Многолучевая антенна
MULTI-BEAM ANTENNA

Изобретение относится преимущественно к антеннам телекоммуникационных космических аппаратов с антенной решеткой, содержащей массив парциальных приемо-передающих усилителей, в которых одновременно генерируется множество лучей посредством создания истинных временных задержек каждому парциальному усилителю для каждого луча.
В настоящий момент существует потребность в многолучевых антеннах Ka-диапазона, например, с 30 активными лучами, скачущими с интервалом (длина фрейма), например, 24ms по 1000 и более ячейкам на поверхности зоны обслуживания. При этом решетка, апертурой не менее 3м, должна иметь более 4500 парциальных усилителей для получения необходимого усиления и ширины главного лепестка, и увода интерференционных лепестков из зоны обслуживания.
Исторически антенные решетки, прежде всего, используются для систем радиолокации, при этом для управления немодулированными импульсными или узкополосными модулированными лучами можно применять различного типа фазовращатели. Но при передаче широкополосного модулированного сигнала в такой антенной решетке происходит качание диаграммы направленности луча в зависимости от мгновенной частоты, и межсимвольная интерференция модулированного сигнала, что приводит к проблемам использовании фазовращателей в телекоммуникационных антенных решетках.
Достаточно условно, межсимвольная интерференция показана на Фиг.1а, где модулированные сигналы от разных парциальных усилителей с фазовращателями ступенчато смещаются, суммируются и превращаются в шум, по сравнению с Фиг.1б, где показана передача сигнала парциальными усилителями (G) с суммированием по истинным временным задержкам.
Подразумевается, что каждая клетка (F) на Фиг.1а содержит группу парциальных усилителей с фазовращателями, с возрастающими слева-направо фазовыми задержками от 0 до 360 градусов, и длина группы, соответственно, обратно зависит от угла поворота луча. Внутри каждой группы модуляция сохраняется, но ступенчато смещается на период колебаний несущей частоты (t) от группы к группе. Таким образом, для передачи неискаженного модулированного сигнала с использованием фазовращателей, длина группы должна быть равна апертуре, а угол сканирования не должен превышать угол, равный arcsin(λ/А), где λ – длина  волны, А – апертура решетки. Для приведенных выше характеристик антенны (λ=15мм, А=3000мм) этот угол равен 0.286 градусов, а при повороте луча на требуемые ±6°, размер (nλ) равен А*sin(6°)=313.6мм.
Преодолеть эту проблему можно, например, снизив промежуточную частоту (ПЧ) так, чтобы период волны верхней границы полосы модулированного на ПЧ сигнала был минимум в 2-3 раза больше времени (nt). Также можно использовать любую прямую (АМ, ЧМ, ФМ) модуляцию несущей частоты, с периодом модулирующей частоты минимум в 2-3 раза больше времени (nt), при этом декодируемый сигнал передается на участке (S). Но при любых методах кодировки и модуляции, на стороне абонента в сигнале будут трудно устранимые двойные шумовые участки (nt) (к участкам на приеме добавятся участки на передаче), а информационная емкость канала будет снижена.
5
Необходимо будет разместить 30*4500=1.35*10 фазовращателей. Разрядность фазовращателей должна быть более 8-10 бит, чтобы достаточно точно управлять углом луча на всех комбинациях шага парциальных усилителей по всем направлениям. Таких фазовращателей сегодня не существует. Также необходимо разместить 30 сумматоров 4500х1 на приеме и 30 делителей 1х4500 на передаче.
6
Применение в антенных решетках истинных временных задержек с физическими линиями, таких как волноводы, коаксиальные кабели или оптоволокно, технически невозможно, так как необходимо разместить более 1000*4500=4.5*10 линий задержки, с соответствующими сумматорами и делителями.
2
Необходимо отметить, что вышеупомянутых сумматоров и делителей с приемлемыми характеристиками по точности также не существует. Не говоря уже о том, что они должны распределять сигнал по поверхности более 8.5м, с линейной точностью каждой ветки дерева много менее длины волны несущей частоты.
5
6
5
Применение вычислительной техники для электронного формирования лучей выглядит несколько предпочтительней, так как для активных лучей необходимо всего 30*4500=1.35*10 временных задержек, при полной свободе выбора направления активных лучей. Сама по себе эта задача достаточно тривиальна и не требует большой вычислительной мощности (при условии, что полная таблица задержек 1000*4500=4.5*10 хранится в оперативной памяти).Но при этом необходимо, как минимум, с тактом 24ms синхронно оцифровать, например, на промежуточной частоте (около 10GHz, точность синхронизации намного больше приемной несущей – 30 GHz), и сохранить в буферной памяти сигналы от каждого приемного парциального усилителя (4500шт).Затем оцифрованные сигналы надо обработать с выделением (без демодуляции) блоков пакетов (фреймов) от каждого луча (30 принятых фреймов).Далее фреймы надо переупаковать в соответствии с заданной на данный такт таблицей (30 передаваемых фреймов), затем синхронно (точность синхронизации намного больше передающей несущей – 20 GHz), с заданными для других 30 лучей временными задержками, провести цифро-аналоговое преобразование (1.35*10 сигналов), преобразовать частоту сигналов до передающей несущей и передать через передающие парциальные усилители (4500шт.).
При современном уровне вычислительной техники и СВЧ электроники это невозможно. Из патентной литературы известно множество схем классических активных фазированных антенных решеток (АФАР). Такие схемы неизбежно предполагают технически невозможное (для поставленной выше задачи) управление большим массивом парциальных усилителей, вне зависимости от метода управления временными задержками, поэтому нет необходимости рассматривать классические схемы АФАР.
Также известны усилительные линзовые/рефлекторные антенные решетки [1…8], в которых проблема с необходимыми временными задержками решена размещением массива передающих элементов на фокальной поверхности линзы/рефлектора. Необходимо отметить, что фокусирующая система таких решеток также может быть выполнена на фиксированных или управляемых фазовращателях, с соответствующими проблемами.
В данном описании термины “линза” (просветная решетка) и “рефлектор” (отражательная решетка) необходимо трактовать как фокусирующую систему, построенную на фиксированных линиях задержки, встроенных в парциальные усилители. Эти линии задержки, для плоской решетки, аппроксимируют плосковыпуклую оптическую линзу или вогнутый рефлектор, а поверхность аппроксимации близка к гиперболоиду вращения.
Термин “парциальный усилитель” трактуется как самостоятельный узел передающей и (или) приемной решетки, содержащий, как минимум, приемный элемент, фиксированную линию задержки (для встроенной фокусирующей системы), усилительный тракт и передающий элемент.
Такие схемы, благодаря разделению функций формирования лучей и усиления мощности сигнала, позволяют разместить на фокальной поверхности фокусирующей системы большое количество маломощных, например дипольных, передающих элементов для формирования фиксированных лучей на поверхности зоны обслуживания. Отсутствие произвольного выбора направления луча, теоретически возможного в АФАР с электронным формированием лучей, компенсируется избыточностью массива легких маломощных передающих элементов, которые могут с заданным шагом покрывать необходимую зону обслуживания, вплоть до всей видимой поверхности Земли. Определенными недостатками таких схем являются оптические аберрации (в основном кома), и большой осевой габарит.
Известна схема с диэлектрической линзой между усилительной решеткой и фокальной поверхностью [7], но при необходимых апертурах антенн более 2-3 метров ее применение весьма проблематично.
Известна отдаленно похожая на данное изобретение схема с оптическими элементами [5], но эту схему также невозможно использовать при апертурах 2-3 метра. Более того, приемный оптический канал в этой схеме предполагает субмикронные точности изготовления компонентов при размере апертуры порядка сантиметров.
В патентах [1…5, 7, 8] представлены линзовые, а в патентах [1, 6] рефлекторные усилительные решетки. Общим недостатком таких систем являются проблемы с электромагнитной совместимостью, когда сигнал от парциального усилителя попадает в его же, или в соседний приемник, работающий на той же несущей частоте. Также возможно взаимовлияние плотно расположенных передающих элементов фокального устройства. В отражательных решетках это приведет к жертве одной поляризации или введению дополнительной несущей частоты между решеткой и фокальным устройством, с соответствующими фильтрами и синхронными преобразователями частоты в каждом парциальном усилителе (для приемо-передающей антенны – две дополнительные несущие частоты).Необходимое амплитудное распределение по полю решетки, например, “косинус на пьедестале”, зафиксировано на уровне парциальных усилителей, и является общим для всех лучей. Это приводит к неоптимальному амплитудному распределению для большой части лучей.Также, в случае приемо-передающей антенны, возникает проблема размещения приемно-передающих элементов фокальных модулей, с соответствующими усилителями, в тех же точках фокальной поверхности. При необходимости иметь две поляризации для каждого луча, эта проблема усугубляется. Те же компоновочные проблемы имеются у парциальных усилителей, особенно для рефлекторной решетки, где на одной поверхности необходимо разместить все приемные и передающие элементы.
Все эти проблемы присущи многолучевой линзовой антенне [2], принятой авторами за прототип.
В этом изобретении имеется фокусирующая система, состоящая из линий задержки, встроенных в парциальные усилители, усилительное устройство, состоящее из массива передающих парциальных усилителей с фиксированным амплитудным распределением по полю массива, и фокальное устройство, состоящее из массива передающих элементов, расположенных на фокальной поверхности фокусирующей системы.
Задачей данного изобретения является создание антенны, полностью или частично свободной от указанных недостатков, при сохранении главных преимуществ:
– разделение функций “усиление мощности” и “формирование лучей”;
– пространственная фильтрация большого количества приемных и передающих лучей.
Данная задача решается тем, что в многолучевой антенне, содержащей фокусирующую систему, усилительное устройство, состоящее из массива парциальных усилителей с фиксированным амплитудным распределением по полю массива, и фокальное устройство, состоящее из массива передающих элементов, расположенных на фокальной поверхности фокусирующей системы, передающие элементы фокального устройства выполнены в виде источников светового излучения, модулированного передаваемым радиосигналом, а приемники передающих парциальных усилителей выполнены как фотоприемники, преобразующие модулированное световое излучение в передаваемый радиосигнал.
Массив источников светового излучения может быть выполнен как два подмассива источников разной длины световой волны в соответствии с заданной схемой поляризации зоны обслуживания, а передающие парциальные усилители имеют фотоприемники, выполненные как два максимально близко расположенных друг к другу фотоприемника со светофильтрами, соответствующими источникам светового излучения фокального устройства, а также имеют два независимых тракта усиления и излучающее устройство с заданной двойной поляризацией.
Массив источников светового излучения может состоять из источников с двумя, максимально близко расположенными друг к другу, источниками разной длины световой волны и модулированных радиосигналами для различной поляризации.
Источник светового излучения может содержать устройство, обеспечивающее освещение фотоприемников передающих парциальных усилителей с заданными амплитудами.
Источник светового излучения может содержать устройство, обеспечивающее освещение заданного подмассива фотоприемников передающих парциальных усилителей.
Далее изобретение раскрывается более подробно с использованием графических материалов, где на Фиг.1 показаны схемы решетки с фазовращателями и решетки с истинными временными задержками;  Фиг.2 – изометрический вид линзовой антенны;  Фиг.3 – фронтальный вид линзовой антенны; Фиг.4 – вид на фокальное устройство и внешнюю поверхность усилительной решетки линзовой антенны; Фиг.5 – вид на фокальное устройство и внутреннюю поверхность усилительной решетки линзовой антенны.
На Фиг.2 показана линзовая антенна, состоящая из усилительной решетки 1 и фокального устройства 2. Усилительная решетка содержит парциальные усилители 3, а фокальное устройство – фокальную поверхность 4 с приемо-передающими модулями.
На Фиг.3 показаны два передающих луча, 5 и 6. Луч 5 сформирован апертурой А, с амплитудным распределением 7 от источника светового излучения 8. Луч 6 сформирован уменьшенной апертурой А1, с амплитудным распределением 9 от источника светового излучения 10 и имеет более широкую диаграмму направленности. При этом апертура А1 может быть не соосна полной апертуре А.
Полное амплитудное распределение для каждого передающего луча является суммой общего для всех амплитудного распределения усилительной решетки и индивидуального распределения от его источника светового излучения.
Для приемных лучей такой принцип использовать невозможно, но амплитудное распределение приемной решетки и форма луча не так критичны, как для передающих лучей. Избыточную фокусировку приемного канала антенны можно устранить как размещением приемо-передающих парциальных усилителей 3а только в центральной зоне усилительной решетки, на меньшей апертуре 11 (Фиг.5), так и расфокусировкой приемной фокусирующей системы на полной апертуре А.
Фиксированные линии задержки, встроенные в парциальные усилители, схематично показаны как отрезки 12, образующие выпуклую поверхность 13, близкую к гиперболоиду вращения, и могут быть выполнены на волоконной оптике.
На Фиг.4 показана усилительная решетка 1 с приемо-передающими элементами (например, рупорами) парциальных усилителей 3 и фокальное устройство 2. Фокальное устройство содержит фокальную поверхность 4 с размещенными на ней приемо-передающими модулями 14. Модули 14 состоят из двух (для разных поляризаций на прием) ортогональных приемных диполей 15,16 и двух  близко расположенных источников светового излучения 17,18 с разной длиной световой волны (для разных поляризаций на передачу). Источники светового излучения могут быть выполнены как светодиодные лазеры с оптическими и/или голографическими линзами для обеспечения заданного амплитудного распределения для заданного подмассива передающих парциальных усилителей 3а и 3б (Фиг.5).
На Фиг.5 показана внутренняя сторона усилительной решетки 1 с приемо-передающими парциальными усилителями 3а и передающими парциальными усилителями 3б. Приемо-передающие парциальные усилители 3а находятся внутри апертуры 11 и содержат два (для разных поляризаций на прием) ортогональных передающих диполя 19,20 и два близко расположенных приемника светового излучения 21,22 со светофильтрами разной длины волны (для разных поляризаций на передачу), соответствующих длинам волн источников светового излучения 17,18 (Фиг.4). Передающие парциальные усилители 3б находятся на полной апертуре А (Фиг.3) и содержат два приемника светового излучения 21,22.Как было указано выше, в зависимости от метода расфокусировки приемного канала, приемная апертура 11 может быть равна передающей апертуре А (Фиг.3), и все парциальные усилители будут приемо-передающими.
Разумеется, данное изобретение не относится исключительно к линзовым антеннам. Собственно усилительная решетка может иметь достаточно произвольную форму (например, сферическую, с одинаковыми или различными радиусами внутренней и внешней поверхности), с линиями задержки или без них (постоянной линией задержки является длина тракта парциального усилителя).При этом фокусирующая система может быть практически любой, например:
- линза, встроенная в просветную решетку (в соответствии с прототипом);
- рефлектор, встроенный в отражательную решетку;
- внешний параболический рефлектор;
- внешняя система рефлекторов (например, схемы Кассегрена, Грегори, etc.);
- внешняя диэлектрическая линза;
- комбинация встроенной линзы (рефлектора) и внешних фокусирующих элементов.
Осуществление изобретения может быть выполнено следующим образом:
Конструктивно, усилительная решетка 1 может быть выполнена практически так же, как и в прототипе. Ее парциальные усилители 3 имеют с внешней стороны традиционные приемо-передающие устройства с необходимыми поляризациями (H/V или R/L). Парциальные усилители с внутренней стороны решетки имеют два традиционных передатчика радиочастотного излучения (диполи 19 и 20) с двумя ортогональными поляризациями (условно - H1 и V1), и два приемника светового излучения (фотоприемники 21 и 22) с соответствующими светофильтрами (условно - "зеленый" и "синий").
Фокальное устройство 2 имеет приемо-передающими модули 14 с двумя приемниками радиочастотного излучения (диполи 15 и 16) с двумя ортогональными поляризациями (H1 и V1), и двумя источниками модулированного радиосигналом светового излучения (17 и 18) соответствующего цвета ("зеленый" и "синий").
Приемный тракт антенны работает так же, как и в прототипе:
Внешние приемные устройства парциальных усилителей 3 принимают и усиливают сигнал необходимой поляризации (например, Н или R) с некоторого направления 5 (Фиг. 3). Этот сигнал, через линии задержки, подается на передающие устройства внутренней стороны решетки (диполи 19 с поляризацией H1) и фокусируется на модуле 14, расположенном в точке 8. Диполь 15 (поляризация H1) этого модуля принимает этот сигнал, а усилитель модуля 14, связанный с этим диполем, передает этот сигнал в ретранслятор для дальнейшей обработки. При этом внешняя поляризация Н (или R) соответствует внутренней H1, а внешняя V (или L) соответствует внутренней V1.
Разумеется, внутренняя поляризация также может быть выполнена по схеме круговой поляризации R/L, но это неоправданно усложнит запитку кросс-диполей 15-16 и 19-20.
Внутренний передающий тракт антенны выполнен на модулированном световом излучении:
Радиосигнал от ретранслятора, например для направления 5 и внешней поляризации Н (или R), подается на "зеленый" источник 17 светового излучения модуля 14, расположенного в точке 8. Источник 17 содержит обычную и (или) голографическую линзу (не показаны), которые фокусируют световое излучение на внутренней поверхности решетки и осуществляют необходимое амплитудное распределение 7.
В идеале, голографическая линза распределяет световое излучение узкими лучами непосредственно по фотоприемникам парциальных усилителей 3 (значительно более простая, с определенным недостатком в виде комы, альтернатива патенту - аналогу US 4128759).
Световое излучение "зеленого" источника 17, модулированное радиосигналом, попадает в "зеленые" фотоприемники 21 парциальных усилителей 3, где преобразуется в электрический сигнал. После необходимых преобразований (электрический - оптический - оптическая линия задержки - электрический), электрический сигнал попадает в усилители мощности и, далее, в излучающие устройства, обеспечивающие радиолуч с необходимой поляризацией Н (или R) в направлении 5. При этом "зеленые" фотоприемники 21 одновременно принимают и суммируют световое излучение от множества (по количеству активных лучей в данной поляризации) "зеленых" источников 17.
Разумеется, антенна должна иметь электромагнитный экран по внешнему периметру от усилительной решетки к фокальному устройству (не показан). Этот экран также необходим для обеспечения теплового режима антенны.
Применение оптического канала передачи сигнала от фокального устройства к усилительной решетке позволит достичь следующих преимуществ:
- Улучшит электромагнитную совместимость элементов усилительной решетки и снизит проблему с пассивной интермодуляцией (ПИМ), так как мощный радиосигнал на передающей частоте не влияет на оптические приемные элементы усилительной решетки;
- Улучшит электромагнитную совместимость элементов фокального устройства и снимет проблему с ПИМ, так как передающие элементы фокального устройства выполнены на оптических источниках;
- Позволит разместить на фокальной поверхности большое количество компактных приемо-передающих модулей, обеспечивающих двойную поляризацию приемного и передающего сигналов для каждого луча.
Таким образом, все задачи данного изобретения выполнены.
Литература
1. Патент ЕР 0442562.
2. Патент ЕР 2221919.
3. Патент US 3984840.
4. Патент US 4721966.
5. Патент US 4929956.
6. Патент US 5280297.
7. Патент US 6147656.
8. Патент US 7889129
9. Патент US 4128759.