EA003712B1 - Фазированные антенные решетки с последовательным возбуждением и диэлектрическими фазовращателями - Google Patents

Abstract

Фазированная антенная решетка включает в себя множество излучающих элементов, набор фидерных линий, экранирующую пластину, расположенную между множеством излучающих элементов и набором фидерных линий, причем экранирующая пластина имеет множество отверстий, расположенных между множеством излучающих элементов и набором фидерных линий, и множество диэлектрических фазовращателей, настраиваемых напряжением, которые соединены с набором фидерных линий.

Description

Перекрестные ссылки на родственную патентную заявку

Данная заявка требует приоритета предварительной патентной заявки США №60/153859, поданной 14 сентября 1999 г.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к фазированным антенным решеткам и, в частности, касается антенн с микрополосковыми излучающими элементами, имеющим компланарные волноводные (КГШ) фазовращатели, настраиваемые напряжением.

Уровень техники

Фазированная решетка относится к антенне, имеющей большое количество излучающих элементов, которые излучают фазированные сигналы, образующие радиолуч. Управление положением главного лепестка диаграммы направленности антенны можно реализовать электронными средствами путем активного изменения относительного фазирования отдельных элементов антенны. Концепция электронного управления положением луча применима к антеннам, используемым как в передатчике, так и в приемнике. Фазированные антенные решетки с электронным сканированием имеют преимущество по сравнению с их механическими аналогами в отношении скорости, точности и надежности. Замена карданных шарниров в антеннах с механическим сканированием на электронные фазовращатели в антеннах с электронным сканированием повышает живучесть антенн, используемых в системах оборонного назначения, благодаря более быстрой и точной идентификации цели. С помощью систем с фазированными антенными решетками можно также быстро и точно реализовать сложные операции слежения.

Фазовращатели играют ключевую роль в работе фазированных антенных решеток. В фазовращателях с электронным управлением могут быть использованы настраиваемые ферроэлектрические материалы, чью диэлектрическую проницаемость (чаще называемую диэлектрической постоянной) можно изменять путем изменения напряженности электрического поля, воздействию которого подвергаются эти материалы. Хотя эти материалы используются в параэлектрической фазе выше температуры Кюри, их принято называть ферроэлектрическими, поскольку они обнаруживают спонтанную поляризацию при температурах ниже точки Кюри. Настраиваемые ферроэлектрические материалы, включая титанат бария-стронция (В8Т) или соединения В8Т, стали предметом нескольких патентов.

Диэлектрические материалы, включая титанат бария-стронция, раскрыты в патенте США №5312790 8епдир1а и др. Сегатю Реггое1ес1пс Ма1ег1а1; патенте США №5427988 8епдир1а и др. Сегатю Реггое1ес1г1с Сотрокйе Ма1епа1

В8ТО-МдО; патенте США №5486491 8епдир1а и др. Сегатю Реггое1ес1пс Сотрокйе Ма1епа1Β8ΤΟ-ΖγΟ₂; патенте США №5635434 8епдир1а и др. Сегатю Реггое1ес1пс Сотрокйе Ма1епа1В8ТО-Мадпекшт Вакей Сотроипй; патенте США №5830591 8епдир1а и др. Миййауегей Реггое1ес1пс Сотрокйе ХУаседшйек; патенте США №5846893 8епдир1а и др. ТЫп Рйт Реггое1ес!пс Сотрокйек апй Ме1йой о! Мактд; патенте США №5766697 8епдир1а и др. Ме1йой о! Макшд ТЫп Рйт Сотрокйек; патенте США №5693429 8епдир1а и др. Е1ес1гошса11у Сгайей Миййауег Реггое1ес1пс Сотрокйек; и патенте США №5635433 8епдцр1а и др. Сегатю Реггое1ес!пс Сотрокйе Ма1епа1-В8ТО^пО. Эти патенты включены сюда посредством ссылки. В проходящей экспертизу, полностью переуступленной патентной заявке США Е1ес1гошса11у ТипаЫе Сегатю Ма1епа1к 1пс1иФпд ТипаЫе Όίе1ес1гю Апй Ме1а1 8йюа1е Рйакек 8епдир1а, поданной 15 июня 2000 г., раскрыт ряд дополнительных настраиваемых диэлектрических материалов, причем содержание этой заявки также включено сюда посредством ссылки. Материалы, рассмотренные в этих патентах, особенно соединения В8ТО-МдО, имеют низкие диэлектрические потери и хорошие возможности настройки. Возможность настройки определяется как относительное изменение диэлектрической постоянной в зависимости от приложенного напряжения.

Настраиваемые фазовращатели, в которых использованы ферроэлектрические материалы, раскрыты в патентах США №№5307033, 5032805 и 5561407. Эти фазовращатели содержат ферроэлектрическую подложку в качестве элементов, модулирующих фазу.

Диэлектрическую проницаемость ферроэлектрической подложки можно изменить путем изменения напряженности электрического поля, прикладываемого к подложке. Настройка диэлектрической проницаемости подложки приводит к смещению фазы при прохождении радиочастотного (РЧ) сигнала через фазовращатель. Для ферроэлектрических фазовращателей, раскрытых в этих патентах, характерны такие проблемы, как большие потери на электропроводность диэлектрика, наличие форм колебаний высокого порядка, подмагничивание постоянным током и трудности, связанные с необходимостью согласования импедансов в диапазонах К (от 18 до 27 ГГц) и Ка (от 27 до 40 ГГц).

Одним из известных типов фазовращателей является полосковый фазовращатель. Примеры микрополосковых фазовращателей, в которых используются настраиваемые диэлектрические материалы, приведены в патентах США №№ 5212463, 5451567 и 5479139. В этих патентах раскрыты полосковые линии, насыщенные ферроэлектрическим материалом, настраиваемым напряжением для изменения скорости распространения направленной электромагнитной волны. В патенте США № 5561407 раскрыт микрополосковый фазовращатель, настраиваемый напряжением, который выполнен из насыпной керамики. Недостатками насыпных микрополосковых фазовращателей являются потребность в более высоком напряжении смещения, сложность процесса изготовления и высокая стоимость.

В качестве фазовращателей можно также использовать компланарные волноводы. В патентах США №№ 5472935 и 6078827 раскрыты компланарные волноводы, в которых на настраиваемом диэлектрическом материале смонтированы проводники из высокотемпературного сверхпроводящего материала. Для использования таких устройств необходимо охлаждение до относительно низких температур. Вдобавок, в патентах США №№ 5472935 и 6078827 предлагается использовать настраиваемые пленки из 8гТЮ₃ или (Ва, 8г)ТЮ₃ С высоким содержанием 8г. 8гТЮ₃ и (Ва, 8г)ТЮ₃ имеют высокие диэлектрические постоянные, результатом чего является низкий характеристический импеданс. Это приводит к необходимости преобразования низкого импеданса таких фазовращателей к обычно используемому импедансу, равному 50 Ом.

В патенте США № 5617103 раскрыта ферроэлектрическая фазосдвигающая антенная решетка, в которой используются ферроэлектрические фазосдвигающие компоненты. В антеннах, раскрытых в этом патенте, используют структуру, в которой ферроэлектрический фазовращатель интегрирован на одной подложке вместе с множеством антенн с микрополосковыми излучающими элементами. Дополнительные примеры фазированных антенных решеток, в которых используются электронные фазовращатели, можно найти в патентах США №№ 5079557, 5218358, 5557286, 5589845, 5917455 и 5940030.

Желательно иметь фазированную антенную решетку, в которой используются недорогие фазовращатели, способные работать при комнатной температуре и на высоких частотах, таких, как вышеуказанный диапазон Ки (от 12 до 18 ГГц). Это может существенно помочь в создании фазированных антенных решеток с электронным сканированием, пригодных для коммерческого применения.

Сущность изобретения

Фазированная антенная решетка включает в себя множество излучающих элементов, набор фидерных линий, экранирующую пластину, расположенную между множеством излучающих элементов и набором фидерных линий, причем экранирующая пластина имеет множество отверстий, расположенных между множеством излучающих элементов и набором фидерных линий, и множество настраиваемых диэлектрических фазовращателей, подсоединенных к набору фидерных линий.

В антеннах, сконструированных согласно данному изобретению, используются настраиваемые пленочные диэлектрические элементы с низкими потерями, причем эти антенны могут работать в широком диапазоне частот. Проводники, образующие компланарный волновод, работают при комнатной температуре, Предложенные устройства имеют уникальную конструкцию и имеют низкие вносимые потери даже на частотах, превышающих диапазон Ки (от 12 до 18 ГГц).

Краткое описание чертежей

Полнее понять изобретение можно из последующего описания предпочтительных вариантов его осуществления вместе с сопроводительными чертежами, на которых фиг. 1 - покомпонентное представление микрополосковой антенны со связью через отверстие и с одним столбцом излучающих элементов с последовательным возбуждением, сконструированной согласно одному варианту изобретения;

фиг. 2 - вид сверху на один из излучающих элементов антенны по фиг. 1;

фиг. 3 - покомпонентное представление микрополосковой антенны со связью через отверстие с пятью столбцами излучающих элементов, сконструированных согласно другому варианту изобретения;

фиг. 4 - вид сверху на компланарный волноводный фазовращатель, который можно использовать в антенне, сконструированной согласно настоящему изобретению;

фиг. 5 - вид в разрезе на фазовращатель по фиг. 4 по линии 5-5;

фиг. 6 - вид сверху на другой фазовращатель, который можно использовать в антенне, сконструированной согласно настоящему изобретению;

фиг. 7 - вид в разрезе на фазовращатель по фиг. 6 по линии 7-7;

фиг. 8 - вид сверху на другой фазовращатель, который можно использовать в антенне, сконструированной согласно настоящему изобретению;

фиг. 9 - вид в разрезе на фазовращатель по фиг. 8 по линии 9-9;

фиг. 10 - изометрическое представление фазовращателя, который может быть использован в антенне, сконструированной согласно настоящему изобретению;

фиг. 11 - покомпонентное изометрическое представление набора фазовращателей, которые могут быть использованы в антенне, сконструированной согласно настоящему изобретению; и фиг. 12 и 13 - виды сверху на альтернативные формы щели.

Подробное описание изобретения

Предпочтительным вариантом настоящего изобретения является фазированная антенная решетка с электронным сканированием, включающая в себя компланарные волноводные (КПВ) фазовращатели и микрополосковые излучающие элементы с круговой поляризацией и связью через отверстие. КПВ фазовращатели содержат диэлектрические пленки, настраиваемые напряжением, чья диэлектрическая постоянная (проницаемость) может изменяться путем изменения напряженности приложенного электрического поля. Настройка диэлектрической проницаемости подложки приводит к фазовому сдвигу при прохождении радиочастотного (РЧ) сигнала через КПВ линию. Эти пленки могут быть сформированы в результате стандартного процесса напыления толстопленочных/тонкопленочных покрытий на подложки с низкими диэлектрическими потерями и высокой химической устойчивостью, такие как подложки из МдО, ЬаА1О₃, сапфира, А1₂О₃ и различные керамические подложки.

Обратимся к чертежам, где на фиг. 1 представлено покомпонентное изображение микрополосковой антенны 10 со связью через отверстие и одним столбцом излучающих элементов с последовательным возбуждением, сконструированной согласно одному варианту изобретения. Антенна включает в себя множество излучающих элементов в виде квадратных микрополосковых накладок 12. Микрополосковые накладки компонуются на стандартном материале 14 с низкой диэлектрической постоянной, таком как пенопласт Койасе11®. Пенопласт имеет большую толщину (> 2 мм) для обеспечения широкого диапазона рабочих частот. Обычно, чем толще пенопласт, тем шире рабочая полоса частот. Однако толстый пенопласт ухудшает эффективность. Обычно толщина пенопласта составляет от 12,5 до 25% длины волны. Симметричность квадратных накладок 12 позволяет поддерживать круговую поляризацию антенны. Микрополосковые накладки соединены с набором фидерных линий 16 через экранирующую пластину 18, имеющую множество щелей 20. Экранирующая пластина предпочтительно выполняется из меди. Щели имеют удлиненную форму, то есть, они длиннее в одном направлении, чем в другом, перпендикулярном направлении. В предпочтительном варианте щели имеют прямоугольную форму. Можно использовать и другие формы щелей. Выбор конкретной формы щели зависит от полосы частот и допуска на обработку. Щели сгруппированы в ортогональные пары, так что главные оси щелей в каждой паре находятся фактически под углом 90° относительно друг друга, обеспечивая круговую поляризацию.

Набор фидерных линий 16 включает в себя компланарный волновод 22, соединенный с продольной микрополосковой линией 24, причем оба этих элемента смонтированы на нижней части подложки 26. Множество дополнительных микрополосковых линий 28 отходит практически перпендикулярно от продольной микрополосковой линии 24. Каждая дополнитель ная микрополосковая линия 28 изогнута таким образом, что она находится под парой щелей. Компланарный волновод включает в себя ввод 30, соединенный с центральной полосковой линией 32 и пару электродов 34 и 36 экранирующей пластины, расположенных по бокам центральной полосковой линии 32 и отделенных от центральной полосковой линии 32 зазорами 38 и 40. Переходная часть 42 в конце компланарного волновода связывает волновод с микрополосковой линией 24. Для выполнения рисунка схемных межсоединений на подложке обе стороны сначала покрываются медью. Затем для получения конкретных рисунков используют процесс травления, как показано на металлическом листе 18 и нижней стороне подложки 16. Микрополосковые линии в сборке фидерных линий обычно имеют характеристический импеданс, равный 50 Ом. Однако компланарный волноводный фазовращатель имеет характеристический импеданс порядка 20 Ом. Для устранения этого различия необходимо согласование импедансов. Клинообразные концы проводников 34 и 36 обеспечивают характеристический импеданс компланарного волноводного фазовращателя, равный 50 Ом. Затем 50-омный компланарный волновод соединяется с 50-омной микрополосковой линией.

На фиг. 1 показана микрополосковая антенна со связью через отверстие и одним последовательно возбуждаемым столбцом из элементов-накладок. Микрополосковые элементынакладки имеют форму квадрата длиной, примерно равной половине длины волны направленного РЧ сигнала, причем эти элементы компонуют на материалах с низкой диэлектрической постоянной и толщиной более 2 мм, к примеру, на пенопласте Койасе11®. Симметрия квадратных накладок помогает поддерживать круговую поляризацию. Поскольку круговую поляризацию можно создать путем возбуждения двух ортогональных мод с фазовым сдвигом на 90°, каждая микрополосковая накладка возбуждается через два ортогональных отверстия с разностью фаз 90° друг относительно друга для создания круговой поляризации. Одна перпендикулярно изогнутая микрополосковая линия на фидерной подложке, имеющей диэлектрическую постоянную от 2 до 3, осуществляет возбуждение через щели. Отрезок микрополосковой линии между двумя ортогональными щелями создает разность фаз 90°. На фиг. 2 показан вид сверху на один из излучающих элементов антенны по фиг. 1.

На фиг. 3 показана структура фазированной антенной решетки 44 с набором фидерных линий 46, имеющей пять компланарных фазовращателей 48 и матрицу 5x5 излучающих элементов-накладок 50, смонтированных на подложке 52. Экранирующая пластина 54 включает в себя множество парных ортогональных щелей 56, которые проводят сигналы от набора фидер ных линий 46 на излучающие элементы 50. Набор фидерных линий включает в себя множество компланарных волноводов и полосковых линий, аналогичных тем, что показаны на фиг. 1. Антенна 44 является примером микрополосковых антенн со связью через отверстие и круговой поляризацией, в которых управление положением главного лепестка диаграммы направленности осуществляется ферроэлектрическими КПВ фазовращателями. Один КПВ фазовращатель управляет фазой каждого столбца микрополосковых накладок, обеспечивая двумерное сканирование.

На фиг. 4 показан вид сверху на узел 60 компланарного волноводного фазовращателя на 360° и 30 ГГц, который может быть использован в фазированных антенных решетках, сконструированных согласно настоящему изобретению. На фиг. 5 представлен вид в разрезе узла фазовращателя 60 на фиг. 4 по линии 5-5. Фазовращатель выполнен на настраиваемой диэлектрической пленке 80 с диэлектрической постоянной (проницаемостью), примерно равной 300, и толщиной 10 мкм. Эта пленка напылена на подложку 90 с низкой диэлектрической постоянной (~10). Толщина пленки может регулироваться в диапазоне от 0,5 до 10 мкм в зависимости от способов напыления. Для напыления пленки непосредственно на подложку можно также использовать другой технологический процесс, предусматривающий напыление при комнатной температуре.

Узел 60 включает в себя главный компланарный волновод 62, имеющий центральную линию 64, и пару проводников 66 и 68 экранирующей пластины, отделенных от центральной линии зазорами 70 и 72. Центральная часть 74 компланарного волновода имеет характеристический импеданс порядка 20 Ом. На концах волновода расположены две клиновидные согласующие секции 76 и 78, которые образуют преобразователи импеданса для приведения 20омного импеданса к 50-омному импедансу. Компланарный волновод 62 расположен на уровне настраиваемого диэлектрического материала 80. На настраиваемом диэлектрическом слое также расположены проводящие электроды 66 и 68, образующие КПВ экранирующую пластину. На поверхности настраиваемого диэлектрического материала 80 расположены также дополнительные электроды 82 и 84 экранирующей пластины. Электроды 82 и 84 также огибают края волновода, как показано на фиг. 5. Электроды 66 и 68 отделены от электродов 82 и 84 зазорами 86 и 88 соответственно. Зазоры 86 и 88 блокируют постоянное напряжение, так что постоянное напряжение может быть смещено на КПВ зазорах. Ширина электродов 66 и 68 составляет около 0,5 мм. Для диэлектрической постоянной в диапазоне от 200 до 400 и подложки из МдО ширина центральной линии и зазоры составляют от 10 до 60 мкм. Настраи ваемый диэлектрический материал 80 находится на плоской поверхности подложки 90 с низкой диэлектрической постоянной (порядка 10), которая в предпочтительном варианте выполнена из МдО и имеет толщину 0,25 мм. Однако подложка может быть изготовлена из других материалов, таких как ЬаА1О₃, сапфир, А1₂О₃ и других керамических подложек. Металлический держатель 92 проходит вдоль нижней части и боковых сторон волновода. Источник напряжения смещения 94 подсоединен к полосковой линии 64 через катушку индуктивности 96.

Экранирующие пластины компланарного волновода и микрополосковая линия соединены друг с другом через боковые края подложки. Фазовый сдвиг происходит в результате настройки диэлектрической постоянной путем приложения к зазорам компланарного волновода постоянного напряжения. В компланарных волноводных фазовращателях, настраиваемых напряжением, используются настраиваемые диэлектрические пленки с низкими потерями. В предпочтительных вариантах настраиваемая диэлектрическая пленка представляет собой титанат бария-стронция (В8Т) на основе композиционной керамики, имеющей диэлектрическую постоянную, которую можно изменять, прикладывая постоянное напряжение смещения, и которая может работать при комнатной температуре.

Настраиваемый диэлектрик, используемый в предпочтительных вариантах фазовращателей по изобретению, имеет более низкую диэлектрическую постоянную, чем известные настраиваемые материалы. Диэлектрическая постоянная может изменяться на 20-70% при 20 В/мкм, а обычно примерно на 50%. Величина напряжения смещения зависит от размера зазора и обычно находится в диапазоне от примерно 300 до 400 В для зазора 20 мкм. Более низкие уровни напряжения смещения имеют множество преимуществ, однако требуемое напряжение смещения зависит от конструкции устройства и используемых материалов. Фазовращатель на фиг. 4 и 5 рассчитан на фазовый сдвиг 360°. Диэлектрическая постоянная может лежать в диапазоне от 70 до 600, но обычно составляет от 300 до 500. В предпочтительном варианте настраиваемый диэлектрик представляет собой пленку на основе титаната бария-стронция (В8Т), имеющую диэлектрическую постоянную порядка 500 при нулевом напряжении смещения. Необходимо, чтобы предпочтительный материал имел высокую степень настройки и низкие потери. Однако настраиваемый материал обычно имеет более высокую степень настройки и достаточно высокие потери, В предпочтительных вариантах используются материалы со степенью настройки около 50% и минимально возможными потерями, которые лежат в диапазоне (тангенс угла потерь) от 0,01 до 0,03 на частоте 24 ГГц. В частности, в предпочтительном вари анте материал представляет собой титанат бария-стронция (Ва_х8т_1-хТ1О₃, Β8ΤΘ, где х меньше 1), либо композиты Β8ΤΘ с диэлектрической постоянной от 70 до 600, диапазоном настройки от 20 до 60% и тангенсом угла потерь от 0,008 до 0,03 в диапазонах К и Ка. Настраиваемый диэлектрический слой может быть тонкой или толстой пленкой. Примерами таких композитов Β8ΤΘ, обладающих требуемыми рабочими параметрами, являются, но не ограничиваются ими: ΒδΤΘ-МдО, ВЗТО-МдАЬОд, В8ТО-СаТЮз, В8ТО-МдТ1О₃, Β8ΤО-Мд8^Ζ^Τ^О₆ и их комбинации.

Компланарные волноводные фазовращатели для диапазонов К и Ка в предпочтительных вариантах изобретения изготавливают на настраиваемой диэлектрической пленке с диэлектрической постоянной (проницаемостью) в диапазоне примерно от 300 до 500 при нулевом смещении и толщиной 10 мкм. Однако могут быть использованы как тонкие, так и толстые пленки из настраиваемого диэлектрического материала. Пленка напыляется на подложку из МдО с низкой диэлектрической постоянной только в КПВ области с толщиной 0,25 мм. Для данного описания низкой диэлектрической постоянной считается величина, меньшая 25. МдО имеет диэлектрическую постоянную около 10. Однако для подложки можно использовать другие материалы, такие как ЬаА1О₃, сапфир, А1₂О₃ и другие керамические материалы. В зависимости от используемых способов напыления толщина пленки настраиваемого материала может варьироваться от 1 до 15 мкм. Главными требованиями для подложек являются химическая устойчивость, реакция с настраиваемой пленкой при температуре горения пленки (~ 1200°С), а также диэлектрические потери (тангенс угла потерь) на рабочей частоте.

На фиг. 6 показан вид сверху на узел фазовращателя 42 на фиг. 4 с колпаком 130 смещения, предусмотренный для подачи напряжения смещения к электродам 66 и 68 экранирующей пластины. На фиг. 7 показан вид в разрезе узла фазовращателя 60 на фиг. 6 по линии 7-7. Колпак соединяет две экранирующие пластины компланарного волновода и покрывает главную волноводную линию. К верхней части колпака припаян вывод электрода 132 для соединения со схемой управления постоянным напряжением смещения. Другой вывод (не показан) схемы управления постоянным напряжением смещения соединен с центральной линией 64 компланарного волновода. Для подачи постоянного напряжения смещения на КПВ сделаны небольшие зазоры 86 и 88 для разделения внутренних электродов 66 и 68 экранирующей пластины, где расположен колпак постоянного смещения, и другой (внешней) части экранирующей пластины (электроды 82 и 84) компланарного волновода. Внешняя экранирующая пластина охватывает боковые стороны и ниж нюю поверхность подложки. Внешняя часть или нижняя экранирующая пластина соединена с экранирующей пластиной 134 РЧ сигналов. Положительный и отрицательный электроды источника постоянного напряжения соединены с колпаком 130 и центральной линией 64 соответственно. Маленькие зазоры в экранирующей пластине служат как конденсаторы, блокирующие постоянное напряжение, которые блокируют постоянное напряжение. Однако их емкость должна быть достаточно большой, чтобы дать возможность прохождения через них РЧ сигнала. Колпак электрически соединен с экранирующими пластинами 66 и 68.

Микрополосковая линия и компланарная волноводная линия могут быть соединены с одной линией передачи. На фиг. 8 показан вид сверху на другой фазовращатель 136. Фиг. 9 представляет вид в разрезе фазовращателя на фиг. 8 по линии 9-9. На фиг. 8 и 9 показано, каким образом микрополосковая линия 138 переходит в компланарную волноводную сборку 140. Микрополосковая линия 138 включает в себя проводник 142, смонтированный на подложке 144. Проводник 142 подсоединяется, например, посредством пайки или сварки к центральному проводнику 146 компланарного волновода 148. Проводники экранирующей пластины 150 и 152 смонтированы на настраиваемом диэлектрическом материале 154 и отделены от проводника 146 зазорами 156 и 158. В демонстрируемом варианте осуществления перемычка 160 соединяет проводники 142 и 146. Настраиваемый диэлектрический материал 154 нанесен на поверхности ненастраиваемой диэлектрической подложки 162. Подложки 144 и 162 поддерживаются металлическим держателем 164.

Поскольку зазоры в компланарных волноводах (<0,04 мм) намного меньше толщины подложки (0,25 мм), почти все РЧ сигналы проходят через компланарный волновод, а не через микрополосковую линию. Такая конструкция существенно упрощает преобразование сигналов от компланарного волновода к микрополосковой линии без необходимости межслойного преобразования или преобразования через соединение.

Фиг. 10 является изометрическим представлением фазовращателя для антенны, сконструированной согласно настоящему изобретению. Корпус 166 охватывает колпак смещения, покрывая весь фазовращатель, так что только две 50-омные микрополосковые линии открыты для подсоединения к внешней схеме. На этом виде показана только линия 168.

Фиг. 11 дает покомпонентное представление матрицы 170 компланарных волноводных фазовращателей на 30 ГГц, сконструированных согласно настоящему изобретению, для использования в фазированной антенной решетке. Плата шин смещения 172, выполненная из изолирующего материала и являющаяся основой для схемы смещения 173, используется для покрытия матрицы фазовращателей и подачи напряжений смещения на фазовращатели. Электроды на колпаке каждого фазовращателя припаяны к шинам смещения на плате шин смещения через отверстия 174, 176, 178 и 180. Фазовращатели смонтированы на держателе 182, который содержит множество микрополосковых линий 184, 186, 188, 190, 192, 194, 196 и 198 для подачи радиочастотных входных и выходных сигналов в фазовращатели. Конкретные конструкции, показанные на фиг. 11, обеспечивают каждому фазовращателю собственный защитный корпус. Фазовращатели собирают и тестируют по отдельности перед установкой в фазированную антенную решетку. Это значительно повышает эффективность антенны, которая обычно имеет от нескольких десятков до нескольких тысяч фазовращателей.

На фиг. 12 и 13 показаны в плане альтернативные формы отверстий. Отверстие на фиг. 12 имеет форму буквы I с поперечными прямоугольными участками на каждом конце. Отверстие на фиг. 13 имеет удлиненную форму с расходящимися частями на каждом конце. Выбор конкретной формы отверстия зависит от полосы частот и допуска на обработку.

Для построения фазированной антенной решетки фазовращатели создаются по отдельности, как показано на фиг. 7. Компланарные волноводы соединяют с микрополосковыми линиями, к примеру, пайкой, как показано на фиг. 8 и

9. Металлический корпус размещают на фазовращателе, как показано на фиг. 10. Излучающие элементы-накладки, соединенные через отверстие и линию фидеров, выполняют, как показано на фиг. 3, но без фазовращателей 48. Концевые шины антенной панели показаны в виде шин 192, 194, 196 и 198 на фиг. 11. Наконец, отдельные фазовращатели смонтированы на панели, как показано на фиг. 11.

Фазовращатели включают в себя подложку; настраиваемую диэлектрическую пленку с диэлектрической постоянной от 70 до 600, диапазоном настройки от 20 до 60% и тангенсом угла потерь от 0,008 до 0,03 в диапазонах К и Ка, расположенную на поверхности подложки; компланарный волновод, расположенный на поверхности настраиваемой диэлектрической пленки, противоположной подложке; ввод для подачи радиочастотного сигнала в компланарный волновод; вывод для приема радиочастотного сигнала из компланарного волновода и соединение для подачи управляющего напряжения на настраиваемую диэлектрическую пленку. Представленные здесь устройства имеют уникальную конструкцию и низкие вносимые потери даже при частотах, лежащих в диапазонах К и Ка.

Компланарные фазовращатели по предпочтительным вариантам данного изобретения изготавливают на композитных пленках на ос нове титаната бария (В8Т), настраиваемых напряжением. Композитные В8Т пленки имеют очень низкие диэлектрические потери и достаточные возможности настройки. Эти компланарные волноводные фазовращатели для К и Ка диапазонов обладают преимуществами, заключающимися в высокой допустимой мощности, низких вносимых потерях, возможности быстрой настройки, низкой стоимости и низком уровне побочного излучения по сравнению с фазовращателями на основе полупроводников. Хорошо известно, что диэлектрические потери материалов увеличиваются с ростом частоты. Известные настраиваемые материалы отличаются очень большими потерями, особенно в диапазонах К и Ка. Компланарные фазовращатели, выполненные из известных настраиваемых материалов, отличаются очень большими потерями и непригодны для фазированных антенных решеток в К и Ка диапазонах. Следует отметить, что конструкции фазовращателей по настоящему изобретению подходят для любых настраиваемых материалов. Однако полезные для практики фазовращатели с хорошими характеристиками можно получить только при использовании настраиваемых материалов с низкими потерями. Для фазовращателя на микрополосковых линиях желательно использовать материал с низкой диэлектрической постоянной, поскольку материалы с высокой диэлектрической постоянной легко генерируют колебания электромагнитного (ЭМ) излучения высокого порядка в частотных диапазонах для фазовращателей на микрополосковых линиях. Однако такого рода материалы с низкой диэлектрической постоянной (<100) не известны.

В предпочтительных вариантах фазовращателей в антеннах по настоящему изобретению используются композитные материалы, включающие В8Т и другие материалы, и два или более значения фазы. Эти композиты имеют гораздо более низкие диэлектрические потери и достаточные возможности настройки по сравнению с известными пленками на основе 8Т или В8Т. Эти композиты имеют гораздо более низкие значения диэлектрической постоянной, чем известные пленки на основе 8Т или В8Т. Низкие диэлектрические постоянные облегчают разработку и изготовление фазовращателей. Эти фазовращатели могут работать при комнатной температуре (~300°К). Обеспечить работу при комнатных температурах гораздо легче и дешевле, чем работу известных фазовращателей при 100°К.

Настоящее изобретение обеспечивает недорогую фазированную антенную решетку с электрическим сканированием для наземных станций слежения, космической связи или радиолокационных систем.

Предпочтительный вариант изобретения содержит компланарные волноводные (КПВ) фазовращатели, настраиваемые напряжением и работающие при комнатной температуре, и микрополосковую фазированную антенную решетку с круговой поляризацией. Компланарные фазовращатели изготавливаются на композитных пленках, настраиваемых напряжением, на основе титаната бария (В8Т). Композитные В8Т пленки имеют весьма низкие диэлектрические потери и достаточные возможности настройки. Указанные КПВ фазовращатели имеют преимущества, заключающиеся в высокой допустимой мощности, низких вносимых потерях, возможности быстрой настройки, низкой стоимости и низком уровне побочного излучения по сравнению с фазовращателями на полупроводниковой основе. Фазированная антенная решетка включает в себя квадратные микрополосковые накладки, возбуждаемые путем связи через отверстия через два ортогональных отверстия для круговой поляризации. Микрополосковая антенна со связью через отверстие обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с антеннами с микрополосковым возбуждением и микрополосковыми антеннами с зондовым возбуждением, таких, как наличие большего пространства для фидерной цепи, исключение необходимости в межслойном переходе, легкость управления входным импедансом, хорошая круговая поляризация и низкая стоимость. Микрополосковая антенна со связью через отверстие имеет дополнительное преимущество, касающееся фазовращателей, настраиваемых напряжением, поскольку исключается необходимость блокировки постоянного напряжения между фазовращателями и накладками-излучателями. Это преимущество делает фазовращатели надежными и облегчает реализацию смещения.

В настоящем изобретении используются КПВ фазовращатели, настраиваемые напряжением, которые подходят для высокочастотных систем, к примеру, для работы в диапазонах выше Ки, по сравнению с микрополосковым фазовращателем. КПВ фазовращатель обладает также более широкой полосой рабочих частот, более низким напряжением смещения и более простой конструкцией, чем микрополосковый фазовращатель. Технология со связью через отверстие имеет уникальное преимущество при применении фазовращателей, настраиваемых напряжением, поскольку между фазовращателем и излучающими элементами не требуется изоляция постоянного напряжения. Это преимущество делает антенную систему проще, надежнее и дешевле.

Хотя данное изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты его осуществления, специалистам в данной области техники очевидно, что в предпочтительные варианты могут быть внесены различные изменения, не выходящие за рамки объема изобретения, определенного в формуле изобретения.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Фазированная антенная решетка (10), содержащая множество излучающих элементов (12), набор фидерных линий (16), экранирующую пластину (18), расположенную между множеством излучающих элементов и набором фидерных линий, и фазовращатель (32, 34, 36), соединенный с набором фидерных линий, отличающаяся тем, что экранирующая пластина имеет множество пар удлиненных ортогональных отверстий (20), причем каждая пара ортогональных отверстий расположена под соответствующим излучающим элементом, и набор фидерных линий (16) включает в себя множество микрополосковых линий (28), причем каждая из микрополосковых линий включает в себя часть, расположенную под одной из пар ортогональных отверстий.
2. 2. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно имеет продольную микрополосковую линию (24), в которой множество микрополосковых линий (28) отходит перпендикулярно от продольной микрополосковой линии, и тем, что часть каждой из множества микрополосковых линий имеет отрезок, выбираемый так, чтобы обеспечить фазовый сдвиг 90° между отверстиями соответствующей пары из числа пар ортогональных отверстий.
3. 3. Фазированная антенная решетка по п.2, дополнительно отличающаяся тем, что множество излучающих элементов скомпонованы во множество строк и столбцов, и в которой сборка фидерных линий дополнительно включает дополнительные продольные микрополосковые линии и дополнительные множества микрополосковых линий, отходящих перпендикулярно от каждой из дополнительных продольных микрополосковых линий, где часть каждого из множеств микрополосковых линий включает в себя отрезок, выбранный так, чтобы обеспечить фазовый сдвиг 90° между отверстиями каждой пары ортогональных отверстий, и дополнительные фазовращатели (48), причем каждый из дополнительных фазовращателей соединен с одной из дополнительных продольных микрополосковых линий.
4. 4. Фазированная антенная решетка по п.1, дополнительно отличающаяся тем, что фазовращатель содержит подложку (90);

   настраиваемую диэлектрическую пленку (80), имеющую диэлектрическую постоянную от 70 до 600, диапазон настройки от 20 до 60% и тангенс угла потерь от 0,008 до 0,03 в диапазонах К и Ка, причем настраиваемая диэлектрическая пленка расположена на поверхности подложки;

   компланарный волновод (64, 66, 68), расположенный на поверхности настраиваемой диэлектрической пленки, противоположной подложке;

   ввод (76) для подачи радиочастотного сигнала на токопроводящую полоску;

   вывод (78) для приема радиочастотного сигнала с токопроводящей полоски; и соединение для подачи управляющего напряжения на настраиваемую диэлектрическую пленку.
5. 5. Фазированная антенная решетка по п.4, отличающаяся тем, что диэлектрическая пленка с высокой диэлектрической постоянной, настраиваемая напряжением, дополнительно содержит композит титаната бария-стронция.
6. 6. Фазированная антенная решетка по п.4, отличающаяся тем, что дополнительно имеет первую секцию (76) компланарного волновода для согласования импеданса, подсоединенную к вводу, и вторую секцию (78) компланарного волновода для согласования импеданса, подсоединенную к выводу.
7. 7. Фазированная антенная решетка по п.6, отличающаяся тем, что первая секция для согласования импеданса дополнительно содержит первую клиновидную секцию компланарного волновода, и в которой вторая секция для согласования импеданса включает вторую клиновидную секцию компланарного волновода.
8. 8. Фазированная антенная решетка по п.4, дополнительно отличающаяся тем, что соединение для подачи управляющего напряжения на настраиваемую диэлектрическую пленку содержит

   Фиг. 1 расположение первого электрода (66) рядом с первой стороной токопроводящей полоски (64) компланарного волновода для формирования первого зазора между первым электродом и токопроводящей полоской и расположение второго электрода (68) рядом со второй стороной токопроводящей полоски для формирования второго зазора между вторым электродом и токопроводящей полоской.
9. 9. Фазированная антенная решетка по п.4, дополнительно отличающаяся тем, что настраиваемая диэлектрическая пленка (80) содержит одно соединение из группы, состоящей из В8ТО-МдО, В8ТО-МдЛ12О4, В8ТО-СаТЮз, В8ТО-МдТ1О₃, В8ТО-Мд8г2гТ1О₆ и их комбинации.
10. 10. Фазированная антенная решетка по п.1, дополнительно отличающаяся тем, что фазо-вращатель содержит первую подложку (162);

    настраиваемую диэлектрическую пленку (154), расположенную на поверхности первой подложки;

    компланарный волновод (146, 150, 152), расположенный на поверхности настраиваемой диэлектрической пленки;

    вторую подложку (144), расположенную рядом с концом первой подложки;

    микрополосковую линию (142), расположенную на поверхности второй подложки;

    соединение между микрополосковой линией и токопроводящей полоской (146) компланарного волновода.