ОПТИЧЕСКАЯ ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2015 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к фазированным антенным решеткам. Что это такое и где они применяются?

«<…> Во многих случаях нужна антенна, у которой направление луча не было бы связано с ориентацией всей антенны как механической конструкции. Нужна антенна с немеханическим движением луча или, другими словами, антенна с электронным сканированием. Под сканированием здесь понимается движение луча антенны, осуществляющее обзор пространства в заданном пространственном угле. Такая антенна нужна не только в системах связи с ИСЗ, но и в системе управления движением в районе большого аэропорта. Особую роль антенны с электронным сканированием играли и продолжают играть в системах противоракетной обороны (ПРО). С начала 90-х годов антенны с электронным сканированием стали объектом внимания автомобильных компаний. В этой связи такие антенны могут стать предметом массового спроса, как цветной телевизор или персональный компьютер.

Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону. Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями, получила название фазированной антенной решетки (ФАР)» (Вендик О.Г. Фазированная антенная решетка - глаза радиотехнической системы // Соросовский образовательный журнал, №2, 1997, с.115-116).

Удвоенное расстояние между соседними излучателями должно быть не менее длины волны, а лучше, если это расстояние будет много больше нее (там же, с.117-118). Для хорошо направленной антенны, работающей в одной плоскости, общее число излучателей приближается к 100, а в двух - превосходит 1000 (там же, с.118). Ясно, что поэтому ведется поиск путей создания ФАР на как можно более высоких частотах.

Наиболее проблемным местом ФАР являются фазовращатели. Известны используемые в ФАР СВЧ-фазовращатели (там же, с.120). Но возможен переход на более высокие частоты.

«Специалисты Массачусетского технологического института впервые смогли создать оптическую фазированную антенную решетку (ФАР). Помимо всего прочего, она позволит создавать голографические телевизоры, в которых объект можно будет рассматривать со всех сторон.

Управлять лучом света можно двумя способами: с помощью механических приводов, поворачивающих лампочку, а также варьируя фазу света. В последнем случае интерференция света от двух излучателей позволяет создавать направленный световой луч. Говоря проще, световые лучи излучателей гасят другу друга в одних направлениях и усиливают в других, в результате чего формируется направленный луч. Принцип ФАР хорошо известен и используется в радиолокационных станциях, но специалистам MIT впервые удалось сделать аналогичную крупную оптическую антенну» (из http://rnd.cnews.ru/news/top/index_science.shtml?2013/01/14/515434).

Более подробная информация об этой ФАР содержится в http://www.extremetech.com/extreme/145909-revolutionary-new-2d-optical-phased-array-is-packed-onto-a-single-tiny-chip.

Ее недостаток - она работает только как передатчик излучения. Кроме того, эта технология требует большого количества управляющих проводов для больших ФАР.

В работе Optical Phused Array Technology for Beam steering and Wavefront Control (http://www.lcd.kent.edu/lcd2004/Documents/1080843391.pdf) рассказывается о ФАР на жидких кристаллах. Недостаток этой технологии - жидкие кристаллы имеют невысокую надежность при работе на высоких мощностях.

В

(http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=482231&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D482231)

- тоже жидкие кристаллы, притом с существенным ограничением (две ортогональные 1-D матрицы), что радикально ограничивает возможные фазовые профили.

Технический результат изобретения - расширение арсенала технических средств реализации оптической ФАР.

Предлагается оптическая ФАР (фиг.1 и 2), которая содержит:

1. Приемо-передающую антенну (антенную решетку) 1, плоскость которой состоит из торцов пучка оптических волокон.

2. Плоскость равномерного распределения излучения 2, состоящую из других торцов волокон, с системой фазовращателей 3 (более детально изображены на фиг.2).

3. Согласующую оптическую систему 4.

4. Источник излучения (лазер) 5.

5. Систему управления, синхронизации и обработки информации (СУиОИ) 6.

6. Приемник излучения (фотодетектор) 7.

Система фазовращателей представляет собой "пирог", каждый "слой" которого представляет собой одномерный массив волноводов 9, двух слоев токопроводящей резины 10 (14 - контакты для ее проводящих «полос») и двух печатных плат 11 («верхняя») и 12 («нижняя»).

Каждый из оптических волноводов имеет участок (50-60 см), на который напылен алюминий (или иной металл) таким образом, чтобы на указанном участке образовался фазовращатель "конденсаторного" типа 8. Обкладки одних волокон изолированы от обкладок других волокон.

Одна из обкладок «конденсатора» контактирует с соответствующим элементом на токопроводящей резине, который соединяется с соответствующим контактом на «нижней» плате, а другая контактирует с общей шиной через токопроводящую резину, где есть единый для всех «верхних» обкладок «конденсаторов» контакт.

Под действием электрического напряжения происходит поляризация диэлектрика оптического волновода, за счет нелинейности зависимости поляризации от напряжения меняется скорость распространения света в таком волокне, а значит, и фаза излучения на выходе волновода. Управление осуществляется от СУиОИ через цифроаналоговые преобразователи 13.

Величина (длина) такого одномерного массива определяется конструктивными особенностями прибора. Такие одномерные массивы собираются один над другим, образуя матрицу и обеспечивая управление фазой каждого волновода оптической ФАР.

При работе на излучение лазер излучает через согласующую оптическую систему. Излучение в каждом канале (оптическом волокне) когерентно, так как происходит от единого источника - лазера. Согласующая оптическая система служит для равномерного распределения оптического излучения от лазера по всей приемопередающей плоскости пучка оптических волокон.

При приеме отраженного излучения лучи попадают на чувствительную площадку приемника излучения (за счет призмы, например).

СУиОИ отвечает за согласованную синхронизированную работу каждого из устройств, включая систему фазовращателей.

Использование волокон в оптической ФАР позволяет устойчиво работать при более высоких мощностях, чем при использовании жидких кристаллов. Кроме того, оптическое волокно, за счет низкой чувствительности изменения фазы к подаваемому напряжению, позволяет с очень высокой точностью устанавливать диаграмму направленности.

Изобретение относится к фазированным антенным решеткам. Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала технических средств реализации оптической ФАР. Оптическая фазированная антенная решетка содержит пучок оптических волокон, торцы которых с одной стороны составляют плоскость фазированной антенной решетки (ФАР), с другой - приемо-передающую оптическое излучение плоскость, согласующую оптическую систему для равномерного распределения оптического излучения от лазера по всей приемопередающей плоскости пучка оптических волокон; каждое волокно изолировано от обкладок других волокон, одна из обкладок «конденсатора» контактирует с соответствующим элементом на токопроводящей резине, который соединяется с соответствующим контактом на «нижней» плате, а другая контактирует с общей шиной через токопроводящую резину, где есть единый для всех «верхних» обкладок «конденсаторов» контакт. Такие одномерные массивы собираются один над другим, образуя матрицу. Управление фазой оптического излучения происходит через «нижние» платы посредством системы управления, синхронизации и обработки информации через цифроаналоговые преобразователи. 2 ил.

Оптическая фазированная антенная решетка, содержащая пучок оптических волокон, торцы которых с одной стороны составляют плоскость фазированной антенной решетки (ФАР), с другой - приемо-передающую оптическое излучение плоскость, причем излучение в каждом канале (оптическом волокне) когерентно, согласующую оптическую систему, служащую для равномерного распределения оптического излучения от лазера по всей приемопередающей плоскости пучка оптических волокон; каждое волокно находится между индивидуальными обкладками «конденсатора», изолированными от обкладок других волокон, одна из обкладок «конденсатора» контактирует с соответствующим элементом на токопроводящей резине, который соединяется с соответствующим контактом на «нижней» плате, а другая контактирует с общей шиной через токопроводящую резину, где есть единый для всех «верхних» обкладок «конденсаторов» контакт, такие одномерные массивы собираются один над другим, образуя матрицу; управление фазой оптического излучения происходит через «нижние» платы посредством системы управления, синхронизации и обработки информации через цифроаналоговые преобразователи.