RU2566970C2 - Directed scanning planar portable lens antenna - Google Patents

Directed scanning planar portable lens antenna Download PDF

Info

Publication number
RU2566970C2
RU2566970C2 RU2013138352/08A RU2013138352A RU2566970C2 RU 2566970 C2 RU2566970 C2 RU 2566970C2 RU 2013138352/08 A RU2013138352/08 A RU 2013138352/08A RU 2013138352 A RU2013138352 A RU 2013138352A RU 2566970 C2 RU2566970 C2 RU 2566970C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
cylinders
switch
antenna
emitters
Prior art date
Application number
RU2013138352/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013138352A (en
Inventor
Владимир Яковлевич Архипенков
Геннадий Александрович Евтюшкин
Елена Александровна Шепелева
Вонбин ХОНГ
Original Assignee
Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд."
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." filed Critical Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд."
Priority to RU2013138352/08A priority Critical patent/RU2566970C2/en
Publication of RU2013138352A publication Critical patent/RU2013138352A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2566970C2 publication Critical patent/RU2566970C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: invention relates to the design of small-size scanning antennae. The directed scanning planar portable lens antenna includes: an upper (1) and a lower (2) lens structure in the form of a set of conducting cylinders (3), placed between two conducting screens - an outer screen (4) and an inner screen (5); unipolar radiators (6); reflectors (7); and a switch (8), wherein each port of the switch is connected to the corresponding radiator (6), and each input port is connected to a separate port of an external eight-channel receiving-transmitting device (9).
EFFECT: designing an antenna structure with wide beam scanning and enabling production using a printing technique.
7 cl, 14 dwg

Description

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а более конкретно - к конструкции малогабаритных сканирующих антенн, которые могут найти применение в портативных мобильных устройствах связи.The invention relates to the field of telecommunications, and more specifically to the design of small-sized scanning antennas that can be used in portable mobile communication devices.

Направленные сканирующие антенны в настоящее время получают все большее распространение не только в радарной технике и сложных специальных коммуникационных системах, но также в общедоступных электронных устройствах. Использование таких функционально сложных антенн в сравнительно недорогих устройствах накладывает определенные ограничения на выбор типа антенны. На первый план выступают такие ограничения, как габариты и цена антенного устройства.Directional scanning antennas are currently gaining ground not only in radar technology and complex special communication systems, but also in public electronic devices. The use of such functionally complex antennas in relatively inexpensive devices imposes certain restrictions on the choice of antenna type. Such restrictions as the dimensions and price of the antenna device come to the fore.

Исходя из таких соображений наиболее привлекательными являются плоские и линейные антенные решетки, а также переключаемые антенны.Based on such considerations, the most attractive are flat and linear antenna arrays, as well as switched antennas.

В конструкциях на основе многоканальной приемо-передающей микросхемы применение антенных решеток представляется очень перспективным, однако такие антенны имеют ограничение по углам сканирования луча, к тому же при максимальном отклонении имеет место значительное снижение усиления антенны.In designs based on a multi-channel transmitting and receiving microcircuit, the use of antenna arrays seems very promising, however, such antennas have a limitation in beam scanning angles, and at the maximum deviation there is a significant decrease in antenna gain.

От этого недостатка свободны антенны со сканированием луча путем переключения излучателей, формирующих направленность в том или ином направлении.Antennas with beam scanning by switching emitters forming a directivity in one direction or another are free from this drawback.

Наиболее подходящей в таких конструкциях может быть линзовая антенна осесимметричной формы, позволяющая реализовать сканирование луча вплоть до 360 градусов в очень широких пределах без значительного уменьшения усиления, причем сканирование может быть как пространственным, так и планарным.The most suitable in such constructions may be an axisymmetric lens antenna, which allows scanning the beam up to 360 degrees in a very wide range without significantly reducing the gain, and the scanning can be either spatial or planar.

Линзы пространственного сканирования имеют значительные габариты и малопригодны для применения в компактных портативных устройствах, в то время как линзы планарного сканирования могут иметь очень малый размер по высоте, что позволит разместить их в портативных устройствах.Spatial scan lenses are large in size and unsuitable for use in compact portable devices, while planar scan lenses can be very small in height, which allows them to be placed in portable devices.

Известные из уровня техники направленные антенны с широким круговым сканированием луча имеют общий существенный недостаток, а именно, сложность в изготовлении и сборке в сочетании с необходимостью применения сложного переключающего устройства для управления направленностью.Known from the prior art directional antennas with wide circular scanning of the beam have a common significant drawback, namely, the difficulty in manufacturing and assembly in combination with the need to use a complex switching device to control the directivity.

В частности, антенна, описанная в докладе Liang Xue, Vincent Fusco - Electronically Reconflgurable Microwave Lens Antennas; EOARD FA8655-04-1-3076; 2nd Six Monthly Report; www.ecit.qub.ac.uk [1], реализована на основе цилиндрической планарной линзы, в которой, благодаря уменьшению диэлектрической проницаемости от центра цилиндра к периферии, происходит формирование направленности излучения. При этом искусственное уменьшение диэлектрической проницаемости осуществляется путем высверливания части диэлектрика и заменой его, таким образом, воздухом.In particular, the antenna described by Liang Xue, Vincent Fusco - Electronically Reconflgurable Microwave Lens Antennas; EOARD FA8655-04-1-3076; 2nd Six Monthly Report; www.ecit.qub.ac.uk [1], is implemented on the basis of a cylindrical planar lens, in which, due to a decrease in the dielectric constant from the center of the cylinder to the periphery, radiation directivity is formed. In this case, an artificial decrease in the dielectric constant is carried out by drilling a part of the dielectric and thus replacing it with air.

Как уже отмечалось ранее, такой тип линзовой антенны имеет определенные недостатки. В частности, хотя линзовая структура такого типа легко реализуема, однако это справедливо только в случае, когда размер линзы сравнительно велик. А если диаметр линзы мал, то ее стенки, разделяющие отверстия, из-за высокой плотности последних, становятся очень хрупкими. Реализовать такую структуру технологически трудно. Кроме того, в процессе изготовления требуется дополнительная операция, а именно после выполнения отверстий сверху и снизу линзы, необходима установка металлических экранов. И еще необходима дополнительная доводка формы боковой поверхности линзы.As noted earlier, this type of lens antenna has certain disadvantages. In particular, although a lens structure of this type is easily realizable, this is true only when the size of the lens is relatively large. And if the diameter of the lens is small, then its walls, separating the holes, become very fragile due to the high density of the latter. Implementing such a structure is technologically difficult. In addition, during the manufacturing process, an additional operation is required, namely, after making holes on the top and bottom of the lens, installation of metal screens is necessary. And additional refinement of the shape of the side surface of the lens is also needed.

Другая известная из уровня техники конструкция линзовой антенны описана в патенте США №6,982,676 [2]. Она имеет то преимущество, что ее изготовление целиком основано на технологии многослойных печатных плат, однако в качестве недостатков следует указать на то, что такая антенна состоит из двух печатных плат, расположенных перпендикулярно одна другой, и многоконтактное электрическое соединение таких частей сопряжено с большими трудностями. Кроме того, угол сканирования имеет существенное ограничение из-за плоского раскрыва антенны.Another prior art lens antenna design is described in US Pat. No. 6,982,676 [2]. It has the advantage that its manufacture is entirely based on the technology of multilayer printed circuit boards, however, it should be pointed out that such an antenna consists of two printed circuit boards located perpendicular to one another, and the multi-contact electrical connection of such parts is very difficult. In addition, the scanning angle has a significant limitation due to the flat aperture of the antenna.

Антенна, представленная в патенте США №5,966,103 [3], характеризуется тем, что ее основные компоненты выполняются методом печатного монтажа, однако сама линза изготавливается отдельно и к тому же имеет сложный профиль. Изготовление антенны подразумевает механическую сборку. В условиях массового производства этот недостаток является существенным.The antenna presented in US patent No. 5,966,103 [3], is characterized by the fact that its main components are performed by printed circuit mounting, however, the lens itself is manufactured separately and also has a complex profile. The manufacture of the antenna involves mechanical assembly. In mass production, this disadvantage is significant.

Тот же недостаток присущ антенне, описанной в патенте США №3,958,246 [4]. Антенна требует отдельного изготовления компонентов с последующей сборкой.The same disadvantage is inherent in the antenna described in US patent No. 3,958,246 [4]. The antenna requires a separate manufacture of components with subsequent assembly.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает линзовая антенна, описанная в патенте США №6,317,092 [5] и представленная на Фиг.1. Здесь замедляющая структура формируется аналогично, путем установки набора одинаковых по высоте металлических штырьков, равномерно распределенных внутри цилиндра. Данная структура, однако, предполагает наличие воздушной среды в пространстве, заполненном металлическими штырьками. В связи с этим конструкция не предполагает выполнение линзы в среде многослойной печатной платы. К тому же, в данной антенне применен сложный коммутатор с активными навесными элементами, что ведет к значительным потерям и требует затрат энергии на управление.Closest to the claimed invention features a lens antenna described in US patent No. 6,317,092 [5] and presented in Figure 1. Here, the retarding structure is formed similarly, by installing a set of identical metal pins with the same height, evenly distributed inside the cylinder. This structure, however, assumes the presence of air in a space filled with metal pins. In this regard, the design does not imply the implementation of the lens in the environment of a multilayer printed circuit board. In addition, this antenna uses a complex switch with active attachments, which leads to significant losses and requires energy to manage.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать конструкцию малоразмерной планарной линзовой антенны с широким сканированием луча и с возможностью изготовления на основе печатной технологии.The problem to which the invention is directed, is to develop the design of a small planar lens antenna with wide beam scanning and with the possibility of manufacturing based on printing technology.

Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной конструкции направленной сканирующей планарной портативной линзовой антенны, которая включает в себя:The technical result is achieved through the development of an improved design of a directional scanning planar portable lens antenna, which includes:

- верхнюю и нижнюю линзовые структуры в виде набора проводящих цилиндров, расположенных между двумя проводящими экранами - наружным экраном и внутренним экраном, перпендикулярно им и в контакте с внутренним экраном, при этом цилиндры каждой линзовой структуры имеют переменную высоту и размещены таким образом, что расстояние между цилиндрами приблизительно равно четверти длины волны в окружающем диэлектрике, причем в центральной части высота цилиндров максимальна и уменьшается к периферии; область, занимаемая цилиндрами, имеет круглую форму с осевой симметрией, причем нижняя линзовая структура является зеркальным отражением верхней линзовой структуры;- the upper and lower lens structures in the form of a set of conductive cylinders located between two conductive screens - the outer screen and the inner screen, perpendicular to them and in contact with the inner screen, while the cylinders of each lens structure have a variable height and are placed so that the distance between cylinders is approximately equal to a quarter of the wavelength in the surrounding dielectric, and in the central part the height of the cylinders is maximum and decreases to the periphery; the area occupied by the cylinders has a circular shape with axial symmetry, the lower lens structure being a mirror image of the upper lens structure;

- монопольные излучатели, из которых верхние расположены по периферии верхней линзовой структуры, а нижние расположены на периферии нижней линзовой структуры коллинеарно проводящим цилиндрам на равных угловых расстояниях один от другого в 45 градусов относительно центра, причем группа верхних излучателей расположена диаметрально противоположно группе нижних излучателей; излучатели выполнены с возможностью формирования цилиндрической волны, распространяющейся в плоском волноводе, образованном наружным экраном и внутренним экраном, в сторону линзовых структур;- monopoly emitters, of which the upper ones are located on the periphery of the upper lens structure, and the lower ones are located on the periphery of the lower lens structure of collinearly conducting cylinders at equal angular distances from each other at 45 degrees from the center, with the group of upper emitters located diametrically opposite to the group of lower emitters; emitters are configured to generate a cylindrical wave propagating in a planar waveguide formed by the outer screen and the inner screen toward the lens structures;

- рефлекторы в виде трех проводящих цилиндров, расположенных с противоположной от линзовых структур стороны каждого излучателя на расстоянии, приблизительно равном четверти длины волны в заполняемом диэлектрике, причем рефлекторы выполнены с возможностью формирования направленного распространения волны в сторону центра линзовых структур;- reflectors in the form of three conductive cylinders located on the opposite side of the lens structures of each emitter at a distance approximately equal to a quarter of the wavelength in the filled dielectric, and the reflectors are configured to form a directional wave propagation towards the center of the lens structures;

- коммутатор, расположенный в средней части всей системы между верхней линзовой структурой и нижней линзовой структурой в виде пассивного шестнадцатиполюсного устройства, выполненного на базе двухфидерной офсетной симметричной линии, причем каждый выходной порт коммутатора соединен с соответствующим излучателем, а каждый входной порт соединен с отдельным портом внешнего восьмиканального приемо-передающего устройства; коммутатор выполнен с возможностью суммирования мощности восьми входных сигналов на одном или на двух излучателях в режиме сканирования.- a switch located in the middle part of the entire system between the upper lens structure and the lower lens structure in the form of a passive sixteen-pole device made on the basis of a two-feeder offset symmetrical line, with each output port of the switch connected to a corresponding emitter, and each input port connected to a separate port of the external eight-channel transceiver; the switch is configured to sum the power of eight input signals on one or two emitters in scan mode.

Основная идея заключается в том, что все элементы линзовой переключаемой антенны и сама линза выполнены в печатном исполнении. Причем замедляющие свойства линзы реализуются полем проводящих цилиндров в толще многослойной печатной платы, а коммутатор каналов представляет собой полностью пассивное шестнадцатиполюсное полосковое устройство, в котором переключение каналов осуществляется изменением фаз входных сигналов. В результате получается компактная планарная антенна с направленным управляемым излучением, в которой потери на переключение минимальны, вследствие отсутствия активных элементов. Все элементы антенны изготавливаются высокопроизводительным печатным способом.The main idea is that all the elements of the lens switchable antenna and the lens itself are made in print. Moreover, the slowing-down properties of the lens are realized by the field of conductive cylinders in the thickness of the multilayer printed circuit board, and the channel switch is a fully passive sixteen-pole strip device in which the channel switching is carried out by changing the phases of the input signals. The result is a compact planar antenna with directional controlled radiation, in which switching losses are minimal due to the absence of active elements. All elements of the antenna are made by high-performance printing method.

Конструкция, положенная в основу заявляемого изобретения, представляет собой трехсекционную планарную структуру, выполненную на слоистом металлизированном диэлектрике. Нижняя и верхняя секции представляют собой диэлектрические слои, ограниченные по внешним верхней и нижней сторонам металлическими экранами круглой формы. В среде каждого диэлектрического слоя между экранами размещено множество проводящих цилиндров, образованных путем металлизации отверстий, выполненных в многослойном диэлектрике с осесимметричным распределением и с разной высотой цилиндров, уменьшающейся от центра к краю. Расстояние между цилиндрами приблизительно равно четверти длины волны в среде диэлектрического слоя. Совокупность этих цилиндров выполняет роль планарной диаграммообразующей линзовой структуры. По периферии каждой такой структуры на равном расстоянии расположены по четыре металлизированных отверстия, выполняющих функцию элементарных излучателей. Центральный угол, определяемый крайними излучателями, равен 135 градусам. С противоположной от центра стороны каждый излучатель имеет рефлектор, выполненный в виде трех металлизированных отверстий. Обе группы излучателей с их рефлекторами верхней и нижней секции расположены диаметрально противоположно относительно центральной оси, причем структура нижней секции является зеркальным отражением верхней относительно средней секции. Средняя секция представляет собой многослойное полосковое соединение, выполняющее функции коммутатора излучателей. Выходы коммутатора соединены с соответствующими излучателями, а входы - с внешним восьмиканальным приемо-передающим устройством.The design underlying the claimed invention is a three-section planar structure made on a layered metallized dielectric. The lower and upper sections are dielectric layers bounded on the outer upper and lower sides by round metal screens. In the environment of each dielectric layer between the screens there are many conductive cylinders formed by metallization of holes made in a multilayer dielectric with an axisymmetric distribution and with different heights of the cylinders, decreasing from the center to the edge. The distance between the cylinders is approximately equal to a quarter of the wavelength in the medium of the dielectric layer. The combination of these cylinders acts as a planar diagram-forming lens structure. On the periphery of each such structure, four metallized holes that serve as elementary emitters are located at an equal distance. The central angle defined by the extreme emitters is 135 degrees. On the opposite side from the center of each emitter has a reflector made in the form of three metallized holes. Both groups of emitters with their reflectors of the upper and lower sections are located diametrically opposite to the central axis, and the structure of the lower section is a mirror image of the upper relative to the middle section. The middle section is a multilayer strip connection that acts as a commutator of emitters. The outputs of the switch are connected to the respective emitters, and the inputs are connected to an external eight-channel transceiver.

Восьмиканальный сигнал поступает в среднюю секцию антенного устройства, представляющую собой шестнадцатиполюсный распределитель и выполняющую роль коммутатора. Благодаря фазовым соотношениям мощность всех сигналов суммируется на одном или двух соседних выходных портах коммутатора. Далее сигнал поступает на соответствующие один или два соседних излучателя верхней или нижней секции антенны, представляющих собой планарную линзу, и излучается ими в сторону центра планарной линзы в форме цилиндрической волны, направляемой верхним и нижним проводящими экранами. Формируемая излучателем и направляемая верхним и нижним проводящими экранами цилиндрическая волна распространяется в направлении центра планарной линзы. Проходя далее сквозь совокупность реактивных элементов, выполненных в виде металлизированных отверстий, цилиндрический фронт волны преобразуется в близкий по форме к плоскому фронту. Таким образом, поле реактивных элементов реализует функцию линзы, формирующей направленное излучение. Далее электромагнитная волна излучается торцевой частью антенны в том или ином направлении в зависимости от конкретного излучателя. Благодаря коммутатору происходит плоское сканирование в пределах 360 градусов, причем четыре излучателя верхней или нижней секции перекрывают угол 180 градусов каждый, дополняя один другой до полных 360 градусов.The eight-channel signal enters the middle section of the antenna device, which is a sixteen-pole distributor and acts as a switch. Due to phase relationships, the power of all signals is summed up on one or two adjacent output ports of the switch. Next, the signal is supplied to the corresponding one or two adjacent emitters of the upper or lower sections of the antenna, which are a planar lens, and radiated by them towards the center of the planar lens in the form of a cylindrical wave directed by the upper and lower conductive screens. A cylindrical wave formed by the emitter and guided by the upper and lower conducting screens propagates in the direction of the center of the planar lens. Passing further through the set of reactive elements made in the form of metallized holes, the cylindrical wave front is converted into a shape close to a flat front. Thus, the field of reactive elements implements the function of the lens, which forms a directed radiation. Further, the electromagnetic wave is emitted by the end part of the antenna in one direction or another, depending on the specific emitter. Thanks to the switch, a flat scan takes place within 360 degrees, with four emitters of the upper or lower sections overlapping an angle of 180 degrees each, complementing one another to a full 360 degrees.

Все реактивные элементы, излучатели, а также рефлекторы представляют собой металлизированные отверстия в теле многослойного диэлектрика, изготавливаемые по технологии печатных плат.All reactive elements, emitters, as well as reflectors are metallized holes in the body of a multilayer dielectric made using printed circuit board technology.

Фиг.1 - чертеж из патента-прототипа [5].Figure 1 is a drawing from a patent prototype [5].

Фиг.2 - представляет общий вид заявляемой антенны,Figure 2 - is a General view of the inventive antenna,

где 1 - верхняя линзовая структура,where 1 is the upper lens structure,

2 - нижняя линзовая структура,2 - lower lens structure,

4 - верхний проводящий экран,4 - upper conductive screen,

5 - нижний проводящий экран,5 - lower conductive screen,

6 - излучатель,6 - emitter

7 - рефлектор,7 - reflector,

8 - коммутатор,8 - switch

9 - внешнее приемо-передающее устройство.9 - external transceiver.

Фиг.3 - показывает совокупность проводящих цилиндров, образующих линзовую структуру,Figure 3 - shows a set of conductive cylinders forming a lens structure,

где 3 - проводящий цилиндр,where 3 is a conductive cylinder,

4 - верхний проводящий экран,4 - upper conductive screen,

5 - нижний проводящий экран.5 - lower conductive screen.

Фиг.4 - демонстрирует вид планарной диэлектрической линзы, расположенной в плоском волноводе,Figure 4 - shows a planar dielectric lens located in a planar waveguide,

где 10 - проводящая плоскость,where 10 is a conducting plane,

11 - элементарная ячейка.11 - unit cell.

Фиг.5 - иллюстрирует процесс выравнивания фронта волны, проходящей через линзу.5 - illustrates the process of aligning the front of the wave passing through the lens.

Фиг.6 - изображает неоднородность как элементарную ячейку,6 - depicts the heterogeneity as a unit cell,

где 3 - проводящий цилиндр.where 3 is a conductive cylinder.

Фиг.7 - показывает поперечную конфигурацию линзовой структуры.7 - shows a transverse configuration of the lens structure.

Фиг.8 - представляет эквивалентную схему линзовой структуры.Fig. 8 is an equivalent diagram of a lens structure.

Фиг.9 - демонстрирует парциальные диаграммы направленности.Fig.9 - shows a partial radiation pattern.

Фиг.10 - изображает топологию коммутатора,Figure 10 - depicts the topology of the switch,

где 12 - тандемный направленный ответвитель,where 12 is a tandem directional coupler,

13 - фазовращатель.13 - phase shifter.

Фиг.11 - представляет структуру тандемного направленного ответвителя.11 is a structure of a tandem directional coupler.

Фиг.12 - изображает поперечную структуру всей антенны,Fig - depicts the transverse structure of the entire antenna,

где 1 - верхняя линзовая структура,where 1 is the upper lens structure,

2 - нижняя линзовая структура,2 - lower lens structure,

3 - проводящий цилиндр,3 - conductive cylinder,

4 - верхний проводящий экран,4 - upper conductive screen,

5 - нижний проводящий экран,5 - lower conductive screen,

6 - излучатель,6 - emitter

7 - рефлектор,7 - reflector,

8 - коммутатор.8 - switch.

Фиг.13 - содержит таблицу фазовых соотношений входных сигналов.Fig - contains a table of phase relationships of the input signals.

Фиг.14 - демонстрирует способ возбуждения посредством двухщелевого излучателя,Fig - shows a method of excitation by means of a double-slot emitter,

где 1 - верхняя линзовая структура,where 1 is the upper lens structure,

4 - верхний проводящий экран,4 - upper conductive screen,

5 - нижний проводящий экран,5 - lower conductive screen,

14 - щелевой излучатель,14 - slot emitter

15 - симметричная запитывающая линия.15 is a symmetrical feed line.

Общий вид антенны представлен на Фиг.2. Основу антенны представляют собой верхняя (1) и нижняя (2) линзовые структуры с четырьмя монопольными излучателями (6) каждая.A general view of the antenna is shown in FIG. 2. The antenna is based on the upper (1) and lower (2) lens structures with four monopole emitters (6) each.

Излучатели (6) расположены по периферии боковой поверхности линзовой структуры (1), (2) на одинаковом расстоянии друг от друга. Каждый излучатель в отдельности формирует цилиндрическую волну, распространяющуюся в пространстве между верхним (4) и нижним (5) экранами с поляризацией, перпендикулярной экранам. Благодаря рефлекторам (7), расположенным за излучателями (6) на расстоянии, приблизительно равном четверти длины волны в среде диэлектрика, распространение волны наружу линзовой структуры (1), (2) значительно ослаблено и сконцентрировано в направлении к центру. В процессе распространения, при прохождении через замедляющую структуру линзы (1), (2), происходит преобразование цилиндрического фронта волны в близкий к плоскому.The emitters (6) are located at the periphery of the lateral surface of the lens structure (1), (2) at the same distance from each other. Each emitter individually forms a cylindrical wave propagating in the space between the upper (4) and lower (5) screens with a polarization perpendicular to the screens. Due to the reflectors (7) located behind the emitters (6) at a distance of approximately equal to a quarter of the wavelength in the dielectric medium, the wave propagation to the outside of the lens structure (1), (2) is significantly attenuated and concentrated towards the center. In the process of propagation, when passing through the retarding lens structure (1), (2), the cylindrical wave front is transformed to close to plane.

В роли замедляющей структуры линзы (1), (2) выступает совокупность реактивных элементов в виде проводящих цилиндров (3) на Фиг.3. Способ формирования замедляющей диаграммообразующей линзовой структуры показан на Фиг.4. Здесь две проводящие плоскости (10) выполняют роль плоского волновода, частично заполненного диэлектриком. Благодаря переменной плотности заполнения скорость распространения волны будет разной в отдельных частях волновода. Если разбить всю область заполнения на однородные ячейки (11), то фазовая задержка для периферийных ячеек будет меньше, чем для центральных.The role of the slowing-down structure of the lens (1), (2) is played by a set of reactive elements in the form of conductive cylinders (3) in FIG. 3. A method of forming a retarding diagram-forming lens structure is shown in FIG. 4. Here, two conducting planes (10) act as a plane waveguide partially filled with a dielectric. Due to the variable filling density, the wave propagation velocity will be different in individual parts of the waveguide. If we divide the entire filling region into homogeneous cells (11), then the phase delay for the peripheral cells will be less than for the central ones.

Фазовая задержка определится выражениемThe phase delay is determined by the expression

ϕ = 2 π ε e f λ 0 Δ l

Figure 00000001
ϕ = 2 π ε e f λ 0 Δ l
Figure 00000001

где εef - эффективная диэлектрическая проницаемость элементарной ячейки,where ε ef is the effective dielectric constant of the unit cell,

Δl - протяженность ячейки,Δl is the cell length,

λ0 - длина волны.λ 0 is the wavelength.

Область частичного заполнения диэлектриком имеет осевую симметрию. Часть фронта цилиндрической волны, распространяясь от монопольного излучателя (6), проходя через центральную область линзовой структуры (1), (2), испытывает большее замедление, чем часть, проходящая по периферии. В результате общий фронт волны получает существенное выравнивание, изображенное на Фиг.5, что и приводит к увеличению направленности антенны.The region of partial filling with a dielectric has axial symmetry. Part of the front of the cylindrical wave, propagating from the monopole emitter (6), passing through the central region of the lens structure (1), (2), experiences a greater deceleration than the part passing along the periphery. As a result, the common wave front receives a significant alignment, shown in Figure 5, which leads to an increase in the directivity of the antenna.

Помимо реального диэлектрика замедление скорости распространения может быть также реализовано путем введения в структуру специальных неоднородностей в виде реактивных элементов. Так неоднородность в виде проводящего цилиндра (3), изображенная на Фиг.6, представляет собой параллельный конденсатор, дающий фазовую задержку:In addition to a real dielectric, a slowdown in the propagation velocity can also be realized by introducing special inhomogeneities in the form of reactive elements into the structure. So the heterogeneity in the form of a conductive cylinder (3), depicted in Fig.6, is a parallel capacitor giving a phase delay:

C = f ( h ; d )  

Figure 00000002
C = f ( h ; d )
Figure 00000002
ϕ = arctan ( 2 ω C )
Figure 00000003
ϕ = arctan ( 2 ω C )
Figure 00000003

B = ω C     

Figure 00000004
B = ω C
Figure 00000004
φ  - фазовый сдвиг , даваемый проводящим  цилиндром , С - эквивалентная емкость неоднородности , h - высота цилиндра , d - диаметр цилиндра .
Figure 00000005
φ - phase shift given by the conductive cylinder , C is the equivalent capacity of the heterogeneity , h - cylinder height , d - cylinder diameter .
Figure 00000005

Таким образом, проводящий цилиндр (3) можно представить как элементарную ячейку протяженностью Δl, заполненную диэлектриком с эффективной диэлектрической проницаемостью, дающей такой же фазовый сдвиг, как и цилиндр. На Фиг.6 граничные плоскости эквивалентной ячейки обозначены как T1 и T2. В итоге, проводящий цилиндр (3) может быть представлен как ячейка (11), заполненная искусственным диэлектриком. Очевидно, что эффективная диэлектрическая проницаемость такого диэлектрика зависит от высоты цилиндра и его диаметра, а также от высоты плоского волновода. Следовательно, чтобы сформировать линзовую структуру (1), (2), выравнивающую фронт волны, требуется, чтобы высота цилиндров была максимальной в центре и уменьшалась к периферии. Структура такой линзовой структуры (1), (2) должна быть также осесимметрична. На Фиг.7 изображено поперечное сечение линзовой структуры (1), (2). Высота цилиндров должна меняться так, чтобы приблизительно выполнялось следующее условие:Thus, the conducting cylinder (3) can be represented as a unit cell of length Δl filled with a dielectric with an effective dielectric constant giving the same phase shift as the cylinder. 6, the boundary planes of the equivalent cell are designated as T1 and T2. As a result, the conducting cylinder (3) can be represented as a cell (11) filled with an artificial dielectric. Obviously, the effective dielectric constant of such a dielectric depends on the height of the cylinder and its diameter, as well as on the height of the plane waveguide. Therefore, in order to form the lens structure (1), (2), which aligns the wave front, it is required that the height of the cylinders be maximum in the center and decrease towards the periphery. The structure of such a lens structure (1), (2) should also be axisymmetric. 7 shows a cross section of the lens structure (1), (2). The height of the cylinders should be changed so that the following condition is approximately satisfied:

ε e f ( r ) = 2 r 2 R 2

Figure 00000006
ε e f ( r ) = 2 - r 2 R 2
Figure 00000006

где εef(r) - эффективная диэлектрическая проницаемость искусственного диэлектрика, выполненного на базе металлических цилиндров, приведенная к проницаемости среды, окружающую линзу.where ε ef (r) is the effective dielectric constant of an artificial dielectric made on the basis of metal cylinders, reduced to the permeability of the medium surrounding the lens.

r - текущий радиус линзы,r is the current radius of the lens,

R - внешний радиус линзы.R is the outer radius of the lens.

На Фиг.8 представлена эквивалентная схема линзовых структур (1), (2). Значения реактивных проводимостей определяются экспериментально либо аналитически. Для того, чтобы элементы линзовых структур (1), (2) не вызывали существенных отражений падающей волны, расстояние между соседними проводящими цилиндрами (3) (длина согласующего трансформатора Tr) должно быть такой, чтобы выполнялось условие:On Fig presents an equivalent diagram of the lens structures (1), (2). The values of reactive conductivities are determined experimentally or analytically. In order for the elements of the lens structures (1), (2) not to cause significant reflections of the incident wave, the distance between adjacent conducting cylinders (3) (length of the matching transformer Tr) must be such that the condition is satisfied:

B n + B n 1 ' = min ;

Figure 00000007
B n + B n - one '' = min ;
Figure 00000007

B n 1 ' = Im ( Y n 1 + tanh ( k l t r ) 1 + Y n 1 tanh ( k l t r ) )

Figure 00000008
B n - one '' = Im ( Y n - one + tanh ( k l t r ) one + Y n - one tanh ( k l t r ) )
Figure 00000008

Y n 1 = 1 + j B n 1

Figure 00000009
Y n - one = one + j B n - one
Figure 00000009

где ltr - длина трансформатора.where l tr is the length of the transformer.

На Фиг.8 представлена парциальная диаграмма направленности антенны в плоскости формирования луча (плоскость вектора Н) с учетом потерь в диэлектрике. Сканирование осуществляется путем переключения элементарных излучателей.On Fig presents a partial radiation pattern of the antenna in the plane of beam formation (plane of the vector H) taking into account losses in the dielectric. Scanning is carried out by switching elementary emitters.

Благодаря осевой симметрии всей системы одинаковые диаграммы будут располагаться на равных углах один от другого. Для плавного перекрытия заданной области без существенной девиации уровня усиления парциальная диаграмма направленности должна быть достаточной ширины. Так как ширина диаграммы определяется в первую очередь размером линзы, то имеются ограничения на ее размеры. В данном случае диаметр линзы не должен превышать 2λ, для обеспечения перекрытия соседних диаграмм по уровню 3 дБ. Высота линзы ограничена конструктивными и технологическими требованиями, а также условием отсутствия высших типов волн.Due to the axial symmetry of the entire system, identical diagrams will be located at equal angles from one another. For smooth overlapping of a given area without significant deviation of the gain level, the partial radiation pattern should be of sufficient width. Since the width of the chart is determined primarily by the size of the lens, there are restrictions on its size. In this case, the diameter of the lens should not exceed 2λ, to ensure that adjacent diagrams overlap at a level of 3 dB. The height of the lens is limited by design and technological requirements, as well as the condition for the absence of higher types of waves.

h < λ 2 ε f i l

Figure 00000010
h < λ 2 ε f i l
Figure 00000010

где εfil - диэлектрическая проницаемость материала заполнения линзы.where ε fil is the dielectric constant of the lens filling material.

Переключение каналов в процессе сканирования осуществляется специальным пассивным коммутатором, расположенным между верхней и нижней линзами. Топология коммутатора показана на Фиг.10. Все элементы коммутатора выполнены в двух смежных слоях диэлектрика на базе симметричной полосковой линии. Основной элемент коммутатора - это тандемный направленный ответвитель (12) с полной связью, показанный на Фиг.11. Вся схема позволяет суммировать сигналы, поступающие одновременно на восемь входных портов на каком-либо одном выходном порте, соединенным с соответствующим элементарным излучателем (6). Номер выхода зависит от фазовых соотношений входных сигналов. С помощью дополнительных фазовращателей (13) обеспечивается смешанный режим, когда возможно подать равнофазный сигнал одновременно на два соседних элементарных излучателя. В этом случае формируется диаграмма направленности, занимающая промежуточное положение между двумя основными, при этом зона сканирования будет иметь более равномерное покрытие. Коммутатор имеет прямые потери около 1,5 дБ и развязку между выключенными каналами не хуже 20 дБ.Channel switching during the scanning process is carried out by a special passive switch located between the upper and lower lenses. The topology of the switch is shown in FIG. 10. All elements of the switch are made in two adjacent layers of the dielectric based on a symmetrical strip line. The main element of the switch is a tandem directional coupler (12) with full communication, shown in Fig.11. The whole circuit allows summing the signals arriving simultaneously at eight input ports on any one output port connected to the corresponding elementary emitter (6). The output number depends on the phase relationships of the input signals. Using additional phase shifters (13), a mixed mode is provided when it is possible to apply an equiphase signal simultaneously to two neighboring elementary radiators. In this case, a radiation pattern is formed that occupies an intermediate position between the two main ones, while the scanning area will have a more uniform coverage. The switch has direct losses of about 1.5 dB and the isolation between the switched off channels is not worse than 20 dB.

В таблице, приведенной на Фиг.13.1, указаны значения фаз входных сигналов для передачи всей мощности в тот или иной выходной порт коммутатора.The table in FIG. 13.1 shows the phase values of the input signals for transmitting all the power to one or another output port of the switch.

В таблице, приведенной на Фиг.13.2, указаны значения фаз входных сигналов для смешанного режима, когда мощность делится между двумя портами для возбуждения пары смежных излучателей.The table in FIG. 13.2 shows the phase values of the input signals for mixed mode, when the power is divided between two ports to excite a pair of adjacent emitters.

Общий поперечный разрез структуры антенны показан на Фиг.12.A general cross-section of an antenna structure is shown in FIG.

Заявляемое изобретение может быть использовано в портативных средствах коммуникации, а именно там, где требуется осуществлять надежный прием с меняющегося направления и пространственное подавление интерферирующих направлений. В качестве примера можно привести WiFi- и WiGig-коммуникации; телевизионный прием для подвижных объектов; радары для автомобилей, осуществляющие круговой обзор.The claimed invention can be used in portable means of communication, namely, where it is required to carry out reliable reception from a changing direction and spatial suppression of interfering directions. Examples include WiFi and WiGig communications; television reception for moving objects; radars for cars, providing a circular view.

Claims (7)

1. Направленная сканирующая планарная портативная линзовая антенна, включающая в себя:
верхнюю (1) и нижнюю (2) линзовые структуры в виде набора проводящих цилиндров (3), расположенных между двумя проводящими экранами - наружным экраном (4) и внутренним экраном (5),
перпендикулярно им и в контакте с внутренним экраном, при этом цилиндры каждой линзовой структуры имеют переменную высоту и размещены таким образом, что расстояние между цилиндрами приблизительно равно четверти длины волны в окружающем диэлектрике, причем в центральной части высота цилиндров максимальна и уменьшается к периферии; область, занимаемая цилиндрами, имеет круглую форму с осевой симметрией, причем нижняя линзовая структура (2) является зеркальным отражением верхней линзовой структуры (1);
монопольные излучатели (6), из которых верхние расположены по периферии верхней линзовой структуры (1), а нижние расположены на периферии нижней линзовой структуры (2) коллинеарно проводящим цилиндрам (3) на равных угловых расстояниях один от другого в 45 градусов относительно центра, причем группа верхних излучателей расположена диаметрально противоположно группе нижних излучателей; излучатели (6) выполнены с возможностью формирования цилиндрической волны, распространяющейся в плоском волноводе, образованном наружным экраном (4) и внутренним экраном (5), в сторону линзовых структур (1) и (2);
рефлекторы (7) в виде трех проводящих цилиндров, расположенных с противоположной от линзовых структур (1), (2) стороны каждого излучателя на расстоянии, приблизительно равном четверти длины волны в заполняемом диэлектрике, причем рефлекторы (7) выполнены с возможностью формирования направленного распространения волны в сторону центра линзовых структур (1) и (2);
коммутатор (8), расположенный в средней части всей системы между верхней линзовой структурой (1) и нижней линзовой структурой (2) в виде пассивного шестнадцатиполюсного устройства, выполненного на базе двухфидерной офсетной симметричной линии, причем каждый выходной порт коммутатора соединен с соответствующим излучателем (6), а каждый входной порт соединен с отдельным портом внешнего восьмиканального приемо-передающего устройства (9); коммутатор (8) выполнен с возможностью суммирования мощности восьми входных сигналов на одном или на двух излучателях (б) в режиме сканирования.
1. Directional scanning planar portable lens antenna, including:
the upper (1) and lower (2) lens structures in the form of a set of conductive cylinders (3) located between two conductive screens - the outer screen (4) and the inner screen (5),
perpendicular to them and in contact with the inner screen, while the cylinders of each lens structure have a variable height and are placed in such a way that the distance between the cylinders is approximately equal to a quarter of the wavelength in the surrounding dielectric, and in the central part the height of the cylinders is maximum and decreases to the periphery; the area occupied by the cylinders has a circular shape with axial symmetry, and the lower lens structure (2) is a mirror image of the upper lens structure (1);
monopoly emitters (6), of which the upper ones are located on the periphery of the upper lens structure (1), and the lower ones are located on the periphery of the lower lens structure (2) collinearly conducting cylinders (3) at equal angular distances from each other at 45 degrees from the center, and the group of upper emitters is located diametrically opposite to the group of lower emitters; emitters (6) are configured to generate a cylindrical wave propagating in a plane waveguide formed by the outer shield (4) and the inner shield (5) towards the lens structures (1) and (2);
reflectors (7) in the form of three conductive cylinders located on the opposite side of the lens structures (1), (2) of each emitter at a distance of approximately a quarter of the wavelength in the filled dielectric, and reflectors (7) are configured to form a directional wave propagation towards the center of the lens structures (1) and (2);
a switch (8) located in the middle part of the entire system between the upper lens structure (1) and the lower lens structure (2) in the form of a passive sixteen-pole device made on the basis of a two-feed offset symmetrical line, with each output port of the switch connected to a corresponding emitter (6 ), and each input port is connected to a separate port of an external eight-channel transceiver (9); the switch (8) is configured to sum the power of eight input signals on one or two emitters (b) in the scanning mode.
2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние экраны (5) снабжены активными щелями (14), выполненными с возможностью возбуждения цилиндрической направленной волны в пространстве между проводящими экранами (4) и (5).2. The antenna according to claim 1, characterized in that the inner screens (5) are provided with active slots (14) configured to excite a cylindrical directed wave in the space between the conducting screens (4) and (5). 3. Антенна по п. 2, отличающаяся тем, что щели расположены на периферии линзовых структур (1) и (2) с осями, параллельными касательной к границе линзовых структур (1) и (2), причем расстояние между щелями равно приблизительно четверти длины волны в среде заполнения.3. The antenna according to claim 2, characterized in that the slots are located on the periphery of the lens structures (1) and (2) with axes parallel to the tangent to the boundary of the lens structures (1) and (2), and the distance between the slits is approximately a quarter of the length waves in the filling medium. 4. Антенна по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что щели запитываются симметричной линией (15), соединенной с соответствующим выходным портом коммутатора (8), таким образом, что фаза возбуждаемого сигнала для щели, расположенной ближе к центру системы, отстает на 90 градусов от фазы сигнала для второй щели.4. The antenna according to claim 2 or 3, characterized in that the slots are fed by a symmetrical line (15) connected to the corresponding output port of the switch (8), so that the phase of the excited signal for the slot located closer to the center of the system lags behind 90 degrees from the phase of the signal for the second slit. 5. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что соединение между линзовыми структурами (1) и (2) и коммутатором является бесконтактным.5. The antenna according to claim 1, characterized in that the connection between the lens structures (1) and (2) and the switch is non-contact. 6. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что каждый выходной порт коммутатора имеет свой номер, который определяется фазовыми соотношениями между входными сигналами.6. The antenna according to claim 1, characterized in that each output port of the switch has its own number, which is determined by the phase relationships between the input signals. 7. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что все элементы антенны выполнены на базе технологии изготовления многослойных печатных плат в виде полосковых проводников или металлизированных отверстий. 7. The antenna according to claim 1, characterized in that all elements of the antenna are made on the basis of the manufacturing technology of multilayer printed circuit boards in the form of strip conductors or metallized holes.
RU2013138352/08A 2013-08-19 2013-08-19 Directed scanning planar portable lens antenna RU2566970C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013138352/08A RU2566970C2 (en) 2013-08-19 2013-08-19 Directed scanning planar portable lens antenna

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013138352/08A RU2566970C2 (en) 2013-08-19 2013-08-19 Directed scanning planar portable lens antenna

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013138352A RU2013138352A (en) 2015-02-27
RU2566970C2 true RU2566970C2 (en) 2015-10-27

Family

ID=53279212

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013138352/08A RU2566970C2 (en) 2013-08-19 2013-08-19 Directed scanning planar portable lens antenna

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2566970C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112542689B (en) * 2020-12-04 2024-06-14 深圳汉阳天线设计有限公司 Multi-radiator antenna and electronic equipment

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6317092B1 (en) * 2000-01-31 2001-11-13 Focus Antennas, Inc. Artificial dielectric lens antenna
RU2233017C1 (en) * 2002-12-02 2004-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Алгоритм" Controlled-pattern antenna assembly and planar directive antenna
RU2258285C1 (en) * 2003-11-21 2005-08-10 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Planar antenna
RU2279742C2 (en) * 2004-01-14 2006-07-10 2 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации (2ЦНИИ МО РФ) Double-polarized array

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6317092B1 (en) * 2000-01-31 2001-11-13 Focus Antennas, Inc. Artificial dielectric lens antenna
RU2233017C1 (en) * 2002-12-02 2004-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Алгоритм" Controlled-pattern antenna assembly and planar directive antenna
RU2258285C1 (en) * 2003-11-21 2005-08-10 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Planar antenna
RU2279742C2 (en) * 2004-01-14 2006-07-10 2 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации (2ЦНИИ МО РФ) Double-polarized array

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013138352A (en) 2015-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11387568B2 (en) Millimeter-wave antenna array element, array antenna, and communications product
US7079082B2 (en) Coplanar waveguide continuous transverse stub (CPW-CTS) antenna for wireless communications
US10003117B2 (en) Two-port triplate-line/waveguide converter having two probes with tips extending in different directions
CN110148828B (en) Antenna unit and electronic device
CN107968267B (en) Multi-beam end-fire antenna
CN110401020B (en) Antenna unit and electronic device
CN109742538B (en) Millimeter wave phased array magnetic dipole antenna of mobile terminal and antenna array thereof
CN112701497B (en) Low-profile shared-aperture dual-circular-polarization orbital angular momentum state multiplexing antenna
JP2005523628A (en) Leaky wave dual polarization slot type antenna
WO2018095541A1 (en) Planar array antenna
Juneja et al. Design considerations for implementation of planar antennas for millimeter wave (mmW) 5G network: a review
Shallah et al. Recent developments of butler matrix from components design evolution to system integration for 5g beamforming applications: A survey
CN110176668B (en) Antenna unit and electronic device
Aparna et al. Review on substrate integrated waveguide cavity backed slot antennas
US20150333408A1 (en) Antenna device and wireless transmission device
Bembarka et al. A novel wideband beamforming antenna for 5G applications by eliminating the phase shifters and crossovers from the Butler matrix
CN117728162A (en) Compact broadband beam switching antenna array architecture
RU2566970C2 (en) Directed scanning planar portable lens antenna
Di Paola et al. A novel lens antenna design based on a bed of nails metasurface for new generation mobile devices
KR101598341B1 (en) Waveguide slot array antenna including slots having different width
CN113067133B (en) Low-profile low-sidelobe large-angle frequency-scanning array antenna
CN113964489A (en) Wide-angle scanning phased-array antenna based on bent gaps
YE et al. Multibeam antenna based on butler matrix for 3G/LTE/5G/B5G base station applications
Temga et al. 28GHz-band 2x2 patch antenna module vertically integrated with a compact 2-D BFN in broadside coupled stripline structure
Liu et al. The Slotted Waveguide Array Antenna with Reflection Canceling Stairs in Millimeter Waveband