КОМПАКТНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА С ЭЛЕМЕНТАМИ С ВЫСОКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ Российский патент 2019 года по МПК H01Q1/52 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящая группа изобретений относится к области радиотехники, а именно к антенной системе, применимой в качестве компактной антенной решетки MIMO-радара (с многоканальным входом - многоканальным выходом) и снабженной дополнительными элементами с высокой изоляцией.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

3D/4D радар - это ключевой сенсорный компонент для автомобильной навигации. Главной особенностью 3D радара является предоставление разрешения объектов в одной плоскости (азимутальной (горизонтальной) или меридиональной (вертикальной)) вместе со скоростью объекта и расстоянием до объекта. 4D радар может определить местоположение объекта как в азимутальной плоскости, так и в меридиональной плоскости. Для предоставления сверхвысокого разрешения современные радиолокационные системы работают с очень большим количеством каналов приемопередатчиков, например, с 12 передатчиками и 16 приемниками, т.е. антенные решетки таких систем достаточно большие. Для предоставления высокопроизводительной антенной решетки MIMO для радиолокационной системы с большим количеством каналов передатчиков и приемников требуется реализовать компактную структуру антенной решетки MIMO, чтобы гарантировать малый размер и короткую длину питающих линий, чтобы максимально снизить потери на высоких частотах, например, 79 ГГц.

Кроме того, в любой радиолокационной системе, содержащей более двух разнесенных антенн, присутствует паразитарное пролезание электромагнитного излучения от одной антенны в другую в силу того, что передающие и приемные элементы расположены близко друг к другу. Если величина паразитного излучения велика, то передающая антенна будет снижать чувствительность приемной антенны. Следовательно, необходимо обеспечивать высокую изоляцию между передающими и приемными элементами. Традиционно, изоляция между передающими и приемными элементами обеспечивается за счет увеличения расстояния между этими элементами, что также сказывается на длине соответствующих питающих линий и размере антенной решетки. При попытках сохранить меньшие размеры антенной решетки, т.е. располагая передающие и приемные элементы рядом друг с другом, происходит уменьшение динамического даипазона радара и снижается его чувствительность, так как приемные элементы «забиваются» паразитным сигналом передающих элементов.

Из уровня техники известно решение, раскрытое в US 8816921 B2 («Multiple antenna assembly utilizing electro band gap isolation structures») и раскрывающее множество антенных узлов с высокой изоляцией между антеннами. Узел согласно данному решению включает в себя диэлектрическую подложку с заземляющей плоскостью и первую и вторую антенны, установленные на ней. Одна или более изоляционных структур металл-диэлектрик находятся на подложке в положениях, в которых присутствует электрический ток, который имеет плотность тока, превышающую заданный порог. Каждая изоляционная структура металл-диэлектрик резонирует на заданной частоте, которая подавляет взаимную связь сигналов между первой и второй антеннами (т.е. формируется диаграмма направленности (ДН) таким образом, чтобы в направлении приема паразитного сигнала боковые лепестки ДН были минимальны). В решении раскрыты различные конфигурации, такие как структуры концентрических колец, для изоляционных структур металл-диэлектрик. Может быть предусмотрено устройство для динамической настройки частоты изоляционных структур металл-диэлектрик в соответствии с радиочастотными сигналами, излучаемыми первой и второй антеннами. Однако в данном решении используются поверхности электромагнитных запрещенных зон, которые требуют наличия больших расстояний между антеннами, в частности, больше половины длины рабочей волны.

В качестве прототипа заявленной группы изобретений рассматривается решение, раскрытое в US 9806411 B2 («Antenna with high isolation»). Антенна согласно данному решению включает в себя заземляющую часть, проходящую в продольном направлении, основной корпус и изолирующую часть, проходящую от заземляющей части, металлическую фольгу, закрепленную на заземляющей части, и коаксиальный кабель, соединенный с основным корпусом. Заземляющая часть включает в себя первую секцию и вторую секцию, соединенные друг с другом. Основной корпус начинается от первой секции, в то время как изолирующая часть начинается от второй секции. Изолирующая часть располагается рядом с основным корпусом в продольном направлении и образует промежуток между ними. Однако это решение не применимо для антенных решеток MIMO, и оно не может быть реализовано в структурах печатных плат.

Таким образом, существует необходимость в разработке антенной решетки, в которой достигнута высокая изоляция между приемным и передающим элементами не за счет увеличения расстояния между этими элементами и которая применима для антенных решеток MIMO и в структурах печатных плат.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в устранении упомянутых выше недостатков, присущих известным из уровня техники решениям, в частности, в обеспечении такой антенной решетки.

Указанная задача решается посредством решений, которые охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения. Дополнительные варианты реализации настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. В частности, указанная задача решается посредством внесения дополнительного отражающего элемента между передающим и приемным элементами, который создает дополнительный путь для распространения электромагнитных волн.

Предложенная антенная система содержит первый антенный элемент, состоящий из N питающих элементов, N планарных излучающих элементов и N планарных переизлучающих элементов и второй антенный элемент, состоящий из N питающих элементов, N планарных излучающих элементов и N планарных переизлучающих элементов, заземляющую пластину, расположенную непосредственно под первым и вторым антенными элементами, причем N питающих элементов первого антенного элемента подключены к заземляющей пластине и N излучающим элементам первого антенного элемента, а N питающих элементов второго антенного элемента подключены к заземляющей пластине и N излучающим элементам второго антенного элемента. При этом антенная система дополнительно содержит N заземляющих отражающих элементов, расположенных между каждым из N переизлучающих элементов первого антенного элемента и N переизлучающих элементов второго антенного элемента.

Опционально, расстояние между N излучающими элементами первого антенного элемента и N излучающими элементами второго антенного элемента меньше расстояния между N переизлучающими элементами первого антенного элемента и N переизлучающими элементами второго антенного элемента.

Опционально, между N излучающими элементами первого антенного элемента и N излучающими элементами второго антенного элемента расположена дополнительная заземляющая пластина.

Опционально, N заземляющих отражающих элементов расположены на одной плоскости с N переизлучающими элементами первого антенного элемента и N переизлучающими элементами второго антенного элемента.

Опционально, N заземляющих отражающих элементов расположены между плоскостью расположения N излучающих элементов первого антенного элемента и N излучающих элементов второго антенного элемента и плоскостью расположения N переизлучающих элементов первого антенного элемента и N переизлучающих элементов второго антенного элемента.

Опционально, причем N заземляющих отражающих элементов представляют собой N составных отражающих элементов, выполненных в виде многослойной печатной платы.

Опционально, переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой микрополосковые переизлучающие элементы, и излучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой микрополосковые излучающие элементы.

Опционально, переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой микрополосковые переизлучающие элементы, и излучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой щелевые излучающие элементы.

Опционально, переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой щелевые переизлучающие элементы, и излучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой микрополосковые излучающие элементы.

Опционально, переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой щелевые переизлучающие элементы, и излучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой щелевые излучающие элементы.

Опционально, расстояние между N излучающими элементами первого антенного элемента и N переизлучающими элементами первого антенного элемента меньше чем расстояние между N излучающими элементами второго антенного элемента и N переизлучающими элементами второго антенного элемента.

Опционально, расстояние между N излучающими элементами второго антенного элемента и N переизлучающими элементами второго антенного элемента меньше чем расстояние между N излучающими элементами первого антенного элемента и N переизлучающими элементами первого антенного элемента.

Опционально, N излучающих элементов первого антенного элемента и N излучающих элементов второго антенного элемента разделены на группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов, причем расстояние между излучающими элементами первого антенного элемента и излучающими элементами второго антенного элемента одной группы отличается от расстояния между излучающими элементами первого антенного элемента и излучающими элементами второго антенного элемента другой группы.

Опционально, N излучающих элементов первого антенного элемента и N излучающих элементов второго антенного элемента разделены на группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов, причем расстояние между одной группой пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов и соответствующими переизлучающими элементами первого и второго антенных элементов отличается от расстояния между другой группой пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов и соответствующими переизлучающими элементами первого и второго антенных элементов.

Антенная система также может содержать дополнительную группу дополнительных излучающих элементов первого антенного элемента и дополнительных излучающих элементов второго антенного элемента, расположенную между плоскостью расположения N излучающих элементов первого антенного элемента и N излучающих элементов второго антенного элемента и плоскостью расположения N переизлучающих элементов первого антенного элемента и N переизлучающих элементов второго антенного элемента, причем расстояние между дополнительными излучающими элементами первого антенного элемента и дополнительными излучающими элементами второго антенного элемента равно расстоянию между излучающими элементами первого антенного элемента и излучающими элементами второго антенного элемента группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов, расположенной непосредственно под этой дополнительной группой, и отличается от расстояния между излучающими элементами первого антенного элемента и излучающими элементами второго антенного элемента другой группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов.

Технический результат, достигаемый посредством использования настоящей группы изобретений, заключается в обеспечении высокой изоляции между передающим (второй антенный элемент) и приемным (первый антенный элемент) элементами антенной решетки, расположенными близко друг от друга, вплоть до ~λ/2 расстояния между фазовыми центрами элементов, где λ - длина электромагнитной волны частотного диапазона активного антенного элемента. При этом, во-первых, уменьшается длина питающих линий и, соответственно, потери в них и, во-вторых, возникает возможность создавать компактную антенную MIMO решетку для 3D/4D радаров за счет возможности очень близкого расположения приемных и передающих антенных элементов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны после прочтения нижеследующего описания и просмотра сопроводительных чертежей, на которых:

На Фиг. 1 представлены схематический вид сверху на излучающие и переизлучающие элементы (слева) и схематический вид сбоку на всю систему первого и второго антенных элементов (справа) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 2(a) изображено представление излучаемой энергии при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу при отсутствии отражающего элемента;

На Фиг. 2(b) изображено представление излучаемой энергии при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу при наличии отражающего элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 2(c) изображено представление излучаемой энергии при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу при наличии отражающего элемента согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 3 представлен график изменения индекса изоляции при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу в трех различных реализациях антенной системы;

На Фиг. 4 представлен график изменения индекса изоляции и изменения уровня согласования при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу при различных расстояниях между излучающими элементами;

На Фиг. 5 изображен график зависимости индекса изоляции от расстояния между излучающими элементами на частоте 80ГГц;

На Фиг. 6 представлен график изменения индекса изоляции в диапазоне частот от 76 ГГц до 81 ГГц при различных расстояниях между плоскостью расположения излучающих элементов и плоскостью расположения переизлучающих элементов;

На Фиг. 7 представлен график изменения индекса изоляции в диапазоне частот от 76 ГГц до 81 ГГц при различных расстояниях между плоскостью расположения излучающих элементов и плоскостью расположения переизлучающих элементов и соответствующих подстроенных расстояниях между излучающими элементами;

На Фиг. 8 представлен схематический вид сверху на N последовательных излучающих и N последовательных переизлучающих элементов и схематический вид сбоку на систему из N первых и вторых антенных элементов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 9 представлен график изменения индекса изоляции в диапазоне частот от 74ГГц до 84 ГГц для антенной системы с тремя первыми и вторыми антенными элементами для каждой конфигурации по отдельности;

На Фиг. 10 представлен график изменения итогового индекса изоляции в диапазоне частот от 74ГГц до 84 ГГц для антенной системы с тремя первыми и вторыми антенными элементами;

На Фиг. 11(a) изображена послойная однорезонансная структура антенных элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 11(b) изображена послойная двухрезонансная структура антенных элементов согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 12 (a) изображен вид сбоку на послойную однорезонансную структуру антенных элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 12 (b) изображен вид сбоку послойную двухрезонансную структуру антенных элементов согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

На Фиг. 13 представлен график изменения итогового индекса изоляции при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу и изменения уровня согласования антенных элементов для однорезонансной структуры (изображено пунктирной линией) и для двухрезонансной структуры (изображено сплошной линией).

Представленные на чертежах фигуры служат только для иллюстрации вариантов реализации настоящего изобретения и никак его не ограничивает.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Различные варианты осуществления настоящего изобретения описываются в дальнейшем более подробно со ссылкой на чертежи. Однако настоящее изобретение может быть воплощено во многих других формах и не должно истолковываться как ограниченное любой конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. На основании настоящего описания специалист в данной области техники поймет, что объем правовой охраны настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, раскрытый в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли он независимо или в сочетании с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, система может быть реализована или способ может быть осуществлен на практике с использованием любого числа вариантов осуществления, изложенных в данном документе. Кроме того, следует понимать, что любой вариант осуществления настоящего изобретения, раскрытый в данном документе, может быть воплощен с помощью одного или более элементов формулы изобретения.

Слово «примерный» используется в данном документе в значении «служащий в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант реализации, описанный в данном документе как «примерный», необязательно должен истолковываться как предпочтительный или обладающий преимуществом над другими вариантами реализации.

В настоящем раскрытии рассматривается первый антенный элемент, состоящий из по меньшей мере одного планарного (микрополоскового (патч), щелевого и т. д.) излучающего элемента и по меньшей мере одного планарного переизлучающего (микрополоскового (патч), щелевого и т. д.) элемента, расположенного на расстоянии h (в вертикальной плоскости) над излучающим элементом. В настоящем раскрытии также рассматривается второй антенный элемент, который имеет такую же структуру, как и первый антенный элемент. На Фиг. 1 представлены схематический вид сверху на излучающие и переизлучающие элементы, а также схематический вид сбоку на всю систему первого и второго антенных элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Излучающие элементы первого и второго антенных элементов расположены на расстоянии b в горизонтальной плоскости, а переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов расположены на расстоянии a в горизонтальной плоскости (как правило, a и b равны λ/2 или приблизительно λ/2 с учетом возможных вариаций +/-20% из-за технологических и прочих ограничений). Причем под излучающими элементами на некотором расстоянии в вертикальной плоскости расположены питающие элементы, к которым подходят соответствующие питающие линии, а под всей системой первого и второго антенных элементов располагается заземляющая пластина. Между двух питающих элементов и двух излучающих элементов также расположена дополнительная заземляющая пластина, предотвращающая распространение сигнала непосредственно между элементами этих пар. Среда между излучающим и переизлучающим элементами первого и второго антенных элементов обладает эффективной диэлектрической проницаемостью .

Согласно настоящему раскрытию между переизлучающими элементами располагается заземляющий отражающий элемент R с характерной длиной c<λ/2, который создает дополнительный путь от первого антенного элемента до второго, изображенный сиреневыми стрелками на схематическом виде сбоку на всю систему первого и второго антенных элементов на Фиг. 1. Таким образом, описанная выше структура имеет два пути паразитного проникновения сигнала: основной путь (через переизлучающие элементы), отмеченный зелеными стрелками на Фиг. 1, и дополнительный путь (между излучающими элементами непосредственно через отражающий элемент R), отмеченный сиреневыми стрелками на Фиг. 1. Отражение от внесенного отражающего элемента R приводит к тому, что паразитный сигнал складывается в противофазе с сигналом, отраженным от отражающего элемента, как подробно описывается далее.

Допустим, что a и a' представляют собой амплитуды сигналов, распространяющихся по основному и дополнительному путям, соответственно, а α и α' представляют собой фазы, с которыми приходят паразитные сигналы от первого излучающего элемента ко второму, тогда резонансное условие изоляции может быть представлено следующим образом: a≅a' и α-α'≅π. В частности, резонансное условие для высокой изоляции может быть иначе сформулировано следующим образом: a-a′≅0 и α-α'≅π. При соблюдении этого условия сигнал, проходящий по основному пути, компенсируется сигналом, проходящим по дополнительному пути. Данное резонансное условие всегда может быть достигнуто посредством регулировки параметров a, b, c и/или h.

На Фиг. 2(a), 2(b) и 2(c) схематично показано представление излучаемой энергии при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу в трех различных реализациях антенной системы с первым и вторым антенными элементами. В частности, на Фиг. 2(a) изображен традиционный случай, когда рассматриваемая антенная система не дополнена дополнительным отражающим элементом, следовательно, для излучаемой энергии нет дополнительного пути для распространения. Индекс изоляции в данном случае равен приблизительно -17 дБ. В традиционных антенных системах зачастую антенная решетка конструируется таким образом, чтобы расстояние a между переизлучающими элементами первого и второго антенных элементов было равно расстоянию b между излучающими элементами первого и второго антенных элементов. На Фиг. 2(b) изображен случай, когда рассматриваемая традиционная антенная система дополнена дополнительным отражающим элементом, создавая дополнительный путь для излучаемой энергии. Индекс изоляции в данном случае равен приблизительно -25дБ. На Фиг. 2 (c) изображен случай, когда антенная система также дополнена дополнительным отражающим элементом, создавая дополнительный путь для излучаемой энергии, но при этом параметры a, h и c фиксируются, а параметр b подстраивается для достижения наиболее возможной высокой изоляции. В частности, на упомянутой фигуре параметр b=b' - подстроенному значению расстояния между излучающими элементами первого и второго антенных элементов, при котором индекс изоляции стал равным приблизительно -45 дБ.

Подстройка параметра b для получения высокой изоляции (минимального значения индекса изоляции) очень важна, так как она позволяет сохранить эксплуатационные характеристики антенной решетки (расстояние между антенными элементами, согласование между ними) при фиксированном расстоянии h между плоскостью расположения излучающих элементов и плоскостью расположения переизлучающих элементов и фиксированном расстоянии a между переизлучающими элементами первого и второго антенных элементов.

На Фиг. 3 представлен график изменения индекса изоляции при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу в трех реализациях антенной системы, изображенных на Фиг. 2(a), 2(b) и 2(c). При изучении изменения индекса изоляции рассматривался, в частности, диапазон частот, равный 76 ГГц-81 ГГц. Данный диапазон частот представляет особый интерес, так как он представляет собой диапазон рабочих частот, используемый в радарных системах для беспилотных автомобилей. Как наглядно изображено на фигуре, индекс изоляции для антенных систем, изображенных на Фиг. 2(a) и 2(b), значительно не меняется на различных частотах рассматриваемого диапазона, однако индекс изоляции для антенной системы, изображенной на Фиг. 2(c) достигает своего максимального значения, равного -47 ДБ, только на частоте 76 ГГц, т.е. благодаря подстроке параметра b для получения высокой изоляции, минимальное значение индекса изоляции достигается на какой-то конкретной частоте (узкополосный случай). Таким образом, при фиксированных параметрах a, h и c и подстройке только параметра b меняется только индекс изоляции, однако если зафиксировать параметры a и c и осуществлять подстройку как параметра b, так и параметра h, то можно будет варьировать частоту, на которой достигается минимальное значение индекса изоляции, как описано далее.

На Фиг. 4 представлен график изменения индекса изоляции и изменения уровня согласования при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу при различных подстроенных значениях параметра b в диапазоне частот 76 ГГц-81 ГГц. Как было указано выше, в традиционных антенных системах расстояние a между переизлучающими элементами равно расстоянию b между излучающими элементами. При таком равенстве индекс изоляции в диапазоне частот 76 ГГц-81 ГГц для антенной системы с отражающим элементом согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет значения от приблизительно -30 ДБ до приблизительно -25 ДБ, не достигая более низких значений индекса изоляции при любой частоте. Однако, как наглядно изображено на Фиг. 4, подстраивая параметр b (в частности, делая его меньше, чем параметр a), было выявлено, что когда расстояние b равняется расстоянию a за вычетом 0,32 мм, индекс изоляции достигает своего минимального значения, равного приблизительно -47 дБ, при частоте, равной 80 ГГц. При этом на графике также изображено изменение уровня согласования антенных элементов системы при различных подстроенных значениях параметра b, которое варьируется от -9 ДБ до -20 ДБ, т.е. собственное согласование антенных элементов при различных значениях параметра b не меняется или меняется незначительно. Следовательно, рассматриваемый способ увеличения изоляции между приемным и передающим элементами не сказывается на согласовании этих элементов.

На Фиг. 5 наглядно проиллюстрирована зависимость индекса изоляции от расстояния b, в частности, на данной фигуре наглядно изображено, что значение индекса изоляции при b=a-0,32мм улучшилось практически на 20 дБ по сравнению со значением индекса изоляции при b=a на частоте 80 ГГц.

Кроме того, минимальный индекс изоляции также может быть получен и путем фиксирования параметров a, c и b, при этом подстраивая параметр h - расстояния между плоскостью расположения излучающих элементов и плоскостью расположения переизлучающих элементов. На Фиг. 6 представлен график изменения индекса изоляции на различных частотах в диапазоне частот от 76 ГГц до 81 ГГц при подстройке параметра h. В частности, как наглядно отображено на графике, индекс изоляции принимает свое минимальное значение, равное приблизительно -47 дБ, при расстоянии h, равном 280 мкм, на частоте 80 ГГц, при этом при расстоянии h, равном 260 мкм, значение индекса изоляции лучше, чем при расстоянии h, равном 300мкм или 320мкм.

Далее рассматривается случай, при котором фиксируют параметры a и c, при этом параметры b и h подстраивают. В частности, на Фиг. 7 также представлен график изменения индекса изоляции на различных частотах в диапазоне частот от 76 ГГц до 81 ГГц при подстроенных значениях параметра h, аналогичных рассматриваемым значениям параметра h на Фиг. 6, однако, как наглядно изображено на фигуре, благодаря дополнительной подстройке параметра b на одних и тех же частотах достигнуто меньшее значение индекса изоляции по сравнению с вариантом осуществления, изображенным на Фиг. 6. На Фиг. 7 изображены случаи, при которых достигнуты минимальные значения индекса изоляции на частотах в 77ГГц, 79ГГц, 80Ггц и 81,1ГГц при параметре h, равном 320 мкм, 300 мкм, 280 мкм и 260 мкм, соответственно и при параметре b, равном 1,42 мм (2*(a/2-0,24 мм), 1,5 мм (2*(a/2-0,2 мм), 1,58 мм (2*(a/2-0,16 мм) и 1,66 мм (2*(a/2-0,12 мм), соответственно. Следовательно, благодаря подстройке как параметра b, так и параметра h, можно варьировать частоту, на которой достигается минимальное значение индекса изоляции. Однако необходимо учитывать, что при изменении параметра h - расстояния между плоскостью расположения излучающих элементов и плоскостью расположения переизлучающих элементов, происходит ухудшение согласования антенных элементов.

В случае подстройки параметра c - длины заземляющего отражающего элемента R, предпочтительно выбирать максимально возможную величину данного параметра, которую допускает технология изготовления антенн и текущая конструкция антенны, для достижения минимального значения индекса изоляции. В частности, в качестве примера реализации настоящего изобретения была рассмотрена антенная система, расстояние между переизлучающими элементами которой, т.е. параметр a, было равно 1,9 мм, а половина длины переизлучающего элемента равнялась 0,55 мм. Минимально допустимый зазор между металлическими элементами равняется 0,1 мм, следовательно, примерная антенная система, результаты испытания которой приводятся в настоящем описании, содержала заземляющий отражающий элемент R длиной 0,6 мм (600 мкм).

Для получения высокой изоляции не только для узкополосных антенн (на заданной конкретной частоте), но и для широкополосных, рассматривается специальная апериодическая структура антенных элементов согласно варианту осуществления заявленного изобретения. Предполагается, что и первый антенный элемент, и второй антенный элемент состоят из N излучающих элементов, запитанных последовательно от одного порта через питающие элементы, и N переизлучающих элементов. В этом случае расстояние между каждым излучающим и переизлучающим элементом может изменяться, формируя высокую изоляцию на сверхширокой полосе пропускания. Если n представляет собой номер излучающего и переизлучающего элементов, тогда:

- для n=1 параметры h и b обозначаются как h₁ и b₁;

- для n=2 - как h₂ и b₂;

…

- для n=N - как h_N и b_N.

На Фиг. 8 представлен схематический вид сверху на N последовательных излучающих и N последовательных переизлучающих элементов, а также схематический вид сбоку на систему из N первых и вторых антенных элементов согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, аналогично указанному выше в отношении узкополосного случая, подстраивая параметры h_n и b_n этой системы антенных элементов возможно получить индекс изоляции для сверхширокой полосы частот для переизлучающих элементов двух антенных решеток, расположенных на расстоянии a, равном λ/2 (+-20%, как указано выше).

Итоговый индекс изоляции представляет собой сверхширокополосную суперпозицию индекса изоляции на каждой частоте. В общем случае h₁, h₂ … h_N могут быть одинаковы или отличаться, т.е. возможны различные комбинации для достижения желаемого индекса изоляции или для соответствия аппаратным требованиям, так как каждый элемент формирует свой резонанс. Например, при N=3 возможна следующая комбинация: (h1)<(h2)<(h3) и (b1)<(b2)<(b3), достигая при этом трехрезонансную изоляцию. При N=6 возможна следующая комбинация: (h1=h2=h3)<(h4=h5=h6) и (b1=b2=b3)<(b4=b5=b6), достигая при этом двухрезонансную изоляцию. Одновременная суперпозиция дает широкополосную изоляцию. На Фиг. 9 представлен график изменения индекса изоляции в диапазоне частот от 74ГГц до 84 ГГц для антенной системы с первым и вторым антенными элементами при N=3 для каждой конфигурации по отдельности. В данном случае достигается трехрезонансная изоляция, как указано в примере выше - резонанс на частоте 77 ГГц, на частоте 79 ГГц и на частоте 80 ГГц.

Согласно представленному на Фиг. 9 графику при n=1 путем подстройки параметров h₁ и b₁ минимальный индекс изоляции получен на частоте, равной 80 ГГц (приблизительно -47 ДБ); при n=2 путем подстройки параметров h₂ и b₂ минимальный индекс изоляции получен на частоте, равной 79 ГГц (приблизительно -46 ДБ); и при n=3 путем подстройки параметров h₃ и b₃ минимальный индекс изоляции получен на частоте, равной 77 ГГц (приблизительно -44 ДБ), т.е. представлены изоляции для каждой пары подстроенных параметров.

На Фиг. 10 представлен график изменения индекса изоляции в диапазоне частот от 74 ГГц до 84 ГГц для антенной системы с первым и вторым антенными элементами также при N=3, однако на данном графике вычисляется уже итоговый индекс изоляции, который представляет собой сверхширокополосную суперпозицию индекса изоляции на каждой частоте, т.е. индексы изоляции складываются, а соответствующие излучающие элементы последовательно запитываются через питающие элементы от одного порта.

В частности, при такой реализации антенной системы итоговый индекс изоляции будет равен суперпозиции индекса изоляции для каждой конфигурации, т.е. достигать своих минимальных значений на нескольких частотах. В частности, на Фиг. 9 итоговый индекс изоляции достигает своих минимальных значений на частотах, равных 77,1 ГГц, 78,9 ГГц, 80,4 ГГц (со значениями индекса изоляции, равными -44 ДБ, -45 ДБ и -48 ДБ, соответственно). Таким образом, улучшение изоляции в данном диапазоне частот достигается сразу на трех частотах.

Реализация многорезонансной изоляционной структуры может представлять собой достаточно сложную задачу из-за технологических ограничений при создании печатной платы (чем больше резонансов, тем сложнее реализовать такую структуру). Основную сложность представляет собой создание условий для исполнения достаточного малой величины параметров h_n. Для радарных систем для беспилотных автомобилей, в которых, как правило, используется обозначенный выше диапазон рабочих частот, величина параметра h, как правило, варьируется от 320мкм до 260 мкм (как рассмотрено в примерах выше). Таким образом, диапазон изменения величины параметра h для данных систем составляет 60мкм, при этом известная в текущее время технология производства печатных плат позволяет обеспечить (с учетом толщины меди) порядка 50-60 мкм толщины слоя. Это означает, что максимальное количество частот, которое возможно обеспечить, равно двум при использовании этого минимального слоя толщиной 50-60 мкм. Следовательно, далее приводится практический пример реализации, иллюстрирующий реализацию широкополосной изоляции на двух частотах.

На Фиг. 11(a) изображена послойная однорезонансная структура антенных элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения (вид сверху). Первый (верхний) слой данной структуры содержит 6 пар переизлучающих элементов с соответствующими заземляющими отражающими элементами R между ними (т.е. n=6). Расстояние a между переизлучающими элементами каждой пары одинаково. Второй слой рассматриваемой однорезонансной структуры содержит, соответственно, 6 пар излучающих элементов с расстоянием b между излучающими элементами каждой пары. Третий слой рассматриваемой структуры содержит соответствующие питающие элементы и питающие линии, подключенные к ним. Четвертый слой рассматриваемой структуры согласно варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой заземляющую пластину. Первый слой расположен на расстоянии h от второго слоя, как и указывалось ранее при описании системы первого и второго антенных элементов рассматриваемой антенной системы.

На Фиг. 11(b) изображена послойная двухрезонансная структура антенных элементов согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения (вид сверху). Первый (верхний) слой данной структуры также содержит 6 пар переизлучающих элементов с соответствующими заземляющими отражающими элементами R между ними (т.е. n=6). Расстояние a между переизлучающими элементами каждой пары одинаково. Второй слой рассматриваемой структуры содержит, соответственно, 6 пар излучающих элементов. Третий слой рассматриваемой структуры аналогично однорезонансной структуре содержит соответствующие питающие элементы и питающие линии. Четвертый слой рассматриваемой структуры представляет собой заземляющую пластину. Однако в данном варианте осуществления для расширения полосы частот (т.е. для реализации широкополосного случая) в данную структуру включен дополнительный медный слой 2' между первым слоем с переизлучающими элементами и вторым слоем с излучающими элементами, причем слой 2' содержит только 3 пары излучающих элементов, и, соответственно, он накладывается только на половину второго слоя. Таким образом, первый слой рассматриваемой двухрезонансной структуры согласно варианту осуществления настоящего изобретения расположен на расстоянии h1 от второго слоя и на расстоянии h2 от слоя 2', причем h1>h2. Разница между h1 и h2 определяется толщиной добавленного слоя 2' (как правило, порядка 50-60мкм). При этом излучающие элементы каждой пары излучающих элементов слоя 2' расположены на расстоянии b2 друг от друга, и излучающие элементы трех пар излучающих элементов второго слоя, на которые наложены пары излучающих элементов слоя 2', также расположены на расстоянии b2 друг от друга и образуют соответствующую группу пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов. Излучающие элементы трех оставшихся пар излучающих элементов второго слоя (другая группа пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов) расположены на расстоянии b1 друг от друга. В силу малости расстояния между вторым слоем и слоем 2', излучение излучающих элементов слоя 2' идентично излучению излучающих элементов второго слоя. Частоты (резонанс) подБираются путем подстройки параметров b2, h2 (для первой частоты) и подстройки параметров b1, h1 (для второй частоты), как описано выше. Этот пример показывает, что подстройку расстояний между отдельными парами излучающих и переизлучающих элементов можно реализовать за счет добавления дополнительного слоя в структуру - дополнительной группы дополнительных излучающих элементов первого антенного элемента и дополнительных излучающих элементов второго антенного элемента, причем количество пар излучающих элементов каждой группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов также подстраивается для достижения желаемого результата.

На Фиг. 12(a) и 12(b) изображен вид сбоку на послойную однорезонансную и двухрезонансную структуру антенных элементов согласно описанным выше в отношении Фиг. 11(a) и Фиг. 11(b), соответственно, вариантам осуществления настоящего изобретения. В частности, каждый слой рассматриваемой структуры обозначен соответствующей цифрой на упомянутых фигурах. Альтернативно возможна реализация вышеописанной двухрезонансной структуры с добавленным слоем 2', которой накладывается на первый слой, а не на второй. В таком варианте осуществления слой 2', наложенный на часть первого слоя (согласно рассматриваемому выше практическому примеру реализации на соответствующие три пары переизлучающих элементов) рассматриваемой двухрезонансной структуры согласно варианту осуществления настоящего изобретения расположен на расстоянии h2 от второго слоя, а сам первый слой по-прежнему расположен на расстоянии h1 от второго слоя, причем h1>h2.

На Фиг. 13 представлен график изменения итогового индекса изоляции при прохождении сигнала от первого антенного элемента ко второму антенному элементу и изменения уровня согласования этих антенных элементов для однорезонансной структуры (изображено пунктирной линией на графике) и для двухрезонансной структуры (изображено сплошной линией на графике), описанным выше. Как наглядно следует из представленного графика в рассматриваемой полосе частот (от 76 ГГц до 81 ГГц) индекс изоляции меньше -40 дБ при принятом расстоянии между переизлучающими элементами, равном λ/2 (+-20%). Путем подстройки параметров b2, h2 минимальный индекс изоляции итогового индекса изоляции для рассматриваемой двухрезонансной структуры был достигнут на частоте 77,6 ГГц (-47 ДБ), а путем подстройки параметров b1, h1 минимальный индекс изоляции итогового индекса изоляции для рассматриваемой двухрезонансной структуры был достигнут на частоте 80,4 ГГц (-44 ДБ). При этом путем подстройки параметров b и h минимальный индекс изоляции для однорезонансной структуры был достигнут на частоте 80 ГГц (-42 ДБ). При этом согласование антенных элементов для рассматриваемой двухрезонансной структуры варьировалось в диапазоне рассматриваемых частот от -5 ДБ до -17 ДБ, а для рассматриваемой однорезонансной структуры - от -8 ДБ до -18 ДБ.

Реализация антенных решеток MIMO в соответствии с вышеописанными вариантами осуществления позволяет уменьшить их размер по сравнению с традиционными антенными решетками MIMO приблизительно в 4 раза, кроме того, реализация антенных решеток в соответствии с вышеописанными вариантами осуществления позволяет пропорционально уменьшить длину питающих линий и, следовательно, снизить потери в них. Для реализации антенной системы согласно настоящему изобретению подходят любые диэлектрические материалы, используемые в современных печатных платах, причем в первом антенном элементе в качестве среды может быть использован материал с эффективной диэлектрической проницаемостью ₁, а во втором - с отличной эффективной диэлектрической проницаемостью ₂, или, например, диэлектрическая проницаемость среды между переизлучающими и излучающими элементами может отличаться от диэлектрической проницаемости среды между излучающими элементами и заземляющей пластиной.

Кроме того, следующие возможные варианты осуществления позволяют достичь наиболее низкого индекса изоляции для антенных систем, в том числе антенной решетки MIMO-радара:

(1) регулировка положения внесенного отражающего элемента R, а именно, данный элемент может быть расположен на одной плоскости с переизлучающими элементами, на плоскости, которая находится между плоскостью расположения переизлучающих элементов и плоскостью расположения излучающих элементов, или представлять собой составной отражающий элемент (многослойная печатная плата), одна часть которого расположена на одной плоскости с переизлучающими элементами, а вторая, соответственно, между плоскостями, как указано выше;

(2) использование различных типов излучающих и переизлучающих элементов (микрополосковых, щелевых и различной их комбинации);

(3) смещение питающих линий относительно фазового центра излучающего элемента, позиционируя их рядом с различными частями излучающих элементов (посередине излучающего элемента, с одной из его сторон и т.п.).

Следовательно, оперируя указанными в настоящем описании параметрами можно достичь высоких показателей изоляции при сохранении небольших расстояний между передающими (первый антенный элемент) и принимающими (второй антенный элемент) элементами.

Настоящее изобретение может быть применено в различных областях, в частности: в датчиках для навигации роботов, пригодных для использования при любых погодных условиях, в датчиках для автомобильной навигации, также пригодных для использования при любых погодных условиях (в радарах формирования изображения, радарах сопровождения целей, в многорежимных радарах (коротко-, средне- и длинно- дистанционных)).

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что по мере необходимости количество структурных элементов или компонентов системы может изменяться. Предполагается, что объем охраны настоящего изобретения охватывает все возможные различные расположения указанных выше конструктивных элементов системы. В одном или более примерных вариантах осуществления функции, описанные в данном документе, могут быть реализованы в аппаратном обеспечении, программном обеспечении, аппаратно-программном обеспечении или любой их комбинации. Будучи реализованными в программном обеспечении, упомянутые функции могут храниться на или передаваться в виде одной или более инструкций или кода на машиночитаемом носителе. Машиночитаемые носители включают в себя любой носитель информации, который обеспечивает перенос компьютерной программы из одного места в другое. Носитель информации может быть любым доступным носителем, доступ к которому осуществляется посредством компьютера. В качестве примера, но не ограничения, такие машиночитаемые носители могут представлять собой RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM или другой накопитель на оптических дисках, накопитель на магнитных дисках или другие магнитные запоминающие устройства, или любой другой носитель информации, который может использоваться для переноса или хранения требуемого программного кода в виде инструкций или структур данных и доступ к которому можно осуществлять с помощью компьютера. Кроме того, если программное обеспечение передается из веб-сайта, сервера или другого удаленного источника с использованием коаксиальных кабелей, оптоволоконных кабелей, витой пары, цифровой абонентской линии связи (DSL) или с использованием беспроводных технологий, таких как инфракрасные, радио и микроволны, то такие проводные и беспроводные средства подпадают под определение носителя. Комбинации озвученных выше носителей информации должны также попадать в объем охраны настоящего изобретения.

Хотя в настоящем описании показаны примерные варианты реализации изобретения, следует понимать, что различные изменения и модификации могут быть выполнены, не выходя за рамки объема охраны настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. Функции, этапы и/или действия, упоминаемые в пунктах формулы изобретения, характеризующих способ, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, описанными в данном документе, необязательно должны выполняться в каком-то конкретном порядке, если не отмечено или не оговорено иное. Более того, упоминание элементов системы в единственном числе не исключает множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.

Применение: для компактной антенной решетки MIMO-радара. Сущность изобретения заключается в том, что антенная система содержит первый антенный элемент, состоящий из N питающих элементов, N планарных излучающих элементов и N планарных переизлучающих элементов; второй антенный элемент, состоящий из N питающих элементов, N планарных излучающих элементов и N планарных переизлучающих элементов; заземляющую пластину, расположенную непосредственно под первым и вторым антенными элементами, причем N питающих элементов первого антенного элемента подключены к заземляющей пластине и N излучающим элементам первого антенного элемента, а N питающих элементов второго антенного элемента подключены к заземляющей пластине и N излучающим элементам второго антенного элемента, при этом антенная система дополнительно содержит N заземляющих отражающих элементов, расположенных между каждым из N переизлучающих элементов первого антенного элемента и N переизлучающих элементов второго антенного элемента. Технический результат: обеспечение возможности создания антенной решетки с высокой изоляцией между приёмными и передающими элементами. 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Антенная система, содержащая:

первый антенный элемент, состоящий из N питающих элементов, N планарных излучающих элементов и N планарных переизлучающих элементов;

второй антенный элемент, состоящий из N питающих элементов, N планарных излучающих элементов и N планарных переизлучающих элементов;

заземляющую пластину, расположенную непосредственно под первым и вторым антенными элементами, причем N питающих элементов первого антенного элемента подключены к заземляющей пластине и N излучающим элементам первого антенного элемента, а N питающих элементов второго антенного элемента подключены к заземляющей пластине и N излучающим элементам второго антенного элемента,

при этом антенная система дополнительно содержит:

N заземляющих отражающих элементов, расположенных между каждым из N переизлучающих элементов первого антенного элемента и N переизлучающих элементов второго антенного элемента.

2. Антенная система по п.1, причем расстояние между N излучающими элементами первого антенного элемента и N излучающими элементами второго антенного элемента меньше расстояния между N переизлучающими элементами первого антенного элемента и N переизлучающими элементами второго антенного элемента.

3. Антенная система по п.1, причем между N излучающими элементами первого антенного элемента и N излучающими элементами второго антенного элемента расположена дополнительная заземляющая пластина.

4. Антенная система по п.1, причем N заземляющих отражающих элементов расположены на одной плоскости с N переизлучающими элементами первого антенного элемента и N переизлучающими элементами второго антенного элемента.

5. Антенная система по п.1, причем N заземляющих отражающих элементов расположены между плоскостью расположения N излучающих элементов первого антенного элемента и N излучающих элементов второго антенного элемента и плоскостью расположения N переизлучающих элементов первого антенного элемента и N переизлучающих элементов второго антенного элемента.

6. Антенная система по п.1, причем N заземляющих отражающих элементов представляют собой N составных отражающих элементов, выполненных в виде многослойной печатной платы.

7. Антенная система по п.1, причем переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой микрополосковые переизлучающие элементы и излучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой микрополосковые излучающие элементы.

8. Антенная система по п.1, причем переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой микрополосковые переизлучающие элементы и излучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой щелевые излучающие элементы.

9. Антенная система по п.1, причем переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой щелевые переизлучающие элементы и излучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой микрополосковые излучающие элементы.

10. Антенная система по п.1, причем переизлучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой щелевые переизлучающие элементы и излучающие элементы первого и второго антенных элементов представляют собой щелевые излучающие элементы.

11. Антенная система по п.1, причем расстояние между N излучающими элементами первого антенного элемента и N переизлучающими элементами первого антенного элемента меньше, чем расстояние между N излучающими элементами второго антенного элемента и N переизлучающими элементами второго антенного элемента.

12. Антенная система по п.1, причем расстояние между N излучающими элементами второго антенного элемента и N переизлучающими элементами второго антенного элемента меньше, чем расстояние между N излучающими элементами первого антенного элемента и N переизлучающими элементами первого антенного элемента.

13. Антенная система по п.1, причем N излучающих элементов первого антенного элемента и N излучающих элементов второго антенного элемента разделены на группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов, причем расстояние между излучающими элементами первого антенного элемента и излучающими элементами второго антенного элемента одной группы отличается от расстояния между излучающими элементами первого антенного элемента и излучающими элементами второго антенного элемента другой группы.

14. Антенная система по п.1, причем N излучающих элементов первого антенного элемента и N излучающих элементов второго антенного элемента разделены на группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов, причем расстояние между одной группой пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов и соответствующими переизлучающими элементами первого и второго антенных элементов отличается от расстояния между другой группой пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов и соответствующими переизлучающими элементами первого и второго антенных элементов.

15. Антенная система по п.13, дополнительно содержащая дополнительную группу дополнительных излучающих элементов первого антенного элемента и дополнительных излучающих элементов второго антенного элемента, расположенную между плоскостью расположения N излучающих элементов первого антенного элемента и N излучающих элементов второго антенного элемента и плоскостью расположения N переизлучающих элементов первого антенного элемента и N переизлучающих элементов второго антенного элемента, причем расстояние между дополнительными излучающими элементами первого антенного элемента и дополнительными излучающими элементами второго антенного элемента равно расстоянию между излучающими элементами первого антенного элемента и излучающими элементами второго антенного элемента группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов, расположенной непосредственно под этой дополнительной группой, и отличается от расстояния между излучающими элементами первого антенного элемента и излучающими элементами второго антенного элемента другой группы пар излучающих элементов первого и второго антенных элементов.