PL230083B1

PL230083B1 - Sposób kształtowania charakterystyki kierunkowej w szyku antenowym z modulacją czasową oraz szyk antenowy z modulacją czasową

Info

Publication number: PL230083B1
Application number: PL416239A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Bogdan; Yevhen Yashchyshyn
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2018-09-28
Also published as: PL416239A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób kształtowania charakterystyki kierunkowej w szyku antenowym z modulacją czasową, oraz szyk antenowy z modulacją czasową, stosowany zwłaszcza do modulacji czasowej w szykach antenowych składających się z różnych rodzajów promienników, takich jak na przykład: dipole, anteny mikropaskowe, anteny szczelinowe.

Znany jest sposób kształtowania charakterystyki kierunkowej w szyku antenowym z modulacją czasową polegający na okresowym włączaniu i wyłączaniu elementów szyku antenowego, co pozwala osiągnąć podobne rezultaty kształtowania wiązki jak w przypadku szyku fazowanego. Charakterystyczną właściwością tego sposobu jest istnienie harmonicznych na częstotliwościach równych wielokrotności częstotliwości przełączania. Na każdej z harmonicznych otrzymuje się charakterystykę kierunkową o innym kształcie.

Znany sposób kształtowania wiązki na częstotliwościach harmonicznych polega na okresowym włączaniu i wyłączaniu promienników 1'⁽ⁿ⁾, które są rozmieszczone równomiernie w formie szyku liniowego. W wyniku okresowego włączania i wyłączania, odebrane sygnały są modulowane przez przebieg prostokątny. Jak to jest przedstawione w Shanks, H. „A new technique for electronic scanning”. IRE Transactions on Antennas and Propagation, 9.2 (1961): 162-166, wiązkę szyku z modulacją czasową jako funkcję czasu t i kąta obserwacji Θ, opisuje wzór (1), w którym fo - częstotliwość mikrofalowa, N liczba promienników w szyku liniowym, k=2:rtfo/c - liczba falowa, c - prędkość światła, d - odległość pomiędzy promiennikami, Mn(t) - funkcja modulująca sygnały odebrane/nadane na n-tym promienniku.

F(3, t) = e

Μ'ο

IV

Σ

M_n (t)e,j(n-1)kd sinQ (1) n=1

Funkcje modulujące Mn(t) są okresowe o tym samym okresie Tp oraz przyjmują wartość „1” dla stanu WŁĄCZONY oraz „0” dla stanu WYŁĄCZONY. Pozwala to zastosować rozwinięcie funkcji okresowej w szereg Fouriera i przedstawić wiązkę w dziedzinie częstotliwości zgodnie ze wzorem (2), gdzie h - numer harmonicznej rozwinięcia funkcji modulującej w szereg Fouriera, anh - amplituda zespolona h-tej harmonicznej na n-tym promienniku.

F(8, t) = Σ β^)2π(/ο^+Η/ρ⁾ Σ «nh · e^{j(n-1)kd sine} (2) h=—w n=1

Zgodnie z (2) widmo sygnału po modulacji czasowej składa się z nieskończonej liczby wstęg bocznych (harmonicznych). Kształtowanie charakterystyki kierunkowej wiązki na każdej z harmonicznych jest możliwe poprzez zmianę zespolonych amplitud anh, które zależą od kształtu funkcji modulującej Mn(t). Charakterystykę kierunkową na harmonicznych kształtuje się przez odpowiedni dobór czasów przełączania, które mogą być dobrane niezależnie dla każdego przełącznika.

Znany jest wg Li, Gang, et al. „A novel electronic beam steering technique in time modulated antenna array”. Progress In Electromagnetics Research 97 (2009): 391-405. Szyk antenowy z modulacją czasową uwidoczniony na rysunku. Ten szyk antenowy z modulacją czasową o rozmiarze N elementów składa się z liniowego układu promienników 1'⁽ⁿ⁾, równomiernie rozmieszczonych, podłączonych poprzez przełączniki dwuwrotowe 2'⁽ⁿ⁾ do sieci zasilającej 3', gdzie n=1...N. W ten sposób przełączniki przełączają między promiennikiem a obciążeniem. Przełącznik dwuwrotowy 2'⁽ⁿ⁾ jest przełącznikiem dwustanowymi - w stanie WŁĄCZONY włącza promiennik 1 '⁽ⁿ⁾, a w stanie WYŁĄCZONY wytraca moc mikrofalową poprzez zwarcie z dopasowanym obciążeniem, które znajduje się wewnątrz obudowy przełącznika. Takim przełącznikiem jest na przykład element elektroniczny SKY13347-360LF produkowany przez firmę Skyworks Inc.

Wadą znanego szyku antenowego z modulacją czasową jest wytracanie mocy w trakcie stanu WYŁĄCZONY, oraz ograniczenie pasma przenoszenia do wartości częstotliwości przełączania.

Celem wynalazku jest uniemożliwienie wytracania mocy w stanie WYŁĄCZONY oraz dwukrotne poszerzenie pasma przenoszenia i uzyskanie efektu odchylenia wiązki.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że stan każdego z przełączników zmienia się po upływie czasu równemu połowie okresu przełączania, sekwencyjnie, kolejno po sobie i opóźnia się o wartość At tak, że po modulacji, widma amplitudowe dwóch sygnałów z jednej pary są jednakowe, natomiast widma fazowe różnią się o 180°-h, gdzie h jest numerem harmonicznej.

PL 230 083 B1

Istota szyku antenowego według wynalazku polega na tym, że promienniki usytuowane są w dwóch szykach liniowych, parami i każda para połączona jest siecią zasilającą poprzez przełącznik trójwrotowy. Promienniki w parze usytuowane są prostopadle do osi szyku.

Promienniki stanowią szyk anten mikropaskowych nadrukowanych bądź wytrawionych na prostokątnej płytce dielektrycznej, która jest oddzielona od płytki dielektrycznej warstwą przewodzącą z wytrawionymi szczelinami. Pod płytką dielektryczną znajduje się równoległa do par promienników sieć zasilająca, zaś na spodzie warstwy dielektrycznej, w miejscach rozgałęzienia sieci zasilającej, umieszczone są trójwrotnikowe przełączniki.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony przykładowo na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie szyk antenowy, fig. 2 przedstawia szyk antenowy jako strukturę paskową w rzucie aksonometrycznym, fig. 3 przedstawia sygnały modulujące w czasie dla kolejnych promienników szyku, fig. 4 przedstawia unormowane widmo amplitudowe i widmo fazowe sygnału na pierwszym promienniku z pary po modulacji, fig. 5 przedstawia unormowane widmo amplitudowe i widmo fazowe sygnału na drugim promienniku z pary po modulacji, fig. 6 przedstawia unormowane widmo amplitudowe i widmo fazowe sygnału na drugim promienniku z pary po modulacji i kompensacji fazy, fig. 7 przedstawia unormowane widmo amplitudowe i widmo fazowe sumy sygnałów na wyjściu przełącznika, fig. 8 przedstawia zmianę fazy na harmonicznych spowodowaną przesunięciem At=0.05Tp, fig. 9 przedstawia odchylenie wiązek na pierwszej dodatniej harmonicznej, gdy opóźnienie przełączania wynosi 10% (At=0.1Tp), a fig. 10 - odchylenie wiązek na pierwszej dodatniej harmonicznej, gdy opóźnienie przełączania wynosi 30% (At=0.3Tp).

Zgodnie ze sposobem stan każdego z przełączników poprzez przełączanie zmienia się po upływie czasu równemu połowie okresu przełączania, sekwencyjnie i opóźnia się o wartość At, tak jak jest to przedstawione na fig. 3. Opóźnienie zmiany stanu ma charakter sekwencyjny, co znaczy że przełączniki zmieniają stan kolejno po sobie, czyli przełącznik 2⁽ⁿ+¹⁾ jest opóźniony o At względem przełącznika 2⁽ⁿ⁾, przełącznik 2⁽ⁿ+²⁾, jest opóźniony o 2At, względem 2⁽ⁿ⁾ itd. W szczególnym przypadku At=0 wszystkie przełączniki zmieniają stan w tym samym momencie. W ten sposób moduluje się sygnał mikrofalowy przebiegiem prostokątnym tak, że po modulacji, widma amplitudowe dwóch sygnałów z jednej pary są jednakowe, natomiast widma fazowe będą się różnić o 180°-h, gdzie h jest numerem harmonicznej, czyli np. dla częstotliwości pierwszej harmonicznej (h = 1) sygnały modulujące są w przeciwfazie. Odchylenie wiązki jest proporcjonalne do opóźnienia czasu zmiany stanu na kolejnych przełącznikach At.

Jak to jest przedstawione na fig. 1 szyk antenowy jest szykiem planarnym o wymiarze 2xN promienników 1⁽¹·¹⁾ - 1⁽¹·²⁾, 1⁽²’¹⁾ - 1^(2,2), ... 1^(N’¹⁾ - 1^(N·²), gdzie N - dowolna liczba całkowita określająca ilość promienników wzdłuż osi szyku OY. Promienniki 1⁽¹,¹⁾ - 1⁽¹,²⁾, 1⁽²·¹⁾ - 1⁽²·²⁾, ...1^(N·¹) - 1^(N·²) są rozmieszczone parami wzdłuż osi szyku OY. Każda para promienników jest prostopadła do osi szyku OY i jest połączona z parą wrót przełącznika 2⁽ⁿ⁾ i z siecią zasilającą 3 poprzez trzecie wrota mikrofalowe trójwrotowych przełączników 2⁽ⁿ⁾, gdzie n = 1...N. W ten sposób przełączniki 2⁽ⁿ⁾ przełączają między parą promienników 1⁽¹’¹⁾ - 1⁽¹,²⁾, 1⁽²’¹⁾ - 1²² ,...1 ^N - 1<^N’²>. Jeden z promienników w parze 1⁽¹,¹⁾ - 1⁽¹,²⁾, 1⁽²·¹⁾ 1^(2,2), ...1^(N’¹⁾ - 1^(N’²⁾ jest podłączony do odpowiadającego mu trójwrotowego przełącznika 2⁽ⁿ⁾ poprzez przesuwnik fazy 4⁽ⁿ⁾.

Jak to jest przedstawione na fig. 2 podstawowy układ promienników w parach 1⁽¹,¹⁾ - 1⁽¹·²⁾, 1⁽²·¹⁾ 1⁽²·²), 1(³.¹) - 1<³·²), 1(⁴.¹) - 1<⁴·²) stanowi szyk anten mikropaskowych nadrukowanych bądź wytrawionych na prostokątnej płytce dielektrycznej 5. Płytka dielektryczna 5 może być wykonana z laminatu ceramiczno-teflonowego, na przykład produkowanego przez firmę Rogers, lub innego dowolnego materiału o właściwościach odpowiednich dla danego zakresu pracy anteny. Pod płytką dielektryczną 5 znajduje się równoległa do szyku anten mikropaskowych płytka dielektryczna 6, która może być wykonana z laminatu ze szkła epoksydowego, takiego jak na przykład laminat FR4 o kącie stratności δ równym 0,02 i przenikalności elektrycznej er wynoszącej 4,3, produkowanego przez firmę Isola GmbH. Płytka dielektryczna 5 jest oddzielona od płytki dielektrycznej 6 warstwą przewodzącą 7 z wytrawionymi szczelinami 8⁽¹·¹⁾ - 8⁽¹·²⁾, 8⁽²·¹⁾ - 8⁽²·²⁾, 8⁽³·¹⁾ - 8⁽³·²⁾, 8⁽⁴·¹⁾ - 8⁽⁴·²⁾. Na spodniej stronie 9 płytki dielektrycznej 6 znajduje się równoległa do szyku anten mikropaskowych, w postaci par promienników 1⁽¹·¹⁾ - 1⁽¹·²⁾, 1⁽²·¹⁾- 1 ⁽²,²⁾, 1 ⁽³,¹⁾ - 1 ⁽³,²⁾, 1 ⁽⁴,¹⁾ - 1 ⁽⁴,²⁾, sieć zasilająca 3. Sieć zasilająca 3 stanowi dzielnik mocy nadrukowany bądź wytrawiony na spodniej stronie płytki dielektrycznej 6. Promienniki 1 ⁽¹·¹⁾ - 1 ⁽¹·²⁾, 1 ⁽²·¹⁾ - 1 ⁽²·²⁾, 1 ⁽³·¹⁾ 1⁽³·²⁾, 1⁽⁴,¹⁾ - 1⁽⁴,²⁾ zasilane są z przeciwległych krawędzi, co realizuje kompensację fazy odpowiadającą przedstawionym na fig. 1 przesuwnikom 4 ¹ ,...4 ^N . Na spodzie warstwy dielektrycznej 6, w miejscach rozgałęzienia sieci zasilającej 3, zamocowane są trójwrotowe przełączniki 2⁽¹⁾, 2⁽²⁾, 2⁽³⁾, 2⁽⁴⁾. Przełączniki te są elementami elektronicznymi pracującym w paśmie częstotliwości obejmującym co najmniej pasmo

PL 230 083 B1 przenoszenia anteny, które mogą być wykonane w technologii GaAs, tak jak na przykład element elektroniczny Skyworks AS 186-302. Do gniazda 9 typu SMA, można podłączyć niepokazany na rysunku kabel nadawczy lub odbiorczy służący do nadawania lub odbioru sygnału.

Stan każdego trójwrotowego przełącznika 2⁽ⁿ⁾ zmienia się okresowo w taki sposób, że każdy z promienników w parze 1⁽¹,¹⁾ - 1⁽¹,²⁾, 1⁽²,¹⁾ - 1⁽²,²⁾, ...1^(N,¹⁾ - 1^(N,²⁾, jest aktywny dokładnie przez długość czasu równą połowie okresu przełączania, czyli współczynnik wypełnienia prostokątnej funkcji modulującej wynosi 50%. Zgodnie z teorią transformaty Fouriera, widmo przebiegu prostokątnego o współczynniku wypełnienia 50% nie zawiera parzystych harmonicznych, co dwukrotnie zwiększa odstęp pomiędzy harmonicznymi oraz w rezultacie dwukrotnie zwiększa pasmo przenoszenia systemu. Po modulacji, widma amplitudowe dwóch sygnałów z jednej pary są jednakowe, natomiast widma fazowe będą się różnić o 180°-h, gdzie h jest numerem harmonicznej, czyli są w przeciwfazie, co przedstawiono na fig. 4 oraz fig. 5. Z tego powodu, korzystnym jest zastosowanie przesuwników fazy 4⁽ⁿ⁾ o stałej wartości przesunięcia fazy 180° w celu kompensacji różnicy faz wynikającej z przełączania, co skutkuje kształtem widma przedstawionym na fig. 6. Zsumowanie sygnałów z obu promienników w parze powoduje, że nieparzyste harmoniczne dodają się synfazowo, a składowa nośna zostaje wytłumiona jak tak przedstawiono na fig. 7.

Na nieparzystych harmonicznych zachodzi możliwość odchylenia wiązki szyku antenowego. Chociaż wszystkie przełączniki zmieniają stan okresowo co pół okresu przełączania, to zmiana stanu na kolejnych przełącznikach zachodzi z pewnym opóźnieniem At. Zgodnie z władnością transformaty Fouriera, opóźnienia w dziedzinie czasu odpowiada przesunięciu fazowemu w dziedzinie częstotliwości. Zwiększenie At powoduje, że zmienia się faza harmonicznych sygnału modulującego. Na przykład, jeżeli At=0.05Tp, to zmiana fazy na każdej z harmonicznych Λφ-= -18°-h, co przedstawiono na fig. 8. Zgodnie z teorią szyków fazowanych odchylenie wiązki jest tym większe, im większa jest wartość różnicy fazy na kolejnych promiennikach. W przypadku szyku z modulacją czasową według wynalazku, odchylenie wiązki jest tym większe, im większa jest wartość At. Odchylenie wiązki uzyskane za pomocą wynalazku zostało zmierzone dla dwóch przypadków: At=0.1Tp co odpowiada progresji fazy na pierwszej harmonicznej A<p1=-36° i odchyleniu wiązki w kierunku θ=13°, oraz At=0.3Tp co odpowiada progresji fazy na pierwszej harmonicznej A<p1=-108° i odchyleniu wiązki w kierunku θ=40°. Uzyskane odchylenie wiązki zostało zobrazowane na fig. 9 oraz fig. 10.

Claims

1. Sposób kształtowania charakterystyki kierunkowej w szyku antenowym z modulacją czasową polegający na okresowym włączaniu i wyłączaniu promienników rozmieszczonych równomiernie tak, że odebrane/nadane sygnały są modulowane przez przebieg prostokątny, znamienny tym, że stan każdego z przełączników (2) zmienia się po upływie czasu równemu połowie okresu przełączania, sekwencyjnie, kolejno po sobie i opóźnia się o wartość At tak, że po modulacji, widma amplitudowe dwóch sygnałów z jednej pary są jednakowe, natomiast widma fazowe różnią się o 180°h, gdzie h jest numerem harmonicznej.

2. Szyk antenowy do kształtowania charakterystyki z modulacją czasową, nadawczy/odbiorczy, zawierający promienniki usytuowane wzdłuż osi i połączone poprzez przełącznik z siecią zasilającą, znamienny tym, że promienniki usytuowane są w dwóch szykach liniowych, parami (1(1,1) _- 1(1,2), 1(2,1) _- 1(2,2), ...1(N,1) _- -|(N,2>) i k_ażd_a p_ara (1 <¹,¹) - 1(1,2)), (1(2,1) _- 1(2,2)), ...(1(N,1) 1^(N,²⁾) połączona jest siecią zasilającą (3) poprzez przełącznik trójwrotowy (2⁽¹⁾, 2⁽²⁾,...2^(N)).

3. Szyk antenowy według zastrz. 2, znamienny tym, że promienniki w parze (1⁽¹,¹⁾ - 1⁽¹,²⁾), (1^(2J)- 1⁽²,²⁾), ...(1^(N,¹⁾ - 1^(N,²⁾) usytuowane są prostopadle do osi szyku.

4. Szyk antenowy według zastrz. 2, albo 3, znamienny tym, że promienniki (1⁽¹,¹⁾ - 1⁽¹,²⁾, 1⁽²,¹⁾ 1⁽²,²⁾, 1⁽³,¹⁾ - 1⁽³,²⁾, 1⁽⁴,¹⁾ - 1⁽⁴,²⁾), stanowią szyk anten mikropaskowych nadrukowanych bądź wytrawionych na prostokątnej płytce dielektrycznej (5), która jest oddzielona od płytki dielektrycznej (6) warstwą przewodzącą (7) z wytrawionymi szczelinami (8⁽¹,¹⁾ - 8⁽¹,²⁾, 8⁽²,¹⁾ - 8⁽²,²⁾, 8⁽³,¹⁾ - 8⁽³,²⁾, 8⁽⁴,¹⁾ - 8⁽⁴,²⁾), a pod płytką dielektryczną (6) znajduje się równoległa do par promienników (1⁽¹,¹⁾ - 1 ⁽¹,²⁾, 1 ⁽²,¹⁾ - 1 ⁽²,²⁾, 1 ⁽³,¹⁾ - 1 ⁽³,²⁾, 1 ⁽⁴,¹⁾ - 1 ⁽⁴,²⁾) sieć zasilająca (3), zaś na spodzie warstwy dielektrycznej (6), w miejscach rozgałęzienia sieci zasilającej (3), umieszczone są trójwrotnikowe przełączniki (2⁽ⁿ⁾).