RU2716839C1

RU2716839C1 - Multichannel antenna array

Info

Publication number: RU2716839C1
Application number: RU2019113714A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владиславович Левяков; Алексей Феликсович Юнчис; Андрей Сергеевич Васильев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Когнитив Роботикс"
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-03-17

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in designing antenna systems. Essence of the invention consists in the fact that a known device comprising an input made in the form of a microstrip element, a base, a prepreg, a first and a second dielectric layer, the first of which adjoins directly to the base, N antenna elements spaced apart by a distance equal to half the wavelength, each of which includes two metallisation layers (wherein the layers are offset relative to each other by half the wavelength in the dielectric), the first of which is applied on the prepreg and is located between the prepreg and the second dielectric layer, and the second is applied from above to the second dielectric layer, characterized in that additionally the third dielectric layer is placed between the first dielectric layer and the prepreg, wherein every metallization layer is in the form of letter P, inlet made in form of microstrip element is applied on second layer of dielectric. Uniform beam pattern is obtained from the gain level in the entire operating frequency band by varying the shape of the H-like to U-shaped antenna array element. When using this type of element, adjustment of the antenna array is considerably simplified due to smaller dimensions of the U-shaped element compared to the H-like element. Thus, in the working frequency band, the main lobe width change is not more than 0.5 dB. Increase in range resolution is achieved due to the fact that the proposed antenna array operates in range of 76–81 GHz, and reaches 2.5 times compared to the antenna array selected as a prototype.

EFFECT: technical result, to which the proposed invention is aimed, is improved antenna array characteristics, including obtaining a uniform beam pattern based on the gain level in the entire operating frequency band, as well as high range resolution.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, и может быть использовано при разработке антенных систем.The invention relates to radio engineering, and can be used in the development of antenna systems.

Известна антенная решетка, приведенная в описании изобретения под названием «Nonreciprocal transmission line apparatus whose propagation constants in forward and backward directions are different from each other" [1].A known antenna array described in the description of the invention under the name "Nonreciprocal transmission line apparatus whose propagation constants in forward and backward directions are different from each other" [1].

Антенная решетка предназначена для работы в частотном диапазоне (5-7 ГГц) состоит из N антенных элементов, выполненных в виде микрополосковых линий. Включает основание, диэлектрик, два слоя металлизации (микрополосковые линии), керамические конденсаторы, Микрополосковые линии расположены друг над другом. Антенные элементы разнесены на расстояние, равное половине длине волны. В данной антенной решетке присутствуют переходные отверстия, предназначенные для заземления элементов антенной решетки.The antenna array is designed to operate in the frequency range (5-7 GHz) consists of N antenna elements made in the form of microstrip lines. It includes a base, a dielectric, two metallization layers (microstrip lines), ceramic capacitors, microstrip lines located one above the other. Antenna elements are spaced at a distance equal to half the wavelength. In this antenna array there are vias intended for grounding the elements of the antenna array.

Учитывая, что данная антенная решетка предназначена для работы в диапазоне (5-7 ГГц), недостатком данного решения является низкая предельная разрешающая способность по дальности (3 м). Кроме этого к недостаткам данной антенной решетки следует отнести наличие конденсатора, выполненного в виде физического элемента, что накладывает ограничение на габариты антенной решетки.Given that this antenna array is designed to operate in the range (5-7 GHz), the disadvantage of this solution is the low limit resolution in range (3 m). In addition, the disadvantages of this antenna array include the presence of a capacitor made in the form of a physical element, which imposes a restriction on the dimensions of the antenna array.

Наиболее близкой к заявляемому устройству, является антенная решетка, приведенная в статье K-band frequency-scanned leaky-wave antenna based on composite right/left-handed transmission lines [2]. Антенная решетка предназначена для работы в диапазоне от 20 до 30 ГГц. Антенная решетка содержит основание, N антенных элементов, разнесенных на расстояние, равное половине длине волны, каждый из которых выполнен в виде Н-образных слоев металлизации (два слоя). Также антенная решетка содержит два слоя диэлектрика и препрег.Closest to the claimed device is the antenna array shown in the article K-band frequency-scanned leaky-wave antenna based on composite right / left-handed transmission lines [2]. The antenna array is designed to operate in the range from 20 to 30 GHz. The antenna array contains a base, N antenna elements spaced at a distance equal to half the wavelength, each of which is made in the form of H-shaped metallization layers (two layers). Also, the antenna array contains two layers of dielectric and prepreg.

Недостатком данной антенной решетки является неравномерность в диаграмме направленности по уровню коэффициента усиления и ширине главного лепестка, вызванная формой элемента, а также количеством диэлектрических слоев.The disadvantage of this antenna array is the unevenness in the radiation pattern by the level of gain and the width of the main lobe, caused by the shape of the element, as well as the number of dielectric layers.

Учитывая, что данная антенная решетка предназначена для работы в диапазоне (20-30 ГГц), недостатком данного решения будет являться низкая разрешающая способность по дальности (около 1.5 м)Given that this antenna array is designed to operate in the range (20-30 GHz), the disadvantage of this solution will be the low resolution in range (about 1.5 m)

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - улучшение характеристик антенной решетки, в том числе получение равномерной диаграммы направленности по уровню коэффициента усиления во всей рабочей полосе частот, а также повышение разрешающей способности по дальности.The task to which the proposed technical solution is directed is to improve the characteristics of the antenna array, including obtaining a uniform radiation pattern in terms of gain throughout the working frequency band, as well as increasing the resolution in range.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в антенную решетку, содержащую: вход, выполненный в виде микрополоскового элемента, основание, препрег, первый и второй слои диэлектрика, первый из которых прилегает непосредственно к основанию, N антенных элементов, разнесенных на расстояние, равное половине длине волны, каждый из которых включает два слоя металлизации, (причем слои смещены друг относительно друга на расстояние половины длины волны в диэлектрике), первый из которых наносится на препрег и располагается между препрегом и вторым слоем диэлектрика, а второй наносится на сверху на второй слой диэлектрика, дополнительно вводится третий слой диэлектрика, расположенный между первым слоем диэлектрика и препрегом, причем, каждый слой металлизации выполнен в форме буквы П, вход, выполненный в виде микрополоскового элемента, наносится на второй слой диэлектрика.The solution to this problem is achieved by the fact that in the antenna array, containing: the entrance, made in the form of a microstrip element, the base, prepreg, the first and second layers of the dielectric, the first of which is adjacent directly to the base, N antenna elements spaced at a distance equal to half the length waves, each of which includes two layers of metallization (and the layers are offset from each other by a distance of half the wavelength in the dielectric), the first of which is applied to the prepreg and is located between the prepreg and the second a thick dielectric layer, and the second is deposited on top of the second dielectric layer, an additional third dielectric layer is introduced, located between the first dielectric layer and the prepreg, and each metallization layer is made in the form of the letter P, the input, made in the form of a microstrip element, is applied to the second dielectric layer.

Подробное описание устройстваDetailed description of the device

Антенная решетка может быть применена в радиолокационных системах, а также в системах связи, в том числе системах связи пятого поколения для реализации технологии «Massive MIMO».The antenna array can be used in radar systems, as well as in communication systems, including fifth-generation communication systems for implementing Massive MIMO technology.

На основании антенной решетки могут также размещаться приемопередающие модули. Сигнал на вход антенной решетки поступает через копланарную линию с выхода приемо-передающего модуля. Предлагаемая антенная решетка работает в диапазоне частот 76-81 ГГц. Значения диэлектрической проницаемости первого 3, второго 6 и третьего 4 диэлектриков, используемых в предлагаемом устройстве должны находиться в диапазоне от 2.5 до 10.Transceiver modules can also be located on the basis of the antenna array. The signal at the input of the antenna array comes through a coplanar line from the output of the transceiver module. The proposed antenna array operates in the frequency range 76-81 GHz. The dielectric constant of the first 3, second 6 and third 4 dielectrics used in the proposed device should be in the range from 2.5 to 10.

Металлизация может выполняться при помощи меди, серебра, иммерсионного золота.Metallization can be performed using copper, silver, immersion gold.

Толщина диэлектрика и препрега выбирается исходя из поставленной задачи. При увеличении толщины препрега и диэлектрика, угол сканирования антенной решетки также увеличится, но при этом понизится коэффициент усиления антенной решетки. Данный эффект появляется из-за дополнительных потерь, связанных с прохождением волны в среде, у которых тангенс угла диэлектрических потерь не равен 0.The thickness of the dielectric and prepreg is selected based on the task. With an increase in the thickness of the prepreg and the dielectric, the scanning angle of the antenna array will also increase, but the gain of the antenna array will decrease. This effect appears due to additional losses associated with the passage of a wave in a medium for which the dielectric loss tangent is not 0.

Изменение толщины диэлектрика может производиться в диапазоне 0.127-1.5 мм. Изменение толщины препрега может производиться в диапазоне 0.127-0.5 мм.The change in the thickness of the dielectric can be made in the range of 0.127-1.5 mm. Changing the thickness of the prepreg can be made in the range of 0.127-0.5 mm.

Применяя подобную конфигурацию, антенная решетка может обеспечить формирование диаграммы направленности с более узкой шириной главного лепестка (1 градус, против 5 градусов у прототипа), а также с большей разрешающей способностью по дальности (в 2.5 раза относительно прототипа) за счет большей полосы в пределах отклонения главного лепестка диаграммы направленности на 1 градус.Using this configuration, the antenna array can provide a radiation pattern with a narrower width of the main lobe (1 degree, versus 5 degrees for the prototype), as well as with a greater range resolution (2.5 times relative to the prototype) due to the larger band within the deviation the main lobe of the radiation pattern by 1 degree.

Пример формируемой антенной решеткой диаграммы направленности приведен на фиг. 2. Из фиг. 2 видно, что диаграмма направленности, формируемая антенной решеткой равномерна во всей полосе рабочих частот.An example of a radiation pattern generated by the antenna array is shown in FIG. 2. From FIG. Figure 2 shows that the radiation pattern formed by the antenna array is uniform in the entire operating frequency band.

Получение равномерной диаграммы направленности по уровню коэффициента усиления во всей рабочей полосе частот достигается за счет изменения формы элемента в антенной решетки, с Н-образного на П-образный. При использовании данного типа элемента, настройка антенной решетки значительно упрощается, в связи с меньшими габаритами П образного элемента по сравнению с Н образным. Таким образом в рабочей полосе частот, изменение ширины главного лепестка составляет не более 0,5 дБ.Obtaining a uniform radiation pattern in terms of gain in the entire working frequency band is achieved by changing the shape of the element in the antenna array, from H-shaped to U-shaped. When using this type of element, the configuration of the antenna array is greatly simplified, due to the smaller dimensions of the U-shaped element compared to the H-shaped one. Thus, in the working frequency band, the change in the width of the main lobe is not more than 0.5 dB.

Повышение разрешающей способности по дальности достигается за счет того, что предлагаемая антенная решетка работает в диапазоне 76-81 ГГц, и достигает 2,5 раз по сравнению антенной решеткой, выбранной в качестве прототипа.The increase in resolution in range is achieved due to the fact that the proposed antenna array operates in the range of 76-81 GHz, and reaches 2.5 times in comparison with the antenna array selected as a prototype.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, на которой обозначено: 1 - основание, 2 - вход, 3, 6 - первый и второй слои диэлектрика, 4 - третий слой диэлектрика, 5 - препрег, 7, 8 - первый и второй слои металлизации.The block diagram of the proposed device is shown in FIG. 1, on which is indicated: 1 - base, 2 - input, 3, 6 - first and second dielectric layers, 4 - third dielectric layer, 5 - prepreg, 7, 8 - first and second metallization layers.

На фиг. 2 показаны графики диаграммы направленности антенной системы в зависимости от частоты сигнала.In FIG. Figure 2 shows the radiation patterns of the antenna system as a function of signal frequency.

1. Ueda, Tetsuya, and Andrey Porokhnyuk. "Nonreciprocal transmission line apparatus whose propagation constants in forward and backward directions are different from each other." U.S. Patent No. 9,490,511. 8 Nov. 2016..1. Ueda, Tetsuya, and Andrey Porokhnyuk. "Nonreciprocal transmission line apparatus whose propagation constants in forward and backward directions are different from each other." U.S. Patent No. 9,490,511. 8 Nov. 2016 ..

2. Jiang W. et al. K-band frequency-scanned leaky-wave antenna based on composite right/left-handed transmission lines // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2013. - T. 12. - С. 1133-1136.2. Jiang W. et al. K-band frequency-scanned leaky-wave antenna based on composite right / left-handed transmission lines // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2013.- T. 12.- S. 1133-1136.

Claims

An antenna array containing an input made in the form of a microstrip element, a base, prepreg, the first and second dielectric layers, the first of which is adjacent directly to the base, N antenna elements spaced at a distance equal to half the wavelength, each of which includes two metallization layers (moreover, the layers are offset relative to each other by a half wavelength in the dielectric), the first of which is applied to the prepreg and is located between the prepreg and the second dielectric layer, and the second is applied on top Torah dielectric layer, characterized in that additionally introduced a third dielectric layer disposed between the first prepreg and the dielectric layer, wherein each metallization layer is formed in the shape of the letter U, entry, embodied as a microstrip element is deposited on the second dielectric layer.