RU2752282C1 - Pass-through grating with contactless structure and single-bit control for formation of multibeam pattern - Google Patents

Pass-through grating with contactless structure and single-bit control for formation of multibeam pattern Download PDF

Info

Publication number
RU2752282C1
RU2752282C1 RU2020139969A RU2020139969A RU2752282C1 RU 2752282 C1 RU2752282 C1 RU 2752282C1 RU 2020139969 A RU2020139969 A RU 2020139969A RU 2020139969 A RU2020139969 A RU 2020139969A RU 2752282 C1 RU2752282 C1 RU 2752282C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna array
symmetry
slot structure
printed circuit
antenna
Prior art date
Application number
RU2020139969A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Николаевич Макурин
Владимир Петрович Парамонов
Чонгмин ЛИ
Original Assignee
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 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority to RU2020139969A priority Critical patent/RU2752282C1/en
Priority to PCT/KR2021/006997 priority patent/WO2022119064A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2752282C1 publication Critical patent/RU2752282C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46Active lenses or reflecting arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10Resonant slot antennas
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24Polarising devices; Polarisation filters 

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: antenna equipment.SUBSTANCE: invention relates to antenna technology, in particular to the design of an antenna array cell and to a pass-through antenna array based on such cells. The technical result is achieved by the fact that the antenna array cell contains a central printed circuit board including a slot structure having symmetry, and at least two switching elements that are located in the said slot structure symmetrically relative to the plane of symmetry of the slot structure, input and output polarization filters, as well as a control line for controlling the switching elements, and one of the polarization filters is made with the ability to pass radiation with a polarization parallel to the plane of symmetry of the said slot structure, while the other of the filters is made with the ability to pass radiation with a polarization perpendicular to the plane of symmetry of the mentioned slot structure, and the input polarizing filter, the central printed circuit board and the output polarizing filter are separated from each other by a gap.EFFECT: reduction in size and simplification of the structure of the cells of the controlled pass-through antenna array.10 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к проходной антенной решетке с бесконтактной структурой и однобитным управлением, а также к ячейкам такой антенной решетки.The present invention relates to radio engineering, and more particularly to a pass-through antenna array with a contactless structure and one-bit control, as well as cells of such an antenna array.

Уровень техникиState of the art

Постоянно возрастающие потребности пользователей мобильной связи обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка систем связи новых и перспективных стандартов передачи данных, таких как 5G (28 ГГц) и 6G (субтерагерцовый диапазон), которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, такими как высокая скорость передачи и энергоэффективность.The constantly growing needs of mobile users determine the rapid development of communication technologies. Currently, there is an active development of communication systems for new and promising data transmission standards, such as 5G (28 GHz) and 6G (subterahertz band), which will be characterized by higher performance indicators such as high transmission speed and energy efficiency.

Новые приложения требуют внедрения нового класса радио систем, способных осуществлять передачу/прием данных/энергии и имеющих возможности адаптивного изменения характеристик излучаемого электромагнитного поля. Важным компонентом таких систем являются управляемые антенные решетки, которые находят свое применение в системах передачи данных, таких как 5G (28ГГц) и WiGig (60ГГц), системах беспроводной передачи мощности на большие расстояния (Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24ГГц), системах автомобильных радаров (24ГГц, 79ГГц) и т.д.New applications require the introduction of a new class of radio systems capable of transmitting / receiving data / energy and having the ability to adaptively change the characteristics of the radiated electromagnetic field. An important component of such systems are controllable antenna arrays, which find their application in data transmission systems such as 5G (28GHz) and WiGig (60GHz), long-distance wireless power transmission (LWPT) (24GHz) systems. , automotive radar systems (24GHz, 79GHz), etc.

Антенные решетки, используемые в упомянутых областях, должны отвечать нескольким основным требованиям:Antenna arrays used in these areas must meet several basic requirements:

- низкие потери;- low losses;

- простая схема управления;- simple control scheme;

- широкий рабочий диапазон частот;- wide operating frequency range;

- недорогая, компактная архитектура, применимая для массового производства.- inexpensive, compact architecture suitable for mass production.

В настоящее время существуют несколько основных подходов к построению архитектуры антенных решеток.Currently, there are several basic approaches to the construction of the architecture of antenna arrays.

Традиционной считается структура решетки с непосредственным (фидерным) возбуждением. В такой решетке антенные элементы запитываются непосредственно с выходов схемы управления (обычно включающей в себя фазовращатели), питаемой от источника высокочастотной мощности. Таким образом, каждый антенный элемент соединен с и получает энергию от источника питания посредством системы деления мощности. Такая решетка может быть выполнена с многослойной системой деления мощности и может иметь низкопрофильную структуру. Однако такая архитектура решетки обладает высокими потерями мощности вследствие наличия системы деления мощности на многослойных печатных платах. The structure of the lattice with direct (feeder) excitation is considered traditional. In such an array, the antenna elements are powered directly from the outputs of the control circuit (usually including phase shifters) powered by a high-frequency power source. Thus, each antenna element is connected to and receives energy from a power source through a power sharing system. Such a grid can be made with a multi-layer power dividing system and can have a low-profile structure. However, such a grid architecture has high power losses due to the presence of a power dividing system on multilayer printed circuit boards.

Альтернативой является проходная антенная решетка с пространственным («оптическим») возбуждением. В такой решетке система управления фазой и цепи согласования излучателей вместе с двумя наборами антенных элементов (приемных и передающих) формируют так называемую «дискретную линзу», действующую по принципу, схожему с оптической линзой. Упомянутая дискретная линза обладает приемной апертурой и передающей апертурой. Набор приемных антенных элементов дискретной линзы облучается посредством облучателя, который находится на некотором расстоянии от упомянутой линзы. Обычно это расстояние сопоставимо или больше, чем поперечный размер линзы. Система управления фазой управляет формированием излучения передающих антенных элементов. В такой решетке практически нет потерь мощности в системе питания вследствие распространения излучения от облучателя в воздухе (за исключением так называемого перелива мощности облучателя за раскрыв линзы). Кроме того в данной антенной решетке отсутствует проблема сложности обеспечения питания с увеличением размера решетки. Одним из недостатков такой антенной решетки является сложность структуры элементарных ячеек антенной решетки.An alternative is a pass-through antenna array with spatial ("optical") excitation. In such an array, the phase control system and the emitter matching circuits together with two sets of antenna elements (receiving and transmitting) form a so-called "discrete lens", which operates on a principle similar to an optical lens. Said discrete lens has a receiving aperture and a transmitting aperture. A set of receiving antenna elements of a discrete lens is irradiated by means of an irradiator located at some distance from said lens. Usually this distance is comparable to or greater than the transverse dimension of the lens. The phase control system controls the generation of radiation of the transmitting antenna elements. In such an array, there is practically no power loss in the power system due to the propagation of radiation from the feed in the air (with the exception of the so-called overflow of the feed power for opening the lens). In addition, this antenna array does not have the problem of difficulty in providing power with increasing size of the array. One of the disadvantages of such an antenna array is the complexity of the structure of the antenna array elementary cells.

Соответствующее предшествующему уровню техники решение, описанное в документе US 9,941,592 B2, раскрывает элементарную ячейку, включающую в себя приемную антенну, передающую антенну и включающую в себя первую и вторую излучающие поверхности, отделенные друг от друга областью разделения, схему фазового сдвига, содержащую переключатели, каждый из которых имеет состояние включения или выключения, причем соответствующий переключатель обеспечивает или блокирует прохождение тока между первой и второй излучающими поверхностями; заземляющий слой; первую печатную плату, включающую в себя первую поверхность, снабженную приемной антенной, и вторую противоположную поверхность, снабженную пластиной заземления; пластина из полупроводникового материала, содержащая первую поверхность, снабжена первой и второй излучающими поверхностями, и при этом переключатели сформированы в области разделения, монолитно с передающей антенной. Однако, известное решение имеет сложную структуру и требует пайки для сборки упомянутой элементарной ячейки.The prior art solution described in US 9,941,592 B2 discloses an elementary cell including a receiving antenna, a transmitting antenna, and including first and second radiating surfaces separated from each other by a separation region, a phase shift circuit containing switches each of which has a state of on or off, and the corresponding switch provides or blocks the passage of current between the first and second emitting surfaces; grounding layer; a first printed circuit board including a first surface provided with a receiving antenna and a second opposite surface provided with a ground plane; the semiconductor material plate containing the first surface is provided with first and second emitting surfaces, and the switches are formed in the separation region, integrally with the transmitting antenna. However, the known solution has a complex structure and requires soldering to assemble the said unit cell.

Решение, описанное в документе US 9,099,775 B2, раскрывает излучающую ячейку, имеющую два фазных состояния, подходящую для антенной решетки передатчика, способной передавать микроволновые сигналы, причем ячейка содержит первую антенну и вторую антенну, размещенные с обеих сторон сборки, содержащей два слоя подложки, разделенных заземляющим слоем. Вторая антенна содержит проводящий элемент, способный излучать, при этом ячейка содержит по меньшей мере два средства переключения, каждое из которых может иметь состояние включения и состояние выключения между двумя портами. Один из указанных портов соединен со вторым излучающим элементом, при этом указанное средство переключения управляется противоположным образом. Излучающая ячейка применяется, в частности, при реализации решеток передатчиков, использующих несколько конфигурируемых ячеек для управления диаграммой направленности. Однако, известное решение имеет сложную многослойную структуру.The solution described in US 9,099,775 B2 discloses a radiating cell having two phase states suitable for a transmitter antenna array capable of transmitting microwave signals, the cell comprising a first antenna and a second antenna placed on both sides of an assembly comprising two substrate layers separated grounding layer. The second antenna comprises a conductive element capable of emitting, wherein the cell comprises at least two switching means, each of which can have an on state and an off state between two ports. One of said ports is connected to the second radiating element, while said switching means is controlled in the opposite way. An emitting cell is used, in particular, in the implementation of transmitter arrays using several configurable cells to control the radiation pattern. However, the known solution has a complex multilayer structure.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой и недорогой структуры управляемой проходной антенной решетки с низкими потерями и компактными размерами, пригодной для массового производства.Thus, there is a need in the prior art for a simple and inexpensive, low-loss, compact-size controllable walk-through antenna array structure suitable for mass production.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.The present invention addresses at least some of the above problems.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложена ячейка антенной решетки, содержащая:In accordance with one aspect of the present invention, there is provided an antenna array cell comprising:

- центральную печатную плату, включающую в себя симметричную щелевую структуру и по меньшей мере два переключающих элемента, которые расположены в упомянутой щелевой структуре симметрично относительно плоскости симметрии щелевой структуры, причем переключающие элементы выполнены таким образом, что, когда один из элементов имеет состояние низкого импеданса, другой из элементов имеет состояние высокого импеданса и наоборот,- a central printed circuit board including a symmetrical slot structure and at least two switching elements, which are arranged in said slot structure symmetrically with respect to the plane of symmetry of the slot structure, and the switching elements are made in such a way that when one of the elements has a low impedance state, the other of the elements has a state of high impedance and vice versa,

- входной поляризационный фильтр, параллельный одной стороне центральной печатной платы, - input polarizing filter parallel to one side of the central PCB,

- выходной поляризационный фильтр, параллельный другой стороне центральной печатной платы, - an output polarizing filter parallel to the other side of the central PCB,

- линию управления для управления переключающими элементами,- control line for controlling switching elements,

причем один из поляризационных фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, в то время как другой из фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, иwherein one of the polarizing filters is configured to transmit radiation with polarization parallel to the plane of symmetry of said slot structure, while the other of the filters is configured to transmit radiation with polarization perpendicular to the plane of symmetry of said slot structure, and

причем входной поляризационный фильтр, центральная печатная плата и выходной поляризационный фильтр отделены друг от друга зазором.wherein the input polarizing filter, the central printed circuit board, and the output polarizing filter are separated from each other by a gap.

Согласно одному варианту осуществления упомянутый зазор представляет собой воздушный зазор.In one embodiment, said gap is an air gap.

Согласно другому варианту осуществления упомянутый зазор заполнен слоем диэлектрика.In another embodiment, said gap is filled with a dielectric layer.

Согласно другому варианту осуществления центральная печатная плата представляет собой двухслойную печатную плату.In another embodiment, the center PCB is a two-layer PCB.

Согласно другому варианту осуществления линия управления представляет собой микрополосковую линию в центральной печатной плате.In another embodiment, the control line is a microstrip line in the center PCB.

Согласно другому варианту осуществления поляризационные фильтры выполнены на однослойных печатных платах.In another embodiment, the polarizing filters are provided on single-layer printed circuit boards.

Согласно другому варианту осуществления каждая из печатных плат поляризационных фильтров включает в себя щелевую антенну.According to another embodiment, each of the polarizing filter printed circuit boards includes a slot antenna.

Согласно другому варианту осуществления поляризационные фильтры представляют собой перфорированные металлические листы.In another embodiment, the polarizing filters are perforated metal sheets.

Согласно другому варианту осуществления переключающие элементы выбраны из группы, включающей в себя pin-диоды, фотопроводящие элементы, транзисторы, MEMS.In another embodiment, the switching elements are selected from pin diodes, photoconductive elements, transistors, MEMS.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложена проходная антенная решетка, включающая в себя массив ячеек в соответствии с настоящим изобретением и блок управления для управления антенной решеткой.In accordance with another aspect of the invention, there is provided a walk-through antenna array including a cell array in accordance with the present invention and a control unit for driving the antenna array.

Настоящее изобретение обеспечивает антенную решетку, состоящую из элементарных ячеек, обладающих компактными размерами и простой структурой.The present invention provides an antenna array of unit cells having a compact size and simple structure.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:The invention is further illustrated by the description of preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings, in which:

На фиг. 1 изображена общая структура известной из уровня техники проходной антенной решетки.FIG. 1 shows the general structure of a feed-through antenna array known from the prior art.

На фиг. 2 изображен примерный вариант структуры элементарной ячейки проходной антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 2 depicts an exemplary embodiment of a unit cell structure of a feed-through antenna array in accordance with the present invention.

На фиг. 3 изображены возможные варианты реализации щелевой структуры в центральной печатной плате ячейки антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 3 depicts possible embodiments of a slotted structure in a central printed circuit board of an antenna array cell in accordance with the present invention.

На фиг. 4 изображена эквивалентная схема работы переключающих элементов.FIG. 4 shows the equivalent circuit of the switching elements.

На фиг. 5 изображены рабочие состояния ячейки антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением на виде ячейки сверху.FIG. 5 shows the operating states of an antenna array cell in accordance with the present invention in a top view of the cell.

На фиг. 6 схематично изображено распространение излучения в элементарной ячейке антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 6 schematically shows the propagation of radiation in a unit cell of an antenna array in accordance with the present invention.

Подробное описаниеDetailed description

Проходная антенная решетка используется для сканирования луча (управления лучом) или фокусировки поля излучения. Как изображено на фиг. 1, антенная решетка облучается облучателем, например, сферической или плоской волной. Облучатель может представлять собой направленную антенну или антенную решетку, включая, но не ограничительно, по меньшей мере одно из следующего: решетка открытых прямоугольных волноводов со схемой деления мощности, решетка щелевых прямоугольных волноводов, щелевая радиальная волноводная решетка и т.д. Вследствие распространения излучения от облучателя к проходной антенной решетке через воздушный зазор, представленная схема обладает низкими потерями питания. Проходная антенная решетка преобразует поступившее излучение в направленное излучение посредством управления фазой излучения элементарных ячеек, составляющих упомянутую антенную решетку. Таким образом, между приемными антенными элементами проходной антенной решетки и передающими элементами проходной антенной решетки расположено средство управления фазой, которое может включать в себя, например, фазовращатель, линию задержки и т.д. В общем случае, фаза может регулироваться в диапазоне от 0 до 360 градусов, однако, в таком случае ячейки проходной антенной решетки обладают сложной структурой, обеспечивающей такое управление фазой.The pass-through antenna array is used to scan the beam (steer the beam) or focus the radiation field. As shown in FIG. 1, the antenna array is irradiated with a feed such as a spherical or plane wave. The feed can be a directional antenna or antenna array, including, but not limited to, at least one of the following: open rectangular waveguide array with power splitting circuitry, slotted rectangular waveguide array, slotted radial waveguide array, etc. Due to the propagation of radiation from the feed to the antenna array through the air gap, the presented circuit has low power losses. The pass-through antenna array converts the incoming radiation into directional radiation by controlling the radiation phase of the elementary cells that make up the said antenna array. Thus, a phase control means is located between the receiving antenna elements of the feed-through antenna array and the transmitting elements of the feed-through antenna array, which may include, for example, a phase shifter, a delay line, etc. In general, the phase can be controlled in the range from 0 to 360 degrees, however, in this case, the cells of the feed-through antenna array have a complex structure that provides such phase control.

Далее со ссылками на фиг. 2-6 будет описана структура элементарной ячейки проходной антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.Next, referring to FIG. 2-6, the unit cell structure of a feed-through antenna array in accordance with the present invention will be described.

На фиг. 2 изображен примерный вариант структуры элементарной ячейки проходной антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 2 depicts an exemplary embodiment of a unit cell structure of a feed-through antenna array in accordance with the present invention.

Как изображено на фиг. 2, ячейка (1) проходной антенной решетки состоит из входного поляризационного фильтра (2), выходного поляризационного фильтра (4) и центральной печатной платы (3), расположенной между упомянутыми фильтрами. Упомянутые слои разделены воздушным зазором. Воздушный зазор обеспечен посредством проставок (спейсеров). Возможно также диэлектрическое заполнение или многослойное диэлектрическое заполнение зазоров между слоями, т.е. упомянутый зазор может быть заполнен диэлектриком. При этом необходимо учитывать доступ для монтажа переключающих элементов.As shown in FIG. 2, the cell (1) of the pass-through antenna array consists of an input polarizing filter (2), an output polarizing filter (4) and a central printed circuit board (3) located between said filters. These layers are separated by an air gap. The air gap is provided by spacers (spacers). Dielectric filling or multilayer dielectric filling of gaps between layers is also possible, i. E. the said gap can be filled with a dielectric. The accessibility for mounting the switching elements must be taken into account.

Центральная печатная плата (3) включает в себя симметричную щелевую структуру (6) и по меньшей мере два переключающих элемента (8, 9), которые расположены в упомянутой щелевой структуре симметрично относительно плоскости симметрии щелевой структуры. Плоскость симметрии это нормальная плоскость к плоскостям элементов такая, что относительно этой плоскости соблюдается зеркальная симметрия геометрии всех элементов центральной печатной платы. Упомянутая симметрия компоновки обеспечивает возможность регулировки (переключения) фазы (0/180 градусов). Расстояние или угол между переключающими элементами в упомянутой компоновке настраивается для обеспечения требуемых параметров сигнала (согласование, прохождение, полоса частот и т.д.). Плоскость симметрии центральной печатной платы может иметь произвольное расположение относительно плоскостей симметрии поляризационных фильтров. Однако, в частном варианте осуществления настоящего изобретения плоскость симметрии центральной печатной платы может совпадать с одной из плоскостей симметрии поляризационных фильтров. The central printed circuit board (3) includes a symmetrical slot structure (6) and at least two switching elements (8, 9), which are located in the said slot structure symmetrically with respect to the plane of symmetry of the slot structure. The plane of symmetry is the normal plane to the planes of the elements such that, relative to this plane, the mirror symmetry of the geometry of all elements of the central printed circuit board is observed. This symmetry of the layout allows for phase adjustment (switching) (0/180 degrees). The distance or angle between the switching elements in the said arrangement is adjusted to provide the required signal parameters (matching, transmission, bandwidth, etc.). The symmetry plane of the central printed circuit board can be arbitrarily positioned relative to the symmetry planes of the polarizing filters. However, in a particular embodiment of the present invention, the plane of symmetry of the central printed circuit board may coincide with one of the planes of symmetry of the polarizing filters.

В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, щелевая структура (6) имеет форму круга. В альтернативных вариантах осуществления, щелевая структура центральной печатной платы может иметь другую форму в зависимости от конструкторских, технологических и иных требований (см. фиг. 3). При этом отмечается, что щелевая структура может иметь и несимметричную форму. Однако, наибольшая эффективность работы ячейки антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением достигается при использовании симметричной формы упомянутой щелевой структуры (6).In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the slotted structure (6) is circular. In alternative embodiments, the slotted structure of the central printed circuit board may have a different shape depending on design, technological and other requirements (see Fig. 3). It is also noted that the slot structure can also have an asymmetric shape. However, the greatest efficiency of the antenna array cell in accordance with the present invention is achieved when using the symmetrical shape of the said slot structure (6).

Упомянутые переключающие элементы (8, 9) выполнены таким образом, что, когда один из элементов имеет состояние низкого импеданса (т.е. переключающий элемент замкнут) и таким образом соединяет фрагменты центральной печатной платы, ограничивающие щелевую структуру, другой из элементов имеет состояние высокого импеданса (т.е. переключающий элемент разомкнут) и наоборот. Упомянутые переключающие элементы могут быть выполнены в виде, например, pin-диодов, фотопроводящих элементов, транзисторов, MEMS (Microelectromechanical systems, микроэлектромеханические системы) и т.д. The said switching elements (8, 9) are made in such a way that when one of the elements has a low impedance state (i.e., the switching element is closed) and thus connects the fragments of the central printed circuit board that delimit the slot structure, the other of the elements has a high state. impedance (i.e. the switching element is open) and vice versa. The mentioned switching elements can be made in the form, for example, pin-diodes, photoconductive elements, transistors, MEMS (Microelectromechanical systems, microelectromechanical systems), etc.

В альтернативном варианте осуществления может использоваться переключающий элемент с высокой паразитной емкостью. Для создания параллельного резонанса на паразитной емкости рядом с переключающим элементом размещается замыкающая дорожка, играющая роль индуктивности. В состоянии параллельного резонанса переключающий элемент имеет высокое сопротивление, что обеспечивает эффективное «выключение» упомянутого переключающего элемента. Такой вариант осуществления позволяет использовать недорогие компоненты, что снижает затраты на производство антенной решетки.In an alternative embodiment, a high parasitic capacitance switching element may be used. To create a parallel resonance on the parasitic capacitance, a closing track is placed next to the switching element, which plays the role of inductance. In the state of parallel resonance, the switching element has a high resistance, which effectively "turns off" said switching element. This embodiment allows the use of inexpensive components, which reduces the cost of manufacturing the antenna array.

В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, центральная печатная плата включает в себя два переключающих элемента. Однако, стоит отметить, что в альтернативных вариантах осуществления центральная печатная плата может включать в себя больше двух переключающих элементов, при этом упомянутые переключающие элементы должны быть сгруппированы в две группы так, что группы имеют в любой момент времени различные состояния. В то же время в соответствии с настоящим изобретением расположение упомянутых переключающих элементов (групп элементов) должно обладать зеркальной симметрией.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the center PCB includes two switching elements. However, it should be noted that in alternative embodiments, the central PCB may include more than two switching elements, said switching elements being grouped into two groups so that the groups have different states at any given time. At the same time, according to the present invention, the arrangement of the said switching elements (groups of elements) should have a mirror symmetry.

Управление переключающими элементами осуществляется посредством линии (10) управления, которая соединяется с переключающими элементами (8, 9) в центральной части фрагмента печатной платы, окруженного щелевой структурой (6). Линия (10) управления в примерном варианте осуществления представляет собой микрополосковую линию в центральной печатной плате. Длина линии (10) управления от щелевой структуры (6) до упомянутой центральной части фрагмента печатной платы, окруженного щелевой структурой (6), предпочтительно должна составлять порядка 1/4 длины волны основной моды микрополосковой линии. Такая длина дает высокий импеданс отрезка линии (10) управления в месте пересечения линии (10) управления и щелевой структуры (6) и предотвращает утечку основного сигнала в эту линию (10) управления. Второй конец линии (10) управления соединен с шиной передачи данных (не изображена), посредством которой осуществляется передача управляющих сигналов от блока управления антенной решетки к элементарным ячейкам антенной решетки. На проводниках шины управления также возможна установка фильтрующих элементов известных из уровня техники для уменьшения (предотвращения) утечки сигнала в шину управления. The switching elements are controlled by a control line (10), which is connected to the switching elements (8, 9) in the central part of the printed circuit board fragment, surrounded by the slotted structure (6). The control line (10) in an exemplary embodiment is a microstrip line in a central PCB. The length of the control line (10) from the slotted structure (6) to the said central part of the printed circuit board fragment surrounded by the slotted structure (6) should preferably be on the order of 1/4 of the wavelength of the fundamental mode of the microstrip line. This length gives a high impedance of the section of the control line (10) at the intersection of the control line (10) and the slot structure (6) and prevents leakage of the main signal into this control line (10). The second end of the control line (10) is connected to a data transmission bus (not shown), through which control signals are transmitted from the antenna array control unit to the antenna array elementary cells. It is also possible to install filter elements known from the prior art on the conductors of the control bus to reduce (prevent) signal leakage into the control bus.

В представленном на фиг.2 примерном варианте осуществления ячейки антенной решетки упомянутые переключающие элементы (8, 9) являются pin-диодами. Эквивалентная схема работы этих переключающих элементов в двух состояниях изображена на фиг. 4. Как видно из упомянутой эквивалентной схемы, в зависимости от управляющего сигнала в каждом из упомянутых двух состояний один из pin-диодов является проводящим, в то время как другой является непроводящим. Таким образом, при такой схеме включения переключающих элементов достаточно одной линии управления для управления обоими переключающими элементами. Центральная часть ячейки, отделенная щелевой структурой от остальной части печатной платы, получает посредством линии управления положительный или отрицательный потенциал относительно упомянутой остальной части платы. В зависимости от этого включается один из диодов.In the exemplary embodiment of the antenna array cell shown in FIG. 2, said switching elements (8, 9) are pin diodes. An equivalent circuit for the operation of these switching elements in two states is shown in FIG. 4. As seen from the above-mentioned equivalent circuit, depending on the control signal in each of the above two states, one of the pin diodes is conductive, while the other is non-conductive. Thus, with such a switching element switching circuit, one control line is sufficient to control both switching elements. The central part of the cell, separated by the slotted structure from the rest of the printed circuit board, receives a positive or negative potential with respect to said rest of the circuit board via a control line. Depending on this, one of the diodes turns on.

В примерном варианте осуществления центральная печатная плата реализована как двухслойная печатная плата, при этом первый слой включает в себя щелевую структуру, а второй слой включает в себя микрополосковую линию управления. Переключающие элементы могут быть расположены с обеих сторон печатной платы. Если они расположены со стороны микрополосковой линии управления, то контактные площадки переключающих элементов соединяются с другой стороной печатной платы посредством металлизированных отверстий. В случае, если микрополосковая линия управления отсутствует, центральная печатная плата может быть выполнена однослойной. Например, в случае использования фотопроводящих переключающих элементов, управление ими можно осуществлять посредством их диэлектрических оптических волноводов, реализующих функцию линии управления переключающими элементами. Оптические волноводы при этом могут быть расположены в промежутках между поляризационными фильтрами и центральной пластиной, не оказывая существенного влияния на сигнал, проходящий через антенную решетку в силу малых поперечных размеров. Также оптические волноводы могут быть расположены перпендикулярно плоскостям элементов решетки. В таком случае микрополосковая линия управления не нужна.In an exemplary embodiment, the center PCB is implemented as a two-layer PCB, wherein the first layer includes a slotted structure and the second layer includes a microstrip control line. Switching elements can be located on both sides of the printed circuit board. If they are located on the side of the microstrip control line, then the contact pads of the switching elements are connected to the other side of the printed circuit board by means of plated holes. If there is no microstrip control line, the central printed circuit board can be made in a single layer. For example, in the case of using photoconductive switching elements, they can be controlled by their dielectric optical waveguides realizing the function of a control line of the switching elements. In this case, optical waveguides can be located in the gaps between the polarizing filters and the central plate, without significantly affecting the signal passing through the antenna array due to their small transverse dimensions. Also, optical waveguides can be located perpendicular to the planes of the array elements. In this case, the microstrip control line is unnecessary.

С математической точки зрения центральная печатная плата с щелевой структурой может быть представлена как восьмиполюсник (четырехпортовое устройство), описываемый матрицей рассеяния. From a mathematical point of view, a central slotted PCB can be represented as an eight-port (four-port device) described by a scattering matrix.

В общем виде, упомянутая матрица имеет следующий вид (с указанием свойств некоторых элементов матрицы описываемой структуры):In general, the mentioned matrix has the following form (indicating the properties of some elements of the matrix of the described structure):

Figure 00000001
.
Figure 00000001
...

Для упрощения предполагаем, что у нас бесконечная периодическая структура нулевой толщины, причем поперечные размеры ячейки меньше половины длины волны. Рассматривается только нормальное падение плоской волны. Тогда согласно теории периодических структур на достаточно больших расстояниях от структуры (по сравнению с периодом структуры) поле можно описать плоской падающей волной, плоскими отраженными волнами двух поляризаций и прошедшими плоскими волнами двух поляризации. Из этого вытекает возможность описания системы матрицей рассеяния как линейной системы с конечным числом портов. Порт в данном описании это плоская волна какой-то поляризации. Нулевая толщина дает нам возможность связать поле с одной стороны от структуры (z<0, ось z перпендикулярна плоскости центральной печатной платы) с полем на другой стороне (z>0) через его непрерывность в щели. Также используется свойство взаимности при использовании взаимных материалов с симметричными тензорами материальных уравнений (для уравнений Максвелла), используемых для описания материалов в электродинамике. Первый порт (порт1) в упомянутом четырехпортовом устройстве - это порт со стороны z<0 с у-поляризацией, второй порт (порт2) - это порт со стороны z<0 с х-поляризацией, третий порт (порт3) - это порт со стороны z>0 с y-поляризацией, четвертый порт (порт4) - порт со стороны z>0 с x-поляризацией.For simplicity, we assume that we have an infinite periodic structure of zero thickness, and the transverse dimensions of the cell are less than half the wavelength. Only the normal incidence of a plane wave is considered. Then, according to the theory of periodic structures, at sufficiently large distances from the structure (in comparison with the period of the structure), the field can be described by a plane incident wave, plane reflected waves of two polarizations, and transmitted plane waves of two polarizations. This implies the possibility of describing the system by the scattering matrix as a linear system with a finite number of ports. The port in this description is a plane wave of some kind of polarization. Zero thickness enables us to connect the field on one side of the structure (z <0, the z axis is perpendicular to the plane of the central PCB) with the field on the other side (z> 0) through its continuity in the slot. The property of reciprocity is also used when using reciprocal materials with symmetric tensors of material equations (for Maxwell's equations) used to describe materials in electrodynamics. The first port (port1) in the mentioned four-port device is the port on the z <0 side with y-polarization, the second port (port2) is the port on the z <0 side with x-polarization, the third port (port3) is the port on the side z> 0 with y-polarization, the fourth port (port4) is the port on the z> 0 side with x-polarization.

S12=S21, S32=S23 - свойство того, что матрица рассеяния устройств, имеющих симметричные тензоры материальных уравнений Максвелла, симметрична.S 12 = S 21 , S 32 = S 23 - the property of the fact that the scattering matrix of devices with symmetric tensors of Maxwell's material equations is symmetric.

S41=S21, S32=S12 - это равенство является следствием того, что комплексные амплитуды кросс поляризованного прошедшего (S41, S32) и отраженного (S21, S12) полей возбуждаются одинаковым полем в щели c двух сторон от бесконечно тонкого экрана. S 41 = S 21 , S 32 = S 12 - this equality is a consequence of the fact that the complex amplitudes of the cross-polarized transmitted (S 41 , S 32 ) and reflected (S 21 , S 12 ) fields are excited by the same field in the slot on both sides of infinitely thin screen.

Таким образом, S41=S23.Thus, S 41 = S 23 .

S41 - комплексная амплитуда прошедшей волны с х-поляризацией при падении волны с у-поляризацией со стороны z<0 (допустим состояние ключей, если смотрим со стороны z<0 и ось y направлена вверх, представляет собой 0 для ключа расположенного слева от плоскости симметрии (ключ 1) и 1 для ключа расположенного справа от плоскости симметрии (ключ 2)).S 41 is the complex amplitude of the transmitted wave with x-polarization when the wave with y-polarization is incident from the side z <0 (let us assume the state of the keys, if we look from the side z <0 and the y-axis is directed upwards, is 0 for the key located to the left of the plane symmetry (key 1) and 1 for the key located to the right of the symmetry plane (key 2)).

S23 - комплексная амплитуда прошедшей волны с х-поляризацией при падении волны с у-поляризацией со стороны z>0, причем состояние ключей, если смотрим со стороны z<0, представляет собой 0 и 1 (аналогично описанному в предыдущем абзаце) или, если смотрим со стороны z>0, представляет собой 1 (ключ 2 расположен слева от плоскости симметрии) и 0 (ключ 1 расположен справа от плоскости симметрии), а это эквивалентно падению со стороны z<0, но с состоянием ключей 1 (ключ 1) и 0 (ключ 2). S 23 is the complex amplitude of the transmitted wave with x-polarization when the wave with y-polarization is incident from the side z> 0, and the state of the keys, if we look from the side z <0, is 0 and 1 (similar to that described in the previous paragraph) or, if we look from the side z> 0, it is 1 (key 2 is located to the left of the plane of symmetry) and 0 (key 1 is located to the right of the plane of symmetry), and this is equivalent to falling from the side z <0, but with the state of keys 1 (key 1 ) and 0 (key 2).

Поскольку ось х со стороны z>0 идет в одном направлении, а со стороны z<0 - в противоположном направлении, то при переключении симметрично расположенных переключающих элементов S41 меняет знак. Since the x-axis from the side z> 0 goes in one direction, and from the side z <0 - in the opposite direction, then when switching symmetrically located switching elements S 41 changes sign.

Входной поляризационный фильтр и выходной поляризационный фильтр в примерном варианте осуществления выполнены как печатные платы, каждая из которых включает в себя щелевую антенну, предназначенную для пропуска волны с определенной поляризацией. Щели (слоты) в этих печатных платах имеют прямоугольную форму, при этом щель (5) во входном поляризационном фильтре (2) расположена перпендикулярно относительно щели (7) в выходном поляризационном фильтре (4). В таком случае входной поляризационный фильтр (2) пропускает, например, волну с горизонтальной поляризацией, а выходной поляризационный фильтр (4) пропускает волну с вертикальной поляризацией или наоборот.The input polarizing filter and the output polarizing filter are, in the exemplary embodiment, formed as printed circuit boards, each of which includes a slot antenna for passing a wave with a specific polarization. The slots (slots) in these printed circuit boards are rectangular, with the slot (5) in the input polarizing filter (2) being perpendicular to the slot (7) in the output polarizing filter (4). In this case, the input polarizing filter (2) passes, for example, a horizontally polarized wave, and the output polarizing filter (4) passes a vertically polarized wave, or vice versa.

В примерном варианте осуществления входной поляризационный фильтр выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, а выходной поляризационный фильтр выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры. Возможна и обратная конфигурация. Это следует из приведенного выше свойства симметрии матрицы рассеяния полного устройства (s12= s21).In an exemplary embodiment, the input polarizing filter is configured to transmit radiation with polarization parallel to the plane of symmetry of said slot structure, and the output polarizing filter is configured to transmit radiation with polarization perpendicular to the plane of symmetry of said slot structure. The reverse configuration is also possible. This follows from the above symmetry property of the scattering matrix of the complete device (s 12 = s 21 ).

Таким образом, в общем случае один из поляризационных фильтров должен быть выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, в то время как другой из фильтров должен быть выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры. Thus, in the general case, one of the polarizing filters must be capable of transmitting radiation with polarization parallel to the plane of symmetry of the said slot structure, while the other of the filters must be capable of transmitting radiation with polarization perpendicular to the plane of symmetry of the said slot structure. ...

В альтернативном варианте осуществления входной поляризационный фильтр и выходной поляризационный фильтр могут представлять собой перфорированные металлические листы. In an alternative embodiment, the input polarizing filter and the output polarizing filter may be perforated metal sheets.

В еще одном альтернативном варианте осуществления щель имеет, например, форму эллипса вместо прямоугольной формы.In yet another alternative embodiment, the slot is, for example, elliptical instead of rectangular.

В дополнительном альтернативном варианте осуществления изобретения вместо щелевой антенны может использоваться полосковая антенна.In a further alternative embodiment of the invention, a strip antenna may be used in place of the slot antenna.

На фиг. 5 изображены рабочие состояния ячейки антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением на виде ячейки сверху.FIG. 5 shows the operating states of an antenna array cell in accordance with the present invention in a top view of the cell.

В примере на фиг. 5 щель (5) входного поляризационного фильтра пропускает волны с вертикальной поляризацией (у-поляризацией), в то время как щель (7) выходного поляризационного фильтра пропускает волны с горизонтальной поляризацией (х-поляризацией).In the example of FIG. 5, the slit (5) of the input polarizing filter transmits the vertically polarized (y-polarized) waves, while the slit (7) of the output polarizing filter transmits the horizontally polarized (x-polarized) waves.

В случае, изображенном на фиг. 5а, состояние первого переключающего элемента (8) идентично состоянию второго переключающего элемента (9). Система обладает симметрией относительно оси у. В таком случае изменение поляризации невозможно, т.к. оно является результатом нарушения симметрии. Следовательно, излучение на выходе элементарной ячейки отсутствует. Поэтому такая конфигурация не используется в настоящем изобретении.In the case shown in FIG. 5a, the state of the first switching element (8) is identical to the state of the second switching element (9). The system is symmetrical about the y-axis. In this case, changing the polarization is impossible, because it is the result of symmetry breaking. Consequently, there is no radiation at the output of the unit cell. Therefore, such a configuration is not used in the present invention.

В случае, изображенном на фиг. 5б, переключающий элемент (8) является включенным, а переключающий элемент (9) является выключенным. Обратная ситуация изображена на фиг. 5в. В таком случае система имеет нарушение симметрии. За счет такой асимметрии происходит изменение поляризации проходящего излучения. Волна с вертикальной поляризацией проходит через щель (5) входного поляризационного фильтра. Волна с горизонтальной поляризацией (кроссполяризованная волна) проходит через щель (7) выходного поляризационного фильтра. Описанные два состояния (фиг. 5б и 5в) имеют противоположное направление электрического поля в щели выходного поляризационного фильтра (0 и 180 градусов). Таким образом, переключение между этими двумя состояниями позволяет реализовать однобитное управление фазой (0/180 градусов) излучения элементарной ячейки антенной решетки. In the case shown in FIG. 5b, the switching element (8) is on and the switching element (9) is off. The opposite situation is shown in FIG. 5c. In this case, the system has a violation of symmetry. Due to this asymmetry, the polarization of the transmitted radiation changes. The vertically polarized wave passes through the slit (5) of the input polarizing filter. A horizontally polarized wave (cross-polarized wave) passes through the slit (7) of the output polarizing filter. The described two states (Figs. 5b and 5c) have the opposite direction of the electric field in the slit of the output polarization filter (0 and 180 degrees). Thus, switching between these two states allows one-bit control of the phase (0/180 degrees) of the radiation of the elementary cell of the antenna array.

Принцип изменения поляризации излучения в элементарной ячейке антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением будет описан далее со ссылкой на фиг. 6.The principle of changing the polarization of radiation in a unit cell of an antenna array in accordance with the present invention will be described below with reference to FIG. 6.

На фиг. 6 схематично изображено распространение излучения в элементарной ячейке антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 6 schematically shows the propagation of radiation in a unit cell of an antenna array in accordance with the present invention.

На фиг. 6 в обозначениях, используемых для указания распространения излучения, верхний индекс указывает направление распространения излучения («+» означает распространение слева направо на фигуре, в то время как «-» означает распространение справа налево), цифра в нижнем индексе указывает порядковый номер слоя, в котором распространяется излучение (1 - пространство до входного поляризационного фильтра, 2 - воздушный зазор между входным поляризационным фильтром и центральной печатной платой, 3 - воздушный зазор между выходным поляризационным фильтром и центральной печатной платой, 4 - пространство после выходного поляризационного фильтра), а буквы в нижнем индексе обозначают поляризацию излучения (С - излучение с кополяризацией относительно падающей волны, Х - излучение с кроссполяризацией относительно падающей волны).FIG. 6 in the notation used to indicate the propagation of radiation, the superscript indicates the direction of propagation of the radiation ("+" means propagation from left to right in the figure, while "-" means propagation from right to left), the number in the subscript indicates the serial number of the layer, in where the radiation propagates (1 - the space before the input polarizing filter, 2 - the air gap between the input polarizing filter and the central PCB, 3 - the air gap between the output polarizing filter and the central PCB, 4 - the space after the output polarizing filter), and the letters in the subscript denotes the polarization of the radiation (C - radiation with copolarization with respect to the incident wave, X - radiation with cross-polarization with respect to the incident wave).

Как изображено на фиг. 6, падающая волна частично отражается от входного поляризационного фильтра и частично проходит через него. Далее щелевая структура частично пропускает падающую волну и частично отражает ее и при этом деполяризует как отраженную, так и прошедшую волну. As shown in FIG. 6, the incident wave is partially reflected from the input polarizing filter and partially passes through it. Further, the slit structure partially transmits the incident wave and partially reflects it, and at the same time depolarizes both the reflected and the transmitted wave.

Следовательно, падающая волна частично отражается от входного поляризационного фильтра и частично отражается от центральной печатной платы. Интерференция этих отраженных волн дает суммарное отражение, и оптимизация их амплитуд и фаз позволяет минимизировать суммарное отражение. Излучение с кроссполяризацией при этом полностью отражается от входного поляризационного фильтра.Therefore, the incident wave is partly reflected from the input polarizing filter and partly reflected from the central PCB. The interference of these reflected waves produces a net reflection, and optimization of their amplitudes and phases minimizes the net reflection. In this case, the cross-polarized radiation is completely reflected from the input polarizing filter.

В двух воздушных зазорах существуют стоячие волны обеих поляризаций.Standing waves of both polarizations exist in the two air gaps.

Справа через выходной поляризационный фильтр проходит только излучение с кроссполяризацией относительно падающей волны. При этом переключающие элементы в этом случае за счет своего симметричного расположения позволяют переключать фазу прошедшего сигнала при неизменной амплитуде.On the right, only radiation with cross-polarization relative to the incident wave passes through the output polarizing filter. In this case, the switching elements in this case, due to their symmetrical arrangement, make it possible to switch the phase of the transmitted signal at a constant amplitude.

Таким образом, как видно из фиг. 6, выходной поляризационный фильтр пропускает только излучение с кроссполяризацией относительно падающей волны. Принцип работы элементарной ячейки основан на возбуждении полей с двумя поляризациями в щели с несимметричным включением переключающих элементов, поляризационной фильтрации и согласовании входного и выходного портов структуры. В результате обеспечивается возможность создания переключаемой передающей структуры для входных электромагнитных волн. Сдвиг фазы 180 градусов задается автоматически посредством учета симметрии. Thus, as seen in FIG. 6, the output polarizing filter only passes cross-polarized radiation with respect to the incident wave. The principle of operation of a unit cell is based on the excitation of fields with two polarizations in a slot with asymmetric switching on of switching elements, polarization filtering, and matching of the input and output ports of the structure. As a result, it is possible to create a switchable transmission structure for input electromagnetic waves. A phase shift of 180 degrees is set automatically by taking into account symmetry.

Регулировка параметров щелей поляризационных фильтров и воздушных зазоров позволяет согласовать отражения излучения от щелей и центральной печатной платы.Adjusting the parameters of the polarizing filter slits and air gaps allows you to match the radiation reflections from the slots and the central PCB.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением возможно скомпоновать элементарную ячейку антенной решетки с бесконтактной структурой (поляризационные фильтры и центральная печатная плата разделены воздушным зазором) и однобитным управлением (0/180 градусов) из трех отдельных подложек с минимальным числом управляющих элементов, т.е. предложенная компоновка имеет компактные размеры и очень простую структуру с минимальными потерями. Такая компоновка в силу своей простоты позволяет снизить затраты, как материальные, так и временные, на производство упомянутой элементарной ячейки антенной решетки. Стоит отметить, что производство компоновки из трех разнесенных печатных плат, в которой поляризационные фильтры выполнены однослойными, а центральная печатная плата выполнена двухслойной, гораздо проще производства компоновки, представляющей собой многослойную печатную плату.Thus, in accordance with the present invention, it is possible to assemble an antenna array elementary cell with a contactless structure (polarizing filters and a central printed circuit board are separated by an air gap) and one-bit control (0/180 degrees) from three separate substrates with a minimum number of control elements, i.e. ... the proposed arrangement has a compact size and a very simple structure with minimal losses. This arrangement, due to its simplicity, makes it possible to reduce the costs, both material and time, for the production of the said elementary cell of the antenna array. It is worth noting that the production of a three-spaced PCB layout, in which the polarizing filters are single-layer and the central PCB is made of two-layer, is much simpler than the production of a multilayer PCB layout.

В соответствии с одним из аспектов изобретения предложена проходная антенная решетка, включающая в себя массив (матрицу) из элементарных ячеек в соответствии с настоящим изобретением, а также блок управления для управления антенной решеткой. Далее будет рассмотрено функционирование такой проходной антенной решетки.In accordance with one aspect of the invention, there is provided a walk-through antenna array including an array of unit cells in accordance with the present invention, as well as a control unit for driving the antenna array. Next, the operation of such a pass-through antenna array will be discussed.

Диаграмма направленности антенной решетки характеризуется вектором сканирования

Figure 00000002
, который представляет собой полный вектор комплексных амплитуд (компонентами являются комплексные амплитуды сигналов от элементарных ячеек антенной решетки). Вектор сканирования определяется следующим образом:The radiation pattern of the antenna array is characterized by the scanning vector
Figure 00000002
, which is the full vector of complex amplitudes (the components are the complex amplitudes of signals from the elementary cells of the antenna array). The scan vector is defined as follows:

Figure 00000003
, (1)
Figure 00000003
, (1)

где

Figure 00000004
- мнимая единица,
Figure 00000005
- волновое число,
Figure 00000006
- вектор от N-й ячейки антенной решетки до точки наблюдения,
Figure 00000007
- фазовая задержка распространения электромагнитных волн от N-й ячейки антенной решетки до точки наблюдения,
Figure 00000008
- комплексная амплитуда сигнала от N-й ячейки антенной решетки в точке наблюдения при ее возбуждении сигналом комплексной амплитуды 1.where
Figure 00000004
- imaginary unit,
Figure 00000005
- wave number,
Figure 00000006
is the vector from the Nth cell of the antenna array to the observation point,
Figure 00000007
- the phase delay of the propagation of electromagnetic waves from the Nth cell of the antenna array to the observation point,
Figure 00000008
is the complex amplitude of the signal from the Nth cell of the antenna array at the observation point when it is excited by a signal of complex amplitude 1.

Для генерирования однолучевой диаграммы направленности излучения антенной решетки блоком управления задается вектор возбуждения w1 ячеек антенной решетки, состоящий из элементов ±1 для однобитного управления. Количество элементов вектора возбуждения равно количеству элементарных ячеек в антенной решетке, причем каждый элемент задает фазу излучения элементарной ячейки антенной решетки. Вектор возбуждения ячеек антенной решетки для генерирования однолучевой диаграммы направленности задается следующим образом:To generate a single-beam radiation pattern of the antenna array, the control unit sets the excitation vector w 1 of the antenna array cells, consisting of ± 1 elements for one-bit control. The number of elements of the excitation vector is equal to the number of elementary cells in the antenna array, with each element specifying the phase of radiation of the elementary cell of the antenna array. The excitation vector of the antenna array cells for generating a single-beam radiation pattern is set as follows:

Figure 00000009
, (2)
Figure 00000009
, (2)

где

Figure 00000010
- регулируемое значение фазы, оптимизируемое посредством моделирования множителя решетки (AF, array factor),
Figure 00000002
- вектор сканирования, представляющий собой полный вектор комплексных амплитуд (компонентами являются комплексные амплитуды от элементарных ячеек антенной решетки), exp - комплексная экспонента
Figure 00000011
, arg - аргумент комплексного числа, sign - функция знака действительного числа: +1 для положительного числа, -1 для отрицательного числа, 0 для 0.where
Figure 00000010
- an adjustable phase value, optimized by modeling an array factor (AF),
Figure 00000002
is the scanning vector, which is the full vector of complex amplitudes (the components are the complex amplitudes from the elementary cells of the antenna array), exp is the complex exponent
Figure 00000011
, arg is the argument of a complex number, sign is the sign function of the real number: +1 for a positive number, -1 for a negative number, 0 for 0.

Множитель решетки определяется следующим образом:The lattice factor is determined as follows:

Figure 00000012
, (3)
Figure 00000012
, (3)

где θ и ϕ - текущие угол возвышения и азимутальный угол точки наблюдения в сферической системе координат.where θ and ϕ are the current elevation and azimuth angle of the observation point in a spherical coordinate system.

Эта формула для скалярного произведения векторов совпадает с суммированием комплексных вкладов от единичных элементов решетки

Figure 00000013
This formula for the scalar product of vectors coincides with the summation of the complex contributions from the unit lattice elements
Figure 00000013

и дает комплексную амплитуду сигнала от всей решетки в точке наблюдения с учетом индивидуальных комплексных амплитуд возбуждения единичных элементов без учета диаграммы направленности индивидуальных элементов.and gives the complex amplitude of the signal from the entire array at the observation point taking into account the individual complex amplitudes of the excitation of the single elements without taking into account the directional pattern of the individual elements.

Для генерирования многолучевой диаграммы направленности излучения антенной решетки блоком управления следующим образом задается вектор возбуждения wM ячеек антенной решетки:To generate a multi-beam radiation pattern of the antenna array, the control unit sets the excitation vector w M of the antenna array cells as follows:

Figure 00000014
, (4)
Figure 00000014
, (4)

где

Figure 00000015
- вектор сканирования для s-го направления, а
Figure 00000016
- весовой коэффициент для s-го направления, оптимизируемый посредством моделирования множителя решетки. Для матрицы 16х16 и более весовой коэффициент в большинстве случаев может быть равен единице.where
Figure 00000015
is the scanning vector for the s-th direction, and
Figure 00000016
is the weighting factor for the s-th direction, optimized by modeling the lattice multiplier. For a matrix of 16x16 and more, the weighting factor in most cases can be equal to one.

Антенна в соответствии с настоящим изобретением способна осуществлять как сканирование луча, так и фокусировку электромагнитного поля излучения, при этом антенна может формировать как однолучевую, так и многолучевую диаграмму направленности.An antenna in accordance with the present invention is capable of performing both beam scanning and focusing of the electromagnetic radiation field, while the antenna can form both single-beam and multi-beam radiation patterns.

Описанный способ управления антенной согласно настоящему изобретению может выполняться блоком управления, который исполняет программный код, содержащийся на компьютерно-читаемом носителе.The described antenna control method according to the present invention can be performed by a control unit that executes program code contained on a computer-readable medium.

Антенна согласно настоящему изобретению преимущественно предназначена для использования в миллиметровом диапазоне длин волн. Однако, альтернативно могут быть использованы любые диапазоны длин волн, для которых возможно осуществить излучение и управляемую фокусировку электромагнитных волн. Например, в качестве альтернативы может быть использовано коротковолновое, субмиллиметровое (терагерцовое) излучение и т.д.The antenna of the present invention is advantageously intended for use in the millimeter wavelength range. However, alternatively, any wavelength ranges can be used for which it is possible to carry out radiation and controlled focusing of electromagnetic waves. For example, shortwave, submillimeter (terahertz) radiation, etc. can be used as an alternative.

Компактные и высокоэффективные системы с управляемой проходной антенной решеткой согласно настоящему изобретению могут найти применение в системах беспроводной связи перспективных стандартов 5G, 6G и WiGig. При этом настоящее изобретение может использоваться как в базовых станциях, так и в антеннах мобильных терминалов.The compact and high-performance steerable antenna array systems according to the present invention can find application in wireless communication systems of the promising 5G, 6G and WiGig standards. Moreover, the present invention can be used both in base stations and in antennas of mobile terminals.

Настоящее изобретение может найти применение в системах LWPT всех типов: наружных/внутренних, автомобильных, мобильных и т.д. При этом обеспечивается высокая эффективность передачи мощности при любых сценариях. Устройство передачи мощности может быть построено на основании описанной структуры антенной решетки и таким образом может реализовывать фокусировку луча при зарядке устройств в зоне ближнего поля или сканирование луча для передачи мощности устройствам, находящимся в дальней зоне антенны передатчика.The present invention can find application in all types of LWPT systems: outdoor / indoor, automotive, mobile, etc. This ensures high efficiency of power transmission in all scenarios. The power transmission device can be built on the basis of the described structure of the antenna array and thus can implement beam focusing when charging devices in the near field or scanning the beam for transmitting power to devices located in the far zone of the transmitter antenna.

При использовании в робототехнике можно использовать предложенную антенну для обнаружения/избежания препятствий.When used in robotics, the proposed antenna can be used to detect / avoid obstacles.

Настоящее изобретение также может использоваться в радарах автономных транспортных средств.The present invention can also be used in autonomous vehicle radars.

Кроме того, настоящее изобретение может найти применение при реализации интеллектуальных передающих поверхностей, обеспечивающих передачу сигналов от базовых станций пользователям. Такая реализация позволяет снизить потребление энергии и число требуемых базовых станций.In addition, the present invention can find application in the implementation of intelligent transmitting surfaces for transmitting signals from base stations to users. This implementation allows you to reduce power consumption and the number of required base stations.

Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.It should be understood that while terms such as "first", "second", "third", etc., may be used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or sections, these elements, components , areas, layers and / or sections should not be limited by these terms. These terms are used only to distinguish one element, component, region, layer or section from another element, component, region, layer or section. Thus, a first element, component, region, layer, or section may be called a second element, component, region, layer, or section without departing from the scope of the present invention. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the respective listed positions. Elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless otherwise specified.

Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.The functionality of an item referred to in the specification or claims as a single item may be practiced by several device components, and vice versa, the functionality of items specified in the specification or claims as several separate items can be implemented in practice by a single component.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления. Специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.The embodiments of the present invention are not limited to the embodiments described herein. Specialist in the field of technology based on the information set forth in the description and knowledge of the prior art will become apparent and other embodiments of the invention, which do not go beyond the essence and scope of this invention.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.Elements mentioned in the singular do not exclude the plurality of elements, unless otherwise specified.

Специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.A person skilled in the art should understand that the essence of the invention is not limited to a specific software or hardware implementation, and therefore any software and hardware known in the prior art can be used to implement the invention. So hardware can be implemented in one or more specialized integrated circuits, digital signal processors, digital signal processing devices, programmable logic devices, user-programmable gate arrays, processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, electronic devices, other electronic modules made with the ability perform the functions described in this document, a computer, or a combination of the above.

Очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие компьютерно-читаемого носителя данных. Примеры компьютерно-читаемых носителей данных включают в себя постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.Obviously, when it comes to storing data, programs, etc., the presence of a computer-readable storage medium is implied. Examples of computer-readable storage media include read only memory, random access memory, register, cache memory, semiconductor storage devices, magnetic media such as internal hard disks and removable disks, magneto-optical media, and optical media such as CD- ROMs and digital versatile discs (DVDs), as well as any other storage media known in the art.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.While exemplary embodiments have been described and shown in the accompanying drawings, it should be understood that such embodiments are illustrative only and are not intended to limit the broader invention, and that the invention should not be limited to the specific arrangements and structures shown and described, since various other modifications may be apparent to those skilled in the art.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты осуществления, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.The features mentioned in various dependent claims, as well as the embodiments disclosed in various parts of the description, can be combined to achieve beneficial effects, even if the possibility of such combination is not explicitly disclosed.

Claims (16)

1. Ячейка антенной решетки, содержащая:1. Antenna array cell containing: - центральную печатную плату, включающую в себя симметричную щелевую структуру и по меньшей мере два переключающих элемента, которые расположены в упомянутой щелевой структуре симметрично относительно плоскости симметрии щелевой структуры, причем переключающие элементы выполнены таким образом, что, когда один из элементов имеет состояние низкого импеданса, другой из элементов имеет состояние высокого импеданса и наоборот,- a central printed circuit board including a symmetrical slot structure and at least two switching elements, which are arranged in said slot structure symmetrically with respect to the plane of symmetry of the slot structure, and the switching elements are made in such a way that when one of the elements has a low impedance state, the other of the elements has a state of high impedance and vice versa, - входной поляризационный фильтр, параллельный одной стороне центральной печатной платы, - input polarizing filter parallel to one side of the central PCB, - выходной поляризационный фильтр, параллельный другой стороне центральной печатной платы, - an output polarizing filter parallel to the other side of the central PCB, - линию управления для управления переключающими элементами,- control line for controlling switching elements, причем один из поляризационных фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, в то время как другой из фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, иwherein one of the polarizing filters is configured to transmit radiation with polarization parallel to the plane of symmetry of said slot structure, while the other of the filters is configured to transmit radiation with polarization perpendicular to the plane of symmetry of said slot structure, and причем входной поляризационный фильтр, центральная печатная плата и выходной поляризационный фильтр отделены друг от друга зазором.wherein the input polarizing filter, the central printed circuit board, and the output polarizing filter are separated from each other by a gap. 2. Ячейка антенной решетки по п.1, причем упомянутый зазор представляет собой воздушный зазор.2. An antenna array cell according to claim 1, wherein said gap is an air gap. 3. Ячейка антенной решетки по п.1, причем упомянутый зазор заполнен слоем диэлектрика.3. An antenna array cell according to claim 1, wherein said gap is filled with a dielectric layer. 4. Ячейка антенной решетки по п.1, причем центральная печатная плата представляет собой двухслойную печатную плату.4. The antenna array cell of claim 1, wherein the center PCB is a two-layer PCB. 5. Ячейка антенной решетки по п.4, причем линия управления представляет собой микрополосковую линию в центральной печатной плате.5. An antenna array cell according to claim 4, wherein the control line is a microstrip line in a central printed circuit board. 6. Ячейка антенной решетки по п.1, причем поляризационные фильтры выполнены на однослойных печатных платах.6. An antenna array cell according to claim 1, wherein the polarizing filters are made on single-layer printed circuit boards. 7. Ячейка антенной решетки по п.6, причем каждая из печатных плат поляризационных фильтров включает в себя щелевую антенну.7. The antenna array cell of claim 6, wherein each of the polarizing filter printed circuit boards includes a slotted antenna. 8. Ячейка антенной решетки по п.1, причем поляризационные фильтры представляют собой перфорированные металлические листы.8. An antenna array cell according to claim 1, wherein the polarizing filters are perforated metal sheets. 9. Ячейка антенной решетки по п.1, причем переключающие элементы выбраны из группы, включающей в себя pin-диоды, фотопроводящие элементы, транзисторы, MEMS.9. Antenna array cell according to claim 1, wherein the switching elements are selected from the group including pin diodes, photoconductive elements, transistors, MEMS. 10. Проходная антенная решетка, включающая в себя массив ячеек по любому из пп.1-9 и блок управления для управления антенной решеткой.10. Pass-through antenna array, including an array of cells according to any one of claims 1 to 9 and a control unit for controlling the antenna array.
RU2020139969A 2020-12-04 2020-12-04 Pass-through grating with contactless structure and single-bit control for formation of multibeam pattern RU2752282C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020139969A RU2752282C1 (en) 2020-12-04 2020-12-04 Pass-through grating with contactless structure and single-bit control for formation of multibeam pattern
PCT/KR2021/006997 WO2022119064A1 (en) 2020-12-04 2021-06-04 Contactless 1-bit controlled transmitarray with multibeam radiation pattern

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020139969A RU2752282C1 (en) 2020-12-04 2020-12-04 Pass-through grating with contactless structure and single-bit control for formation of multibeam pattern

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752282C1 true RU2752282C1 (en) 2021-07-26

Family

ID=76989397

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020139969A RU2752282C1 (en) 2020-12-04 2020-12-04 Pass-through grating with contactless structure and single-bit control for formation of multibeam pattern

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2752282C1 (en)
WO (1) WO2022119064A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4053895A (en) * 1976-11-24 1977-10-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Electronically scanned microstrip antenna array
RU2024129C1 (en) * 1990-11-29 1994-11-30 Завод "Красное Знамя" Flat slot array
US9099775B2 (en) * 2010-12-24 2015-08-04 Commissariat A L'energies Alternatives Radiating cell having two phase states for a transmitting network
US9941592B2 (en) * 2015-07-28 2018-04-10 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives Transmitarray unit cell for a reconfigurable antenna

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI239681B (en) * 2004-12-22 2005-09-11 Tatung Co Ltd Circularly polarized array antenna
US10903568B2 (en) * 2018-11-20 2021-01-26 Nokia Technologies Oy Electrochromic reflectarray antenna
CN110994170A (en) * 2019-12-31 2020-04-10 华南理工大学 Miniaturized high-pass filtering dual-polarization patch antenna

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4053895A (en) * 1976-11-24 1977-10-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Electronically scanned microstrip antenna array
RU2024129C1 (en) * 1990-11-29 1994-11-30 Завод "Красное Знамя" Flat slot array
US9099775B2 (en) * 2010-12-24 2015-08-04 Commissariat A L'energies Alternatives Radiating cell having two phase states for a transmitting network
US9941592B2 (en) * 2015-07-28 2018-04-10 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives Transmitarray unit cell for a reconfigurable antenna

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022119064A1 (en) 2022-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Perez-Palomino et al. A design technique based on equivalent circuit and coupler theory for broadband linear to circular polarization converters in reflection or transmission mode
Rusch et al. Holographic mmW-Antennas With ${\rm TE} _0 $ and ${\rm TM} _0 $ Surface Wave Launchers for Frequency-Scanning FMCW-Radars
RU2688949C1 (en) Millimeter range antenna and antenna control method
Cheng et al. Study of 2-bit antenna–filter–antenna elements for reconfigurable millimeter-wave lens arrays
Lee et al. Low profile quad‐beam circularly polarised antenna using transmissive metasurface
Wang et al. An electronically mode reconfigurable orbital angular momentum array antenna
Lau Reconfigurable transmitarray antennas
Debogovic et al. MEMS‐Reconfigurable Metamaterials and Antenna Applications
Eleftheriades et al. Prospects of Huygens’ metasurfaces for antenna applications
Chen et al. Experimental verification of reflectionless wide-angle refraction via a bianisotropic Huygens' metasurface
Zhang et al. A switchable polarisation conversion/in‐phase reflection metasurface and its application
Yin et al. Reconfigurable Transmission‐Reflection‐Integrated Coding Metasurface for Full‐Space Electromagnetic Wavefront Manipulation
Soleiman Meiguni et al. Compact substrate integrated waveguide mono‐pulse antenna array
Zheng et al. Multifunctional leaky-wave antenna with tailored radiation and filtering characteristics based on flexible mode-control principle
RU2752282C1 (en) Pass-through grating with contactless structure and single-bit control for formation of multibeam pattern
EP3867976B1 (en) Switchable lens antenna with integrated frequency selective structure
Silva-Montero et al. Spiraphase-type reflectarray for large reflection elevation angles
Nitas et al. Analysis and design of fully planar CSRR-enhanced substrate-integrated waveguides and slot antennas for 5G communications
Erfani et al. Design and analysis of a millimetre‐wave high gain antenna
Luukanen et al. Rapid beamsteering reflectarrays for mm-wave and submm-wave imaging radars
Sheng et al. A novel low‐cost beam‐controlling antenna based on digital coding metasurface
Chandrakapure et al. A Multi-State Reconfigurable Intelligent Surface Based on Anomalous Reflectors for Communication and Radar Applications
Duan et al. Low-Scattering and Dual-Polarized Reconfigurable Reflectarray Antenna Based on Absorptive and Active Coding Metasurfaces
Razmjoo et al. A novel dual band patch design for electrical steerable reflectarray antennas
Abedi et al. Design and analysis of multi‐layer SIW coupler to use in phased array antenna feed network