Сканирующая линзовая антенна

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в высокоскоростных радиорелейных станциях (РРС), преимущественно миллиметрового диапазона длин волн. Сканирующая линзовая антенна содержит диэлектрическую линзу, форма тела которой образована путем вращения апланатического фокусирующего геометрического профиля вокруг фокальной вертикальной оси линзы, вблизи которой размещены излучающие элементы фазированной антенной решетки (ФАР), которые формируют отдельные горизонтальные подрешетки (модули) ФАР, число которых определяется необходимым количеством дискретных положений диаграммы направленности (ДН) антенны в угломестной плоскости. Технический результат заключается в возможности одновременного непрерывного широкоугольного перемещения луча в азимутальной плоскости и дискретного сканирования в угломестной плоскости. 16 з.п. ф-лы, 18 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в высокоскоростных радиорелейных станциях (РРС), преимущественно миллиметрового диапазона длин волн.

Современные стандарты широкополосных высокоскоростных систем сотовой связи 4-го поколения (WiMAX-Advanced IEEE802.16m и LTE-Advanced 3GPP LTE Rel.10) и стандарты беспроводного доступа в Интернет Wi-Fi (IEEE 802.11ac и IEEE 802.11ad) для полного использования пропускной способности канала связи применяют высокоэффективные методы помехоустойчивого кодирования, новые виды широкополосной модуляции (OFDM, OFDMA, MIMO-OFDM и т.д.), а также разнообразные алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов. Тем не менее, даже эти современные системы мобильной радиосвязи при их полном развертывании не сумеют удовлетворить столь стремительно возрастающие потребности пользователей. Поэтому задача нахождения новых путей к повышению пропускной способности существующих систем мобильной наземной радиосвязи является весьма актуальной для всего мирового сообщества.

Одним из перспективных подходов к построению систем мобильной радиосвязи 5-го поколения является развертывание неоднородных сетей на основе существующих систем сотовой связи LTE. Предполагается, что в зонах покрытия макросот LTE в местах большого скопления пользователей (hot-spots) будут дополнительно располагаться малые соты (с радиусом покрытия несколько десятков метров). При этом передача большого объема данных от базовых станций, обслуживающих малые соты, к макростанциям будет осуществляться с помощью опорной сети из небольших релейных станций, обеспечивающих передачу данных со скоростями до 10 Гбит/сек. Таким образом, одним из основных элементов опорной сети будущих неоднородных сетей сотовой связи 5-го поколения могут стать небольшие дешевые релейные станции, оснащенные сканирующими антенными системами.

Известна система радиорелейной связи с электронной подстройкой луча (патент RU 2585309), которая содержит два удаленных друг от друга приемопередатчика миллиметрового диапазона длин волн, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных в дуплексном режиме и содержащих высоконаправленные антенны, способные обеспечить электронное сканирование в некотором непрерывном диапазоне углов. Также каждый приемопередатчик содержит модуль управления, реализующий алгоритмы управления положением основного луча диаграммы направленности сканирующей интегрированной линзовой антенны, представляющей собой диэлектрическую линзу эллиптической или квазиэллиптической формы с решеткой переключаемых первичных излучателей, интегрированной на заднюю (плоскую) фокальную поверхность линзы.

Известна линзовая антенна с электронным сканированием луча (RU 2494506), содержащая диэлектрическую линзу с плоской поверхностью, антенные элементы и систему переключения, выполненную с возможностью подачи сигнала по меньшей мере на один из антенных элементов, при этом антенные элементы представляют собой рупорные антенные элементы, установленные на задней (плоской) поверхности диэлектрической линзы с обеспечением возможности направления их излучения на линзу. Кроме этого линза содержит приемопередатчик, выполненный с возможностью передачи сигнала на один из антенных элементов и приема сигнала от одного из антенных элементов и электрически соединенный с системой переключения.

Известно устройство диэлектрической линзы для передающей антенны (US 6590544), в котором использован диэлектрический линзовый узел, включающий диэлектрическое удлинение на полусферической диэлектрической линзе. Полусферическая часть и удлинительная часть изготовлены с использованием диэлектрического материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, большую, чем диэлектрическая проницаемость среды связи. Например, для использования в воздухе диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала должна быть больше единицы. Вся полусферическая линза и удлинительный узел могут представлять собой единый кусок диэлектрического материала, желаемой формы, или сборки изготовленную с использованием множества диэлектрических компонентов, соединенных вместе для образования линзы. Удлинительная часть линзы может иметь цилиндрическую или коническую форму.

В качестве прототипа настоящего изобретения принято антенное устройство с электронным сканированием луча по патенту RU 2586023, которое содержит диэлектрическую линзу с плоской поверхностью, первичные излучатели с линиями передачи и переключающую схему для подачи электрической мощности по меньшей мере на один первичный излучатель, при этом первичные излучатели и линии передачи выполнены на высокочастотной диэлектрической плате, установленной на плоской (задней) поверхности линзы, а переключающая схема электрически соединена с первичными излучателями линиями передачи и установлена на высокочастотной диэлектрической плате.

Конструкции всех антенн - аналогов и прототипа подразумевают наличие диэлектрической линзы, форма которой может быть отнесена к группе эллипсоидов вращения (полуэллипсоидов с продолжением, усеченных эллипсоидов и др.) или полусферы с цилиндрическим (коническим или др.) продолжением. Хорошо известно [см. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. - М.: Советское радио, 1974. - 280 с.; Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1970. - 856 с.; Фок. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн. - М.: Сов. Радио, 1970. - 517 с], что такие линзы обладают апланатичностью, то есть способностью к отклонению основного луча диаграммы направленности при смещении первичного антенного элемента. Угол отклонения основного луча линзой зависит от величины смещения первичного антенного элемента относительно центральной оси линзы, и с увеличением смещения увеличивается угол наклона плоского волнового фронта по отношению к оси линзы, что приводит к отклонению основного луча диаграммы направленности линзовой антенны в дальней зоне. Это свойство заложено в основу принципа сканирования лучом в антеннах - аналогах и прототипе. Однако с увеличением смещения первичного антенного элемента возрастает уровень внутренних переотражений в теле линзы. Следует отметить, что для антенного элемента, находящегося в центре задней (плоской) поверхности эллиптической линзы, условия для полного внутреннего отражения не выполняются ни в одной точке внешней поверхности линзы. Однако такие условия возникают при наличии смещения антенного элемента относительно центральной оси линзы, и при увеличении смещения возрастает величина отраженной мощности. Это приводит к значительному уменьшению коэффициента направленного действия антенны при широкоугольном сканировании, увеличению уровня боковых лепестков и является основным фактором, ограничивающим сканирующие способности интегрированных эллиптических и полусферических с цилиндрическим продолжением линзовых антенн.

Таким образом, основным недостатком антенн - аналогов и прототипа является то обстоятельство, что их конструкции не позволяют осуществить возможность широкоугольного сканирования лучом в азимутальной (горизонтальной) плоскости. Вместе с тем, многие реальные системы связи и радиолокации миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн требуют функционирование антенн в достаточно широком азимутальном секторе углов с одновременной подстройкой направления излучения в угломестной плоскости.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции антенны, обеспечивающей непрерывное сканирование лучом в широком угловом секторе азимутальной плоскости с одновременным сканированием (подстройкой) в угломестной плоскости. Это необходимо для быстрой перестройки направления излучения от одной релейной станции к другой при большом числе радиорелейных станций в опорной сети, упрощает подстройку луча при первичной юстировке антенн приемника и передатчика, а также обеспечивает поддержку высокоскоростной радиосвязи с движущимися объектами. Все это делает заявленную конструкцию антенны весьма привлекательной для многих технических применений в современных высокоскоростных системах радиосвязи и радиолокации.

Техническим результатом является то, что предлагаемая конструкция антенны обеспечивает одновременное непрерывное широкоугольное перемещение луча (сканирование) в азимутальной плоскости и дискретное сканирование в угломестной плоскости.

Решение поставленной задачи достигается тем, что заявляемая сканирующая линзовая антенна (см. фиг. 1) включает в себя первичный излучатель - фазированную антенную решетку (ФАР) 1, элементы 2 которой формируют отдельные горизонтальные подрешетки (модули) ФАР 3, и диэлектрическую линзу 4. При этом возможно, что:

1) Подрешетки ФАР сформированы из микрополосковых антенных элементов с линейной поляризацией;

2) Подрешетки ФАР сформированы из микрополосковых антенных элементов с двойной поляризацией;

3) Подрешетки ФАР сформированы из волноводно-щелевых антенных элементов.

Ключевой особенностью является возможность у каждой подрешетки 3 осуществлять широкоугольное сканирование лучом в азимутальной (горизонтальной) плоскости XZ (см. фиг. 1). Для сохранения этого свойства, тело линзы определяется путем вращения вокруг вертикальной оси 5, проходящей вблизи излучателя, геометрического профиля 6 и имеет, поэтому, тороидальную форму. При этом геометрический профиль 6 включает в себя внутреннюю 7 (обращенную к источнику) и внешнюю 8 поверхности и обладает возможностью фокусировать излучение в угломестной (вертикальной) плоскости XY (см. фиг. 1). Подразумевается, что излучатель (ФАР) 1 расположен вблизи вертикальной фокальной оси 5 профиля.

Для осуществления электронного сканирования по углу места, необходимо, чтобы профиль 6 линзы 4 был апланатическим. Апланатичность подразумевает собой возможность качания (изменения направления главного луча) диаграммы направленности (ДН) линзовой антенны путем перемещения излучателя из фокуса линзы вдоль некоторой линии. В данном случае, роль этой линии выполняет вертикальная фокальная ось 5 линзы, на которой располагаются горизонтальные подрешетки ФАР 3, образуя вертикальный столбец из подрешеток. Путем поочередного электронного переключения между модулями ФАР 3 можно изменять положение излучателя относительно фокуса линзы и тем самым осуществить электронное качание (сканирование) диаграммы направленности по углу места. Количество подрешеток (модулей) определяется необходимым количеством дискретных положений диаграммы направленности (ДН) антенны в угломестной плоскости.

При расчете апланатических профилей тел линз можно использовать метод геометрической оптики, который в данном случае был реализован в программном пакете Matlab. Для получения точных характеристик диаграммы направленности, коэффициента направленного действия и других параметров применялась программа электромагнитного моделирования CST Microwave Studio, основанная на методе конечных разностей во временной области.

Геометрический профиль 6 тела линзы заявляемой антенны, показанный схематически на фиг. 1б, может иметь различную форму, в частности, может быть использован бифокальный профиль. Особенностью бифокальных линз является наличие двух преломляющих поверхностей и двух точек идеальной фокусировки. На фиг. 2 показаны траектории лучей, выходящих из источников, расположенных в фокусах А1 9 и А2 10 бифокальной линзы. Если поместить фазовый центр излучателя в любую из этих точек, то на выходе линзы получится фазовый фронт 11 (или 12), имеющий наклон на некоторый угол α относительно плоскости раскрыва линзы. Таким образом, попеременным переключением первичных источников излучения (модулей ФАР) можно добиться сканирования в вертикальной плоскости.

Ниже приведен пример расчета профиля 6 бифокальной линзы. Поместим точки идеальной фокусировки 9 и 10 на оси Y симметрично относительно оси X (см. фиг. 2), зададим координаты этих точек (0; а) и (0; -а) и обозначим их как А1 и А2 соответственно. В случае, когда фазовый центр излучателя находится в точке А1, плоский фронт 11 излучаемой волны будет наклонен на угол -α относительно оси Y, а точке А2 будет соответствовать угол +α (см. фиг. 2). Профиль рассматриваемой бифокальной линзы 6 при этом будет иметь две плоскости симметрии - плоскость ZX и плоскость YX. Расчет линзы проводился следующим образом: по заданным величинам а, α, n, требуется определить форму обеих поверхностей линзы. Для этого был использован приближенный расчет вертикального профиля линзы с помощью метода Джента-Штернберга [см. Brown R.M. Dielectric bifocal lenses // IRE Cov. Rec. - 1956. - V. 4 - №1].

В качестве примера на фиг. 3 и фиг. 4 представлены трехмерные (3D) модели и диаграммы направленности тороидально-бифокальных линзовых антенн, тела которых выполнены из оргстекла (см. фиг. 3) и полиэтилена (см. фиг. 4). Расчет профилей тел линз проводился в приближении геометрической оптики в Matlab, а диаграммы направленности линзовых антенн были получены путем прямого электромагнитного моделирования в CST Microwave Studio. При моделировании в качестве источника излучения использовалась рупорная антенна, а не ФАР. Эта замена была связана с необходимостью упрощения и сокращения времени расчетов. На фиг. 3а изображена трехмерная (3D) модель линзы из оргстекла с диэлектрической проницаемостью ε, имеющей значение 3.5. Рассчитанные диаграммы направленности для такой антенны в азимутальной и угломестной плоскостях представлены на фиг 3б и 3в соответственно. 3D модель линзы из полиэтилена с диэлектрической проницаемостью, равной 2.35, изображена на фиг. 4а. Для этой антенны на фиг. 4б и 4в приведены рассчитанные диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно.

В ходе проведенного анализа и электромагнитного моделирования было выяснено, что при одинаковой апертуре раскрыва антенн, лучшие электрические и массогабаритные характеристики имеют линзы, выполненные из полиэтилена. Этот материал использовался для дальнейших расчетов, а также при изготовлении образца сканирующей линзовой антенны.

На фиг. 5. представлен пример рассчитанного профиля 6 бифокальной линзы с двумя преломляющими поверхностями и вертикальной линейной апертурой 130 мм. для случая, когда тело линзы выполнено из полиэтилена. При расчете профиля 6 расстояние между фокусами 9 и 10 (2а) было задано равным 10 мм, а угол наклона плоской волны (α) имел значение 3°. Кривые, описывающие внутреннюю 7 и внешнюю 8 поверхности, могут быть аппроксимированы функциями вида:

где А, В и k<1 - численные коэффициенты, которые зависят от заданных параметров модели бифокальной линзы (расстояния между фокусами, угла наклона плоского фазового фронта и материла линзы). Однако наличие у линзы двух преломляющих поверхностей на практике нежелательно, поскольку это ведет к появлению дополнительных переотражений на внутренней поверхности и в теле линзы, усложнению процесса изготовления и юстировки антенной системы. Известно, что в случае, когда антенный элемент располагается на границе диэлектрика, электромагнитное излучение "втягивается" в диэлектрик тем больше, чем выше его диэлектрическая проницаемость [M. Kominami, D.M. Pozar, and D.H. Schaubert, "Dipole and Slot Element sand Arrayson Semi-Infinite Substrates," IEEE Transactionson Antennas and Propagation, vol. AP-33, No. 6, pp. 600-607, June 1985]. Отношение мощности излучения в диэлектрик к мощности излучения в свободное пространство в этом случае пропорционально ε3/2. Этот эффект приводит к снижению коэффициента отражения (уровня обратного излучения) в линзовых антеннах с излучателями, расположенными на внутренней поверхности линзы.

Поскольку внутренний профиль 7 линзы для рассматриваемого примера описывается кривой

где X и Y имеют размерность длины и измеряются в миллиметрах. Как видно из фиг. 5, эта кривая может быть аппроксимирована отрезком прямой линии с хорошей точностью. Поэтому было принято решение заполнить свободное пространство между источником и телом линзы полиэтиленом. Однако, чтобы частично компенсировать преломляющее свойство убранной внутренней поверхности, следует несколько увеличить расстояние между излучателем 1 и внешней 8 (преломляющей) поверхностью. Полученный таким образом профиль линзы представлен на фиг. 6, где внешняя поверхность 8 описывается кривой

Подобная модификация линзы не применима для излучателей с широкой диаграммой направленности по углу места (90° и более), но для используемых излучателей со средней шириной ДН (порядка 60°-70°) по углу места можно добиться того, чтобы в бифокальной линзе, имеющей фактически одну преломляющую поверхность, отклонение фазового фронта от плоского на выходе из линзы было незначительным.

Описанный метод расчета профиля 6 бифокальной линзовой антенны не учитывает влияние физических эффектов волновой оптики. Поэтому форма профиля тела линзы нуждается в дополнительной оптимизации параметров. Для этих целей было проведено электромагнитное моделирование линзовой антенной системы в среде CST Microwave Studio. Исследовалось влияние таких параметров как расстояние между фокусами, смещение источника относительно фокусов линзы и коэффициенты уравнения (1), описывающего профиль внешней поверхности линзы. В результате был получен новый оптимизированный профиль линзовой антенны (см. фиг. 7), внешняя 8 преломляющая поверхность которого описывается формулой:

Однако недостатком полученного решения является то обстоятельство, что линза, форма тела которой получена путем вращения на 180 градусов профиля, изображенного на фиг. 7, вокруг вертикальной оси 5, обладает большими габаритами и весом. Уменьшить общую массу и габариты линзовой антенны можно несколькими способами.

Во-первых, тело линзы может быть образовано путем вращения вокруг вертикальной оси усеченного геометрического профиля (см. фиг. 8 и 9). При этом возможно, что:

1) Профиль усекается (см. фиг. 8) двумя горизонтальными прямыми линиями 13 и 14, перпендикулярными вертикальной фокальной оси 5. Расстояние между усекающими прямыми линиями выбирается исходя из того, что получаемый усеченный профиль 6 должен иметь такой вертикальный размер, чтобы в нем могла быть сосредоточена практически вся электромагнитная энергия, излучаемая источником 1 в вертикальной плоскости XY;

2) Профиль усекается (см. фиг. 9) двумя прямыми линиями 15 и 16, образующими угол θ с вершиной вблизи излучателя 1. Порядок величины угла θ определяется шириной ДН источника в плоскости XY, а более точное значение выбирается исходя из того, что получаемый усеченный профиль 6 должен иметь такой вертикальный размер, чтобы в нем могла быть сосредоточена практически вся электромагнитная энергия, излучаемая источником 1 в вертикальной плоскости XY.

Во-вторых, тело линзы может быть усечено (см. фиг. 10) двумя вертикальными плоскостями 17 и 18, образующими двугранный угол ϕ с вершиной вблизи излучателя 1. Величина угла ϕ определяется максимально возможным углом сканирования источника (ФАР) 1 в горизонтальной плоскости.

Для дальнейших исследований и изготовления образца была выбрана модель линзовой антенны (см. фиг. 11), тело 4 которой образовано путем вращения на 180 градусов усеченного горизонтальными линиями профиля, изображенного на фиг. 8, вокруг вертикальной фокальной оси 5. При этом, расстояние между усекающими линиями было выбрано равным 130 мм. Электромагнитный анализ показал, что диаграмма направленности разработанной модели практически не искажается при помещении источника 1 в один из фокусов или между ними, меняется только наклон плоского фазового фронта электромагнитной волны на выходе относительно плоскости раскрыва линзы. Наличие у бифокальной линзы такого свойства, позволяет осуществить достаточно широкое сканирование по углу места с помощью поочередного электронного переключения первичных излучателей 1, расположенных вблизи фокальной оси 5 линзы симметрично относительно оси X (см. фиг. 11). Число излучателей (подрешеток) определяет количество дискретных положений диаграммы направленности в угломестной плоскости XY.

Для подтверждения осуществимости заявленной линзовой антенны, был изготовлен образец (см. фиг. 12), который включал в себя тело линзы 4 из полиэтилена, теплоотводящий радиатор из металла 19, служащий для отвода тепла от источника первичного излучения (ФАР) 1, корпус из оргстекла 20, предназначенный для фиксации ФАР и саму ФАР 1. Излучающая фазированная антенная решетка 1 вставлялась в корпус из оргстекла 20 (см. фиг 12в), с одной стороны которого вплотную примыкает тело линзы 4, а с другой теплоотводящий радиатор 19. Все перечисленные элементы скреплялись в единую конструкцию. Размеры радиатора, корпуса из оргстекла и крепежных винтов были минимизированы, чтобы не оказывать существенного влияния на рассчитанные характеристики линзовой антенны. Тело линзы 4 было изготовлено из специальной заготовки на станке, оборудованным числовым программным управлением и адаптированным для обработки пластмасс.

В качестве излучающей ФАР использовался доступный в продаже антенный модуль, разработанный компанией Интел и изготовленный по КМОП технологии. Эскиз используемого модуля ФАР представлен на фиг. 13. Диапазон частот, в котором работал модуль ФАР, составлял 57-64 ГГц. Антенный модуль 3 содержал 2×10 микрополосковых патча 2, из которых 16 являлись активными (обведены пунктирной линией на фиг. 13) и участвовали в формировании диаграммы направленности (ДН) ФАР, а 4 являлись фиктивными (обозначены белым цветом на фиг. 13). Излучение ФАР имело линейную поляризацию в вертикальной плоскости, то есть вектор напряженности электрического поля направлен параллельно меньшей стороне модуля ФАР 3 (см. фиг. 13). Управление пространственным положением главного луча ДН осуществлялось посредством специализированного программного обеспечения (ПО) на портативном персональном компьютере (ПК). ФАР обладала шириной главного луча диаграммы направленности порядка 14° в азимутальной плоскости и 40-50° в плоскости угла места. Коэффициент усиления ФАР составлял около 15 дБ.

В ходе экспериментального исследования образца сканирующей линзовой антенны были проведены измерения характеристик диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях. В первую очередь, в целях проверки корректного функционирования линзовой антенны были проведены измерения с шагом 0.5° для двух различных положений луча ФАР (двух секторов ФАР). Для случая несмещенного положения главного луча (угол 0° в азимутальной и угломестной плоскостях) ширина по уровню половинной мощности составила 2.5° в плоскости угла места (см. фиг. 14а) и 11° в азимутальной плоскости (см. фиг. 14б). Для случая нахождения главного луча ФАР в отклоненном положении на угол -40° в азимутальной плоскости ширина по уровню половинной мощности составила 3.8° в плоскости угла места (см. фиг. 15а) и 15° в азимутальной плоскости (см. фиг. 15б).

Таким образом, на основании полученных в ходе измерений данных, установлено уменьшение ширины главного луча сканирующей линзовой антенны по сравнению с излучающей ФАР в 1.3 раза в азимутальной плоскости (с 14° до 11°) и в 16 раз в плоскости угла места (с 40° до 2,5°), что привело к соответствующему увеличению коэффициента усиления антенной системы. По оценкам, сделанным в ходе измерения диаграмм направленности установлено, что общий коэффициент усиления разработанной сканирующей линзовой антенной системы при несмещенном положении главного луча составил около 27,5 дБи. Учитывая то, что коэффициент усиления излучающей ФАР составлял 15 дБи, можно оценить дополнительный коэффициент усиления разработанной тороидально-бифокальной линзы величиной порядка 12.5 дБи.

На следующем этапе экспериментальных исследований образца сканирующей линзовой антенны были изучены сканирующие свойства антенной системы в азимутальной (горизонтальной) плоскости. Для переключения между различными пространственными положениями главного луча ДН первичного излучателя (ФАР) использовалось специализированное ПО, позволяющее устанавливать требуемый сектор излучения в азимутальной плоскости в пределах +-45°. На фиг. 16 представлены измеренные диаграммы направленности образца сканирующей линзовой антенны в азимутальной плоскости для различных положений главного луча ДН ФАР. Из фиг. 16 видно, что разработанная антенная система позволяет сканировать пространство лучом в азимутальной плоскости, сохраняя практически неизменной форму диаграммы направленности антенны. При этом деградация коэффициента усиления при максимальных углах сканирования составляла около -7,5 дБ по сравнению с коэффициентом усиления при несмещенном положении главного луча. Поскольку максимальное значение коэффициента усиления в несмещенном положении равнялось 27,5 дБ, то минимальный коэффициент усиления разработанного образца сканирующей линзовой антенны во всем диапазоне сканирования (+-45°) составлял более 20 дБ.

На следующем этапе экспериментальных исследований образца были изучены сканирующие свойства антенной системы в угломестной (вертикальной) плоскости. На фиг. 17 представлены конфигурации активных (обозначены черным цветом на фиг. 17) антенных элементов 2 при переключении луча ДН сканирующей линзовой антенны в вертикальной плоскости. Для проверки корректности работы диэлектрической линзы как бифокальной поверхности в вертикальной плоскости, два горизонтальных ряда активных элементов модуля ФАР 3 располагались в трех положениях: в двух фокусах 9 и 10 диэлектрической линзы и в центре между ними. Измерения ДН в вертикальной плоскости проводились с шагом 0.2° при несмещенном положении главного луча в азимутальной плоскости для всех трех положений активных элементов модуля ФАР. Из нормированных диаграмм направленности приведенных на фиг. 18. следует, что перекрытие между соседними лучами в плоскости угла места происходит на уровнях меньше -3 дБ и деградация лучей при положении активных элементов в 1-м и 2-м фокусах не превышает -0.6 дБ по сравнению с центральным лучом. Из приведенных графиков также видно, что угол сканирования по углу места (по уровню -3 дБ) разработанного образца сканирующей линзовой антенны составлял ±3°.

Основные характеристики образца сканирующей линзовой антенны приведены в Табл. 1.

1. Сканирующая линзовая антенна, содержащая линзу из диэлектрика, излучающие элементы с возможностью обеспечения направления их излучения на линзу, отличающаяся тем, что форма тела линзы образована путем вращения апланатического фокусирующего геометрического профиля, образованного кривыми, описывающими внутренюю (обращенную к излучающим элементам) и внешнюю поверхности, вокруг фокальной вертикальной оси линзы, вблизи которой размещены излучающие элементы фазированной антенной решетки (ФАР), которые формируют отдельные горизонтальные подрешетки (модули), число которых зависит от необходимого количества дискретных положений диаграммы направленности (ДН) антенны в угломестной плоскости.

2. Антенна по п. 1, в котором подрешетки ФАР сформированы из микрополосковых антенных элементов с одной поляризацией.

3. Антенна по п. 1, в котором подрешетки ФАР сформированы из микрополосковых антенных элементов с двойной поляризацией.

4. Антенна по п. 1, в котором подрешетки ФАР сформированы из волноводно-щелевых антенных элементов.

5. Антенна по п. 1, в котором линза выполнена из оргстекла.

6. Антенна по п. 1, в котором линза выполнена из полиэтилена.

7. Антенна по п. 1, в котором линза выполнена из фторопласта.

8. Антенна по п. 1, в котором тело линзы образовано путем вращения профиля, усеченного двумя горизонтальными прямыми линиями, перпендикулярными вертикальной фокальной оси.

9. Антенна по п. 1, в котором тело линзы образовано путем вращения профиля, усеченного двумя прямыми линиями, образующими угол с вершиной вблизи излучателя.

10. Антенна по п. 1, в котором тело линзы усечено двумя вертикальными плоскостями, образующими двугранный угол с вершиной вблизи излучателя.

11. Антенна по п. 1, в котором форма тела линзы может быть получена согласно пп. 8 или 10.

12. Антенна по п. 1, в котором форма тела линзы может быть получена согласно пп. 9 или 10.

13. Антенна по п. 1, в котором апланатический фокусирующий геометрический профиль имеет бифокальную форму.

14. Антенна по п. 13, в котором подрешетки ФАР установлены вблизи фокусов бифокального профиля.

15. Антенна по п. 1, в котором геометрический профиль и внутренней, и внешней поверхности линзы описывается функцией вида:

Y(X)=(AX+B)k.

16. Антенна по пп. 6 или 15, в которых геометрический профиль линзы описывается выражением для внутренней поверхности:

Y(X)=(14124Х-984180)0.5

и выражением для внешней поверхности:

Y(X)=(-730Х+109226)0,39,

где X и Y имеют размерность длины и измеряются в миллиметрах.

17. Антенна по пп. 6 или 13, в которых внешняя поверхность линзы описывается выражением:

Y(X)=(-182X+27274)0.45,

где X и Y имеют размерность длины и измеряются в миллиметрах.



 

Похожие патенты:

Предложенная группа изобретений относится к антеннам поверхностного рассеяния и способам формирования соответствующих электромагнитных волн. Антенна поверхностного рассеяния содержит соединительную муфту фидера для возбуждения ведомой волны при приеме электромагнитного сигнала из структуры фидера; волновод, выполненный с возможностью распространения указанной ведомой волны; и несколько рассеивающих элементов, распределенных вдоль волновода с межэлементными промежутками, значительно меньшими, чем длина волны в свободном пространстве, соответствующая рабочей частоте антенны, причем указанные несколько рассеивающих элементов имеют: электромагнитные свойства, перенастраивающиеся в ответ на один или несколько внешних входных воздействий, несколько перенастраиваемых индивидуальных электромагнитных откликов на моду указанной ведомой волны в волноводе.

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для обеспечения высокоскоростных соединений типа «точка-точка» при работе радиорелейных станций в миллиметровом диапазоне длин волн.

Способ динамического изменения приемо-передающих характеристик антенны заключается в том, что осциллятор выполняют в виде трехмерной фигуры с множеством граней и ребер.

Изобретение относится к области телекоммуникационных технологий, а более конкретно - к устройствам для управления плоскими электромагнитными волнами. Технический результат заключается в обеспечении снижения величины управляющего напряжения и вносимых электромагнитных потерь.

Изобретение относится к области радиосвязи, в частности к высокоскоростным соединениям типа «точка-точка» и «точка-многоточка» миллиметрового диапазона длин волн, обеспечиваемым посредством станций радиорелейной (РРС) связи с электронным сканированием луча.

Изобретение относится к антенной технике. .

Изобретение относится к антенной технике. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах связи. .

Изобретение относится к радиотехнике и м.б. .

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в высокоскоростных радиорелейных станциях, преимущественно миллиметрового диапазона длин волн. Сканирующая линзовая антенна содержит диэлектрическую линзу, форма тела которой образована путем вращения апланатического фокусирующего геометрического профиля вокруг фокальной вертикальной оси линзы, вблизи которой размещены излучающие элементы фазированной антенной решетки, которые формируют отдельные горизонтальные подрешетки ФАР, число которых определяется необходимым количеством дискретных положений диаграммы направленности антенны в угломестной плоскости. Технический результат заключается в возможности одновременного непрерывного широкоугольного перемещения луча в азимутальной плоскости и дискретного сканирования в угломестной плоскости. 16 з.п. ф-лы, 18 ил., 1 табл.

Наверх