АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ПОЛУПРОЗРАЧНОЙ ДЕПОЛЯРИЗУЮЩЕЙ МЕТАПОВЕРХНОСТЬЮ Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/00 H01Q21/29 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиотехнике и, более конкретно, к широкоугольной сканирующей антенной решетке.

Уровень техники

Постоянно возрастающие потребности пользователей обуславливают стремительное развитие технологий связи. В настоящее время ведется активная разработка перспективных сетей связи 5G и 6G, которые будут характеризоваться более высокими показателями производительности, такими как высокая скорость передачи и энергоэффективность.

Новые приложения требуют внедрения нового класса радиосистем, 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), WiGig (60ГГц), Beyond 5G (60 ГГц), 6G(субТГц), системах беспроводной передачи мощности на большие расстояния (Long-distance wireless power transmission, LWPT) (24ГГц), системах автомобильных радаров (24ГГц, 79ГГц) и т.д.

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

- низкие потери и высокий коэффициент усиления;

- возможность гибкого управления лучом (направлением максимума излучения), т.е. сканирование лучом и фокусировка излучаемого поля в широком диапазоне углов;

- работа в широком диапазоне частот;

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

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

Печатная антенная решетка представляет собой массив слабонаправленных печатных излучателей.

Существующие технологии антенн миллиметрового диапазона обладают рядом ограничений, существенно влияющих на возможность их применения:

- малое расстояние между питающими портами антенных элементов;

- распространение поверхностных волн в печатных платах антенн;

- значительное падение коэффициента усиления при больших углах сканирования;

- необходимость адаптации к технологии AiP (Antenna-in-package);

- предельно жесткие требования к точности изготовления, качеству используемого многослойного диэлектрика и т.д.

При использовании в системах связи основные требования к антенной решетке в составе базовой станции - это обеспечение полного кругового (360 градусов) сканирования луча по азимуту и работа с двойной поляризацией. Такой диапазон сканирования осуществляется путем комбинирования нескольких антенных решеток с ограниченным сектором сканирования. Очевидно, что количество необходимых для базовой станции решеток определяется диапазоном сканирования отдельных применяемых решеток. Таким образом, если сектор сканирования антенной решетки ограничен ± 45 градусов, что характерно для применяемых в настоящее время в базовых станциях антенных решеток, тогда требуются 4 решетки для обеспечения полного кругового (360 градусов) сканирования лучом. При расширенном до ± 60 градусов секторе сканирования для решетки потребуется всего 3 решетки. Таким образом, увеличение сектора сканирования отдельной антенной решетки может привести к снижению требуемого количества антенных решеток для обеспечения заданного угла сканирования и, соответственно, снижению сложности управления антенными решетками.

Одним из основных недостатков существующих двухполяризационных антенных решеток является взаимное влияние питающих портов антенных элементов друг на друга (кроссполяризационная связь между питающими портами разной поляризации в одном антенном элементе и в соседних антенных элементах, а также кополяризационная связь между питающими портами одной поляризации в соседних антенных элементах).

Этот эффект связан с распространением паразитных поверхностных волн между элементами решетки в подложке печатной платы и над ее поверхностью и вытекающих волн (leaky waves) над антенной решеткой, их сложением в точках расположения элементов запитки, что приводит к рассогласованию антенных элементов или, в случае двухполяризационных решеток, перетеканию мощности в порты второй поляризации.

Двухполяризационные антенные элементы имеют ассиметричную структуру, что может усугублять эти эффекты. На этапе проектирования антенных решеток это также проявляется в асимметричной диаграмме направленности отдельного антенного элемента в составе всей решетки и результирующей асимметрии в характеристиках сканирования.

В результате, возникает нежелательное падение коэффициента усиления элемента решетки при некотором угле излучения относительно нормали, формируется асимметричная диаграмма направленности отдельного антенного элемента и всей решетки, а также сужается рабочий диапазон частот. Результатом этого является нежелательное падение коэффициента усиления при широких углах сканирования (больше 50 градусов). При этом стоит отметить, что при отклонении луча на угол более 45 градусов коэффициент усиления решетки падает значительно в одном направлении сканирования из двух симметричных, именно вследствие асимметрии диаграммы направленности отдельного элемента антенной решетки.

Одним из подходов для снижения взаимного влияния между элементами антенной решетки является использование EBG-элементов (Electromagnetic Band Gap - структура с электромагнитной запрещенной зоной, т.е. структура, формирующая область с невозможностью распространения электромагнитных волн определенного диапазона частот), которые блокируют распространение электромагнитных волн вдоль их поверхности на требуемых частотах за счет формирования зоны запирания (band gap). Располагая такие EBG-элементы между элементами антенной решетки, например по периметру каждого элемента, можно блокировать распространение паразитных поверхностных и вытекающих волн, распространяющихся вдоль поверхности решетки, что, в свою очередь, снизит связь между элементами решетки и приблизит характеристики излучения решетки к максимальным аналитическим значениям. Однако, из-за нехватки места между элементами решетки, часто не удается расположить достаточное количество рядов EBG-элементов, необходимое для полной блокировки поверхностных волн, и использование EBG-элементов не позволяет полностью устранить упомянутые выше эффекты. Таким образом, требуются дополнительные меры для достижения требуемых параметров антенной решетки.

Для решения упомянутых выше проблем необходимо, чтобы антенная решетка отвечала следующим условиям:

- высокая степень симметричности элементов антенной решетки;

- высокая ортогональность электромагнитных полей, возбуждаемых в элементе антенной решетки;

- отсутствие условий для распространения паразитных поверхностных волн и вытекающих волн между элементами антенной решетки.

Из предшествующего уровня техники известен патентный документ CN 210245710 U, который раскрывает многослойную антенну, содержащую полость для изоляции области излучающего патча, окруженную металлическими сквозными отверстиями, полость для изоляции опорной области, окруженную металлическими пластинами, и полость для изоляции области питания, окруженную металлическими сквозными отверстиями, последовательно сверху вниз; верхняя часть изолирующей полости области излучающего патча содержит двухслойный излучающий патч, а смежное соединение изолирующей полости опорной области и изолирующей полости области питания содержит однослойный излучающий патч; изолирующая полость области питания содержит внутри последовательно сверху вниз соединительную структуру и питающую структуру; питающая структура используется для наведения электромагнитного поля в соединительной структуре и осуществления подачи совместного питания на двухслойный излучающий патч и однослойный излучающий патч. Однако, в данном решении используется сложная металлическая полость между верхней и нижней, что усложняет структуру антенного элемента и его сборку. Кроме того, данный антенный элемент имеет несимметричную структуру линий питания, что может приводить к асимметричной диаграмме направленности антенны.

Патентный документ US 10,135,133 B2 раскрывает устройство для улучшения параметров антенной решетки сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Устройство расположено в зоне ближнего поля (зоне действия реактивных полей) антенной решетки и имеет вид расположенных на одной плоскости электрически изолированных друг от друга плоских металлических патчей прямоугольной, крестообразной, эллиптической и/или подобной формы. Упомянутые патчи сегментированы на участки меньшего размера не более 0,3 самой короткой длины волны рабочего диапазона антенны, а высота расположения упомянутой плоскости над антенной составляет более 0,25 и менее 0,4 центральной длины волны рабочего диапазона антенны. Множество электропроводных патчей спроектированы так, чтобы отражать часть электромагнитного излучения нижележащего элемента антенной решетки в соседний элемент антенной решетки. Отраженная часть излучения складывается в противофазе с излучением соседнего элемента антенной решетки, что приводит к их взаимной компенсации и позволяет уменьшить взаимную связь между элементами решетки. Однако, данное решение является очень требовательным к точности расположения отражающих элементов устройства над элементами антенной решетки, что является трудной задачей при производстве оборудования, рассчитанного для работы в диапазоне частот, характерном для стандарта связи 6G, вследствие чрезвычайно малых размеров упомянутых элементов. Кроме того, данное устройство не обладает высокой эффективностью для двухполяризационных антенных решеток. Также стоит отметить, что данное решение применяется только для антенных решеток, которые не осуществляют сканирование лучом.

Патентный документ US 8,681,064 B2 раскрывает антенную систему для уменьшения взаимного влияния между элементами антенной решетки, включающую в себя передающий модуль, выполненный с возможностью передачи сигнала, приемный модуль, выполненный с возможностью приема сигнала, радиопрозрачное укрытие (radome) и резистивную частотноизбирательную поверхность, выполненную с возможностью уменьшения составляющей сигнала, оказывающей влияние на соседние элементы антенной решетки, причем частотноизбирательная поверхность расположена на пути распространения упомянутой составляющей сигнала. Однако, данное решение позволяет снизить взаимное влияние только между соседними элементами антенной решетки и не предназначено для работы с двухполяризационныхми антенными решетками, в которых дополнительно требуется значительное подавление взаимной связи между ортогональными портами в границах отдельного излучателя.

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

Сущность изобретения

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

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложена антенная решетка, содержащая множество элементов антенной решетки, причем над антенной решеткой расположена метаповерхность, представляющая собой диэлектрический слой, на одной стороне которого расположены проводящие элементы, выполненные с возможностью отражения части излучения антенной решетки, причем расстояние между антенной решеткой и метаповерхностью составляет , где n - целое число полуволн (n=0, 1, 2...), - рабочая длина волны антенной решетки в среде в зазоре между антенной решеткой и метаповерхностью, а - предварительно заданный угол сканирования антенной решетки.

Согласно одному варианту осуществления антенной решетки проводящие элементы расположены на метаповерхности параллельно одной из сторон элемента антенной решетки.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки метаповерхность дополнительно содержит проводящие элементы, выполненные с возможностью отражения части излучения антенной решетки, на второй стороне диэлектрического слоя метаповерхности, причем проводящие элементы на противоположных сторонах диэлектрического слоя расположены ортогонально друг другу и параллельно сторонам элемента антенной решетки.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки проводящие элементы имеют вид множества прямоугольных или овальных элементов, каждый из которых имеет длину и ширину , где

,

,

- линейный размер элемента антенной решетки, причем проводящие элементы расположены рядами, расстояние между которыми составляет , а расстояние между проводящими элементами в одном ряду не превышает .

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки зазор между антенной решеткой и метаповерхностью заполнен воздухом, а представляет собой рабочую длину волны антенной решетки в свободном пространстве.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки зазор между антенной решеткой и метаповерхностью заполнен диэлектриком, а толщина слоя диэлектрика равна , где - длина волны в слое диэлектрика между метаповерхностью и антенной решеткой.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки толщина метаповерхности составляет , где - длина волны в диэлектрическом слое метаповерхности, - целое число полуволн.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки проводящие элементы на метаповерхности выполнены в виде непрерывных прямых проводящих элементов.

Согласно другому варианту осуществления антенной решетки метаповерхность реализована на многослойной печатной плате, состоящей из диэлектрических слоев с разной толщиной и диэлектрической проницаемостью.

Согласно другому варианту осуществления антенная решетка является двухполяризационной антенной решеткой.

Настоящее изобретение позволяет получить управляемую антенную решетку с простой архитектурой, высоким КПД, низкими потерями, компактными размерами, высоким коэффициентом усиления, выполненную с возможностью осуществления фокусировки/сканирования луча в широком диапазоне углов пространственного сканирования, работающую в широком диапазоне частот.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 изображает общий вид элемента антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления.

Фиг. 2 изображает вид сверху и вид сбоку элемента антенной решетки в соответствии с примерным вариантом осуществления.

Фиг. 3 изображает вид сверху одного элемента антенной решетки (слева) и метаповерхности (справа) в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения с указанием плоскостей сканирования.

Фиг. 4 схематично изображает принцип действия метаповерхности в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 изображает возможные альтернативные варианты осуществления метаповерхности на многослойной печатной плате.

Фиг. 6 изображает вид сверху одного элемента антенной решетки (слева) и метаповерхности (справа) в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения с указанием плоскостей сканирования для разных поляризаций.

Подробное описание

В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящее изобретение представляет собой двухполяризационную антенную решетку, содержащую множество элементов (1) антенной решетки (см. фиг. 1 и 2), причем над антенной решеткой расположена деполяризующая полупрозрачная метаповерхность (2), представляющая собой диэлектрический слой (3), на противоположных сторонах которого ортогонально друг другу расположены проводящие элементы (4), выполненные с возможностью отражения части излучения антенной решетки, причем расстояние h между антенной решеткой и метаповерхностью составляет , где - рабочая длина волны антенной решетки в среде в зазоре между антенной решеткой и метаповерхностью. В случае, когда зазор заполнен воздухом представляет собой рабочую длину волны антенной решетки в свободном пространстве. Под «деполяризующей полупрозрачной метаповерхностью» в настоящей заявке подразумевается периодическая структура, частично отражающая возбужденное электромагнитное поле рабочей поляризации (кополяризации), которое в результате взаимодействия с этой структурой преобразуется (деполяризуется) в электромагнитное поле ортогональной поляризации (кроссполяризации).

Таким образом, в примерном варианте осуществления проводящие элементы (4) расположены на обеих сторонах диэлектрического слоя (3). При этом проводящие элементы (4) на противоположных сторонах диэлектрического слоя (3) расположены ортогонально друг другу и параллельно сторонам элемента (1) антенной решетки. В антенных решетках, сканирующих в D-плоскостях, упомянутые проводящие элементы таким образом повернуты на 45 градусов относительно векторов поляризации (см. фиг. 3).

Толщина диэлектрического слоя (3) метаповерхности выбирается для снижения взаимного влияния именно на углах сканирования антенной решетки, где происходит деградация характеристик излучения (падение усиления антенны) вследствие синфазного сложения поверхностных волн (например на углах ±50⁰…60⁰, где ситуация усугубляется появлением дифракционного лепестка при сканировании), на которых проявляются описанные выше негативные эффекты, характерные для решений предшествующего уровня техники:

или в общем случае ,

где - длина волны в диэлектрическом слое метаповерхности, - целое число полуволн, - предварительно заданный угол сканирования антенной решетки, для которого необходима компенсация падения коэффициента усиления антенной решетки.

В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг.1 и 2, проводящие элементы (4) имеют вид множества прямоугольных элементов, каждый из которых имеет длину и ширину , где

,

,

- линейный размер элемента антенной решетки.

При этом прямоугольные проводящие элементы (4) расположены рядами, расстояние между которыми составляет . Максимальное расстояние между проводящими элементами (4) в одном ряду не превышает .

В примерном варианте осуществления антенная решетка осуществляет сканирование в D-плоскости. Т.е. проводящие элементы на метаповерхности расположены под углом 45 градусов к рабочим поляризациям (pol1, pol2) антенной решетки (см. Фиг. 3).

Антенный элемент имеет, как правило, разные формы диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях, т.е. расположение элемента без поворота дает разные диаграммы направленности для каждого из портов антенны в общей плоскости. В D-плоскости (см. фиг. 3) диаграммы направленности разных портов, для указанного случая, идентичны в плоскостях сканирования X и Y и близки к идентичным в случае малой утечки мощности между портами во всем диапазоне сканирования. Как следствие, при разработке антенного элемента и решетки, оптимизацию его геометрии достаточно проводить в одной плоскости (во второй плоскости результаты моделирования, благодаря идентичности характеристик излучения в D-плоскости, будут такими же). Это также упрощает управление решеткой, так как можно будет подавать одинаковое фазовое распределение на элементы решетки для сканирования по обеим поляризациям.

Далее со ссылкой на фиг. 4 будет описан принцип действия метаповерхности в соответствии с настоящим изобретением.

От РЧ (радиочастотного) порта сигнал поступает к элементу (1) двухполяризационной антенной решетки. Элемент (1) антенной решетки излучает электромагнитную волну соответствующей линейной поляризации. Упомянутое излучение имеет кополяризационную (основную) составляющую и кроссполяризационную (паразитную) составляющую.

Часть излученной мощности от элемента (1) антенной решетки (возбужденной рабочей поляризации), падающей на метаповерхность (2), отражается метаповерхностью (см. фиг. 4) следующим образом:

- Y-составляющая падающего излучения отражается проводящими элементами (4), расположенными вдоль оси Y (на нижней поверхности метаповерхности). Поскольку размер этих проводящих элементов (4) вдоль оси X намного меньше, чем вдоль оси Y, то X-составляющая падающего излучения отражается лишь в очень незначительной степени и большая ее часть проникает в диэлектрический слой (3) метаповерхности (2);

- X-составляющая излучения, распространяясь до верхней границы метаповерхности (2), затем отражается проводящими элементами (4), расположенными вдоль оси X на верхней границе метаповерхности.

Т.к. толщина метаповерхности (2) составляет , то отраженная X-составляющая при угле сканирования антенной решетки получает сдвиг по фазе 180⁰ относительно падающего излучения. В итоге вектор X-составляющей на нижней границе метаповерхности после двойного прохождения диэлектрического слоя меняет свое направление на противоположное. В то время как вектор отраженной Y-составляющей на нижней границе метаповерхности, не получая дополнительного фазового сдвига, не меняет своего направления. На фиг.4 справа показано преобразование результирующей поляризации. Это означает, что часть падающего излучения при отражении от метаповерхности преобразуется в противофазное излучение с кроссполяризацией.

Указанная выше формула для является приближенной, фактическая толщина диэлектрика метаповерхности может отличаться примерно на ±20% из-за уменьшения, по закону преломления, угла падающего излучения . Также влияние на оптимальное значение толщины будет оказывать связь между проводящими элементами.

При этом метаповерхность (2) расположена на расстоянии от антенной решетки ( - рабочая длина волны в среде в зазоре между антенной решеткой и метаповерхностью), т.е. выше зоны действия реактивных полей, в зоне, где электромагнитное поле уже установилось. Это исключает появление нежелательных результатов воздействия реактивных полей на метаповерхность.

Зазор между антенной решеткой и метаповерхностью может быть реализован посредством диэлектрических проставок (спейсеров). В примерном варианте осуществления настоящего изобретения упомянутый зазор заполнен воздухом.

Когда упомянутое выше отраженное излучение с кроссполяризацией распространяется от метаповерхности (2) в направлении к антенной решетке, паразитная составляющая излучения антенной решетки с кроссполяризацией компенсируется отраженным излучением с кроссполяризацией вследствие их противофазности. Расстояние (величина зазора) между антенной решеткой и метаповерхностью, обеспечивающее такое противофазное взаимодействие, составляет или в общем случае , где n - целое число полуволн (n=0, 1, 2...). Незначительные отклонения от значения связаны с рабочим диапазоном частот (и может быть конкретной частотой, на которой происходит падение усиления), а также связью метаповерхности с элементами антенной решетки. Также отклонения от упомянутого значения могут быть связаны с наличием EBG-элементов в конфигурации антенной решетки, которые меняют электромагнитную связь с метаповерхностью.

Описанное выше взаимодействие паразитной составляющей излучения антенной решетки с кроссполяризацией и отраженного излучения с кроссполяризацией позволяет снизить кроссполяризационную составляющую излучения антенной решетки. В результате коэффициент усиления антенной решетки при широких углах сканирования возрастает.

В диапазоне примерно ±20° от будет наблюдаться схожий эффект улучшения характеристик (усиления) антенной решетки в результате уменьшения эффекта деполяризации, но при удалении от возможно небольшое падение усиления (например при = 0) из-за рассогласования раскрыва решетки при внедрении метаповерхности. Однако, расширение сектора сканирования при заданном уровне усиления решетки оказывается, зачастую, более важным для всей системы.

Кроме того, метаповерхность (2) в соответствии с описанным выше примерным вариантом осуществления характеризуется однородной конфигурацией, что приводит к снижению чувствительности к ее продольным смещениям относительно центров элементов (1) антенной решетки, что упрощает сборку конструкции и снижает стоимость антенной решетки в целом и позволяет получить более надежную конструкцию антенной решетки, обладающей при этом высокой эффективностью.

Расположение проводящих элементов (4) ортогонально друг другу на обеих сторонах метаповерхности позволяет обеспечить высокую эффективность ее работы для двухполяризационных антенных решеток.

Настоящее изобретение позволяет снизить как взаимное влияние между соседними элементами антенной решетки, так и взаимное влияние портов разной поляризации в пределах одного элемента двухполяризационной антенной решетки.

Стоит отметить, что описанный выше примерный вариант осуществления настоящего изобретения аналогичным образом может быть реализован и с однополяризационной антенной решеткой с достижением аналогичных эффектов. В однополяризационной антенной решетке часть мощности излучения может переходить в кроссполяризационную составляющую поля и тогда описанный выше эффект подавления излучения с кроссполяризацией будет улучшать эффективность антенной решетки.

Изменение плотности расположения, длины и ширины проводящих элементов на метаповерхности позволяет регулировать уровень электромагнитного излучения, отражаемого или пропускаемого через метаповерхность, т.е. ее радиопрозрачность. Тем самым можно получать оптимальное значение амплитуты и фазы отраженного сигнала.

При определенном соотношении параметров элементов метаповерхности будет наблюдаться эффект баланса отраженной и излучаемой мощности. При реализации настоящего изобретения необходимо обеспечить такое состояние, когда отраженной мощности хватает для подавления паразитной кроссполяризационной составляющей при достаточном уровне проходящей (излучаемой) мощности. В итоге это выражается в получении максимального значения усиления антенной решетки в заданном направлении.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения проводящие элементы на метаповерхности имеют овальную форму, при этом длина и ширина таких проводящих элементов также должны отвечать условиям:

,

.

Такая форма проводящих элементов может быть выполнена травлением на печатной плате с более высокой точностью.

В еще одном альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения проводящие элементы на метаповерхности выполнены в виде непрерывных прямых проводящих элементов. Такой вариант осуществления является более простым в производстве. В данном случае ширина проводящих элементов может быть минимальной реализуемой технологически. Однако, в этом варианте амплитуда и фаза отраженного сигнала не всегда дают оптимальные значения для компенсации паразитной кроссполяризации.

В еще одном альтернативном варианте осуществления проводящие элементы расположены только на одной стороне метаповерхности, причем размеры элементов и расстояние между ними принципиально не отличаются от двухстороннего исполнения. Такой вариант осуществления является более простым в производстве. Предпочтительно, проводящие элементы расположены на стороне метаповерхности, ближней к антенной решетке. Такой вариант является более эффективным по сравнению с вариантом расположения проводящих элементов на противоположной стороне. Все остальные признаки данного варианта осуществления аналогичны признакам примерного варианта осуществления, описанного выше, и не описываются повторно. Однако, при этом такая метаповерхность будет воздействовать только на одну составляющую падающего излучения, что снижает ее эффективность для двухполяризационной антенной решетки.

В еще одном альтернативном варианте осуществления метаповерхность может быть реализована на многослойной печатной плате, состоящей из диэлектрических слоев с разной толщиной и диэлектрической проницаемостью. Различные иллюстративные возможные варианты такой реализации метаповерхности изображены на фиг. 5. Конкретная структура метаповерхности выбирается исходя из технологических, экономических и иных условий. При этом основным требованием к такой метаповерхности является формирование нужного сдвига фазы (180⁰) для одной составляющей падающего излучения при заданном угле сканирования антенной решетки в процессе его преобразования. Возможность такой реализации метаповерхности повышает гибкость проектирования антенной решетки с учетом имеющихся в наличии печатных плат и возможностей производства.

Значения диэлектрической проницаемости и толщины используемых диэлектрических слоев метаповерхности могут быть выбраны для обеспечения требуемой радиопрозрачности.

В зависимости от конструктивных и технологических требований метаповерхность может быть того же размера, что и антенная решетка, либо может быть больше антенной решетки, т.е. габариты метаповерхности могут превышать габариты антенной решетки.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения зазор между метаповерхностью и антенной решеткой может быть заполнен диэлектриком. В таком случае толщина слоя диэлектрика определяется в соответствии с уравнением:

, где - длина волны в слое диэлектрика между метаповерхностью и антенной решеткой, =0, 1, 2....

Упомянутый слой диэлектрика в данном варианте осуществления также может выполнять роль диэлектрической проставки.

Кроме того, метаповерхность может нести дополнительную функциональную нагрузку в качестве защитного слоя (радиопрозрачного укрытия антенны).

В еще одном альтернативном варианте осуществления антенная решетка осуществляет раздельное сканирование в Е- и Н-плоскостях (см. фиг. 6) для каждой поляризации. Для традиционного случая сканирования в Е- и Н-плоскостях элемента антенной решетки настоящее изобретение будет эффективным для решения проблемы «ослепления» двухполяризационной антенной решетки. Данный вариант реализуется путем поворота патчей и возбуждающих их элементов на ±45 градусов вокруг оси Z. Таким образом, сканирование в Е-плоскости для первой поляризации будет являться сканированием в Н-плоскости для второй поляризации и наоборот.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет расширить диапазон сканирования и полосу рабочих частот антенной решетки, повысить ее эффективность и снизить потери. При этом антенная решетка в соответствии с настоящим изобретением имеет компактные размеры, а также простую и недорогую архитектуру, подходящую для массового производства.

Антенная решетка в соответствии с настоящим изобретением является совместимой с технологией AiP (Antenna-in-Package).

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

Компактные и высокоэффективные системы с управляемой антенной решеткой в соответствии с настоящим изобретением 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. Антенны терминалов пользователей управляются для наведения основного лепестка диаграммы направленности на позицию антенны базовой станции.

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

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

Настоящее изобретение также может использоваться в радарах автономных транспортных средств.

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

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

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

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

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

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

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

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

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к широкоугольной сканирующей антенной решетке. Технический результат - расширение диапазона сканирования, повышение эффективности антенной решетки и снижение потерь. Антенная решетка содержит множество элементов антенной решетки, причем над антенной решеткой расположена метаповерхность, представляющая собой диэлектрический слой, на одной стороне которого расположены проводящие элементы, выполненные с возможностью отражения части излучения антенной решетки, причем расстояние между антенной решеткой и метаповерхностью составляет , где n - целое число полуволн (n=0, 1, 2...), - рабочая длина волны антенной решетки в среде в зазоре между антенной решеткой и метаповерхностью, а - предварительно заданный угол сканирования антенной решетки. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Антенная решетка, содержащая множество элементов антенной решетки, причем над антенной решеткой расположена метаповерхность, представляющая собой диэлектрический слой, на одной стороне которого расположены проводящие элементы, выполненные с возможностью отражения части излучения антенной решетки, причем расстояние между антенной решеткой и метаповерхностью составляет , где n - целое число полуволн (n=0, 1, 2...), - рабочая длина волны антенной решетки в среде в зазоре между антенной решеткой и метаповерхностью, а - предварительно заданный угол сканирования антенной решетки.

2. Антенная решетка по п. 1, в которой проводящие элементы расположены на метаповерхности параллельно одной из сторон элемента антенной решетки.

3. Антенная решетка по п. 1, в которой метаповерхность дополнительно содержит проводящие элементы, выполненные с возможностью отражения части излучения антенной решетки, на второй стороне диэлектрического слоя метаповерхности, причем проводящие элементы на противоположных сторонах диэлектрического слоя расположены ортогонально друг другу и параллельно сторонам элемента антенной решетки.

4. Антенная решетка по п. 1, в которой проводящие элементы имеют вид множества прямоугольных или овальных элементов, каждый из которых имеет длину и ширину , где

,

,

- линейный размер элемента антенной решетки, причем проводящие элементы расположены рядами, расстояние между которыми составляет , а расстояние между проводящими элементами в одном ряду не превышает .

5. Антенная решетка по п. 1, в которой зазор между антенной решеткой и метаповерхностью заполнен воздухом, а представляет собой рабочую длину волны антенной решетки в свободном пространстве.

6. Антенная решетка по п. 1, в которой зазор между антенной решеткой и метаповерхностью заполнен диэлектриком, а толщина слоя диэлектрика равна , где - длина волны в слое диэлектрика между метаповерхностью и антенной решеткой.

7. Антенная решетка по п. 1, в которой толщина метаповерхности составляет , где - длина волны в диэлектрическом слое метаповерхности, - целое число полуволн.

8. Антенная решетка по п. 1, в которой проводящие элементы на метаповерхности выполнены в виде непрерывных прямых проводящих элементов.

9. Антенная решетка по п. 1, в которой метаповерхность реализована на многослойной печатной плате, состоящей из диэлектрических слоев с разной толщиной и диэлектрической проницаемостью.

10. Антенная решетка по п. 1, причем антенная решетка является двухполяризационной антенной решеткой.