ОТРАЖАЮЩАЯ РЕШЕТКА И АНТЕННА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ ОТРАЖАЮЩУЮ РЕШЕТКУ Российский патент 2014 года по МПК H01Q21/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение касается отражающей решетки для отражающей решеточной антенны. В частности, оно применяется для антенн, установленных на космическом аппарате, таком как телекоммуникационный спутник, или для антенн наземных терминалов в системах спутниковой связи или спутникового вещания.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Отражающая решеточная антенна 10, показанная, например, на фиг.1, содержит совокупность элементарных излучающих элементов 12, объединенных в одномерную или двухмерную решетку 11, формирующую отражающую поверхность 14, позволяющую улучшить направленность и увеличить коэффициент усиления антенны 10. Элементарные излучающие элементы отражающей решетки, называемые также элементарными ячейками, типа металлических пятен и/или щелей имеют переменные параметры, например, такие как геометрические размеры выгравированных рисунков (длина и ширина «пятен» или щелей), которые регулируют таким образом, чтобы получить требуемую диаграмму излучения. Как показано, например, на фиг.2, элементарные излучающие элементы 12 могут быть выполнены в виде металлических пятен, содержащих излучающие щели и отделенных от плоскости металлической массы расстоянием, обычно составляющим от λg/10 до λg/6, где λg является длиной волны, распространяемой в пространстве. Это пространство может быть диэлектриком, а также композитной слоистой структурой, выполненной путем симметричного размещения перегородки типа сотовой структуры и тонких диэлектрических оболочек пространства. Для обеспечения эффективности антенны 10 необходимо, чтобы элементарная ячейка могла точно управлять производимым ею сдвигом по фазе падающей волны для разных частот полосы пропускания. Необходимо также, чтобы способ изготовления отражающей решетки был максимально простым.

Размещение излучающих элементов в отражающей решетке требует особого внимания. Оно должно, по меньшей мере, приблизительно отвечать большой периодичности, которая определяет характеристики отражения отражающей решетки (обычно меньшей 0,65 λ и предпочтительно равной 0,5 λ, где λ является длиной волны в свободном пространстве). Как будет пояснено ниже, чем больше периодичность, тем лучше характеристики. Однако известные в настоящее время отражающие решетки имеют одну основную проблему.

Размещение элементарных излучающих элементов относительно друг друга для образования отражающей решетки синтезируют таким образом, чтобы получить заданную диаграмму излучения в выбранном направлении наводки для обеспечения заданного покрытия. На фиг.3а показан пример размещения излучающих элементов решеточной отражающей антенны из предшествующего уровня техники, позволяющего получить точечно направленный пучок, в боковом направлении относительно антенны. С учетом плоскости отражающей решетки и разности длин пути волны, излучаемой первичным источником 13, до каждого излучающего элемента решетки, облучение отражающей решетки падающей волной, приходящей от первичного источника 13, приводит к фазовому распределению электромагнитного поля над отражающей поверхностью 14. Следовательно, размеры излучающих элементов определяют таким образом, чтобы падающая волна отражалась решеткой 11 со сдвигом фазы, который компенсирует относительную фазу падающей волны. Таким образом, не все излучающие элементы 12 окружены подобными элементами, и переходы от одного излучающего элемента к другому тем больше, чем быстрее происходит изменение фазы.

В результате возникают две проблемы. С одной стороны, обычное приближение, которое состоит в вычислении электрических характеристик излучающих элементов при предполагаемом условии бесконечной периодичности, для этих элементов не годится. С другой стороны, возникает явление дифракции в этих зонах разрыва псевдопериодичности размещения элементарных излучающих элементов 12. В то время, как предполагается, что амплитуда электрического поля следует аподизированному распределению, связанному с шириной пучка первичного источника 13, измеренное распределение излучаемого электрического поля над всей отражающей решеткой 11 содержит зоны, в которых оно затухает, что точно соответствует местонахождению этих сильных переходов. Чем больше ячейка отражающей решетки, тем сильнее эта дифракция. Это приводит к повышению уровня боковых лепестков, который, даже оставаясь ниже -20 дБ, ухудшает направленность соответствующей антенны 10, что не допустимо для телекоммуникационной антенны.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение призвано устранить эти недостатки. Задачей настоящего изобретения является создание отражающей решетки, не создающей больших разрывов периодичности излучающих элементов на отражающей поверхности и позволяющей, таким образом, уменьшить возмущения в диаграмме излучения и улучшить направленность решеточной антенны, содержащей такую отражающую решетку.

Другой задачей изобретения является создание отражающей решетки, которая позволяет уменьшить число переходов, увеличивая при этом возможности изменения фазы волн, отраженных излучающими элементами.

Последней задачей изобретения является создание отражающей решетки, содержащей элементарные излучающие элементы с простой и компактной излучающей структурой.

В этой связи объектом настоящего изобретения является отражающая решетка, содержащая множество элементарных излучающих элементов, расположенных рядом друг с другом и формирующих отражающую поверхность без резкого перехода, выполненную с возможностью отражения падающих волн с выбранным законом изменения фазы для реализации заданного покрытия, характеризующаяся тем, что:

- элементарные излучающие элементы выполнены по планарной технологии,

- каждый излучающий элемент отражающей поверхности выбирают из совокупности заранее определенных последовательных излучающих элементов, называемой рисунком, при этом рисунок выполнен с возможностью постепенного изменения фазы, по меньшей мере на 360°, между первым элементом и последним элементом рисунка,

- первый элемент и последний элемент рисунка соответствуют одной фазе по модулю 360° и являются идентичными,

- излучающие элементы рисунка имеют излучающую структуру типа металлического пятна и/или типа излучающего отверстия, постепенно меняющуюся от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу, при этом изменение излучающей структуры содержит последовательность постепенных увеличений, по меньшей мере, одного металлического пятна и/или, по меньшей мере, одного отверстия и появлений, по меньшей мере, одного металлического пятна в отверстии и/или, по меньшей мере, одного отверстия в металлическом пятне.

Например, отверстие может быть кольцевой щелью, имеющей электрическую длину, постепенно увеличивающуюся от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу, а металлическое пятно может быть металлическим кольцом, имеющим ширину, изменяющуюся от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу.

Согласно варианту воплощения, рисунок содержит:

- несколько последовательных первых излучающих элементов, содержащих металлическое кольцо, ограничивающее внутреннее отверстие, в которых ширина металлического кольца постепенно увеличивается от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу до получения полного металлического пятна, и

- несколько последовательных вторых элементов, содержащих внутреннее металлическое пятно и, по меньшей мере, одну кольцевую щель, в которых ширина кольцевой щели постепенно увеличивается от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу до исчезновения внутреннего металлического пятна и получения металлического кольца.

Предпочтительно рисунок может содержать, по меньшей мере, один излучающий элемент, содержащий, по меньшей мере, одно металлическое пятно и две концентричные кольцевые щели, выполненные в металлическом пятне.

Предпочтительно рисунок может содержать несколько излучающих элементов, содержащих металлическое пятно и несколько концентричных кольцевых щелей, выполненных в металлическом пятне, при этом, по меньшей мере, одна из кольцевых щелей излучающего элемента имеет электрическую длину, изменяющуюся по отношению к другому соседнему излучающему элементу.

Предпочтительно рисунок может содержать один излучающий элемент, содержащий полное металлическое пятно, и несколько последовательных излучающих элементов, содержащих металлическое пятно и несколько концентричных кольцевых щелей, выполненных в металлическом пятне, при этом кольцевые щели имеют длину, изменяющуюся независимо или одновременно от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу.

Предпочтительно рисунок может содержать, по меньшей мере, один излучающий элемент, содержащий кольцевую щель или несколько концентричных кольцевых щелей и, по меньшей мере, одно средство короткого замыкания и/или одно емкостное средство, установленное, по меньшей мере, в одной кольцевой щели, при этом средство короткого замыкания и/или емкостное средство обеспечивают изменение электрической длины щели.

Средство короткого замыкания может быть металлизацией, разделяющей щель в заранее определенном месте и по заранее определенной длине, или в виде микропереключателя.

Предпочтительно каждый излучающий элемент рисунка может содержать, по меньшей мере, один микропереключатель, при этом каждый микропереключатель устанавливают в кольцевой щели в заранее определенном месте и в выбранном разомкнутом или замкнутом состоянии, при этом все кольцевые щели имеют одинаковую ширину.

Предпочтительно рисунок может содержать несколько последовательных излучающих элементов, содержащих несколько концентричных кольцевых щелей, при этом все излучающие элементы содержат одинаковое число микропереключателей, установленных в одинаковых местах в кольцевых щелях, при этом микропереключатели всех излучающих элементов рисунка конфигурированы в разных состояниях, при этом состояния микропереключателей постепенно меняются от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу.

Предпочтительно излучающие элементы имеют геометрическую форму, выбранную из формы шестиугольника или формы креста с двумя перпендикулярными ветвями.

Объектом настоящего изобретения является также отражающая решеточная антенна, содержащая, по меньшей мере, одну отражающую решетку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 - схема примера отражающей решеточной антенны;

Фиг.2 - схема примера элементарного излучающего элемента, выполненного по планарной технологии;

Фиг.3а - схема примера размещения излучающих элементов отражающей решетки из предшествующего уровня техники;

Фиг.3b - увеличенный вид примера резкого разрыва периодичности отражающей решетки предшествующего уровня техники;

Фиг.4 - пример затуханий излучаемого электромагнитного поля над излучающей поверхностью решеточной антенны, показанной на фиг.3а;

Фиг.5 - схема примера периодичного рисунка, содержащего одномерное размещение нескольких элементарных излучающих элементов, позволяющую получить поворот фазы на 360°, согласно изобретению;

Фиг.6 - схема примера элементарных излучающих элементов, содержащих несколько щелей с изменяющейся шириной, согласно изобретению;

Фиг.7 - схема примера элементарных излучающих элементов, содержащих, по меньшей мере, одну щель и, по меньшей мере, один короткозамыкатель, согласно изобретению;

Фиг.8а - пример излучающего элемента, содержащего MEMS (микроэлектромеханические системы), согласно изобретению;

Фиг.8b - пример периодичного рисунка, образованного несколькими излучающими элементами крестообразной формы, оборудованными тремя концентричными кольцевыми щелями и системами MEMS в каждой щели, согласно изобретению;

Фиг.9 - схема примера двухмерной базы данных, содержащей размещения из нескольких элементарных излучающих элементов разной структуры, и два примера возможных путей изменения, позволяющих получить поворот фазы на 360°, согласно изобретению;

Фиг.10 - пример установки излучающих элементов для отражающей решетки антенны, согласно изобретению;

Фиг.11 - пример изменения фазы, соответствующий двум путям изменения, показанным на фиг.9, согласно изобретению.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показан пример отражающей решеточной антенны, содержащей отражающую решетку 11, оптимизированную соответственно нижеследующему описанию, формирующую периодичную отражающую поверхность 14, и первичный источник 13 для облучения отражающей решетки 11 падающей волной.

На фиг.2 показан пример элементарного излучающего элемента 12 квадратной формы со сторонами длиной m, содержащего металлическое пятно 15, выполненное путем печати на верхней стороне диэлектрической подложки 16, оснащенной плоскостью 17 металлической массы на своей нижней стороне. Металлическое пятно 15 имеет форму квадрата со сторонами размером p и содержит две щели 18 длиной b и шириной k, выполненные в ее центре, при этом щели расположены в виде креста. В трехмерной системе координат XYZ плоскость отражающей поверхности излучающего элемента является плоскостью XY. Форма элементарных излучающих элементов 12 не ограничивается квадратом, она может быть также прямоугольной, треугольной, круглой, шестиугольной, крестообразной или любой другой геометрической формой. Щели могут быть также выполнены в другом количестве, отличном от двух, и их расположение может быть отличным от крестообразного.

На фиг.3а показан пример размещения излучающих элементов отражающей решеточной антенны согласно предшествующему уровню техники. Излучающие элементы 12 аналогичны элементам, показанным на фиг.2, но отличаются переменными размерами металлического пятна 15 и размещены в виде отражающей решетки 11, содержащей резкие разрывы периодичности. На фиг.3b в увеличенном виде показан пример резкого разрыва периодичности. Действительно, некоторые соседние излучающие элементы, такие как элементы 22 и 23, резко отличаются друг от друга. На переходах между двумя различающимися соседними излучающими элементами появляется прерывистость, которая приводит к дифракции 19 излучения, отраженного отражающей решеткой, и к затуханию излучаемого электромагнитного поля над излучающей поверхностью. На фиг.4 показано затухание 40 электромагнитного поля, полученного с использованием отражающей решетки, показанной на фиг.3а. На фиг.4 показано, что существует очень четкое соответствие между разрывами периодичности излучающей поверхности, показанной на фиг.3а, и затуханиями электромагнитного поля над этой поверхностью. Эта схема размещения дает возмущенную диаграмму излучения с повышением уровня боковых лепестков и не позволяет получить хорошую направленность антенны, содержащей эту отражающую решетку.

На фиг.5 показан пример полупериодичного рисунка, содержащего одномерное размещение нескольких элементарных излучающих элементов и позволяющего получить поворот фазы на 360°, в соответствии с настоящим изобретением. В этом примере геометрическая форма излучающих элементов является шестиугольной, и их периферический окружной размер является одинаковым. Они выполнены по планарной технологии, и их излучающая структура не является более сложной, чем излучающая структура излучающих элементов, показанных на фиг.2, но упомянутая излучающая структура постепенно меняется от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу в плоскости отражающей поверхности 14 и, следовательно, не содержит резкого разрыва между двумя смежными излучающими элементами. Первый 1 и последний 9 излучающие элементы являются идентичными. Это позволяет реализовать цикл изменения фазы на 360°, так как конечное состояние идентично первоначальному состоянию.

В этом примере первый элемент 1 содержит периферическое окружное металлическое кольцо 26, ограничивающее внутреннюю полость 27. Три следующих последовательных элемента 2, 3, 4 тоже содержат периферическое окружное металлическое кольцо 26, ограничивающее внутреннюю полость 27, при этом ширина кольца постепенно увеличивается от одного излучающего элемента к второму непосредственно соседнему излучающему элементу до получения пятого элемента 5, находящегося в центре рисунка, который является полным металлическим пятном 25. Начиная от шестого элемента 6, кольцевая щель 24, например, шестиугольная щель, если излучающие элементы имеют шестиугольную форму, появляется вблизи периферии внутреннего металлического пятна 25, и на периферии остается окружное металлическое кольцо 26. Следующие последовательные излучающие элементы 7, 8 содержат шестиугольную щель 24, ширина которой постепенно увеличивается до исчезновения внутреннего металлического пятна 25 в излучающем элементе 9. Вместо того, чтобы влиять на ширину щели, можно также менять длину щели или заполнять щели емкостными зарядами. Изменение ширины или длины щели или добавление емкостного заряда приводит к изменению характеристик распространения волн в щели и влияет на электрическую длину щели. Следует напомнить, что электрическая длина щели соответствует отношению ее физической длины к длине распространяющейся в ней волны.

Если излучающий элемент является полным металлическим пятном 5, падающая волна, приходящая от первичного источника 13, который облучает этот излучающий элемент, полностью отражается пятном. Если металлическое пятно содержит отверстие, например, такое как щель, между металлическим пятном и плоскостью металлической массы образуется резонирующая полость. Часть падающей волны, облучающей этот излучающий элемент, в данном случае передается на плоскость металлической массы излучающего элемента, которая отражает падающую волну со сдвигом фазы. Таким образом, отверстие вызывает сдвиг фазы в волне, отраженной излучающим элементом, который тем больше, чем больше отверстие. По сравнению с излучающим элементом, содержащим полное пятно, максимальный сдвиг фазы получают, когда излучающий элемент 1, 9 не содержит металлического пятна, а только тонкое металлическое кольцо, ограничивающее резонирующую полость.

При полном цикле изменения фазы, показанном на фиг.5, можно получить сдвиг фазы, превышающий 360°. Для этого достаточно повторить несколько раз один и тот же рисунок изменения структуры излучающих элементов. Число излучающих элементов для получения рисунка может отличаться от показанного на фиг.5, но оно должно быть достаточным, чтобы не создавать резкого разрыва в периодичности отражающей поверхности 14. Чтобы получить дополнительные возможности изменения фазы и еще больше ограничить число резких переходов в отражающей решетке, можно также добавить один или несколько дополнительных излучающих элементов в рисунок, показанный на фиг.5.

В металлическом пятне излучающих элементов можно выполнять несколько щелей таким образом, чтобы получить несколько резонаторов, объединенных элементарными излучающими элементами (фиг.6). В этом примере первый элемент 50 содержит полное металлическое пятно, и каждый из трех следующих излучающих элементов 51, 52, 53 содержит три концентричные шестиугольные щели 54, 55, 56, выполненные в металлическом пятне. Ширина щелей в плоскости отражающей поверхности 14 увеличивается между вторым 51 и третьим 52 элементами, затем ширина металлических зон увеличивается между третьим 52 и четвертым 53 элементами. Излучающие элементы, показанные на фиг.6 в количестве четырех, можно разместить согласно показанному на этой фигуре рисунку, причем этот рисунок можно рекурсивно воспроизвести на всей отражающей поверхности 14. Та или иная из трех щелей пятна резонирует в зависимости от частоты падающей волны. В примере, показанном на фиг.6, ширина трех щелей изменяется одновременно, но изобретение не ограничивается этим случаем. Можно также реализовать рисунок, содержащий излучающие элементы, в которых щели имеют значения ширины, которые изменяются независимо друг от друга, и/или излучающие элементы, в которых только одна или две щели имеют ширину, изменяющуюся от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу.

Преимуществом излучающих элементов, содержащих несколько щелей в металлическом пятне является то, что они позволяют реализовать более постепенное изменение фазы по сравнению с элементами, содержащими только одну щель. Они позволяют получить диапазон изменения фазы до 1000° и уменьшить число переходов. В частности, в описанных выше случаях излучающие элементы имеют шестиугольную форму, но этот же принцип можно применять для всех типов геометрической формы, например, для квадратной, прямоугольной, круглой, треугольной, крестообразной или другой формы.

В альтернативном варианте в одном и том же рисунке можно комбинировать излучающие элементы, не содержащие щелей, и излучающие элементы, содержащие одну или несколько щелей. Постепенно вводя щели в последовательные излучающие элементы, можно еще больше сократить число переходов и еще больше расширить диапазон изменения фазы волн, отраженных излучающими элементами рисунка.

В варианте воплощенния изобретения для излучающих элементов, содержащих, по меньшей мере, одну щель, можно также постепенно вводить один или несколько короткозамыкателей, что будет описано ниже со ссылками на фиг.7 или 8.

На фиг.7 излучающие элементы содержат пятно 25 и щель 24 или несколько щелей, в которые вводят один или несколько короткозамыкателей 28, позволяющих изменять электрическую длину щели. Короткозамыкатели 28 могут быть пассивного типа, если они выполнены в виде простой металлизации, разделяющей щель 24 в заранее определенном месте и на заранее определенной длине, чтобы получить, по меньшей мере, две полу-щели 24а и 24b выбранной длины. В альтернативном варианте короткозамыкатели могут быть активного типа, если их выполняют при помощи микропереключателей, например, типа MEMS (на английском языке: Micro Eletro-Mechanical System) или диодов. Добавление короткозамыкателей 28 размещенных в щели 24 элементарного излучающего элемента позволяет получить несколько резонаторов на одном элементарном излучающем элементе и повысить, таким образом, возможности изменения фазы и еще больше уменьшить число резких переходов.

В одном излучающем элементе и/или в двух или нескольких разных элементах одного рисунка можно комбинировать щели, содержащие один или несколько активных короткозамыкателей, и щели, содержащие один или несколько пассивных короткозамыкателей. В рамках настоящего изобретения можно рассматривать все возможные комбинации.

Использование этих излучающих элементов с множеством резонаторов, соединенных между собой в отражающей решетке, позволяет, таким образом, существенно сократить число резких переходов в отражающей решетке и настолько же уменьшить возмущения, появляющиеся в диаграмме направленности. Другим преимуществом является то, что при увеличившемся числе степеней свободы можно обеспечивать требуемый сдвиг фазы не только на центральной частоте, но также на нескольких других частотах полосы пропускания отражающей решетки.

На фиг.8а показан пример излучающего элемента крестообразной формы с двумя перпендикулярными ветвями. Крест и шестиугольник позволяют миниатюризировать элементы, так как щели, определяющие резонанс, являются изогнутыми. Это позволяет получать несколько разных резонаторов на металлическом пятне, и, например, с четырьмя щелями можно изменять фазу до 1000°, не создавая резких переходов.

На фиг.8а крест содержит три концентричные кольцевые щели 81, 82, 83, выполненные в металлическом пятне, но он может содержать и другое число щелей, отличное от трех. Так же, как и в шестиугольнике, можно постепенно управлять изменением фазы на отражающей поверхности, размещая несколько излучающих элементов крестообразной формы с переменной шириной щелей или с переменной шириной металлических колец.

Как показано на фиг.8b, для получения состыкованных излучающих элементов каждый крест можно, например, вписать в сплошную металлическую решетку 84 с ячейкой другой геометрической формы, например, квадратной, прямоугольной или шестиугольной. В альтернативном варианте, вместо изменения геометрии щелей можно изменять фазу, используя микропереключатели, например, типа MEMS 85 (Micro Eletro-Mechanical System) или других коммутационных систем, таких как диоды, располагаемые определенным образом в щелях, (фиг.8а и 8b). В этом случае все излучающие элементы имеют одинаковую структуру, и все кольцевые щели имеют одинаковую ширину. Системы MEMS 85, выполненные в щелях 81, 82, 83, имеют два возможных состояния, разомкнутое или замкнутое, и действуют как короткозамыкатель или как разомкнутая цепь. Они могут действовать также как переменный емкостный заряд в случае емкостных систем MEMS. Они позволяют также изменять электрическую длину щелей и, следовательно, фазу волны, отраженной каждым излучающим элементом. Так же, как и в случае излучающих элементов с переменной шириной щелей, фазой излучающих элементов можно управлять, устанавливая заранее определенным образом, например, в наиболее активных зонах, где электромагнитное поле является наиболее значительным, некоторые MEMS в замкнутом состоянии и другие MEMS в разомкнутом состоянии в зависимости от выбранного закона сдвига фаз. Так, например, можно реализовать рисунок с постепенным изменением фазы, не содержащий резкого перехода, используя несколько излучающих элементов с одинаковой геометрией, с одинаковым числом MEMS, установленных в одинаковых местах в кольцевых щелях, но при этом MEMS конфигурируют в разных состояниях. Например, для рисунка, содержащего несколько излучающих элементов крестообразной или шестиугольной формы, оборудованных тремя концентричными кольцевыми щелями и системами MEMS в каждой щели, можно постепенно изменять фазу до 1000°, постепенно замыкая накоротко различные щели смежных излучающих элементов вплоть до получения излучающего элемента, все MEMS которого замкнуты, затем на нескольких дополнительных соседних элементах постепенно устанавливая MEMS в разомкнутое состояние вплоть до получения излучающего элемента, все MEMS которого разомкнуты. Можно также управлять некоторыми MEMS попарно или группировать их одной командой для одновременного изменения их разомкнутого или замкнутого состояний. Это позволяет, например, в случае геометрии в виде креста с двумя перпендикулярными ветвями, сохранять зеркальную симметрию относительно двух осей X и Y двух ветвей креста и избегать активации режимов излучения, более высоких по сравнению с главным режимом, которые могут создавать перекрестную поляризацию и уменьшать полосу пропускания отражающей решетки.

В примере на фиг.8b рисунок содержит идентичные излучающие элементы крестообразной формы, содержащие три концентричные кольцевые щели с одинаковым числом MEMS, то есть с двумя MEMS, установленными парой вдоль оси Y в первой, самой внутренней щели, с шестью MEMS во второй щели и с шестью MEMS в наружной третьей щели. Шесть MEMS второй, соответственно, третьей щели, установлены парами вдоль оси Y, и четыре других MEMS установлены парами. В первом излучающем элементе 90 все MEMS находятся в замкнутом состоянии. Во втором излучающем элементе 91 четыре MEMS третьей щели, расположенные парами, находятся в разомкнутом состоянии, все остальные MEMS находятся в замкнутом состоянии. В третьем излучающем элементе 92 обе системы MEMS первой щели находятся в разомкнутом состоянии, и все остальные MEMS находятся в замкнутом состоянии. Следующие излучающие элементы 93-98 содержат другие комбинации состояний различных MEMS до последнего излучающего элемента 99 рисунка, в котором все MEMS находятся в том же замкнутом состоянии, что и в первом излучающем элементе рисунка. Такой рисунок позволяет изменять фазу излучающих элементов на 360°.

Геометрия излучающего элемента, показанного на фиг.8а и 8b, имеет форму креста, но в альтернативном варианте системы MEMS можно размещать в излучающих элементах другой геометрии, такой как шестиугольная форма, форма квадрата, форма прямоугольника или любая другая выбранная форма.

Преимуществом излучающего элемента крестообразной или шестиугольной формы является его компактность и, следовательно, широкая полоса пропускания. Чем больше число кольцевых щелей, то есть резонаторов, тем компактнее излучающий элемент и тем шире его полоса пропускания. В частности, излучающий элемент крестообразной формы позволяет получить антенну, работающую на частоте от 11 до 14 ГГц. Кроме того, преимуществом крестообразной формы является ее совместимость с квадратной или прямоугольной формой ячейки, что упрощает изготовление панели, содержащей отражающую решетку, состоящую из излучающих элементов этой крестообразной формы.

В альтернативном варианте можно также комбинировать в одном рисунке излучающие элементы, содержащие одну или несколько щелей изменяющейся ширины, и излучающие элементы, содержащие одну или несколько щелей с изменяющейся электрической длиной, при этом излучающие элементы, содержащие, по меньшей мере, одну щель с изменяющейся электрической длиной могут включать излучающие элементы, содержащие, по меньшей мере, одну щель, замкнутую накоротко пассивно, и/или излучающие элементы, содержащие, по меньшей мере, одну щель, замкнутую накоротко активно, и/или излучающие элементы, содержащие, по меньшей мере, одну щель с емкостными MEMS.

Для реализации двухмерной схемы размещения, позволяющей получить выбранный закон изменения фазы без создания резкого разрыва периодичности, предпочтительно создавать базу данных, содержащую различные излучающие элементы с изменяющейся структурой, позволяющие получить изменение фазы на 360°, как было описано выше, и сгруппированные в двухмерный рисунок. На фиг.9 показан пример базы данных в соответствии с настоящим изобретением. Эта база данных содержит излучающие элементы 1-9, показанные на фиг.5, и дополнительные излучающие элементы 63-68 с разными промежуточными структурами. Используя эту базу данных для правильного выбора пути изменения, можно реализовать постепенное изменение фазы отраженной волны на основании постепенного физического изменения излучающих элементов. На фиг.9 различные возможные пути позволяют получить постепенное изменение фазы на 360°. Показаны два примера путей 61, 62. Пример изменения фазы, полученного для одного пути изменения, такого как путь 61 или 62, выбранный в базе данных, показанной на фиг.9, для угла падения плоской волны θ, равного 30°, и трех разных центральных частот, показан на фиг.11. Тремя частотами этого примера являются 14 ГГц, 14.25 ГГц, 14.50 ГГц, и полученное изменение фазы составляет от 60° до 420° для рисунка, содержащего разные излучающие элементы. На этой фиг.11 показано постепенное изменение фазы, не содержащее резких скачков.

Базу данных можно расширить для излучающих элементов, содержащих несколько шестиугольных щелей. В этом случае можно точно реализовать требуемый сдвиг фазы для центральной частоты диаграммы излучения антенны, а также требуемый разброс фаз.

Излучающие элементы, выбранные для получения заранее определенного изменения фазы, можно в этом случае объединить в двухмерную отражающую решетку, показанную на фиг.10. Выполненная таким образом отражающая решетка позволяет получать постепенное изменение фазы падающих волн, отраженных решеткой, на основании постепенного физического изменения элементарных излучающих элементов решетки.

Изобретение было описано для частного варианта выполнения, но, разумеется, оно ни в коем случае не ограничивается этим вариантом и охватывает все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинации, если они не выходят за рамки настоящего изобретения.

Изобретение относится к отражающей решетке для отражающей решеточной антенны. Технический результат состоит в устранении явления дифракции. Для этого отражающая решетка содержит множество элементарных излучающих элементов, образующих отражающую поверхность без резкого перехода, и характеризуется тем, что каждый излучающий элемент отражающей поверхности выбран из совокупности заранее определенных последовательных излучающих элементов, называемой рисунком, при этом первый элемент (1) и последний элемент (9) рисунка соответствуют одной фазе по модулю 360° и являются идентичными, а излучающие элементы (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) рисунка имеют излучающую структуру типа металлического пятна и/или типа излучающего отверстия, постепенно меняющуюся от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу, при этом изменение излучающей структуры содержит последовательность постепенных увеличений, по меньшей мере, одного металлического пятна (25) и/или, по меньшей мере, одного отверстия (27) и появлений, по меньшей мере, одного металлического пятна (25) в отверстии (27) и/или, по меньшей мере, одного отверстия (27) в металлическом пятне (25). 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Отражающая решетка, содержащая множество элементарных излучающих элементов, расположенных рядом друг с другом и формирующих отражающую поверхность без резкого перехода, выполненную с возможностью отражения падающих волн с выбранным законом изменения фазы для осуществления заданного покрытия, отличающаяся тем, что:
- элементарные излучающие элементы (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) выполнены по планарной технологии,
- каждый излучающий элемент отражающей поверхности выбран из совокупности заранее определенных последовательных излучающих элементов (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), называемой рисунком, при этом рисунок выполнен с возможностью создания постепенного изменения фазы по меньшей мере на 360°,
- излучающие элементы (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) рисунка имеют излучающую структуру типа металлического пятна и/или типа излучающего отверстия, постепенно меняющуюся от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу, при этом изменение излучающей структуры содержит последовательность постепенных увеличений, по меньшей мере, одного металлического пятна (25) и последовательность постепенных увеличений, по меньшей мере, одного отверстия (27) и появлений, по меньшей мере, одного металлического пятна (25) в отверстии (27) и/или, по меньшей мере, одного отверстия (27) в металлическом пятне (25).

2. Отражающая решетка по п.1, отличающаяся тем, что первый элемент (1) и последний элемент (9) рисунка соответствуют одной фазе по модулю 360° и являются идентичными.

3. Отражающая решетка по п.1, отличающаяся тем, что отверстие (27) является кольцевой щелью (24), имеющей электрическую постепенно увеличивающуюся длину от одного излучающего элемента (7) к другому соседнему излучающему элементу (8).

4. Отражающая решетка по п.1, отличающаяся тем, что металлическое пятно (25) является металлическим кольцом (26), имеющим ширину, изменяющуюся от одного излучающего элемента (3) к другому соседнему излучающему элементу (4).

5. Отражающая решетка по п.3, отличающаяся тем, что рисунок содержит:
- множество последовательных первых излучающих элементов (1, 2, 3, 4), содержащих металлическое кольцо (26), ограничивающее внутреннее отверстие (27), в которых ширина металлического кольца (26) постепенно увеличивается от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу до получения полного металлического пятна (25), образующего излучающий элемент (5), и
- несколько последовательных вторых элементов (6, 7, 8, 9), содержащих внутреннее металлическое пятно (25) и, по меньшей мере, одну кольцевую щель (24), в которых ширина кольцевой щели (24) постепенно увеличивается от одного излучающего элемента к другому соседнему излучающему элементу до исчезновения внутреннего металлического пятна (25) и получения металлического кольца (26).

6. Отражающая решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рисунок дополнительно содержит, по меньшей мере, один излучающий элемент (51, 52, 53), содержащий, по меньшей мере, одно металлическое пятно (25) и две концентричные кольцевые щели (54, 55, 56), выполненные в металлическом пятне (25).

7. Отражающая решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рисунок дополнительно содержит несколько излучающих элементов (51, 52, 53), содержащих металлическое пятно (25) и несколько концентричных кольцевых щелей (54, 55, 56), выполненных в металлическом пятне (25), при этом, по меньшей мере, одна кольцевая щель излучающего элемента (51) имеет электрическую длину, изменяющуюся по отношению к другому соседнему излучающему элементу (52).

8. Отражающая решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рисунок содержит один излучающий элемент (50), содержащий полное металлическое пятно (25), и несколько последовательных излучающих элементов (51, 52, 53), содержащих металлическое пятно (25) и несколько концентричных кольцевых щелей (54, 55, 56), выполненных в металлическом пятне (25), причем кольцевые щели имеют длину, изменяющуюся независимо или одновременно от одного излучающего элемента (51) к другому соседнему излучающему элементу (52).

9. Отражающая решетка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один излучающий элемент содержит кольцевую щель (24) или несколько концентричных кольцевых щелей (54, 55, 56) и, по меньшей мере, одно средство (28) короткого замыкания и/или одно емкостное средство, установленное, по меньшей мере, в одной кольцевой щели (24, 54, 55, 56), при этом средство короткого замыкания и/или емкостное средство обеспечивают изменение электрической длины щели.

10. Отражающая решетка по п.9, отличающаяся тем, что средство (28) короткого замыкания является металлизацией, разделяющей щель (24) в заранее определенном месте и по заранее определенной длине.

11. Отражающая решетка по п.10, отличающаяся тем, что средство короткого замыкания является микропереключателем (85).

12. Отражающая решетка по п.11, отличающаяся тем, что каждый излучающий элемент рисунка содержит, по меньшей мере, один микропереключатель (85), при этом каждый микропереключатель (85) установлен в кольцевой щели (24) в заранее определенном месте и в выбранном разомкнутом или замкнутом состоянии, при этом все кольцевые щели имеют одинаковую ширину.

13. Отражающая решетка по п.12, отличающаяся тем, что рисунок содержит несколько последовательных излучающих элементов (90-99), содержащих несколько концентричных кольцевых щелей (81, 82, 83), при этом все излучающие элементы содержат одинаковое число микропереключателей (85), установленных в одинаковых местах в кольцевых щелях, при этом микропереключатели всех излучающих элементов рисунка конфигурированы в разных состояниях, так что состояния микропереключателей постепенно изменяются от одного излучающего элемента (90) к другому соседнему излучающему элементу (91).

14. Отражающая решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучающие элементы имеют геометрическую форму, выбранную из формы шестиугольника или формы креста с двумя перпендикулярными ветвями.

15. Отражающая решеточная антенна, содержащая, по меньшей мере, одну отражающую решетку по любому из пп.1-14.