ПРОХОДНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С БЕСКОНТАКТНОЙ СТРУКТУРОЙ И ОДНОБИТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЛУЧЕВОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ Российский патент 2021 года по МПК H01Q1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к проходной антенной решетке с бесконтактной структурой и однобитным управлением, а также к ячейкам такой антенной решетки.

Уровень техники

Постоянно возрастающие потребности пользователей мобильной связи обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка систем связи новых и перспективных стандартов передачи данных, таких как 5G (28 ГГц) и 6G (субтерагерцовый диапазон), которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, такими как высокая скорость передачи и энергоэффективность.

Новые приложения 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, 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, используемые в упомянутых областях, должны отвечать нескольким основным требованиям:

- низкие потери;

- простая схема управления;

- широкий рабочий диапазон частот;

- недорогая, компактная архитектура, применимая для массового производства.

В настоящее время существуют несколько основных подходов к построению архитектуры антенных решеток.

Традиционной считается структура решетки с непосредственным (фидерным) возбуждением. В такой решетке антенные элементы запитываются непосредственно с выходов схемы управления (обычно включающей в себя фазовращатели), питаемой от источника высокочастотной мощности. Таким образом, каждый антенный элемент соединен с и получает энергию от источника питания посредством системы деления мощности. Такая решетка может быть выполнена с многослойной 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.

Альтернативой является проходная антенная решетка с пространственным («оптическим») 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 управляет формированием излучения передающих антенных элементов. В такой решетке практически нет потерь мощности в системе питания вследствие распространения излучения от облучателя в воздухе (за исключением так называемого перелива мощности облучателя за раскрыв линзы). Кроме того в данной антенной решетке отсутствует проблема сложности обеспечения питания с увеличением размера решетки. Одним из недостатков такой антенной решетки является сложность структуры элементарных ячеек антенной решетки.

Соответствующее предшествующему уровню техники решение, описанное в документе US 9,941,592 B2, раскрывает элементарную ячейку, включающую в себя приемную антенну, передающую антенну и включающую в себя первую и вторую излучающие поверхности, отделенные друг от друга областью разделения, схему фазового сдвига, содержащую переключатели, каждый из которых имеет состояние включения или выключения, причем соответствующий переключатель обеспечивает или блокирует прохождение тока между первой и второй излучающими поверхностями; заземляющий слой; первую печатную плату, включающую в себя первую поверхность, снабженную приемной антенной, и вторую противоположную поверхность, снабженную пластиной заземления; пластина из полупроводникового материала, содержащая первую поверхность, снабжена первой и второй излучающими поверхностями, и при этом переключатели сформированы в области разделения, монолитно с передающей антенной. Однако, известное решение имеет сложную структуру и требует пайки для сборки упомянутой элементарной ячейки.

Решение, описанное в документе US 9,099,775 B2, раскрывает излучающую ячейку, имеющую два фазных состояния, подходящую для антенной решетки передатчика, способной передавать микроволновые сигналы, причем ячейка содержит первую антенну и вторую антенну, размещенные с обеих сторон сборки, содержащей два слоя подложки, разделенных заземляющим слоем. Вторая антенна содержит проводящий элемент, способный излучать, при этом ячейка содержит по меньшей мере два средства переключения, каждое из которых может иметь состояние включения и состояние выключения между двумя портами. Один из указанных портов соединен со вторым излучающим элементом, при этом указанное средство переключения управляется противоположным образом. Излучающая ячейка применяется, в частности, при реализации решеток передатчиков, использующих несколько конфигурируемых ячеек для управления диаграммой направленности. Однако, известное решение имеет сложную многослойную структуру.

Таким образом, в уровне техники существует потребность в создании простой и недорогой структуры управляемой проходной антенной решетки с низкими потерями и компактными размерами, пригодной для массового производства.

Сущность изобретения

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

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложена ячейка антенной решетки, содержащая:

- центральную печатную плату, включающую в себя симметричную щелевую структуру и по меньшей мере два переключающих элемента, которые расположены в упомянутой щелевой структуре симметрично относительно плоскости симметрии щелевой структуры, причем переключающие элементы выполнены таким образом, что, когда один из элементов имеет состояние низкого импеданса, другой из элементов имеет состояние высокого импеданса и наоборот,

- входной поляризационный фильтр, параллельный одной стороне центральной печатной платы,

- выходной поляризационный фильтр, параллельный другой стороне центральной печатной платы,

- линию управления для управления переключающими элементами,

причем один из поляризационных фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, в то время как другой из фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, и

причем входной поляризационный фильтр, центральная печатная плата и выходной поляризационный фильтр отделены друг от друга зазором.

Согласно одному варианту осуществления упомянутый зазор представляет собой воздушный зазор.

Согласно другому варианту осуществления упомянутый зазор заполнен слоем диэлектрика.

Согласно другому варианту осуществления центральная печатная плата представляет собой двухслойную печатную плату.

Согласно другому варианту осуществления линия управления представляет собой микрополосковую линию в центральной печатной плате.

Согласно другому варианту осуществления поляризационные фильтры выполнены на однослойных печатных платах.

Согласно другому варианту осуществления каждая из печатных плат поляризационных фильтров включает в себя щелевую антенну.

Согласно другому варианту осуществления поляризационные фильтры представляют собой перфорированные металлические листы.

Согласно другому варианту осуществления переключающие элементы выбраны из группы, включающей в себя pin-диоды, фотопроводящие элементы, транзисторы, MEMS.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложена проходная антенная решетка, включающая в себя массив ячеек в соответствии с настоящим изобретением и блок управления для управления антенной решеткой.

Настоящее изобретение обеспечивает антенную решетку, состоящую из элементарных ячеек, обладающих компактными размерами и простой структурой.

Краткое описание чертежей

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

На фиг. 1 изображена общая структура известной из уровня техники проходной антенной решетки.

На фиг. 2 изображен примерный вариант структуры элементарной ячейки проходной антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 изображены возможные варианты реализации щелевой структуры в центральной печатной плате ячейки антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 4 изображена эквивалентная схема работы переключающих элементов.

На фиг. 5 изображены рабочие состояния ячейки антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением на виде ячейки сверху.

На фиг. 6 схематично изображено распространение излучения в элементарной ячейке антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание

Проходная антенная решетка используется для сканирования луча (управления лучом) или фокусировки поля излучения. Как изображено на фиг. 1, антенная решетка облучается облучателем, например, сферической или плоской волной. Облучатель может представлять собой направленную антенну или антенную решетку, включая, но не ограничительно, по меньшей мере одно из следующего: решетка открытых прямоугольных волноводов со схемой деления мощности, решетка щелевых прямоугольных волноводов, щелевая радиальная волноводная решетка и т.д. Вследствие распространения излучения от облучателя к проходной антенной решетке через воздушный зазор, представленная схема обладает низкими потерями питания. Проходная антенная решетка преобразует поступившее излучение в направленное излучение посредством управления фазой излучения элементарных ячеек, составляющих упомянутую антенную решетку. Таким образом, между приемными антенными элементами проходной антенной решетки и передающими элементами проходной антенной решетки расположено средство управления фазой, которое может включать в себя, например, фазовращатель, линию задержки и т.д. В общем случае, фаза может регулироваться в диапазоне от 0 до 360 градусов, однако, в таком случае ячейки проходной антенной решетки обладают сложной структурой, обеспечивающей такое управление фазой.

Далее со ссылками на фиг. 2-6 будет описана структура элементарной ячейки проходной антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 изображен примерный вариант структуры элементарной ячейки проходной антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.

Как изображено на фиг. 2, ячейка (1) проходной антенной решетки состоит из входного поляризационного фильтра (2), выходного поляризационного фильтра (4) и центральной печатной платы (3), расположенной между упомянутыми фильтрами. Упомянутые слои разделены воздушным зазором. Воздушный зазор обеспечен посредством проставок (спейсеров). Возможно также диэлектрическое заполнение или многослойное диэлектрическое заполнение зазоров между слоями, т.е. упомянутый зазор может быть заполнен диэлектриком. При этом необходимо учитывать доступ для монтажа переключающих элементов.

Центральная печатная плата (3) включает в себя симметричную щелевую структуру (6) и по меньшей мере два переключающих элемента (8, 9), которые расположены в упомянутой щелевой структуре симметрично относительно плоскости симметрии щелевой структуры. Плоскость симметрии это нормальная плоскость к плоскостям элементов такая, что относительно этой плоскости соблюдается зеркальная симметрия геометрии всех элементов центральной печатной платы. Упомянутая симметрия компоновки обеспечивает возможность регулировки (переключения) фазы (0/180 градусов). Расстояние или угол между переключающими элементами в упомянутой компоновке настраивается для обеспечения требуемых параметров сигнала (согласование, прохождение, полоса частот и т.д.). Плоскость симметрии центральной печатной платы может иметь произвольное расположение относительно плоскостей симметрии поляризационных фильтров. Однако, в частном варианте осуществления настоящего изобретения плоскость симметрии центральной печатной платы может совпадать с одной из плоскостей симметрии поляризационных фильтров.

В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, щелевая структура (6) имеет форму круга. В альтернативных вариантах осуществления, щелевая структура центральной печатной платы может иметь другую форму в зависимости от конструкторских, технологических и иных требований (см. фиг. 3). При этом отмечается, что щелевая структура может иметь и несимметричную форму. Однако, наибольшая эффективность работы ячейки антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением достигается при использовании симметричной формы упомянутой щелевой структуры (6).

Упомянутые переключающие элементы (8, 9) выполнены таким образом, что, когда один из элементов имеет состояние низкого импеданса (т.е. переключающий элемент замкнут) и таким образом соединяет фрагменты центральной печатной платы, ограничивающие щелевую структуру, другой из элементов имеет состояние высокого импеданса (т.е. переключающий элемент разомкнут) и наоборот. Упомянутые переключающие элементы могут быть выполнены в виде, например, pin-диодов, фотопроводящих элементов, транзисторов, MEMS (Microelectromechanical systems, микроэлектромеханические системы) и т.д.

В альтернативном варианте осуществления может использоваться переключающий элемент с высокой паразитной емкостью. Для создания параллельного резонанса на паразитной емкости рядом с переключающим элементом размещается замыкающая дорожка, играющая роль индуктивности. В состоянии параллельного резонанса переключающий элемент имеет высокое сопротивление, что обеспечивает эффективное «выключение» упомянутого переключающего элемента. Такой вариант осуществления позволяет использовать недорогие компоненты, что снижает затраты на производство антенной решетки.

В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, центральная печатная плата включает в себя два переключающих элемента. Однако, стоит отметить, что в альтернативных вариантах осуществления центральная печатная плата может включать в себя больше двух переключающих элементов, при этом упомянутые переключающие элементы должны быть сгруппированы в две группы так, что группы имеют в любой момент времени различные состояния. В то же время в соответствии с настоящим изобретением расположение упомянутых переключающих элементов (групп элементов) должно обладать зеркальной симметрией.

Управление переключающими элементами осуществляется посредством линии (10) управления, которая соединяется с переключающими элементами (8, 9) в центральной части фрагмента печатной платы, окруженного щелевой структурой (6). Линия (10) управления в примерном варианте осуществления представляет собой микрополосковую линию в центральной печатной плате. Длина линии (10) управления от щелевой структуры (6) до упомянутой центральной части фрагмента печатной платы, окруженного щелевой структурой (6), предпочтительно должна составлять порядка 1/4 длины волны основной моды микрополосковой линии. Такая длина дает высокий импеданс отрезка линии (10) управления в месте пересечения линии (10) управления и щелевой структуры (6) и предотвращает утечку основного сигнала в эту линию (10) управления. Второй конец линии (10) управления соединен с шиной передачи данных (не изображена), посредством которой осуществляется передача управляющих сигналов от блока управления антенной решетки к элементарным ячейкам антенной решетки. На проводниках шины управления также возможна установка фильтрующих элементов известных из уровня техники для уменьшения (предотвращения) утечки сигнала в шину управления.

В представленном на фиг.2 примерном варианте осуществления ячейки антенной решетки упомянутые переключающие элементы (8, 9) являются pin-диодами. Эквивалентная схема работы этих переключающих элементов в двух состояниях изображена на фиг. 4. Как видно из упомянутой эквивалентной схемы, в зависимости от управляющего сигнала в каждом из упомянутых двух состояний один из pin-диодов является проводящим, в то время как другой является непроводящим. Таким образом, при такой схеме включения переключающих элементов достаточно одной линии управления для управления обоими переключающими элементами. Центральная часть ячейки, отделенная щелевой структурой от остальной части печатной платы, получает посредством линии управления положительный или отрицательный потенциал относительно упомянутой остальной части платы. В зависимости от этого включается один из диодов.

В примерном варианте осуществления центральная печатная плата реализована как двухслойная печатная плата, при этом первый слой включает в себя щелевую структуру, а второй слой включает в себя микрополосковую линию управления. Переключающие элементы могут быть расположены с обеих сторон печатной платы. Если они расположены со стороны микрополосковой линии управления, то контактные площадки переключающих элементов соединяются с другой стороной печатной платы посредством металлизированных отверстий. В случае, если микрополосковая линия управления отсутствует, центральная печатная плата может быть выполнена однослойной. Например, в случае использования фотопроводящих переключающих элементов, управление ими можно осуществлять посредством их диэлектрических оптических волноводов, реализующих функцию линии управления переключающими элементами. Оптические волноводы при этом могут быть расположены в промежутках между поляризационными фильтрами и центральной пластиной, не оказывая существенного влияния на сигнал, проходящий через антенную решетку в силу малых поперечных размеров. Также оптические волноводы могут быть расположены перпендикулярно плоскостям элементов решетки. В таком случае микрополосковая линия управления не нужна.

С математической точки зрения центральная печатная плата с щелевой структурой может быть представлена как восьмиполюсник (четырехпортовое устройство), описываемый матрицей рассеяния.

В общем виде, упомянутая матрица имеет следующий вид (с указанием свойств некоторых элементов матрицы описываемой структуры):

.

Для упрощения предполагаем, что у нас бесконечная периодическая структура нулевой толщины, причем поперечные размеры ячейки меньше половины длины волны. Рассматривается только нормальное падение плоской волны. Тогда согласно теории периодических структур на достаточно больших расстояниях от структуры (по сравнению с периодом структуры) поле можно описать плоской падающей волной, плоскими отраженными волнами двух поляризаций и прошедшими плоскими волнами двух поляризации. Из этого вытекает возможность описания системы матрицей рассеяния как линейной системы с конечным числом портов. Порт в данном описании это плоская волна какой-то поляризации. Нулевая толщина дает нам возможность связать поле с одной стороны от структуры (z<0, ось z перпендикулярна плоскости центральной печатной платы) с полем на другой стороне (z>0) через его непрерывность в щели. Также используется свойство взаимности при использовании взаимных материалов с симметричными тензорами материальных уравнений (для уравнений Максвелла), используемых для описания материалов в электродинамике. Первый порт (порт1) в упомянутом четырехпортовом устройстве - это порт со стороны z<0 с у-поляризацией, второй порт (порт2) - это порт со стороны z<0 с х-поляризацией, третий порт (порт3) - это порт со стороны z>0 с y-поляризацией, четвертый порт (порт4) - порт со стороны z>0 с x-поляризацией.

S₁₂=S₂₁, S₃₂=S₂₃ - свойство того, что матрица рассеяния устройств, имеющих симметричные тензоры материальных уравнений Максвелла, симметрична.

S₄₁=S₂₁, S₃₂=S₁₂ - это равенство является следствием того, что комплексные амплитуды кросс поляризованного прошедшего (S₄₁, S₃₂) и отраженного (S₂₁, S₁₂) полей возбуждаются одинаковым полем в щели c двух сторон от бесконечно тонкого экрана.

Таким образом, S₄₁=S₂₃.

S₄₁ - комплексная амплитуда прошедшей волны с х-поляризацией при падении волны с у-поляризацией со стороны z<0 (допустим состояние ключей, если смотрим со стороны z<0 и ось y направлена вверх, представляет собой 0 для ключа расположенного слева от плоскости симметрии (ключ 1) и 1 для ключа расположенного справа от плоскости симметрии (ключ 2)).

S₂₃ - комплексная амплитуда прошедшей волны с х-поляризацией при падении волны с у-поляризацией со стороны z>0, причем состояние ключей, если смотрим со стороны z<0, представляет собой 0 и 1 (аналогично описанному в предыдущем абзаце) или, если смотрим со стороны z>0, представляет собой 1 (ключ 2 расположен слева от плоскости симметрии) и 0 (ключ 1 расположен справа от плоскости симметрии), а это эквивалентно падению со стороны z<0, но с состоянием ключей 1 (ключ 1) и 0 (ключ 2).

Поскольку ось х со стороны z>0 идет в одном направлении, а со стороны z<0 - в противоположном направлении, то при переключении симметрично расположенных переключающих элементов S₄₁ меняет знак.

Входной поляризационный фильтр и выходной поляризационный фильтр в примерном варианте осуществления выполнены как печатные платы, каждая из которых включает в себя щелевую антенну, предназначенную для пропуска волны с определенной поляризацией. Щели (слоты) в этих печатных платах имеют прямоугольную форму, при этом щель (5) во входном поляризационном фильтре (2) расположена перпендикулярно относительно щели (7) в выходном поляризационном фильтре (4). В таком случае входной поляризационный фильтр (2) пропускает, например, волну с горизонтальной поляризацией, а выходной поляризационный фильтр (4) пропускает волну с вертикальной поляризацией или наоборот.

В примерном варианте осуществления входной поляризационный фильтр выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, а выходной поляризационный фильтр выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры. Возможна и обратная конфигурация. Это следует из приведенного выше свойства симметрии матрицы рассеяния полного устройства (s₁₂= s₂₁).

Таким образом, в общем случае один из поляризационных фильтров должен быть выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, в то время как другой из фильтров должен быть выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры.

В альтернативном варианте осуществления входной поляризационный фильтр и выходной поляризационный фильтр могут представлять собой перфорированные металлические листы.

В еще одном альтернативном варианте осуществления щель имеет, например, форму эллипса вместо прямоугольной формы.

В дополнительном альтернативном варианте осуществления изобретения вместо щелевой антенны может использоваться полосковая антенна.

На фиг. 5 изображены рабочие состояния ячейки антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением на виде ячейки сверху.

В примере на фиг. 5 щель (5) входного поляризационного фильтра пропускает волны с вертикальной поляризацией (у-поляризацией), в то время как щель (7) выходного поляризационного фильтра пропускает волны с горизонтальной поляризацией (х-поляризацией).

В случае, изображенном на фиг. 5а, состояние первого переключающего элемента (8) идентично состоянию второго переключающего элемента (9). Система обладает симметрией относительно оси у. В таком случае изменение поляризации невозможно, т.к. оно является результатом нарушения симметрии. Следовательно, излучение на выходе элементарной ячейки отсутствует. Поэтому такая конфигурация не используется в настоящем изобретении.

В случае, изображенном на фиг. 5б, переключающий элемент (8) является включенным, а переключающий элемент (9) является выключенным. Обратная ситуация изображена на фиг. 5в. В таком случае система имеет нарушение симметрии. За счет такой асимметрии происходит изменение поляризации проходящего излучения. Волна с вертикальной поляризацией проходит через щель (5) входного поляризационного фильтра. Волна с горизонтальной поляризацией (кроссполяризованная волна) проходит через щель (7) выходного поляризационного фильтра. Описанные два состояния (фиг. 5б и 5в) имеют противоположное направление электрического поля в щели выходного поляризационного фильтра (0 и 180 градусов). Таким образом, переключение между этими двумя состояниями позволяет реализовать однобитное управление фазой (0/180 градусов) излучения элементарной ячейки антенной решетки.

Принцип изменения поляризации излучения в элементарной ячейке антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением будет описан далее со ссылкой на фиг. 6.

На фиг. 6 схематично изображено распространение излучения в элементарной ячейке антенной решетки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 6 в обозначениях, используемых для указания распространения излучения, верхний индекс указывает направление распространения излучения («+» означает распространение слева направо на фигуре, в то время как «-» означает распространение справа налево), цифра в нижнем индексе указывает порядковый номер слоя, в котором распространяется излучение (1 - пространство до входного поляризационного фильтра, 2 - воздушный зазор между входным поляризационным фильтром и центральной печатной платой, 3 - воздушный зазор между выходным поляризационным фильтром и центральной печатной платой, 4 - пространство после выходного поляризационного фильтра), а буквы в нижнем индексе обозначают поляризацию излучения (С - излучение с кополяризацией относительно падающей волны, Х - излучение с кроссполяризацией относительно падающей волны).

Как изображено на фиг. 6, падающая волна частично отражается от входного поляризационного фильтра и частично проходит через него. Далее щелевая структура частично пропускает падающую волну и частично отражает ее и при этом деполяризует как отраженную, так и прошедшую волну.

Следовательно, падающая волна частично отражается от входного поляризационного фильтра и частично отражается от центральной печатной платы. Интерференция этих отраженных волн дает суммарное отражение, и оптимизация их амплитуд и фаз позволяет минимизировать суммарное отражение. Излучение с кроссполяризацией при этом полностью отражается от входного поляризационного фильтра.

В двух воздушных зазорах существуют стоячие волны обеих поляризаций.

Справа через выходной поляризационный фильтр проходит только излучение с кроссполяризацией относительно падающей волны. При этом переключающие элементы в этом случае за счет своего симметричного расположения позволяют переключать фазу прошедшего сигнала при неизменной амплитуде.

Таким образом, как видно из фиг. 6, выходной поляризационный фильтр пропускает только излучение с кроссполяризацией относительно падающей волны. Принцип работы элементарной ячейки основан на возбуждении полей с двумя поляризациями в щели с несимметричным включением переключающих элементов, поляризационной фильтрации и согласовании входного и выходного портов структуры. В результате обеспечивается возможность создания переключаемой передающей структуры для входных электромагнитных волн. Сдвиг фазы 180 градусов задается автоматически посредством учета симметрии.

Регулировка параметров щелей поляризационных фильтров и воздушных зазоров позволяет согласовать отражения излучения от щелей и центральной печатной платы.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением возможно скомпоновать элементарную ячейку антенной решетки с бесконтактной структурой (поляризационные фильтры и центральная печатная плата разделены воздушным зазором) и однобитным управлением (0/180 градусов) из трех отдельных подложек с минимальным числом управляющих элементов, т.е. предложенная компоновка имеет компактные размеры и очень простую структуру с минимальными потерями. Такая компоновка в силу своей простоты позволяет снизить затраты, как материальные, так и временные, на производство упомянутой элементарной ячейки антенной решетки. Стоит отметить, что производство компоновки из трех разнесенных печатных плат, в которой поляризационные фильтры выполнены однослойными, а центральная печатная плата выполнена двухслойной, гораздо проще производства компоновки, представляющей собой многослойную печатную плату.

В соответствии с одним из аспектов изобретения предложена проходная антенная решетка, включающая в себя массив (матрицу) из элементарных ячеек в соответствии с настоящим изобретением, а также блок управления для управления антенной решеткой. Далее будет рассмотрено функционирование такой проходной антенной решетки.

Диаграмма направленности антенной решетки характеризуется вектором сканирования , который представляет собой полный вектор комплексных амплитуд (компонентами являются комплексные амплитуды сигналов от элементарных ячеек антенной решетки). Вектор сканирования определяется следующим образом:

, (1)

где - мнимая единица, - волновое число, - вектор от N-й ячейки антенной решетки до точки наблюдения, - фазовая задержка распространения электромагнитных волн от N-й ячейки антенной решетки до точки наблюдения, - комплексная амплитуда сигнала от N-й ячейки антенной решетки в точке наблюдения при ее возбуждении сигналом комплексной амплитуды 1.

Для генерирования однолучевой диаграммы направленности излучения антенной решетки блоком управления задается вектор возбуждения w₁ ячеек антенной решетки, состоящий из элементов ±1 для однобитного управления. Количество элементов вектора возбуждения равно количеству элементарных ячеек в антенной решетке, причем каждый элемент задает фазу излучения элементарной ячейки антенной решетки. Вектор возбуждения ячеек антенной решетки для генерирования однолучевой диаграммы направленности задается следующим образом:

, (2)

где - регулируемое значение фазы, оптимизируемое посредством моделирования множителя решетки (AF, array factor), - вектор сканирования, представляющий собой полный вектор комплексных амплитуд (компонентами являются комплексные амплитуды от элементарных ячеек антенной решетки), exp - комплексная экспонента , arg - аргумент комплексного числа, sign - функция знака действительного числа: +1 для положительного числа, -1 для отрицательного числа, 0 для 0.

Множитель решетки определяется следующим образом:

, (3)

где θ и ϕ - текущие угол возвышения и азимутальный угол точки наблюдения в сферической системе координат.

Эта формула для скалярного произведения векторов совпадает с суммированием комплексных вкладов от единичных элементов решетки

и дает комплексную амплитуду сигнала от всей решетки в точке наблюдения с учетом индивидуальных комплексных амплитуд возбуждения единичных элементов без учета диаграммы направленности индивидуальных элементов.

Для генерирования многолучевой диаграммы направленности излучения антенной решетки блоком управления следующим образом задается вектор возбуждения w_M ячеек антенной решетки:

, (4)

где - вектор сканирования для s-го направления, а - весовой коэффициент для s-го направления, оптимизируемый посредством моделирования множителя решетки. Для матрицы 16х16 и более весовой коэффициент в большинстве случаев может быть равен единице.

Антенна в соответствии с настоящим изобретением способна осуществлять как сканирование луча, так и фокусировку электромагнитного поля излучения, при этом антенна может формировать как однолучевую, так и многолучевую диаграмму направленности.

Описанный способ управления антенной согласно настоящему изобретению может выполняться блоком управления, который исполняет программный код, содержащийся на компьютерно-читаемом носителе.

Антенна согласно настоящему изобретению преимущественно 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 проходной антенной решеткой согласно настоящему изобретению могут найти применение в системах беспроводной связи перспективных стандартов 5G, 6G и WiGig. При этом настоящее изобретение может использоваться как в базовых станциях, так и в антеннах мобильных терминалов.

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.

Кроме того, настоящее изобретение может найти применение при реализации интеллектуальных передающих поверхностей, обеспечивающих передачу сигналов от базовых станций пользователям. Такая реализация позволяет снизить потребление энергии и число требуемых базовых станций.

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, в частности к конструкции ячейки антенной решетки и к проходной антенной решетке на основе таких ячеек. Технический результат заключается в уменьшении размеров и упрощении структуры ячеек управляемой проходной антенной решетки. Технический результат достигается тем, что ячейка антенной решетки содержит центральную печатную плату, включающую в себя щелевую структуру, обладающую симметрией, и по меньшей мере два переключающих элемента, которые расположены в упомянутой щелевой структуре симметрично относительно плоскости симметрии щелевой структуры, входной и выходной поляризационные фильтры, а также линию управления для управления переключающими элементами, причем один из поляризационных фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, в то время как другой из фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, а входной поляризационный фильтр, центральная печатная плата и выходной поляризационный фильтр отделены друг от друга зазором. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ячейка антенной решетки, содержащая:

- центральную печатную плату, включающую в себя симметричную щелевую структуру и по меньшей мере два переключающих элемента, которые расположены в упомянутой щелевой структуре симметрично относительно плоскости симметрии щелевой структуры, причем переключающие элементы выполнены таким образом, что, когда один из элементов имеет состояние низкого импеданса, другой из элементов имеет состояние высокого импеданса и наоборот,

- входной поляризационный фильтр, параллельный одной стороне центральной печатной платы,

- выходной поляризационный фильтр, параллельный другой стороне центральной печатной платы,

- линию управления для управления переключающими элементами,

причем один из поляризационных фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, параллельной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, в то время как другой из фильтров выполнен с возможностью пропускать излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости симметрии упомянутой щелевой структуры, и

причем входной поляризационный фильтр, центральная печатная плата и выходной поляризационный фильтр отделены друг от друга зазором.

2. Ячейка антенной решетки по п.1, причем упомянутый зазор представляет собой воздушный зазор.

3. Ячейка антенной решетки по п.1, причем упомянутый зазор заполнен слоем диэлектрика.

4. Ячейка антенной решетки по п.1, причем центральная печатная плата представляет собой двухслойную печатную плату.

5. Ячейка антенной решетки по п.4, причем линия управления представляет собой микрополосковую линию в центральной печатной плате.

6. Ячейка антенной решетки по п.1, причем поляризационные фильтры выполнены на однослойных печатных платах.

7. Ячейка антенной решетки по п.6, причем каждая из печатных плат поляризационных фильтров включает в себя щелевую антенну.

8. Ячейка антенной решетки по п.1, причем поляризационные фильтры представляют собой перфорированные металлические листы.

9. Ячейка антенной решетки по п.1, причем переключающие элементы выбраны из группы, включающей в себя pin-диоды, фотопроводящие элементы, транзисторы, MEMS.

10. Проходная антенная решетка, включающая в себя массив ячеек по любому из пп.1-9 и блок управления для управления антенной решеткой.