГц (23 ГГц-33 ГГц), центральной частотой на уровне 28 ГГц и относительным частотным диапазоном 35,7%, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сверхширокополосным антеннам. На фиг. 7 показана диаграмма направленности микрополосковой антенны при частоте 28 ГГц согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, где сплошная линия и пунктирная линия обозначают, соответственно, Phi=0° и Phi=90°. Как можно видеть на Фиг. 7, главный лепесток диаграммы направленности антенны обращен в пространство прямо над излучающей поверхностью, что отвечает эксплуатационным требованиям.
Хотя выше описана антенна с конкретными параметрами, специалистам в данной области техники очевидно, что можно соответствующим образом изменить эти параметры с тем, чтобы изменить значения центральной частоты и относительного частотного диапазона.
Конструкция отдельной микрополосковой антенны описана выше. Используя такие антенны, специалисты в данной области техники могут построить антенную решетку. На Фиг. 8 показана диаграмма антенной решетки согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 8, антенная решетка может функционировать в качестве передающей антенны или приемной антенны. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения антенная решетка может содержать множество широкополосных микрополосковых антенн с линейным расположением, как это показано на Фиг. 1. В других вариантах осуществления настоящего изобретения для множества микрополосковых антенн может быть предусмотрена единая металлическая опора.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрена антенная решетка, включающая в себя диэлектрическую подложку прямоугольной формы, а также множество излучающих панелей и множество соединительных панелей, расположенных на верхней поверхности диэлектрической подложки и соответствующих друг другу. Например, множество излучающих панелей расположено с определенным интервалом по длине диэлектрической подложки на ее верхней поверхности. Множество соединительных панелей расположено в соответствии с множеством излучающих панелей. Каждая из соединительных панелей расположена на верхней поверхности диэлектрической подложки; при этом она отходит от края поверхности диэлектрической подложки, не доходя на заданное расстояние до излучающей панели. Антенная решетка содержит также металлическую опору на нижней поверхности диэлектрической подложки, идущую от края указанной нижней поверхности диэлектрической подложки вниз до заземления; а также слой воздуха заданной толщины, образуемый между нижней поверхностью диэлектрической подложки и заземлением. Таким образом, образуется антенная решетка из множества широкополосных микрополосковых антенн.
Важным параметром системы связи является развязка между передающей антенной и приемной антенной. При слабой развязке перекрестные помехи между передающими сигналами и приемными сигналами характеризуются высоким уровнем сигнала, что приводит к относительно низкому качеству связи. Обычно развязка антенн указывает на отношение сигнала, полученного какой-либо антенной с другой антенны, к сигналу, переданному другой антенной.
Для усиления развязки на направлении электромагнитного взаимодействия между передающей антенной и приемной антенной может быть предусмотрен барьер, блокирующий эффект электромагнитного взаимодействия. В альтернативном варианте может быть использована передающая антенна двойной поляризации, где при передаче и приеме используется, соответственно, ортогональная линейная поляризация и ортогональная круговая поляризация. Кроме того, между передающей антенной и приемной антенной можно предусмотреть дополнительный канал связи для нейтрализации исходных взаимодействующих сигналов.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрен волноводно-рупорный излучатель, соответствующий описанной выше микрополосковой антенне миллиметрового диапазона, служащий для усиления развязки между передающей антенной и приемной антенной с сохранением широкой полосы частот и направленности передающей антенны и приемной антенны.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения диапазон каждой антенны расширяется за счет добавления слоя воздуха и использования эффекта электромагнитного взаимодействия, описанного выше; при этом в каждой антенне используется микрополосковый фидер на 50 Ом. Для всей системы в целом используется одномерная антенная решетка. Межцентровое расстояние антенн лежит в пределах 8,0-15,0 мм, предпочтительно - 10,4 мм. Относительное положение передающей антенны и приемной антенны показано на фиг. 8. Расстояние между передающей антенной и приемной антенной по вертикали лежит в пределах 20-40 мм, предпочтительно - 30 мм. По горизонтали передающие антенны отстоят от приемных антенн на расстояние в пределах 4.0-6,0 мм, предпочтительно - 5,2 мм. Антенная решетка функционирует как одиночная приемная и передающая антенна.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения для антенной решетки может быть спроектирована микрополосковая антенна, показанная на Фиг. 1. Рупорный излучатель, соответствующий антенной решетке, включает в себя волновод прямоугольной формы с рупорами. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения рупор излучателя включает в себя часть прямоугольного волновода и собственно рупор. Размер прямоугольного волновода идентичен размеру панели соответствующей микрополосковой антенны.
Как показано на Фиг. 9 и 10, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрена решетка волноводно-рупорных излучателей. Прямоугольная металлическая пластина 211 обработана таким образом, что ее поперечное сечение содержит множество отверстий, расположенных по всей длине прямоугольной металлической пластины 21. Нижняя часть каждого отверстия выполнена в виде прямоугольного волновода 214, а верхняя часть - в виде рупора 213. С двух сторон отверстий на верхней поверхности прямоугольной металлической пластины предусмотрен желобок 212 заданной глубины, который тянется в направлении расположения множества отверстий. Высота рупора варьируется в пределах 10-14 мм; при этом в предпочтительном варианте она составляет 13 мм. Ширина рупора соответствует ширине волновода, а его длина лежит в пределах 9-12 мм, предпочтительно - 11 мм. С двух сторон решетки рупорных излучателей предусмотрено две металлические полоски шириной 2 мм; при этом эти металлические полоски расположены симметрично с тем, чтобы обеспечить симметричность диаграммы направленности антенны, дополненной волноводно-рупорным излучателем.
Кроме того, в желобках 212 выполнено множество резьбовых отверстий (не показаны) для соединения решетки волноводно-рупорных излучателей с антенной решеткой. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения желобок 212 характеризуется шириной в пределах 3,0-5,0 мм, предпочтительно - 4 мм; и глубиной в пределах 8,0-12,0 мм, предпочтительно - 10 мм.
На Фиг. 11 и 12 показаны, соответственно, диаграмма коэффициентов стоячей волны по напряжению приемопередающей антенны и диаграмма направленности приемопередающей антенны. На Фиг. 13 и 14 показана развязка антенной решетки без решетки рупорных излучателей и развязка антенной решетки с решеткой рупорных излучателей. Как можно видеть на Фиг. 11 и 12, антенна с решеткой рупорных излучателей сохраняет свои преимущества в виде широкой полосы частот, сфокусированного главного лепестка диаграммы направленности и небольших размеров; при этом диапазон частот при КСВН <2 составляет 22,8-30,5 ГГц, а относительный диапазон частот может достигать 28,9%. Если сравнить Фиг. 13 с Фиг. 14, то можно заметить, что решетка волноводно-рупорных излучателей усиливает развязку на 5-10 дБ. В общем, новая решетка рупорных излучателей удовлетворяет цели усиления развязки.
Как можно видеть, микрополосковая антенна согласно вариантам осуществления настоящего изобретения имеет преимущество, заключающееся в ее небольших размерах, что облегчает ее интеграцию. Кроме того, в варианте осуществления настоящего изобретения, в котором микрополосковая антенна выполнена в комбинации с волноводно-рупорным излучателем, можно сохранить положительные свойства такой антенны в отношении диапазона частот и направленности, усилив при этом развязку между передающей антенной и приемной антенной в системе.
Хотя настоящее изобретение описано в привязке к нескольким типовым вариантам его осуществления, специалистам в данной области техники очевидно, что такое описание носит исключительно иллюстративный и разъяснительный характер, не ограничивающий объем изобретения. Настоящее изобретение может быть осуществлено в различных формах без отступления от его существа и объема. Следует понимать, что варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены какими-либо вышеизложенными сведениями и должны толковаться расширительно в пределах сущности и объема изобретения, определенных его формулой. Таким образом, объем настоящего изобретения, который определен прилагаемой формулой, должен охватывать модификации и альтернативные решения, подпадающие под формулу настоящего изобретения и ее эквиваленты.