Пользовательский терминал, антенный блок, используемый в нем, и линза, используемая в антенном блоке Российский патент 2025 года по МПК H01Q15/00 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к устройствам для приема и передачи электромагнитных волн, и может быть применено в системах связи в гражданской, авиационной, морской и военной сферах.

Известны системы, реализованные на антеннах с различными принципами работы. Большую долю занимают фазированные антенные решетки, в которых регулирование диаграммы направленности осуществляется изменением амплитудно-фазового распределения (АФР) токов или полей возбуждения на излучающих элементах. Варьирование АФР осуществляется модулем управления, представляющим собой отдельный программно-аппаратный блок. Основным недостатком антенных решеток является то, что в процессе их эксплуатации наблюдаются периоды ухудшения качества радиоканала, поскольку переключение луча имеет переходный процесс. Кроме того, принцип управления АФР, а именно с использованием специально предназначенного для этого блока, сложен и требует к тому же наличия микросхем, что в совокупности увеличивает стоимость устройства в целом.

В меньшей степени в уровне техники представлены сканирующие антенны на основе метаповерхностей, принцип работы которых основан на управляемом рассеянии метаповерхностью бегущей по ней волны за счет излучения так называемых «вытекающих» волн.

В настоящее время решение прикладных задач связи требует возможности быстрого управления главным максимумом диаграммы направленности при сохранении его характеристик. Однако высокие требования к коэффициенту усиления антенны, сектору сканирования, ширине рабочей полосы сопровождаются значительным усложнением аппаратной части, трудностью производственного процесса и увеличением энергопотребления.

Из уровня техники известна антенная система, содержащая множество управляемых рассеивающих резонансных элементов на основе жидких кристаллов (патент US 9887456, опубл. 06.02.2018). Недостатком такой системы является высокая сложность системы управления, так как каждый элемент управляется в отдельности.

Из уровня техники известна антенная система, содержащая модулированную импедансную метаповерхность, по крайней мере один фидер, проводящий экран, расположенный на некотором расстоянии от импедансной метаповерхности, управляемую структуру со множеством возможных состояний, которые отличаются электрической длиной эквивалентной линии передачи по крайней мере в одной области импедансной метаповерхности (заявка WO 2020244743 A1, опубл. 10.12.2020). Известна также антенная система, содержащая модулированную импедансную метаповерхность, по крайней мере один фидер, проводящий экран, расположенный на некотором расстоянии от импедансной метаповерхности, управляемую структуру, построенную на материале, изменяющем свои свойства за счет управляющего магнитного поля (патент RU 2791854, опубл. 14.03.2023).

Недостатком описанных систем на основе метаповерхностей является ограниченность сектора сканирования, что обусловлено, во-первых, управлением диаграммой направленности за счет изменения свойств управляемой структуры подложки (слой между проводящим экраном и импедансной метаповерхностью), а во-вторых, невозможностью работы со сбросами фаз амплитудно-фазового распределения. Кроме того, системы с магнитным управлением имеют высокое энергопотребление ввиду необходимости постоянного протекания электрического тока через управляемую структуру.

Примером немеханического способа управления лучом является применение градиентной линзы, электрические параметры которой распределены по заданной функции. Так, в патенте RU 2788328 C1, опубл. 17.01.2023 описана линзовая матричная антенна СВЧ-диапазона, включающая фокусирующую систему и облучающее устройство (патч-антенну), предназначенное для облучения фокусирующей системы. Облучающее устройство состоит из массива облучателей (массива антенных элементов), размещенных в фокальной плоскости на расстоянии от фокусирующей системы и перекрывающих зону проекций лучей на расстоянии, соответствующем максимуму диаграммы направленности массива антенных элементов. Фокусирующая система выполнена в виде диэлектрической градиентной металинзы, содержащей не менее трех областей с различными плотностями заполнения при трехмерной печати: первая с коэффициентом f=1, вторая с коэффициентом f=0,7, третья с коэффициентом f=0,4.

Однако параметры металинзы в описанной матричной антенне таковы, что могут обеспечить коэффициент усиления, как правило, не более 24 дБи, в редких случаях можно получить до 27 дБи. Во-вторых, такая антенна имеет высокий уровень боковых лепестков. И в-третьих, расстояние между линзой и антенными элементами соответствует 10 длинам волн, что при переводе в единицы длины метрической системы равняется приблизительно 30 см, и приводит к достаточно большим габаритам антенны. При этом, учитывая использование в качестве облучающей структуры патч-антенны, т.е. антенны, формирующей вблизи линзы практически плоский фронт волны, то для усиления эксплуатационных характеристик антенны в целом необходимо увеличить размеры облучающего элемента, а это в совокупности с перечисленным выше обуславливает еще большие габариты устройства и, следовательно, ограничение области применения такого устройства.

Наиболее близкими по технической сущности к заявленной группе изобретений являются антенная система и терминал, включающий такую систему, описанные в заявке US2020313303, опубл. 01.10.2020. Антенная система содержит плоскую антенну, формирующую излучаемую волну, и набор вращающихся плоскопараллельных элементов в виде дисков, управляющих направлением главного максимума за счет угла поворота относительно центральной оси. Терминал представляет собой блок управления и блок антенной системы. Блок антенной системы состоит из двух модулей антенн (отдельные приемный и передающий модули), покрывающих весь диапазон частот. Каждый модуль антенн включает питающую пластину (фидер), апертурную пластину и поляризационную пластину, которые установлены друг над другом с возможностью вращения относительно друг друга. Совместное вращение питающей и апертурной пластин обеспечивает изменение азимута луча, вращение только апертурной пластины обеспечивает изменение угла наклона луча, а вращение только поляризационной пластины обеспечивает выбор направления поляризации (вправо/влево). Антенные модули выполнены в виде металлических волноводно-щелевых структур. Блок управления включает линейные бесконтактные двигатели вращения пластин антенных модулей. Терминал обеспечивает движение луча со скоростью 500 °/с.

Недостатком сканирующей антенны и терминала, выбранных в качестве прототипа для заявленного изобретения, является низкая эффективность приема и передачи электромагнитных волн. Это обусловлено тем, что изменение направления главного максимума диаграммы направленности осуществляется элементами, имеющими сложную трехмерную геометрию и значительную массу (металлические волноводно-щелевые структуры), что сильно ограничивает область применения, а также в некоторых случаях делает невозможным работу в двухдиапазонном режиме, т.е. при одновременном изменении направления сканирования (излучения) в двух векторах. Кроме того, фрезеровка и обработка металлических волноводно-щелевых структур с сохранением требуемых показателей проводимости технологически сложна, что делает весьма затруднительным серийное производство такой антенны.

Техническая проблема заключается в необходимости разработки простой и эффективной системы приема и передачи электромагнитных волн, а именно в создании пользовательского терминала с низкопрофильной антенной, направление излучения плоского фронта волны которой формируется без изменения пространственного положения пользовательского терминала.

Технический результат заключается в увеличении сектора сканирования, получаемого за счет большого числа диэлектрических структур с различным значением диэлектрической проницаемости (плотности) и специфики расположения центров кольцевых областей (со смещением и неколлинеарностью), образующих эти диэлектрические структуры.

Технический результат достигается за счет того, что пользовательский терминал системы радиосвязи содержит по меньшей мере один антенный блок и блок управления, при этом антенный блок включает антенну и расположенную на расстоянии от нее линзу, выполненную из диэлектрика с градиентом по плотности, представляющим собой по меньшей мере три кольцевые области, геометрические центры которых смещены относительно строительной оси линзы, при этом линза установлена с возможностью вращения относительно своей строительной оси, а антенна включает модулированную импендансную метаповерхность или выполнена в виде сканирующей антенны, а блок управления включает механизм фиксации положения линзы и механизм вращения линзы.

В частных вариантах реализации терминала:

- антенна включает пассивную часть, содержащую модулированную импендансную метаповерхность, по меньшей мере один фидер, расположенный на расстоянии от метаповерхности, проводящий экран и подложку, выполненную из диэлектрика, в частности с градиентом относительной диэлектрической проницаемости или с равномерным распределением относительной диэлектрической проницаемости;

- антенна включает пассивную часть, содержащую модулированную импендансную метаповерхность, по меньшей мере один фидер, расположенный на расстоянии от метаповерхности, проводящий экран слой с перестраиваемыми параметрами, в частности параметрами магнитной, или диэлектрической проницаемости, или их совокупности.

Технический результат достигается также за счет того, что антенный блок включает антенну и расположенную на расстоянии от нее диэлектрическую линзу, выполненную из диэлектрика с градиентом по плотности, представляющим собой по меньшей мере три кольцевые области, геометрические центры которых смещены относительно строительной оси линзы, при этом линза установлена с возможностью вращения относительно своей строительной оси, а антенна включает модулированную импендансную метаповерхность или выполнена в виде сканирующей антенны.

В частных вариантах реализации блока:

- антенна включает пассивную часть, содержащую модулированную импендансную метаповерхность, по меньшей мере один фидер, расположенный на расстоянии от метаповерхности, проводящий экран и подложку, выполненную из диэлектрика, в частности с градиентом относительной диэлектрической проницаемости или с равномерным распределением относительной диэлектрической проницаемости;

- антенна включает пассивную часть, содержащую модулированную импендансную метаповерхность, по меньшей мере один фидер, расположенный на расстоянии от метаповерхности, проводящий экран и слой с перестраиваемыми параметрами, в частности параметрами магнитной, или диэлектрической проницаемости, или их совокупности.

Технический результат достигается также за счет того, что линза выполнена из диэлектрика с градиентом по плотности, представляющим собой по меньшей мере три кольцевые области, геометрические центры которых смещены относительно строительной оси линзы.

Заявленная конфигурация линзы, антенного блока с такой линзой и терминала с таким блоком обеспечивают возможность варьирования сектора сканирования в широких пределах, а также характеризуется низкими массогабаритными показателями.

Сущность изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана конструкция антенного блока (сканирующая антенна с линзой) и конфигурация формируемой им диаграммы направленности, на фиг. 2 – схема антенны на основе метаповерхности (с разнесенными частями), на фиг. 3 – пример диаграммы направленности, формируемой антенной (схема), на фиг. 4 – вариант схемы градиента диэлектрической линзы с 19 областями, на фиг. 5 – схема формирования областей диэлектрической линзы (смещение геометрических центров).

Приведенные фигуры демонстрируют только вариант реализации изобретения и не ограничивают другие возможные варианты его воплощения.

Пользовательский терминал содержит антенный блок и блок управления, включающий механизм фиксации положения линзы (на фиг. не показан) и механизм вращения линзы (на фиг. не показан). В качестве механизма вращения линзы может быть использована любая система на основе простых известных элементов. Под механизмом фиксации положения линзы подразумевают ее крепление на заданном от антенного полотна расстоянии.

Антенный блок состоит из сканирующей антенны 1 и расположенной на расстоянии от нее диэлектрической линзы 2 с градиентом по плотности. В зависимости от частотного диапазона антенны расстояние может быть 1-5 длин волн.

Сканирующая антенна 1 может быть выполнена любой, наиболее предпочтительно плоской. В качестве сканирующей антенны 1 может быть использована антенна на основе метаповерхности, включающая пассивную часть и активную часть. Пассивная часть, представленная на фиг. 2, включает модулированную импендансную метаповерхность 3, по меньшей мере один фидер 4, проводящий экран 5, расположенный на расстоянии от метаповерхности 3, и подложку 6, и по меньшей мере один СВЧ-разъем 7. Подложка 6 выполнена из диэлектрического материала. В различных вариантах исполнения подложка может быть выполнена различным образом:

- с равномерным распределением относительной диэлектрической проницаемости, т.е. иметь одинаковый показатель относительной диэлектрической проницаемости по всему объему, в каждой точке. При этом показатель относительной диэлектрической проницаемости может быть выбран из диапазона от 1 до 10 000.

- с градиентом относительной диэлектрической проницаемости, т.е. иметь несколько областей с различными показателями относительной диэлектрической проницаемости. При этом показатель относительной диэлектрической проницаемости каждой зоны (области) может быть выбран из диапазона от 1 до 10 000, а градиент может быть выполнен вертикальной плоскости или в горизонтальной плоскости, т.е. вертикальными, или горизонтальными слоями, или их совокупности.

В другом варианте реализации антенного блока вместо подложки 6 может быть использован слой с перестраиваемыми параметрами, в частности параметрами магнитной, или диэлектрической проницаемости, или их совокупности (слой на фиг. не показан).

Диэлектрическая линза 2 установлена с возможностью вращения относительно своей строительной оси 8 и относительно плоскости антенного полотна. Градиент линзы 2 выполнен в виде по меньшей мере трех кольцевых областей 9, геометрические центры 10 которых смещены относительно строительной оси 8 (фиг. 4). При этом геометрический центр 10 каждой кольцевой области 9 сдвинут относительно центра предыдущей области на величину L (фиг.5). В частных вариантах реализации, для достижения наиболее оптимальных параметров, возможен вариант, когда величины смещения каждого геометрического центра различные. Количество областей 9 может быть любым, от 3 до 1000 и вплоть до плавного градиента. Значение диэлектрической проницаемости (плотности) в каждой области 9 подбирается индивидуально под облучающую структуру (антенну) и в зависимости от эксплуатационных требований по отклонению положения главного луча диаграммы направленности. Толщина линзы 2 составляет от 1 до 6 длин волн, а диэлектрическая проницаемость кольцевых областей 9 может изменяться от 1,0 до 10 000.

Группа изобретений позволяет передавать электромагнитные волны в широком диапазоне длин волн, а именно от 0,5 до 500 ГГц и в ряде случаях в более широких диапазонах.

Заявляемое изобретение работает следующим образом.

Фидер 4, питаемый от СВЧ-разъема 7, возбуждает на поверхности антенны цилиндрическую электромагнитную волну TM типа, которая при взаимодействии с поверхностью 3, имеющей периодическую модуляцию импенданса, трансформируется в излучаемую волну, формируя луч с заданными направлением, формой и круговой поляризацией.

Дальнейшее управление полученной диаграммой направленности осуществляется вращением диэлектрической линзы 2, конфигурация кольцевых областей 9 которой позволяет отклонять луч излучаемой волны на необходимый угол.

Конструктивные особенности заявленного антенного блока позволяют работать в нескольких частотах, т.е. каждая антенная система может быть в однорезонансной, двухрезонансной или многорезонансной.

Приведенные варианты и модификации изобретения даны лишь для пояснения концепции заявленной линзы, антенны и терминала, а также принципа их работы. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны отклонения от вышеприведенных примеров выполнения, которые также охватываются формулой.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к устройствам приема и передачи электромагнитных волн в системах радиосвязи. Технический результат - увеличение сектора сканирования за счет большого числа диэлектрических структур с различным значением диэлектрической проницаемости и смещения геометрических центров областей указанных структур. Результат достигается тем, что предложен антенный блок, включающий антенну и расположенную на расстоянии от нее линзу, выполненную из диэлектрика с градиентом по плотности, представляющим собой по меньшей мере три кольцевые области, геометрические центры которых смещены относительно строительной оси линзы, при этом линза установлена с возможностью вращения относительно своей строительной оси, а антенна включает модулированную импендансную метаповерхность или выполнена в виде сканирующей антенны. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пользовательский терминал системы радиосвязи, содержащий по меньшей мере один антенный блок и блок управления, при этом антенный блок включает антенну и расположенную на расстоянии от нее линзу, выполненную из диэлектрика с градиентом по плотности, представляющим собой по меньшей мере три кольцевые области, геометрические центры которых смещены относительно строительной оси линзы, при этом линза установлена с возможностью вращения относительно своей строительной оси, а антенна включает модулированную импендансную метаповерхность или выполнена в виде сканирующей антенны, а блок управления включает механизм фиксации положения линзы и механизм вращения линзы.

2. Терминал по п.1, отличающийся тем, что антенна включает пассивную часть, содержащую модулированную импендансную метаповерхность, по меньшей мере один фидер, расположенный на расстоянии от метаповерхности, проводящий экран и подложку, выполненную из диэлектрика.

3. Терминал по п.2, отличающийся тем, что подложка выполнена с градиентом относительной диэлектрической проницаемости.

4. Терминал по п.2, отличающийся тем, что подложка выполнена с равномерным распределением относительной диэлектрической проницаемости.

5. Терминал по п.1, отличающийся тем, что антенна включает пассивную часть, содержащую модулированную импендансную метаповерхность, по меньшей мере один фидер, расположенный на расстоянии от метаповерхности, проводящий экран и слой с перестраиваемыми параметрами.

6. Терминал по п.5, отличающийся тем, что в качестве перестраиваемого параметра используют магнитную проницаемость, или диэлектрическую проницаемость, или магнитную и диэлектрическую проницаемость.

7. Антенный блок, включающий антенну и расположенную на расстоянии от нее линзу, выполненную из диэлектрика с градиентом по плотности, представляющим собой по меньшей мере три кольцевые области, геометрические центры которых смещены относительно строительной оси линзы, при этом линза установлена с возможностью вращения относительно своей строительной оси, а антенна включает модулированную импендансную метаповерхность или выполнена в виде сканирующей антенны.

8. Блок по п.7, отличающийся тем, что антенна включает пассивную часть, содержащую модулированную импендансную метаповерхность, по меньшей мере один фидер, расположенный на расстоянии от метаповерхности, проводящий экран и подложку, выполненную из диэлектрика.

9. Блок по п.8, отличающийся тем, что подложка выполнена с градиентом относительной диэлектрической проницаемости.

10. Блок по п.8, отличающийся тем, что подложка выполнена с равномерным распределением относительной диэлектрической проницаемости.

11. Блок по п.7, отличающийся тем, что антенна включает пассивную часть, содержащую модулированную импендансную метаповерхность, по меньшей мере один фидер, расположенный на расстоянии от метаповерхности, проводящий экран и слой с перестраиваемыми параметрами.

12. Блок по п.11, отличающийся тем, что в качестве перестраиваемого параметра используют магнитную проницаемость, или диэлектрическую проницаемость, или магнитную и диэлектрическую проницаемость.

13. Линза, выполненная из диэлектрика с градиентом по плотности, представляющим собой по меньшей мере три кольцевые области, геометрические центры которых смещены относительно строительной оси линзы.