Отражательная антенная решетка

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве приемно-передающей антенны мобильных и стационарных устройств спутниковой связи.
Известна отражательная антенная решетка, характеризующаяся тем, что содержит проводящий рефлектор и отделенный от него воздушным промежутком слой с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, форма и размеры проводящего рефлектора и слоя с отражательными элементами совпадают, оба слоя представляют собой комбинацию пластин, соединенных под определенными углами, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в первом слое, количество пластин и величины углы их соединения для металлического рефлектора и слоя с отражательными удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот (Патент US 6411255 В2).
Недостатком такого решения является сложность установки на ступенчатых поверхностях.
Из уровня техники известна конформная отражательная антенная решетка, характеризующаяся тем, что содержит проводящий рефлектор и отделенный от него воздушным промежутком слой с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, форма и размеры проводящего рефлектора и слоя с отражательными элементами совпадают, оба слоя являются выгнутыми в вертикальной плоскости, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в первом слое, характер и кривизна изгиба металлического рефлектора и слоя с отражательными элементами удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот.(Патент US 20180166781 А1)
Недостатком такого решения является сложность установки на ступенчатых поверхностях.
Известна отражательная антенная решетка, характеризующаяся тем, что содержит слой с излучающими элементам, а второй слой с излучающими элементами отделен от первого слоя воздушным промежутком причем форма и размер второго слоя совпадают с формой и размером области первого слоя, выполненной в форме проводящего рефлектора (Патент РФ RU 2691663 С1).
Недостатками такого решения является технологическая сложность изготовления и организация диаграммо-образующей схемы.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к предлагаемому устройству является однослойная отражательная антенная решетка (М.I. Sugak, S.V. Ballandovich, G.A. Kostikov, Y.G. Antonov and L.M. Liubina, "K-band slot reflectarray antennas," 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), Moscow, 2018, pp. 516-520.). Устройство содержит проводящий рефлектор и отделенный от него воздушным промежутком слой с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в первом слое удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот.
Преимуществом прототипа являются малые поперечные размеры, механическая прочность.
Недостатком прототипа является сложность его установки на ступенчатых поверхностях, обусловленная плоской конфигурацией отражательной антенной решетки.
Задачей предлагаемой полезной модели является возможность размещения отражательной антенной решетки на ступенчатых поверхностях при сохранении уровня коэффициента усиления в полосе рабочих частот.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное устройство, так же как и известное, содержит проводящий рефлектор и отделенный от него воздушным промежутком слой с отражательными элементами одинаковой формы, но различных размеров, причем форма и размеры элементов, толщина слоя, величина воздушного промежутка и взаимное расположение отражательных элементов в первом слое удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот. Но, в отличие от известного, в предлагаемой отражательной антенной решетке отражательные элементы расположены на области первого слоя, форма и размер которой совпадает с формой и размером проводящего рефлектора а вне этой области первый слой выполнен в виде проводящего рефлектора, дополнительно над первым слоем размещен второй слой с отражательными элементами, отделенный от первого слоя воздушным промежутком, причем форма и размер второго слоя совпадают с формой и размером области первого слоя, выполненной в форме проводящего рефлектора, величина воздушного промежутка между слоями, взаимное расположение элементов и их размеры в каждом слое, толщина второго слоя удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот.
Достигаемым техническим результатом является возможность размещения на неплоских поверхностях при сохранении уровня коэффициента усиления в полосе рабочих частот.
Технический результат достигается за счет расположения отражательных элементов на области первого слоя, форма и размер которой совпадает с формой и размером проводящего рефлектора а вне этой области первый слой выполнен в виде проводящего рефлектора, дополнительно над первым слоем размещен второй слой с отражательными элементами, отделенный от первого слоя воздушным промежутком, причем форма и размер второго слоя совпадают с формой и размером области первого слоя, выполненной в форме проводящего рефлектора, величина воздушного промежутка между слоями, взаимное расположение элементов и их размеры в каждом слое, толщина второго слоя удовлетворяют условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот.
Полезная модель иллюстрируется 10 чертежами.
Фиг. 1 - вид ступенчатой отражательной антенной решетки.
Фиг. 2 - сечение ступенчатой отражательной антенной решетки.
Фиг. 3 - проводящий рефлектор.
Фиг. 4 - первый слой с отражательными элементами ступенчатой отражательной антенной решетки.
Фиг. 5 - второй слой с отражательными элементами ступенчатой отражательной антенной решетки.
Фиг. 6 - слой с отражательными элементами однослойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 7 - сечение однослойной отражательной антенной решетки.
Фиг. 8 - частотные зависимости коэффициента усиления.
Фиг. 9 - частотные зависимости уровня боковых лепестков.
Фиг. 10 - нормированные диаграммы направленности ступенчатой отражательной антенной решетки на 21 ГГц.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 – облучатель.
2 - первый слой с отражательными элементами ступенчатой отражательной антенной решетки.
3 - второй слой с отражательными элементами ступенчатой отражательной антенной решетки.
4 - проводящий рефлектор.
5 - воздушный промежуток.
6 - элементы крепления.
7 - слой с отражательными элементами однослойной отражательной антенной решетки.
Антенна работает следующим образом.
Для объяснения работы устройства (фиг. 1), в его структуру дополнительно вводится облучатель 1 (фиг. 2). При работе антенны в режиме передачи, волна от облучателя 1 падает на отражательную антенную решетку, состоящую из проводящего рефлектора 4 и двух слоев с отражательными элементами 2-3, разделенными воздушными промежутками 5, причем отражательные элементы расположены на области первого слоя 2, форма и размер которой совпадает с формой и размером проводящего рефлектора 4 а вне этой области первый слой выполнен в виде проводящего рефлектора. Причем форма и размер второго слоя 3 совпадают с формой и размером области первого слоя, выполненной в форме проводящего рефлектора. Таким образом, при проектировании антенны по известной методике на основе анализа фазы отраженного поля в пределах элементарной ячейки (Thornton J., Huang K. -С. Modern Lens Antennas for Communications Engineering. Wiley-IEEE Press, 2012. P.272) для отражательных элементов второго слоя учитывается дополнительная фазовая задержка Δϕ, определяющаяся величиной воздушного промежутка между первым и вторым слоем d исходя из соотношения Δϕ=(4πd)λ, где λ - длина волны, соответствующая частоте проектирования, что соответственно отражается в выборе геометрии каждого отражательного элемента второго слоя. За счет того, что в итоге каждый элемент отражательной антенной решетки вносит свою фазовую задержку, отраженное поле является синфазным, а совокупность отражательных элементов в обоих слоях отражательной антенной решетки удовлетворяет условию формирования диаграммы направленности требуемой формы в полосе рабочих частот (Munk В.А. Finite Antenna Arrays and FSS. NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2003. P. 392.)
При работе антенны в приемном режиме, падающее поле от источника в дальней зоне после отражения от антенны фокусируется в точку, где расположен облучатель 1.
При этом может быть реализована как прямофокусная, так и офсетная схема размещения облучателя. В зависимости от требуемой формы диаграммы направленности и схемы размещения облучателя будет меняться и закон взаимного расположения отражательных элементов в двух слоях, величины воздушных промежутков. Области расположения элементов на первом и втором слое определяются характером ступенчатой поверхности, на которой необходимо разместить отражательную антенную решетку.
Работа устройства подтверждается данными электродинамического моделирования прямофокусной отражательной антенной решетки с размерами 170×170 мм для работы на центральной частоте в 21 ГГц с шагом гексагональной сетки расположения цилиндрических полостей 0.55 длины волны на рабочей частоте и величиной воздушных промежутков 9 мм. Образец антенны спроектирован исходя из его реализации методом лазерной резки из листов металла толщиной 1 мм. Геометрии слоев получены по известной методике (Thornton J., Huang K. -С. Modern Lens Antennas for Communications Engineering. Wiley-IEEE Press, 2012. P.272). Сравнение характеристик проводилось с прямофокусной отражательной антенной решеткой прототипа, с теми же габаритными размерами, шагом гексагональной сетки и величиной воздушного промежутка (фиг. 6-7).
Синтез отражательной антенной решетки проводится на основании зависимостей фазы отраженного поля от размеров отражательного элемента в пределах ячейки Флоке, а также с учетом вводимой за счет воздушного промежутка между первым и вторым слоем фазовой задержки. Таким образом, фазовое распределение по элементам предлагаемой антенной решетки будет идентично фазовому распределению по элементам прототипа с точностью до постоянной фазовой задержки, обусловленной наличием воздушного промежутка между первым и вторым слоем.
Из приведенных частотных зависимостей коэффициента усиления (фиг. 8) и уровня боковых лепестков (фиг. 9) для однослойной отражательной антенной решетки и предлагаемой двухслойной отражательной антенной решетки видно, что при переходе к двухслойной отражательной антенной решетке и сохранении геометрии ячейки не наблюдается существенного ухудшения характеристик. Диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях на 21 ГГц для двухслойной отражательной антенной решетки приводятся на фиг. 10.
Таким образом, показана достижимость технического результата - возможность размещения отражательной антенной решетки на ступенчатых поверхностях при сохранении уровня коэффициента усиления в полосе рабочих частот.