Антенна зоны Френеля - Fresnel zone antenna

Зональные антенны Френеля - это антенны, которые фокусируют сигнал, используя свойство фазового сдвига поверхности антенны или ее форму. Существует несколько типов зонных антенн Френеля , а именно: зонные пластины Френеля , офсетные зонные пластинки Френеля, фазокорректирующие отражающие антенны 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 рефлекторных и линзовых . Однако, в отличие от традиционных рефлекторных и линзовых антенн, эффект фокусировки в зонной антенне Френеля достигается за счет управления свойством сдвига фазы поверхности и позволяет использовать плоские или произвольные формы антенн. По историческим причинам плоская зональная антенна Френеля называется зональной пластинчатой ​​антенной. Смещенная пластина зоны Френеля может быть установлена ​​заподлицо на стене или крыше здания, напечатана на окне или сделана прилегающей к кузову транспортного средства.

У зонной пластинчатой ​​антенны Френеля множество преимуществ. Обычно он дешев в изготовлении и установке, его легко транспортировать и упаковывать, и он может обеспечить высокий коэффициент полезного действия. Благодаря своей плоской природе, сила ветровой нагрузки зонной пластины Френеля может составлять всего 1/8 от силы обычных сплошных или проволочных отражателей аналогичного размера. При использовании на частотах миллиметрового диапазона зонная антенна Френеля может быть интегрирована с монолитной интегральной схемой миллиметрового диапазона (MMIC) и, таким образом, становится даже более конкурентоспособной, чем печатная антенная решетка.

Простейшая зонная пластинка 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 основании того, что все излучение из каждой зоны достигает фокальной точки по фазе в пределах диапазона ± 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 зонная пластина долгое время оставалась в основном оптическим устройством , в первую очередь потому, что ее эффективность слишком низкая (менее 20%), а уровень боковых лепестков ее диаграммы направленности слишком высок, чтобы конкурировать с обычным отражателем. антенны.

По сравнению с обычными рефлекторными и линзовыми антеннами, 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, и были достигнуты уровни боковых лепестков около -17 дБ. В 1961 году Бускерк и Хендрикс сообщили об эксперименте по простейшим кольцевым пластинчатым рефлекторным антеннам с реверсивной фазой для работы на радиочастотах . К сожалению, достигнутый ими боковой лепесток составил -7 дБ. В 1987 году Блэк и Вильтсе опубликовали свои теоретические и экспериментальные работы по ступенчатой ​​четвертьволновой зонной пластине на частоте 35 ГГц. Достигнут уровень боковых лепестков около -17 дБ. Годом позже Худер и Менцель 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 исследователи НАСА сообщили в 1989 году. Были измерены 5% полосы пропускания 3 дБ и уровень боковых лепестков -16 дБ.

До 1980-х годов зонная пластинчатая антенна Френеля считалась плохим кандидатом для микроволновых приложений . Однако после развития услуг DBS 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.

Офсетная антенна Френеля

Впервые была описана офсетная зонная пластина Френеля . В отличие от симметричной зонной зоны Френеля, которая состоит из набора круглых зон, офсетная зонная пластина Френеля состоит из набора эллиптических зон, определяемых

где a, b и c определяются углом смещения, фокусным расстоянием и индексом зоны. Эта особенность вносит некоторые новые проблемы в анализ офсетных антенн с зонными пластинками Френеля. Эти формулы и алгоритмы для прогнозирования диаграммы направленности от смещения линзы Френеля антенны представлены в, где также приведены 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 служб прямого вещания (DBS) офсетная линза Френеля может быть изготовлена ​​простым нанесением зонального рисунка на оконном стекле или жалюзи проводящим материалом. Спутниковый сигнал, проходящий через прозрачные зоны, затем 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. Проблема с линзовой антенной с зонной 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 для отражателя с зонной пластиной менее серьезна, поскольку полное отражение может быть достигнуто за счет использования проводящего отражателя за зонной пластиной. 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 диэлектрической проницаемостью и печати различных металлических зональных узоров на разных поверхностях раздела. Конструкция и эксперименты с круговыми и офсетными многослойными фазокорректирующими зонными пластинчатыми отражателями представлены в.

Проблема с многослойными зонными пластинчатыми отражателями заключается в их сложности, которая может свести на нет преимущество 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. Эта конфигурация имеет много общего с печатной антенной решеткой, но требует использования питающей антенны вместо корпоративной питающей сети. В отличие от обычной антенной решетки, элементы решетки отличаются и расположены псевдопериодическим образом. Теория и метод проектирования однослойных печатных плоских отражателей, включающих в себя проводящие кольца, и результаты экспериментов на такой антенне, работающей в X-диапазоне, были представлены в. Естественно, это приводит к более общей концепции антенны - фазовой корректирующей отражающей решетке.

Антенна Reflectarray

Прототип металлической линзовой антенны для микроволн на 6 ГГц, разработанный в Bell Labs в 1946 году Уинстоном Э. Коком , показан стоящим рядом. 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 тому, который требуется 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, изменяя положение элементов для получения различных диаграмм направленности. Систематическая теория фазовой эффективности антенных решеток с пассивной фазовой коррекцией и экспериментальные результаты на прототипе X-диапазона были представлены в статье. В последние годы стало обычным называть этот тип антенн «отражательными решетками».

Модуляция опорной фазы

Было показано, что фаза главного лепестка зонной пластины следует его эталонной фазе , постоянная длина пути или фаза добавляются к формуле для зон, но что фаза боковых лепестков гораздо менее чувствительна.

Таким образом, когда можно 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.

Направляющие антенны Френеля

Управление лучом может применяться посредством управления амплитудой / фазой или только управления амплитудой элементов антенной решетки, расположенных в фокальной точке линзы в качестве источника питания антенны. При управлении только по амплитуде не требуются фазовращатели с ограничением полосы пропускания, что снижает сложность и снижает ограничения полосы пропускания за счет ограниченной возможности управления лучом.

Трехмерные антенны Френеля

Чтобы улучшить фокусирующие, разрешающие и сканирующие свойства и 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- обтекателя .

Сноски