Зона Френеля антенна - Fresnel zone antenna - Wikipedia

Антенны зоны Френеля антенны, которые фокусируют сигнал, используя свойство фазового сдвига поверхности антенны или ее форму[1][2][3].[4][5]Есть несколько видов Зона Френеля антенны, а именно, Френель зонная пластина, офсетные зонные пластинчатые антенны Френеля, фазокоррекция отражающая матрица или антенны "Reflectarray" и трехмерные антенны Френеля. Это класс дифракционных антенн, которые используются от радиочастот до рентгеновских лучей.

Антенна Френеля

Зональные антенны Френеля относятся к категории отражатель и Линзовые антенны. Однако, в отличие от традиционных рефлекторных и линзовых антенн, эффект фокусировки в зонной антенне Френеля достигается за счет управления фазовый сдвиг свойство поверхности и позволяет[1][6] или антенны произвольной формы.[4] По историческим причинам плоская зональная антенна Френеля называется зональной пластинчатой ​​антенной Френеля. Смещенная пластина зоны Френеля может быть установлена ​​заподлицо на стене или крыше здания, напечатана на окне или сделана конформной к кузову транспортного средства.[7]

У зонной пластинчатой ​​антенны Френеля множество преимуществ. Обычно он дешев в изготовлении и установке, его легко транспортировать и упаковывать, и он может обеспечить высокий выигрыш. Благодаря своей плоской природе ветровая нагрузка сила зонной пластины Френеля может составлять всего 1/8 от силы обычного твердого тела или проволочная сетка отражатели аналогичного размера. При использовании в миллиметровая волна частот, зонная антенна Френеля может быть интегрирована с миллиметровым диапазоном монолитная интегральная схема (MMIC) и, таким образом, становится даже более конкурентоспособным, чем печатная антенная решетка.

Простейшая зонная пластинчатая антенна Френеля - это круговой пластина полуволновой зоны изобретен в девятнадцатом веке. Основная идея состоит в том, чтобы разделить плоское отверстие на круглые зоны относительно выбранного координационный центр на том основании, что все радиация из каждой зоны прибывает в точку фокуса по фазе в диапазоне ± π / 2. Если излучение из альтернативных зон подавляется или сдвигается по фазе на π, получается приблизительный фокус, и там можно разместить источник для эффективного сбора принятой энергии. Несмотря на свою простоту, полуволновая поясная пластинка оставалась в основном как оптическое устройство в течение длительного времени, в первую очередь из-за слишком низкого КПД (менее 20%) и боковой лепесток уровень его диаграммы направленности слишком высок, чтобы конкурировать с обычными рефлекторными антеннами.

По сравнению с обычными рефлекторными и линзовыми антеннами, опубликованные исследования зонных антенн Френеля микроволнового и миллиметрового диапазонов кажутся ограниченными. В 1948 году Маддаус опубликовал проект и экспериментальную работу по ступенчатым полуволновым линзовым антеннам, работающим на частоте 23 ГГц, при этом были достигнуты уровни боковых лепестков около -17 дБ. В 1961 году Бускерк и Хендрикс сообщили об эксперименте по простейшим кольцевым пластинчатым отражательным антеннам с фазовой обратной фазой для радиочастота операция. К сожалению, достигнутый ими боковой лепесток составил -7 дБ. В 1987 году Блэк и Вильтсе опубликовали свою теоретическую и экспериментальную работу по ступенчатой ​​четвертьволновой зонной пластине на частоте 35 ГГц. Достигнут уровень боковых лепестков около -17 дБ. Годом позже Худер и Мензель сообщили о пластинчатом отражателе зоны с обращенной фазой, работающем на частоте 94 ГГц, и получили 25% -ный КПД и уровень боковых лепестков -19 дБ. Об эксперименте с аналогичной антенной на частоте 11,8 ГГц сообщил НАСА исследователей в 1989 г. 5% 3 дБ пропускная способность и уровень боковых лепестков –16 дБ.[1]

До 1980-х годов зонная пластинчатая антенна Френеля считалась плохим кандидатом на микроволновые приложения. После разработки DBS Однако в восьмидесятые годы антенные инженеры начали рассматривать использование зонных пластин Френеля в качестве возможных антенн для приема DBS, где стоимость антенны является важным фактором. Это, в некоторой степени, дало коммерческий толчок исследованиям зонных антенн Френеля.[1][3][5]

офсетная антенна Френеля

В офсетная пластина зоны Френеля впервые было сообщено в.[8] В отличие от симметричной зонной пластины Френеля, которая состоит из набора круговых зон, офсетная зонная пластина Френеля состоит из набора эллиптических зон, определяемых

где a, b и c определяются углом смещения и фокусное расстояние и индекс зоны. Эта особенность привносит некоторые новые проблемы в анализ офсетных антенн с зонными пластинками Френеля. В формулы и алгоритмы для предсказания диаграмма направленности офсетной линзовой антенны Френеля представлены в[8] где также представлены некоторые экспериментальные результаты. Хотя простая линзовая антенна Френеля имеет низкую эффективность, она служит очень привлекательным кандидатом для использования внутри помещений, когда доступно большое окно или электрически прозрачная стена. Например, при применении услуг прямого вещания (DBS) офсетная линза Френеля может быть изготовлена ​​путем простого нанесения зонального рисунка на оконном стекле или шторке проводящим материалом. Затем спутниковый сигнал, проходящий через прозрачные зоны, собирается с помощью внутреннего источника.

фазокорректирующая антенна

Чтобы повысить эффективность зонных пластинчатых антенн Френеля, можно разделить каждую зону Френеля на несколько подзон, таких как четвертьволновые подзоны, и обеспечить соответствующий фазовый сдвиг в каждой из них, что приведет к фазе подзоны корректирующая поясная пластина.[9] Проблема с линзовой антенной с зонной пластиной на основе диэлектрика заключается в том, что в то время как диэлектрик обеспечивает фазовый сдвиг передаваемой волны, он неизбежно отражает часть энергии обратно, поэтому эффективность такой линзы ограничена. Однако проблема низкой эффективности для отражателя с зонной пластиной менее серьезна, поскольку полное отражение может быть достигнуто за счет использования проводящего отражателя за зонной пластиной.[10] На основе анализа фокального поля показано, что отражатели с зонными пластинами с высокой эффективностью могут быть получены с помощью метода многослойной коррекции фазы, который заключается в использовании ряда диэлектрических пластин с низкой диэлектрическая проницаемость и напечатайте различные металлические зональные узоры на разных интерфейсах. Конструкция и эксперименты с круговыми и офсетными многослойными пластинчатыми фазокорректирующими отражателями представлены в.[1]

Проблема с многослойными зонными пластинчатыми отражателями заключается в их сложности, которая может компенсировать преимущества использования зонных пластинчатых антенн Френеля. Одно из решений - напечатать неоднородный массив проводящих элементов на заземленной диэлектрической пластине, что приведет к так называемому однослойному печатному плоскому отражателю.[1][11] Эта конфигурация имеет много общего с печатной антенной решеткой, но требует использования питающей антенны вместо корпоративной сети питания. В отличие от обычной антенной решетки, элементы решетки отличаются и расположены псевдопериодическим образом. Теория и метод проектирования однослойных печатных плоских отражателей, включающих токопроводящие кольца, и результаты экспериментов с такой антенной, работающей в X-диапазоне, представлены в.[5] Естественно, это приводит к более общей концепции антенны - отражающей решетке с фазовой коррекцией.

Антенна Reflectarray

Прототип металлической линзовой антенны для микроволн 6 ГГц, разработанный в Bell Labs в 1946 г. Уинстон Э. Кок, показано стоящим рядом с ним. Он состоит из вертикальной решетки размером 10 футов на 10 футов из параллельных металлических полос в форме линзы Френеля.

Отражательная матрица с коррекцией фазы состоит из набора фазосдвигающих элементов, освещаемых источником, размещенным в фокусной точке. Слово «отражающий» относится к тому факту, что каждый фазосдвигающий элемент отражает обратно энергию падающей волны с соответствующим фазовым сдвигом. Фазовращающие элементы могут быть пассивными или активными. Каждый элемент фазового сдвига может быть спроектирован так, чтобы либо производить фазовый сдвиг, равный необходимому в центре элемента, либо обеспечивать некоторые квантованные значения фазового сдвига. Хотя первое не кажется коммерчески привлекательным, второе оказалось практичной конфигурацией антенны. Одно из потенциальных преимуществ состоит в том, что такую ​​решетку можно переконфигурировать, изменив положение элементов для получения различных диаграмм направленности. Систематическая теория фазовой эффективности пассивных фазокорректирующих антенных решеток и экспериментальные результаты в X-диапазоне прототип были зарегистрированы в.[1] В последние годы антенны этого типа стали называть «отражательными решетками».[12]

фазовая модуляция Ссылочный

Показано, что фаза главного лепестка зонной пластинки повторяет ее эталонная фаза,[13] постоянная длина пути или фаза добавляются к формуле для зон, но фаза боковых лепестков гораздо менее чувствительна.

Таким образом, когда возможно модулировать сигнал, динамически изменяя свойства материала, модуляция боковых лепестков намного меньше, чем у главного лепестка, и поэтому они исчезают при демодуляции, оставляя более чистый и конфиденциальный сигнал.[14]

Трехмерные антенны Френеля

Чтобы улучшить фокусирующие, разрешающие и сканирующие свойства, а также создать диаграммы направленности излучения различной формы, зонная пластина Френеля и антенна могут быть собраны в соответствии с криволинейным естественным или искусственным образованием и использованы в качестве дифракционной антенны.Обтекатель.[4]

Сноски

  1. ^ а б c d е ж грамм Guo, Y.J .; Бартон, С. (2002). Антенны зоны Френеля. Kluwer Academic Publisher. Дои:10.1007/978-1-4757-3611-3. ISBN  978-1-4419-5294-3.
  2. ^ Христов, H (2000). Зоны Френеля в беспроводных линиях связи, линзах с зональной пластиной и антеннах. Артек Хаус. ISBN  978-0890068496.
  3. ^ а б Минин, И.В .; Минин, О.В. (2008). Основные принципы антенных решеток Френеля. Конспект лекций по электротехнике. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. п. 199. Дои:10.1007/978-3-540-79559-9. ISBN  978-3-540-79558-2.
  4. ^ а б c Минин, И.В .; Минин, О.В. (2005). Трехмерные антенны Френеля. Достижения в области антенн, отражателей и управления лучом, редактор Антонио Тазон. Указатель исследований. С. 115–148. ISBN  81-308-0067-5.
  5. ^ а б c Христов, Х. (2016). Зона Френеля пластинчатая антенна. Чен З., Лю Д., Накано Х., Цин X., Цвик Т. (редакторы) Справочник по антенным технологиям. Спрингер, Сингапур. Дои:10.1007/978-981-4560-44-3_42. ISBN  978-981-4560-44-3.
  6. ^ Стаут-Гранди, S .; Petosa, A .; Минин, И.В .; Минин, О.В .; Уайт, Дж. (Март 2008 г.). «Последние достижения в технологии зонных пластинчатых антенн Френеля» (PDF). Микроволновый журнал. Публикации Horizon House.
  7. ^ Минин, О.В .; Минин, И. (2004). Дифракционная оптика миллиметровых волн.. CRC Press. п. 396. ISBN  978-0367454326.
  8. ^ а б Guo, Y.J .; Бартон, С. (1994). "Офсетные зонные пластинчатые антенны Френеля". Int. J. спутниковой связи. John Wiley & Sons Ltd. 12 (4): 381–385. Дои:10.1002 / сб. 4600120405. ISSN  1542-0981.
  9. ^ Pourahmadazar, J .; Денидни, Т.А. (2018). «Миллиметровая длина волны: пластинчатые линзовые антенны с зоной Френеля в режиме пропускания с использованием контроля пористости пластических материалов в однородной среде». Научный представитель. Springer Nature Limited. 8: 5300. Дои:10.1038 / s41598-018-23179-8. ISSN  2045-2322.
  10. ^ Singh, N .; Choure, K.K .; Chauhan, S .; Сингх, Х. (2014). «Сравнение характеристик поверхностной линзовой антенны с фазовым сдвигом и другими линзовыми антеннами». Международная конференция по питанию, управлению и встроенным системам (ICPCES). IEEE. Дои:10.1109 / ICPCES.2014.7062821.
  11. ^ Futatsumori, S .; Sakamoto, N .; Сога, Т. (2019). «Трехмерная печатная линзовая антенна Френеля с отражателем W-диапазона с высоким коэффициентом усиления на основе акрилонитрилбутадиенстирольного пластика». IEICE Communications Express. Институт инженеров электроники, информации и связи. 8: 275–280. Дои:10.1587 / comex.2019XBL0020. ISSN  2187-0136.
  12. ^ Huang, J .; Энсинар, Дж. (2008). Отражательные антенны. IEEE Press. ISBN  978-0-470-08491-5.
  13. ^ Минин, И. В .; Минин, О. В. (1990). «Управление фокусирующими свойствами дифракционных элементов». Сов. J. Quantum Electron.. IOPScience. 20 (2): 198. Дои:10.1070 / QE1990v020n02ABEH005584. ISSN  0049-1748.
  14. ^ Webb, G.W .; Минин, И. В .; Минин, О.В. (01.04.2011). «Переменная эталонная фаза в дифракционных антеннах: обзор, приложения, новые результаты». Журнал IEEE Antennas and Propagation Magazine. 53 (2): 77–94. Дои:10.1109 / MAP.2011.5949329. ISSN  1045-9243.