Многолучевая антенна (варианты)
MULTI-WAVE ANTENNA (VERSIONS)

Изобретение относится к телекоммуникационным многолучевым антенным системам с фокальным устройством, состоящим из двумерного массива облучателей, в котором одновременно генерируется множество лучей посредством задания амплитудно-временных параметров сигналов для каждого облучателя.
В настоящий момент существует потребность в многолучевых антеннах Ka-диапазона для геостационарных космических аппаратов, которые имеют достаточно большую зону обслуживания, около 12х10 градусов на поверхности Земли, с шириной лучей около 0.25 градуса, с количеством абонентских позиций лучей 1000-2000 и коэффициентом усиления не менее 55dBi.
При этом количество активных каналов примерно на порядок меньше позиций лучей, а обслуживание абонентов производится быстрым переключением активных каналов между позициями (beam hopping) с периодом посещения активной позиции не более 125мс (для возможности передачи голосовой информации) и временем посещения 1-12мс (длина суперфрейма данных).
Такую ширину луча и коэффициент усиления на небольших углах отклонения луча можно реализовать для любой традиционной схемы рефлекторной антенны с апертурой около ∅3м. Но при этом за счет аберрационных эффектов, существует падение коэффициента усиления на 6…10dB и увеличение ширины лучей до 0.5…1.0 градуса на краях зоны обслуживания. Кроме того, разместить необходимое количество фиксированных  облучателей для такой плотности размещения позиций и размера зоны обслуживания практически невозможно.
Такую ширину луча и произвольное количество позиций лучей можно реализовать в АФАР, но обеспечить требуемый коэффициент усиления и минимизацию интерференционных лепестков (grating lobes) можно двумя взаимно исключающими способами:
или практически полностью избавиться от интерференционных лепестков, что предполагает слабонаправленные парциальные облучатели с шагом решетки около одной длины волны. При этом будет незначительное, не более 1…3dB, падение на краях зоны обслуживания, но решетка с апертурой ∅3м и шагом гексагональной сетки, равным длине волны (на передачу, 20GHz), должна иметь около 36 тысяч парциальных облучателей. При существующем уровне техники это практически невозможно;
или использовать высоконаправленные парциальные облучатели диаметром 6-8 длин волн. Но у решетки с такими облучателями будет падение усиления на краях зоны обслуживания около 6…10dB, а интерференционные лепестки становятся неприемлемо мощными и даже могут превышать уровень основного луча при больших отклонениях. Использование апериодической решетки с высоконаправленными парциальными облучателями, например кольцевой, несколько улучшает положение с интерференционными лепестками, «размазывая» их по кольцевой области и снижая их уровень на 15…20dB. Но при крайних отклонениях луча эта кольцевая область все равно может попасть на поверхность Земли, что весьма нежелательно. Кроме того, существует проблема засветки спутников на противоположной стороне геостационарной орбиты.
Известны различные схемы рефлекторных антенн с облучающим устройством (ОУ) на базе фазированной решетки (Phased Array Feed Reflector, PAFR). Преимуществом таких схем является то, что достаточно простое фокусирующее устройство обеспечивает необходимую апертуру, а трудно реализуемая активная фазированная решетка имеет небольшие размеры. Такая решетка может формировать множество фокальных центров излучения (виртуальные облучатели), используя определенные подмассивы парциальных облучателей.
В таком ОУ можно практически полностью убрать интерференционные лепестки, так как благодаря значительно меньшей площади ОУ можно уменьшить шаг решетки.
Также их можно существенно снизить в дальней зоне антенны, так как в зоне между ОУ и фокусирующей системой они представляют из себя не повернутый плоский волновой фронт, а повернутый сферический волновой фронт и в основном уходят за пределы фокусирующей системы. Кроме того, определенную апериодичность размещения парциальных облучателей можно внести размещением их на вогнутой сферической поверхности ОУ, обеспечивающей приблизительно одинаковый угол видимости фокусирующей системы для каждого парциального облучателя.
Но эта схема не устраняет главный недостаток систем с фокусирующей системой и точечным облучателем. Все они имеют оптические аберрации (в основном кома) и могут реализовать достаточно маленькую зону обслуживания с заданными параметрами лучей.
В изобретении [JP 5014193], принятом авторами за прототип, сделана попытка формирования виртуальных облучателей, в какой-то мере учитывающих проблему аберрационных искажений.
В этом изобретении имеется фокусирующая система, состоящая из одного или множества рефлекторов, облучающее устройство, состоящее из массива облучателей, перекрывающее зону излучения фокусирующей системы и размещенное ближе или дальше фокусной точки фокусирующей системы, и система формирования лучей, управляющая амплитудно-фазовыми параметрами облучателей в подмассивах, соответствующих каждому лучу. Это изобретение предполагает измерение (или расчет) амплитудно-фазовых характеристик от входящего луча для каждого облучателя в подмассиве, ограниченном проекцией апертуры от входящего луча на поверхности ОУ, и задание этих характеристик этим же облучателям для формирования исходящего луча.
Недостатком такого способа является то, что простое определение и задание фазы (сдвига фазы) для каждого облучателя приведет к общим проблемам всех фазированных решеток на фазовращателях:
– низкая точность позиционирования лучей и большая фазовая ошибка, так как разрядность фазовращателей, как правило, не превышает 6-8 бит;
– межсимвольная интерференция, что приведет к значительному снижению ширины полосы пропускания сигнала;
– зависимость угла отклонения луча от частоты, что приведет к «размазыванию» диаграммы направленности по спектру модулированной несущей частоты - аналог хроматической аберрации в оптике.
Впрочем благодаря относительно небольшому размеру решетки эти проблемы можно устранить системой формирования лучей с истинными временными задержками, что и предполагается в данном изобретении.
Более серьезным недостатком является отсутствие критериев для оптимизации геометрии поверхностей фокусирующей системы и взаимного расположения ОУ и фокусирующей системы. Также существует проблема с усилителями мощности облучателей для передающего ОУ с подмассивами облучателей (будет рассмотрено ниже).
Задачей данного изобретения является создание класса антенн, полностью или частично свободных от указанных недостатков, при сохранении главных преимуществ:
– разделение задач «формирование лучей», «обеспечение необходимой апертуры» и «обеспечение мощности»;
– обеспечение большого количества активных лучей.
В первом варианте данная задача решается тем, что в многолучевой антенне, содержащей фокусирующую систему, состоящую из вогнутого зеркала, облучающее устройство, предназначенное для облучения вогнутого зеркала, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенное на расстоянии от вогнутого зеркала и перекрывающее зону проекций лучей на этом расстоянии, и систему формирования лучей, при этом облучающее устройство содержит, по крайней мере, один подмассив облучателей, обеспечивающий один луч с плоским волновым фронтом в заданном направлении, для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно-временные параметры передаваемого радиосигнала для каждого облучателя в его подмассиве, чтобы сформировать неплоский волновой фронт, эквидистантный через вогнутое зеркало плоскому волновому фронту такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов.
Во втором варианте данная задача решается тем, что в многолучевой антенне, содержащей фокусирующую систему, состоящую из первичного и вторичного вогнутых зеркал, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенное на расстоянии от вторичного зеркала и перекрывающее зону пересечения проекций лучей на этом расстоянии, и систему формирования лучей, облучающее устройство обеспечивает все лучи с плоскими волновыми фронтами в заданных направлениях, и для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно-временные параметры передаваемого радиосигнала для каждого облучателя, чтобы сформировать неплоский волновой фронт, эквидистантный через фокусирующую систему плоскому волновому фронту такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов.
В обоих вариантах отражающие поверхности фокусирующей системы могут быть выполнены как поверхности вращения  конического сечения, при этом ось вращения может не совпадать с осями конического сечения. Также отражающие поверхности фокусирующей системы могут быть выполнены как поверхности протягивания образующих кривых с непрерывной второй производной.
Многолучевая антенна в этом изобретении может быть передающей, приемной или приемо-передающей с различными вариациями поляризации радиосигнала. В данном описании рассмотрены два варианта передающей антенны. Варианты приемной антенны получаются инверсией передающих элементов в приемные.
Возможны также оптические схемы, в которых, например, в однозеркальной антенне ОУ расположено так, что перекрывает зону пересечения проекций лучей и не делится на подмассивы, а в двухзеркальной антенне ОУ расположено так, что  зону проекций лучей и делится на подмассивы. Такие схемы крайне неэффективны, так как требуют существенно больших размеров зеркал или ОУ.
Далее изобретение раскрывается более подробно с использованием графических материалов, где:
Фиг.1 – фронтальный вид однозеркальной антенны (Вариант 1);
Фиг.2 – вид слева однозеркальной антенны;
Фиг.3 – увеличенный фрагмент А облучающего устройства однозеркальной антенны;
Фиг.4 – фронтальный вид двухзеркальной антенны (Вариант 2);
Фиг.5 – увеличенный фрагмент Б облучающего устройства двухзеркальной антенны;
Фиг.6 – увеличенное сечение В-В облучающего устройства двухзеркальной антенны;
Фиг.7 – вид слева  двухзеркальной антенны;
Фиг.8 – изометрический вид двухзеркальной антенны.
Для простоты восприятия у показанных вариантов антенн общими являются следующие обозначения:
- Облучающее устройство 1, его парциальные излучатели 2 и излучающая поверхность 3, образованная фазовыми центрами излучателей 2;
- Апертуры 4…7 для углов отклонения ±α и β и их проекции 4a…7a на ОУ;
- Плоский волновой фронт 5b, соответствующий апертуре 5;
- Неплоские волновые фронты, эквидистантные фронту 5b:
- 5c – на выходе из излучающей поверхности 3 (волновой фронт касается поверхности 3 в точке K1);
- 5d – на входе в излучающую поверхность 3 (волновой фронт касается поверхности 3 в точке K2);
- 5e – в зоне самопересечения волновых фронтов;
- Облучатель 2n и отрезок Tn, определяющий его временную задержку.
На Фиг.1, 2, 3 показана однозеркальная антенна, состоящая из рефлектора 8 и облучающего устройства 1 с парциальными облучателями 2. Рефлектор 8 образован вращением образующей кривой 9 относительно оси 10. Образующая кривая 9 может быть любым коническим сечением и в данном случае представляет из себя гиперболу. Ось вращения 10 не обязательно должна совпадать с осью образующей кривой, и ее положение, заданное размером 11, является одним из параметров оптимизации оптической схемы антенны, влияющим на положение и размер проекций лучей на ОУ в направлении угла ±β (положение проекции 7a на Фиг.2).
На Фиг.4-8 показана двухзеркальная антенна, состоящая из рефлектора 12, субрефлектора 13 и фокального устройства 1 с парциальными облучателями 2.
Апертуры 4…6 на Фиг.4 показаны в трассировке «от ОУ», чтобы по заданному размеру ОУ и требуемым  апертурам определить размер рефлектора 12. Фронт 5e не показан, так как ОУ находится далеко за зоной самопересечения фронтов. При этом проекции 4a…7a и 4f…7f определены как проекции полной апертуры рефлектора 12 на субрефлекторе 13 и облучающем устройстве 1. Парциальные облучатели 2 размещаются в зоне 14 (Фиг.6, облучатели не показаны), являющейся пересечением проекций рефлектора 12 со всех заданных направлений.
В этой конкретной оптической схеме рефлектор 12 выполнен как параболоид вращения с осью 15, совпадающей с осью параболы, а субрефлектор 13 выполнен как поверхность вращения эллиптической образующей и осью вращения 16, не совпадающей с осями образующего эллипса.
На Фиг.3 и Фиг.5 показан принцип формирования волнового фронта 5d, эквидистантного волновому фронту 5b в заданном направлении луча.
Фронт 5d можно построить, например, обратной трассировкой от произвольной (с точностью до константы) плоскости 5b методом Монте-Карло. При этом отрезок Tn определяет временную задержку для облучателя 2n, а количество трассировочных лучей в некоторой окрестности его фазового центра, например, на расстоянии λ/2, – его амплитуду.
Таким образом, можно определить амплитудно-временные параметры всего подмассива облучателей для заданного направления луча.
Однако особенности твердотельных усилителей мощности (УМ) накладывают некоторые ограничения на использование варианта 1 в передающих антеннах. Дело в том, что мощные транзисторы имеют, как правило, нормально-открытый канал. При этом потребление энергии при отсутствии сигнала на входе практически не уменьшается, а время выхода на линейный режим соизмеримо со временем между посещениями скачущим лучом (beam hopping) какой-либо позиции. Соответственно, если имеется лучевая позиция с минимум одним абонентом, все парциальные облучатели в подмассиве для этой позиции должны быть постоянно включены. Разумеется, каждый парциальный облучатель обслуживает более сотни позиций в центральной зоне ОУ и около 3-5 позиций на периферии ОУ (или 10-15 позиций, если с незначительным ущербом для диаграммы направленности периферийных лучей убрать слабо задействованные периферийные облучатели).
Но характер распределения активных абонентов может быть весьма изменчивым (морские и воздушные суда, автомобильный и железнодорожный транспорт, малонаселенные районы, etc). Поэтому энергопотребление антенны надо будет рассчитывать на статистически худший случай, и, с учетом того, что энергопотребление УМ слабо зависит от количества обслуживаемых им лучей, общий кпд антенны упадет на 10-20 процентов. Также возможны локальные градиенты тепловыделения по поверхности ОУ.
Этого недостатка лишен вариант 2, так как все парциальные облучатели обслуживают все лучевые позиции с примерно одинаковым амплитудным распределением для каждого луча. Таким образом, вариант 1 предпочтительно использовать как приемную антенну, а вариант 2 как передающую или приемо-передающую.
Разумеется, эти соображения в основном справедливы для ретранслятора со скачущими лучами. Для адаптивного ретранслятора с редко перенацеливаемыми лучами и достаточно кучно размещенными активными абонентскими позициями более предпочтителен вариант 1 для обоих типов антенн.
Выше было отмечено, что в телекоммуникационных антеннах нельзя использовать фазовращатели для отклонения луча. Это предполагает применение истинных временных задержек и достаточно сложную систему формирования лучей, например цифровую. В данном изобретении эта система может быть значительно проще благодаря тому, что для приемной антенны необходимо анализировать сигналы не от всей решетки парциальных облучателей, как в классических АФАР (не менее тысячи облучателей), а только от подмассива, содержащего 100-200 облучателей (вариант 1).
Вариант 2, в котором для каждого луча задействованы все облучатели, предпочтительно использовать как передающую антенну, для которой сама задача формирований лучей значительно проще, чем для приемной. Эта задача сводится к своевременной, по заранее известным для каждой абонентской позиции задержкам, выдаче каждому облучателю уже отфильтрованного приемной антенной сигнала.
В обоих вариантах отражающие поверхности фокусирующей системы выполнены как поверхности с непрерывной второй производной. Если не соблюдается условие непрерывности второй производной, отраженный волновой фронт начнет сразу самопересекаться и не может быть воспроизведен облучателями ОУ.
Необходимо отметить, что в контексте данного изобретения сами понятия «фокальная точка» и «фокальная поверхность» теряют смысл. При этом отражающая поверхность фокусирующей системы может быть поверхностью вращения конического сечения с осью вращения, не совпадающей с осью самого конического сечения. Более того, отражающая поверхность может образовываться, например, протяжкой одной, в общем случае переменной, кривой по другой, направляющей кривой. Единственное требование – область самопересечений неплоского фронта 5е должна быть вне излучающей поверхности 3.
При этом обеспечивается большая гибкость в оптимизации оптической схемы антенны для различных конфигураций зоны обслуживания и компоновки космического аппарата.
Применение активной фазированной решетки в качестве облучающего устройства с формированием неплоских волновых фронтов, эквидистантных плоским волновым фронтам в заданных направлениях, позволит достичь следующих преимуществ:
- упрощение системы формирования лучей;
- уменьшение размеров антенны за счет «короткофокусности» рефлекторов;
- обеспечение большой зоны обслуживания с минимальными потерями коэффициента усиления и ширины лучей;
- обеспечение большого количества активных лучей;
- обеспечение большой гибкости в оптимизации оптической схемы антенны.
Таким образом, все задачи данного изобретения выполнены.
Литература
Патент JP 5014193 (прототип).
Патент US 4203105.
Патент US 4965587.
Заявка US 2015061930.