Многолучевая проходная антенная решетка Российский патент 2023 года по МПК H01Q19/17 H01Q21/29 

Предлагаемое изобретение относится к области СВЧ радиотехники и может быть использована в качестве антенной диаграммообразующей системы в средствах беспроводной связи, таких как мобильная связь, спутниковая связь, устройства радиочастотной идентификации.

Стремительное развитие новых стандартов связи приводит к необходимости новых научно-технических решений, предназначенных для преодоления фундаментальных ограничений. Для увеличения скоростей передачи информации, а именно повышения пропускной способности систем связи, находят все более новые решения, часть которых относится к области антенных систем. Реализованные, в недавнее время, методы пространственного разделения каналов показывают возможность увеличения пропускной способности пропорционально количеству используемых физических каналов.

Реализация пространственного разделения каналов с использованием традиционных антенных не нашла широкого применения из-за значительных габаритов, больших потерь и сложностей реализации многолучевых диаграмм направленности. Альтернативным решением стали антенные решетки с пространственным возбуждением, такие как проходные решетки, которые представляет собой планарную лизну, состоящую из набора единичных ячеек, и подрешетки облучающих антенн для формирования многолучевых диаграмм направленности. Антенные системы на проходных антенных решетках обладают преимуществом в формировании многолучевых диаграмм, а также меньшими потерями. Однако также обладают и недостатками, такими как сложность архитектуры единичных ячеек и необходимость учета влияния системы управления на характеристики излучения антенной системы.

Из существующего уровня техники известно множество вариантов реализации проходных антенных решеток, принцип работы которых заключается в переизлучении электромагнитной волны распространяющейся от первичного облучателя с использованием планарной фазированной антенной решетки, как например, широкополосная проходная антенная решетка (US 10 720 716). Однако, в представленной антенной системе, облучатель представляет собой однин антенный элемент, что не позволяет сформировать многолучевую диаграмму направленности.

Наиболее близким аналогом является многолучевая проходная антенная решетка, представленная в документе (RU 2 642 512) Данная антенная система содержит в себе усилительную линзу, состоящую из набора единичных ячеек, и облучающую подрешетку, представляющую собой двумерный массив облучателей для формирования необходимого количества узконаправленных активных лучей. Недостатком данного прототипа является отсутствие системы управления и описания размещения ее в составе предлагаемой архитектуры антенной решетки. В отличие от отражательных решеток, в которых управляющая часть может быть выполнена на единой с антенной решеткой печатной плате, управляющая часть для проходных антенных решеток выполняется отдельно и должна быть встроена в систему таким образом, чтобы исключить ее влияние на характеристики антенной системы. Расположение управляющей части непосредственно за возбуждающими антеннами меняет характеристики направленности излучающих элементов, что приводит к искажению итоговой диаграммы направленности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшенине влияния платы управления проходной антенной решеткой на ее характеристики излучения.

Для решения поставленной задачи многолучевая проходная антенная решетка содержит облучающую подрешетку и планарную проходную фазированную антенную решетку, которая контролируется посредством проводного соединения системой управления, выполненной на печатной плате имеющей размер не превышающей размер проходной антенной решетки, отличающаяся тем, что на плате управления со стороны облучающей подрешетки расположена поверхность с поглощающими свойствами в диапазоне частот не менее чем рабочий диапазон многолучевой проходной антенной решетки.

Достигаемым техническим результатом является уменьшение влияния системы управления проходной фазированной антенной решетки на характеристики антенной системы, за счет использования поглощающей (импедансной) поверхности, поглощающей нежелательные переотражения СВЧ сигнала, возникающих между облучающей подрешеткой и приемной части проходной антенной решетки. Размещение системы управления в непосредственной близости с антенной системой также приводит к уменьшению габаритных параметров.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема предлагаемой антенной системы, а на фиг. 2 ее объемное изображение.

Многолучевая проходная антенная решетка состоит из системы управления 1 и выполненной с ней на единой печатной плате поглощающей поверхности 2, вплотную к которой располагается подрешетка облучающих элементов 3, формирующая сферический волновой фронт, который принимается проходной фазированной антенной решеткой 4, которая формирует диаграмму направленности в требуемом направлении в соответствии с заданным системой управления распределением.

Многолучевая проходная антенная решетка осуществляет передачу СВЧ сигнала путем его излучения подрешеткой облучающих элементов, которая состоит из антенн с низким коэффициентом усиления. Излучаемая подрешеткой волна, имеющая сферический волновой фронт, принимается приемной стороной проходной фазированной антенной решетки. Для компенсации фазы и формирования плоской волны на передающей плоскости фазированной антенной решетки каждая элементарная ячейка передающей решетки обеспечивает требуемую фазовую задержку. Для обеспечения возможности управления лучом каждая единичная ячейка содержит элемент управления, который позволяет нам изменять фазу передаваемого сигнала. Каждая ячейка проходной фазированной антенной решетки контролируется индивидуально через проводное соединение системой управления, выполненной на печатной плате и размещенной непосредственно за подрешеткой облучающих элементов. Для изоляции низкочастотной системы управления от СВЧ сигнала на печатной плате системы управления, со стороны подрешетки облучающих элементов, выполнен слой металлизации, играющий роль земли. При такой конфигурации переотражения СВЧ сигнала возникающие между подрешеткой облучателей и приемной стороной проходной антенной решетки влияют на итоговые характеристики направленности антенной системы, а также вносят частотные искажения. Добавление поглощающего СВЧ энергию материала между платой управления и подрешеткой облучателей позволит избежать нежелательных переотражений, за счет поглощения отраженных от принимающей стороны проходной фазированной антенной решетки СВЧ волн. В качестве такого материала может быть использована поглощающая поверхность, выполненная в виде однослойной печатной платы и расположенная между платой управления и облучающей подрешеткой. В простейшем случае поглощающая поверхность представляет собой массив антенн согласованных с резистором в виде сосредоточенного элемента. Электромагнитная волна, принимаемая такой антенной, полностью поглощается резистором без какого либо отражения. Причем рабочий частотный диапазон такой поглощающей поверхности должен быть не меньше рабочего частотного диапазона антенной системы. Еще один способ исполнения поглощающей поверхности в виде метаматериала позволяет отказаться от поглощающего резистора, характеристики которого могут значительно влиять на частотные характеристики поглощающей поверхности. Чаще всего поглощающая поверхность на метаматериале состоит из периодически расположенных резонансных структур. Преимущество перечисленных способов реализации поглощающих поверхностей заключается в возможности их изготовления по технологии производства печатных, что дает возможность изготовить их в виде единой печатной платы непосредственно с платой управления, упрощая и удешевляя процесс изготовления антенной системы.

Описание структурной схемы устройства многолучевой проходной антенной решетки и принципов ее работы доказывает достижение технического результата путем использования в составе антенной системы поглощающей поверхности.

Изобретение относится к области СВЧ радиотехники и может быть использовано в качестве антенной диаграммообразующей системы в средствах беспроводной связи, таких как мобильная связь, спутниковая связь, устройства радиочастотной идентификации. Многолучевая проходная антенная решетка состоит из системы управления 1 и выполненной с ней на единой печатной плате поглощающей поверхности 2, вплотную к которой располагается подрешетка облучающих элементов 3, формирующая сферический волновой фронт, который принимается проходной фазированной антенной решеткой 4, которая формирует диаграмму направленности в требуемом направлении в соответствии с заданным системой управления распределением. Достигаемым техническим результатом является уменьшение влияния системы управления проходной фазированной антенной решетки на характеристики антенной системы, за счет использования поглощающей (импедансной) поверхности, поглощающей нежелательные переотражения СВЧ сигнала, возникающие между облучающей подрешеткой и приемной частью проходной антенной решетки. 2 ил.

Многолучевая проходная антенная решетка содержит облучающую подрешетку и планарную проходную фазированную антенную решетку, которая контролируется посредством проводного соединения системой управления, выполненной на печатной плате, имеющей размер, не превышающий размер проходной антенной решетки, отличающаяся тем, что между платой управления и облучающей подрешеткой расположена поверхность из материала, поглощающего СВЧ волны в диапазоне частот не менее, чем рабочий диапазон многолучевой проходной антенной решетки.