RU2801070C1 - Модуль низкопрофильной фазированной антенной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ- и КВЧ-диапазонов и может быть использовано в качестве антенны радиолокационной или связной системы. Сущность заявленного решения заключается в том, что модуль низкопрофильной фазированной антенной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами, содержащей корпус, составные части системы управления лучом фазированной антенной решетки (ФАР), фазовращатели, излучатели, состоящие из тонкостенных металлических волноводов с открытым торцом, внутри которых размещены диэлектрические стержневые антенны с выступающей частью и размещенные в плоскости в виде четных и нечетных рядов с фиксированным шагом, сдвинутых на полшага относительно друг друга в шахматном порядке, новым является то, что излучатели состоят из тонкостенных металлических волноводов с открытым торцом, на поверхности которых непосредственно симметрично размещены диэлектрические мезоразмерные частицы в форме кубоида с величиной ребер не менее λ и высотой равной примерно (1-1,8)λ, где λ – длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала линзы находящимся в диапазоне, примерно равным от 1,4 до 1,7, при этом ребра основания кубоида на открытом конце волновода параллельны стенкам волновода, а расстояние L между центрами диэлектрических антенн выбираются из условия L≈(N-0,5)λ, где N=1, 2… . Техническим результатом при реализации заявленного решения является уменьшение продольных габаритов антенны не менее двух раз и в обеспечении герметичности открытого конца волновода. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и КВЧ диапазонов и может быть использовано в качестве антенны радиолокационной или связной системы.

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

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

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

Впервые ТГц - беспроводная система связи с несущей частотой более 100 ГГц была представлена в 2000 году японской компанией NTT (Nagatsuma T., Hirata A., Royter Y. et al. BA 120-GHz integrated photonic transmitter // Proc. Int. Top. Meet. MWP, Sep. 2000. P. 225-228.). После этого разработка систем ТГц - беспроводной связи продолжилась быстрыми темпами: в течение следующих лет были опубликованы результаты экспериментов по передаче данных на несущих частотах 75-110 ГГц, 140 ГГц, 200-240 ГГц, 250-400 ГГц, 625 ГГц (В. Семенова, В. Беспалов, Терагерцевые технологии для телекоммуникаций // Первая миля 7/2015, с. 36-46; В. Семенова, В. Беспалов, Терагерцевые технологии для телекоммуникаций.// фотоника N 3 / 51 / 2015, с. 126-141).

Фазированные антенные решетки (ФАР) широко используются в различных радиотехнических системах.

Важной составной частью ФАР является ее излучающая часть - антенная решетка (АР), которая обеспечивает преобразование направляемых волн в каналах ФАР в волны излучения свободного пространства и, наоборот, преобразование волн излучения в направляемые волны. AP во многом определяет такие важные показатели качества ФАР, как ее коэффициент усиления (КУ), сектор сканирования, диапазон рабочих частот и ряд других.

Известны разные виды AP. Их принято классифицировать по типу излучателей, которые формируют решетку: волноводные, полосковые, вибраторные излучатели. Им соответствуют волноводные, полосковые и вибраторные АР.

Известно, что АР применяются в различных радиоэлектронных системах для повышения усиления всей системы в сравнении с отдельным антенным элементом, а также получения возможности управления формой диаграммы направленности.

Данное изобретение относится к волноводным AP. Известны волноводные решетки, в которых излучатели выполнены в виде многосекционных сочленений отрезков волноводов, которые заполнены диэлектриками, отрезки волноводов имеют оси, параллельные друг другу, а оси отрезков волноводов расположены перпендикулярно плоскости решетки [Патент США №3938158; Патент РФ 154307). Выполнение излучателя AP в виде многосекционного волноводного сочленения, волноводы которого заполнены диэлектриками, позволяет устранить побочные максимумы излучения в секторе сканирования.

Для уменьшения поперечных размеров излучателей используют заполнение волноводов диэлектриком, при этом поперечные размеры уменьшаются в ε^0,5 раз, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика [патент РФ № 1288790; патент США № 3938158; Хандамиров В.Л., Сергеев Д.А. Исследование многоэлементного волноводного облучателя // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. Журнал, 2016, № 5, с. 66-81], а оси отрезков волноводов расположены перпендикулярно плоскости АР.

Достоинством волноводных излучателей являются их малые поперечные размеры, простота конструкции, возможность высокой упаковки элементов в ФАР.

Недостатком данных устройств является низкое усиление волноводной АР.

Известна фазированная антенна [Патент РФ 2365000], состоящая из волноводов квадратного сечения с раскрывами в виде рупоров.

Известен модуль фазированной антенной решетки [Патент РФ 1840685], содержащий блок рупоров, расположенных с заданным шагом в узлах треугольной сетки, фазовращатели и узел крепления модуля, в котором с целью обеспечения последовательного наращивания прямоугольной апертуры ФАР блок рупоров выполнен из четного числа рядов, в каждом из которых расположено одинаковое количество рупоров, причем каждый последующий ряд рупоров поочередно сдвинут на полшага в ту или в другую сторону, а узел крепления модуля выполнен в виде корпуса, размещенного за блоком рупоров в его проекции, кронштейнов, закрепленных на тыльной стороне корпуса и размещенных на четырех боковых стенках корпуса крепежных элементов.

Волноводно-рупорные излучатели обеспечивают достаточно высокий коэффициент усиления.

Недостатком волноводно-рупорных излучателей являются: большие поперечные размеры, малая плотность упаковки элементов в ФАР, обусловленные большим размером раскрыва рупора.

Известна низкопрофильная диэлектрическая антенна терагерцового диапазона [Патент РФ 174536], состоящая из тонкостенного металлического волновода с открытым торцом, при этом к открытому торцу конца волновода присоединена своим плоским основанием диэлектрическая мезочастица с характерными размерами порядка длины волны излучения в свободном пространстве, и выполненная из материала с коэффициентом преломления, выбираемым в диапазоне от 1,2 до 1,7.

Диэлектрическая мезочастица может иметь форму кубоида, правильной четырехугольной пирамиды, правильной усеченной пирамиды, кругового конуса, цилиндра.

Для диэлектрической частицы в форме куба с величиной ребра, равной длине волны излучения, и коэффициентом преломления материала, равным 1,46, коэффициент усиления увеличивается на 6 – 5 дБи, и неравномерность усиления в указанном диапазоне частот снижается в 3 – 4 раза по сравнению с излучателем на основе открытого конца волновода.

Достоинством мезоразмерной диэлектрической антенны является больший коэффициент усиления, чем у эквивалентной по размеру рупорной антенны.

Недостатком устройства является низкий коэффициент усиления и невозможность управления формируемой диаграммой направленности.

В качестве прототипа выбран модуль фазированной антенной решетки [Патент РФ 2704209], содержащей корпус, составные части системы управления лучом фазированной антенной решетки (ФАР), фазовращатели, излучатели, состоящие из тонкостенных металлических волноводов с открытым торцом, внутри которых размещены диэлектрические стержневые антенны с выступающей частью и размещенные в плоскости в виде четных и нечетных рядов с фиксированным шагом, сдвинутых на полшага относительно друг друга в шахматном порядке.

Стержневая диэлектрическая антенна выполняется из диэлектрика с показателем преломления от 1,45 до 1,61 и длиной выступающей части из волновода (5-6)λ, где λ – средняя длина волны рабочего диапазона [Патент РФ 2696661].

Недостатком устройства модуля фазированной антенной решетки являются большие продольные размеры, определяемые длиной стержневой диэлектрической антенны.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка, а именно создание низкопрофильной фазированной антенной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами и уменьшение продольных размеров излучателя.

Указанная задача достигается тем, что модуль низкопрофильной фазированной антенной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами, содержащей корпус, составные части системы управления лучом фазированной антенной решетки (ФАР), фазовращатели, излучатели, состоящие из тонкостенных металлических волноводов с открытым торцом, внутри которых размещены диэлектрические стержневые антенны с выступающей частью и размещенные в плоскости в виде четных и нечетных рядов с фиксированным шагом, сдвинутых на полшага относительно друг друга в шахматном порядке, новым является то, что излучатели состоят из тонкостенных металлических волноводов с открытым торцом, на поверхности которых непосредственно симметрично размещены диэлектрические мезоразмерные частицы в форме кубоида с величиной ребер не менее λ и высотой (1 -1,8)λ, где λ – длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала линзы находящимся в диапазоне от 1,4 до 1,7, при этом ребра основания кубоида на открытом конце волновода параллельны стенкам волновода, а расстояние L между центрами диэлектрических антенн выбираются из условия L≈(N-0,5)λ, где N= 1, 2,… .

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения критерию «новизна».

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обуславливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 показан одиночный волноводный излучатель с мезоразмерной диэлектрической кубоидной частицей.

На Фиг. 2 приведена схема модуля низкопрофильной фазированной антенной линейной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами.

Обозначения: 1 – диэлектрическая мезоразмерная частица, 2 – тонкостенный волновод, 3 – электромагнитное излучение, поступающее в волновод от источника электромагнитной энергии и составных частей системы управления лучом фазированной антенной решетки (ФАР).

Работа модуля низкопрофильной фазированной антенной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами осуществляется следующим образом.

Электромагнитное излучение 3, поступает в тонкостенный волновод 2 от источника электромагнитной энергии и составных частей системы управления лучом фазированной антенной решетки (ФАР) и направляется к открытому концу волновода 2. На открытом торце тонкостенных металлических волноводов непосредственно симметрично размещены мезоразмерные диэлектрические частицы 1 в форме кубоида. Электромагнитное излучение облучает диэлектрическую мезочастицу 1 и в результате дифракции и интерференции волн на ней формирует диаграмму направленности. В результате формируется необходимая диаграмма направленности ФАР в свободном пространстве.

В режиме приема электромагнитного излучения, при облучении диэлектрической мезоразмерной частички 1 в форме кубоида с величиной ребер не менее λ и высотой равной примерно (1-1,8)λ, где λ – длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала линзы находящимся в диапазоне, примерно равным от 1,4 до 1,7, происходит формирование на ее внешней границе (в ближней зоне) с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 – λ/4 [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы – новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С.4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014)]. Кроме того, формирование области с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3 – λ/4 происходит и в случае при их облучения диэлектрической волной с плоским фронтом и сферически сходящимся фронтом.

Симметричное размещение диэлектрических мезоразмерных частиц в форме кубоида непосредственно на открытом торце тонкостенного волновода с ребрами основания кубоида параллельными стенкам волновода позволяет формировать идентичные диаграммы направленности индивидуальных излучателей, в результате интерференции электромагнитных полей которых, формируется общая диаграмма направленности ФАР.

Диэлектрические мезоразмерные частицы выполняются в форме кубоида с величиной ребер не менее λ и высотой равной примерно (1-1,8)λ, где λ – длина волны излучения в свободном пространстве. При величине ребра кубоида менее λ фокусировки электромагнитного излучения не происходит. Высота диэлектрического кубоида выбирается на основании анализа конечных характеристик предлагаемого излучателя и находится в диапазоне равном примерно (1-1,8)λ. Вне этого диапазона значений уменьшается усиление диэлектрической антенны и увеличиваются ее продольные размеры.

Простая плоская форма поверхности мезоразмерной диэлектрической антенны, например, позволяет просто нанести на поверхность согласующий слой, уменьшающий потери на отражение в диэлектрике и тем самым повысить эффективность антенны. А также просто разместить ее на открытом конце волновода.

Основным требованием к материалу диэлектрической антенны является малый уровень потерь при распространении сигнала и величина показателя преломления материала линзы должна находиться в диапазоне примерно равным от 1,4 до 1,7. Вне этого диапазона значений показателя преломления уменьшается усиление диэлектрической антенны.

Расстояние L между центрами диэлектрических антенн выбирается из условия L≈(N-0.5)λ, где N= 1, 2,… . Для того, чтобы уменьшить уровень боковых лепестков, необходимо, чтобы расстояние между центрами диэлектрических антенн должно быть менее половины длины волны используемого электромагнитного излучения. Из-за ограничения по физическим расстояниям между антеннами, расстояние между центрами диэлектрических антенн выбираются приблизительно равным кратному числу половины длины волны излучения.

Экспериментальное исследование модели модуля низкопрофильной фазированной антенной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами в форме кубоида проводилось в диапазоне 75 ГГц для линейной АР.

Диэлектрический кубоид изготавливался из фторопласта с показателем преломления равным 1,46 и тангенсом угла потерь порядка 10^-4. Кубоид имел размеры λ_*λ_*1,6λ.

Для линейной фазированной антенной решетки из нескольких однотипных диэлектрических антенн, питаемых синфазно и для количества излучателей равных 1, 2, 4, 8 было достигнуто соответственно усиление равное 14,2 дБи, 17,0 дБи, 20 дБи и 23,0 дБи. При этом ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности в Е плоскости равна соответственно 30,4⁰, 16,4⁰, 8,5⁰ и 4,3⁰, а в Н плоскости для любого количества элементов фазированной АР остается равным 30,2⁰.

При управлении диаграммой направленности в модуле низкопрофильной фазированной антенной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами был достигнут диапазон сканирования диаграммой направленности ±18°.

Изготовление мезоразмерных диэлектрических частичек в миллиметровом и терагерцовом диапазоне длин волн возможно, например, методами 3D печати (Vorobyov, A., J. R. Farserotu, and J.-D. Decotignie, 3D printed antenna for mm-wave sensing application // 2017 11th Int. Symp. Med. Inf. and Commun. Technol. (ISMICT), 23-26, Lisbon, Apr. 2017.), методами механической обработки (фрезерованием, прессованием, литьем и т.д.), методами фотолитографии (патент РФ № 2350996, авт. Генцелев А.Н., Гольденберг Б. Г., Кондратьев В. И., Петрова Е. В. Способ изготовления литографической маски для LIGA-технологий; Janne-Mieke Meijer, Dmytro V. Byelov, Laura Rossi, Anatoly Snigirev, Irina Snigireva, Albert P. Philipsea and Andrei V. Petukhov. Self-assembly of colloidal hematite cubes: a microradian X-ray diffraction exploration of sedimentary crystals // Soft Matter, 2013, 9, 10729-10738), методами стереолитографии (Ngoc Tinh Nguyen, Nicolas Delhote, Mauro Ettorre, Dominique Baillargeat, Laurent Le Coq, and Ronan Sauleau, Design and Characterization of 60-GHz Integrated Lens Antennas Fabricated Through Ceramic Stereolithography // IEEE Trans. on antennas and propagation, Vol. 58, N. 8, August 2010, рр. 2757-2762) и т.д.

В качестве материалов для диэлектрической мезочастицы могут быть использованы, например, полиэтилен с коэффициентом преломления n≈1,51, поли-4-метилпентен n≈1,46, фторопласт n≈1,44-1,46, плексиглас n≈1,59-1,60 [Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: методы и техника / Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, Б.И. Макаренко и др. М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.] или быть изготовлены из искусственных материалов, например, приведенных в [Патент РФ №: 2263124, Диэлектрическая полимерная пена и линза для радиоволн с ее использованием].

Достигаемый в такой конструкции низкопрофильной диэлектрической антенны терагерцового диапазона технический результат заключается в уменьшении продольных габаритов антенны не менее двух раз и в обеспечении герметичности открытого конца волновода.

Claims (1)

1. Модуль низкопрофильной фазированной антенной решетки с мезоразмерными диэлектрическими частицами, содержащей корпус, составные части системы управления лучом фазированной антенной решетки (ФАР), фазовращатели, излучатели, состоящие из тонкостенных металлических волноводов с открытым торцом, внутри которых размещены диэлектрические стержневые антенны с выступающей частью и размещенные в плоскости в виде четных и нечетных рядов с фиксированным шагом, сдвинутых на полшага относительно друг друга в шахматном порядке, отличается тем, что излучатели состоят из тонкостенных металлических волноводов с открытым торцом, на поверхности которых непосредственно симметрично размещены диэлектрические мезоразмерные частицы в форме кубоида с величиной ребер не менее λ и высотой (1-1,8)λ, где λ – длина волны излучения в свободном пространстве и показателем преломления материала линзы находящимся в диапазоне от 1,4 до 1,7, при этом ребра основания кубоида на открытом конце волновода параллельны стенкам волновода, а расстояние L между центрами диэлектрических антенн выбираются из условия L≈(N-0,5)λ, где N=1, 2,… .