Многолучевая антенна
MULTI-BEAM ANTENNA

Изобретение относится к телекоммуникационным многолучевым антенным системам с фокальным устройством, состоящем 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, размещение необходимого количества фиксированных  облучателей для такой 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 слабо направленные 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, равной 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 4-8 длин волн. Но у решетки с такими облучателями будет падение усиления на краях зоны обслуживания, около 6…8dB, 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 улучшают 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. Тем не менее, подобный вариант фазированной решетки может быть хорошим компромиссом, особенно если удастся сделать такую решетку неуправляемой.
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, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенное на расстоянии от фокусирующей системы 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 в заданном направлении, фокусирующая система выполнена как усилительная линза, и 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 усилительную линзу 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, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенное на расстоянии от фокусирующей системы 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 в заданном направлении, фокусирующая система выполнена как усилительная линза с парциальными облучателями, содержащими фотоприемники со стороны облучающего устройства, а облучающее устройство содержит облучатели в виде источников светового излучения, амплитудно-модулированного радиосигналом, и для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно-временные параметры излучения для каждого облучателя в его подмассиве, чтобы сформировать неплоский волновой фронт амплитудно-модулированного сигнала, эквидистантный через усилительную линзу плоскому волновому фронту такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов.
В обоих вариантах преломляющая поверхность усилительной линзы может быть выполнена как поверхность вращения с непрерывной второй производной и осью вращения, не совпадающей по углу и (или) положению с осями усилительной линзы и (или) облучающего устройства. Также преломляющая поверхность усилительной линзы может быть выполнена как поверхность протягивания образующих кривых с непрерывной второй производной.
Усилительная линза в данном изобретении трактуется как двумерный массив парциальных облучателей, содержащих, как минимум, приемный элемент, линию задержки, усилитель и передающий элемент. Усилительная линза может быть как проходной, с приемными и передающими элементами на разных поверхностях, так и отражательной, с приемными и передающими элементами на одной поверхности. Усилительная линза может быть передающей, приемной, или приемо-передающей. Соответственно, облучающее устройство, состоящее из двумерного массива маломощных облучателей, может быть передающим, приемным, или приемо-передающим.
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 приемных и передающих элементов.
Понятие “эквидистанта” трактуется как отображение волнового фронта 5c в волновой фронт 5a через некоторую константу времени.
Особенности твердотельных усилителей мощности (УМ) накладывают некоторые ограничения на использование прототипа 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 лишена антенна с фокусирующей системой в виде усилительной линзы, так как все УМ в парциальных облучателях линзы обслуживают все лучевые позиции, с примерно одинаковым амплитудным распределением для каждого луча. При этом в ОУ используются маломощные усилители радиосигнала, а радиоизлучающий элемент может быть как рупорным, так и дипольным (Вариант 1).
Кроме того, появляется возможность использовать маломощный, амплитудно-модулированный радиосигналом, оптический канал между ОУ и фокусирующей системой (Вариант 2). При этом фокусирующая система может быть как проходной, так и отражательной усилительной линзой.
Большим преимуществом данного изобретения является то, что усилительная линза состоит из достаточно простых неуправляемых парциальных облучателей с фиксированными линиями задержки и практически постоянным по времени и равномерным по поверхности линзы режимом тепловыделения. По сравнению с прототипом, это позволит значительно снизить проблему сброса тепла за счет ее удаленности от ОУ и космического аппарата, большей площади и повышения температуры внешних теплоизлучающих поверхностей до 80-100 градусов.
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 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 для каждой абонентской позиции.
Возможна также схема антенны, в которой ОУ расположено так, что перекрывает зону пересечения проекций лучей и не делится на подмассивы. Такая схема крайне неэффективна, так как требует существенно большего размера линзы, и для каждого луча задействован только подмассив решетки линзы, соответствующий заданной апертуре.
Далее изобретение раскрывается более подробно с использованием графических материалов, где:
Фиг.1 – фронтальный вид антенны (Вариант 1);
Фиг.2 – увеличенный фрагмент А;
Фиг.3 – фронтальный вид антенны (Вариант 2);
Фиг.4 – увеличенный фрагмент Б.
Для простоты восприятия, у обоих вариантов антенн общими являются следующие обозначения:
- Облучающее устройство 1, его излучатели 2 и излучающая поверхность 3, образованная фазовыми центрами облучателей 2;
- Апертуры 4, 5 для углов отклонения 0, α;
- Плоские волновые фронты 4a, 5a, соответствующие апертурам 4, 5;
- Неплоские волновые фронты, эквидистантные фронту 5a:
-   5b – на выходе из излучающей поверхности 3 (волновой фронт касается поверхности 3 в точке K1);
-  5c – на входе в излучающую поверхность 3 (волновой фронт касается поверхности 3 в точке K2);
-  5d – в зоне самопересечения волновых фронтов;
- Облучатель 2n и отрезок Tn, определяющий его временную задержку;
- Усилительная линза 6, ее излучающая поверхность 7, приемная поверхность 8 и преломляющая поверхность 9, аппроксимирующая длины линий задержки парциальных облучателей линзы.
На Фиг.1 и 2 показана антенна по Варианту 1, состоящая из облучающего устройства 1 с облучателями 2 и усилительной линзы 6. Облучающее устройство выполнено в виде вогнутой сферы, и облучатели 2 направлены так, чтобы максимально эффективно облучать поверхность 8.
На Фиг.3 и 4 показана антенна по Варианту 2, состоящая из оптического облучающего устройства 1 с облучателями 2 и усилительной линзы 6. В этом варианте, за счет простоты оптических облучателей 2, достаточно легко обеспечить индивидуальное направление каждого облучателя на поверхность 8.
На Фиг.2 и 4 показан принцип формирования волнового фронта 5c, эквидистантного волновому фронту 5a в заданном направлении луча.
Фронт 5c можно построить, например, обратной трассировкой от произвольной (с точностью до константы) плоскости 5a 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.
В обоих вариантах преломляющая поверхность фокусирующей системы выполнена как поверхность с непрерывной второй производной. Если не соблюдается условие непрерывности второй производной, преломленный 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 преломляющая поверхность линзы может быть поверхностью вращения, с осью вращения, не совпадающей как по углу, так и по положению с осями линзы и/или ОУ. Более того, преломляющая поверхность может образовываться, например, протяжкой одного, в общем случае переменного, сечения по другому, направляющему сечению. Единственное требование – область самопересечений неплоского фронта 5d должна быть вне излучающей поверхности 3.
При этом обеспечивается достаточно большая гибкость в оптимизации оптической схемы антенны для различных конфигураций зоны обслуживания и компоновки космического аппарата.
Применение активной фазированной решетки в качестве облучающего устройства для усилительной линзы 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” линзы;
- обеспечение большой зоны обслуживания, с минимальными потерями коэффициента усиления и ширины лучей;
- обеспечение большого количества активных лучей;
- обеспечение благоприятного теплового режима антенны и космического аппарата;
- обеспечение большой гибкости в оптимизации оптической схемы антенны.
Таким образом, все задачи данного изобретения выполнены.
Литература
Патент JP 5014193 (прототип)
Патент EP 2221919
Патент US 3984840
Патент US 5280297
Патент US 5959578
Патент US 6147656
Патент US 7889129
Заявка RU 2015157178.