ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АНТЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА СВЯЗАННЫХ КОЛЬЦАХ ДЛЯ ФАЗИРОВАННЫХ РЕШЕТОК Российский патент 2016 года по МПК H01Q9/04 H01Q21/08 

Уровень техники

Типичные направленные антенны сверхвысокочастотного и миллиметрового диапазонов обычно содержат громоздкие конструкции, например волноводы, зеркальные антенны, спиральные антенны, рупоры и другие конструкции, плохо согласующиеся с формой объектов. В системах связи, где по меньшей мере одно связное устройство находится в движении, а также в радиолокации, обычно требуется управление лучом антенны и/или направлением приема. Для применений, где требуется управление направлением луча (главного лепестка диаграммы направленности), особенно подходят фазированные антенные решетки, поскольку управление диаграммой направленности осуществляется электронным способом, без физического перемещения антенны. Подобное электронное управление диаграммой направленности может выполняться быстрее и с большей точностью и надежностью, чем поворот механическим приводом установленной на шарнире антенны. Фазированные антенные решетки также обеспечивают возможность создания одновременно нескольких лучей.

Кроме того, осуществление связи в нескольких диапазонах обычно требует либо несколько антенных апертур для каждого из диапазонов и/или двухдиапазонных зеркальных антенн. Самолетные зеркальные антенны обычно устанавливаются под радиопрозрачными обтекателями, использование которых увеличивает вес самолета, аэродинамическое сопротивление и усложняет обслуживание. Единая широкополосная апертура фазированной решетки сводит к минимуму стоимость интегрирования антенны в конструкцию транспортного средства и требования к размерам, весу и потребляемой мощности, по сравнению с несколькими однодиапазонными антеннами и/или зеркальными антеннами. Однако обычные низкопрофильные конструкции, в которых используются антенны на основе кольцевых щелей и/или микрополосковых излучателей, страдают от взаимных связей, ограничивающих полосу рабочих частот, угол сканирования и коэффициент эллиптичности.

В представленном здесь раскрытии учтены эти и другие соображения.

Раскрытие изобретения

Следует иметь в виду, что в данном разделе представлены в упрощенном изложении основные принципы, которые более подробно раскрыты далее в подробном описании изобретения. Настоящее краткое изложение сущности изобретения не предполагается ограничивающим объем охраны заявленного изобретения.

Описываемый здесь широкополосный антенный элемент на связанных кольцах предназначен для создания единой конформной фазированной решетки для спутниковой связи (SATCOM - от англ. Satellite Communication), работающей как в коммерческом, от 17,7 до 20,2 ГГц, так и в военном, от 20,2 до 21,2 ГГц, приемных К-диапазонах. Решетка антенных элементов обеспечивает широкоугольное сканирование в коническом угле, превышающем 60° от оси антенны, и сохраняет хороший коэффициент эллиптичности круговой поляризации в заданных частотных диапазонах, будучи очень тонкой и легкой. Антенный элемент может быть в соответствующем масштабе выполнен для других частотных диапазонов, может быть использован в качестве передающего элемента, и в фазированных антенных решетках другого назначения, например линии связи в пределах прямой видимости, антенных решетках радиотехнической разведки (SIGINT - от англ. signal intelligence), радарах, матрицах датчиков и др.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является обеспечение широкоугольного сканирования в коническом угле, превышающем 60° от оси антенны, сохранение хорошего коэффициента эллиптичности круговой поляризации в заданных частотных диапазонах, малого веса и очень малой толщины антенных элементов

В соответствии с одной особенностью антенный элемент содержит проводящий резонатор на связанных кольцах, имеющий электромагнитную связь по меньшей мере с одним фидером. Проводящий резонатор и фидер дополнительно окружены клеткой Фарадея, которая гальванически связана с экранирующей заземленной плоскостью, образующей электромагнитный экран для проводящего резонатора и фидера.

Описанные здесь признаки, функции и преимущества могут быть достигнуты независимо в разных вариантах осуществления настоящего раскрытия, либо могут быть объединены в других вариантах осуществления, детали которых будут понятны из приведенных далее описания и чертежей.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен в перспективе вид антенного элемента в составе решетки, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 представлен вид сбоку клетки Фарадея, окружающей передающие компоненты антенного элемента, в соответствии с представленными вариантами осуществления.

На фиг. 3 представлен вид сверху частного варианта конструкции проводящего резонатора на связанных кольцах, выполненного в верхнем слое антенного элемента, в соответствии с представленными вариантами осуществления.

На фиг. 4 представлен вид сверху частного варианта конструкции микрополосковых фидерных линий, выполненных в слое, расположенном ниже проводящего резонатора антенного элемента 100, в соответствии с представленными вариантами осуществления.

На фиг. 5 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ выполнения двухдиапазонной SATCOM посредством единой конформной фазированной решетки, в соответствии с представленными вариантами осуществления.

Осуществление изобретения

Приведенное далее подробное описание относится к широкополосному антенному элементу на связанных кольцах для фазированных решеток. При использовании описанного здесь антенного элемента, может быть осуществлена единая конформная фазированная решетка для системы спутниковой связи, перекрывающая смежные коммерческий и военный диапазоны приема. Антенный элемент обеспечивает широкоугольное сканирование в коническом угле, превышающем 60° от оси антенны, и сохраняет хороший коэффициент эллиптичности круговой поляризации в заданных частотных диапазонах. Конструкция антенного элемента отличается малым весом и очень малой толщиной. Антенный элемент также не требует слоя для согласования импедансов в широких углах или радиопрозрачного обтекателя, благодаря чему значительно снижается аэродинамическое сопротивление самолета, а также стоимость размещения на самолете и обслуживания. Антенные элементы также могут быть в соответствующем масштабе выполнены для других частотных диапазонов, могут быть использованы в качестве передающих элементов и в фазированных антенных решетках другого назначения, например линий связи в пределах прямой видимости, антенных решетках радиотехнической разведки (SIGINT), радарах, матрицах датчиков и др.

Варианты осуществления изобретения описаны здесь применительно к планарной или конформной SATCOM-антенне с фазированной решеткой. Варианты осуществления изобретения, тем не менее, не сводятся к подобным планарным вариантам антенн для спутниковой связи, и описанные конструкции также могут быть использованы и для других применений. Например, варианты осуществления могут быть применимы для конформных антенн, антенн пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, систем связи в пределах прямой видимости, антенн датчиков, радарных антенн и др.

В приведенном далее подробном описании сделаны ссылки на приложенные чертежи, составляющие часть описания и иллюстрирующие конкретные варианты осуществления или примеры. Чертежи выполнены без соблюдения масштаба. Одинаковые элементы на нескольких фигурах имеют одинаковые цифровые обозначения.

На фиг. 1 представлен перспективный вид антенного элемента 100, выполненного в конформной фазированной решетке для систем спутниковой связи, в соответствии с описанными здесь вариантами осуществления. Антенный элемент 100 включает в себя одиночный проводящий резонатор 102 на связанных кольцах, электромеханически связанный с двумя фидерами 104А и 104В, при этом все они окружены клеткой 106 Фарадея. Антенный элемент 100 может быть выполнен в многослойной печатной плате, имеющей два, три, четыре или более слоев. Следует иметь в виду, что на фиг. 1 показаны элементы, выполненные в различных слоях многослойной печатной платы, но не показаны подложка или диэлектрик между слоями.

Проводящий резонатор 102 выполнен в верхнем, поверхностном слое и может работать на принимаемых частотах. В соответствии с вариантами осуществления, проводящий резонатор имеет несколько кольцевых элементов, соединенных настроечными перемычками, как будет более подробно показано ниже применительно к фиг. 3. Проводящий резонатор может быть выполнен в поверхностном слое с использованием металлизации, микрополосковой линии, прямой печатью и др.

Фидеры 104А, 104В (в настоящем описании имеют общее название "фидеры 104") выполнены во втором слое, находящемся под проводящим резонатором 102, и имеют электромагнитную связь с электромагнитным резонатором для его возбуждения, для передачи сигнала и/или приема сигнала от проводящего резонатора. Согласно одному варианту осуществления, фидеры 104А и 104В также могут быть выполнены во втором слое с использованием микрополосковых дорожек. Должно быть понятно, что фидеры 104 могут быть также быть выполнены с использованием металлизации, прямой печатью и т.п. Электромагнитная связь может включать индуктивную связь, емкостную связь и т.п.

Клетка 106 Фарадея действует как экран для проводящего резонатора 102 и фидеров 104. Клетка Фарадея содержит образующую электромагнитный экран заземленную плоскость 110, выполненную в самом нижнем слое, несколько проводящих сквозных перемычек 108, имеющих электромагнитную связь с заземленной плоскостью 110 и проходящих вверх сквозь слои многослойной печатной платы к верхнему слою, и проводящую полоску, выполненную в каждом слое и создающую непосредственную и электромагнитную связь со сквозными перемычками 108 и окружающими проводящими полосками. Проводящие полоски могут быть выполнены в соответствующих слоях с использованием металлизации, микрополосковых линий, прямой печатью и др. В соответствии с одним вариантом, проводящие сквозные перемычки 108 включают отверстия, просверленные в слоях многослойной печатной платы и заполненные или металлизированные медью или другим проводящим материалом.

Проводящие полоски и проводящие сквозные перемычки 108 могут быть расположены шестиугольником, окружающим проводящий резонатор 102 и фидер 104, как это показано на фиг. 1, так, чтобы образовывать электропроводящую клетку, обеспечивающую изоляцию/экранирование проводящего резонатора 102 и фидеров 104 антенного элемента 100 от внешних электрических полей снизу и сбоку, например, генерируемых соседними антенными элементами решетки, внешними антеннами соседних устройств и др. Следует иметь в виду, что проводящие полоски и проводящие сквозные перемычки 108 могут иметь любое другое расположение в форме многоугольника, обеспечивающее осуществление антенного элемента 100 в решетке, включая, среди прочего, форму треугольника, квадрата, прямоугольника, шестиугольника, восьмиугольника и др. В другом варианте осуществления, клетка 106 Фарадея выполнена, как это описано в патентной заявке US 13/999999, поданной 1 апреля 2011 г. на изобретение "Двухдиапазонный антенный элемент с интегрированной клеткой Фарадея для передающих антенных решеток SATCOM" и полностью включенной в настоящее описание посредством ссылки.

На фиг. 2 представлен вид сбоку клетки 106 Фарадея, окружающей проводящий резонатор 102 и фидеры 104 антенного элемента 100 и выполненной в четырех слоях, в соответствии с одним вариантом осуществления. Как было показано выше, клетка 106 Фарадея может содержать образующую электромагнитный экран заземленную плоскость 110, выполненную в самом нижнем слое (слой 4 на фиг. 2). Проводящие полоски 202А, 202В, 202С (в настоящем описании имеют общее обозначение 202) могут быть сделаны в каждом из верхних слоев многослойной печатной платы, или слое 1, слое 2 или слое 3, соответственно, как также показано на фиг. 2. Проводящие сквозные перемычки 108 могут проходить от верхнего слоя, т.е. слоя 1, сквозь промежуточные слои, т.е. слои 2 и 3, и к нижней заземленной плоскости 110, выполненной в нижнем слое, т.е. слое 4 многослойной печатной платы.

Подложка или диэлектрик между слоями многослойной печатной платы могут быть выполнены из материала для печатных плат, имеющего малые потери и низкую диэлектрическую проницаемость, например, RT/DUROID® 5870/5880 компании Rogers Corporation, г. Чандлер, шт. Аризона. Следует иметь в виду, что многослойная печатная плата может быть изготовлена из любого подходящего материала с малыми потерями и низкой диэлектрической проницаемостью. В соответствии с одним вариантом осуществления, толщина диэлектрика между первыми двумя слоями, обозначенная TL1, может составлять примерно 0,02 дюйма, а толщина между остальными слоями, обозначенная TL2 и TL3, может составлять примерно 0,031 дюйма. На чертежах не показаны адгезивные слои между слоями 1, 2 и 3. Следует иметь в виду, что число использованных слоев, способ скрепления слоев и толщины TL1, TL2 и TL3 диэлектрика между слоями в антенном элементе 100 могут меняться для обеспечения нужной общей толщины конформной решетки и для создания клетки 106 Фарадея, сводящей к минимуму связь между соседними антенными элементами и обеспечивающей угол сканирования антенного элемента до 60°, или более от оси антенны. Кроме того, количество, размер проводящих сквозных перемычек 108 в клетке 106 Фарадея и величина промежутков между ними могут также оказывать влияние на работу клетки и антенного элемента. В одном варианте осуществления, проводящая сквозная перемычка может иметь радиус примерно 0,007 дюйма.

На фиг. 3 показан вид сверху частного варианта проводящего резонатора 102 на связанных кольцах, выполненного в верхнем слое 1 антенного элемента 100. Как было показано выше, проводящий резонатор 102 имеет несколько кольцевых элементов, например кольцевых элементов 302А и 302В (в настоящем описании имеют общее название "кольцевые элементы 302"), соединенных настроечными перемычками, например настроечными перемычками 304А и 304В (в настоящем описании имеют общее название "настроечные перемычки 304"). В соответствии с одним вариантом осуществления, проводящий резонатор 102 на связанных кольцах может содержать два кольцевых элемента, внешний кольцевой элемент 302А и внутренний кольцевой элемент 302В, соединенных четырьмя расположенными с равными интервалами настроечными перемычками 304. Колебания, подводимые по фидерам 104А и 104В, резонируют во внешнем кольцевой элементе 302А, в то время как конструкция и форма внутреннего кольцевого элемента 302В и настроечных перемычек 304 обеспечивают "настройку" проводящего резонатора 102 для его работы в нужном частотном диапазоне.

В другом варианте осуществления, внутренний радиус RR1 внутреннего кольцевого элемента 302В может составлять примерно 0,0366 дюйма, в то время как внутренний радиус внешнего кольца 302А может быть примерно 0,0536 дюйма. Толщина TR1 внутреннего кольца 302В может составлять примерно 0,0062 дюйма, а толщина TR2 внешнего кольцевого элемента 302А может составлять примерно 0,0248 дюйма, при этом зазор CLR1 между кольцами составляет примерно 0,0108 дюйма. Каждая настроечная перемычка 304 может иметь внутреннюю ширину W1, составляющую примерно 0,0222 дюйма, и внешнюю ширину W2, составляющую примерно 0,0277 дюйма. Такая конструкция может обеспечивать оптимальную работу проводящего резонатора 102 антенного элемента 100 в частотном интервале 17,7-21,2 ГГц смежных коммерческого и военного приемных диапазонов связи SATCOM. Следует иметь в виду, что число кольцевых элементов 302 и настроечных перемычек 304, и их соответствующие размеры RR1, RR2, TR1, R2, W1, W2 и CLR1, могут быть изменены для настройки проводящего резонатора 102 на связанных кольцах для надлежащей работы в требуемых частотных диапазонах.

Далее, на фиг. 3 представлена проводящая полоска 202А, выполненная в верхнем слое, слое 1, и проводящая сквозная перемычка, образующая клетку 106 Фарадея антенного элемента 100. Компоненты клетки 106 Фарадея на фиг. 3 изображены разрезанными, чтобы показать, что клетка 106 Фарадея одного антенного элемента является общей с его соседями в фазированной решетке, как это показано на фиг. 1. Кроме того, размеры и форма клетки 106 Фарадея относительно проводящего резонатора и фидеров 104 могут также быть подстроены для оптимизации рабочих характеристик антенного элемента 100 в заданной конфигурации и рабочих частотных диапазонах.

На фиг. 4 показан вид сверху частных вариантов фидеров 104А и 104В, выполненных во втором слое, слое 2, антенного элемента 100. Как было показано выше, антенный элемент может иметь два микрополосковых фидера 104А и 104В, размещенных под проводящим резонатором 102 на связанных кольцах и имеющих с ним электромагнитную связь. В соответствии с одним вариантом осуществления, микрополосковые фидеры 104А и 104В расположены по существу под прямым углом друг к другу и имеют емкостную связь с проводящим резонатором 102, находящимся над ними, как это показано на фиг. 4. Например, микрополосковые фидеры 104А и 104В могут быть направлены под углом 90±5° относительно друг друга. Расположение фидеров 104А и 104В под прямым углом обеспечивает двухрежимную работу антенного элемента 100, что дает возможность выбрать возможность приема сигналов SATCOM с правой круговой поляризацией или левой круговой поляризацией, либо пары сигналов с ортогональной линейной поляризацией, в других применениях.

Фидеры 104А и 104В могут быть соединены с источниками сигнала посредством соединительных сквозных перемычек 402, проходящих от расположенных внизу микрополосковых фидерных линий, через остальные слои 2 и 3 к контактным площадкам перемычек (не показаны), расположенным в отверстии 404 в заземленной плоскости 110 в нижнем слое 4 антенного элемента 100. В другом варианте осуществления, фидеры 104А и 104В расположены примерно на 0,02 дюйма ниже проводящего резонатора 102, их толщина TR3 составляет примерно 0,004 дюйма, а радиус RR3 в точке присоединения к соединительным сквозным перемычкам 402 составляет примерно 0,008 дюйма. Минимальное расстояние MS между противоположными концами микрополосковых фидерных линий 104А и 104В может составлять примерно 0,012 дюйма. Следует иметь в виду, что толщина TR3, способы нанесения слоев печатной платы, радиус RR3, минимальная толщина MS и длина и размещение фидеров 104А и 104В могут меняться для оптимизации работы антенного элемента 100 в заданных частотных диапазонах.

Соединительные сквозные перемычки могут иметь радиус примерно 0,004 дюйма и проходить на расстояние примерно 0,062 дюйма сквозь остальные слои к контактным площадкам перемычек в заземленной плоскости 110. Контактные площадки перемычек могут иметь радиус примерно 0,008 дюйма, в то время как радиус отверстий 404 в земляном слое 110 для контактных площадок перемычек может составлять примерно 0,0184 дюйма. Контактные площадки перемычек могут быть электрически соединены с электроникой средств связи (также не показана), которая обеспечивают независимую передачу сигналов к антенному элементу 100 и от него. Кроме того, на фиг. 4 показаны проводящая полоска 202 В, выполненная в среднем, втором слое 2, и проводящие сквозные перемычки 108, образующие клетку 106 Фарадея антенного элемента 100. Компоненты клетки 106 Фарадея на фиг. 4 изображены разрезанными, чтобы показать, что клетка 106 Фарадея одного антенного элемента является общей с его соседями по фазированной решетке, как это показано на фиг. 1.

Описанные варианты осуществления антенного элемента 100 позволяют создать конструкцию единой конформной пассивной фазированной антенной решетки, обладающей минимальным размером, весом и потребляемой мощностью (SWAP - от англ. size, weight and power), а также минимальными затратами на интеграцию в конструкцию носителя. SWAP значительно снижается благодаря устранению многочисленных узкополосных трубчатых антенн с продольной щелью ("stove-piped") систем диапазона SATCOM и связанных с ними отдельных антенных конструкций. В вариантах осуществления также рассматривается фазированная антенная решетка, которая может перекрывать по меньшей мере два смежных приемных диапазона спутниковой связи, обладая при этом малой толщиной и весом. Варианты осуществления могут быть в соответствующем масштабе выполнены в других частотных диапазонах и в фазированных антенных решетках другого назначения, например линиях связи в пределах прямой видимости, антенных решетках SIGINT, радарах, матрицах датчиков и др.

Следует иметь в виду, что конфигурация и размеры различных компонентов, включая проводящий резонатор 102 на связанных кольцах, микрополосковые фидерные линии 104 и проводящие полоски 202 и проводящие сквозные перемычки 108, образующие клетку 106 Фарадея, показанные на чертежах и описанные здесь, представляют частные примеры выполнения антенного элемента 100, и специалисты, ознакомившись с настоящим раскрытием, могут представить себе другие варианты осуществления. Различные компоненты могут быть добавлены, исключены или заменены, и при изготовлении антенного элемента 100 могут быть применены различные технологии, помимо описанных в настоящем раскрытии. Предполагается, что настоящая заявка охватывает все такие варианты выполнения антенного элемента 100, изготовленного любыми известными процессами или способами.

Используя фиг. 5, можно более подробно рассмотреть способы осуществления спутниковой связи в двух диапазонах посредством единой конформной фазированной решетки, представленной описанными здесь вариантами осуществления. Следует понимать, что описанные здесь различные логические операции, конструкции устройств, действия и компоненты могут быть реализованы в электронных и электрических устройствах специального назначения, в вычислительных устройствах, использующих программное обеспечение и аппаратно-реализованные программы общего назначения, в специализированных цифровых устройствах и любых их комбинациях. Также следует иметь в виду, что может выполняться большее или меньшее число операций, чем описано и показано на чертежах. Эти операции также могут выполняться параллельно, либо в порядке, отличающемся от описанного.

На фиг. 5 показана последовательность 500 действий для осуществления широкополосного SATCOM-приема посредством единой конформной фазированной решетки, в соответствии с одним вариантом осуществления. Последовательность 500 действий начинается на шаге 502, где создается конформная фазированная решетка, включающая в себя группу антенных элементов, по меньшей мере один из которых содержит антенный элемент 100, показанный на фиг. 1 и описанный выше. Как было показано ранее, каждый антенный элемент 100 в решетке может включать проводящий резонатор 102 на связанных кольцах, один или более фидеров 104 и окружающую клетку 106 Фарадея, все выполненные в многослойной печатной плате. Проводящие полоски 202 и проводящие сквозные перемычки 108 клетки 106 Фарадея могут быть электрически присоединены к заземленной плоскости 110 и образовывать шестиугольную структуру, окружающую проводящий резонатор 102 и фидеры 104, как это показано выше на фиг. 1, 3 и 4, формируя электропроводящее ограждение, обеспечивающее изолирование/экранирование проводящего резонатора 102 и фидеров 104 антенного элемента 100 от электрических полей снизу и сбоку, например, создаваемых соседними антенными элементами решетки. Следует понимать, что расположение проводящих полосок и проводящих сквозных перемычек 108 может иметь форму любого иного многоугольника, обеспечивающую выполнение антенного элемента 100 в составе решетки. Кроме того, проводящие полоски 202 и проводящие сквозные перемычки 108, образующие клетку 106 Фарадея одного антенного элемента 100, могут быть общими с другими антенными элементами в фазированной решетке, как также показано на фиг. 1.

От шага 502 последовательность 500 действий переходит к шагу 504, где фидеры антенного элемента 100 электрически соединяются с электроникой средств связи, которая обеспечивает независимую передачу сигналов к антенному элементу 110 и/или от него. Как показано выше, электроника средств связи может содержать электрические схемы специального назначения, программное обеспечение или аппаратно-реализованные программы общего назначения, любые их комбинации и т.п. Кроме того, электроника средств связи может быть частично или полностью выполнена на многослойной печатной плате, содержащей антенные элементы 100 фазированной решетки.

Последовательность 500 действий переходит от шага 504 к шагу 506, где электроника средств связи обнаруживает сигнал, поступающий из одного или более фидеров 104, соединенных с проводящим резонатором для приема сигнала в первом К-диапазоне. Например, электроника средств связи может использовать антенный элемент 100 для приема сигнала в приемном коммерческом К-диапазоне SATCOM на частотах от 17,7 до 20,2 ГГц. В соответствии с одним вариантом осуществления, электроника средств связи может использовать два фидера 104А и 104В, расположенные в антенном элементе 100 по существу под прямым углом друг к другу для избирательного приема сигнала с правой круговой поляризацией или левой круговой поляризацией (либо двух сигналов с ортогональной линейной поляризацией в других применениях) посредством проводящего резонатора 102.

После шага 506 последовательность 500 действий переходит к шагу 508, где электроника средств связи обнаруживает сигнал от одного или более фидеров 104, соединенных с проводящим резонатором 102 для приема сигнала во втором К-диапазоне. Например, электроника средств связи может использовать антенный элемент 100 для приема сигнала в соседнем приемном военном К-диапазоне SATCOM на частотах 20,2-21,2 ГГц. После шага 508 последовательность 500 действий заканчивается.

Как показано на чертежах и в приведенном выше тексте, раскрытый антенный элемент включает в себя многослойную печатную плату, проводящий резонатор 102 на связанных кольцах, расположенный в верхнем слое этой многослойной печатной платы и имеющий несколько кольцевых элементов 302, соединенных одной или более настроечными перемычками 304, первый фидер 104А и второй фидер 104В, расположенные в среднем слое многослойной печатной платы и имеющие емкостную связь с проводящим резонатором 102 на связанных кольцах, заземленную плоскость 110, образующую электромагнитный экран и расположенную в нижнем слое многослойной печатной платы, и клетку 106 Фарадея, окружающую проводящий резонатор 102 на связанных кольцах, первый фидер 104А и второй фидер 104В и имеющую гальваническую связь с образующей электромагнитный экран заземленной плоскостью 110. В одном варианте, проводящий резонатор 102 на связанных кольцах включает в себя внутренний кольцевой элемент 302В и внешний кольцевой элемент 302А, соединенные четырьмя настроечными перемычками 304. В одном примере, первый фидер 104А ориентирован под углом, по существу равным 90°, ко второму фидеру 104В так, что антенный элемент 100 может принимать сигналы как с правосторонней круговой поляризацией, так и с левосторонней круговой поляризацией.

В одном альтернативном варианте, клетка 106 Фарадея включает в себя проводящую полоску 202, расположенную в каждом слое многослойной печатной платы над нижним слоем, и несколько проводящих сквозных перемычек 108, 402, соединяющих проводящие полоски 202 с образующей электромагнитный экран заземленной плоскостью 110. В другом альтернативном варианте, каждый слой многослойной печатной платы отделен от других материалом с малыми потерями и низкой диэлектрической проницаемостью. В еще одном примере, конфигурация антенного элемента 100 обеспечивает его конструктивное объединение с группой антенных элементов 100 для формирования фазированной антенной решетки.

В еще одном примере, раскрыта система для связи по меньшей мере в двух смежных диапазонах космической связи, включающая в себя группу антенных элементов 100, скомпонованных в фазированной антенной решетке, из которых по меньшей мере один включает в себя проводящий резонатор 102 на связанных кольцах, имеющий внутренний кольцевой элемент 302В и внешний кольцевой элемент 302А, соединенные четырьмя настроечными перемычками 304, первый фидер 104А и второй фидер 104В, имеющие емкостную связь с проводящим резонатором 102 на связанных кольцах, и клетку 106 Фарадея, обеспечивающую экранирование проводящего резонатора 102 на связанных кольцах, первого фидера 104А и второго фидера 104В; и электронику средств связи, электрически присоединенную к первому фидеру 104А и второму фидеру 104В и приспособленную для независимой связи сигналами по меньшей мере с одним из группы антенных элементов 100. В одном варианте, первый фидер 104А и второй фидер 104В также выполнены с возможностью возбуждения проводящего резонатора 102 на связанных кольцах. В другом варианте, первый фидер 104А ориентирован под углом, по существу равным 90°, по отношению ко второму фидеру 104В. В еще одном варианте, клетка 106 Фарадея включает в себя обеспечивающую электромагнитное экранирование заземленную плоскость 110, соединенную с несколькими проводящими полосками 202 посредством по меньшей мере одной проводящей сквозной перемычки 108, 402.

В другом примере раскрыт антенный элемент 100, включающий в себя проводящий резонатор 102 на связанных кольцах, содержащий несколько кольцевых элементов 302, соединенных одной или более настроечными перемычками 304, фидер 104, имеющий электромагнитную связь с проводящим резонатором 102 на связанных кольцах, и клетку 106 Фарадея, обеспечивающую экранирование проводящего резонатора 102 на связанных кольцах и фидера. В одном варианте, проводящий резонатор 102 на связанных кольцах включает в себя внутренний кольцевой элемент 302В и внешний кольцевой элемент 302А, соединенные четырьмя настроечными перемычками 304. В другом варианте, фидер 104 используется для возбуждения проводящего резонатора 102 на связанных кольцах. В одном альтернативном варианте, фидер 104 используется для приема сигнала от проводящего резонатора 102 на связанных кольцах. В одном варианте, антенный элемент 100 включает в себя первый фидер 104А и второй фидер 104В, при этом первый фидер 104А ориентирован под углом, по существу равным 90°, по отношению ко второму фидеру 104В. В другом варианте, первый фидер 104А и второй фидер 104В расположены под проводящим резонатором 102 на связанных кольцах в антенном элементе 100 и имеют емкостную связь с проводящим резонатором 102 на связанных кольцах.

В одном альтернативном варианте, клетка 106 Фарадея включает в себя обеспечивающую электромагнитное экранирование заземленную плоскость 110, соединенную с несколькими проводящими полосками 202 посредством по меньшей мере одной проводящей сквозной перемычки 108, 402. В еще одном варианте, антенный элемент включает в себя несколько слоев, каждый из которых отделен от других материалом с малыми потерями и низкой диэлектрической проницаемостью. В еще одном варианте, проводящий резонатор 102 на связанных кольцах расположен в верхнем слое, фидер 104 расположен в среднем слое под проводящим резонатором 102 на связанных кольцах, а обеспечивающая электромагнитное экранирование заземленная плоскость 110 расположена в нижнем слое, при этом одна из нескольких проводящих полосок 202 располагается в каждом из нескольких слоев над нижним слоем. В еще одном примере, конфигурация антенного элемента 100 обеспечивает его объединение в конструкцию с группой антенных элементов 100 для формирования фазированной антенной решетки.

Раскрывается способ осуществления широкополосной спутниковой связи (SATCOM) посредством конформной фазированной решетки, в котором выполняют фазированную решетку из группы антенных элементов 100, из которых по меньшей мере один включает в себя проводящий резонатор 102 на связанных кольцах, имеющий несколько кольцевых элементов 302, соединенных одной или более настроечными перемычками 304, фидер, имеющий электромагнитную связь с проводящим резонатором 102, и клетку 106 Фарадея, обеспечивающую экранирование проводящего резонатора 102 на связанных кольцах и фидера от электрических полей соседних антенных элементов 100 фазированной решетки; присоединяют фидер 104 по меньшей мере одного антенного элемента 100 к электронике средств связи; используют электронику средств связи для возбуждения проводящего резонатора 102 на связанных кольцах для приема сигнала в первом приемном диапазоне SATCOM; и используют электронику средств связи для возбуждения проводящего резонатора 102 на связанных кольцах для приема сигнала во втором приемном диапазоне SATCOM.

В одном варианте, способ включает прием сигнала в диапазоне SATCOM электроникой средств связи посредством проводящего резонатора 102 на связанных кольцах и фидера 104, входящих в по меньшей мере один антенный элемент 100. В другом варианте, проводящий резонатор 102 включает в себя внутренний кольцевой элемент 302В и внешний кольцевой элемент 302А, соединенные четырьмя настроечными перемычками 304. В другом варианте, первый фидер 104А ориентирован под углом, по существу равным 90°, ко второму фидеру 104В по меньшей мере в одном антенном элементе 100 так, что электроника средств связи может избирательно принимать сигналы как с правой круговой поляризацией, так и с левой круговой поляризацией, либо двух сигналов с ортогональными линейными поляризациями. В одном варианте, клетка 106 Фарадея имеет форму шестиугольника так, что проводящие полоски 202 и проводящие сквозные перемычки 108, 402 клетки 106 Фарадея являются общими с соседними антенными элементами 100 фазированной решетки.

В приведенном описании, как должно быть понятно, раскрывается широкополосный проводящий резонатор 102 на связанных кольцах для фазированной решетки. Описанный объект представлен только для иллюстрации и не должен восприниматься как ограничивающий изобретение. Описанный объект допускает многочисленные модификации и изменения, отступающие от показанных и описанных здесь частных вариантов осуществления и использования, в пределах сущности и объема охраны настоящего изобретения, которые определены в приведенной далее формуле.

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат - обеспечение широкоугольного сканирования в коническом угле, превышающем 60 ° от оси антенны, сохранение хорошего коэффициента эллиптичности круговой поляризации в заданных частотных диапазонах, малого веса и малой толщины антенных элементов. Широкополосный антенный элемент на связанных кольцах, перекрывающий два смежных приемных поддиапазона, используется в К-диапазоне. Антенный элемент содержит проводящий резонатор на связанных кольцах, имеющий электромагнитную связь по меньшей мере с одним фидером. Проводящий резонатор и фидер также окружены клеткой Фарадея, которая имеет гальваническое соединение с обеспечивающей электромагнитное экранирование заземленной плоскостью и экранирует проводящий резонатор и фидер. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Антенный элемент (100), включающий в себя:
- многослойную печатную плату;
- проводящий резонатор (102) на связанных кольцах, расположенный на верхнем слое многослойной печатной платы и содержащий множество кольцевых элементов (302), соединенных одной или более настроечными перемычками (304);
- первый фидер (104А) и второй фидер (104В), расположенные на среднем слое многослойной печатной платы и имеющие емкостную связь с проводящим резонатором (102) на связанных кольцах; и
- клетку (106) Фарадея, окружающую проводящий резонатор (102) на связанных кольцах, первый фидер (104А) и второй фидер (104В),
причем клетка Фарадея содержит обеспечивающую электромагнитное экранирование заземленную плоскость, расположенную на нижнем слое многослойной печатной платы и соединенную с множеством проводящих сквозных перемычек, проходящих вверх сквозь слои многослойной печатной платы к верхнему слою,
причем фидеры антенного элемента в клетке Фарадея выполнены с возможностью принятия сигналов в диапазоне SATCOM, а клетка Фарадея обеспечивает величину угла сканирования антенного элемента до 60° или более от оси антенны.

2. Антенный элемент (100) по п. 1, в котором проводящий резонатор (102) на связанных кольцах содержит внутренний кольцевой элемент (302В) и внешний кольцевой элемент (302А), соединенные четырьмя настроечными перемычками (304).

3. Антенный элемент (100) по п. 1 или 2, в котором первый фидер (104А) ориентирован под углом, по существу равным 90°, по отношению ко второму фидеру (104В).

4. Антенный элемент (100) по п. 1 или 2, в котором клетка (106) Фарадея содержит проводящую полоску (202), расположенную на каждом слое многослойной печатной платы над нижним слоем, и множество проводящих сквозных перемычек (108, 402), соединяющих проводящие полоски (202) с заземленной плоскостью (110), обеспечивающей электромагнитное экранирование.

5. Антенный элемент (100) по п. 1 или 2, в котором каждый слой многослойной печатной платы отделен от другого слоя материалом с малыми потерями и низкой диэлектрической проницаемостью.

6. Антенный элемент (100) по п. 1 или 2, в котором конфигурация антенного элемента (100) обеспечивает его объединение в конструкцию с множеством антенных элементов (100) для формирования фазированной антенной решетки.

7. Система для связи по меньшей мере в двух смежных диапазонах спутниковой связи, включающая в себя:
- множество антенных элементов (100), скомпонованных в фазированной решетке, из которых по меньшей мере один включает в себя проводящий резонатор (102) на связанных кольцах, имеющий внутренний кольцевой элемент (302В) и внешний кольцевой элемент (302А), соединенные четырьмя настроечными перемычками (304), первый фидер (104А) и второй фидер (104В), имеющие емкостную связь с проводящим резонатором (102) на связанных кольцах, и клетку (106) Фарадея, обеспечивающую экранирование проводящего резонатора (102) на связанных кольцах, первого фидера (104А) и второго фидера (104В); и
- электронику средств связи, электрически присоединенную к первому фидеру (104А) и второму фидеру (104В) и выполненную с возможностью обеспечения независимой связи сигналами по меньшей мере с одним из множества антенных элементов (100),
причем электроника средств связи использована для приема сигналов в первом К-диапазоне SATCOM, а затем для приема сигналов во втором К-диапазоне SATCOM,
причем электроника средств связи использована для обнаружения принимаемых сигналов в диапазоне SATCOM, поступающих от фидеров множества антенных элементов в клетке Фарадея, обеспечивающей величину угла сканирования множества антенных элементов до 60° или более от оси антенны.

8. Система по п. 7, в которой первый фидер (104А) и второй фидер (104В) также выполнены с возможностью возбуждения проводящего резонатора (102) на связанных кольцах.

9. Система по п. 7 или 8, в которой первый фидер (104А) ориентирован под углом, по существу равным 90°, по отношению ко второму фидеру (104В), причем электроника средств связи выполнена с возможностью использования фидеров (104А) и (104В), ориентированных по существу под прямым углом друг к другу в антенном элементе (100), для избирательного приема либо сигналов как с правой круговой поляризацией, так и с левой круговой поляризацией, либо двух сигналов с ортогональными линейными поляризациями.

10. Система по п. 7 или 8, в которой клетка (106) Фарадея включает в себя обеспечивающую электромагнитное экранирование заземленную плоскость (110), соединенную с множеством проводящих полосок (202) посредством по меньшей мере одной проводящей сквозной перемычки (108, 402).

11. Антенный элемент (100), включающий в себя:
- проводящий резонатор (102) на связанных кольцах, содержащий множество кольцевых элементов (302), соединенных одной или более настроечных перемычек (304);
- фидер (104), имеющий электромагнитную связь с проводящим резонатором (102) на связанных кольцах; и
- клетку (106) Фарадея, обеспечивающую экранирование проводящего резонатора (102) на связанных кольцах и фидера,
причем фидер антенного элемента в клетке Фарадея выполнен с возможностью принятия сигналов в диапазоне SATCOM, а клетка Фарадея обеспечивает величину угла сканирования антенного элемента до 60° или более от оси антенны.

12. Антенный элемент (100) по п. 11, в котором проводящий резонатор (102) на связанных кольцах содержит внутренний кольцевой элемент (302В) и внешний кольцевой элемент (302А), соединенные четырьмя настроечными перемычками (304).

13. Антенный элемент (100) по п. 11 или 12, в котором фидер (104) выполнен с возможностью возбуждения проводящего резонатора (102) на связанных кольцах.

14. Антенный элемент (100) по п. 11 или 12, в котором фидер (104) выполнен с возможностью приема сигнала от проводящего резонатора (102) на связанных кольцах.

15. Антенный элемент (100) по п. 11 или 12, дополнительно содержащий первый фидер (104А) и второй фидер (104В), причем первый фидер (104А) ориентирован под углом, по существу равным 90°, по отношению ко второму фидеру (104В).

16. Антенный элемент (100) по п. 15, в котором первый фидер (104А) и второй фидер (104В) расположены под проводящим резонатором (102) на связанных кольцах в антенном элементе (100) и имеют емкостную связь с проводящим резонатором (102) на связанных кольцах.

17. Антенный элемент (100) по п. 11 или 12, в котором клетка (106) Фарадея содержит заземленную плоскость (110), обеспечивающую электромагнитное экранирование и соединенную с множеством проводящих полосок (202) по меньшей мере одной проводящей сквозной перемычкой (108, 402).

18. Антенный элемент (100) по п. 17, дополнительно содержащий множество слоев, каждый из которых отделен от другого слоя материалом с малыми потерями и низкой диэлектрической проницаемостью.

19. Антенный элемент (100) по п. 18, в котором проводящий резонатор (102) на связанных кольцах расположен на верхнем слое, фидер (104) расположен на среднем слое под проводящим резонатором (102) на связанных кольцах, а обеспечивающая электромагнитное экранирование заземленная плоскость (110) расположена на нижнем слое, при этом одна из множества проводящих полосок (202) располагается на каждом из множества слоев над нижним слоем.

20. Антенный элемент (100) по п. 11 или 12, конфигурация которого обеспечивает его объединение в конструкцию с множеством антенных элементов (100) для формирования фазированной антенной решетки.

21. Способ осуществления широкополосной спутниковой связи (SATCOM) посредством конформной фазированной решетки, в котором:
- создают фазированную решетку из множества антенных элементов (100), из которых по меньшей мере один включает в себя проводящий резонатор (102) на связанных кольцах, имеющий множество кольцевых элементов (302), соединенных одной или более настроечными перемычками (304), фидер (104), имеющий электромагнитную связь с проводящим резонатором (102), и клетку (106) Фарадея, обеспечивающую экранирование проводящего резонатора (102) и фидера (104) от электрических полей соседних антенных элементов (100) фазированной решетки;
- присоединяют фидер (104) по меньшей мере одного антенного элемента (100) к электронике средств связи;
- используют электронику средств связи для возбуждения проводящего резонатора (102) на связанных кольцах для приема сигнала в первом приемном диапазоне SATCOM; и
- используют электронику средств связи для возбуждения проводящего резонатора (102) на связанных кольцах для приема сигнала во втором приемном диапазоне SATCOM,
причем электронику средств связи используют для обнаружения принимаемых сигналов в диапазоне SATCOM, поступающих от фидеров множества антенных элементов в клетке Фарадея, обеспечивающей величину угла сканирования множества антенных элементов до 60° или более от оси антенны.

22. Способ по п. 21, в котором дополнительно принимают сигнал в диапазоне SATCOM посредством электроники средств связи через проводящий резонатор (102) на связанных кольцах и фидер по меньшей мере одного антенного элемента (100).

23. Способ по п. 21 или 22, в котором проводящий резонатор (102) содержит внутренний кольцевой элемент (302В) и внешний кольцевой элемент (302А), соединенные четырьмя настроечными перемычками (304).

24. Способ по п. 21 или 22, в котором первый фидер (104А) ориентирован под углом, по существу равным 90°, по отношению ко второму фидеру (104В) по меньшей мере в одном антенном элементе (100) так, что электроника средств связи может избирательно принимать сигналы как с правой круговой поляризацией, так и с левой круговой поляризацией, либо пары сигналов с ортогональной линейной поляризацией.

25. Способ по п. 21 или 22, в котором клетка (106) Фарадея имеет шестиугольную форму так, что проводящие полоски (202) и проводящие сквозные перемычки (108, 402) клетки (106) Фарадея являются общими для соседних антенных элементов (100) в фазированной решетке.