АНТЕННА С СОВМЕСТИМЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСТОЧНИКОВ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АНТЕННЫ С СОВМЕСТНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МНОЖЕСТВА ЛУЧЕЙ
SHARED SOURCE ANTENNA AND METHOD OF MAKING SHARED SOURCE ANTENNA FOR GENERATING MULTIPLE BEAMS

Настоящее изобретение относится к антенне с совместным использованием источников и способу формирования антенны с совместным использованием источников для формирования множества лучей. Оно применяется, в частности, в области спутниковой телекоммуникационной связи.
В рамках спутниковой телекоммуникационной связи операторы нуждаются во все более и более маленьких оконечных устройствах, размера А4 или А5, или в оконечных устройствах типа PDA (англ. Personal Digital Assistance - карманный персональный компьютер), или в телефонах для обеспечения связи с пользователями в кочевом режиме.
Высказываются также многочисленные просьбы относительно развития существующих систем для применения в области интернета или высокой пропускной способности.
Для решения этих задач конструкции антенн становятся все более и более сложными и содержат большое количество источников, сопряженных с многочисленными усилителями, для обеспечения формирования сотни или нескольких сотен все более и более узких лучей и обеспечения зоны покрытия в масштабе континента или земного шара. Формирование лучей осуществляется или посредством решетки с цифровым формированием лучей BFN (англ. - Beam Forming Network), устанавливаемой на борту спутника, или при помощи наземного устройства формирования луча GBBF (англ. - Ground Based Beam Forming).
При применении в узком диапазоне и для диапазонов низких частот, которые меньше 10 ГГц, таких как диапазоны L или S, сложно увеличивать количество антенн ввиду их большого размера, диаметр которых составляет, как правило, 9-15 м и даже 20 м, для развертываемых отражателей. В этом случае известно, что можно применять располагаемые перед отражателями одну или две активных антенны, причем формирование лучей осуществляется или на борту аналоговым или цифровым способами, или посредством устройства на земле.
При применении в широком диапазоне и для диапазонов высоких частот, которые выше 10 ГГц, технологии преобразования в цифровую форму ограничены в способности обработки диапазона на борту, сложности и технологической реализуемости решетки формирования лучей BFN и особенно потребления чрезмерной энергии на уровне полезной нагрузки. Как правило, полезная нагрузка конфигурируется пассивным образом посредством структуры, согласно которой один источник соответствует одному отдельному лучу. В связи с предъявляемыми требованиями по обеспечению изолированности между лучами и параметрами коэффициента направленного действия, последний предполагает увеличение количества антенн на спутнике в зависимости от плана повторного использования частот от одной зоны к другой. Этот план называется кодом трех или четырех цветов и требует, как правило, используемую антенну на поддиапазон частот или цвета.
Известно, что можно осуществлять синтезирование лучей при помощи решетки элементарных источников, расположенной в центре параболического отражателя, и повторно использовать источники от одной зоны к другой, как это описано, в частности, в патентах ЕР 0340429 и ЕР 0333166. Эти конструкции позволяют использовать компактные антенны с небольшим соотношением F/D, где F - фокальное расстояние, D - диаметр отражателя, и уплотнять лучи, но они приводят к значительным аберрациям в случае функционирования в расфокусированном состоянии.
Также известно, что можно реализовать излучающие структуры, которые содержат совокупность элементарных источников, соединенных между собой посредством электромагнитных излучений, и позволяют производить излучение волн по фазе, как это описано, в частности, в патентах ЕР 0899814 и ЕР 0617480. Возбуждение этих структур осуществляется посредством элементарного источника, на который подается возбуждающий сигнал типа радиочастоты, поступающий из канала полезной нагрузки спутника.
Настоящее изобретение имеет целью устранить проблемы известных систем формирования лучей и предложить антенну с совместным использованием источников, позволяющую формировать простым способом большое количество узких лучей, без использования сложных схем формирования лучей; причем лучи обеспечивают расположение пятен без разрывов в покрытии; причем зоны имеют эффективное соотношение С/I; причем соотношение С/I представляет собой соотношение между полезным сигналом С и интерферирующими сигналами I.
В связи с этим объектом предлагаемого изобретения является антенна с совместным использованием источников для формирования множества лучей, которая содержит множество идентичных элементарных источников, разнесенных с постоянным шагом, отличающаяся тем, что:
- элементарные источники объединены в идентичные подрешетки вокруг центрального элементарного источника, причем каждая подрешетка предназначена для синтезирования луча, причем элементарные источники каждой подрешетки соединены между собой по фазе посредством индуктивной связи,
а также тем, что две последовательные подрешетки содержат, по меньшей мере, один общий элементарный источник и смещены на расстояние, соответствующее заранее определенному количеству шагов, которое больше или равно единице.
Предпочтительно, каждая подрешетка содержит единственный источник возбуждения.
Согласно способу реализации изобретения, источником возбуждения является центральный элементарный источник каждой подрешетки.
Согласно способу реализации изобретения, элементарные источники представляют собой металлические накладки, расположенные на первой стороне диэлектрической подложки, имеющей вторую противоположную сторону, параллельную первой стороне и установленную на металлической плоскости, образующей заземляющую плоскость, а источник возбуждения установлен на второй стороне диэлектрика прямо против центрального элементарного источника каждой подрешетки. Источник возбуждения может содержать щель возбуждения, вырезанную в заземляющей плоскости прямо против центрального элементарного источника каждой подрешетки.
Согласно другому способу реализации изобретения, элементарные источники являются диэлектрическими антеннами.
Изобретение также относится к способу формирования антенны с совместным использованием источников по любому из предыдущих пунктов для формирования множества лучей, причем антенна содержит множество идентичных элементарных источников, разнесенных с постоянным шагом, отличающемуся тем, что он включает в себя следующие этапы:
- выбор диаметра D параболического отражателя;
- выбор типа элементарного источника;
- расчет размеров и реализация подрешетки множества элементарных источников вокруг центрального источника, причем подрешетка предназначена для синтезирования луча, имеющего заранее определенный угол раскрыва, причем источники подрешетки соединены между собой по фазе посредством индуктивной связи;
- выбор количества шагов смещения между двумя последовательными подрешетками, причем количество шагов больше или равно единице, а две последовательные подрешетки содержат, по меньшей мере, один общий элементарный источник;
- определение фокусного расстояния F параболического отражателя;
- расчет угла раскрыва лучей, соответствующих выборам, реализованным на предыдущих этапах, и сравнение теоретических характеристик антенны с требуемыми характеристиками.
Предпочтительно, если теоретические характеристики не соответствуют требуемым характеристикам, то способ дополнительно состоит в том, что изменяют размеры отражателя в сторону увеличения значения соотношения F/D, увеличивают размеры подрешетки и, таким образом, ее направленности пропорционально фокусному расстоянию отражателя и повторно рассчитывают новые теоретические характеристики антенны с этими новыми размерами.
Другие особенности и преимущества предлагаемого изобретения станут отчетливо видны из нижеследующего описания, которое приводится в качестве примера, носящего исключительно иллюстративный, но не ограничительный характер, со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых:
- фиг.1 представляет собой схему примера покрытия, получаемого посредством конфигурации из пятидесяти пятен, согласно изобретению;
- фиг.2а, 2b, 2с представляют собой схемы трех примеров конфигурации источников с шестиугольными ячейками, согласно изобретению;
- фиг.3а и 3b представляют собой схемы двух примеров конфигурации источников с прямоугольными ячейками, согласно изобретению;
- фиг.4 представляет собой пример теоретической диаграммы излучения, получаемого посредством подрешетки, содержащей семь источников, рассредоточенных в шестиугольной ячейке, согласно изобретению;
- фиг.5 представляет собой пример покрытия Европы посредством конфигурации фокальной решетки с 43 лучами, соответствующих 43 зонам, согласно изобретению;
- фиг.6 представляет собой первый пример возбуждения подрешетки, содержащей несколько элементарных источников типа накладок, согласно изобретению;
- фиг.7а и 7b представляют собой два схематических вида, соответственно, в перспективе и спереди, примера подрешетки, содержащей несколько элементарных источников типа диэлектрических антенн, согласно изобретению;
- фиг.8а и 8b представляют собой два схематических вида, соответственно, в поперечном разрезе и сверху, примера фокальной решетки, содержащей несколько подрешеток диэлектрических антенн, согласно изобретению;
- фиг.9 представляет собой пример антенны, содержащей решетку с множеством источников, расположенных в фокальной плоскости параболического отражателя.
Конструкция антенны согласно изобретению должна обеспечивать передачу информации на оконечные устройства, имеющие очень малые размеры. Размеры указанных оконечных устройств определяют значения, которые должны иметь параметры антенны, такие как соотношение коэффициента направленного действия к шумовой температуре G/Т, называемое коэффициентом качества, и эквивалентная изотропная излучаемая мощность PIRE (англ. EIRP - Equivalent Isotropic Radiated Power). Для заданных покрытия географической зоны и частоты параметр G/Т зависит непосредственно от количества формируемых лучей. Вследствие этого фиксированному диапазону частот и значению G/Т соответствует определенное количество лучей и размер лучей, которые необходимы для реализации данного покрытия. На фиг.1 изображен пример покрытия, полученного посредством конфигурации из 43 пятен 30, причем зоны 30 соответствуют углам лучей θ, равным 0,5°. Для осуществления оптимального покрытия все зоны должны соприкасаться и даже переплетаться друг с другом, а коэффициент направленного действия антенны должен быть оптимальным в полости каждой ячейки, соответствующей пересечению трех пятен в случае, если речь идет о треугольной или шестиугольной ячейке.
Размер, необходимый для пятен, требует определения минимального размера для диаметра параболического отражателя 90, используемого для фокусирования энергии. Таким образом, остается определить источник или решетку элементарных источников, который будет расположен в фокальной зоне F отражателя и который будет облучать этот отражатель в конфигурации с множеством пятен. На фиг.9 показан пример антенны, содержащей решетку из множества источников 91, расположенных в фокальной плоскости параболического отражателя.
Источник должен синтезировать фокусное пятно, индуцированное параболическим отражателем рядом с его фокальной плоскостью. Однако габариты обычного источника, используемого в антеннах, в которых один источник соответствует одному лучу, не позволяют расположить зоны таким образом, чтобы они соприкасались. Для того чтобы зоны соприкасались, необходимо уменьшить размер источников для уплотнения лучей, но в ущерб общему коэффициенту полезного действия антенны, поскольку в этом случае источники производят облучение края отражателя на уровнях, близких или меньше -3 дБ относительно максимального значения. Достигаемый коэффициент полезного действия составляет, таким образом, порядка 25 или 30%, что является неприемлемым.
Для того чтобы не увеличивать на спутнике количество антенн, изобретение состоит в применении новой конфигурации источников, позволяющей повторно использовать элементарные источники от одной зоны к другой зоне и уплотнять таким образом лучи. На фиг.2а, 2b, 2с изображены схемы, вид сверху, трех примеров конфигурации источников с шестиугольной ячейкой, согласно изобретению.
На этих фигурах изображено несколько элементарных источников типа накладок. Все элементарные источники являются идентичными, разнесенными с постоянным шагом Р и сгруппированы в две подрешетки по семь элементарных источников, некоторые из которых совместно используются между двумя подрешетками. Как это показано на фиг.2а, первая подрешетка образована источниками 1-7, а вторая решетка - источниками 4-10, причем четыре элементарных источника 4-7 совместно используются двумя подрешетками, а другие элементарные источники 1-3 и 8-10 являются независимыми. Как это показано на фиг.2b, совместно используется единственный источник 11, а как это изображено на фиг.2с, совместно используются два источника 12, 13. Согласно этим примерам, каждая подрешетка состоит из центрального элементарного источника, окруженного шестью периферийными элементарными источниками, образующими шестиугольную ячейку. Две подрешетки смещены относительно друг друга на величину сдвига, соответствующую выбранному количеству шагов Р, например, смещение может быть выбрано равным одному шагу, как это показано на фиг.2а, или двум шагам, как это показано на фиг.2b и 2с. Каждая подрешетка предназначена для синтезирования луча, соответствующего зоне на земле. Таким образом, например, в случае, представленном на фиг.2а, каждая зона будет реализована тремя независимыми элементарными источниками и четырьмя совместно используемыми элементарными источниками; причем на все элементарные источники одной и той же подрешетки подается питание, совпадающее по фазе и одной и той же амплитуды. Повторное использование совместно используемых элементарных источников одной подрешетки в другой подрешетке позволяет уплотнять лучи и получать зоны, которые соприкасаются. Согласно примеру, изображенному на фиг.2а, синтезированные лучи будут наиболее уплотнены, поскольку на семь элементарных источников, используемых для формирования зоны, приходится четыре совместно используемых элементарных источника.
Конфигурации и количество элементарных источников, используемых для синтезирования луча, не ограничиваются примерами, изображенными на фиг.2а, 2b, 2с. Представляется также возможным выбирать квадратную или прямоугольную ячейку, как это показано, например, на фиг.3а и 3b, с количеством элементарных источников, отличным от семи, и количеством совместно используемых элементарных источников, отличным от одного, двух или четырех. Так, как это показано на фиг.3а, каждая подрешетка содержит девять элементарных источников, из которых шесть элементарных источников 14-19 совместно используются, а как это представлено на фиг.3b, каждая подрешетка содержит девять элементарных источников, из которых три элементарных источника 20-22 совместно используются.
После выбора геометрической формы подрешеток расстояние смещения между двумя следующими одна за другой подрешетками позволяет определить относительные положения центров двух пятен, которые будут излучаться этими двумя подрешетками, и вывести из него известным образом фокусное расстояние F параболического отражателя 90, который будет использоваться. В случае выбора угла луча θ, равного 0,5°, для того чтобы зоны соприкасались, необходимо, чтобы расстояние между центрами двух пятен соответствовало угловому расстоянию, равному 0,5°. Эти условия позволяют прийти известным образом в результате, возможно, многочисленных итераций к конкретному значению соотношения F/D, которое должно быть реализовано для отражателя 90.
В качестве примера, который не носит ограничительного характера, для производства дискретного представления Европы посредством пятидесяти лучей, имеющих угол луча θ, равный 0,5°, с выбором шестиугольной ячейки по семь элементарных источников типа накладки, причем центры двух следующих одна за другой накладок разнесены с шагом, равным 0,85 λ, где λ - длина рабочей волны, причем накладки имеют коэффициент направленного действия, равный 9 dBi (9 дБ относительно изотропной антенны), причем смещение между двумя следующими одна за другой подрешетками равно двум шагам и для частоты, равной 6 ГГц, необходим отражатель, имеющий фокусное расстояние 9260 мм или соотношение F/D, равное 1,42. В этом случае шаг, отделяющий центры двух следующих одна за другой накладок, равен 42,7 мм, а смещение между двумя подрешетками равно 85,4 мм и соответствует наведению второго луча в 0,5° от первого луча. Теоретическая диаграмма излучения, получаемая при помощи подрешетки, геометрические параметры которой соответствуют вышеупомянутому примеру, представленному на фиг.4, показывает, что подрешетка облучает отражатель с амплитудой, равной -7дБ относительно максимального значения, при угле приблизительно 38°. Реализуемая таким образом подрешетка достаточно адаптирована относительно отражателя. Различные параметры определения размеров, определенные таким образом в данном примере, позволяют осуществить покрытие Европы посредством конфигурации фокальной решетки с 43 лучами, соответствующими 43 зонам, как это изображено на фиг.5. Каждый луч сформирован подрешеткой, образованной группой из семи элементарных источников, рассредоточенных по шестиугольной ячейке, и двумя следующими одна за другой подрешетками, смещенными на два элементарных источника, причем количество элементарных источников, необходимых для синтезирования 43 лучей, равно 209 элементарным источникам. Для сравнения: необходимо было бы использовать 301 элементарный источник, если не было бы совместного использования источников двумя следующими один за другим лучами, причем 301 источник соответствует простому образованию количества лучей посредством количества элементарных источников, необходимых для синтезирования луча (43×7=301). Совместное использование элементарных источников позволяет, таким образом, уменьшить степень сложности антенны и схем формирования лучей.
Совместное использование источников может быть осуществлено различными способами, в том числе, например, посредством решетки формирования ортогональных лучей BFN, посредством изменения поляризации между первым лучом и вторым лучом, которые имеют один или несколько совместно используемых источников, или путем нарушения питания совместно используемого источника во время формирования второго луча. В случае нарушения питания совместно используемого источника первый луч генерируется семью элементарными источниками, а второй луч, прилегающий к первому лучу, генерируется шестью элементарными источниками.
Для совместного использования источников простым способом изобретение сводится к соединению между собой элементарных источников одной и той же подрешетки путем индуктивной связи.
При таком подходе, что является очень эффективным, элементарные источники, соединенные между собой в одной и той же подрешетке, образуют источник, называемый композиционным источником, с направленностью, которая приспособлена к излучению в направлении отражателя, с соблюдением физических и геометрических ограничений, связанных с месторасположением лучей на зоне покрытия, т.е. соответствующим шагам, которые меньше шагов, диктуемых требуемой направленностью.
Для соединения источников между собой элементарные источники каждой подрешетки могут быть приведены в возбужденное состояние источником возбуждения, на который подается возбуждающий сигнал, так как это показано, например, на фиг.6. На этой фигуре источником возбуждения 60 является накладка, размещаемая на первой стороне 61 диэлектрической подложки 62, а элементарными источниками подрешетки являются накладки 63, 64, 65, размещаемые на второй противоположной стороне 66 диэлектрической подложки 62, которая параллельна первой стороне 61. Все накладки 63, 64, 65 идентичны, а источник возбуждения 60 расположен прямо против центрального элементарного источника 64 подрешетки, т.е. центры двух накладок 60, 64 находятся на одной нормали к плоскости параллельных сторон диэлектрической подложки 62. Высота Н структуры, несущей источники, приводимые в возбужденное состояние в результате соединения, находятся приблизительно на расстоянии, равном λ/2, где λ - длина волны возбуждения в пустом пространстве. Источник возбуждения 60 находится на небольшом расстоянии от проводящей поверхности 67, образующей заземляющую плоскость. В данном примере источником возбуждения 60 является металлическая накладка, но возбуждение могло бы быть осуществлено посредством щели, выполненной в заземляющей плоскости 67, или посредством диэлектрического резонатора. Комплект, состоящий из диэлектрика 62 и накладок 60, 63, 64, 65, образует волновод, работающий при конкретной частоте длины волны λ. Точное регулирование полного сопротивления совокупности структуры может осуществляться, например, при помощи перегородок (не показаны), установленных в диэлектрике, для обеспечения его приспособления. Электрический сигнал питания источника возбуждения 60 может подаваться, например, посредством коаксиальной линии передачи или микроленты, или разделителя-пластинки (не показан).
Данная структура позволяет, запитывая только один источник возбуждения на подрешетку, причем источник возбуждения располагается под центральным элементарным источником, соединять по фазе элементарные источники подрешетки, например, в количестве семи для шестиугольной ячейки и формировать, таким образом, лучи с повышенной направленностью без применения сложных схем в решетке формирования лучей BFN, топология которой быстро становится запутанной, как только степень совместного использования источников между несколькими лучами становится высокой, как, например, в случае центральных пятен, изображенных на фиг.1. Совместное использование источников осуществляется, таким образом, естественным образом путем индуктивной связи между элементарными источниками рассматриваемой подрешетки.
Соединение источников между собой также может осуществляться путем запитки центрального элементарного источника каждой подрешетки. Питание других элементарных источников подрешетки, окружающих центральный элементарный источник, осуществляется, таким образом, путем электромагнитного излучения центрального элементарного источника на периферийные элементарные источники. Данное электромагнитное излучение производит наведение токов в периферийных элементарных источниках, что приводит к соединению элементарных источников между собой. Когда источники совпадают по фазе, общее излучение всех элементарных источников подрешетки синтезирует луч повышенной направленности без использования схем с BFN.
Изобретение не ограничивается антеннами с накладками. Представляется также возможным применять рупорные антенны или диэлектрические антенны, называемые также антеннами-свечами. На фиг.7а и 7b показаны два схематических вида, соответственно, в перспективе и спереди, примера подрешетки, содержащей несколько элементарных источников 80, 81 типа диэлектрических антенн, а на фиг.8а и 8b - два схематических вида, соответственно, в поперечном разрезе и сверху, примера фокальной решетки с совместным использованием источников, содержащей несколько подрешеток по семь элементарных источников типа диэлектрических антенн, расположенных сообразно шестиугольной ячейке. Как и в случае с накладками, изобретение заключается в запитке, на нижнем конце 83, центральной диэлектрической антенны 81 одной ячейки, например, шестиугольной; причем периферийные диэлектрические антенны 80, 82, относящиеся к этой же шестиугольной ячейке, соединяются естественным образом между собой и с центральной диэлектрической антенной 81 путем индуктивной связи. Например, при внутреннем диаметре L каждой элементарной диэлектрической антенны, который равен 7,4 мм или 10 мм, шаг Р между центрами двух следующих одна за другой антенн-свечей может в этом случае составлять 16 мм. В рамках антенн-свечей волна, образуемая в результате запитки центральной антенны-свечи 81, распространяется по оси Z диэлектрической антенны, удерживаясь в выполняющем функцию диэлектрика волноводе диаметром 7,4 мм или 10 мм, который ограничен металлическим стенками 84 удержания свечи. Индуктивная связь между свечами достигается путем прекращения удержания волны в зоне прекращения удержания, расположенной на верхнем конце 85 на уровне выходного конуса свечей, где металлические стенки 84 исчезают. Поля, образуемые центральной диэлектрической антенной возбуждения 81, в зоне прекращения удержания будут естественно распространяться в поперечной моде, соединяться с окружающими диэлектрическими антеннами 80, 82 и приводить к взаимным соединениям, которые способствуют окончательному излучению совокупности антенн ячейки. Полное сопротивление закрытия индуцированных диэлектрических антенн 80, 82 определено таким образом, чтобы придать общей характеристике желаемое увеличение направленности. Таким образом, весь комплекс ведет себя как подрешетка, состоящая из семи диэлектрических стержней, включающих в себя один центральный стержень 81, представляющий собой источник возбуждения, и шесть периферийных стержней 80, 82, представляющих собой соединенные источники, параметры полного сопротивления которых определены таким образом, чтобы они управляли коэффициентами соединения и повторного излучения диэлектрических антенн согласно желаемым целям получаемой таким образом соединенной подрешетки. В примерах решеток, представленных на фиг.8а и 8b, каждая подрешетка из семи источников, расположенных в шестиугольной ячейке, содержит два периферийных источника 82, совместно используемых с прилегающей подрешеткой.
Хотя описание изобретения было приведено со ссылкой на частные способы реализации, безусловно, оно ни в коей мере ими не ограничивается и содержит все равнозначные технические приемы описанных средств, а также их сочетание, если они вписываются в рамки предлагаемого изобретения. В частности, для дополнительного улучшения характеристик антенны подрешетка может содержать несколько колец периферийных источников, запитанных за счет индуктивной связи вокруг центрального источника.