[1]Изобретение относится к спутниковым системам связи и может быть использовано как структурообразующий элемент активной фазированной антенной решётки, осуществляющей приём и передачу сигнала (приёмо-передающая АФАР) на спутник в составе наземных терминалов спутниковой и воздушной связи и воздушных модулей связи пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, а также в других системах как с линейной, так и с вращающейся поляризацией электромагнитного поля.
[2]Из уровня техники известно, что предлагаемый антенный элемент может быть отнесён к магнитоэлектрическим дипольным антеннам или турникетным (с перекрёстными излучателями) антеннами.
[3]Известна турникетная антенна SU 1246200 A2, содержащая симметричный вибратор с плечами, две пары дополнительных вибраторов, узел возбуждения, экран и дополнительные проводники, отличающаяся тем, что круговая поляризация реализуется при помощи четвертьволновой длины вспомогательных вибраторов, а также тем, что деление мощности пополам между ортогональными поляризациями обеспечивается трёхдецибелльной связью между плечами симметричного вибратора, а не дуальным способом запитки, как в данном изобретении. Недостатком применения данного способа запитки является отсутствие возможности динамически управлять амплитудами ортогональных поляризаций по отдельности.
[4]Известны также несколько ранних вариантов турникетной антенны, содержащих два перпендикулярных горизонтальных вибратора, запитанных с разностью фаз в 90 градусов: SU 17427, SU 69974, отличающиеся тем, что питание радиосигналом происходит при помощи коаксиального кабеля, а не микрополоскового волновода. Недостатком известного устройства является кабельная запитка, невозможная к прямой реализации по технологии печатных плат для антенных решёток миллиметрового диапазона ввиду высоких требований к повторяемости элемента.
[5]Известны патенты RU 2258286C2, US 5519407, отличающиеся тем, что указанные антенны работают в двух диапазонах частот, а не широком диапазоне частот, а также не рассматриваются в качестве элементов антенной решётки и технологически не приспособлены для этого. Недостатком известных изобретений является разбитый на две полосы фиксированный рабочий диапазон, тогда как предлагаемое решение может работать сразу в широкой полосе.
[6]Известна магнитоэлектрическая антенна на печатной плату CN 107819203, отличающаяся тем, что уширение полосы частот достигается за счёт взаимодействия резонансного элемент с элементами метаповерхности на нижней диэлектрической пластине, а не за счёт перекрытия полос излучения электрического и магнитного дипольных моментов, как в предлагаемом примере. Известен патент KR101872460B1 антенны для систем связи на частотах, близких к 800 МГЦ, внутри помещения на основе турникетной антенны. Известные антенны обладают только линейной поляризацией и не могут динамически её менять, что является её недостатком в широком смысле и в смысле применения к системам связи с подвижным абонентом, когда требуется круговая поляризация.
[7]Известны магнитоэлектрические антенны US20230075273 и CN106299664, позволяющие управлять коэффициентом эллиптичности антенны. Недостатками известных антенн является невозможность их реализации в монолитном стеке печатной платы для изготовления активной фазированной антенной решётки, а также отсутствие механизма разделения каналов приёма и передачи для использования в трактах совмещённых систем.
[8]С научной точки зрения двухполяризационные антенны известны по статьям в научных журналах doi:10.1109/LAWP.2016.2581259, doi:10.1109/ACCESS.2018.2873392, doi:10.1109/ACCESS.2019.2905629, doi:10.1002/mmce.22615, doi:10.2528/PIERC17022005, doi:10.23919/ISAP47053.2021.9391214, doi:10.1109/TAP.2022.3141188. Недостатком данных работ является то, что известные способы не рассматривают турникетную антенну как составляющую активной фазированной антенной решётки и прибор для раздельных приёма и передачи сигнала, что делает невозможным их использование в рамках решаемой данным изобретением задачи. Кроме того, большинство представленных реализаций предлагают коаксиальную кабельную запитку антенны радиосигналом, что является недостатком при применении к решёточным системам с высокой повторяемостью.
[9]Известна также научная работа doi:10.1109/access.2020.3027813, в которой реализована антенная решётка на основе магнитоэлектрических антенных элементов, однако использован коаксиальный способ запитки антенного элемента радиосигналом, что делает невозможным использование подобного способа при изготовление активных фазированных антенных решёток для задач воздушной и спутниковой связи ввиду высоких требований к повторяемости унитарного элемента.
[10]Известна научная работа doi:10.1109/tap.2016.2537390, в которой авторами предложена топология антенной решётки на основе магнитоэлектрических дипольных антенн с использованием интегрированной в подложку (SIW-волноводной) линии запитки. Известна работа doi:10.1109/tap.2019.2925186, посвящённая изготовлению антенной решётки на магнитоэлектрических дипольных антеннах и воздушном волноводе с зазором. Реализованные антенные решётки не обладают потенциалом сканирования лучом, поскольку длина волноводной линии не изменяется и одинакова для каждого антенного элемента, что не позволяет использовать данную наработку при разработке фазированных антенных решёток. Другим недостатком метода является использование SIW-волновода, обладающего большим размером, из-за чего при изготовлении активной фазированной антенной решётки невозможно укомплектовать элементы ближе, чем половина длины волны.
[11]Задачей настоящего изобретения является совмещение приёмной и передающей функций в одной активной фазированной антенной решётке и динамическое управление двойной поляризацией решётки.
[12]Технический результат заключается в создании элемента активной фазированной антенной решётки, работающего в широкой полосе частот как на приём, так и на передачу, причём поляризации и направления приёмного и передающего каналов могут управляться независимо друг от друга.
[13]Указанная задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что совмещённый приёмо-передающий антенный элемент для систем связи на базе АФАР выполняется по технологии изготовления микрополосковых элементов на печатных платах и представляет собой многослойный стек печатной платы, на одном из слоёв которой расположен полосковый диплексер, представляющий собой свёрнутый распределённый брэгговский отражатель и разделяющий частотный диапазон антенного элемента на приёмный и передающий поддиапазоны; а на остальных слоях расположены излучатель, представляющий собой четыре квадрата с вырезами в форме треугольников, отстоящих друг от друга на равном расстоянии, четыре согласующих элемента в форме прямоугольников, расположенные между ними, два скрещенных микрополоска, выполняющие запитку системы радиосигналом емкостным методом, а также переходных металлизированных отверстий (via), соединяющих части антенного элемента между собой, и отличающийся тем, что конструкция линии подачи радиосигнала предусматривает частотное разделение приёмного и передающего каналов, независимое управление их поляризациями, а также возможность реализации на нём активной фазированной антенной решётки по технологии изготовления печатных плат.
[14]Заявляемый антенный элемент является турникетной антенной с реализацией питания при помощи емкостной связи микрополосковых элементов, выполненных на внешнем слое стека печатной платы с антенной на внутреннем слое и при помощи сквозных металлизированных отверстий, соединённых с полосковыми линиями внутри стека.
[15]Заявляемое изобретение изображено на фиг.1-3 с использованием следующих обозначений:
[16]1 - верхний слой диэлектрика,
[17]2 - средний слой диэлектрика,
[18]3 - нижний слой диэлектрика,
[19]4 - слой металлизации излучателя, размещённый между 1 и 2,
[20]5 - слой металлизации запитывающей структуры, размещённый на поверхности 1,
[21]6 - переходное металлизированное отверстие между слоями металлизации иззлучателя 4 и запитывающей структуры 5,
[22]7 - заземляющие металлизированные переходные отверстия (сквозные),
[23]8 - питающее металлизированное переходное отверстие (сквозные) второй поляризации,
[24]9 - металлизированное переходное отверстие (слепое) линии приёма второй поляризации,
[25]10 - заземляющее металлизированное переходное отверстие (слепое) линии запитки,
[26]11 - слой металлизации заземления антенного элемента,
[27]12 - заземляющее металлизированное переходное отверстие слоя диплексера,
[28]13 - металлизированное переходное отверстие (слепое) линии передачи второй поляризации,
[29]14 - металлизированное переходное отверстие (слепое) линии приёма первой поляризации,
[30]15 - металлизированное переходное отверстие (слепое) линии передачи первой поляризации,
[31]16 - питающее металлизированное переходное отверстие (сквозные) первой поляризации.
[32]Совмещённый приёмо-передающий антенный элемент для систем связи на базе АФАР представляет собой квадратный сектор многослойной печатной платы, изготовленной с применением технологий попарного прессования и сверления двусторонне металлизированного СВЧ-текстолита. Общее число задействованных элементов слоёв металла равно пяти. Радиосигнал поступает в систему через входы линии подачи: раздельно на приём (Rx) и на передачу (Tx), - состоящие из сигнальных металлизированных отверстий 9, 13, 14, 15 (по одному на комбинацию типа и поляризации) и заземляющих металлизированных отверстий 10, затем смешивается на слое диплексера в диэлектрике 3, ограниченного заземляющими металлизированными отверстиями 12 и полотном металла 11, поступает на согласующие элементы 5, 6 через сигнальные линии в диэлектриках 2 и 1, состоящие из сигнальных металлизированных отверстий 8, 16 и заземляющих металлизированных отверстий 7, а затем излучается с излучателя 4.
[33]Для изготовления активной фазированной антенной решётки на основе данного элемента, изображённого на фиг. 1, к задней части печатной платы дополнительно прессуются слои разводки, а также контактные площадки лучеформирующих элементов для диапазонов Rx и Tx. Топология слоя диплексера, представляющего собой свёрнутый распределённый брэгговский отражатель, выбирается таким образом, чтобы обеспечивать полосы пропускания в диапазонах приёма и передачи, соответствующих конкретной задаче и может быть обобщённо представлена в полосковом исполнении распределённого брэгговского отражателя на фиг. 2. Общая схема подключения элемента и его внутренние взаимосвязи изображены на фиг. 3.
[34]Активная фазированная антенная решётка 48×48 на основе заявляемого изобретения с периодом 12 мм, изготовленная на стеке с относительной диэлектрической проницаемостью ядра 3,38, тангенсом угла потерь ядра 0,029, относительной диэлектрической проницаемостью препрега 3,5 и тангенсом угла потерь препрега 0,042, обладает следующими свойствами:
[35]1. Рабочие диапазоны частот лежат в Ku-диапазоне: 10,95-12,75 ГГц на приём и 13,75-14,5 ГГц на передачу.
[36]2. Угол сканирования решётки от нормали: 0-60 градусов.
[37]3. На приём и передачу могут быть реализованы следующие поляризации: правая круговая, левая круговая, линейная или их комбинации с произвольным коэффициентом эллиптичности.
[38]4. Число независимых лучей для сканирования: 2.
