Nízkoprofilová reflektorová anténa typu Cassegrain

Oblast techniky

Vynález se týká nízkoprofílové reflektorové antény typu Cassegrain.

Dosavadní stav techniky

Parabolické reflektorové antény jsou široce využívány ve směrových komunikačních spojích pracujících v pásmu centimetrových vln. Poslední dobou jejich využití roste i v mikrovlnných komunikačních systémech. Parabolická reflektorová anténa se skládá z rotačního paraboloidu, nebo jeho části, plnící úlohu reflektoru, a zdroje záření umístěného ideálně v ohnisku reflektoru. V případech, kdy je výhodnější zdroj záření umístit za reflektor antény, se využívá např. konfigurace se dvěma reflektory typu „Cassegrain“.

Konvenční reflektorová anténa typu „Cassegrain“ se skládá z ozařovací antény, tj. zdroje záření, hlavního a pomocného reflektoru. Hlavní reflektor tvoří rotační paraboloid, zatímco pomocný reflektor má tvar rotačního hyperboloidu. Geometrické uspořádání antény je následující. Zdroj záření je umístěný v ohnisku pomocného reflektoru, který ozařuje. Ohnisko hlavního reflektoru se shoduje s bližším ohniskem pomocného reflektoru. Obě zmíněná ohniska a střed zdroje záření jsou obvykle umístěna na ose souměrnosti hlavního reflektoru. Pomocný reflektor pak částečně zakrývá hlavní reflektor. Rovněž lze reflektory uspořádat do tzv. ofsetového uspořádání, kde k překrytí reflektorů nedochází. Nevýhodou těchto typů antén je velikost konstrukce a vysoká pořizovací cena.

Spis WO 2014/090290 představuje kvazi-rovinnou anténní řadu založenou na několikavrstvém deskovém vedení zangl. „parallel plate transmission line“. Tato anténa je rovněž známa pod označením „Sheet Waveguide Element antenna“, tj. „SWE“ anténa. SWE anténa představená v uvedeném spise využívá ofsetový parabolický odražeč ve funkci výkonového děliče, který může být vytvořen technologií vlnovodu integrovaného do substrátu, tzv. „S1W“, z anglického „Substráte Integrated Waveguide“, která umožňuje nahradit konvenční vlnovodové komponenty strukturami vytvořenými uvnitř pokoveného dielektrického substrátu. Obecně je struktura vlnovodu „SIW“ tvořena vrchním a spodním pokovením dielektrického substrátu a dvěma rovnoběžnými řadami pokovených otvorů. SWE anténa představená v uvedeném spise se skládá z mnoha metalických vrstev, jejichž velice přesné sesazení je předpokladem pro správnou funkci antény. Požadavek na vysokou přesnost výroby komplikuje a prodražuje výrobu antény. Vzhledem k vrstvené struktuře má anténa nezanedbatelnou tloušťku. V některých aplikacích může být nevýhodná i celková hmotnost antény spojená s použitím klasické vlnovodové techniky.

Cílem vynálezu je představit nízkoprofilovou reflektorovou anténu, která výše uvedené nevýhody stavu techniky odstraní.

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry nízkoprofilová reflektorová anténa typu Cassegrain obsahující hlavní parabolický reflektor a pomocný hyperbolický reflektor, jehož podstata spočívá v tom, že je provedena jako plochá nízkoprofilová anténa obsahující plochý dielektrický substrát opatřený na obou svých plochách pokovenou vrstvou a prokovy procházejícími skrz substrát a pokovené vrstvy ve směru kolmém k rovině substrátu, kde vzájemné uspořádání prokovů je souměrné podle osy souměrnosti, přičemž prokovy jsou uspořádány do tvaru dvou křivek s jednotným ohniskem, kde vnější křivka definuje hlavní parabolický reflektor a vnitřní křivka definuje pomocný hyperbolický reflektor, přičemž ohniska obou reflektorů leží na ose

- 1 CZ 306419 B6 souměrnosti, a kde hlavní parabolický reflektor ve své řadě prokovů v ose souměrnosti obsahuje proluku určenou pro uložení ozařovací antény.

Ve výhodném provedení je ozařovací anténa tvořena prokovy.

V jiném výhodném provedení prokovy ozařovací antény tvoří dvě křivky souměrné podle osy souměrnosti, kde část křivky je paralelní s osou souměrnosti a tvoří vstup ozařovací antény, a část křivky se od osy souměrnosti odklání pod požadovaným úhlem a tvoří otevřené trychtýřovité ústí ozařovací antény.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále přiblížen pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje schematické půdorysné zobrazení nízkoprofilové reflektorové antény podle vynálezu, obr. 2 představuje řez nízkoprofilovou reflektorovou anténou podle vynálezu, podél osy soustřednosti x zobrazené na obr. 1, a obr. 3 představuje schematicky naznačené šíření elektromagnetických vln uvnitř dielektrického substrátu reflektorové antény podle vynálezu.

Příklad uskutečnění vynálezu

Obr. 1 představuje půdorysný náhled na nízkoprofilovou reflektorovou anténu 1 podle vynálezu, což je plochou variantou reflektorových antén typu „Cassegrain“, provedenou s použitím technologie vlnovodu integrovaného do substrátu, tzv. „SIW“.

Nízkoprofilová reflektorová anténa 1 podle vynálezu obsahuje plochý dielektrický substrát 2 opatřený na obou svých plochách pokovenou vrstvou 3, a pokovenými otvory, tzv. prokovy 4, procházejícími skrz substrát 2 a skrz pokovené vrstvy 3 kolmo k rovině substrátu 2, jak je představeno na příčném řezu zobrazeném na obr. 2, vedeném podél osy soustřednosti x nízkoprofilové reflektorové antény 1 podle vynálezu zobrazené na obr. 1.

Jako dielektrický substrát 2 je vhodné použít materiál s nízkou relativní permitivitou ε_Γ, například ε_Γ = 2,2, a malou tloušťkou, například 0,3 λο, kde λο je vlnová délka pracovní frekvence.

Pokovená vrstva 3 je výhodně tloušťky 17,5 pm nebo 35 pm.

Prokovy 4 jsou uspořádány do tvaru dvou soustředných oblouků souměrných podle osy souměrnosti x, kde vnější oblouk definuje hlavní parabolický reflektor 5 a vnitřní oblouk definuje pomocný hyperbolický reflektor 6. Ohnisko obou reflektorů 5 a 6 je tedy totožné a leží na ose souměrnosti X·

Průměr prokovů 4 je výhodně 0,1 λ₀ a vzájemná osová vzdálenost sousedících prokovů 4 je výhodně 0,15 λο·

Rozměry reflektorů 5 a 6 by měly být několikanásobně větší než je vlnová délka pracovní frekvence uvnitř dielektrického substrátu 2, např. rozměr reflektoru 5 by měl být 25 vlnových délek pracovní frekvence uvnitř substrátu a reflektoru 6 by měl být např. 6 vlnových délek pracovní frekvence uvnitř dielektrického substrátu 2.

Ve výhodném provedení obsahuje hlavní parabolický reflektor 5 ve své řadě prokovů 4 v ose souměrnosti x proluku 7, určenou k umístění ozařovací antény 8.

-2CZ 306419 B6

Ozařovací anténa 8 je ve výhodném provedení formována prokovy 4, jejíž podélná osa leží na ose souměrnosti x, a protíná ohnisko hlavního parabolického reflektoru 5 a pomocného hyperbolického reflektoru 6.

V představeném provedení je ozařovací anténa 8 provedena ve formě dvou křivek souměrných podle osy souměrnosti x, kde část křivky je paralelní s osou souměrnosti x a tvoří vstup 9 ozařovací antény 8, a část křivky se od osy souměrnosti x odklání pod požadovaným úhlem a tvoří tak otevřené trychtýřovité ústí 10 ozařovací antény 8. Tvar a rozměry ozařovací antény 8 a jejich částí závisí na rozměrech, vlastnostech a použití nízkoprofilové reflektorové antény 1 podle vynálezu. Vstup 9 ozařovací antény 8 je situován na hraně dielektrického substrátu 2.

Tvar a rozměry jednotlivých prvků nízkoprofilové reflektorové antény 1 podle vynálezu, jakož i jejich vzájemná konfigurace závisí na rozměrech, vlastnostech dielektrického substrátu 2 a jejím použití.

Princip fungování nízkoprofilové reflektorové antény 1 podle vynálezu je vysvětlen s odkazem na obr. 3:

Elektromagnetické vlny 11 vystupující z otevřeného ústí 10 ozařovací antény 8 se šíří dielektrickým substrátem 2 k pomocnému hyperbolickému reflektoru 6, od kterého se odrážejí směrem k hlavnímu parabolickému reflektoru 5, od kterého se odrážení ven z dielektrického substrátu 2, ven z reflektorové antény 1, do volného prostoru. Elektromagnetické vlny 11 se šíří v rovině dielektrického substrátu 2 mezi pokovenými vrstvami 3.

Odrazy od obou reflektorů 5 a 6 zajistí, že při výstupu z dielektrického substrátu 2 budou elektromagnetické vlny 11 vzájemně přibližně rovnoběžné, jelikož jsou jejich délky téměř vždy stejné.

Předložené řešení má oproti stávajícímu stavu techniky menší rozměry a také nižší výrobní náklady. Cena antény je ve výsledku určena především jakostí použitého dielektrického materiálu a technologií výroby. Planámi forma antény na bázi technologie SIW umožňuje snadnější integraci s jinými komponenty daného komunikačního systému, které mohou být umístěny na stejné dielektrické desce.

Oblast použití nízkoprofilové reflektorové antény podle vynálezu lze nalézt např. v komunikačních zařízení využívajících směrové antény, např. v bezdrátových spojích typu bod-bod pracujících v milimetrovém pásmu kmitočtů či v jiných oblastech sdělovací techniky, kde jsou směrové antény využívány.