RU2660385C1

RU2660385C1 - Scanning lens antenna

Info

Publication number: RU2660385C1
Application number: RU2017126581A
Authority: RU
Inventors: Олеся Викторовна Болховская; Валентин Михайлович Селезнев; Владимир Дмитриевич Голубь
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Радио Модуль НН"
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2018-07-06

Abstract

FIELD: antenna equipment.

SUBSTANCE: invention relates to antenna equipment and is intended for use in high-speed radio relay stations (RRS), preferably in the millimeter wavelength range. Scanning lens antenna comprises dielectric lens, which body shape is formed by the aplanatic focusing geometry profile rotation around the lens vertical focal axis, near which the phased array antenna (FAA) radiating elements are placed, which form the FAA separate horizontal sub-arrays (modules), which number is determined by the required number of antenna pattern (AP) discrete positions in the elevation plane.

EFFECT: technical result is possibility of the beam simultaneous continuous wide-angle movement in the azimuth plane and discrete scanning in the elevation plane.

17 cl, 18 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в высокоскоростных радиорелейных станциях (РРС), преимущественно миллиметрового диапазона длин волн.The invention relates to antenna technology and is intended for use in high-speed radio relay stations (RRS), mainly of the millimeter wavelength range.

Современные стандарты широкополосных высокоскоростных систем сотовой связи 4-го поколения (WiMAX-Advanced IEEE802.16m и LTE-Advanced 3GPP LTE Rel.10) и стандарты беспроводного доступа в Интернет Wi-Fi (IEEE 802.11ac и IEEE 802.11ad) для полного использования пропускной способности канала связи применяют высокоэффективные методы помехоустойчивого кодирования, новые виды широкополосной модуляции (OFDM, OFDMA, MIMO-OFDM и т.д.), а также разнообразные алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов. Тем не менее, даже эти современные системы мобильной радиосвязи при их полном развертывании не сумеют удовлетворить столь стремительно возрастающие потребности пользователей. Поэтому задача нахождения новых путей к повышению пропускной способности существующих систем мобильной наземной радиосвязи является весьма актуальной для всего мирового сообщества.4th Generation Modern Broadband High Speed Cellular Systems (WiMAX-Advanced IEEE802.16m and LTE-Advanced 3GPP LTE Rel.10) and Wi-Fi Wireless Internet Standards (IEEE 802.11ac and IEEE 802.11ad) for full bandwidth usage communication channel capabilities use highly efficient methods of error-correcting coding, new types of broadband modulation (OFDM, OFDMA, MIMO-OFDM, etc.), as well as various algorithms for spatio-temporal signal processing. However, even these modern mobile radio systems, when fully deployed, will not be able to satisfy such rapidly growing user needs. Therefore, the task of finding new ways to increase the capacity of existing systems of mobile terrestrial radio communications is very important for the entire world community.

Одним из перспективных подходов к построению систем мобильной радиосвязи 5-го поколения является развертывание неоднородных сетей на основе существующих систем сотовой связи LTE. Предполагается, что в зонах покрытия макросот LTE в местах большого скопления пользователей (hot-spots) будут дополнительно располагаться малые соты (с радиусом покрытия несколько десятков метров). При этом передача большого объема данных от базовых станций, обслуживающих малые соты, к макростанциям будет осуществляться с помощью опорной сети из небольших релейных станций, обеспечивающих передачу данных со скоростями до 10 Гбит/сек. Таким образом, одним из основных элементов опорной сети будущих неоднородных сетей сотовой связи 5-го поколения могут стать небольшие дешевые релейные станции, оснащенные сканирующими антенными системами.One of the promising approaches to the construction of 5th generation mobile radio communication systems is the deployment of heterogeneous networks based on existing LTE cellular communication systems. It is assumed that in the coverage areas of LTE macrocells in places of large congestion of users (hot-spots), small cells (with a radius of coverage of several tens of meters) will additionally be located. At the same time, the transfer of a large amount of data from base stations serving small cells to macrostations will be carried out using a core network of small relay stations that provide data transfer at speeds of up to 10 Gbit / s. Thus, one of the main elements of the core network of future heterogeneous 5th generation cellular networks may be small cheap relay stations equipped with scanning antenna systems.

Известна система радиорелейной связи с электронной подстройкой луча (патент RU 2585309), которая содержит два удаленных друг от друга приемопередатчика миллиметрового диапазона длин волн, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных в дуплексном режиме и содержащих высоконаправленные антенны, способные обеспечить электронное сканирование в некотором непрерывном диапазоне углов. Также каждый приемопередатчик содержит модуль управления, реализующий алгоритмы управления положением основного луча диаграммы направленности сканирующей интегрированной линзовой антенны, представляющей собой диэлектрическую линзу эллиптической или квазиэллиптической формы с решеткой переключаемых первичных излучателей, интегрированной на заднюю (плоскую) фокальную поверхность линзы.A known radio relay communication system with electronic beam adjustment (patent RU 2585309), which contains two remote transceivers of millimeter wavelengths providing high-speed data transmission in duplex mode and containing highly directional antennas capable of providing electronic scanning in some continuous range of angles. Each transceiver also contains a control module that implements control algorithms for the position of the main beam of the radiation pattern of a scanning integrated lens antenna, which is an elliptical or quasi-elliptic dielectric lens with an array of switched primary emitters integrated on the rear (flat) focal surface of the lens.

Известна линзовая антенна с электронным сканированием луча (RU 2494506), содержащая диэлектрическую линзу с плоской поверхностью, антенные элементы и систему переключения, выполненную с возможностью подачи сигнала по меньшей мере на один из антенных элементов, при этом антенные элементы представляют собой рупорные антенные элементы, установленные на задней (плоской) поверхности диэлектрической линзы с обеспечением возможности направления их излучения на линзу. Кроме этого линза содержит приемопередатчик, выполненный с возможностью передачи сигнала на один из антенных элементов и приема сигнала от одного из антенных элементов и электрически соединенный с системой переключения.Known lens antenna with electronic scanning of the beam (RU 2494506), containing a dielectric lens with a flat surface, antenna elements and a switching system configured to supply a signal to at least one of the antenna elements, while the antenna elements are horn antenna elements installed on the back (flat) surface of the dielectric lens with the possibility of directing their radiation to the lens. In addition, the lens contains a transceiver configured to transmit a signal to one of the antenna elements and receive a signal from one of the antenna elements and is electrically connected to a switching system.

Известно устройство диэлектрической линзы для передающей антенны (US 6590544), в котором использован диэлектрический линзовый узел, включающий диэлектрическое удлинение на полусферической диэлектрической линзе. Полусферическая часть и удлинительная часть изготовлены с использованием диэлектрического материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, большую, чем диэлектрическая проницаемость среды связи. Например, для использования в воздухе диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала должна быть больше единицы. Вся полусферическая линза и удлинительный узел могут представлять собой единый кусок диэлектрического материала, желаемой формы, или сборки изготовленную с использованием множества диэлектрических компонентов, соединенных вместе для образования линзы. Удлинительная часть линзы может иметь цилиндрическую или коническую форму.A dielectric lens device for a transmitting antenna is known (US 6,590,544), in which a dielectric lens assembly including a dielectric extension on a hemispherical dielectric lens is used. The hemispherical part and the extension part are made using a dielectric material having a dielectric constant greater than the dielectric constant of the communication medium. For example, for use in air, the dielectric constant of the dielectric material must be greater than unity. The entire hemispherical lens and the extension assembly can be a single piece of dielectric material of the desired shape, or an assembly made using a plurality of dielectric components connected together to form a lens. The extension of the lens may be cylindrical or conical in shape.

В качестве прототипа настоящего изобретения принято антенное устройство с электронным сканированием луча по патенту RU 2586023, которое содержит диэлектрическую линзу с плоской поверхностью, первичные излучатели с линиями передачи и переключающую схему для подачи электрической мощности по меньшей мере на один первичный излучатель, при этом первичные излучатели и линии передачи выполнены на высокочастотной диэлектрической плате, установленной на плоской (задней) поверхности линзы, а переключающая схема электрически соединена с первичными излучателями линиями передачи и установлена на высокочастотной диэлектрической плате.As a prototype of the present invention, an antenna device with electron beam scanning according to patent RU 2586023 is adopted, which comprises a dielectric lens with a flat surface, primary emitters with transmission lines and a switching circuit for supplying electric power to at least one primary emitter, the primary emitters and transmission lines are made on a high-frequency dielectric board mounted on a flat (back) surface of the lens, and the switching circuit is electrically connected to the primary and emitters by transmission lines and is mounted on a high-frequency dielectric board.

Конструкции всех антенн - аналогов и прототипа подразумевают наличие диэлектрической линзы, форма которой может быть отнесена к группе эллипсоидов вращения (полуэллипсоидов с продолжением, усеченных эллипсоидов и др.) или полусферы с цилиндрическим (коническим или др.) продолжением. Хорошо известно [см. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. - М.: Советское радио, 1974. - 280 с.; Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1970. - 856 с.; Фок. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн. - М.: Сов. Радио, 1970. - 517 с], что такие линзы обладают апланатичностью, то есть способностью к отклонению основного луча диаграммы направленности при смещении первичного антенного элемента. Угол отклонения основного луча линзой зависит от величины смещения первичного антенного элемента относительно центральной оси линзы, и с увеличением смещения увеличивается угол наклона плоского волнового фронта по отношению к оси линзы, что приводит к отклонению основного луча диаграммы направленности линзовой антенны в дальней зоне. Это свойство заложено в основу принципа сканирования лучом в антеннах - аналогах и прототипе. Однако с увеличением смещения первичного антенного элемента возрастает уровень внутренних переотражений в теле линзы. Следует отметить, что для антенного элемента, находящегося в центре задней (плоской) поверхности эллиптической линзы, условия для полного внутреннего отражения не выполняются ни в одной точке внешней поверхности линзы. Однако такие условия возникают при наличии смещения антенного элемента относительно центральной оси линзы, и при увеличении смещения возрастает величина отраженной мощности. Это приводит к значительному уменьшению коэффициента направленного действия антенны при широкоугольном сканировании, увеличению уровня боковых лепестков и является основным фактором, ограничивающим сканирующие способности интегрированных эллиптических и полусферических с цилиндрическим продолжением линзовых антенн.The designs of all antennas - analogs and prototypes imply the presence of a dielectric lens, the shape of which can be assigned to a group of ellipsoids of revolution (semi-ellipsoids with a continuation, truncated ellipsoids, etc.) or hemispheres with a cylindrical (conical or other) extension. It is well known [see Zelkin E.G., Petrova R.A. Lens antennas. - M .: Soviet Radio, 1974. - 280 p .; Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. - M .: Nauka, 1970 .-- 856 p .; Fock. Problems of diffraction and propagation of electromagnetic waves. - M .: Owls. Radio, 1970. - 517 s] that such lenses have aplanatism, that is, the ability to deflect the main beam of the radiation pattern when the primary antenna element is displaced. The angle of deflection of the main beam by the lens depends on the magnitude of the displacement of the primary antenna element relative to the central axis of the lens, and the angle of inclination of the plane wavefront with respect to the axis of the lens increases with an increase in the displacement, which leads to a deviation of the main beam of the directivity pattern of the lens antenna in the far zone. This property is the basis of the principle of beam scanning in antennas - analogues and prototype. However, with an increase in the displacement of the primary antenna element, the level of internal rereflections in the body of the lens increases. It should be noted that for an antenna element located in the center of the rear (flat) surface of an elliptical lens, the conditions for total internal reflection are not satisfied at any point on the outer surface of the lens. However, such conditions arise when there is a displacement of the antenna element relative to the central axis of the lens, and when the bias increases, the magnitude of the reflected power increases. This leads to a significant decrease in the directional coefficient of the antenna during wide-angle scanning, an increase in the level of side lobes and is the main factor limiting the scanning abilities of integrated elliptical and hemispherical lenses with a cylindrical extension.

Таким образом, основным недостатком антенн - аналогов и прототипа является то обстоятельство, что их конструкции не позволяют осуществить возможность широкоугольного сканирования лучом в азимутальной (горизонтальной) плоскости. Вместе с тем, многие реальные системы связи и радиолокации миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн требуют функционирование антенн в достаточно широком азимутальном секторе углов с одновременной подстройкой направления излучения в угломестной плоскости.Thus, the main disadvantage of antennas - analogues and prototype is the fact that their designs do not allow the possibility of wide-angle beam scanning in the azimuthal (horizontal) plane. At the same time, many real communication and radar systems of the millimeter and centimeter wavelength ranges require the operation of antennas in a rather wide azimuthal sector of angles with simultaneous adjustment of the radiation direction in the elevation plane.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции антенны, обеспечивающей непрерывное сканирование лучом в широком угловом секторе азимутальной плоскости с одновременным сканированием (подстройкой) в угломестной плоскости. Это необходимо для быстрой перестройки направления излучения от одной релейной станции к другой при большом числе радиорелейных станций в опорной сети, упрощает подстройку луча при первичной юстировке антенн приемника и передатчика, а также обеспечивает поддержку высокоскоростной радиосвязи с движущимися объектами. Все это делает заявленную конструкцию антенны весьма привлекательной для многих технических применений в современных высокоскоростных системах радиосвязи и радиолокации.The problem to which the invention is directed, is to create an antenna design that provides continuous beam scanning in a wide angular sector of the azimuthal plane with simultaneous scanning (adjustment) in the elevation plane. This is necessary for quick adjustment of the direction of radiation from one relay station to another with a large number of radio relay stations in the reference network, simplifies beam adjustment during the initial alignment of the receiver and transmitter antennas, and also provides support for high-speed radio communication with moving objects. All this makes the claimed antenna design very attractive for many technical applications in modern high-speed radio communication and radar systems.

Техническим результатом является то, что предлагаемая конструкция антенны обеспечивает одновременное непрерывное широкоугольное перемещение луча (сканирование) в азимутальной плоскости и дискретное сканирование в угломестной плоскости.The technical result is that the proposed antenna design provides simultaneous continuous wide-angle beam movement (scanning) in the azimuthal plane and discrete scanning in the elevation plane.

Решение поставленной задачи достигается тем, что заявляемая сканирующая линзовая антенна (см. фиг. 1) включает в себя первичный излучатель - фазированную антенную решетку (ФАР) 1, элементы 2 которой формируют отдельные горизонтальные подрешетки (модули) ФАР 3, и диэлектрическую линзу 4. При этом возможно, что:The solution to this problem is achieved by the fact that the inventive scanning lens antenna (see Fig. 1) includes a primary emitter — a phased antenna array (PAR) 1, the elements of which 2 form separate horizontal sublattices (modules) of the PAR 3, and a dielectric lens 4. Moreover, it is possible that:

1) Подрешетки ФАР сформированы из микрополосковых антенных элементов с линейной поляризацией;1) PAR sublattices are formed from microstrip antenna elements with linear polarization;

2) Подрешетки ФАР сформированы из микрополосковых антенных элементов с двойной поляризацией;2) PAR sublattices are formed from microstrip antenna elements with double polarization;

3) Подрешетки ФАР сформированы из волноводно-щелевых антенных элементов.3) The PAR sublattices are formed of slotted waveguide antenna elements.

Ключевой особенностью является возможность у каждой подрешетки 3 осуществлять широкоугольное сканирование лучом в азимутальной (горизонтальной) плоскости XZ (см. фиг. 1). Для сохранения этого свойства, тело линзы определяется путем вращения вокруг вертикальной оси 5, проходящей вблизи излучателя, геометрического профиля 6 и имеет, поэтому, тороидальную форму. При этом геометрический профиль 6 включает в себя внутреннюю 7 (обращенную к источнику) и внешнюю 8 поверхности и обладает возможностью фокусировать излучение в угломестной (вертикальной) плоскости XY (см. фиг. 1). Подразумевается, что излучатель (ФАР) 1 расположен вблизи вертикальной фокальной оси 5 профиля.A key feature is the ability of each sublattice 3 to carry out wide-angle beam scanning in the azimuthal (horizontal) XZ plane (see Fig. 1). To preserve this property, the body of the lens is determined by rotation around the vertical axis 5, passing near the emitter, geometric profile 6 and therefore has a toroidal shape. In this case, the geometric profile 6 includes an inner 7 (facing the source) and an outer 8 surface and has the ability to focus the radiation in the elevation (vertical) plane XY (see Fig. 1). It is understood that the emitter (PAR) 1 is located near the vertical focal axis 5 of the profile.

Для осуществления электронного сканирования по углу места, необходимо, чтобы профиль 6 линзы 4 был апланатическим. Апланатичность подразумевает собой возможность качания (изменения направления главного луча) диаграммы направленности (ДН) линзовой антенны путем перемещения излучателя из фокуса линзы вдоль некоторой линии. В данном случае, роль этой линии выполняет вертикальная фокальная ось 5 линзы, на которой располагаются горизонтальные подрешетки ФАР 3, образуя вертикальный столбец из подрешеток. Путем поочередного электронного переключения между модулями ФАР 3 можно изменять положение излучателя относительно фокуса линзы и тем самым осуществить электронное качание (сканирование) диаграммы направленности по углу места. Количество подрешеток (модулей) определяется необходимым количеством дискретных положений диаграммы направленности (ДН) антенны в угломестной плоскости.For electronic scanning by elevation, it is necessary that the profile 6 of the lens 4 was aplanatic. Aplanatism implies the possibility of rocking (changing the direction of the main beam) of the radiation pattern (LH) of the lens antenna by moving the emitter from the focus of the lens along a certain line. In this case, the role of this line is played by the vertical focal axis 5 of the lens, on which the horizontal sublattices of the PAR 3 are located, forming a vertical column of sublattices. By alternately electronically switching between the PAR 3 modules, it is possible to change the position of the emitter relative to the focus of the lens and thereby electronically swing (scan) the radiation pattern in elevation. The number of sublattices (modules) is determined by the required number of discrete positions of the antenna pattern in the elevation plane.

При расчете апланатических профилей тел линз можно использовать метод геометрической оптики, который в данном случае был реализован в программном пакете Matlab. Для получения точных характеристик диаграммы направленности, коэффициента направленного действия и других параметров применялась программа электромагнитного моделирования CST Microwave Studio, основанная на методе конечных разностей во временной области.When calculating aplanatic profiles of lens bodies, you can use the method of geometric optics, which in this case was implemented in the Matlab software package. To obtain the exact characteristics of the radiation pattern, directional coefficient, and other parameters, the electromagnetic simulation program CST Microwave Studio was used, based on the finite-difference method in the time domain.

Геометрический профиль 6 тела линзы заявляемой антенны, показанный схематически на фиг. 1б, может иметь различную форму, в частности, может быть использован бифокальный профиль. Особенностью бифокальных линз является наличие двух преломляющих поверхностей и двух точек идеальной фокусировки. На фиг. 2 показаны траектории лучей, выходящих из источников, расположенных в фокусах А₁ 9 и А₂ 10 бифокальной линзы. Если поместить фазовый центр излучателя в любую из этих точек, то на выходе линзы получится фазовый фронт 11 (или 12), имеющий наклон на некоторый угол α относительно плоскости раскрыва линзы. Таким образом, попеременным переключением первичных источников излучения (модулей ФАР) можно добиться сканирования в вертикальной плоскости.The geometric profile 6 of the lens body of the claimed antenna, shown schematically in FIG. 1b may have a different shape, in particular, a bifocal profile may be used. A feature of bifocal lenses is the presence of two refracting surfaces and two points of perfect focus. In FIG. 2 shows the paths of rays emerging from sources located at the foci A ₁ 9 and A ₂ 10 of the bifocal lens. If you place the phase center of the emitter at any of these points, then at the output of the lens you get a phase front 11 (or 12) with a slope of some angle α relative to the plane of the aperture of the lens. Thus, by alternately switching primary radiation sources (PAR modules), it is possible to achieve scanning in a vertical plane.

Ниже приведен пример расчета профиля 6 бифокальной линзы. Поместим точки идеальной фокусировки 9 и 10 на оси Y симметрично относительно оси X (см. фиг. 2), зададим координаты этих точек (0; а) и (0; -а) и обозначим их как А₁ и А₂ соответственно. В случае, когда фазовый центр излучателя находится в точке А₁, плоский фронт 11 излучаемой волны будет наклонен на угол -α относительно оси Y, а точке А₂ будет соответствовать угол +α (см. фиг. 2). Профиль рассматриваемой бифокальной линзы 6 при этом будет иметь две плоскости симметрии - плоскость ZX и плоскость YX. Расчет линзы проводился следующим образом: по заданным величинам а, α, n, требуется определить форму обеих поверхностей линзы. Для этого был использован приближенный расчет вертикального профиля линзы с помощью метода Джента-Штернберга [см. Brown R.M. Dielectric bifocal lenses // IRE Cov. Rec. - 1956. - V. 4 - №1].The following is an example of calculating the profile 6 of a bifocal lens. We place the perfect focus points 9 and 10 on the Y axis symmetrically with respect to the X axis (see Fig. 2), define the coordinates of these points (0; a ) and (0; - a ) and designate them as A ₁ and A _2, respectively. In the case when the phase center of the emitter is at point A ₁ , the plane front 11 of the emitted wave will be inclined at an angle -α relative to the Y axis, and the angle + α will correspond to point A ₂ (see Fig. 2). The profile of the bifocal lens 6 under consideration will have two planes of symmetry - the ZX plane and the YX plane. The calculation of the lens was carried out as follows: given the values of a , α, n, it is required to determine the shape of both surfaces of the lens. For this, an approximate calculation of the vertical lens profile was used using the Gent-Sternberg method [see Brown RM Dielectric bifocal lenses // IRE Cov. Rec. - 1956. - V. 4 - No. 1].

В качестве примера на фиг. 3 и фиг. 4 представлены трехмерные (3D) модели и диаграммы направленности тороидально-бифокальных линзовых антенн, тела которых выполнены из оргстекла (см. фиг. 3) и полиэтилена (см. фиг. 4). Расчет профилей тел линз проводился в приближении геометрической оптики в Matlab, а диаграммы направленности линзовых антенн были получены путем прямого электромагнитного моделирования в CST Microwave Studio. При моделировании в качестве источника излучения использовалась рупорная антенна, а не ФАР. Эта замена была связана с необходимостью упрощения и сокращения времени расчетов. На фиг. 3а изображена трехмерная (3D) модель линзы из оргстекла с диэлектрической проницаемостью ε, имеющей значение 3.5. Рассчитанные диаграммы направленности для такой антенны в азимутальной и угломестной плоскостях представлены на фиг 3б и 3в соответственно. 3D модель линзы из полиэтилена с диэлектрической проницаемостью, равной 2.35, изображена на фиг. 4а. Для этой антенны на фиг. 4б и 4в приведены рассчитанные диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно.As an example in FIG. 3 and FIG. 4 presents three-dimensional (3D) models and radiation patterns of toroidal bifocal lens antennas, the bodies of which are made of plexiglass (see Fig. 3) and polyethylene (see Fig. 4). The calculation of the profiles of the lens bodies was carried out in the approximation of geometric optics in Matlab, and the radiation patterns of the lens antennas were obtained by direct electromagnetic modeling in CST Microwave Studio. In the simulation, a horn antenna, rather than a PAR, was used as the radiation source. This replacement was associated with the need to simplify and reduce the calculation time. In FIG. 3a shows a three-dimensional (3D) model of a plexiglass lens with a dielectric constant ε of value 3.5. The calculated radiation patterns for such an antenna in the azimuthal and elevation planes are presented in FIGS. 3b and 3c, respectively. A 3D model of a lens made of polyethylene with a dielectric constant of 2.35 is shown in FIG. 4a. For this antenna in FIG. 4b and 4c show the calculated radiation patterns in the azimuthal and elevation planes, respectively.

В ходе проведенного анализа и электромагнитного моделирования было выяснено, что при одинаковой апертуре раскрыва антенн, лучшие электрические и массогабаритные характеристики имеют линзы, выполненные из полиэтилена. Этот материал использовался для дальнейших расчетов, а также при изготовлении образца сканирующей линзовой антенны.In the course of the analysis and electromagnetic modeling, it was found that with the same aperture of the aperture of the antennas, the best electrical and weight and size characteristics have lenses made of polyethylene. This material was used for further calculations, as well as in the manufacture of a sample of a scanning lens antenna.

На фиг. 5. представлен пример рассчитанного профиля 6 бифокальной линзы с двумя преломляющими поверхностями и вертикальной линейной апертурой 130 мм. для случая, когда тело линзы выполнено из полиэтилена. При расчете профиля 6 расстояние между фокусами 9 и 10 (2а) было задано равным 10 мм, а угол наклона плоской волны (α) имел значение 3°. Кривые, описывающие внутреннюю 7 и внешнюю 8 поверхности, могут быть аппроксимированы функциями вида:In FIG. 5. An example of a calculated profile 6 of a bifocal lens with two refracting surfaces and a vertical linear aperture of 130 mm is presented. for the case when the lens body is made of polyethylene. When calculating profile 6, the distance between the foci 9 and 10 (2a) was set equal to 10 mm, and the plane wave tilt angle (α) was 3 °. The curves describing the inner 7 and outer 8 surfaces can be approximated by functions of the form:

где А, В и k<1 - численные коэффициенты, которые зависят от заданных параметров модели бифокальной линзы (расстояния между фокусами, угла наклона плоского фазового фронта и материла линзы). Однако наличие у линзы двух преломляющих поверхностей на практике нежелательно, поскольку это ведет к появлению дополнительных переотражений на внутренней поверхности и в теле линзы, усложнению процесса изготовления и юстировки антенной системы. Известно, что в случае, когда антенный элемент располагается на границе диэлектрика, электромагнитное излучение "втягивается" в диэлектрик тем больше, чем выше его диэлектрическая проницаемость [M. Kominami, D.M. Pozar, and D.H. Schaubert, "Dipole and Slot Element sand Arrayson Semi-Infinite Substrates," IEEE Transactionson Antennas and Propagation, vol. AP-33, No. 6, pp. 600-607, June 1985]. Отношение мощности излучения в диэлектрик к мощности излучения в свободное пространство в этом случае пропорционально ε^3/2. Этот эффект приводит к снижению коэффициента отражения (уровня обратного излучения) в линзовых антеннах с излучателями, расположенными на внутренней поверхности линзы.where A, B, and k <1 are numerical coefficients that depend on the specified parameters of the bifocal lens model (the distance between the foci, the angle of inclination of the plane phase front and the lens material). However, the presence of two refractive surfaces of the lens is undesirable in practice, since this leads to the appearance of additional reflections on the inner surface and in the lens body, complicating the manufacturing and alignment of the antenna system. It is known that in the case when the antenna element is located on the boundary of the dielectric, the electromagnetic radiation "is drawn" into the dielectric the more, the higher its dielectric constant [M. Kominami, DM Pozar, and DH Schaubert, "Dipole and Slot Element sand Arrayson Semi-Infinite Substrates," IEEE Transactionson Antennas and Propagation, vol. AP-33, No. 6, pp. 600-607, June 1985]. The ratio of the radiation power in the dielectric to the radiation power in the free space in this case is proportional to ε ^3/2 . This effect leads to a decrease in the reflection coefficient (level of return radiation) in the lens antennas with emitters located on the inner surface of the lens.

Поскольку внутренний профиль 7 линзы для рассматриваемого примера описывается кривойSince the inner profile 7 of the lens for this example is described by a curve

где X и Y имеют размерность длины и измеряются в миллиметрах. Как видно из фиг. 5, эта кривая может быть аппроксимирована отрезком прямой линии с хорошей точностью. Поэтому было принято решение заполнить свободное пространство между источником и телом линзы полиэтиленом. Однако, чтобы частично компенсировать преломляющее свойство убранной внутренней поверхности, следует несколько увеличить расстояние между излучателем 1 и внешней 8 (преломляющей) поверхностью. Полученный таким образом профиль линзы представлен на фиг. 6, где внешняя поверхность 8 описывается кривойwhere X and Y have a dimension of length and are measured in millimeters. As can be seen from FIG. 5, this curve can be approximated by a straight line segment with good accuracy. Therefore, it was decided to fill the free space between the source and the lens body with polyethylene. However, in order to partially compensate for the refractive property of the cleaned inner surface, it is necessary to slightly increase the distance between the emitter 1 and the outer 8 (refractive) surface. The lens profile thus obtained is shown in FIG. 6, where the outer surface 8 is described by a curve

Подобная модификация линзы не применима для излучателей с широкой диаграммой направленности по углу места (90° и более), но для используемых излучателей со средней шириной ДН (порядка 60°-70°) по углу места можно добиться того, чтобы в бифокальной линзе, имеющей фактически одну преломляющую поверхность, отклонение фазового фронта от плоского на выходе из линзы было незначительным.Such a modification of the lens is not applicable for emitters with a wide radiation pattern in elevation (90 ° or more), but for used emitters with an average beam width (of the order of 60 ° -70 °) in elevation, it is possible to achieve that in a bifocal lens having in fact, one refracting surface, the deviation of the phase front from the plane at the exit from the lens was insignificant.

Описанный метод расчета профиля 6 бифокальной линзовой антенны не учитывает влияние физических эффектов волновой оптики. Поэтому форма профиля тела линзы нуждается в дополнительной оптимизации параметров. Для этих целей было проведено электромагнитное моделирование линзовой антенной системы в среде CST Microwave Studio. Исследовалось влияние таких параметров как расстояние между фокусами, смещение источника относительно фокусов линзы и коэффициенты уравнения (1), описывающего профиль внешней поверхности линзы. В результате был получен новый оптимизированный профиль линзовой антенны (см. фиг. 7), внешняя 8 преломляющая поверхность которого описывается формулой:The described method for calculating the profile 6 of the bifocal lens antenna does not take into account the influence of the physical effects of wave optics. Therefore, the profile shape of the lens body needs additional optimization of parameters. For these purposes, electromagnetic modeling of the lens antenna system was carried out in CST Microwave Studio. The influence of such parameters as the distance between the foci, the displacement of the source relative to the foci of the lens, and the coefficients of equation (1), which describes the profile of the outer surface of the lens, was studied. As a result, a new optimized lens antenna profile was obtained (see Fig. 7), the external 8 refractive surface of which is described by the formula:

Однако недостатком полученного решения является то обстоятельство, что линза, форма тела которой получена путем вращения на 180 градусов профиля, изображенного на фиг. 7, вокруг вертикальной оси 5, обладает большими габаритами и весом. Уменьшить общую массу и габариты линзовой антенны можно несколькими способами.However, a drawback of the obtained solution is the fact that a lens whose body shape is obtained by rotating 180 degrees of the profile shown in FIG. 7, around the vertical axis 5, has large dimensions and weight. There are several ways to reduce the total weight and dimensions of the lens antenna.

Во-первых, тело линзы может быть образовано путем вращения вокруг вертикальной оси усеченного геометрического профиля (см. фиг. 8 и 9). При этом возможно, что:Firstly, the body of the lens can be formed by rotation around the vertical axis of the truncated geometric profile (see Fig. 8 and 9). Moreover, it is possible that:

1) Профиль усекается (см. фиг. 8) двумя горизонтальными прямыми линиями 13 и 14, перпендикулярными вертикальной фокальной оси 5. Расстояние между усекающими прямыми линиями выбирается исходя из того, что получаемый усеченный профиль 6 должен иметь такой вертикальный размер, чтобы в нем могла быть сосредоточена практически вся электромагнитная энергия, излучаемая источником 1 в вертикальной плоскости XY;1) The profile is truncated (see Fig. 8) by two horizontal straight lines 13 and 14 perpendicular to the vertical focal axis 5. The distance between the truncated straight lines is selected based on the fact that the resulting truncated profile 6 must have such a vertical size that it could be concentrated almost all the electromagnetic energy emitted by the source 1 in the vertical plane XY;

2) Профиль усекается (см. фиг. 9) двумя прямыми линиями 15 и 16, образующими угол θ с вершиной вблизи излучателя 1. Порядок величины угла θ определяется шириной ДН источника в плоскости XY, а более точное значение выбирается исходя из того, что получаемый усеченный профиль 6 должен иметь такой вертикальный размер, чтобы в нем могла быть сосредоточена практически вся электромагнитная энергия, излучаемая источником 1 в вертикальной плоскости XY.2) The profile is truncated (see Fig. 9) by two straight lines 15 and 16 forming an angle θ with a vertex near the emitter 1. The order of magnitude of the angle θ is determined by the width of the source beam in the XY plane, and a more accurate value is selected based on the fact that the truncated profile 6 must be of such a vertical size that almost all electromagnetic energy emitted by the source 1 in the vertical plane XY can be concentrated in it.

Во-вторых, тело линзы может быть усечено (см. фиг. 10) двумя вертикальными плоскостями 17 и 18, образующими двугранный угол ϕ с вершиной вблизи излучателя 1. Величина угла ϕ определяется максимально возможным углом сканирования источника (ФАР) 1 в горизонтальной плоскости.Secondly, the lens body can be truncated (see Fig. 10) by two vertical planes 17 and 18, forming a dihedral angle ϕ with the vertex near the emitter 1. The angle ϕ is determined by the maximum possible scanning angle of the source (PAR) 1 in the horizontal plane.

Для дальнейших исследований и изготовления образца была выбрана модель линзовой антенны (см. фиг. 11), тело 4 которой образовано путем вращения на 180 градусов усеченного горизонтальными линиями профиля, изображенного на фиг. 8, вокруг вертикальной фокальной оси 5. При этом, расстояние между усекающими линиями было выбрано равным 130 мм. Электромагнитный анализ показал, что диаграмма направленности разработанной модели практически не искажается при помещении источника 1 в один из фокусов или между ними, меняется только наклон плоского фазового фронта электромагнитной волны на выходе относительно плоскости раскрыва линзы. Наличие у бифокальной линзы такого свойства, позволяет осуществить достаточно широкое сканирование по углу места с помощью поочередного электронного переключения первичных излучателей 1, расположенных вблизи фокальной оси 5 линзы симметрично относительно оси X (см. фиг. 11). Число излучателей (подрешеток) определяет количество дискретных положений диаграммы направленности в угломестной плоскости XY.For further research and sample preparation, a lens antenna model was selected (see FIG. 11), the body 4 of which is formed by 180-degree rotation of the profile truncated by horizontal lines depicted in FIG. 8, around the vertical focal axis 5. In this case, the distance between the truncating lines was chosen equal to 130 mm. Electromagnetic analysis showed that the radiation pattern of the developed model is practically not distorted when the source 1 is placed in one of the foci or between them, only the slope of the plane phase front of the electromagnetic wave at the output relative to the aperture of the lens changes. The presence of a bifocal lens of such a property allows a fairly wide scan along the elevation angle using alternate electronic switching of the primary emitters 1 located near the focal axis 5 of the lens symmetrically with respect to the X axis (see Fig. 11). The number of emitters (sublattices) determines the number of discrete radiation pattern positions in the elevation plane XY.

Для подтверждения осуществимости заявленной линзовой антенны, был изготовлен образец (см. фиг. 12), который включал в себя тело линзы 4 из полиэтилена, теплоотводящий радиатор из металла 19, служащий для отвода тепла от источника первичного излучения (ФАР) 1, корпус из оргстекла 20, предназначенный для фиксации ФАР и саму ФАР 1. Излучающая фазированная антенная решетка 1 вставлялась в корпус из оргстекла 20 (см. фиг 12в), с одной стороны которого вплотную примыкает тело линзы 4, а с другой теплоотводящий радиатор 19. Все перечисленные элементы скреплялись в единую конструкцию. Размеры радиатора, корпуса из оргстекла и крепежных винтов были минимизированы, чтобы не оказывать существенного влияния на рассчитанные характеристики линзовой антенны. Тело линзы 4 было изготовлено из специальной заготовки на станке, оборудованным числовым программным управлением и адаптированным для обработки пластмасс.To confirm the feasibility of the claimed lens antenna, a sample was made (see Fig. 12), which included the lens body 4 of polyethylene, a heat sink made of metal 19, used to remove heat from the primary radiation source (PAR) 1, and a plexiglass case 20, designed to fix the PAR and the PAR itself 1. A radiating phased antenna array 1 was inserted into the body from plexiglass 20 (see Fig. 12c), on one side of which the lens body 4 is adjacent adjacent, and on the other, a heat sink radiator 19. All of these elements were fastened fit into a single design. The dimensions of the radiator, plexiglass case and mounting screws were minimized so as not to significantly affect the calculated characteristics of the lens antenna. The body of the lens 4 was made of a special blank on a machine equipped with numerical control and adapted for processing plastics.

В качестве излучающей ФАР использовался доступный в продаже антенный модуль, разработанный компанией Интел и изготовленный по КМОП технологии. Эскиз используемого модуля ФАР представлен на фиг. 13. Диапазон частот, в котором работал модуль ФАР, составлял 57-64 ГГц. Антенный модуль 3 содержал 2×10 микрополосковых патча 2, из которых 16 являлись активными (обведены пунктирной линией на фиг. 13) и участвовали в формировании диаграммы направленности (ДН) ФАР, а 4 являлись фиктивными (обозначены белым цветом на фиг. 13). Излучение ФАР имело линейную поляризацию в вертикальной плоскости, то есть вектор напряженности электрического поля

направлен параллельно меньшей стороне модуля ФАР 3 (см. фиг. 13). Управление пространственным положением главного луча ДН осуществлялось посредством специализированного программного обеспечения (ПО) на портативном персональном компьютере (ПК). ФАР обладала шириной главного луча диаграммы направленности порядка 14° в азимутальной плоскости и 40-50° в плоскости угла места. Коэффициент усиления ФАР составлял около 15 дБ.A commercially available antenna module developed by Intel and manufactured using CMOS technology was used as a radiating phased array. A sketch of the used PAR module is shown in FIG. 13. The frequency range in which the PAR module worked was 57-64 GHz. Antenna module 3 contained 2 × 10 microstrip patches 2, of which 16 were active (circled by the dashed line in Fig. 13) and participated in the formation of the radiation pattern of the PAR, and 4 were fictitious (marked in white in Fig. 13). The radiation from the PAR had a linear polarization in the vertical plane, i.e., the electric field vector

directed parallel to the smaller side of the PAR 3 module (see FIG. 13). The spatial position of the main beam of the beam was controlled by specialized software (software) on a portable personal computer (PC). The PAR had a main beam width of about 14 ° in the azimuthal plane and 40-50 ° in the elevation plane. The gain of the phased array was about 15 dB.

В ходе экспериментального исследования образца сканирующей линзовой антенны были проведены измерения характеристик диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях. В первую очередь, в целях проверки корректного функционирования линзовой антенны были проведены измерения с шагом 0.5° для двух различных положений луча ФАР (двух секторов ФАР). Для случая несмещенного положения главного луча (угол 0° в азимутальной и угломестной плоскостях) ширина по уровню половинной мощности составила 2.5° в плоскости угла места (см. фиг. 14а) и 11° в азимутальной плоскости (см. фиг. 14б). Для случая нахождения главного луча ФАР в отклоненном положении на угол -40° в азимутальной плоскости ширина по уровню половинной мощности составила 3.8° в плоскости угла места (см. фиг. 15а) и 15° в азимутальной плоскости (см. фиг. 15б).During an experimental study of a sample of a scanning lens antenna, measurements were made of the characteristics of the radiation pattern in the azimuthal and elevation planes. First of all, in order to verify the correct functioning of the lens antenna, measurements were taken with a step of 0.5 ° for two different positions of the PAR beam (two sectors of the PAR). For the case of the unbiased position of the main beam (angle 0 ° in the azimuthal and elevation planes), the half-power width was 2.5 ° in the elevation plane (see Fig. 14a) and 11 ° in the azimuthal plane (see Fig. 14b). For the case of the main beam of the PAR in a deflected position at an angle of -40 ° in the azimuthal plane, the half power width was 3.8 ° in the elevation plane (see Fig. 15a) and 15 ° in the azimuthal plane (see Fig. 15b).

Таким образом, на основании полученных в ходе измерений данных, установлено уменьшение ширины главного луча сканирующей линзовой антенны по сравнению с излучающей ФАР в 1.3 раза в азимутальной плоскости (с 14° до 11°) и в 16 раз в плоскости угла места (с 40° до 2,5°), что привело к соответствующему увеличению коэффициента усиления антенной системы. По оценкам, сделанным в ходе измерения диаграмм направленности установлено, что общий коэффициент усиления разработанной сканирующей линзовой антенной системы при несмещенном положении главного луча составил около 27,5 дБи. Учитывая то, что коэффициент усиления излучающей ФАР составлял 15 дБи, можно оценить дополнительный коэффициент усиления разработанной тороидально-бифокальной линзы величиной порядка 12.5 дБи.Thus, based on the data obtained during the measurements, it was found that the width of the main beam of the scanning lens antenna is 1.3 times lower than the radiating headlamp in the azimuthal plane (from 14 ° to 11 °) and 16 times in the elevation plane (from 40 ° up to 2.5 °), which led to a corresponding increase in the gain of the antenna system. According to estimates made during the measurement of radiation patterns, it was found that the total gain of the developed scanning lens antenna system with the unbiased position of the main beam was about 27.5 dBi. Taking into account the fact that the gain of the radiating phased arrays was 15 dBi, we can estimate the additional gain of the developed toroidal-bifocal lens of about 12.5 dBi.

На следующем этапе экспериментальных исследований образца сканирующей линзовой антенны были изучены сканирующие свойства антенной системы в азимутальной (горизонтальной) плоскости. Для переключения между различными пространственными положениями главного луча ДН первичного излучателя (ФАР) использовалось специализированное ПО, позволяющее устанавливать требуемый сектор излучения в азимутальной плоскости в пределах +-45°. На фиг. 16 представлены измеренные диаграммы направленности образца сканирующей линзовой антенны в азимутальной плоскости для различных положений главного луча ДН ФАР. Из фиг. 16 видно, что разработанная антенная система позволяет сканировать пространство лучом в азимутальной плоскости, сохраняя практически неизменной форму диаграммы направленности антенны. При этом деградация коэффициента усиления при максимальных углах сканирования составляла около -7,5 дБ по сравнению с коэффициентом усиления при несмещенном положении главного луча. Поскольку максимальное значение коэффициента усиления в несмещенном положении равнялось 27,5 дБ, то минимальный коэффициент усиления разработанного образца сканирующей линзовой антенны во всем диапазоне сканирования (+-45°) составлял более 20 дБ.At the next stage of experimental studies of a sample of a scanning lens antenna, the scanning properties of the antenna system in the azimuthal (horizontal) plane were studied. To switch between the different spatial positions of the main beam of the primary emitter beam (PAR), specialized software was used that allows you to set the required radiation sector in the azimuthal plane within + -45 °. In FIG. 16 shows the measured radiation patterns of a sample of a scanning lens antenna in the azimuthal plane for different positions of the main beam of the headlamp. From FIG. 16 it can be seen that the developed antenna system allows you to scan the space of the beam in the azimuthal plane, keeping the antenna radiation pattern almost unchanged. In this case, the degradation of the gain at maximum scanning angles was about -7.5 dB compared with the gain with the unbiased position of the main beam. Since the maximum value of the gain in the unbiased position was 27.5 dB, the minimum gain of the developed sample of the scanning lens antenna in the entire scanning range (+ -45 °) was more than 20 dB.

На следующем этапе экспериментальных исследований образца были изучены сканирующие свойства антенной системы в угломестной (вертикальной) плоскости. На фиг. 17 представлены конфигурации активных (обозначены черным цветом на фиг. 17) антенных элементов 2 при переключении луча ДН сканирующей линзовой антенны в вертикальной плоскости. Для проверки корректности работы диэлектрической линзы как бифокальной поверхности в вертикальной плоскости, два горизонтальных ряда активных элементов модуля ФАР 3 располагались в трех положениях: в двух фокусах 9 и 10 диэлектрической линзы и в центре между ними. Измерения ДН в вертикальной плоскости проводились с шагом 0.2° при несмещенном положении главного луча в азимутальной плоскости для всех трех положений активных элементов модуля ФАР. Из нормированных диаграмм направленности приведенных на фиг. 18. следует, что перекрытие между соседними лучами в плоскости угла места происходит на уровнях меньше -3 дБ и деградация лучей при положении активных элементов в 1-м и 2-м фокусах не превышает -0.6 дБ по сравнению с центральным лучом. Из приведенных графиков также видно, что угол сканирования по углу места (по уровню -3 дБ) разработанного образца сканирующей линзовой антенны составлял ±3°.At the next stage of experimental research of the sample, the scanning properties of the antenna system in the elevation (vertical) plane were studied. In FIG. 17 shows the configurations of active (marked in black in FIG. 17) antenna elements 2 when switching the beam of the beam of a scanning lens antenna in a vertical plane. To verify the correct operation of the dielectric lens as a bifocal surface in the vertical plane, two horizontal rows of active elements of the PAR 3 module were located in three positions: in two foci of 9 and 10 of the dielectric lens and in the center between them. Beam measurements in the vertical plane were performed with a step of 0.2 ° with the unbiased position of the main beam in the azimuthal plane for all three positions of the active elements of the PAR module. From the normalized radiation patterns shown in FIG. 18. It follows that the overlap between adjacent rays in the elevation plane occurs at levels less than -3 dB and the degradation of the rays when the active elements are in the 1st and 2nd foci does not exceed -0.6 dB compared to the central beam. The graphs also show that the scanning angle in elevation (-3 dB) of the developed sample of the scanning lens antenna was ± 3 °.

Основные характеристики образца сканирующей линзовой антенны приведены в Табл. 1.The main characteristics of the sample scanning lens antenna are given in Table. one.

Claims

1. Scanning lens antenna containing a dielectric lens, emitting elements with the possibility of directing their radiation to the lens, characterized in that the shape of the lens body is formed by rotation of the aplanatic focusing geometric profile formed by curves describing the internal (facing the radiating elements) and external surface around the focal vertical axis of the lens, near which are placed the radiating elements of the phased antenna array (PAR), which form separate horizontal e sublattices (modules), the number of which depends on the required number of discrete positions of the antenna pattern in the elevation plane.

2. The antenna according to claim 1, in which the PAR sublattices are formed from microstrip antenna elements with one polarization.

3. The antenna according to claim 1, in which the PAR sublattices are formed of double-polarized microstrip antenna elements.

4. The antenna according to claim 1, in which the PAR sublattices are formed from slotted waveguide antenna elements.

5. The antenna according to claim 1, in which the lens is made of plexiglass.

6. The antenna according to claim 1, in which the lens is made of polyethylene.

7. The antenna according to claim 1, in which the lens is made of fluoroplastic.

8. The antenna according to claim 1, wherein the lens body is formed by rotating a profile truncated by two horizontal straight lines perpendicular to the vertical focal axis.

9. The antenna according to claim 1, wherein the lens body is formed by rotating a profile truncated by two straight lines forming an angle with an apex near the emitter.

10. The antenna according to claim 1, in which the lens body is truncated by two vertical planes forming a dihedral angle with an apex near the emitter.

11. The antenna according to claim 1, in which the body shape of the lens can be obtained according to paragraphs. 8 or 10.

12. The antenna according to claim 1, in which the body shape of the lens can be obtained according to paragraphs. 9 or 10.

13. The antenna according to claim 1, in which the aplanatic focusing geometric profile has a bifocal shape.

14. The antenna according to claim 13, in which the PAR sublattices are mounted near the focal points of the bifocal profile.

15. The antenna according to claim 1, in which the geometric profile of both the inner and outer surfaces of the lens is described by a function of the form:

Y (X) = (AX + B) ^k .

16. Antenna according to claims 6 or 15, in which the geometric profile of the lens is described by the expression for the inner surface:

Y (X) = (14124X-984180) ^0.5

and expression for the outer surface:

Y (X) = (- 730X + 109226) ^0.39 ,

where X and Y have a dimension of length and are measured in millimeters.

17. Antenna according to claims 6 or 13, in which the outer surface of the lens is described by the expression:

Y (X) = (- 182X + 27274) ^0.45 ,

where X and Y have a dimension of length and are measured in millimeters.