Фазированная антенная решетка для спутниковой связи в Ku-диапазоне Российский патент 2024 года по МПК H01Q21/06 H01Q21/24 

Заявляемое изобретение относится к антенной технике, в частности к фазированным антенным решеткам, и предназначено для использования в радиосистемах различного назначения, например, для спутниковой связи.

Известно полотно антенной решетки, содержащее несущую основу в виде прямоугольной сетки из изоляционного материала с расположенной на ней, по меньшей мере, одной симметричной полосковой линией полоскового делителя мощности, выполненной из электропроводящего материала, и образующие приемную и передающую подрешетки антенны линейные излучатели, каждый из которых состоит из широкополосных излучающих элементов, выполненных с возможностью возбуждения, которое поступает на них от, по меньшей мере, одной симметричной полосковой линии полоскового делителя мощности, при этом линейные излучатели размещены в узлах прямоугольной сетки (патент на изобретение RU 2436207, МПК H01Q 13/28, 2010 г., Бюл. № 34, 2011 г., https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2436207&TypeFile=html). Недостатком известного изобретения является расположение соседних элементов на расстоянии до 0,7 длин волн, что может существенно повысить уровень боковых лепестков. Также в работе отсутствует указание типа поляризации, являющегося существенным критерием при разработке антенны, и признаков, его обеспечивающих.

Известна система фазированной антенной решетки, содержащая:

мозаичный блок подрешетки фазированной антенной решетки, содержащий:

монтажную печатную плату, содержащую множество слоев,

кристалл интегральной схемы, соединенный с первой поверхностью монтажной печатной платы,

антенный элемент, соединенный со второй поверхностью монтажной печатной платы,

первое проводящее переходное отверстие, имеющее первый диаметр, причем первое проводящее переходное отверстие соединено с кристаллом интегральной схемы и проходит через первую подсовокупность слоев,

второе проводящее переходное отверстие, имеющее второй диаметр, который больше первого диаметра, причем второе проводящее переходное отверстие смещено по отношению к первому проводящему переходному отверстию, проходит через вторую подсовокупность слоев и соединено с антенным элементом,

проводящую дорожку монтажной печатной платы, соединенную с первым и вторым проводящими переходными отверстиями,

причем смещение второго проводящего переходного отверстия обеспечивает разгрузку от теплового и механического напряжений, воздействующих на кристалл интегральной схемы (патент на изобретение RU 2741378, МПК H01Q 21/00, 2016 г., Бюл. № 3, 2021 г., https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2741378&TypeFile=html). Недостатком указанного технического решения является наличие волноводных каналов, которые существенно ухудшают массогабаритные характеристики устройства, а также усложняют полотно подрешетки из-за наличия волноводных переходов.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании фазированной антенной решетки с круговой поляризацией для приема и передачи сигнала связи для сканирования в широком диапазоне углов с высоким коэффициентом усиления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что фазированная антенная решетка для спутниковой связи в Ku-диапазоне состоит из приемной и передающей решеток и опорного устройства, размер приемной решётки равен 40 × 24 элементарного излучающего элемента, а размер передающей решетки равен 52 × 24 элементарного излучающего элемента, при этом в качестве элементарного излучающего элемента используют полосковую антенну с директором и квадратурным мостом, подключённым к микросхеме формирования луча, с помощью которой осуществляют управление диаграммой направленности.

Использование в качестве элементарного излучателя полосковой антенны с директором позволяет осуществлять итоговое распределение большого количества элементов на полотне. Наличие квадратурного моста обеспечивает сдвиг фаз на 90° между двумя входами излучателя для создания круговой поляризации. Указанные размеры приемной и передающей решеток выбраны на основе максимизации коэффициента усиления (далее КУ) и отсутствия боковых лепестков, особенно при наклонных положениях луча, а также с учетом запаса по габаритным размерам для размещения необходимой электроники и дополнительных компонентов, таких как микросхемы управления лучом, элементы питания, микроконтроллеры управления, с целью более эффективного использования доступной площади. Кроме того, каждый элемент соединяется с выходом микросхемы формирования луча (бимформер), что позволяет регулировать амплитуду и фазу на каждом элементе.

Общий вид полосковой антенны показан на фиг. 1: сверху – вид на излучатель, снизу – вид на квадратурный мост – с использованием следующих обозначений:

1 – излучатель;

2 – директор;

3 – подложка;

4 – квадратурный мост;

5 – порты (50 Ом);

6 – микрополосковая линия (далее МПЛ);

7 – экран.

Полосковая антенна представляет собой расположенные параллельно друг другу квадратные подложки 3, на одной из которых находится директор 2, а на другой – излучатель 1. Между двумя портами 5 излучателя 1 расположен квадратурный мост 4 для создания круговой поляризации. Между излучателем 1 и МПЛ 6 находится экран 7.

Основные геометрические параметры приемной и передающей полосковой антенны приведены в таблице 1 (фиг. 4). Исходя из расстояния между экраном 7 и МПЛ 6 и характеристик материала подбирались ширина МПЛ 6, размер излучателя 1, директора 2 и квадратурного моста 4. Для избежания появления обратного лепестка в области появления обратного лепестка может быть добавлен дополнительный экран. Ширина МПЛ 6 и дорожек квадратурного моста 4 должна подбираться исходя из входного импеданса и импеданса антенны. В зависимости от выбора входного порта квадратурного моста 4 может одушевляться выбор круговой поляризации (правая или левая). Толщина подложек 3 равна 0,203 мм. На фиг. 2 представлены частотные характеристики приемного элемента (слева) и передающего элемента (справа). Согласно графикам в полосе частот 10-15 ГГц у приемного элемента коэффициент отражения S₁₁ ниже -25 дБ, а коэффициент связи между портами S₁₂ не превышает -20 дБ, что указывает на хорошее согласование и изоляцию антенных элементов в диапазоне частот приёма 10,95 – 11,7 ГГц. Для передающего элемента значения коэффициент отражения S₁₁ и развязка между портами S₁₂ не превышают -20 дБ, что указывает на хорошее согласование и изоляцию антенных элементов в диапазоне частот передачи 14 – 14,25 ГГц.

Было произведено полное электродинамическое моделирование приемной подрешётки размера 40 × 24 элементов и передающей подрешётки размера 52 × 24 элементов с построением диаграмм направленности для трёх положений луча.

Слева на фиг. 3 представлены диаграммы направленности приемной подрешетки для левой круговой поляризации, построенные на центральной частоте приемного диапазона 11,325 ГГц для трёх положений луча, каждое из которых зависит от фазы входного радиочастотного сигнала на входе каждого элемента. Минимальное значение КУ составило 33,1 дБи. Также была оценена кросс-поляризация: -24,3 дБ. Остальные основные характеристики приемной подрешётки приведены в таблице 2 (фиг. 5), значения которых рассчитаны также на центральной частоте приемного диапазона.

Справа на фиг. 3 показаны диаграммы направленности передающей подрешетки для правой круговой поляризации, построенные на центральной частоте приемного диапазона 14,125 ГГц для трёх положений луча. Для положения луча без сдвига фаз (0°) были получены высокие коэффициенты усиления, а минимальное значение составило 34,4 дБи на частоте 14,125 ГГц для отклонённого луча. Также была оценена кросс-поляризация: -34,1 дБ. В таблице 3 (фиг. 6) представлены основные характеристики передающей подрешётки, значения которых рассчитаны на центральной частоте приемного диапазона.

Хотя оценка свойств приемной и передающей подрешеток осуществлялась для центральной частоты приемного диапазона, 11,325 ГГц и 14,125 ГГц, заявляемое изобретение может быть легко адаптировано для работы в других пределах Ku-диапазона путем масштабирования размера излучателя, квадратурного моста и директора.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к фазированным антенным решеткам, и служит для использования в радиосистемах спутниковой связи. Технический результат - создание фазированной антенной решетки с круговой поляризацией для приема и передачи сигнала и электронного сканирования в широком диапазоне углов с высоким коэффициентом усиления. Результат достигается тем, что предложена фазированная антенная решетка для спутниковой связи в Ku-диапазоне, состоящая из приемной и передающей решеток и опорного устройства, согласно изобретению размер приемной решетки равен 40 × 24 элементарных излучающих элементов, а размер передающей решетки равен 52 × 24 элементарных излучающих элементов, при этом в качестве элементарного излучающего элемента используют полосковую антенну с директором и квадратурным мостом, подключенным к микросхеме формирования луча, с помощью которой осуществляют управление диаграммой направленности. 6 ил.

Фазированная антенная решетка для спутниковой связи в Ku-диапазоне, состоящая из приемной и передающей решеток и опорного устройства, отличающаяся тем, что размер приемной решетки равен 40 × 24 элементарных излучающих элементов, а размер передающей решетки равен 52 × 24 элементарных излучающих элементов, при этом в качестве элементарного излучающего элемента используют полосковую антенну с директором и квадратурным мостом, подключенным к микросхеме формирования луча, с помощью которой осуществляют управление диаграммой направленности.