ЛИНЗОВАЯ АНТЕННА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАКОЙ АНТЕННЫ И АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2017 года по МПК H01Q15/08 

ВВЕДЕНИЕ

Изобретение относится к линзовой антенне. Изобретение также относится к антенной системе для передачи и приема электромагнитных сигналов, которая включает по меньшей мере одну антенну согласно изобретению. Изобретение кроме того относится к способу изготовления антенны согласно изобретению. Изобретение также относится к способу для использования в беспроводной связи с применением антенны согласно изобретению. Изобретение помимо этого относится к РЧ-приемопередатчику устройства для беспроводной связи, включающего по меньшей мере одну антенну согласно изобретению. Изобретение кроме того относится к электронному устройству, включающему РЧ-приемопередатчик согласно изобретению.

Настоящее изобретение усовершенствует предмет изобретения, раскрытый в патенте США №7,620,527, выданном 17 ноября 2009 г. автору настоящего изобретения Йохану Гилису, все содержание какового патента включено в настоящий документ путем ссылки, как если бы оно было приведено здесь полностью. Помимо этого, настоящее изобретение также включает, путем ссылки, все раскрытие из предварительной заявки США №61/356,836 с названием "Инструментальный ящик, реализованный на компьютере" на имя Йохана Гилиса, поданной 21 июня 2010 г., все содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки, как если бы оно было приведено здесь полностью. Кроме того, настоящая заявка также включает, путем ссылки, все раскрытие из заявки на патент США №13/165,240 с названием "Инструментальный ящик, реализованный на компьютере" на имя Йохана Гилиса, поданной 22 июня 2011 г., все содержание которой включено в настоящий документ путем ссылки, как если бы оно было приведено здесь полностью.

В патенте ‘527 описаны системы и способы, посредством которых образцы (например, такие как изображения, формы волны, такие как звуки, электромагнитные волны или другие сигналы и т.п.) синтезируют, модулируют и/или анализируют, используя компьютер, в котором запрограммирована новая математическая формула. Эта формула может быть использована для создания разных форм, форм волны и других представлений. Формула в значительной степени повышает возможности компьютерных операций и обеспечивает большую экономию памяти компьютера и существенное повышение вычислительной мощности.

Геометрическая концепция патента ‘527 подходит для моделирования и для объяснения, почему определенные естественные формы растут так, как это происходит. Как объяснено в патенте ‘527, автор изобретения установил, что большинство геометрических и обычных форм, включая круги и многоугольники, могут быть описаны как специальные реализации следующей формулы:

В патенте '527 объяснено, как эта формула и ее представления могут быть использованы, например, в "синтезе" и "анализе" образцов (т.е., включая, например, образцы изображений и формы волн, таких как электромагнитные (например, электричество, свет и т.д.), звуковые и другие образцы формы волны или сигнала) и т.п.

Для того, чтобы синтезировать разные образцы, параметры в этом уравнении могут быть модифицированы так, чтобы можно было синтезировать разные образцы. В частности, параметры в вышеприведенных уравнениях могут быть усреднены. Путем усреднения или модуляции осевых симметрий (m), экспонент (n₁-n₃) и/или коротких и длинных осей (а, b), в двух- и трехмерном пространстве можно создавать широкую гамму естественных, искусственных и абстрактных форм.

На Фиг. 1 патента ‘527 приведена схема, показывающая разные компоненты, которые могут быть включены в разные варианты осуществления для синтеза образцов и/или для анализа образцов с помощью оператора суперформулы. Как сказано в патенте ‘527, согласно первому аспекту, для целей наглядности со ссылкой на упомянутую Фиг. 1, формы или волны могут быть "синтезированы" путем применения следующих базовых этапов: на первом этапе осуществляется выбор параметров (например, или путем ввода значений в компьютер 10, т.е., посредством клавиатуры 20, сенсорного экрана, указателя мыши, устройства распознавания голоса или другого устройства ввода и т.д., или путем обеспечения указания значений компьютером 10), и компьютер 10 используют для синтеза выбранной суперформы, основанной на выбранных параметрах. На втором, необязательном, этапе суперформула может быть использована для адаптации выбранных форм, вычисления оптимизации и т.д. Этот этап может включать использование: графических программ (например, 2D, 3D и т.д.), ПО для САПР, программы для анализа методом конечных элементов, программы для генерации волн или другое ПО. На третьем этапе результат первого или второго этапа используют для преобразования вычисленных на компьютере суперформ в физическую форму, например, посредством: (а) отображения суперформ 31 на мониторе 30, распечатка суперформ 51 на материале 52, таком как бумага, с помощью принтера 50 (2D или 3D); (b) осуществления автоматизированного производства (например, путем управления внешним устройством 60, таким как оборудование, роботы и т.д., на основе результата этапа 3); (с) генерации звука 71 посредством системы громкоговорителей 70 и т.п.; (d) выполнения стереолитографии; (е) выполнения быстрого прототипирования и/или (f) использования полученного результата иным способом, известным из уровня техники, для преобразования таких форм.

В патенте ‘527 описаны синтез (такой как, например, создание форм) и анализ (такой как, например, анализ форм). Что касается анализа, в патенте ‘527 сказано, что: "В общем, хотя и без ограничения, формы или волны могут быть "проанализированы" путем применения следующих базовых этапов (эти этапы имеют сходство с вышеуказанными этапами синтеза, в обратном порядке): на первом этапе образец может быть просканирован или введен в компьютер (например, в цифровой форме). Например, изображение объекта может быть просканировано (2D или 3D), микрофон может принимать звуковые волны, или могут быть введены электрические сигналы (например, волны), могут быть введены данные с машиночитаемого носителя, такого как, например, CD-ROM, дискета, внутренний или внешний флеш-накопитель и т.д., данные могут быть приняты в режиме онлайн, например, по сети Интернет или Интранет и т.д. Могут быть использованы и другие известные способы ввода, такие как, например, использование цифровых или других камер (например, получение одного изображения или непрерывное получение изображений в реальном времени и т.д.), и т.д. На Фиг. 1 показаны примеры, в которых сканер изображений 100 (например, сканер для документов, используемый для сканирования изображений на материале-носителе, таком как бумага или фотографии, или другое сканирующее устройство) и/или рекордер 200 (например, рекордер, который принимает формы волн через микрофон и т.п.) используют вместе с компьютером 10. На втором этапе изображение анализируют, чтобы определить значения параметров и т.д. для суперформулы. На этом этапе анализируемые сигналы также могут быть идентифицированы, категоризированы, сравнены и т.д. В некоторых случаях компьютерного анализа компьютер может иметь библиотеку или каталог (например, в памяти) примитивов (например, категоризирующих набор суперформ по значениям параметров). В таких случаях компьютер можно затем использовать для аппроксимации, идентификации, классификации и т.д. суперформ на основании информации из библиотеки или каталога. Каталог примитивов можно использовать, например, для первой аппроксимации образцов или форм. На третьем, необязательном, этапе анализируемые сигналы могут быть усреднены согласно необходимости (например, могут быть выполнены операции, подобные описанным выше со ссылкой на второй общий этап или этап синтеза). На четвертом этапе может быть получен результат. Такой результат может включать: (а) получение визуального (например, отображаемого или напечатанного) или слышимого (например, звукового) результата; (b) управление работой конкретного устройства (например, если определены конкретные условия); (с) получение указания, относящегося к анализируемому образцу (например, его идентификация или классификация, идентификация предпочтительной или оптимальной конфигурации, выявление дефекта или отклонения от нормы и т.д.); (d) создание другой формы результата, который был бы очевиден специалистам в данной области. При анализе, после оцифровки образца, компьютер продолжает использовать определенный тип представления. Если образец относится к химии, должен быть выбран график XY. Если это замкнутая форма, следует выбрать модифицированный анализ Фурье. Компьютер должен быть адаптирован (например, посредством ПО) на получение оценки правильных параметров для уравнения, чтобы представить оцифрованный образец.

Хотя в патенте ‘527 описаны значительные достижения в технике за последнее десятилетие, авторы настоящего изобретения неожиданно открыли некоторые значительные достижения и усовершенствования, которые являются предметом настоящей заявки.

В международной патентной заявке WO 2011/161548 раскрыт способ синтеза или анализа формы путем использования формулы, которая описана в вышеупомянутом патенте ‘527, в зависимости от формы или геометрии среды, окружающей такую форму.

Цель некоторых вариантов осуществления изобретения заключается в том, чтобы найти класс изделий, в которых вышеуказанная технология реализована выгодным образом.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения представлены улучшенные линзовые антенны для широкого класса беспроводных применений (включая сети Wi-Fi). Такая улучшенная линзовая антенна включает: по меньшей мере одну электромагнитную линзу, по меньшей мере одну площадку заземления, соединенную с упомянутой линзой, и по меньшей мере одну зондирующую конструкцию, соединенную с упомянутой линзой, причем упомянутая зондирующая конструкция включает по меньшей мере один зонд, и причем этот по меньшей мере один зонд окружен линзой, при этом по меньшей мере одна из по меньшей мере одной электромагнитной линзы и по меньшей мере одной площадки заземления имеет по меньшей мере один базовый профиль, который по существу имеет суперформу, и причем этот базовый профиль, имеющий суперформу, определяется полярной функцией:

где:

- ρ_d(ϕ) - кривая, расположенная в XY-плоскости, и

- ϕ∈[0, 2π) - угловая координата.

Несмотря на то, что предлагаемые антенны исключительно просты по конструкции, легко обрабатываются и, таким образом, являются дешевыми, они на удивление значительно превосходят по своим эксплуатационным характеристикам антенны, в настоящее время используемые в беспроводной связи, в смысле ширины рабочей полосы пропускания, максимального коэффициента усиления и стабильности диаграммы направленности. Кроме того, рассматриваемые антенны используют устойчивую технологию и экологически безвредны. В частности, геометрия базового профиля линзы и/или площадки заземления определяется полярным уравнением, известным в научной литературе как суперформула (или формула Гилиса) и ее обобщением до трехмерных пространств. Суперформула подробно объяснена в патенте США №7,620,527 на имя Й. Гилиса, все раскрытие которого включено в настоящий документ путем ссылки. Такое уравнение дает возможность единообразно описывать естественные и абстрактные формы от элементарных частиц до сложных обобщенных кривых Ламе. Антенна изобретения позволяет увеличить число степеней свободы для конструирования, открывая путь к широкой гамме излучающих структур и датчиков с настраиваемыми электромагнитными характеристиками.

В патентной заявке США № US 2010/0220031 раскрыта широкополосная диэлектрическая антенна, включающая площадку заземления, на которой смонтирована диэлектрическая конструкция, в которой многочисленные фидерные полосы, действующие в качестве зондов, прикреплены к наружной поверхности этой диэлектрической конструкции.

Начало исследований по диэлектрическим линзовым антеннам относится к последним десятилетиям 20 века. С тех пор в данной области активно работают несколько исследовательских групп, которые достигли заметных достижений. С самого начала диэлектрические линзовые антенны были сочтены выгодными по причине их высокого КПД излучения и легкости интеграции с планарными схемами. Были предложены многие новые конструкции с привлекательными характеристиками для разных применений, но даже после многих таких разработок практическое конструирование и реализация линзовых антенн все еще сталкивается с проблемами во многих случаях. В последние годы упор делается на увеличение полосы пропускания и коэффициента усиления антенн, которые больше соответствовали бы требованиям современных беспроводных применений. Повсеместный характер существующих и будущих систем беспроводной связи непрерывно повышает спрос на точный расчет усовершенствованных точек доступа и пользовательских терминалов. В частности, антенны, используемые в качестве самых внешних устройств, становятся более важными в смысле выполнения перспективных требований, таких как миниатюризация, улучшенные характеристики излучения и полосы частот и легкость изготовления и интеграции. Традиционно, обычно используют печатную схему (микрополосковую) или металлические стержни (несимметричный вибратор). Однако такое излучение обычно имеет плохие эксплуатационные характеристики в смысле относительной ширины полос частот и излучательных свойств. В этом контексте предлагаемые линзовые антенны, имеющие суперформу, дают явные преимущества по причине уменьшенных потерь в них (в сущности нет потерь в металле), высокий КПД излучения и легкость интеграции с планарными схемами. Кроме того, они обладают высокой степенью гибкости и универсальности в широком диапазоне частот, позволяя конструктору выполнять разные требования. Численные исследования и измерения, выполненные на экспериментальном прототипе, соответствующем вступающему в силу стандарту WiMedia, подтверждают, что рассматриваемые антенны способны работать в очень широких полосах частот (превышающих 70%) при сохранении стабильных диаграмм направленности и значений коэффициента усиления. На основании достигнутых результатов можно сделать вывод, что предлагаемые антенны могут найти применение в качестве точек доступа для комнатных мультимедийных радиосистем и там, где желательны широкие, гладкие и стабильные по частоте диаграммы направленности, что является особенно важным в появляющихся дешевых применениях радарной, беспроводной и спутниковой технологий.

Фактически, каждая линзовая антенна включает линзу и/или площадку заземления, имеющую трехмерную форму. Может быть полезным, чтобы многочисленные профили основания линзы и/или площадки заземления имели по существу суперформу, причем каждый базовый профиль, имеющий суперформу, определяется полярной функцией (суперформулой) по пункту 1 формулы изобретения. Таким образом будет создана трехмерная линза и/или площадка заземления с суперформой, которая обычно будет иметь преимущество в диаграмме распределения мощности и интенсивности линзовой антенны как таковой. В этих трехмерных компонентах с суперформой сначала обычно определяют первый базовый профиль по суперформуле согласно пункту 1 формулы изобретения, и по меньшей мере еще один базовый профиль определяют по суперформуле согласно пункту 1. Оба базовых профиля обычно определяют поперечное сечение конечной суперформы, или, другими словами, первый базовый профиль определяет профиль, а другой базовый профиль определяет путь вращения этого первого базового профиля. Отсюда, трехмерная форма может являться результатом совмещения многих двухмерных форм. Например, квадратный базовый профиль, соединенный с треугольным базовым профилем, дает пирамидальную форму, а каплевидный базовый профиль, соединенный с прямоугольным базовым профилем, дает крыловидную форму. Таким образом можно создавать неопределенное число трехмерных суперформ. Трехмерная форма также может являться результатом объединения наружных граней, причем каждая грань соответствует суперформуле по пункту 1. Например, додекаэдр имеет грани в форме пятиугольника, где каждый пятиугольник соответствует двухмерной суперформуле по пункту 1. То же самое относится, например, к икосаэдру, у которого каждая отдельная грань определена треугольником, соответствующим суперформуле.

Параметрическое представление трехмерной формы линзы и/или площадки заземления основано на двух перпендикулярных поперечных сечениях ρ₁(ϑ) и ρ₂(ϕ):

где:

- ρ - определено функцией, представленной в пункте 1 формулы изобретения,

- 0≤ϑ≤2π, и

- ½π≤ϕ≤½π.

Записанная как полярная функция, трехмерная форма линзы и/или площадки заземления также может быть определена как:

где:

и где:

- а, b, с, d>0; а, b, с, d, l₁, l₂, l₃, m₁, m₂, m₃, m₄, n₁, n₂, n₃) ∈ ℜ и n₁, l₁≠0

- 0≤θ≤2π, и

- -½π≤ϕ≤½π.

Вышеприведенная полярная функция может быть переписана в сферических координатах как:

где:

- p и q - параметры симметрии;

- γ₁ γ₂, γ₃ - аналогичны параметрам а и b, определенным выше;

- ν₀, ν₁, ν₂, ν₃ - аналоги параметров n₀, n_x, n_y (или n₀, n₁, n₂);

- (γ₁, γ₂, γ₃, ν₀)≥0;

- 0≤θ<≤π; и

- 0≤ϕ≤2π.

Предпочтительно, проектирование линзовой антенны, имеющей суперформу, в частности диэлектрической резонаторной антенны (С-ДРА), осуществляют путем уподобления ее обычной цилиндрической диэлектрической резонаторной антенне. Сначала эффективный радиус основания линзы определяют как:

где ρ_d(ϕ) выражено уравнением Гилиса:

которое описывает базовый профиль линзы, в частности основания линзы. С другой стороны, высоту линзы (h_d) выбирают так, чтобы она была равна приблизительно длине волны в диэлектрическом материале на центральной рабочей частоте антенны (f_c), то есть:

где с₀ - скорость света в вакууме, и εr означает относительную диэлектрическую проницаемость материала линзы. Для получения широких рабочих полос частот антенны, размеры поперечного сечения линзы подбирают так, чтобы получить следующее отношение:

Местоположение и длину зонда определяют эвристически путем полноволнового анализа.

В одном предпочтительном варианте осуществления электромагнитная линза, в частности образованная поверхностью заземления или нижней поверхностью линзы (обычно параллельной площадке заземления), и/или площадка заземления имеет по меньшей мере один базовый профиль по существу суперформы, где m≥4. Это условие параметра дает необычную симметрическую форму линзы, включающую острые края, что приводит к более симметричному пространственному распределению плотности мощности по сравнению с линзой цилиндрической формы (m=0). Таким образом, электромагнитное излучение может распространяться в многочисленных сфокусированных направлениях. Присутствие острых углов необязательно снижает КПД излучения предпочтительной антенны. Еще одним предпочтительным граничным условием является то, что а≠b и, предпочтительно, что по меньшей мере одно значение n_x, n_y и n₀ отклоняется от 2. Эти граничные условия также приводят к линзе необычной формы. Вышеизложенное также применимо к площадке заземления.

Площадка заземления может быть плоской или непланарной, например, изогнутой и/или угловой. В некоторых вариантах осуществления линза и площадка заземления вместе формируют так называемый преобразователь и имеют базовый профиль, который соответствует суперформуле, описанной выше. Также предусматривается, что в некоторых вариантах осуществления площадка заземления и линза имеют одинаковую форму или базовые профили одинаковой формы. Однако в некоторых вариантах осуществления форма площадки заземления может полностью отличаться от формы линзы при условии, что по меньшей мере один базовый профиль по меньшей мере одной из площадки заземления и линзы соответствует суперформуле, сформулированной в пункте 1 формулы изобретения.

Предпочтительно, базовым профилем, имеющим по существу суперформу, является базовый профиль линзы, который проходит в направлении, по существу параллельном плоскости, определяемой площадкой заземления. Обычно это дает ось симметрии, ориентированную перпендикулярно к (центральной) плоскости, определяемой площадкой заземления, что способствует пространственному распределению плотности мощности. Этот вариант осуществления позволяет применять линзу, имеющую (необычную) форму многогранника, такого как призма, где n-стороннее многоугольное основание многогранника направлено на площадку заземления и в конечном счете установлено на ней.

Антенна согласно изобретению может быть использована для приема и/или передачи электромагнитного излучения. Функциональность зондирующей конструкции поэтому зависит от желательной функциональности антенны. Таким образом реально, что зондирующая конструкция конфигурирована для приема и/или передачи электромагнитного излучения. Обычно зондирующая конструкция включает по меньшей мере один зонд. Геометрия, включая форму и размеры, зонда обычно полностью зависит от конкретного назначения и применения антенны. Могут быть использованы зонды разных типов. Хорошо известным зондом является зонд с коаксиальным возбуждением, который по меньшей мере частично расположен в линзе, при этом зонд, таким образом, по меньшей мере частично окружен линзой. В этой связи, линза имеет пространство для размещения зонда. Зонд также может быть сформирован волноводом, который не проходит в линзу и просто соединен с базовой плоскостью линзы. В некоторых вариантах осуществления зонд может быть сформирован микрополоской, которая проходит до базовой плоскости линзы. В еще одном альтернативном варианте осуществления зонд сформирован излучателем, который расположен между площадкой заземления и линзой. Применение излучателя обычно будет передавать генерацию фронта сферической волны и, поэтому, распространение по существу однородной плотности мощности в линзе. Следовательно, в линзовой антенне согласно настоящему изобретению можно использовать зонды разных типов.

В том случае, если в линзовой антенне используется один зонд, антенна подойдет для эксплуатации в одной указанной полосе частот. Частотный диапазон упомянутой полосы частот полностью зависит от применения антенны. Сейчас многие системы мобильной связи используют несколько полос частот, таких как полосы GSM 900/1800/1900 (890-960 МГц и 1710-1990 МГц); универсальные системы мобильной связи (UMTS) и полосы расширения UMTS 3G (1900-2200 МГц и 2500-2700 МГц); полосы частот в спектре СВЧ (1-100 ГГц), в частности, полоса К_а (26,5-40 ГГц) и полоса K_u (12-18 ГГц), используемые для спутниковой связи; и полосы Wi-Fi (точность беспроводной связи)/беспроводных локальных сетей (WLAN) (2400-2500 МГц и 5100-5800 МГц). Однако линзовая антенна согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения не ограничена вышеупомянутым перечнем хорошо известных полос частот.

Обычно, поскольку одна антенна не может работать на всех этих полосах частот мобильной связи, можно использовать несколько разных антенн, покрывающих эти полосы по отдельности. Однако использование многих антенн обычно ограничено из-за объема и стоимостных ограничений. Поэтому очень важны многодиапазонные и широкополосные антенны для совершения многофункциональных операций для мобильной связи. Многодиапазонная антенна в системе мобильной связи может быть определена как антенна, работающая на конкретных полосах частот, но не на промежуточных частотах между полосами. В этой связи предпочтительно, чтобы зондирующая конструкция включала несколько зондов, ведущих к нескольким антенным портам. Работу этих зондов можно переконфигурировать. В последние годы промышленные и научные сообщества пытаются разрабатывать переконфигурируемые антенны. Этот интерес стимулируется потребностью во внешних интерфейсах для будущих систем СВЧ, которые будут поддерживать все возрастающее число функциональностей, таких как радары, связь, пассивное прослушивание или контроль направления и спектра. Более того, персональные устройства для беспроводной связи или связи между движущимися объектами обычно должны поддерживать большое число стандартов (например, UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, DSRC). Переконфигурируемая антенна может повторно использовать собственный объем на разных полосах частот, чтобы ее часть или вся конструкция находилась в конкретном режиме эксплуатации. Переконфигурируемость антенны в известных интерфейсных архитектурах может быть достигнута путем изменения состояния подходящих переключающих устройств, чтобы оптимизировать эксплуатационные характеристики устройства для применения в разных сценариях эксплуатации. Для реализации этой концепции предложены несколько подходов. Большинство из этих подходов основаны или на твердотельных, или на электромеханических переключателях. Первые включают переключатели на базе PIN-диодов, варакторов или полевых транзисторов (ПТ), а последние включают простые реле и ряд типов микроэлектромеханической системы (МЭМС). В предложенной концепции многопортовой антенны, имеющей суперформу, подходящие твердотельные схемы настройки, соединенные с входными выводами антенны, используются для динамической регулировки характеристик соответствующих цепей, таких как рабочая частота, и/или излучающих свойств. Переконфигурируемость устройства в техническом отношении достигается путем изменения состояния возбуждения/нагрузки на его входных портах и, за счет этого, распределения тока в конструкции антенны.

Принятый механизм множественного возбуждения, учитывающий характеристику легкой настройки антенны в широком диапазоне, должен быть оптимизирован таким образом, чтобы минимизировать уровень паразитной электромагнитной связи между портами антенны (зондами), потенциально приводящей к ухудшению эксплуатационных характеристик устройства. В этом контексте необходимо подчеркнуть, что рассматриваемое устройство фактически действует в качестве антенны на тех частотах, где уровень отражения подводимой энергии не может быть совершенным образом компенсирован коэффициентами передачи между разными портами. Процессы природного резонанса, влияющие на характеристики антенны, могут быть активированы или подавлены путем правильной настройки нагрузочных импедансов Z_i на входных портах i=0, 1, …, N, где N - число облучателей антенны. При этом особое внимание должно быть уделено КПД излучения η(Z_i) устройства, чтобы довести до максимума подвод мощности в радиосигнал, направленный в желательном направлении в пространстве. В этом отношении легко доказать, что мощность, излучаемая антенной, рассматриваемой как сеть с N портов, может быть выражена векторами падающей и отраженной волн, а=a(Z_i) и b=b(Z_i), соответственно, следующим образом:

где индекс H означает транспонирование с сопряжением, и:

является т.н. матрицей рассеяния, где 1 - обычный идемфактор. Для того, чтобы облегчить анализ и оптимизацию устройства с пониманием физических механизмов, отвечающих за соответствующие характеристики цепей, принято представление S - параметров на основе разложения по особым значениям. Эта факторизация выражается как:

где U и V - унитарные матрицы левого и правого сингулярных векторов, соответственно, и Σ - диагональная матрица соответствующих упорядоченных сингулярных значений σ_n. Как следствие, отношение b=S⋅а Для S - матрицы можно удобно записать как:

При рассмотрении нормализованных волновых векторов а'=V^H⋅а и b'=U^H⋅b, характеристики устройства можно описать как совмещение естественных откликов развязанных разветвлений одного порта, где n-ное разветвление представляет положительный коэффициент отражения σ_n. Таким образом, можно легко сделать вывод, что характеристики цепей, а также излучающие свойства антенны определяются главным образом сингулярными значениями соответствующей матрицы рассеяния. Фактически, путем объединения (1) и (2) с (4), выражение КПД излучения, зависимого от точки начала рассеяния, после некоторых алгебраических действий будет выглядеть как:

где означает мощность, принимаемую на выводах конструкции. Поэтому оптимальная работа антенны явно достигается путем минимизации сингулярных значений σ_n. Таким образом, для надлежащей работы антенны на представляющих интерес полосах частот может быть выбрано оптимальное условие нагрузки Z_i (i=0,1, …, N) входных портов.

В некоторых вариантах осуществления эти антенны также могут быть использованы в антенных решетках, не только планарных, но и в разработанных под заказ трехмерных, основанных на трехмерных суперформах. Рассматриваемый класс линзовых антенн можно оптимизировать для проектирования недорогих антенных решеток для беспроводного радара следующего поколения, применений в космосе с основными требованиями в смысле согласования импеданса и свойств излучения. В этом контексте предусматривается применение неравномерно размешенных планарных антенных решеток. Правильное формирование диаграммы направленности при уменьшенном числе антенных элементов приведет к снижению массы, стоимости и сложности питающей сети. Повышенное среднее расстояние между элементами приведет к уменьшению уровня паразитной связи антенны. Из-за апериодического интервала, в видимом пространстве отсутствуют реплики главного лепестка антенны, даже при выполнении сканирования диаграммы. В формировании пучка для предлагаемой конфигурации решетки необходимо контролировать и амплитуду, и фазу каждого антенного элемента. Совместный контроль амплитуды и фазы можно использовать для регулировки уровней боковых лепестков и управления нулями лучше, чем этого можно достигнуть только с контролем фазы.

Для того, чтобы придать линзовой антенне желательную многодиапазонную функциональность, желательно сделать геометрию по меньшей мере двух зондов взаимно разной. Как уже сказано, геометрия включает форму и размеры зондов. Путем применения разных геометрий разных зондов можно получить разные характеристики излучения, что легко приведет к желательной многодиапазонной функциональности. Предпочтительная длина зонда зависит от материала линзы, в частности от диэлектрической постоянной материала линзы, и желательной частоты или полосы частот. В качестве примера можно сказать, что в случае полимерной линзы, в частности линзы, изготовленной из поливинилхлорида (ПВХ), которая должна работать в полосе частот 5 ГГц для применения в беспроводной локальной сети (WLAN), длина зонда предпочтительно составляет 4-8 мм. В случае конфигурации другого зонда (той же антенны) для работы в полосе частот 2,4 ГГц, длина зонда предпочтительно составляет 10-18 мм. Диаметр по меньшей мере одного зонда предпочтительно составляет 1-3 мм.

Если идентичные антенные элементы размещены в антенной решетке или если используются несколько разных антенн, они взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие между элементами из-за их близости друг к другу называется взаимной связью, которая влияет на входной импеданс, а также на диаграмму излучения. Ранее отмечалось, что для применения в базовых станциях можно реализовать больше одной подобной антенны, чтобы или получить более высокий коэффициент усиления с помощью конструкций решетки, или по меньшей мере обеспечить двойную поляризацию с помощью двух антенных зондов. Кроме того, при применении в мобильных станциях даже несколько разных антенн можно использовать в ограниченном доступном пространстве, чтобы обеспечить многодиапазонную работу. Для этих антенных систем взаимная связь определяется просто как значение помех между двумя антенными зондами, которое желательно должно быть как можно меньшим. Для того, чтобы противодействовать взаимной связи, предпочтительно, чтобы взаимная ориентация по меньшей мере двух зондов была такой, что эти зонды были бы расположены, по меньшей мере частично, вне электромагнитной линии видимости друг друга. Поскольку зонды не видят друг друга, электромагнитные помехи в линзе сведены к минимуму. Расположение зондов вне линии видимости друг друга может быть реализовано, например, путем расположения по меньшей мере одного отражающего элемента между зондами. Этот отражающий элемент может быть окружен линзой. Однако применение такого отдельного отражающего элемента обычно будет отрицательно влиять на КПД антенны. Поэтому предпочтительно, чтобы электромагнитное излучение, передаваемое по меньшей мере одним зондом, по меньшей мере частично отражалось по меньшей мере одной окружной стенкой линзы в направлении от по меньшей мере одного другого зонда. В этой связи, окружная стенка линзы предпочтительно по меньшей мере частично имеет вогнутую форму, что облегчает прерывание линии видимости зондов. В некоторых вариантах осуществления окружная стенка может быть, по меньшей мере частично, гофрирована, чтобы распространять отражение электромагнитного излучения, передаваемого зондом в направлении от по меньшей мере одного другого зонда. Как сказано выше, в суперформуле m предпочтительно равно или больше 4, что позволяет располагать зонды на острых краях (окружных) линзы, чтобы минимизировать взаимные помехи зондов. Как уже говорилось, зонд может быть расположен, по меньшей мере частично, в пределах пространства размещения линзы. Расположение таких пространств размещения предпочтительно такое, что зонды будут расположены вне линии видимости.

Линзовая антенна согласно изобретению может быть выполнена в относительно компактных размерах по сравнению с известными антеннами. Высота линзы предпочтительно меньше или равна 5 см, что обычно достаточно для надлежащего функционирования линзовой антенны согласно изобретению.

Линза предпочтительно, по меньшей мере частично, изготовлена из диэлектрического материала, более предпочтительно из диэлектрического материала, имеющего диэлектрическую постоянную от 2 до 90. Путем выбора материала, имеющего относительно высокую диэлектрическую постоянную, можно значительно уменьшить размер линзы. Возможно, чтобы линза была, по меньшей мере частично, изготовлена по меньшей мере из одной керамики. Диэлектрические постоянные керамики составляют от 4,5 до 100. Диэлектрики с в диапазоне от 4,5 до приблизительно 6 обычно имеют в своей основе силикат алюминия-магния и соединения силиката магния, соответственно. Диэлектрики с в диапазоне 13-16 имеют в своей основе соединения Mg₂TiO₄ и MgTiO₃. Можно применить разные способы для получения керамики с низкими потерями с CaTiO₃ дает относительно умеренные потери, но имеет высокую и очень большой отрицательный температурный коэффициент е (приблизительно 1600 чнм/°C). В свою очередь, CaTiO₃ химически совместим с и Заметьте, что титанаты магния имеют умеренно положительные температурные коэффициенты . Таким образом, композитные керамики, состоящие из Mg₂TiO₄ плюс CaTiO₃, могут иметь от 13 до приблизительно 150 при любом желательном значении, тогда как композиты MgTiO₃ плюс CaTiO₃ охватывают почти такой же диапазон, от 16 до приблизительно 150. Керамики с низкими потерями с от приблизительно 37 до приблизительно 100, а также могут быть получены из титанатов бария. Обычно на нижнем конце этой серии находится соединение BaTi₄O₉. Небольшие увеличения в содержании TiO₂ дают керамические композиты BaTi₄O₉/Ba₂Ti₉O₂₀ или чистый Ba₂Ti₉O₂₀. Однако, остается в диапазоне 37-39, и температурный коэффициент остается очень малым, но немного отрицательным. Область, характеризуется керамикой, состоящей из Ba₂Ti₉O₂₀ плюс TiO₂. Как так и температурный коэффициентбыстро увеличиваются по величине с увеличением содержания Установлено, что керамики с относительно низкими диэлектрическими постоянными от 4,5 до 10 обычно наиболее подходят для использования в качестве материала линзы.

Однако в некоторых вариантах осуществления, которые часто предпочтительны, линза, по меньшей мере частично, изготовлена из стекла, в частности из стекла Pyrex^® (прозрачное боросиликатное стекло с низким коэффициентом теплового расширения, предлагаемое компанией Corning Incorporated), хрусталя, кварца (диоксида кремния), ферроэлектрических диэлектрических материалов, жидких кристаллов, по меньшей мере одного полимера, в частности поливинилхлорида (ПВХ), полистирола (ПС), полиимида (ПИ), биопластика (пластик, получаемый из возобновляемых источников биомассы, таких как растительные жиры и масла, кукурузный крахмал, горохового крахмала или микробиоты) или фторопластиков; и/или оксида металла, в частности оксида титана, оксида алюминия, оксида бария или оксида стронция. В частности, конкретное применение обычно необходимо готовить с финансовой точки зрения и конструкторской точки зрения. Полимеры относительно дешевы и, более того, им легко придать форму, используя известные способы литья, экструзии и/или термоформования, и даже могут быть выполнены в желательной форме на 3D-принтере, что дает значительную степень свободы конструктору. В этом контексте, в некоторых вариантах осуществления можно применить линзу, включающую оболочку, которая изготовлена, по меньшей мере частично, из по меньшей мере одного типа стекла, хрусталя и/или по меньшей мере одного полимера, закрывающего по меньшей мере одно внутреннее пространство, которое, по меньшей мере частично, заполнено текучей средой, предпочтительно воздухом или деминерализованной водой (в качестве диэлектрика). Применение воздуха и воды уменьшит количество других используемых материалов, что далее снизит стоимость линзы и, поэтому, антенны согласно изобретению. Линза может быть диэлектрическим резонатором, что дает диэлектрическую резонаторную антенну (ДРА). Электромагнитное излучение вводят как радиоволны вовнутрь материала резонатора из схемы передатчика, и эти волны движутся туда и обратно между стенками резонатора, формируя стоячие волны. Стенки резонатора частично прозрачны для радиоволн, позволяя их мощности излучаться в пространство. Эти резонирующие линзы, таким образом, не имеют металлических деталей, которые отрицательно повлияли бы на рассеяние энергии в линзе, и, поэтому, имеют меньшие потери и являются более эффективными чем известные металлические антенны.

В одном предпочтительном варианте осуществления, поверхность площадки заземления, направленная к линзе, по меньшей мере частично отражающая. Площадка заземления может быть плоской или изогнутой (в форме чаши) и включает электропроводящую поверхность, чтобы отражать электромагнитные радиоволны от других антенных элементов. Эта плоскость необязательно должна быть соединена с заземлением. Обычно, чтобы функционировать как площадка заземления, проводящая поверхность должна быть по меньшей мере четвертьволновой (λ/4) от радиоволн. Для более высокой частоты антенны, в диапазоне ОВЧ или УВЧ, площадка заземления может быть образована, например, металлическим диском или сеткой. На верхних ОВЧ и УВЧ частотах металлическая оболочка автомобиля или летательного аппарата может служить в качестве площадки заземления для штыревой антенны, выступающей с нее. Площадка заземления необязательно должна быть сплошной. В площадке заземления антенны "плоскость" состоит из нескольких проводов длиной λ/4, исходящих из основания четвертьволновой штыревой антенны. Радиоволны от линзы (или от другой антенны), которые отражаются от площадки заземления, кажется исходящими от зеркального изображения антенны, расположенного на другой стороне площадки заземления. В несимметричном вибраторе диаграмма направленности антенны плюс виртуального "изображения антенны" делает его похожим на двухэлементную дипольную антенну с центральным питанием. Поэтому несимметричный вибратор, установленный на идеальную площадку заземления, имеет диаграмму направленности, идентичную дипольной антенне. Линия питания от передатчика или приемника подсоединена между нижним концом несимметричного вибраторного элемента и площадкой заземления. Площадка заземления предпочтительно имеет хорошую проводимость; любое сопротивление площадки заземления является последовательным с антенной и служит для рассеяния мощности от передатчика. Площадка заземления может быть объединена с печатной платой (ПП). Это позволяет облегчить схемное решение, позволяя разработчику заземлить любой компонент без необходимости в дополнительных медных дорожках; медный провод компонента, который нужно заземлить, проводят непосредственно через отверстие в плате к площадке заземления на другом слое. Большая площадь меди также проводит большие обратные токи от многих компонентов без значительного падения напряжения, обеспечивая при этом что заземляющее соединение всех компонентов в то же время является опорным потенциалом. Однако для этой специфической цели основная причина использования больших площадок заземления заключается в том, чтобы снизить электрический шум и помехи, наводимые одной частью схемы на другую через заземление (контуры заземления), и перекрестные помехи между соседними дорожками схемы.

Когда цифровые схемы переключают состояние, большие импульсы тока проходят из интегральных схем через цепь заземления. Если провода питания и заземления имеют значительное сопротивление, падение напряжения на них может создавать импульсы напряжения шума в проводах заземления, которые подаются на другие части схемы. Большая емкость площадки заземления позволяет ей поглощать импульсы тока без большого изменения в напряжении. Помимо этого, площадка заземления под дорожками печатной схемы может снижать перекрестные помехи между соседними дорожками. Когда две дорожки идут параллельно, электрический сигнал в одной может наводиться в другую посредством электромагнитной индукции линиями магнитного поля между которыми образуется связь; это называется перекрестными помехами. Когда слой площадки заземления расположен снизу, он формирует линию передачи (полосковую линию) с дорожкой. Обратные токи противоположного направления проходят через площадку заземления непосредственно под дорожкой. Это ограничивает электромагнитные поля областью между дорожкой и площадкой заземления, снижая перекрестные помехи.

В линзовой антенне модель направленности является результатом разницы между фазовой скоростью распространения электромагнитной волны в воздухе и таковой в материале линзы (n≠1). Форма линзы зависит от показателя преломления n (отношение фазовой скорости распространения радиоволны в вакууме и таковой в линзе). Замедляющей линзовой антенной, как в оптике, является та, для которой n>1. Линза этих типов антенн предпочтительно изготовлена из высококачественных гомогенных диэлектриков с низкими потерями, таких как полимеры.

Зондирующая конструкция предпочтительно включает по меньшей мере один первый зонд, конфигурированный для связи в первой полосе частот, и по меньшей мере один второй зонд, конфигурированный для связи во второй полосе частот, что позволяет реализовать антенну в системе с многими входами-выходами (MIMO). Технология MIMO разработана недавно как новая технология достижения очень высокой эффективности полосы частот и более высоких скоростей передачи данных в современной беспроводной связи. В технологии MIMO несколько антенн размещены на входной и выходной стороне системы связи для улучшения возможностей канала. Многомерные статистические характеристики канала с замираниями MIMO и расчетные параметры антенн, которые снимают на стороне передатчика и приемника, отвечают за увеличение скоростей передачи данных. Технология MIMO является новейшей парадигмой, в которой несколько антенн используют как в передатчике, так и в приемнике, чтобы улучшить эксплуатационные характеристики связи. Это одна из нескольких форм технологии "умной" антенны. Технология MIMO привлекла внимание в области беспроводной связи, поскольку она дает значительное увеличение пропускной способности канала передачи данных, емкости канала и диапазона связи без дополнительной ширины полосы или увеличения передаваемой мощности. Из-за этих свойств MIMO является важной частью стандартов современной беспроводной связи, таких как IEEE802.11n (Wi-Fi), 4G, 3GPP LTE, WiMAX (Wireless interoperability for microwave access), HSPA (высокоскоростная пакетная передача данных) и т.д. Главная цель систем MIMO заключается в том, что антенны в антенной решетке должны обеспечивать многообразный прием при уменьшенном интервале. Когда антенны расположены близко друг к другу, электромагнитные волны разных антенн мешают друг другу, что приводит к потере сигнала. В системах MIMO крупной проблемой для разработчиков является взаимное влияние, которое возникает в основном из-за электромагнитных взаимодействий между антеннами в решетке. Эта проблема в основном имеет место из-за небольшого интервала между антеннами в решетке. Параллельные доводы применимы к линзовой антенне согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения. Следовательно, полезно поддерживать достаточное расстояние между соседними зондами, чтобы противодействовать взаимному влиянию, в частности, если зондирующая конструкция включает несколько первых зондов и несколько вторых зондов. Это минимальное расстояние зависит от длины волны электромагнитного излучения, материала линзы и геометрии зондов.

В предпочтительных вариантах осуществления антенна включает по меньшей мере один процессор, чтобы автоматически переключать зондирующую конструкцию между режимом передачи излучения и режимом приема излучения для двухсторонней связи зондирующей конструкции. Более конкретно, процессор предпочтительно конфигурирован для автоматического переключения между первой полосой частот и второй полой частот для двухсторонней связи в каждой полосе частот.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения также относятся к антенной системе для передачи и приема электромагнитных сигналов, включающей по меньшей мере одну антенну согласно изобретению. Антенная система включает несколько антенн, конфигурированных по принципу MIMO, который описан выше, причем каждая антенна включает несколько зондов. Система предпочтительно также включает по меньшей мере две многодиапазонные антенны и по меньшей мере один процессор для подключения по меньшей мере одной из полос частот, этим обеспечивая разнообразие приема и передачи сигналов в этой полосе. Предпочтительно, процессор конфигурирован для управления средством переключения, которым является переключатель SPDT (однопортовый двухпозиционный) или DPDT (двухпортовый двухпозиционный). Предпочтительно, система также включает по меньшей мере одно интерфейсное средство для программирования по меньшей мере одного процессора и. поэтому, для программирования (конфигурирования) антенны как таковой.

Согласно некоторым вариантам осуществления, изобретение также относится к способу изготовления антенны согласно изобретению, включающему:

A) проектирование по меньшей мере одной площадки заземления и/или по меньшей мере одной линзы, чтобы площадка заземления и/или по меньшей мере одна линза имела по меньшей мере один базовый профиль, который имеет по существу суперформу, причем упомянутая суперформа определяется полярной функцией (суперформулой):

где:

- ρ_d(ϕ) - кривая, расположенная в плоскости XY; и

- ϕ∈[0, 2π) - угловая координата,

B) сборку площадки заземления, линзы и зондирующей конструкции, причем такая зондирующая конструкция включает по меньшей мере один зонд.

Согласно некоторым вариантам осуществления, преимущества использования суперформулы для проектирования площадки заземления и/или линзы уже описаны выше исчерпывающим образом. На этапе В) предпочтительно несколько зондов соединяют с площадкой заземления и/или линзой. По меньшей мере один зонд предпочтительно конфигурирован для связи в первой полосе частот, и по меньшей мере один другой зонд конфигурирован для связи во второй полосе частот. Более предпочтительно, разные зонды ориентированы так, что во время эксплуатации будут возбуждаться разные сектора линзы. Предпочтительно, если зонды расположены вне линии видимости, чтобы противодействовать взаимному влиянию.

Согласно некоторым вариантам осуществления, изобретение кроме того относится к способу для использования в беспроводной связи путем использования антенны согласно изобретению, причем способ включает этап подсоединения схемы связи к антенной сети, при этом сеть включает несколько антенн согласно изобретению, и каждая антенна оптимизирована для работы по меньшей мере в одной заданной полосе частот. Оптимизация антенной геометрии и материала полностью зависит от конкретного назначения. Схема связи обычно включает передатчик и/или приемник, которые вместе образуют приемопередатчик. Каждая антенна предпочтительно оптимизирована для работы в нескольких полосах частот, при этом каждый зонд конфигурирован для работы в пределах заданной (одной) частоты или полосы частот. Антенны могут быть соединены параллельно или последовательно.

Согласно некоторым вариантам осуществления, изобретение помимо этого относится к линзе, используемой в антенне согласно изобретению. Изобретение также относится к площадке заземления, используемой в антенне согласно изобретению, Преимущества и варианты осуществления этих компонентов антенны были описаны выше исчерпывающим образом.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения относится к РЧ-приемопередатчику устройства для беспроводной связи, в котором применена антенна согласно изобретению.

В заключение, в некоторых вариантах осуществления изобретение относится к электронному устройству, имеющему беспроводной интерфейс, который включает РЧ-приемопередатчик, описанный выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Разные иллюстративные варианты осуществления изобретения будут объяснены на основе неограничивающих примеров вариантов осуществления, показанных на следующих чертежах, на которых:

Фиг. 1 - схема, показывающая разные компоненты, которые могут быть включены в разные варианты осуществления для синтеза образцов и/или для анализа образцов с помощью оператора суперформулы;

Фиг. 2 - схема, иллюстрирующая этапы или стадии, которые могут быть выполнены в примерах вариантов осуществления, включая синтез образцов с помощью суперформулы;

Фиг. 3 - перспективный вид варианта осуществления линзовой антенны согласно изобретению;

Фиг. 4(а) и (b) - вид сверху распределения плотности мощности антенны согласно одному варианту осуществления изобретения (Фиг. 4(a)) и еще одной антенны (Фиг. 4(b));

Фиг. 5-9 - схематические виды разных конструкций антенн согласно изобретению;

Фиг. 10 - конфигурированная по принципу MIMO антенная система согласно одному варианту осуществления изобретения, включающая несколько антенн согласно изобретению;

Фиг. 11 - поперечное сечение линзовой антенны согласно одному варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Согласно первому аспекту, для иллюстративных целей со ссылкой на Фиг. 1, которая также включена в патент США №7,620,527 как Фиг. 16, формы или волны площадки заземления и/или линзы антенны согласно изобретению могут быть "синтезированы" путем применения, как пример, следующих основных этапов:

На первом этапе осуществляют выбор параметров (например, или путем ввода значений в компьютер 10, т.е., посредством клавиатуры 20, сенсорного экрана, мыши, устройства распознавания голоса или другого устройства ввода и т.д., или путем указания значений компьютером 10), и компьютер 10 используют для синтеза выбранной суперформы на основании выбранных параметров.

На втором, необязательном, этапе суперформулу можно использовать для адаптации выбранных форм, для вычисления оптимизации и т.д. Этот этап может включать использование графических программ (например, 2D, 3D и т.д.), ПО для САПР, программ анализа методом конечных элементов, программ генерации волн или другого ПО.

На третьем этапе результат первого или второго этапа используют для преобразования компьютеризованных суперформ в физическую форму, например следующим образом: (а) отображение суперформ 31 на мониторе 30, печать суперформ 51 на материале-носителе 52, таком как бумага, на принтере 50 (2D или 3D); (b) выполнение автоматизированного производства (например, путем управления внешним устройством 60, таким как оборудование, роботы и т.д., на основании результата этапа 3); (с) генерация звука 71 через систему громкоговорителей 70 и т.п.; (d) выполнение стереолитографии; (е) выполнение быстрого прототипирования, обычно основанного на технологии 3D-печати; и/или (f) использование результата другим образом, известным в данной области, для преобразования таких форм.

Разные способы автоматизированного производства ("САМ") и полученные с их помощью изделия известны в данной области техники, и можно выбрать любой подходящий способ(ы) САМ и продукт(ы). Для только некоторых примеров способов САМ и изделий, полученных с их помощью, смотрите следующие патенты США (названия даны в скобках), все раскрытие из которых включено в настоящий документ путем ссылки: патент США №5,796,986 (Способ и устройство для связи баз данных по автоматизированному проектированию с базой данных станков с ЧПУ); патент США №4,864,520 (Система для генерации/создания формы для автоматизированного проектирования, автоматизированного производства, автоматизированного конструирования и автоматизированной технологии); патент США №5,587,912 (Автоматизированная обработка трехмерных объектов и устройство для этого); патент США №5,880,962 (Автоматизированная обработка 3D-объектов и устройство для этого); патент США №5,159,512 (Построение морфологических комбинаций сумм и производных Минковского для произвольного многоугольника в системах автоматизированного проектирования/автоматизированного производства).

В данной области известны разные способы стереолитографии и изделия, полученные с их помощью, и можно выбрать любой подходящий способ(ы) и изделие(я). Для только некоторых примеров способов и изделий, полученных с их помощью, смотрите следующие патенты США (названия даны в скобках), все раскрытие из которых включено в настоящий документ путем ссылки: патент США №5,728,345 (Способ изготовления электрода для электроразрядной обработки с использованием стереолитографической модели); патент США №5,711,911 (Способ и устройство для стереолитографического изготовления трехмерного объекта); патент США №5,639,413 (Способы и составы, относящиеся к стереолитографии); патент США №5,616,293 (Быстрое изготовление части или отливки прототипа с использованием стереолитографической модели); патент США №5,609,813 (Способ изготовления трехмерного объекта стерео литографией); патент США №5,609,812 (Способ изготовления трехмерного объекта стереолитографией); патент США №5,296,335 (Способ изготовления деталей, армированных волокном, с использованием стереолитографического инструмента); патент США №5,256,340 (Способ изготовления трехмерного объекта стереолитографией); патент США №5,247,180 (Стереолитографическое устройство и способ использования); патент США №5,236,637 (Способ и устройство для получения трехмерных объектов стереолитографией); патент США №5,217,653 (Способ и устройство для получения бесступенчатого 3-мерного объекта стереолитографией); патент США №5,184,307 (Способ и устройство для получения трехмерных объектов высокого разрешения стереолитографией); патент США №5,182,715 (Быстрое и точное получение стереолитографических деталей); патент США №,182,056 (Способ и устройство для стереолитографии с применением разных глубин проникновения); патент США №5,182,055 (Способ изготовления трехмерного объекта стереолитографией); патент США №5,167,882 (Способ стереолитографии); патент США №5,143,663 (Способ и устройство для стереолитографии); патент США №5,130,064 (Способ изготовления трехмерного объекта стереолитографией); патент США №5,059,021 (Устройство и способ для коррекции ухода при получении объектов стереолитографией); патент США №4,942,001 (Способ формирования трехмерного объекта стереолитографией и состав для этого); патент США №4,844,144 (Литье по выплавляемой модели с использованием образцов, полученных стереолитографией).

Более того, настоящее изобретение может быть использовано в известных микро-стереолитографических процессах. Например, настоящее изобретение может быть таким образом использовано при создании компьютерных чипов и других предметов. Некоторые статьи для иллюстрации, все раскрытие из которых включено в настоящий документ путем ссылки: A. Bertsch, Н Lorenz, P. Renaud "3D microfabrication by combining microstereolithography and thick resist UV lithography," Sensors and Actuators: A, 73, pp. 14-23, (1999). L. Beluze, A. Bertsch, P. Renaud "Microstereolithography: a new process to build complex 3D objects," Symposium on Design, Test and microfabrication of MEMs/MOEMs, Proceedings of SPIE, 3680 (2), pp. 808-817, (1999). A. Bertsch, H. Lorenz, P. Renaud "Combining Microstereolithography and thick resist UV lithography for 3D microfabrication," Proceedings of the IEEE MEMS 98 Workshop, Heidelberg, Germany, pp. 18-23, (1998). A. Bertsch, J.Y. , J.C. "Study of the spatial resolution of a new 3D micro-fabrication process: the microstereophotolithography using a dynamic mask-generator technique," Journal of Photochem. and Photobiol. A: Chemistry, 107, pp. 275-281, (1997). A. Bertsch, S. Zissi, J.Y. , S. Corbel, J.C. "Microstereophotolithography using a liquid crystal display as dynamic mask-generator," Micro. Tech., 3 (2), pp. 42-47, (1997). A. Bertsch, S. Zissi, M. Calin, S. Ballandras, A. Bourjault, D. Hauden, J.C. "Conception and realization of miniaturized actuators fabricated by Microstereophotolithography and actuated by Shape Memory Alloys," Proceedings of the 3rd France-Japan Congress and 1st Europe-Asia Congress on Mechatronics, Besan-con, 2, pp. 631-634, (1996).

Также в данной области известны разные способы быстрого прототипирования и изделия полученные с их помощью (например, отливки и т.д.), и можно выбрать любой подходящий способ(ы) и изделие(я). Например, в настоящее время имеются три примера способов быстрого прототипирования 3-мерной модели, включая, как сказано в патенте США №5,578,227, раскрытие которого включено в настоящий документ путем ссылки: а) отверждение светоотверждающейся жидкости или стереолитография (например, см. выше); b) селективное лазерное спекание (СЛС) или спекание порошкового слоя; с) моделирование путем наплавки (МН) или наплавку экструдируемого расплавленного пластика. Некоторые примеры способов быстрого прототипирования и изделий, полученных с их помощью смотрите в следующих патентах США (названия даны в скобках), все раскрытие из которых включено в настоящий документ путем ссылки: патент США №5,846,370 (Способ быстрого прототипирования и устройство для него); патент США №5,818,718 (Способ алгоритма построения высокого порядка для быстрого прототипирования); патент США №5,796,620 (Компьютеризированная система для способа литья по моделям с использованием быстрой настройки инструмента); патент США №5,663,883 (Способ быстрого прототипирования); патент США №5,622,577 (Способ быстрого прототипирования и охлаждающая камера для него); патент США №5,587,913 (Способ применения последовательной двухмерной геометрии для получения оболочек для изготовления системой быстрого прототипирования); патент США №5,578,227 (Система быстрого прототипирования); патент США №5,547,305 (Система быстрой, не требующей инструментов регулировки для оснастки штанг, работающих под напряжением); патент США №5,491,643 (Способ оптимизации параметров, характерных для объекта, разработанного в системе быстрого прототипирования); патент США №5,458,825 (Использование оснастки для выдувного формования, полученной стереолитографией, для быстрого прототипирования контейнеров); патент США №5,398,193 (Способ трехмерного быстрого прототипирования посредством контролируемой послойной наплавки/экстракции и устройство для него).

Вышеуказанные три этапа или стадии также схематически проиллюстрированы на схеме, показанной на Фиг. 2 (этапы 1 и 2 могут быть выполнены в самом компьютере, как показано). Эта фигура чертежей соответствует Фиг. 17 из патента США №7,620,527.

В последующих разделах более подробно описаны несколько примеров вариантов осуществления "синтеза" образцов с помощью суперформулы.

А. ПО для 2D-графики

Настоящее изобретение найдет большое применение в программных приложениях для 2D-графики.

Настоящее изобретение может быть применено, например, в известных коммерческих программах, таких как Corel-Draw™ и Corel-Paint™, в приложениях Open Office, Supergraphx™ для Adobe Illustrator и Photoshop™, Adobe Photoshop™, в разных программах построения чертежей в Visual Basic™ или Windows™, или в других средах, например, Lotus WordPro™ и Lotus Freelance Graphics™, Java™, Visual C™, Visual С++™ и всех других С-средах. Настоящее изобретение имеет существенные преимущества в синтезе изображений, поскольку, помимо прочего, данный подход позволяет получить значительную экономию места в памяти компьютера, так как необходимо использовать только суперформулу с классическими функциями (такими как степени, тригонометрические функции и т.д.). Помимо этого, число доступных форм изображений при использовании суперформулы значительно увеличивается по сравнению с доступными ранее.

Графические программы (такие как Paint в Windows™, инструментальные чертежные средства в Microsoft Word, Corel-Draw™, CAD, которые используются в архитектурном дизайне и т.д.) используют "примитивы", которые являются формами, запрограммированными в компьютере. Они очень ограниченные, например, часто в основном кругами, эллипсами, квадратами и прямоугольниками (в 3D, объемные примитивы также очень ограничены).

Введение суперформулы значительно расширяет на несколько порядков величины общие возможности в 2D-графике (а также в 3D-графике, как сказано ниже). Используемая в качестве линейного оператора, она может работать многими разными способами и в многих представлениях, например, в полярных координатах и т.д., а также в 3D с использованием сферических координат, цилиндрических координат, параметрических представлениях усредненных цилиндров и т.д.

Некоторые примеры вариантов осуществления в программных приложениях для 2D-графики.

а.1. Компьютер может быть адаптирован для простого использования этого оператора, например, в полярных координатах или в XY-координатах. В этом смысле, параметры могут быть выбраны (например, путем ввода оператора или самим компьютером) и использованы в качестве исходных данных в суперформуле (например, посредством программирования). Индивидуальные формы или объекты могут быть использованы любым образом, например, для печати или отображения объекта и т.д.

а.2. Компьютер также может быть адаптирован для выполнения операций, таких как интеграция для вычисления площади, периметра, момента инерции и т.д. В этой связи компьютер может быть адаптирован для выполнения такой операции путем или а) выбора такой операции при вводе оператора (например, посредством клавиатуры 20), или b) адаптации компьютера (например, посредством предварительного программирования) для выполнения таких операций.

а.3. Компьютер может быть адаптирован (например, посредством ПО) для: а) отображения или иного представления форм; b) разрешения пользователю модифицировать такие формы после их отображения и с) отображения формы, модифицированной пользователем. В этом отношении пользователь может модифицировать форму путем, например, изменения параметров. В одном примере варианта осуществления компьютер может быть адаптирован для активации форм, которые отображены или представлены иным образом (т.е., представлены на этапе 3, описанном выше), путем физического действия на физическое представление, созданное на этапе 3. В одном предпочтительном варианте осуществления компьютер может быть адаптирован для активации форм, которые отображены на мониторе, путем вытягивания сторон и/или углов образца, например, изображения. В этой связи, предпочтительно, изображение 31 отображается на экране компьютера или мониторе 30, и пользователь может использовать манипулятор-мышь 40 (или другое управляемое пользователем экранное или дисплейное указательное устройство), чтобы поместить отображаемый указатель 32 на форму, чтобы "кликнуть" и "перетащить" ее в новое положение 33, этим усредняя суперформу для получения новой конфигурации 34 суперформы. Это будет также включать повторное вычисление формулы и параметров.

а.4. Компьютер также может быть адаптирован для выполнения операций, посредством которых больше одной из индивидуальных форм, генерированных согласно пункту a1 или а3, сводят вместе способом наложения. В некоторых случаях индивидуальные суперформы, которые объединены путем, например, наложения и/или повторения и т.д., могут быть, например, секторами или секциями, которые могут быть объединены, чтобы создать формы, имеющие отличающиеся секции или области (как только один пример для иллюстрации: сектор круга между, например, 0 и π/2 может быть объединен с сектором квадрата между, например, π/2 и π, чтобы создать многокомпонентную форму). Компьютер также может быть адаптирован для выполнения дополнительных операций на созданных суперформах, например, для распрямления, изгиба, удлинения, поворота, перемещения или трансляции, или иной модификации таких форм.

В. ПО для 3D-графики

Как и в отношении приложений для 2D, настоящее изобретение может быть широко применено в программных приложениях для 3D-графики (а также в представлениях в различных других измерениях).

Настоящее изобретение может быть применено, например, в ПО для автоматизированного проектирования ("CAD"), ПО для анализа методом конечных элементов ("FEM"), в программе Supergraphx 3D Shape Explorer, в ПО для проектирования и анализа антенн, таком как CST, Ansoft HFSS, Remcom XFdtd, EMSS Feko, Empire XCcel, ПО для архитектурного дизайна и т.д. Настоящее изобретение позволяет, например, использовать одиночные непрерывные функции, а не сплайновые функции, для разных применений. Промышленное применение CAD включает, например, использование для быстрого прототипирования или в автоматизированном производстве ("САМ"), включая 3D-печать.

Со ссылкой на Фиг. 3, где показан вариант осуществления линзовой антенны 300 согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения. Антенна 300 включает площадку заземления 301, электромагнитную линзу 302, установленную на упомянутую площадку заземления 301, и зондирующую конструкцию, у которой показан только один зонд 303. Линза 302 имеет форму призмы, которая соответствует суперформуле. Линза 302 в этом примере изготовлена из ПВХ. Линза 302 снабжена пространством 304 для размещения зонда. Площадка заземления 301 изготовлена из металла. Зонд 303 и площадка заземления 301 соединены, обычно посредством схемы управления (не показана), с источником электропитания, таким как аккумулятор (постоянного тока) или сеть (переменного тока). Линза 302 в этом варианте осуществления действует как диэлектрический резонатор, который делает линзовую антенну 300 диэлектрической резонаторной антенной (ДРА). Поскольку линза 302 соответствует суперформуле, эта антенна 300 также может считаться антенной, имеющей суперформу (С-ДРА). Круглая металлическая пластинка, действующая как площадка заземления 301, имеет радиусную плоскость. Антенна 300 питается с нижней стороны посредством коаксиального соединителя, превращающегося, на уровне площадки заземления, в электрический зонд 303 длиной h_p и диаметром d_p. Зонд расположен в позиции (х_р, y_p, 0). Металлическая площадка заземления 301 имеет радиус ρ_g и толщину t_g. Призматическая линза 302 имеет ось, выровненную по направлению z и базовый профиль, определяемый полярной функцией:

где ρ_d(ϕ) - кривая, расположенная в плоскости XY, и - угловая координата. В этом примере использованы следующие значения для получения формы линзы 302, показанной на Фиг. 3: а=b=1; m=4; и n₁=n₂=n₂=1/2.

ПВХ, используемый для линзы 302 в этом иллюстративном примере, является термопластичным полимером, получаемым в огромных количествах из-за низкой стоимости и легкости обработки. Более того, ПВХ исключительно долговечен и стоек к химической коррозии, таким образом очень хорошо приспособлен для наружного применения. Помимо этого, ПВХ может быть смешан с другими материалами, придающими широкую гамму физических свойств. Использование ПВХ поэтому может дать недорогой выбор для производства диэлектрических резонаторов/линзовых антенн сложной формы путем использования традиционного сверления/фрезерования или более современных способов трехмерной печати. Это, кроме того, имеет существенную важность для повышения эстетического качества предлагаемых излучающих конструкций при использовании для беспроводной связи в обитаемых строениях, таких как жилые дома, офисные здания, театры, стадионы и т.д. ПВХ не только позволяет реализовать сложные геометрии резонаторов/линз, но и, благодаря его низкой диэлектрической проницаемости, также способствует снижению добротности антенны и, следовательно, расширению полосы рабочих частот, а также повышению уровня излучения энергии. Установлено, что предлагаемые излучатели превосходят по эксплуатационным характеристикам классические диэлектрические резонаторные/линзовые антенны как по относительной ширине полосы частот, так и по коэффициенту усиления. Благодаря использованию пластиков, такие эксплуатационные характеристики могут быть достигнуты при сниженных производственных издержках. Это особенно желательно в массовом производстве, типичном для беспроводных мультимедийных устройств нового поколения. Также можно использовать 3D-печать для изготовления отдельных антенн по специальному заказу. Обычно при 3D-печати трехмерные сплошные объекты формируются с использованием аддитивного процесса, в котором последовательные слои материала укладывают один на другой, чтобы получить желаемое. И в массовом производстве, и в 3D-печати можно использовать разные пластики, включая биопластики и сочетания пластиков, в зависимости от диэлектрической постоянной материала.

Изготовление антенн для радарной, спутниковой и беспроводной связи обычно подразумевает использование дорогостоящих СВЧ материалов при значительном воздействии на окружающую среду из-за больших объемов выбросов диоксида углерода в процессе производства и трудностей с вторичной переработкой. С другой стороны, предлагаемое использование пластиков, и в частности поливинил-хлорида (ПВХ), для изготовления диэлектрических резонаторов и линз, имеющих суперформу, дает явные преимущества в смысле устойчивого развития. Фактически, ПВХ является материалом, хорошо подходящим для вторичной переработки, и требует меньше природных ресурсов, поскольку он в основном может быть получен из хлора, который получают из обычной соли, в изобилии присутствующей на Земле. Поэтому, в противоположность другим пластикам, ПВХ вносит значительный вклад в экономию нефти, которая является невозобновляемым ресурсом. Кроме того, ПВХ требует только около 80% энергии, необходимой для производства других полимеров. В заключение, следует подчеркнуть, что альтернативные материалы с низким содержанием углерода могут быть с пользой применены в производстве диэлектрических резонаторов/линзовых антенн, имеющих суперформу, при меньшем воздействии на окружающую среду, но при этом с получением хороших эксплуатационных характеристик устройств в смысле характеристик схем и излучающих свойств.

В дополнение, в других вариантах осуществления для получения антенны способом, не наносящим большого вреда окружающей среде, могут быть применены другие материалы. Более того, могут быть применены антенны с динамическими изменениями формы, чтобы модифицировать их характеристики для конкретного назначения, используя жидкие компоненты (такие как жидкие кристаллы), причем динамику изменений формы можно модифицировать механическим или электронным управлением или же используя другие физические силы.

Форма линзы 302 такая, что может быть получено относительно хорошее распределение плотности мощности в предпочтительных направлениях по сравнению с таким распределением в случае использования цилиндрической линзы (см. Фиг. 4(a), на которой показан пример варианта осуществления изобретения, и 4(b), где показан пример цилиндрической линзы).

На высоких частотах излучающие свойства линзовых антенн, имеющих суперформу, могут быть исследованы специальным асимптотическим методом, основанным на оптической лучевой аппроксимации. В частности, геометрическую оптику применяют для анализа распространения электромагнитного поля в области линзы. При этом учитывают вклад многочисленных внутренних отражений, этим повышая точность моделирования, особенно когда в расчетах используются диэлектрические материалы с относительно большой диэлектрической проницаемостью, поскольку в этом случае обычной гипотезой, что содержанием энергии, релевантным для отраженных лучей высокого порядка, можно пренебречь, не применима. В заключение, в силу принципа эквивалентности, электромагнитное поле снаружи линзы можно оценить по излучению в свободном пространстве эквивалентных распределений электрических и магнитных токов на поверхности раздела с областью воздуха. В разработанной методологии расчетов эти токи определяются путем применения локальных коэффициентов френелевской передачи на поверхности линзы в поле в приближении геометрической оптики в соответствии с методом физической оптики. В этом контексте, применение формулы Гилиса транслируется в возможность автоматического изменения формы профиля линзы, так что любая процедура автоматизированной оптимизации, такая как генетические алгоритмы, нейронные сети, метод роя частиц и муравьиный алгоритм, может быть применена для определения геометрических параметров, дающих оптимальные эксплуатационные характеристики антенны.

Распределение электрического поля, передаваемое наружу из области линзы, можно удобно оценить как:

при:

обозначающем вклад электрического поля, относящийся к процессу внутреннего отражения порядка m. В уравнении (7)обозначает нормаль к поверхности линзы, - нормализованный вектор распространения волны m-го отраженного луча, передаваемого линзой при λ₀ - рабочая длина волны в вакууме. В частности, и - параллельная и ортогональная компоненты, соответственно, вклада передаваемой волны из-за m-го отраженного луча. Эти качества поля определяют, умножая компоненты внутреннего поля падающего на поверхность линзы с правильными коэффициентами френелевской передачи. Оценку в свою очередь, выполняют посредством следующих отношений:

Поле падающего излучения в общей точке Р прямо вычисляют путем использования диаграммы направленности источника в дальней зоне, если m=1. С другой стороны, для получают, начиная с вклада m-й отраженной волны:

где d обозначает евклидово расстояние между точкой наблюдения Р и точкой P_m, в которой происходит отражение. Отраженное полев уравнении (10) выражается как:

где параллельную и ортогональную компоненты в отношении плоскости падения, и вычисляют путем умножения соответствующих компонентов, и поля падающего излучения в точке P_m на правильные френелевские коэффициенты отражения. В (11) - нормализованный волновой вектор поля падающего излучения при n_d - показатель преломления в диэлектрическом материале линзы.

После оценки поля по геометрической оптике эквивалентные плотности электрического и магнитного токов на поверхности линзы можно определить прямым методом. Так, согласно методу физической оптики, электромагнитное поле, излучаемое антенной в точке наблюдения можно легко вычислить по интегральному выражению:

где - нормаль единичного вектора к поверхности линзы в общей точке

На Фиг. 5-9 показаны схематические виды разных конструкций антенны согласно иллюстративным вариантам осуществления изобретения.

На Фиг. 5 показана одно диапазонная антенна 500, которая включает линзу 501, имеющую суперформу, отражательную площадку заземления 502, имеющую суперформу и соединенную с упомянутой линзой 501, и волновод 503 для подачи электромагнитного излучения в линзу 501 и/или для приема электромагнитного излучения от линзы 501.

На Фиг. 6 показана двухдиапазонная антенна 600, которая включает линзу 601, имеющую суперформу и окружающую два разных зонда 602, 603, имеющих взаимно отличающиеся геометрии. Линза 601 и зонды 602, 603 соединены с плоской площадкой заземления 604. В некоторых вариантах осуществления вместо плоской площадки заземления 604 можно также использовать изогнутую или имеющую другую форму площадку заземления 604. Каждый из зондов 602,603 проходит от коаксиального соединителя 605, 606, который также соединен с упомянутой площадкой заземления 604. В некоторых примерах линза 601 изготовлена из силикона. В некоторых примерах самый короткий зонд 602 конфигурирован для работы в полосе частот 2,4 ГГц, а самый длинный зонд 603 конфигурирован для работы в полосе частот 5 ГГц, что делает эту компактную антенну 600 хорошо подходящей для эксплуатации в качестве двухдиапазонной Wi-Fi антенны.

На Фиг. 7 показана одно диапазонная антенна 700, которая включает линзу 701 и отражающую площадку заземления 702, имеющую суперформу и соединенную с упомянутой линзой 701, причем площадка заземления 702 снабжена центральным отверстием 703, образующим прорезь или полость между линзой 701 и диэлектрической печатной платой (ПП) 704, к которой прикреплена площадка заземления 702. Задняя сторона ПП 704 снабжена электропроводящей микрополоской 705. При соединении площадки заземления 702 и микрополоски 705 с источником электропитания, таким как аккумулятор 706, статический фронт плоской волны будет формироваться между микрополоской 705 и площадкой заземления 702, что приведет к входу фронта волны в линзу 701 через отверстие 703 и превращение в фронт сферической волны в линзе 701. Электромагнитное излучение в линзе 701 будет отражаться и возбуждаться контролируемо, в зависимости от (супер)формы линзы 701 и, в конечном счете, от суперформы площадки заземления 702. Этот механизм также называют антенной с щелевым возбуждением.

На Фиг. 8 показана однодиапазонная антенна 800, которая включает линзу 801, имеющую суперформу, которая соединена с ламинатом изолирующего слоя 802 и электропроводящего слоя 803, действующим как площадка заземления. Электропроводящий слой 803 снабжен центральным отверстием 804, через которое проходит центральный зонд 805. Наружный конец зонда 805 соединен с проводящим излучателем 806, который расположен в линзе 801 и конфигурирован для ввода/вывода электромагнитного излучения в/из линзы 801. Зонд 805 соединен со схемой управления 807, включающей процессор. Зонд 805 и электропроводящий слой 803 соединены с источником питания переменного тока 808. Схема управления 807 конфигурирована для программирования посредством компьютерного интерфейса 809, что позволяет пользователю определять назначение антенны 800 (передача сигналов, прием сигналов или и то, и другое) и другие характеристики антенны 800, такие как полоса частот, используемая антенной 800. В некоторых вариантах осуществления эта антенна может быть снабжена несколькими зондами и излучателями, чтобы позволить эксплуатировать антенну одновременно на разных частотах и/или на разных полосах частот.

На Фиг. 9 показана однодиапазонная антенна 900, которая включает диэлектрический резонатор 901, имеющий суперформу, который соединен с ламинатом из первого изолирующего слоя 902, электропроводящего слоя 903, действующего как площадка заземления, второго изолирующего слоя 904 и микрополоски 905. В некоторых вариантах осуществления резонатор 901 изготовлен из ПВХ или Тефлона® или комбинации/смеси полимера и керамики. В резонаторе 901 и на первом изолирующем слое 902 предусмотрен электропроводящий излучатель 906. Излучатель 906 может иметь плоскую геометрию или геометрию суперформы. Площадка заземления 903 изготовлена из металла и/или электропроводящего полимера и снабжена центральным отверстием 907, и микрополоска 905 проходит так, что наружный конец будет расположен в линию с излучателем 906. Путем соединения микрополоски 905 и (промежуточной) площадки заземления 903 с источником электропитания 908 фронт электромагнитной плоской волны будет формироваться между микрополоской 905 и площадкой заземления 903, который будет возбуждать излучатель 906 так, что в линзу будут распространяться два фронта сферической волны. Антенна 900 может являться частью электронного устройства 909, например, роутера, ноутбука или мобильного телефона.

На Фиг. 10 показана антенная система 1000, конфигурированная по принципу MIMO, согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, включающая несколько антенн 1001, 1002 согласно изобретению, причем упомянутые антенны 1001, 1002 конфигурированы для беспроводной связи одна с другой в двух направлениях. Первая антенна 1001 включает несколько зондов 1003, 1004, 1005, из которых два зонда 1003, 1004 имеют идентичную геометрию и конфигурированы для работы на той же первой полосе частот, а еще один зонд 1005, имеющий отличную от них геометрию, конфигурирован для работы на второй полосе частот. Зонды 1003, 1004, 1005 окружены линзой 1006, имеющей суперформу, которая опирается на площадку заземления 1007. Зонды являются частью коаксиальных соединителей 1008, 1009, 1010, которые соединены со схемой управления (не показана). Используются два идентичных зонда 1003, 1004, расположенные на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы улучшить связь и, поэтому, надежность первой антенны 1001. Другая антенна 1002 включает два зонда 1011, 1012, причем первый зонд 1011 конфигурирован для работы в первой полосе частот, и другой зонд 1012 конфигурирован для работы во второй полосе частот. Зонды 1011, 1012 окружены линзой 1013, имеющей суперформу, которая опирается на площадку заземления 1014. Зонды являются частью коаксиальных соединителей 1015, 1016, которые соединены со схемой управления (не показана).

На Фиг. 11 показано поперечное сечение линзовой антенны 1100 согласно некоторым вариантам осуществления изобретения. Антенна 1100 включает отражательную Площадку заземления 1101, на которой расположена линза 1102, имеющая суперформу. Форма линзы 1102 сопоставима или даже идентична форме линзы 302, которая показана на Фиг. 3. Как показано, окружная стенка 1103 включает четыре вогнутых части 1103а, 1103b, 1103с, 1103d стенки, соединенные друг с другом, в результате чего определены четыре угла 1104а, 1104b, 1104с, 1104d. Одна из вогнутых частей стенки 1103а выполнена с выборочно гофрированным профилем. В некоторых вариантах осуществления линза 1102 изготовлена из диэлектрического материала. Антенна 1100 включает два зонда 1105, 1106, причем каждый зонд 1105, 1106 расположен в углу 1104, 1104b линзы 1102. Расположение зондов 1105, 1106 такое, что эти зонды не находятся на линии видимости друг друга (упрощенно показано пунктирной линией А). Электромагнитное излучение, возбуждаемое зондом 1105, 1106, будет отражаться (показано стрелками) частями 1103а, 1103b, 1103с, 1103d стенки и, в частности, промежуточной гофрированной частью 1103а стенки, в направлении от другого зонда 1105, 1106, так что создается противодействие взаимной связи и, следовательно, помехам.

Должно быть очевидно, что изобретение не ограничено примерами вариантов осуществления, описанными выше, и что в пределах объема прилагаемой формулы изобретения возможны многочисленные варианты, которые будут самоочевидны специалисту в данной области техники. Кроме того, на основании этого раскрытия следует понять, что настоящее изобретение имеет многочисленные варианты осуществления, включая многочисленные изобретательские устройства, компоненты, аспекты, способы и т.д. В настоящем документе ссылки на "изобретение" не предназначены для применения к всем вариантам осуществления изобретения.

Это краткое изложение предназначено для введения в идеи, которые раскрыты в описании изобретения, при этом не являясь исчерпывающим перечнем многих положений и вариаций тех положений, которые представлены в расширенном описании в рамках настоящего раскрытия. Таким образом, содержание этого краткого изложения не должно использоваться для ограничения объема прилагаемой формулы изобретения.

Изобретательские идеи проиллюстрированы в серии примеров, причем некоторые примеры показывают больше одной изобретательской идеи. Отдельные изобретательские идеи могут быть реализованы без применения всех деталей, представленных в каком-то конкретном примере. Нет необходимости далее приводить примеры каждой возможной комбинации, поскольку специалист в данной области техники поймет, что изобретательские идеи, проиллюстрированные в разных примерах, можно объединить вместе, чтобы обеспечить конкретное применение.

Другие системы, способы, признаки и преимущества раскрытия будут или станут очевидными для специалиста в данной области техники после изучения прилагаемых фигур чертежей и подробного описания. Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества включены в объем прилагаемой формулы изобретения и охраняются ею.

Ограничения в формуле изобретения (например, включая добавленные позже) должны истолковываться в широком смысле на основании языка формулы изобретения и не ограничиваться примерами, описанными в данном описании изобретения или в ходе рассмотрения заявки, причем такие примеры должны истолковываться как неисключительные. Например, в данном раскрытии термин "предпочтительно" является неисключительным и означает "предпочтительно, но без ограничения". В данном раскрытии во время рассмотрения настоящей заявки ограничения "средство плюс функция" или "этап плюс функция" будут применяться только в том случае, если для конкретного ограничения из формулы изобретения все следующие условия присутствуют в таком ограничении: а) четко указано "средство для" или "этап для"; b) четко указана соответствующая функция; и с) конструкция, материал или действия, которые поддерживают такую конструкцию, не указаны. В данном раскрытии и во время рассмотрения настоящей заявки термины "настоящее изобретение" или "изобретение" могут использоваться в качестве ссылки на один или несколько аспектов в данном раскрытии, термины "настоящее изобретение" и ли "изобретение" не должны неправильно истолковываться как определение критичности, не должны неправильно истолковываться как применимые к всем аспектам или вариантам осуществления (т.е., следует понимать, что настоящее изобретение имеет некоторое число аспектов и вариантов осуществления), и не должны неправильно истолковываться как ограничивающие объем заявки или формулы изобретения. В данном раскрытии и во время рассмотрения настоящей заявки термин "вариант осуществления" может быть использован для описания любого аспекта, признака, процесса или этапа, любого их сочетания и/или любой их части и т.д. В некоторых примерах разные варианты осуществления могут включать частично совпадающие признаки. В данном раскрытии может быть применено сокращение термина "например" (применимо только к английскому языку - Прим. переводчика).

Изобретение относится к антенной технике. Антенна включает электромагнитную линзу, площадку заземления, соединенную с упомянутой линзой, и зондирующую конструкцию, соединенную с упомянутой линзой. Причем зондирующая конструкция включает зонд, который окружен линзой. При этом электромагнитная линза или площадка заземления имеют базовый профиль, имеющий по существу суперформу, определяемый полярной функцией:

, ,

где:

- ρ_d(ϕ) - кривая, расположенная в XY-плоскости; и

- ϕ∈[0, 2π) - угловая координата.

Технический результат заключается в уменьшении потерь и повышении КПД антенны. 8 н. и 46 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Антенна, включающая:

- по меньшей мере одну электромагнитную линзу,

- по меньшей мере одну площадку заземления, соединенную с упомянутой линзой, и

- по меньшей мере одну зондирующую конструкцию, соединенную с упомянутой линзой,

- причем зондирующая конструкция включает по меньшей мере один зонд,

- причем этот по меньшей мере один зонд окружен линзой,

отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из этой по меньшей мере одной электромагнитной линзы и этой по меньшей мере одной площадки заземления имеет по меньшей мере один базовый профиль, имеющий по существу суперформу, и тем, что упомянутый базовый профиль, имеющий суперформу, определяется полярной функцией:

, ,

где:

- ρ_d(ϕ) - кривая, расположенная в XY-плоскости; и

- ϕ∈[0, 2π) - угловая координата.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что параметрическое представление трехмерной формы линзы и/или площадки заземления основано на двух перпендикулярных поперечных сечениях ρ₁(ϑ) и ρ₂(ϕ):

где:

- ρ определяется функцией, представленной в п. 1,

- 0≤ϑ≤2π, и

- -½π≤ϕ≤½π.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что m≥4.

4. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что a≠b.

5. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно значение n₁, n₂ и n₃ отличается от 2.

6. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что базовый профиль, имеющий по существу суперформу, является базовым профилем линзы, который проходит в направлении, которое по существу параллельно плоскости, определяемой площадкой заземления.

7. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что зондирующая конструкция конфигурирована для приема электромагнитного излучения.

8. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что зондирующая конструкция конфигурирована для передачи электромагнитного излучения.

9. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что зондирующая конструкция включает несколько зондов.

10. Антенна по п. 9, отличающаяся тем, что геометрия по меньшей мере двух зондов взаимно разная.

11. Антенна по п. 9, отличающаяся тем, что по меньшей мере один зонд конфигурирован для работы в полосе частот 5 ГГц, причем длина упомянутого зонда составляет от 4 до 8 мм.

12. Антенна по п. 9, отличающаяся тем, что по меньшей мере один зонд конфигурирован для работы в полосе частот 2,4 ГГц, причем длина упомянутого зонда составляет от 10 до 18 мм.

13. Антенна по п. 9, отличающаяся тем, что диаметр по меньшей мере одного зонда составляет от 1 до 3 мм.

14. Антенна по п. 9, отличающаяся тем, что взаимная ориентация по меньшей мере двух зондов такая, что упомянутые зонды расположены, по меньшей мере частично, вне электромагнитной линии видимости друг друга.

15. Антенна по п. 14, отличающаяся тем, что антенна включает по меньшей мере два передающих зонда, причем электромагнитное излучение, передаваемое по меньшей мере одним зондом, по меньшей мере частично отражается от по меньшей мере одного другого зонда.

16. Антенна по п. 15, отличающаяся тем, что антенна включает по меньшей мере два передающих зонда, причем электромагнитное излучение, передаваемое по меньшей мере одним зондом, по меньшей мере частично, отражается по меньшей мере одной окружной стенкой линзы в направлении от по меньшей мере одного другого зонда.

17. Антенна по п. 15, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть по меньшей мере одной окружной стенки линзы имеет вогнутую форму.

18. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один зонд антенны расположен на остром крае линзы или рядом с ним.

19. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линза снабжена по меньшей мере одним пространством для размещения по меньшей мере одного зонда зондирующей конструкции.

20. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что площадка заземления снабжена по меньшей мере одним пространством для размещения по меньшей мере одного зонда зондирующей конструкции.

21. Антенна по п. 19, отличающаяся тем, что антенна включает несколько пространств размещения, причем каждое пространство размещения конфигурировано для размещения по меньшей мере одного зонда.

22. Антенна по п. 21, отличающаяся тем, что взаимная ориентация по меньшей мере двух из упомянутых нескольких пространств размещения такая, что упомянутые пространства размещения расположены вне электромагнитной линии видимости друг друга.

23. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что высота линзы меньше или равна 5 см.

24. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линза изготовлена, по меньшей мере частично, из диэлектрического материала.

25. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линза изготовлена, по меньшей мере частично, из одного вида керамики.

26. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линза изготовлена, по меньшей мере частично, из стекла, хрусталя и/или по меньшей мере одного полимера, в частности поливинилхлорида (ПВХ).

27. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линза включает оболочку, которая изготовлена, по меньшей мере частично, из по меньшей мере одного вида стекла, хрусталя и/или по меньшей мере одного полимера и окружает по меньшей мере одно внутреннее пространство, которое заполнено, по меньшей мере частично, текучей средой, предпочтительно воздухом или деминерализованной водой.

28. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линза является диэлектрическим резонатором.

29. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линза и/или площадка заземления имеет по существу форму призмы.

30. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что поверхность площадки заземления, направленная к линзе, является, по меньшей мере частично, отражательной.

31. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что площадка заземления изготовлена, по меньшей мере частично, из электропроводящего материала.

32. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что зондирующая конструкция соединена с площадкой заземления.

33. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что линза имеет показатель преломления n, причем n≠1.

34. Антенна по п. 9, отличающаяся тем, что зондирующая конструкция включает по меньшей мере один первый зонд, конфигурированный для связи в первой полосе частот, и по меньшей мере один второй зонд, конфигурированный для связи во второй полосе частот.

35. Антенна по п. 34, отличающаяся тем, что зондирующая конструкция включает несколько первых зондов и несколько вторых зондов.

36. Антенна по п. 34, отличающаяся тем, что антенна включает по меньшей мере один процессор для автоматического переключения зондирующей конструкции между режимом передачи излучения и режимом приема излучения для двухсторонней связи зондирующей конструкции.

37. Антенна по п. 36, отличающаяся тем, что процессор конфигурирован для автоматического переключения между первой полосой частот и второй полосой частот для двусторонней связи в каждой полосе частот.

38. Антенна по п. 16, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть окружной стенки гофрирована.

39. Антенная система для передачи и приема электромагнитных сигналов, включающая по меньшей мере одну антенну по любому из пп. 1-38.

40. Антенная система по п. 39, отличающаяся тем, что антенная система включает некоторое число антенн, конфигурированных по принципу MIMO.

41. Антенная система по п. 40, отличающаяся тем, что система включает по меньшей мере две двухдиапазонные антенны и по меньшей мере один процессор для переключения по меньшей мере на одну из полос частот, чтобы обеспечить разный прием и передачу сигналов в этой полосе.

42. Способ изготовления антенны по любому из пп. 1-38, включающий:

А) проектирование по меньшей мере одной площадки заземления и/или по меньшей мере одной линзы так, чтобы площадка заземления и/или линза имела по меньшей мере один базовый профиль, который имеет по существу суперформу, причем упомянутая суперформа определяется полярной функцией:

, ,

где:

- ρ_d(ϕ) - кривая, расположенная в XY-плоскости;

- ϕ∈[0, 2π) - угловая координата; и

В) сборку площадки заземления, линзы и зондирующей конструкции, причем упомянутая зондирующая конструкция включает по меньшей мере один зонд.

43. Способ по п. 42, отличающийся тем, что на этапе В) упомянутые несколько зондов соединяют с площадкой заземления и/или линзой.

44. Способ по п. 43, отличающийся тем, что по меньшей мере один зонд конфигурирован для связи в первой полосе частот и по меньшей мере один другой зонд конфигурирован для связи во второй полосе частот.

45. Способ по п. 44, отличающийся тем, что разные зонды ориентированы так, что во время эксплуатации будут возбуждаться разные сектора линзы.

46. Способ по любому из пп. 43-45, отличающийся тем, что линза изготовлена, по меньшей мере частично, из диэлектрического материала, выбираемого из группы, состоящей из: хрусталя, стекла, керамики, полимера и деминерализованной воды.

47. Способ по п. 46, отличающийся тем, что полимерную линзу изготавливают методом 3D-печати.

48. Способ для использования в беспроводной связи с использованием антенны по любому из пп. 1-38, причем способ включает этап соединения схемы связи с антенной сетью, сеть включает несколько антенн по любому из пп. 1-38, и причем каждая антенна оптимизирована для эксплуатации по меньшей мере в одной заданной полосе частот.

49. Способ по п. 48, отличающийся тем, что каждая антенна оптимизирована для эксплуатации в нескольких полосах частот.

50. Способ по п. 49, отличающийся тем, что каждая из упомянутых нескольких полос частот включает одну частоту.

51. Линза, которая используется в антенне по одному из пп. 1-38.

52. Площадка заземления, которая используется в антенне по одному из пп. 1-38.

53. РЧ-приемопередатчик устройства для беспроводной связи, включающий по меньшей мере одну антенну по любому из пп. 1-38.

54. Электронное устройство, включающее РЧ-приемопередатчик по п. 53.