АНТЕННА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АНТЕННОЙ Российский патент 2019 года по МПК H01Q1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к антенне миллиметрового диапазона длин волн и способу управления такой антенной.

Уровень техники

Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка сетей миллиметрового диапазона 5G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, такими как высокая скорость передачи и энергоэффективность.

Новые приложения в миллиметровом диапазоне требуют внедрения нового класса радио систем, способных осуществлять передачу/прием данных/энергии и имеющих возможности адаптивного изменения характеристик излучаемого электромагнитного поля. Важным компонентом таких систем являются управляемые антенные решетки миллиметрового диапазона, которые находят свое применение в системах передачи данных, таких как 5G (28ГГц) и WiGig (60ГГц), системах беспроводной передачи мощности на большие расстояния (Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24ГГц), системах автомобильных радаров (24ГГц, 79ГГц) и т.д.

Антенные решетки миллиметрового диапазона, используемые в упомянутых областях, должны отвечать нескольким основным требованиям:

- низкие потери и высокий коэффициент усиления: существующие в настоящее время материалы, применяемые в микроволновых системах, имеют неудовлетворительные электромагнитные свойства, что затрудняет решение задачи снижения потерь;

- возможность гибкого управления лучом (излучением): сканирование луча и фокусировка излучаемого поля в широком диапазоне углов;

- компактная, недорогая, простая архитектура, применимая для серийного производства.

На сегодняшний день при создании излучателей миллиметрового диапазона широко используется технология печатных плат (PCB), так как данная технология позволяет получать устройства, характеризующиеся простотой конструкции и технологичностью; удобством интеграции на единой подложке с другими электронными узлами; возможность достижения широкой полосы рабочих частот.

Существующие технологии антенн миллиметрового диапазона обладают рядом недостатков, существенно ограничивающих возможности их применения:

- существующие архитектуры антенн являются слишком сложными, а, следовательно, дорогостоящими, и громоздкими;

- высокие потери, обусловленные использованием в существующих антенных решетках фазовращателей MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) миллиметрового диапазона.

В настоящее время существуют два основных подхода к построению архитектуры антенных решеток миллиметрового диапазона:

1. Решетка с непосредственным (фидерным) возбуждением. В такой решетке антенные элементы запитываются непосредственно с выходов фазовращателей (возможно также использование промежуточной схемы согласования), которая возбуждается посредством системы деления мощности, питаемой от источника высокочастотной мощности. Таким образом, каждый антенный элемент соединен с и получает энергию от системы деления мощности. Такая решетка может быть выполнена с многослойной компактной системой деления мощности и может иметь низкопрофильную структуру. Однако такая архитектура решетки обладает высокими потерями мощности вследствие наличия системы деления мощности на многослойных печатных платах. Наличие высоких потерь в упомянутой системе приводит к необходимости установки усилителей мощности для каждого антенного элемента, что значительно усложняет конструкцию и повышает ее стоимость.

2. Решетка с «оптическим» (пространственным) возбуждением. В такой решетке система управления фазой и цепи согласования излучателей вместе с двумя наборами антенных элементов (приемных и передающих) формируют так называемую «дискретную линзу», действующую по принципу, схожему с оптической линзой. Упомянутая дискретная линза обладает приемной апертурой и передающей апертурой. Набор приемных антенных элементов дискретной линзы облучается посредством облучателя, который находится на некотором расстоянии от упомянутой линзы. Обычно это расстояние сопоставимо или больше, чем поперечный размер линзы. Система управления фазой, получая энергию из облучаемых приемных антенных элементов, управляет формированием излучения передающих антенных элементов. В такой решетке нет потерь мощности в системе питания (за исключением так называемого перелива мощности облучателя за раскрыв линзы). Однако, такая решетка является довольно громоздкой, т.к. облучатель должен находиться на некотором расстоянии от линзы, сопоставимым с поперечными размерами самой линзы, для обеспечения допустимых углов падения излучения на приемные антенные элементы.

Соответствующее предшествующему уровню техники решение, описанное в документе WO2015105386A1, раскрывает систему линзовой антенны с облучателем неоднородной структуры. Упомянутый облучатель включает в себя множество неравномерно размещенных облучающих элементов. Однако, эта известная антенна использует сложные двухбитные фазовращатели, размещенные между приемной и передающей апертурой, что усложняет конструкцию. Данная антенна является довольно громоздкой, т.к. облучатель имеет большие поперечные размеры и отнесен от линзы на значительное расстояние.

Кроме того, из документа ʺ1-Bit Reconfigurable Unit Cell Based on PIN Diodes for Transmit-Array Applications in X-Bandʺ, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, 60(5), май 2012, известен единичный элемент антенной решетки с однобитным интегрированным фазовращателем. Однако, данный элемент антенной решетки не может использоваться при облучении антенной решетки плоской волной вследствие наличия зеркального эффекта.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой и недорогой структуры управляемой антенны миллиметрового диапазона с низкими потерями, компактными размерами и высоким коэффициентом усиления.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение, по меньшей мере, некоторых из приведенных выше проблем.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена антенна, содержащая фиксированную антенную решетку возбуждения и управляемую антенную решетку, причем фиксированная антенная решетка возбуждения выполнена с возможностью облучения управляемой антенной решетки плоской волной, причем управляемая антенная решетка состоит из множества ячеек, каждая из которых представляет собой многослойную печатную плату, содержащую три основных слоя, причем: первый основной слой содержит управляемый передающий элемент, выполненный с возможностью переключать сдвиг фазы излучения сигнала между значениями 0 и 180 градусов, причем управляемый передающий элемент состоит из патч-антенны и двух управляемых переключающих элементов, причем управляемые переключающие элементы выполнены с возможностью при подаче на них управляющего сигнала замыкаться таким образом, чтобы вызывать протекание тока возбуждения через патч-антенну, вызывая тем самым излучение сигнала патч-антенной; второй основной слой содержит секцию фиксированного фазового сдвига, осуществляющую связь между передающим элементом и приемным элементом; третий основной слой содержит приемный элемент, выполненный с возможностью приема падающей плоской волны от фиксированной антенной решетки возбуждения и передачи сигнала во второй основной слой.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена антенна, содержащая фиксированную антенную решетку возбуждения и управляемую антенную решетку, причем фиксированная антенная решетка возбуждения выполнена с возможностью облучения управляемой антенной решетки плоской волной, причем управляемая антенная решетка состоит из множества ячеек, каждая из которых представляет собой многослойную печатную плату, содержащую два основных слоя, причем: первый основной слой содержит управляемый передающий элемент, выполненный с возможностью переключать сдвиг фазы излучения сигнала между значениями 0 и 180 градусов, причем управляемый передающий элемент состоит из патч-антенны и двух управляемых переключающих элементов, причем управляемые переключающие элементы выполнены с возможностью при подаче на них управляющего сигнала замыкаться таким образом, чтобы вызывать протекание тока возбуждения через патч-антенну, вызывая тем самым излучение сигнала патч-антенной; второй основной слой содержит секцию фиксированного фазового сдвига, выполненную с возможностью приема сигнала от щелевой антенны, выполненной в слое заземления второго основного слоя со стороны фиксированной антенной решетки возбуждения и принимающей падающую плоскую волну от фиксированной антенной решетки возбуждения, и передачи упомянутого сигнала в передающий элемент.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ управления антенной содержащий этапы, на которых: облучают управляемую антенную решетку посредством фиксированной антенной решетки возбуждения; и управляют управляемой антенной решеткой для формирования фазового распределения по всем передающим элементам в соответствии с формулой:

,

где - требуемый фазовый сдвиг секции фиксированного фазового сдвига i-ой единичной ячейки для моделирования виртуального точечного облучателя, а - значение сдвига фазы, осуществляемого передающим элементом, определяемое следующим образом:

,

причем , где - оператор, обозначающий операцию нахождения остатка при делении, - требуемый полный фазовый сдвиг для i-ого передающего элемента.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен компьютерно-читаемый носитель, содержащий программный код, который при исполнении устройством обработки осуществляет этапы способа управления антенной.

Настоящее изобретение позволяет получить управляемую антенну с простой архитектурой, низкими потерями, компактными размерами, высоким коэффициентом усиления, выполненную с возможностью осуществления фокусировки/сканирования луча.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает архитектуру антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2а-2в изображают структуру единичной ячейки управляемой антенной решетки.

Фиг. 3 изображает способ сканирования луча и фокусировки электромагнитного поля в соответствии с традиционным способом управления фазой TX-элементов.

Фиг. 4 изображает пример моделирования способа сканирования луча по фиг. 3.

Фиг. 5 изображает способ сканирования/фокусировки на основании виртуального фокуса в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 6 изображает пример моделирования способа сканирования/фокусировки по фиг. 5.

Фиг. 7 изображает альтернативный вариант осуществления фиксированной решетки возбуждения с квазипериодической структурой.

Фиг. 8 изображает альтернативный вариант осуществления структуры единичной ячейки управляемой антенной решетки.

Фиг. 9 изображает альтернативный вариант осуществления патч-антенны первого основного слоя единичной ячейки управляемой антенной решетки.

Подробное описание

На фиг. 1 изображена архитектура антенны согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Данная антенна состоит из фиксированной антенной решетки возбуждения и управляемой антенной решетки («дискретной управляемой линзы»). Поперечные размеры упомянутых антенных решеток по существу идентичны. По меньшей мере, в области взаимодействия апертуры фиксированной антенной решетки и управляемой антенной решетки одинаковы. Фиксированная решетка возбуждения получает энергию посредством своего входа, разделяет ее и подает на N антенных излучающих элементов для формирования апертуры излучения. Фиксированная решетка возбуждения должна иметь низкие потери. С этой целью упомянутая решетка выполнена на основании металлических волноводных структур. Излучающие элементы фиксированной решетки возбуждения размещены периодически напротив соответствующих приемных элементов (RX-элементов) управляемой антенной решетки.

Таким образом, фиксированная решетка возбуждения содержит схему деления мощности на основании металлических волноводных структур с множеством выводов, причем каждый вывод возбуждает отдельный излучающий элемент или группу излучающих элементов. Фиксированная решетка возбуждения излучает волны с линейной поляризацией. В качестве упомянутой решетки возбуждения могут использоваться любые подходящие антенные решетки, включая, но не ограничительно, по меньшей мере, следующие:

1) Решетка открытых прямоугольных волноводов с схемой деления мощности. В этом случае схема деления мощности представляет собой 2D-структуру для реализации количества выходов, равного числу элементов апертуры.

2) Решетка щелевых прямоугольных волноводов. В этом случае схема деления мощности представляет собой одномерную структуру для реализации количества выходов, равного числу щелевых волноводов.

3) Щелевая радиальная волноводная решетка. В этом случае схема деления мощности представляет собой многосекционный радиальный волновод с щелями, выполненными в соответствии с геометрией фиксированной апертуры матрицы.

Управляемая антенная решетка используется для сканирования луча (управления лучом) или фокусировки поля излучения. Управляемая антенная решетка имеет многослойную плоскую структуру (многослойная печатная плата), содержащую три основных слоя:

- первый основной слой содержит периодически расположенные передающие элементы (TX-элементы) с реконфигурируемой структурой, позволяющей переключать сдвиг фазы излучения/приема сигнала между значениями 0 и 180 градусов;

- второй основной слой содержит связующую структуру с фиксированным фазовым сдвигом, осуществляющую связь между TX-элементами и RX-элементами;

- третий основной слой содержит периодически расположенные RX-элементы, принимающие излучение от излучающих элементов фиксированной решетки возбуждения.

Периоды, с которыми расположены элементы фиксированной решетки возбуждения и элементы управляемой антенной решетки, одинаковы и обозначаются как D_x, D_y для осей x и y соответственно. Эти периоды выбираются из условия однолучевого сканирования:

, где - рабочая длина волны, - максимальный угол отклонения луча от нормали к плоскости решетки. При этом следует иметь в виду, что.

Расстояние между двумя решетками определяется по формуле , где - максимальный линейный размер управляемой антенной решетки. С другой стороны, расстояние между решетками должно быть достаточно большим, чтобы исключить возможность взаимодействия реактивных полей излучателей фиксированной решетки возбуждения и управляемой антенной решетки, т.е. . Такие предположения означают, что решетки расположены в зоне Френеля (область ближнего поля излучения решетки).

Конструкция RX-элементов управляемой антенной решетки оптимизирована для приема плоской волны, т.е. они должны иметь минимальный коэффициент отражения для падающей плоской волны. TX-элементы управляемой антенной решетки должны работать с минимальным коэффициентом отражения в нужном секторе сканирования луча.

Управляемая антенная решетка представляет собой планарную многослойную печатную плату (PCB), состоящую из трех основных слоев, между которыми расположены слои заземления.

Далее со ссылкой на фиг. 2а-2в поясняется работа единичной ячейки управляемой антенной решетки в режиме передачи, т.е. когда сигнал передается от входа антенны на фиксированную решетку возбуждения, а затем на управляемую антенную решетку.

Фиг. 2а изображает вид сбоку (поперечное сечение) структуры единичной ячейки управляемой антенной решетки, а также вид сверху третьего основного слоя упомянутой ячейки. Третий основной слой ячейки содержит приемный антенный элемент (RX-элемент) в виде прямоугольной патч-антенны с линейной поляризацией. Альтернативно, в качестве приемного антенного элемента также может использоваться патч-элемент эллиптической формы с линейной поляризацией. Патч-антенна соединена со вторым основным слоем посредством связующего металлизированного отверстия (VIA), проходящего через окно во втором слое заземления. Металлизированное отверстие выполнено по стандартной технологии производства многослойных печатных плат. Второй слой заземления обеспечивает экран для патч-антенны на третьем основном слое, а также экран для линии передачи, находящейся на втором основном слое. Электромагнитное поле, излучаемое элементами фиксированной решетки возбуждения, принимается RX-элементами управляемой антенной решетки и передается во второй основной слой для осуществления фазового сдвига и последующей передачи в TX-элементы.

В альтернативном варианте осуществления связь между патч-антенной и вторым основным слоем также может осуществляться через щелевую апертуру, выполненную во втором слое заземления. Щелевая апертура может быть выполнена в виде прямоугольной или гантелеобразной щели. В таком случае со стороны второго основного слоя с щелевой апертурой связан полосковый проводник, подходящий ортогонально длинной стороне щелевой апертуры.

Фиг. 2б изображает вид сбоку (поперечное сечение) структуры единичной ячейки управляемой антенной решетки, а также вид сверху второго основного слоя упомянутой ячейки. Электромагнитный сигнал поступает в полосковую линию связи второго основного слоя через связующее VIA от третьего основного слоя ко второму основному слою. Затем сигнал проходит через секцию фиксированного фазового сдвига, выполненную в виде линии задержки (линии передачи) с длиной L_PS. Следует отметить, что каждая единичная ячейка управляемой антенной решетки может иметь линию передачи со своей отличающейся L_PS, вычисляемой в соответствии с принципом, описанным далее в заявке. Далее электромагнитный сигнал миллиметрового диапазона через связующее VIA от второго основного слоя к первому основному слою, проходящее через окно в первом слое заземления, подается в TX-элемент. В то же время в TX-элемент через связующее VIA от второго основного слоя к первому основному слою подается сигнал низкочастотного управления из линии низкочастотного управления. Для развязывания линии низкочастотного управления и сигнала миллиметрового диапазона используется заграждающий фильтр, препятствующий проникновению сигнала миллиметрового диапазона в линию низкочастотного управления. Это может быть фильтр выполненный по типу параллельно подключенного четвертьволнового открытого отрезка линии передачи или параллельно подключенного сегмента радиальной линии (показан на рисунке), встроенный между линией низкочастотного управления и связующим VIA от второго основного слоя к первому основному слою.

Фиг. 2в изображает вид сбоку (поперечное сечение) структуры единичной ячейки управляемой антенной решетки, а также вид сверху первого основного слоя упомянутой ячейки. Первый основной слой содержит TX-элемент в виде прямоугольной патч-антенны со скошенными диагонально расположенными углами для возбуждения излучения с круговой поляризацией. В патч-антенне выполнена щель, в которую приходит связующее VIA от второго основного слоя к первому основному слою. Патч-антенна возбуждается посредством соединения основной части патч-антенны со связующим VIA от второго основного слоя к первому основному слою посредством управляемых переключающих элементов. Переключающие элементы имеют одинаковую ориентацию, как изображено на фиг. 2в, и при приложении управляющего напряжения к связующему VIA от второго основного слоя к первому основному слою только один из двух переключающих элементов замыкается, в то время как второй переключающий элемент остается открытым. При этом TX-элемент формирует излучение с круговой поляризацией с фазой либо 0, либо 180 градусов. Если управляющее напряжение меняет свою полярность на противоположную, то замкнутый переключающий элемент открывается, в то время как открытый переключающий элемент замыкается. При этом ток возбуждения меняет свое направление и, следовательно, меняется фаза излучаемого поля ТХ-элемента на противоположную. При этом структура патч-антенны заземлена посредством заземляющего VIA, подключенного через фильтр миллиметровых волн. Упомянутое заземление требуется для реализации низкочастотного управления переключающими элементами. Заземление призвано обеспечить нулевой потенциал на поверхности патч-антенны, так как потенциал управления подается на управляемые элементы в центре структуры через связующую VIA от второго основного слоя к первому основному слою. В такой реализации сигналы низкочастотного управления должны быть двуполярными (например, ± 1В). То есть при подаче сигнала один из элементов открывается (или замыкается), а второй соответственно закрывается (или размыкается), и наоборот при смене полярности сигнала.

Таким образом, реализуется однобитное (0, 180 градусов) фазовое управление излучением ячейки управляемой антенной решетки. При этом антенна в соответствии с описанным вариантом осуществления настоящего изобретения имеет компактные размеры, малые потери и простую архитектуру.

В качестве переключающих элементов в данной структуре единичной ячейки могут использоваться PIN-диоды, MEMS-переключатели, фотопроводящие переключатели и т.д.

В режиме приема описанная антенна работает следующим образом: сигнал поступает из свободного пространства на TX-элементы управляемой решетки, далее через область взаимодействия - на излучатели фиксированной решетки, и через систему деления фиксированной решетки на выход фиксированной решетки, соединенный с приемником.

Далее со ссылкой на фиг. 3 описан способ сканирования/фокусировки луча в соответствии с традиционным способом управления фазой TX-элементов.

На управляемую антенную решетку поступает плоская волна от фиксированной решетки возбуждения (не изображена). При этом в управляемой антенной решетке не осуществляется какой-либо фиксированной фазовый сдвиг. Управляемая антенная решетка возбуждается посредством плоской волны от фиксированной решетки возбуждения, следовательно, излучение, принимаемое всеми RX-элементами управляемой антенной решетки, имеют одинаковую фазу. В этом случае для фокусировки излучения в некоторой точке М, должен быть реализован следующий фазовый сдвиг i-ого TX-элемента:

, (1)

где , (2)

где R_i - расстояние между i-ым элементом с координатами (x_i, y_i, 0) и фокусной точкой M с координатами (x, y, z).

После исключения из целого числа , управляемые состояния TX-элементов устанавливаются в соответствии со следующим соотношением:

, (3)

причем , где - операция нахождения остатка при делении, где а - делимое, b - делитель.

Если же необходимо направить излучение в направлении сканирования (), то приведенное выше уравнение (1) фазового сдвига i-ого TX-элемента имеет следующий вид:

, (4)

где - угол места и азимутальный угол требуемого направления сканирования луча, соответственно.

При применении данного способа сканирования/фокусировки, возникает паразитный «зеркальный» эффект, который заключается в формировании зеркального луча или фокальной точки в дополнение к основному лучу или фокальной точке.

На фиг. 4 изображен пример моделирования способа сканирования луча по фиг. 3.

В примерном варианте осуществления имеется решетка TX-элементов 16×16, причем D_x,y=0,6. Необходимо направить луч в направлении с координатами =30 градусов, =0 градусов.

В левой части фиг. 4 изображено полученное фазовое распределение (0/180 градусов) для решетки TX-элементов 16×16. В правой части фиг. 4 изображена вычисленная диаграмма направленности решетки в сечении ϕ=0 градусов. Как видно из упомянутой диаграммы излучения, при использовании способа управления фазой TX-элементов по фиг.3 формируется паразитный зеркальный луч. Паразитный зеркальный луч крайне нежелателен, т.к. вследствие его наличия теряется количество энергии равное количеству энергии основного луча, тем самым снижая эффективность радиосистемы при использовании антенной решетки миллиметрового диапазона.

Далее со ссылкой на фиг. 5 описан способ сканирования/фокусировки на основании виртуального фокуса в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается осуществлять фиксированный фазовый сдвиг внутри управляемой антенной решетки в каждой единичной ячейке управляемой антенной решетки. Для компенсации зеркального эффекта предполагаем, что управляемая антенная решетка облучается сферической волной из некоторого виртуального фокуса (виртуального точечного излучателя) с координатами (0, 0, -F). При этом следует иметь в виду, что реальная управляемая антенная решетка облучается плоской волной из фиксированной решетки возбуждения. Для введения эффекта (моделирования) виртуального фокуса необходимо добавить некоторый фазовый сдвиг для каждой единичной ячейки управляемой антенной решетки с использованием секции фиксированного фазового сдвига во втором основном слое ячейки. Каждая секция фиксированного фазового сдвига должна иметь следующий фазовый сдвиг:

. (5)

Таким образом, приращение длины линии задержки i-ой единичной ячейки относительно длины линии задержки единичной ячейки с минимальным фазовым сдвигом управляемой антенной решетки может быть вычислено по формуле:

, (6)

где фазовый сдвиг соответствует фазовому сдвигу единичной ячейки с минимальным фазовым сдвигом управляемой антенной решетки, - постоянная распространения секции фиксированного фазового сдвига, причем .

формируется для конкретной конфигурации трассировки линии передачи сигнала миллиметрового диапазона длин волн на втором основном слое управляемой антенной решетки. Фактически - это минимально возможная длина линии передачи между двумя VIA, соединяющими второй основной слой с первым и второй основной слой с третьим.

Следовательно, длина секции фиксированного фазового сдвига i-ой единичной ячейки, вычисляется как:

. (7)

Для реализации фокусировки/сканирования луча необходимо учитывать требуемый полный фазовый сдвиг для каждой i-ой ячейки:

, (8)

где вычисляется из приведенных выше уравнений для случаев фокусировки и сканирования.

Финальное фазовое распределение по всем TX-элементам управляемой антенной решетки можно получить по формуле:

. (9)

На фиг. 6 изображен пример моделирования способа сканирования/фокусировки по фиг. 5.

В примерном варианте осуществления имеется решетка TX-элементов 16×16, причем D_x,y=0,6. Необходимо направить луч в направлении с координатами = 30 градусов, = 0 градусов. Позиция виртуального фокуса .

В левой части фиг. 6 изображено полученное фазовое распределение для решетки TX-элементов 16×16. В правой части фиг. 6 изображена вычисленная диаграмма излучения. Как видно из упомянутой диаграммы направленности при использовании способа управления фазой TX-элементов в соответствии с настоящим изобретением паразитный луч не формируется. Таким образом, данный вариант осуществления имеет значительно меньшие потери по сравнению с вариантом осуществления по фиг. 4.

Антенна в соответствии с настоящим изобретением способна осуществлять как сканирование луча, так и фокусировку электромагнитного поля излучения. При этом можно исключить зеркальный эффект посредством использования виртуального фокуса, что приводит к достижению характеристик диаграмм направленности, схожих с линзовыми решетками с облучателем, находящимся в реальном фокусе, то есть на некотором удалении от плоскости управляемой линзовой решетки, которое, как обсуждалось выше, обычно сопоставимо с поперечным размером решетки. В то же время общий размер антенны в соответствии с настоящим изобретением намного меньше по сравнению с классической архитектурой.

Описанный выше способ управления антенной согласно настоящему изобретению может выполняться устройством обработки, которое исполняет программный код, содержащийся на компьютерно-читаемом носителе.

Далее будут рассмотрены альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения.

Согласно одному альтернативному варианту осуществления изобретения, изображенному на фиг. 7, исходя из технологических требований фиксированная решетка возбуждения может иметь квазипериодическую структуру, т.е. излучающие элементы фиксированной решетки возбуждения расположены квазипериодически вдоль осей x и y. В некоторых случаях такое расположение элементов является предпочтительным из инженерных соображений, связанных с разводкой каналов возбуждения элементов фиксированной решетки. При этом RX-элементы и TX-элементы управляемой антенной решетки расположены периодически. Это означает, что элементы фиксированной решетки возбуждения могут быть сгруппированы, например, в группы по N₁ элементов, при этом расстояние по осям x и y между элементами фиксированной решетки возбуждения в группе и расстояние между элементами управляемой антенной решетки не равны D'_x(y) ≠ D_x(y), но при этом группы элементов фиксированной решетки возбуждения расположены периодически с периодом равным N₁*D_x(y).

В альтернативном варианте осуществления структуры единичной ячейки управляемой антенной решетки, изображенном на фиг. 8, по сравнению с вариантом осуществления, изображенном на фиг. 2а-2в, отсутствует третий основной слой с приемной патч-антенной. В данном варианте осуществления сигнал возбуждения поступает через щель (щелевую антенну) во втором слое заземления и посредством электромагнитной связи принимается полосковой линией связи во втором основном слое. В данном варианте осуществления второй слой заземления формирует проводящие элементы щелевой антенны, а также формирует экран для линии передачи на втором основном слое. Далее единичная ячейка управляемой антенной решетки согласно данному варианту осуществления функционирует аналогично варианту осуществления по фиг. 2б-2в. Данный вариант осуществления позволяет получить более простую структуру ячеек управляемой антенной решетки. Такой вариант осуществления имеет более узкую полосу частот согласования щелевого RX-элемента управляемой антенной решетки в сравнении с патч-элементом управляемой антенной решетки.

На фиг. 9 изображен альтернативный вариант осуществления патч-антенны первого основного слоя единичной ячейки управляемой антенной решетки.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг. 9, в первом основном слое единичной ячейки управляемой антенной решетки в качестве TX-элемента может быть использована прямоугольная патч-антенна с линейной поляризацией. Такой вариант осуществления может найти свое применение в системах связи с линейной поляризацией.

Согласно еще одному альтернативному варианту осуществления фазовый сдвиг, обеспечиваемый секцией фиксированного фазового сдвига каждой ячейки управляемой антенной решетки, вычисляемый в соответствии с формулой (5), может быть уменьшен на целое число радиан следующим образом:

. (10)

Это позволяет снизить требуемую длину секции фиксированного фазового сдвига ячейки управляемой антенной решетки, что приводит к снижению потерь в такой антенной решетке, а также позволяет снизить ее размеры.

Антенна согласно настоящему изобретению предназначена для использования в миллиметровом диапазоне длин волн. Однако, альтернативно могут быть использованы любые диапазоны длин волн, для которых возможно осуществить излучение и управляемую фокусировку электромагнитных волн. Например, в качестве альтернативы может быть использовано коротковолновое, субмиллиметровое (терагерцовое) излучение и т.д.

Компактные и высокоэффективные системы с управляемой антенной решеткой согласно настоящему изобретению могут найти применение в системах беспроводной связи перспективных стандартов 5G и WiGig. При этом настоящее изобретение может использоваться как в базовых станциях, так и в антеннах мобильных терминалов. В этом случае базовая станция реализует управление лучом с разделением по времени между пользователями. Антенны терминалов пользователей управляются для наведения на позицию антенны базовой станции.

Настоящее изобретение может найти применение в системах LWPT всех типов: наружных/внутренних, автомобильных, мобильных и т.д. При этом обеспечивается высокая эффективность передачи мощности при любых сценариях. Устройство передачи мощности может быть построено на основании описанной структуры антенной решетки и таким образом может реализовывать фокусировку луча при зарядке устройств в зоне ближнего поля или сканирование луча для передачи мощности устройствам, находящимся в дальней зоне антенны передатчика.

При использовании в робототехнике можно использовать предложенную антенну для обнаружения/избежания препятствий.

Настоящее изобретение также может использоваться в радарах автономных транспортных средств.

Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления. Специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.

Очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие компьютерно-читаемого носителя данных. Примеры компьютерно-читаемых носителей данных включают в себя постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты осуществления, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Изобретение относится к антенной технике. Антенна содержит фиксированную антенную решетку возбуждения и управляемую антенную решетку. Фиксированная антенная решетка возбуждения выполнена с возможностью облучения управляемой антенной решетки плоской волной. Управляемая антенная решетка состоит из множества ячеек, каждая из которых представляет собой многослойную печатную плату, содержащую три основных слоя, причем первый основной слой содержит управляемый передающий элемент, выполненный с возможностью переключать сдвиг фазы излучения сигнала между значениями 0 и 180 градусов; второй основной слой содержит секцию фиксированного фазового сдвига, осуществляющую связь между передающим элементом и приемным элементом; третий основной слой содержит приемный элемент, выполненный с возможностью приема падающей плоской волны от фиксированной антенной решетки возбуждения и передачи сигнала во второй основной слой. Технический результат заключается в упрощении архитектуры, уменьшении потерь и повышении коэффициента усиления. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Антенна, содержащая фиксированную антенную решетку возбуждения и управляемую антенную решетку,

причем фиксированная антенная решетка возбуждения выполнена с возможностью облучения управляемой антенной решетки плоской волной,

причем управляемая антенная решетка состоит из множества ячеек, каждая из которых представляет собой многослойную печатную плату, содержащую три основных слоя, причем:

- первый основной слой содержит управляемый передающий элемент, выполненный с возможностью переключать сдвиг фазы излучения сигнала между значениями 0 и 180 градусов, причем управляемый передающий элемент состоит из патч-антенны и двух управляемых переключающих элементов, причем управляемые переключающие элементы выполнены с возможностью при подаче на них управляющего сигнала замыкаться таким образом, чтобы вызывать протекание тока возбуждения через патч-антенну, вызывая тем самым излучение сигнала патч-антенной;

- второй основной слой содержит секцию фиксированного фазового сдвига, осуществляющую связь между передающим элементом и приемным элементом;

- третий основной слой содержит приемный элемент, выполненный с возможностью приема падающей плоской волны от фиксированной антенной решетки возбуждения и передачи сигнала во второй основной слой.

2. Антенна, содержащая фиксированную антенную решетку возбуждения и управляемую антенную решетку,

причем фиксированная антенная решетка возбуждения выполнена с возможностью облучения управляемой антенной решетки плоской волной,

причем управляемая антенная решетка состоит из множества ячеек, каждая из которых представляет собой многослойную печатную плату, содержащую два основных слоя, причем:

- первый основной слой содержит управляемый передающий элемент, выполненный с возможностью переключать сдвиг фазы излучения сигнала между значениями 0 и 180 градусов, причем управляемый передающий элемент состоит из патч-антенны и двух управляемых переключающих элементов, причем управляемые переключающие элементы выполнены с возможностью при подаче на них управляющего сигнала замыкаться таким образом, чтобы вызывать протекание тока возбуждения через патч-антенну, вызывая тем самым излучение сигнала патч-антенной;

- второй основной слой содержит секцию фиксированного фазового сдвига, выполненную с возможностью приема сигнала от щелевой антенны, выполненной в слое заземления второго основного слоя со стороны фиксированной антенной решетки возбуждения и принимающей падающую плоскую волну от фиксированной антенной решетки возбуждения, и передачи упомянутого сигнала в передающий элемент.

3. Антенна по любому из пп.1, 2, в которой расстояние между фиксированной антенной решеткой возбуждения и управляемой антенной решеткой определяется соотношениями и , где - максимальный линейный размер управляемой антенной решетки, а - рабочая длина волны.

4. Антенна по любому из пп.1, 2, в которой период, с которым расположены ячейки управляемой антенной решетки и элементы фиксированной решетки возбуждения, определяется соотношениями и , где - рабочая длина волны, - максимальный угол отклонения луча от нормали к плоскости решетки.

5. Антенна по любому из пп.1, 2, в которой патч-антенна передающего элемента имеет линейную поляризацию либо круговую поляризацию.

6. Антенна по любому из пп.1, 2, в которой элементы фиксированной антенной решетки расположены квазипериодически.

7. Антенна по любому из пп.1, 2, в которой секция фиксированного фазового сдвига в каждой ячейке управляемой антенной решетки имеет свою длину, вычисляемую по формуле

,

где - длина секции фиксированного фазового сдвига единичной ячейки с минимальным фазовым сдвигом управляемой антенной решетки, - приращение длины секции фиксированного фазового сдвига i-й единичной ячейки относительно длины секции фиксированного фазового сдвига единичной ячейки с минимальным фазовым сдвигом управляемой антенной решетки, вычисляемое по формуле

,

где - требуемый фазовый сдвиг секции фиксированного фазового сдвига i-й единичной ячейки для моделирования виртуального точечного облучателя, фазовый сдвиг соответствует фазовому сдвигу единичной ячейки с минимальным фазовым сдвигом управляемой антенной решетки, - постоянная распространения секции фиксированного фазового сдвига, причем вычисляется по следующей формуле:

,

где и - координаты i-й единичной ячейки управляемой антенной решетки, облучаемой из виртуального точечного излучателя с координатами (0, 0, -F).

8. Антенна по п.7, в которой требуемый фазовый сдвиг секции фиксированного фазового сдвига i-й единичной ячейки дополнительно уменьшен на целое число радиан следующим образом:

.

9. Способ управления антенной по любому из пп.7, 8, содержащий этапы, на которых:

- облучают управляемую антенную решетку посредством фиксированной антенной решетки возбуждения;

- управляют управляемой антенной решеткой для формирования фазового распределения по всем передающим элементам в соответствии с формулой

,

где - значение сдвига фазы, осуществляемого передающим элементом, определяемое следующим образом:

,

причем , где - оператор, обозначающий операцию нахождения остатка при делении, - требуемый фазовый сдвиг для i-го передающего элемента.

10. Способ по п.9, в котором для фокусировки излучения управляемой антенной решетки в точке М с координатами (x, y, z) вычисляется следующим образом:

,

где ,

где R_i - расстояние между i-й единичной ячейкой с координатами (x_i, y_i, 0) и фокусной точкой M.

11. Способ по п.9, в котором для направления луча управляемой антенной решетки в направлении сканирования () вычисляется следующим образом:

,

где - угол места и азимутальный угол требуемого направления сканирования луча соответственно.

12. Компьютерно-читаемый носитель, содержащий программный код, который при исполнении устройством обработки осуществляет этапы способа по любому из пп. 9-11.