Антенна зоны Френеля

Антенны с зоной Френеля — это антенны , которые фокусируют сигнал, используя свойство фазового сдвига поверхности антенны или ее формы. Существует несколько типов Френеля зональных антенн , а именно: зональная пластина с фазовой коррекцией Френеля, смещенные антенны с зональной пластиной Френеля, отражательная решетка или антенны «Reflectarray» и трехмерные антенны Френеля. Они представляют собой класс дифракционных антенн и используются от радиочастот до рентгеновских лучей.

Антенна Френеля

Антенны с зоной Френеля относятся к категории рефлекторных и линзовых антенн . Однако, в отличие от традиционных рефлекторных и линзовых антенн, эффект фокусировки в антенне с зоной Френеля достигается за счет управления свойством фазового сдвига поверхности и позволяет получить плоскую поверхность. или произвольные формы антенн. По историческим причинам плоская зональная антенна Френеля называется зональной пластинчатой ​​антенной Френеля. Смещенная зональная пластина Френеля может быть установлена ​​заподлицо с стеной или крышей здания, напечатана на окне или сделана соответствующей корпусу транспортного средства.

Преимущества зональной пластинчатой ​​антенны Френеля многочисленны. Обычно его производство и установка дешевы, его легко транспортировать и упаковывать, и он может обеспечить высокую прибыль. Из-за своей плоской конструкции сила ветровой нагрузки зонной пластины Френеля может составлять всего 1/8 от силы обычных сплошных или сетчатых отражателей аналогичного размера. При использовании на частотах миллиметровых волн миллиметрового диапазона зональная антенна Френеля может быть интегрирована с монолитной интегральной схемой (MMIC) и, таким образом, становится даже более конкурентоспособной, чем печатная антенная решетка.

Простейшая зонная пластинчатая антенна Френеля — это круглая полуволновая зонная пластинка, изобретенная в девятнадцатом веке. Основная идея состоит в том, чтобы разделить плоскую апертуру на круглые зоны относительно выбранной фокальной точки на том основании, что все излучение из каждой зоны поступает в фокальную точку синфазно в диапазоне ±π/2. Если излучение из чередующихся зон подавить или сдвинуть по фазе на π, получается приблизительный фокус и туда можно поместить облучатель для эффективного сбора полученной энергии. Несмотря на свою простоту, полуволновая зонная пластинка оставалась в основном оптическим устройством долгое время , прежде всего потому, что ее КПД слишком низок (менее 20%), а уровень боковых лепестков ее диаграммы направленности слишком высок, чтобы конкурировать с обычным рефлектором. антенны.

По сравнению с обычными рефлекторными и линзовыми антеннами, опубликованные исследования микроволновых и миллиметровых антенн с зоной Френеля кажутся ограниченными. В 1948 году Маддаус опубликовал проектные и экспериментальные работы по ступенчатым полуволновым линзовым антеннам, работающим на частоте 23 ГГц, при этом были достигнуты уровни боковых лепестков около -17 дБ. В 1961 году Бускирк и Хендрикс сообщили об эксперименте с простыми зональными пластинчатыми отражательными антеннами с круговым обращением фазы для работы на радиочастотах . К сожалению, достигнутый ими боковой лепесток достигал -7 дБ. В 1987 году Блэк и Уилтс опубликовали свои теоретические и экспериментальные работы по ступенчатой ​​четвертьволновой зонной пластинке на частоте 35 ГГц. Был достигнут уровень боковых лепестков около -17 дБ. Год спустя Худер и Мензель сообщили о зональном пластинчатом отражателе с обращением фазы, работающем на частоте 94 ГГц, в результате чего были получены эффективность 25% и уровень боковых лепестков -19 дБ. Об эксперименте с аналогичной антенной на частоте 11,8 ГГц сообщили исследователи НАСА 5% 3 дБ в 1989 году. Была измерена полоса пропускания и уровень боковых лепестков -16 дБ.

До 1980-х годов зонная пластинчатая антенна Френеля считалась плохим кандидатом для микроволновых применений . Однако после развития услуг DBS в восьмидесятых годах инженеры по антеннам начали рассматривать использование зонных пластин Френеля в качестве потенциальных антенн для приема DBS, где стоимость антенны является важным фактором. Это в некоторой степени дало коммерческий толчок исследованиям зональных антенн Френеля.

Офсетная антенна Френеля

смещенной зонной пластинке Френеля . Впервые сообщалось о В отличие от симметричной зонной пластинки Френеля, которая состоит из набора круглых зон, смещенная зонная пластинка Френеля состоит из набора эллиптических зон, определяемых

${\frac {x^{2}}{b^{2}}}+{\frac {(y-c)^{2}}{a^{2}}}=1$

где a, b и c определяются углом смещения и фокусным расстоянием , а также индексом зоны. Эта особенность создает некоторые новые проблемы при анализе смещенных антенн с зональными пластинками Френеля. Формулы : и алгоритмы прогнозирования диаграммы направленности антенны со смещенной линзой Френеля представлены в где также сообщаются некоторые экспериментальные результаты. Хотя простая антенна с линзой Френеля имеет низкую эффективность, она служит очень привлекательным кандидатом в помещении, когда доступно большое окно или электрически прозрачная стена. Например, при использовании служб прямого вещания (DBS) офсетную линзу Френеля можно создать, просто нарисовав зональный узор на оконном стекле или жалюзи с помощью проводящего материала. Спутниковый сигнал, проходящий через прозрачные зоны, затем собирается с помощью внутреннего канала.

Фазокорректирующая антенна

Чтобы повысить эффективность зонных пластинчатых антенн Френеля, можно разделить каждую зону Френеля на несколько подзон, например четвертьволновые подзоны, и обеспечить соответствующий фазовый сдвиг в каждой из них, что приведет к получению подзонной фазы. корректирующая зональная пластина. Проблема с линзовой антенной с зональной пластиной на основе диэлектрика заключается в том, что, хотя диэлектрик обеспечивает фазовый сдвиг передаваемой волны, он неизбежно отражает часть энергии обратно, поэтому эффективность такой линзы ограничена. Однако проблема низкой эффективности зонального пластинчатого отражателя менее серьезна, поскольку полного отражения можно достичь, используя проводящий отражатель позади зонной пластины. На основе анализа фокального поля показано, что высокоэффективные зонные пластинчатые отражатели могут быть получены с использованием метода многослойной фазовой коррекции, который заключается в использовании ряда диэлектрических пластин с низкой диэлектрической проницаемостью и печати различных металлических зональных рисунков на разных интерфейсах. Представлены конструкции и эксперименты круглых и смещенных многослойных фазокорректирующих зональных пластинчатых отражателей.

Проблема с многослойным отражателем зональной пластины заключается в его сложности, которая может свести на нет преимущество использования антенн с зональными пластинками Френеля. Одним из решений является печать неоднородного массива проводящих элементов на заземленной диэлектрической пластине, что приводит к созданию так называемого однослойного печатного плоского отражателя. Эта конфигурация имеет много общего с печатной антенной решеткой, но требует использования фидерной антенны вместо корпоративной фидерной сети. В отличие от обычной антенной решетки элементы решетки разные и расположены псевдопериодическим образом. Изложены теория и метод проектирования однослойных печатных плоских отражателей с проводящими кольцами, а также результаты экспериментов по созданию такой антенны, работающей в Х-диапазоне. Естественно, это приводит к более общей концепции антенны — отражающей решетке с фазовой коррекцией.

Рефлекторная антенна

Прототип металлической линзовой антенны для микроволн 6 ГГц, разработанный в Bell Labs в 1946 году Уинстоном Э. Коком , показан стоящим рядом. Он состоит из вертикальной решетки размером 10 × 10 футов из параллельных металлических полос в форме линзы Френеля.

Фазокорректирующая отражающая решетка состоит из массива фазосдвигающих элементов, освещаемых облучателем, расположенным в фокусной точке. Слово «отражающий» относится к тому факту, что каждый фазосдвигающий элемент отражает обратно энергию падающей волны с соответствующим фазовым сдвигом. Фазосдвигающие элементы могут быть пассивными или активными. Каждый фазосдвигающий элемент может быть спроектирован так, чтобы либо создавать фазовый сдвиг, равный тому, который требуется в центре элемента, либо обеспечивать некоторые квантованные значения фазового сдвига. Хотя первый вариант не кажется коммерчески привлекательным, второй оказался практичной конфигурацией антенны. Одним из потенциальных преимуществ является то, что такую ​​решетку можно переконфигурировать, изменяя положения элементов для создания различных диаграмм направленности. систематической теории фазовой эффективности антенных решеток с пассивной фазовой коррекцией и экспериментальных результатах на прототипе X-диапазона. Сообщалось о В последние годы этот тип антенн стало принято называть «рефлекторными антеннами» .

Опорная фазовая модуляция

Показано, что фаза главного лепестка зонной пластинки следует за ее опорной фазой : в формулу для зон добавлена ​​постоянная длина пути или фаза, но фаза боковых лепестков гораздо менее чувствительна.

$r_{n}={\sqrt {(n+\alpha )\lambda f+{\frac {(n+\alpha )^{2}\lambda ^{2}}{4}}}}$

Таким образом, когда можно модулировать сигнал путем динамического изменения свойств материала, модуляция боковых лепестков намного меньше, чем у основного лепестка, и поэтому они исчезают при демодуляции, оставляя более чистый и конфиденциальный сигнал.

Антенны Френеля с управлением лучом

Управление лучом может применяться путем управления амплитудой/фазой или только амплитудного управления элементами антенной решетки, расположенными в фокусе линзы в качестве облучателя антенны. При управлении только по амплитуде фазовращатели, ограничивающие полосу пропускания, не требуются, что позволяет снизить сложность и облегчить ограничения полосы пропускания за счет ограниченных возможностей управления лучом.

Трехмерные антенны Френеля

Для повышения фокусирующих, разрешающих и сканирующих свойств, а также для создания диаграмм направленности различной формы зонную пластинку и антенну Френеля можно собрать согласно криволинейному природному или искусственному образованию и использовать в качестве дифракционной антенны- обтекателя .