RU195549U1

RU195549U1 - Millimeter Wave Integrated Flat Dielectric Lens Antenna

Info

Publication number: RU195549U1
Application number: RU2019133029U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-01-31

Abstract

Полезная модель относится к антенной технике миллиметрового диапазона длин волн и предназначена для использования в системах связи миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Задачей настоящей полезной модели является создание интегральной плоской диэлектрической линзовой антенны миллиметрового диапазона длин волн. Указанная задача достигается тем, что в интегральной диэлектрической линзовой антенне миллиметрового диапазона длин волн с плоской поверхностью, состоящей из диэлектрической линзы, на плоской поверхности которой размещена микрополосковая антенна, новым является то, что диэлектрическая линза выполнена в форме параллепипеда с величиной ребер не менее λ, высотой, равной примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала линзы, находящимся в диапазоне, примерно равным от 1,3 до 1,7. 2 ил.The utility model relates to the antenna technique of the millimeter wavelength range and is intended for use in communication systems of the millimeter and submillimeter ranges. The objective of this utility model is to create an integrated flat dielectric lens antenna of the millimeter wavelength range. This problem is achieved by the fact that in an integrated dielectric lens antenna of the millimeter wavelength range with a flat surface consisting of a dielectric lens with a microstrip antenna on its flat surface, it is new that the dielectric lens is made in the form of a parallelepiped with an edge value of at least λ, a height equal to approximately (1-1.4) λ, where λ is the radiation wavelength in free space and the refractive index of the lens material in the range approximately equal to from 1.3 to 1.7. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к антенной технике миллиметрового диапазона длин волн и предназначена для использования в системах связи миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.The utility model relates to antenna technology of the millimeter wavelength range and is intended for use in communication systems of the millimeter and submillimeter ranges.

Современный этап развития систем связи характеризуется переходом в миллиметровый диапазон длин волн и увеличением скорости передачи данных (T. S. Rappaport, J. N. Murdock, and F. Gutierrez, Jr., State of the art in 60-GHz integrated circuits and systems for wireless communications // Proc. IEEE, vol. 99, no. 8, pp. 1390-1436, Aug. 2011; B. Ayvazian Second generation E-band solutions: Opportunities for carrier-class LTE backhaul // Heavy Reading, White paper, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Available at: http://www.huawei.com/au/static/HW-206551.pdf; E. Johnson, “Mobile data backhaul: The need for E-band,” Mobile World Congr., 2013, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Availablet: http://www.microwavejournal.com/ext/resources/whitepapers/2013/february/Sky-Light-esearch-E-Band.pdf?1471624980). К таким системам радиосвязи относятся: системы локальной и персональной беспроводной связи диапазона 57-66 ГГц (WLAN/WPAN), системы радиовидения, а также радиорелейные линии диапазонов 60 ГГц и 71-76/81-86/92-95 ГГц.The current stage in the development of communication systems is characterized by a transition to the millimeter wavelength range and an increase in data transfer rate (TS Rappaport, JN Murdock, and F. Gutierrez, Jr., State of the art in 60-GHz integrated circuits and systems for wireless communications // Proc IEEE, vol. 99, no. 8, pp. 1390-1436, Aug. 2011; B. Ayvazian Second generation E-band solutions: Opportunities for carrier-class LTE backhaul // Heavy Reading, White paper, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Available at: http://www.huawei.com/au/static/HW-206551.pdf; E. Johnson, “Mobile data backhaul: The need for E-band,” Mobile World Congr., 2013, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Availablet: http://www.microwavejournal.com/ext/resources/whitepapers/2013/february/Sky-Light-esearch-E-Band.pdf ? 1471624980). Such radio communication systems include: local and personal wireless communication systems in the 57-66 GHz band (WLAN / WPAN), radio-vision systems, as well as radio relay lines in the 60 GHz and 71-76 / 81-86 / 92-95 GHz bands.

Примерно с 2013 года, значительные исследования были проведены для поиска решений в области диапазона частот выше 100 ГГц (N. Deferm and P. Reynaert, “A 120 GHz fully integrated 10 Gb/s short-range star-QAM wireless transmitter with on-chip bondwire antenna in 45 nm low power CMOS,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 49, no. 7, pp. 1606-1616, Jul. 2014; C. Wang, C. Lin, Q. Chen, B. Lu, X. Deng, and J. Zhang, A 10-Gbit/s wireless communication link using 16-QAM modulation in 140-GHz band // IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 61, no. 7, pp. 2737-2746, Jul. 2013; I. Ando, M. Tanio, M. Ito, T. Kuwabara, T. Marumoto, and K. Kunihiro, Wireless D-band communication up to 60 Gbits/s with 64QAM using GaAs HEMT technology // in Proc. IEEE Radio Wireless Symp. (RWS), Austin, TX, USA, Jan. 2016, pp. 193-195; H. Shams, M. J. Fice, L. Gonzalez-Guerrero, C. C. Renaud, F. van Dijk, and A. J. Seeds, “Sub-THz wireless over fiber for frequency band 220-280 GHz // J. Lightw. Technol., vol. 34, no. 20, pp. 4786-4793, Oct. 15, 2016; N. Sarmah, P. R. Vazquez, J. Grzyb, W. Foerster, B. Heinemann, and U. R. Pfeiffer, A wideband fully integrated SiGe chipset for high data rate communication at 240 GHz // in Proc. EuMA, London, U.K., Oct. 2016, pp. 181-184.).Since about 2013, significant research has been conducted to find solutions in the frequency range above 100 GHz (N. Deferm and P. Reynaert, “A 120 GHz fully integrated 10 Gb / s short-range star-QAM wireless transmitter with on-chip bondwire antenna in 45 nm low power CMOS, ”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 49, no. 7, pp. 1606-1616, Jul. 2014; C. Wang, C. Lin, Q. Chen, B. Lu, X. Deng, and J. Zhang, A 10-Gbit / s wireless communication link using 16-QAM modulation in 140-GHz band // IEEE Trans. Microw. Theory Techn., Vol. 61, no. 7, pp 2737-2746, Jul. 2013; I. Ando, M. Tanio, M. Ito, T. Kuwabara, T. Marumoto, and K. Kunihiro, Wireless D-band communication up to 60 Gbits / s with 64QAM using GaAs HEMT technology // in Proc. IEEE Radio Wireless Symp. (RWS), Austin, TX, USA, Jan. 2016, pp. 193-195; H. Shams, MJ Fice, L. Gonzalez-Guerrero, CC Renaud, F. van Dijk, and AJ Seeds, “Sub-THz wireless over fiber for frequency band 220-280 GHz // J. Lightw. Technol., Vol. 34, no. 20, pp. 4786-4793, Oct. 15, 2016; N. Sarmah, P. R. Vazquez, J. Grzyb, W. Foerster, B. Heinemann, and U. R. Pfeiffer, A wideband fully integrated SiGe chipset for high data rate communication at 240 GHz // in Proc. EuMA, London, U.K., Oct. 2016, pp. 181-184.).

Развиваются стандарты связи 5G и 6G, предусматривающие использование миллиметрового и терагерцового диапазонов длин волн (D. Cohen, 5G and the IoT: 5 Trends and implications // Microw.J., vol. 59, no. 9, pp. 44-48, Sep. 2016, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Available: http://www.microwavejournal.com/articles/27058-g-and-the-iot-5-trendsand-implications; Theodore S. Rappaport, Yunchou Xing, Ojas Kanhere, Shihao Ju, Arjuna Madanayake, Soumyajit Mandal, Ahmed Alkhateeb, Georgios C. Trichopoulos, Wireless Communications and Applications Above 100 GHz: Opportunities and Challenges for 6G and Beyond // http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html).5G and 6G communication standards are being developed, which include the use of the millimeter and terahertz ranges of wavelengths (D. Cohen, 5G and the IoT: 5 Trends and implications // Microw.J., Vol. 59, no. 9, pp. 44-48, Sep. 2016, Accessed: Jan. 2, 2017. [Online]. Available: http://www.microwavejournal.com/articles/27058-g-and-the-iot-5-trendsand-implications; Theodore S. Rappaport , Yunchou Xing, Ojas Kanhere, Shihao Ju, Arjuna Madanayake, Soumyajit Mandal, Ahmed Alkhateeb, Georgios C. Trichopoulos, Wireless Communications and Applications Above 100 GHz: Opportunities and Challenges for 6G and Beyond // http://www.ieee.org /publications_standards/publications/rights/index.html).

Впервые ТГц - беспроводная система связи с несущей частотой более 100 ГГц была представлена в 2000 году японской компанией NTT (Nagatsuma T., Hirata A., Royter Y. et al. BA 120-GHz integrated photonic transmitter // Proc. Int. Top. Meet. MWP, Sep. 2000. P. 225-228.). После этого разработка систем ТГц - беспроводной связи продолжилась быстрыми темпами: в течение следующих лет были опубликованы результаты экспериментов по передаче данных на несущих частотах 75-110 ГГц, 140 ГГц, 200-240 ГГц, 250-400 ГГц, 625 ГГц (В. Семенова, В. Беспалов, Терагерцевые технологии для телекоммуникаций // Первая миля 7/2015, с. 36-46; В. Семенова, В. Беспалов, Терагерцевые технологии для телекоммуникаций.// фотоника N 3 / 51 / 2015, с. 126-141).For the first time, a THz wireless communication system with a carrier frequency of more than 100 GHz was introduced in 2000 by the Japanese company NTT (Nagatsuma T., Hirata A., Royter Y. et al. BA 120-GHz integrated photonic transmitter // Proc. Int. Top. Meet. MWP, Sep. 2000. P. 225-228.). After that, the development of THz - wireless communication systems continued at a rapid pace: over the next years, the results of experiments on data transmission at carrier frequencies 75-110 GHz, 140 GHz, 200-240 GHz, 250-400 GHz, 625 GHz were published (V. Semenova , V. Bespalov, Terahertz technologies for telecommunications // First Mile 7/2015, p. 36-46; V. Semenova, V. Bespalov, Terahertz technologies for telecommunications. // Photonics N 3/51/2015, p. 126- 141).

Одним из основных элементов связи на миллиметровых волнах, в том числе и для систем 5G, является линзовая диэлектрическая антенна (Oscar Quevedo-Teruel, Mahsa Ebrahimpouri, and Fatemeh Ghasemifard, Lens Antennas for 5G Communications Systems // IEEE Communications Magazine, July 2018, рр. 36-41).One of the main elements of communication on millimeter waves, including for 5G systems, is a lens dielectric antenna (Oscar Quevedo-Teruel, Mahsa Ebrahimpouri, and Fatemeh Ghasemifard, Lens Antennas for 5G Communications Systems // IEEE Communications Magazine, July 2018, pp. . 36-41).

Известна сканирующая линзовая антенна, содержащая диэлектрическую линзу, форма тела которой образована путем вращения апланатического фокусирующего геометрического профиля вокруг фокальной вертикальной оси линзы, вблизи которой размещены излучающие элементы фазированной антенной решетки (Патент РФ 2660385).A known scanning lens antenna containing a dielectric lens, the body shape of which is formed by rotating an aplanatic focusing geometric profile around the focal vertical axis of the lens, near which radiating elements of a phased antenna array are placed (RF Patent 2660385).

Известно устройство диэлектрической линзы, в котором использован диэлектрический линзовый узел, включающий диэлектрическое удлинение на полусферической линзе. Полусферическая часть и удлинительная часть (цилиндрической или конической формы) изготовлены с использованием диэлектрического материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, большую, чем диэлектрическая проницаемость среды связи (Patent US 6590544 Dielectric lens assembly for a feed antenna).A dielectric lens device is known in which a dielectric lens assembly including a dielectric extension on a hemispherical lens is used. The hemispherical part and the extension part (cylindrical or conical shape) are made using a dielectric material having a dielectric constant greater than the dielectric constant of the communication medium (Patent US 6590544 Dielectric lens assembly for a feed antenna).

Интегрированные линзовые антенны могут применяться для создания направленных антенн с широким спектром характеристик. Первые научные работы и патенты по направленным интегрированным линзовым антеннам относятся к 90-м годам 20-го века (например, US Patent 5,706,017 Hybrid antenna including a dielectric lens and planar feed; D.F. Filipovic, S.S. Gearhart, and G.M. Rebeiz, Double-Slot Antennas on Extended Hemispherical and Elliptical Silicon Dielectric Lenses // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.41, No. 10, October 1993; Т.Н.Buttgenbach, An Improved Solution for Integrated Array Optics in Quasi-Optical mm and Submm Receivers: the Hybrid Antenna // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 41, No. 10, October 1993; А.В. Можаровский, А.А. Артеменко, А.А. Мальцев, Р.О. Масленников, В.Н. Ссорин, А.Г. Севастьянов, Исследование интегрированных линзовых антенн с двумерным электронным сканированием в миллиметровом диапазоне длин волн // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2014, No 4 (1), с. 98-105).Integrated lens antennas can be used to create directional antennas with a wide range of characteristics. The first scientific papers and patents on directional integrated lens antennas date back to the 90s of the 20th century (e.g., US Patent 5,706,017 Hybrid antenna including a dielectric lens and planar feed; DF Filipovic, SS Gearhart, and GM Rebeiz, Double-Slot Antennas on Extended Hemispherical and Elliptical Silicon Dielectric Lenses // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.41, No. 10, October 1993; T.N. Buttgenbach, An Improved Solution for Integrated Array Optics in Quasi-Optical mm and Submm Receivers : the Hybrid Antenna // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 41, No. 10, October 1993; A.V. Mozharovsky, A.A. Artemenko, A.A. Maltsev, R.O. Maslennikov, V. .N. Ssorin, A.G. Sevastyanov, Study of integrated lens antennas with two-dimensional electronic scanning in the millimeter wavelength range // Bulletin of the Nizhny Novgorod University named after N.I. Lobachevsky, 2014, No 4 (1), pp. 98-105).

Известна интегрированная линзовая антенна, представляющая собой диэлектрическую линзу эллиптической или квазиэллиптической формы с диэлектрическим цилиндрическим удлинением и с интегрированной на ее заднюю (плоскую) фокальную поверхность решеткой переключаемых первичных облучателей (Патент РФ 2585309).An integrated lens antenna is known, which is an elliptical or quasi-elliptical dielectric lens with a dielectric cylindrical extension and with an array of switched primary irradiators integrated on its rear (flat) focal surface (RF Patent 2585309).

Известна линзовая антенна, содержащая диэлектрическую линзу с плоской поверхностью в которой плоская поверхность линзы, по существу, совпадает с ее фокальной плоскостью и в которой форма диэлектрической линзы выбрана из группы, содержащей форму полуэллипсоида вращения с цилиндрическим продолжением и форму полусферы с цилиндрическим продолжением (патент РФ 2494506).A known lens antenna containing a dielectric lens with a flat surface in which the flat surface of the lens essentially coincides with its focal plane and in which the shape of the dielectric lens is selected from the group comprising the shape of a semi-ellipsoid of revolution with a cylindrical extension and the shape of a hemisphere with a cylindrical extension (RF patent 2494506).

Известна линзовая антенна, миллиметрового диапазона длин волн, содержащая диэлектрическую линзу состоящую из коллимирующей линзы цилиндрического удлинения (Aimeric Bisognin, Nour Nachabe, Cyril Luxey, Frédéric Gianesello, Daniel Gloria, Jorge R. Costa , Carlos A. Fernandes , Yuri Alvarez , Ana Arboleya-Arboleya , Jaime Laviada, Fernando Las-Heras, Nemat Dolatsha, Baptiste Grave, Mahmoud Sawaby and Amin Arbabian Ball Grid Array Module With Integrated Shaped Lens for 5G Backhaul/Fronthaul Communications in F-Band // IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 65, NO. 12, DECEMBER 2017, рр. 6380-6393).Known lens antenna, millimeter wavelength range, containing a dielectric lens consisting of a collimating lens of cylindrical extension (Aimeric Bisognin, Nour Nachabe, Cyril Luxey, Frédéric Gianesello, Daniel Gloria, Jorge R. Costa, Carlos A. Fernandes, Yuri Alvarez, Ana Arboleya, Ana Arboleya, Ana Arboleya Arboleya, Jaime Laviada, Fernando Las-Heras, Nemat Dolatsha, Baptiste Grave, Mahmoud Sawaby and Amin Arbabian Ball Grid Array Module With Integrated Shaped Lens for 5G Backhaul / Fronthaul Communications in F-Band // IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROAG. 65, NO. 12, DECEMBER 2017, pp. 6380-6393).

Известна интегрированная линзовая антенна, предназначенная для работы в терагерцовом диапазоне длин волн и состоящая из коллимирующей полусферической линзы и цилиндрического удлинения с плоским торцом (А. Г. Черевко, Ю. В. Моргачев, Е.М. Ильин, А.И. Полубехин, Эффективность технологий антенных модулей терагерцового диапазона // Вестник СибГУТИ. 2016. No 3, с. 192-203).Known integrated lens antenna designed to operate in the terahertz range of wavelengths and consisting of a collimating hemispherical lens and cylindrical extension with a flat end (A.G. Cherevko, Yu.V. Morgachev, E.M. Ilyin, A.I. Polubehin, The effectiveness of terahertz antenna module technologies // Bulletin of SibSUTI. 2016.No 3, pp. 192-203).

Недостатком известных интегральных диэлектрических линзовых антенн с плоским торцом является их сложность, обусловленная сложностью поверхности диэлектрической линзы.A disadvantage of the known integrated dielectric flat-face lens antennas is their complexity, due to the complexity of the surface of the dielectric lens.

Известно, что высота интегрированной сферической или эллиптической диэлектрической линзы с цилиндрическим удлинением равна для диэлектрических материалов с величиной показателя преломления порядка 1,5 и диаметром порядка 4λ, где λ длина волны излучения в свободном пространстве (Daniel F. Filipovic, Steven S. Gearhart, and Gabriel M . Rebeiz, Double-Slot Antennas on Extended Hemispherical and Elliptical Silicon Dielectric Lenses // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 41, No. 10, October 1993).It is known that the height of an integrated spherical or elliptical dielectric lens with a cylindrical extension is equal to for dielectric materials with a refractive index of the order of 1.5 and a diameter of the order of 4λ, where λ is the radiation wavelength in free space (Daniel F. Filipovic, Steven S. Gearhart, and Gabriel M. Rebeiz, Double-Slot Antennas on Extended Hemispherical and Elliptical Silicon Dielectric Lenses // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 41, No. 10, October 1993).

Отношение высоты h к диаметру D диэлектрической антенны изготовленной из материала с показателем преломления N может быть описано выражением:The ratio of the height h to the diameter D of the dielectric antenna made of a material with a refractive index N can be described by the expression:

$\frac{h}{D} = \frac{N + 1}{2 N \sqrt{1 - \frac{1}{N}}}$

.

\frac{h}{D} = \frac{N + 1}{2 N \sqrt{1 - \frac{1}{N}}}

.

Из уровня техники известно, что длина указанного цилиндрического продолжения обычно выбирается близкой по величине с оптическим фокусом линзы.It is known from the prior art that the length of said cylindrical extension is usually chosen close in magnitude to the optical focus of the lens.

Таким образом, высота диэлектрической линзы увеличивается с увеличением ее диаметра и c уменьшением величины показателя преломления материала линзы.Thus, the height of the dielectric lens increases with an increase in its diameter and with a decrease in the refractive index of the lens material.

Наиболее близким аналогом (прототипом) выбрана интегральная однородная диэлектрическая линзовая антенна миллиметрового диапазона длин волн с плоской поверхностью и состоящая из коллимирующей полусферической или эллиптической линзы, цилиндрического удлинения, выполненного из того же материала, что и материал коллимирующей линзы, на плоской поверхности которого размещена микрополосковая антенна (Muhammad Kamran Saleem, Mingyang Xie, Majeed A. S. Alkanhal,Muhammad Saadi, Effect of dielectric materials on integrated lens antenna for millimeter wave applications // Microw. Opt. Technol. Lett. 2019; 1-5., DOI: 10.1002/mop.31676).The closest analogue (prototype) was chosen to be an integral homogeneous dielectric lens antenna of the millimeter wavelength range with a flat surface and consisting of a collimating hemispherical or elliptical lens, a cylindrical extension made of the same material as the collimating lens material, on the flat surface of which a microstrip antenna is placed (Muhammad Kamran Saleem, Mingyang Xie, Majeed AS Alkanhal, Muhammad Saadi, Effect of dielectric materials on integrated lens antenna for millimeter wave applications // Microw. Opt. Technol. Lett. 2019; 1-5., DOI: 10.1002 / mop. 31676).

Недостатком интегральной диэлектрической линзовой антенны с плоским торцом является ее сложность, обусловленная сложностью поверхности диэлектрической линзы.The disadvantage of an integrated dielectric integrated dielectric lens antenna is its complexity due to the complexity of the surface of the dielectric lens.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно создание интегральной плоской диэлектрической линзовой антенны миллиметрового диапазона длин волн. The objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely the creation of an integrated flat dielectric lens antenna of the millimeter wavelength range.

Указанная задача достигается тем, что в интегральной диэлектрической линзовой антенне миллиметрового диапазона длин волн с плоской поверхностью, состоящей из диэлектрической линзы на плоской поверхности которой размещена микрополосковая антенна, новым является то, что диэлектрическая линза выполнена в форме параллепипеда с величиной ребер не менее λ, высотой равной примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала линзы находящимся в диапазоне, примерно равным от 1,3 до 1,7.This problem is achieved by the fact that in the integrated dielectric lens antenna of the millimeter wavelength range with a flat surface, consisting of a dielectric lens on the flat surface of which a microstrip antenna is placed, it is new that the dielectric lens is made in the form of a parallelepiped with ribs not less than λ, height approximately equal to (1-1.4) λ, where λ is the radiation wavelength in free space and the refractive index of the lens material is in the range approximately equal to from 1.3 to 1.7.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».The applicant has not identified any technical solutions that are identical to the claimed one, which allows us to conclude that this utility model meets the criterion of "novelty."

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обуславливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».The applicant has not identified sources of information that would contain information on the influence of the distinguishing features of the utility model on the achieved technical result. These new properties of the object determine, according to the applicant, the utility model meets the criterion of "inventive step".

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена схема интегральной плоской диэлектрической линзы миллиметрового диапазона длин волн, вид сбоку и сверху.In FIG. 1 shows a diagram of an integrated planar dielectric lens of the millimeter wavelength range, side view and top view.

На фиг. 2 приведен пример зависимости усиления (дБ) интегральной плоской диэлектрической линзы от частоты, с размерами параллепипеда (1,5×1,5×1,7)λ, где λ длина волны излучения в свободном пространстве. Повышение усиления по сравнению с микрополосковой первичной антенны составило 7,5-8,5 дБ.In FIG. Figure 2 shows an example of the dependence of the gain (dB) of an integrated planar dielectric lens on frequency, with the dimensions of a parallelepiped (1.5 × 1.5 × 1.7) λ, where λ is the radiation wavelength in free space. The gain increase compared to the microstrip primary antenna was 7.5-8.5 dB.

Обозначения: 1 - высокочастотная диэлектрическая плата; 2 - перичная микрополосковая антенна; 3 - диэлектрическая линза в форме параллелепипеда.Designations: 1 - high-frequency dielectric board; 2 - perimeter microstrip antenna; 3 - a parallelepiped-shaped dielectric lens.

Заявляемая интегральная плоская диэлектрическая линзовая антенна миллиметрового диапазона длин волн работает следующим образом.The inventive integrated flat dielectric lens antenna of the millimeter wavelength range works as follows.

Первичная микрополосковая антенна 2 располагается на высокочастотной диэлектрической плате 1 и на плоском торце диэлектрической линзы 3 в форме параллелепипеда с величиной ребер не менее λ и высотой равной примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве, при этом показатель преломления материала диэлектрической линзы находится в диапазоне примерно равным от 1,3 до 1,7. Диэлектрическая линза 3 в предлагаемом устройстве формирует узкий луч и обеспечивает отклонение луча при сканировании. При этом плата 1 с первичными излучателями 2 и линиями передачи интегрирована на плоскую поверхность диэлектрической линзы 3.The primary microstrip antenna 2 is located on the high-frequency dielectric board 1 and on the flat end of the dielectric lens 3 in the form of a parallelepiped with edges not less than λ and a height equal to approximately (1-1,4) λ, where λ is the radiation wavelength in free space, at this, the refractive index of the material of the dielectric lens is in the range of approximately equal to from 1.3 to 1.7. The dielectric lens 3 in the proposed device forms a narrow beam and provides a deflection of the beam during scanning. In this case, the board 1 with primary emitters 2 and transmission lines is integrated on the flat surface of the dielectric lens 3.

В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы в форме параллелепипеда куба с величиной ребер не менее λ и высотой равной примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала диэлектрической линзы в диапазоне примерно равным от 1,3 до 1,7 при его облучении электромагнитной волной точечным источником (первичной антенной) формируют на внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения узкую диаграмму направленности.As a result of the studies, it was found that the dielectric mesoparticles are in the form of a cube parallelepiped with edges not less than λ and a height equal to approximately (1-1.4) λ, where λ is the radiation wavelength in free space and the refractive index of the dielectric lens material in the range approximately equal to 1.3 to 1.7 when it is irradiated with an electromagnetic wave by a point source (primary antenna), a narrow radiation pattern is formed on the outer border from the opposite side of the incident radiation.

Например, увеличение усиления (дБ) интегральной плоской диэлектрической линзы в миллиметровом диапазоне длин волн, с размерами параллепипеда (1,5×1,5×1,7)λ, где λ длина волны излучения в свободном пространстве и выполненной из фторопласта (показатель преломления примерно равен 1,46) по сравнению с микрополосковой первичной антенной составило 7,5-8,5 дБ в диапазоне 52-68 ГГц.For example, the gain (dB) of an integrated flat dielectric lens in the millimeter wavelength range, with the dimensions of the parallelepiped (1.5 × 1.5 × 1.7) λ, where λ is the radiation wavelength in free space and made of fluoroplastic (refractive index approximately equal to 1.46) compared with the microstrip primary antenna was 7.5-8.5 dB in the range 52-68 GHz.

Высота диэлектрической линзовой антенны выбирается на основании анализа конечных характеристик предлагаемой линзовой антенны с конкретным первичным излучателем и находится в диапазоне равного примерно (1-1,4)λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве. Вне этого диапазона значений уменьшается усиление линзовой антенны.The height of the dielectric lens antenna is selected based on the analysis of the final characteristics of the proposed lens antenna with a specific primary emitter and is in the range of approximately (1-1.4) λ, where λ is the radiation wavelength in free space. Outside this range of values, the gain of the lens antenna decreases.

Простая плоская форма поверхности интегральной диэлектрической линзовой антенны, например, позволяет просто нанести на поверхность согласующий слой, уменьшающий потери на отражение в диэлектрике и тем самым повысить эффективность антенны. Основным требованием к материалу диэлектрической линзы является малый уровень потерь при распространении сигнала и величина показателя преломления материала линзы должен находиться в диапазоне примерно равным от 1,3 до 1,7. Вне этого диапазона значений показателя преломления уменьшается усиление линзовой антенны.The simple flat surface shape of an integrated dielectric lens antenna, for example, allows you to simply apply a matching layer to the surface, which reduces reflection losses in the dielectric and thereby increase the efficiency of the antenna. The main requirement for the material of the dielectric lens is a low level of propagation loss and the refractive index of the lens material should be in the range of about 1.3 to 1.7. Outside this range of refractive index values, the gain of the lens antenna decreases.

В качестве высокочастотной диэлектрической платы, например, могут быть использованы плоская плата из низкотемпературной или высокотемпературной керамики, печатные платы из политетрафторэтилена, рексолита и плавленого кварца и т.д.As a high-frequency dielectric board, for example, a flat board made of low-temperature or high-temperature ceramics, printed circuit boards made of polytetrafluoroethylene, rexolite and fused silica, etc. can be used.

В качестве первичных антенных элементов в интегрированных линзовых антеннах, в общем случае, могут быть использованы диполи, монополи, щелевые антенны, различные микрополосковые антенны и т. д. (А.А. Артеменко, А.А. Мальцев, Р.О. Масленников, А.Г. Севастьянов, В.Н. Ссорин, Исследование кремниевых интегрированных линзовых антенн для систем радиосвязи частотного диапазона 60 ГГц // Известия вузов. Радиофизика, Том LV, No 8, 2012, с. 565-75).In general, dipoles, monopoles, slot antennas, various microstrip antennas, etc. can be used as primary antenna elements in integrated lens antennas (A.A. Artemenko, A.A. Maltsev, R.O. Maslennikov , A.G. Sevastyanov, V.N. Ssorin, Investigation of silicon integrated lens antennas for radio communication systems of the frequency range of 60 GHz // University News. Radio Physics, Volume LV, No 8, 2012, p. 565-75).

Изготовление мезоразмерных диэлектрических линзовых антенн в миллиметровом и терагерцовом диапазоне длин волн возможно, например, методами 3D печати (Vorobyov, A., J. R. Farserotu, and J.-D. Decotignie, 3D printed antenna for mm-wave sensing application // 2017 11th Int. Symp. Med. Inf. and Commun. Technol. (ISMICT), 23-26, Lisbon, Apr. 2017.), методами механической обработки (фрезерованием, прессованием, литьем и т.д.), методами фотолитографии (патент РФ № 2350996, авт. Генцелев А.Н., Гольденберг Б. Г., Кондратьев В. И., Петрова Е. В. Способ изготовления литографической маски для LIGA-технологий; Janne-Mieke Meijer, Dmytro V. Byelov, Laura Rossi, Anatoly Snigirev, Irina Snigireva, Albert P. Philipsea and Andrei V. Petukhov. Self-assembly of colloidal hematite cubes: a microradian X-ray diffraction exploration of sedimentary crystals // Soft Matter, 2013, 9, 10729-10738), методами стереолитографии (Ngoc Tinh Nguyen, Nicolas Delhote, Mauro Ettorre, Dominique Baillargeat, Laurent Le Coq, and Ronan Sauleau, Design and Characterization of 60-GHz Integrated Lens Antennas Fabricated Through Ceramic Stereolithography // IEEE Trans. on antennas and propagation, Vol. 58, N. 8, August 2010, рр. 2757-2762) и т.д.The manufacture of mesoscale dielectric lens antennas in the millimeter and terahertz wavelengths is possible, for example, using 3D printing methods (Vorobyov, A., JR Farserotu, and J.-D. Decotignie, 3D printed antenna for mm-wave sensing application // 2017 11th Int Symp. Med. Inf. And Commun. Technol. (ISMICT), 23-26, Lisbon, Apr. 2017.), machining methods (milling, pressing, casting, etc.), photolithography methods (RF patent No. 2350996, auth.Gentselev A.N., Goldenberg B.G., Kondratiev V.I., Petrova E.V. Method for the manufacture of a lithographic mask for LIGA technologies; Janne-Mieke Meijer, Dmytro V. Byelov, Laura Rossi, Anatoly Snigirev, Irina Snigireva, Albert P. Philipsea and Andrei V. Petukhov. Self-assembly of colloidal hematite cubes: a microradian X-ray diffraction exploration of sedimentary crystals // Soft Matter, 2013, 9, 10729-10738), using stereolithography methods (Ngoc Tinh Nguyen , Nicolas Delhote, Mauro Ettorre, Dominique Baillargeat, Laurent Le Coq, and Ronan Sauleau, Design and Characterization of 60-GHz Integrated Lens Antennas Fabricated Through Ceramic Stereolithography // IEEE Trans. on antennas and propagation, Vol. 58, N. 8, August 2010, pp. 2757-2762), etc.

Claims

Integrated dielectric lens antenna of the millimeter wavelength range, consisting of a dielectric lens with a flat surface, on which there is a microstrip antenna, characterized in that the dielectric lens is made in the form of a parallelepiped with an edge value of at least λ, a height equal to approximately (1-1,4 ) λ, where λ is the radiation wavelength in free space and the refractive index of the lens material, which is in the range of approximately equal to 1.3 to 1.7.