ЛИНЗОВАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА
LENS ANTENNA SYSTEM

Ссылки на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США №62/472 991, поданной 17 марта 2017 года, полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники
[0002] Настоящее изобретение относится к многолучевой антенной системе с фазированной решеткой. Более конкретно, настоящее изобретение относится к широкополосной широкоугольной многолучевой антенной системе с фазированной решеткой с уменьшенным числом компонентов, использующей широкоугольные градиентные линзы, каждая из которых имеет несколько доступных сканированию лучей.
Уровень техники
[0003] Фазированные антенные решетки представляют собой разновидность апертурной антенны для электромагнитных волн, которая может быть выполнена низкопрофильной, относительно легкой и способной направлять результирующий остронаправленный радиочастотный луч в точку в необходимом направлении посредством электрических средств управления при отсутствии подвижных частей. Обычная фазированная решетка представляет собой совокупность близко расположенных (на расстоянии в половину длины волны) отдельных излучающих антенн или элементов, в которой один и тот же входной сигнал подают на каждый независимый излучающий элемент с учетом заданной амплитуды и сдвига по времени или фазе. Энергия, излучаемая каждым из излучающих элементов, будет затем претерпевать сложение в направлении (или направлениях), определяемых конфигурацией сдвига по времени/фазе для каждого элемента. Отдельные антенны или излучающие элементы для такой фазированной решетки выполнены таким образом, что угловое распределение излучаемой энергии или диаграмма направленности от каждого облучателя в среде взаимного влияния элементов решетки, иногда называемые диаграммой усиления встроенного элемента или сканирующего элемента, распределено по возможности равномерно с учетом физических ограничений проецируемой апертуры антенной решетки в широком диапазоне пространственных углов для обеспечения максимального коэффициента усиления антенны по углам сканирования луча. Примеры обычных фазированных решеток описаны в патенте США №4,845,507, патенте США №5,283,587 и патенте США №5,457,465.
[0004] По сравнению с другими известными способами получения остронаправленных лучей радиоизлучения, такими как отражательные антенны (параболические или иные) и рупорные антенны на основе волноводов, фазированные решетки обеспечивают много преимуществ. Однако стоимость и энергопотребление активной фазированной решетки, а именно, решетки, содержащей усилители в элементах для реализации функций приема и/или передачи, пропорциональны количеству активных облучателей в решетке. Соответственно, большие фазированные решетки с высокой направленностью потребляют относительно большие объемы энергии и очень дороги в изготовлении.
[0005] Для фазированных решеток обычно необходимо заполнение всей апертуры близко расположенными облучателями для сохранения рабочих характеристик в диапазоне управления лучом при использовании обычных подходов. Для сохранения эффективности апертуры и устранения боковых лепестков необходимы плотно упакованные облучатели (отстоящие друг от друга примерно на половину длины волны при наибольшей рабочей частоте). Широкополосные фазированные решетки ограничены расстоянием между элементами, требованиями к доле заполнения апертуры и типами схем, используемых для управления сдвигом по фазе или времени, в дополнение к ограничениям полос пропускания излучающих элементов и схем.
[0006] Например, приблизительно квадратная фазированная решетка частотного диапазона Ки шириной 65 см и частотой 14,5 ГГц, которая необходима для направления ее луча под углом примерно 70 градусов от нормали к решетке или оси визирования, требует более 4000 элементов, каждый из которых выполнен с независимыми модулями передачи (Тх) - и/или приема (Rx), устройствами сдвига по фазе или схемами задержки по времени, а также дополнительными схемами. При работе терминала все элементы должны получать электропитание, что выдвигает существенные требования к стационарному постоянному току.
[0007] Необходимо, чтобы каждый элемент или облучатель в активной фазированной решетке был включен для обеспечения возможности работы решетки, что приводит к высокой потребляемой мощности, например, 800 Вт или более для решетки из 4000 элементов, в зависимости от эффективности активных модулей. Невозможно отключить определенные элементы для снижения энергопотребления без существенного влияния на производительность антенной решетки.
[0008] Для использования разреженных антенных решеток были разработаны различные способы, в которых расстояния между элементами могут достигать нескольких длин волн. Периодические антенные решетки с большими промежутками между элементами образуют боковые лепестки, но правильный выбор рандомизированных местоположений элементов нарушает периодичность и способен уменьшить боковые лепестки. Однако такие антенные решетки нашли лишь ограниченное применение, поскольку разреженная природа элементов приводит к снижению эффективности апертуры, что часто требует большей, чем необходимо, площади антенной решетки. См. статью Gregory M.D., Namin F.A. and Werner D.H., 2013. «Exploiting rotational symmetry for the design of ultra-wideband planar phased array layouts» («Использование вращательной симметрии для проектирования сверхширокополосных планарных схем фазированных решеток»). IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61(1), c. 176-184, которая посредством ссылки включена в настоящую заявку.
[0009] Другой способ ограничения влияния боковых лепестков представляет собой использование элементов антенной решетки острой направленности, поскольку диаграмма направленности всей антенной решетки равна произведению фактора антенной решетки, т.е. диаграммы направленности антенной решетки из изотропных элементов, и диаграммы усиления элемента. При высокой степени направленности диаграммы направленности элемента это произведение подавляет большинство боковых лепестков за пределами области основного луча. В качестве примера можно взять Очень Большую Антенную Решетку (VLA). VLA содержит множество больших карданно-подвешенных отражательных антенн, образующих весьма разреженную антенную решетку элементов острой направленности (отражателей), каждый из которых образует узкий остронаправленный луч от элемента, что значительно уменьшает величину боковых лепестков в общей диаграмме направленности от антенной решетки. См. статью P. J. Napier, A.R. Thompson и R.D. Ekers, «The very large array: Design and performance of a modern synthesis radio telescope)) («Очень большая антенная решетка: разработка и характеристики современного синтезирующего радиотелескопа»). Proceedings of IEEE, том 71, №11, стр. 1295-1320, ноябрь 1983 г.; и сайт www.vla.nrao.edu/, которые включены в настоящую заявку посредством ссылки.
Раскрытие сущности изобретения
[0010] Настоящее изобретение предлагает семейство антенн с фазированной решеткой, выполненных из относительно небольшого количества элементов и компонентов по сравнению с известной фазированной решеткой. В этой антенной решетке использовано относительно небольшое количество излучающих элементов, каждый из которых выполнен электрически относительно большим, например, размером в 5 длин волн, и специально оптимизированная градиентная линза GRadient INdex (GRIN), содержащая по меньшей мере один или более облучающих элементов в ее фокальной области. Каждый элемент антенной решетки содержит линзу GRIN и один или более облучающих элементов в фокальной области каждой линзы. Набор линза-облучатели способен образовать один или более лучей, направления диаграммы направленности элементов для которых могут быть переменными или управляемыми для сканирования требуемого диапазона управления лучом или сектора обзора. В случае одного облучателя или кластера облучателей, возбуждаемых для работы в качестве одного эффективного облучателя, положение облучателя или кластера может быть физически перемещено относительно фокальной точки линзы, что влияет на управление лучом. В случае управления лучом при отсутствии подвижных частей, набор из нескольких облучателей может быть размещен в фокальной области каждой линзы, и выбор (например, посредством переключения) активного облучателя или кластера облучателей образует луч элемента, направленный по конкретному направлению луча. Конкретная структура линзы GRIN может быть оптимизирована подходящим образом, например, в соответствии с изобретением, раскрытым в находящейся в процессе одновременного рассмотрения предварительной заявке США №62/438 181, поданной автором настоящей заявки 22 декабря 2016 г., полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
[0011] В одном варианте реализации настоящего изобретения антенная решетка направляет один или более лучей в указанном угловом диапазоне или секторе обзора при отсутствии подвижных частей, посредством наличия нескольких облучателей в фокальной области каждой линзы и выбора активного облучателя для направления луча элемента. В другом сильно упрощенном варианте реализации антенная решетка с минимальным количеством частей также может быть реализована посредством физического перемещения каждого облучающего элемента в соответствующей фокальной области линзы. В этом упрощенном варианте реализации набор облучающих элементов по всей антенной решетке может быть перемещен вместе, так что необходимы только два исполнительных механизма, механически соединенных со всеми линзами, или независимые исполнительные механизмы для каждой линзы для улучшенного управления. Общую диаграмму направленности антенной решетки получают посредством антенной схемы и/или устройства обработки антенны, которое способно объединить соответствующие активные облучающие элементы в каждой линзе со схемами задержки по фазе/времени и активной или пассивной корпоративной сетью облучателей.
[0012] Характеристикой сканирования луча антенной решетки управляют на двух уровнях: грубое наведение луча и точное наведение луча. Грубое наведение луча каждой линзы получено посредством выбора конкретного облучателя или небольшого кластера облучателей, возбуждаемых для работы как один облучатель, (или места облучателя) в фокальной области каждой линзы. Комбинация линзы и облучателя создает направляющий, но относительно широкий луч, соответствующий размеру линзы в длинах волн и в направлении, зависящем от смещения облучателя от номинальной фокальной точки линзы. Благодаря комбинированию соответствующих облучающих элементов в каждой линзе антенной решетки с соответствующими сдвигами по фазе или задержками по времени, обеспечено точное управление направления луча и высокая степень направленности благодаря общему размеру апертуры антенной решетки. Набор облучателей в фокальной области каждой линзы для полного электронного управления лучом занимает только часть области, связанной с каждой линзой, так что количество облучателей и компонентов намного меньше по сравнению с обычной фазированной решеткой. Кроме того, очевидно, что поскольку электропитание необходимо подать только к активным облучателям, потребляемая этой антенной решеткой мощность существенно меньше, чем для обычной фазированной решетки, в которой электропитание необходимо подать на все ее элементы. Эта специализированная конструкция фазированной решетки существенно уменьшает общее количество компонентов, стоимость и энергопотребление по сравнению с обычной фазированной решеткой с эквивалентным размером апертуры при сохранении сопоставимых технических характеристик.
[0013] Кроме того, каждая линза и ее несколько облучающих элементов могут образовывать несколько лучей просто посредством включения и возбуждения отдельных облучающих элементов в каждой линзе посредством независимых радиочастотных сигналов. Таким образом, этот подход может быть использован с соответствующей электроникой для управления наведением луча, а также с аппаратными и программными интерфейсами с подсистемами приема и передачи, что обеспечивает возможность одновременного выполнения односторонней или двусторонней связи с одним или более спутниками или другими удаленными узлами связи. Возможность использования нескольких лучей наряду с уменьшенным количеством деталей и более низким энергопотреблением по сравнению с обычной фазированной решеткой особенно полезна в приложениях, в которых необходима связь с более чем одним спутником или, например, для обеспечения возможности подключения без перерыва электропитания к негеостационарным спутникам при их прохождении над терминалом.
[0014] Относительно небольшое количество компонентов и гибкость, обеспечиваемая благодаря острой направленности диаграмм направленности элементов и возможности управления ими в широком диапазоне углов, обеспечивают существенную экономию средств. Индивидуально сканирующие антенные элементы (например, линзы) обеспечивают широкий сектор обзора и, несмотря на существование боковых лепестков из-за большого расстояния между элементами, степени свободы, предоставляемые посредством оптимизации положений и ориентаций элементов, а также направлений луча и направленности элементов, позволяют минимизировать величины боковых лепестков на диаграммах направленности решетки.
[0015] Линзовая антенная решетка не представляет собой разреженную антенную решетку, поскольку линзы заполняют область апертуры антенной решетки. Фазовый центр каждой линзы может быть слегка смещен, что, таким образом, нарушает периодичность всей антенной решетки и уменьшает боковые лепестки, оказывая в то же время относительно низкое влияние на эффективность, в дополнение к упрощениям, обеспечиваемым диаграммами направленности управляемых элементов.
[0016] Новая антенная система с фазированной решеткой содержит антенную решетку электрически больших антенных элементов с высоким коэффициентом усиления, каждый из которых содержит микроволновую линзу, которая может представлять собой градиентную линзу (GRIN) с одним или более облучателями в своей фокальной области. Каждая подсистема линзы и облучателя способна образовывать несколько диаграмм направленности отдельных элементов, лучи которых управляемы в соответствии со смещением облучателей от номинальной фокальной точки линзы. Кроме того, благодаря объединению и фазированию соответствующих портов множества таких подсистем линз и облучателей происходит образование луча с высоким коэффициентом усиления с точно контролируемым направлением луча. Таким образом, сканирование луча антенны происходит сначала посредством управления диаграммами направленности элементов для грубого наведения (через схему линзового набора), а затем посредством точного наведения луча антенной решетки при использовании относительных сдвигов по фазе или задержек по времени для каждого облучателя (посредством схемы антенны). В схеме антенны могут быть использованы цифровые способы формирования луча, в которых сигналы к каждому облучателю и от него обработаны с использованием процессора цифровых сигналов, аналого-цифрового преобразования и цифро-аналогового преобразования. Электрически большие апертуры элементов имеют некоторую форму и облицовку для заполнения общей апертуры антенной решетки для обеспечения высокой эффективности и усиления апертуры. Кроме того, антенная решетка не обязательно должна быть выполнена плоской, но подсистемы линза/облучатель могут быть расположены на изогнутых поверхностях для соответствия желательной форме, например, форме самолета. Сканирующие элементы с высокой направленностью требуют меньше активных компонентов по сравнению с обычной фазированной решеткой, что обеспечивает значительную экономию затрат и энергии. Кроме того, линзовая антенная решетка может быть размещена для формирования антенных решеток с произвольными форм-факторами, таких как симметричные или удлиненные антенные решетки.
[0017] Кроме того, каждая линза может формировать одновременно несколько лучей путем активирования соответствующих облучающих элементов. Эти облучающие элементы могут быть объединены с их собственными сетями сдвига по фазе или задержки по времени или даже с цифровой схемой формирования луча для образования множества лучей с высоким усилением от всей антенной решетки. Гибкость конструкции, присущая дополнительным степеням свободы, обеспечиваемым комбинациями линзы и облучателя, а также ориентациями и положениями линзы, обеспечивает подавление боковых лепестков, а также широкий сектор обзора. Антенная система может быть частью терминала связи, который содержит подсистемы сбора и отслеживания, которые генерируют один или более лучей, охватывающих широкий сектор обзора для таких приложений, как спутниковая связь (Satcom) в движении (SOTM), 5G, широкополосная связь типа «точка-точка» или типа «точка-многоточка» и другие наземные или спутниковые системы связи. Конструкция антенны с такими линзами, естественно, поддерживает несколько одновременно управляемых лучей. Эти одновременно управляемые лучи могут быть использованы для многих приложений, таких как: датчики наблюдения; прием нескольких источников передачи; несколько лучей передачи; связи типа "без перерыва электропитания", например, с негеостационарными группировками спутников на низкой околоземной (LEO) или средней околоземной орбите (МЕО); и неопределенное размещение для уменьшения помех без больших затрат на обычную многолучевую фазированную решетку. Кроме того, антенная система с фазированной решеткой может быть использована на космическом корабле для спутниковых применений с одним или более лучами или с лучом определенной формы.
[0018] Эти и другие объекты изобретения, а также многие из его предполагаемых преимуществ станут более очевидными при ссылке на последующее описание в сочетании с прилагаемыми чертежами.
[0019] В дополнение к воплощениям с фазированной решеткой, системы связи MIMO (с несколькими входами и несколькими выходами) также могут использовать возможность, предоставляемую коллекцией линз и связанных с ними схем. Хотя обработка сигналов отличается для систем связи MIMO по сравнению с обычной фазированной решеткой, обе системы способны использовать управляемые лучи для повышения уровня сигнала и улучшения связи в шумной или заполненной помехами среде.
Краткое описание чертежей
[0020] На фиг. 1 показан вид в перспективе в разрезе многолучевой фазированной решетки с электрически большими многолучевыми элементами;
[0021] На фиг. 2 показан вид сбоку линзы с умеренным усилением и облучающих элементов, сканирующих их диаграммы направленности посредством выбора облучателя для грубого управления диаграммой направленности;
[0022] На фиг. 3 показана структурная схема многолучевой антенной решетки типа «линзы/облучающие элементы», фазированной для формирования нескольких лучей под желательными углами сканирования с выбранными элементами антенны;
[0023] На фиг. 4 показана структурная схема линзовой антенной решетки с одиночным лучом и переключаемым выбором облучателя;
[0024] На фиг. 5 показан вид сверху фазовых центров возмущенных элементов для управления боковыми лепестками;
[0025] На фиг. 6(a) показан вид сбоку упрощенного управления лучом посредством механического смещения положений одного облучающего элемента в каждой линзе;
[0026] На фиг. 6(b) показан вид сверху упрощенного управления лучом по фиг. 6(a);
[0027] На фиг. 7 показана функциональная структурная схема передающей-приемной схемы для облучателя линзы с двойной линейной поляризацией;
[0028] На фиг. 8 показана структурная схема передающей-приемной схемы для облучателя линзы с двойной круговой поляризацией;
[0029] На фиг. 9(a) показана структурная схема для схемы типа «только прием» для облучателя линзы;
[0030] На фиг. 9(b) показана структурная схема для схемы типа «только передача» для облучателя линзы;
[0031] На фиг. 10 показана функциональная структурная схема для схемы переключения для выбора облучателя;
[0032] На фиг. 11 показана функциональная структурная схема для реализации схемы в цифровой области для цифровой обработки луча;
[0033] На фиг. 12 показана схема системы для терминала Satcom; и
[0034] На фиг. 13 показана схема для беспроводного наземного терминала типа «точка-многоточка».
Осуществление изобретения
[0035] При описании иллюстративных неограничивающих предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения, проиллюстрированных на чертежах, для ясности будет использована определенная терминология. Однако настоящее изобретение не предназначено для ограничения выбранными таким образом конкретными терминами и следует понимать, что каждый конкретный термин включает в себя все технические эквиваленты, которые работают аналогичным образом для достижения аналогичной цели. Несколько предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения описаны для иллюстративных целей, но при этом следует понимать, что изобретение может быть воплощено в других формах, конкретно не показанных на чертежах.
[0036] Обратимся к чертежам. На фиг. 1 показана линзовая антенная решетка 100. Линзовая антенная решетка 100 содержит множество линзовых наборов 110. Каждый линзовый набор 110 содержит линзу 112, прокладку 114 и набор 150 облучателей, который содержит множество облучающих элементов 152, как покомпонентно показано в целях иллюстрации для одного линзового набора 110. Прокладка 114 отделяет линзу 112 от набора 150 облучателей для согласования с соответствующим фокальным расстоянием линзы. Прокладка 114 может быть выполнена из диэлектрической пены с низкой диэлектрической проницаемостью. В других примерах прокладка 114 содержит опорную конструкцию, которая создает зазор, например, воздушный зазор, между линзой 112 и набором 150 облучателей. В других примерах линзовый набор 110 не содержит прокладку 114. Облучающий элемент 152 может быть выполнен в виде плоской микрополосовой антенны, такой как одиночная или многослойная пластинка, щель или диполь, или в виде волновода или апертурной антенны. Показанный в виде прямоугольной накладки на многослойной печатной плате (РСВ), облучающий элемент 152 может иметь альтернативную конфигурацию (размер и/или форму).
[0037] Печатная плата, образующая основание набора 150 облучателей в каждом линзовом наборе, дополнительно содержит схему обработки сигнала и управления («схема линзового набора»). Облучающие элементы 152 могут быть идентичными по всему набору 150 облучателей, или отдельные облучающие элементы 152 в наборе 150 облучателей могут быть независимо разработаны для оптимизации их производительности на основе их расположения под линзой 112. Физическое расположение облучающих элементов 152 в наборе 150 облучателей может быть равномерным на гексагональной или прямолинейной сетке или может быть неоднородным, например, на круговой или другой сетке для оптимизации стоимости и эффективности излучения линзовой антенной решетки 100 в целом. Сами облучающие элементы 152 могут быть любыми подходящими типами облучающих элементов. Например, облучающие элементы 152 могут быть выполнены в виде элементов печатной схемы типа «программной вставки», заполненных воздухом или нагруженных диэлектриком рупора или волноводов с открытым концом, диполей, плотно связанной дипольной решетки (TCDA) (см. Vo, Henry «DEVELOPMENT OF AN ULTRA-WIDEBAND LOW-PROFILE WIDE SCAN ANGLE PHASED ARRAY ANTENNA» («Разработка ультраширокополосной низкопрофильной антенны с фазированной решеткой и широким сектором сканирования») Диссертация. Ohio State University, 2015 г. "), голографической апертурной антенны (см. М. ElSherbiny, А.Е. Fathy, A. Rosen, G. Ayers, S.M. Perlow, «Holographic antenna concept, analysis, and parameters)) («Голографическая антенна: концепция, анализ и параметры»), IEEE Transactions on Antennas and Propagation, том 52, выпуск 3, стр. 830-839, 2004 г. ), других антенн в масштабе длины волны или их комбинации. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения каждый из облучающих элементов 152 имеет направленную не полусферическую встроенную диаграмму направленности.
[0038] Сигналы, принимаемые линзовой антенной решеткой 100, поступают в каждый линзовый набор 110 через соответствующую линзу 112, которая фокусирует сигнал на одном или более облучающих элементах 152 из набора 150 облучателей для этого линзового набора 110. Сигнал, падающий на облучающий элемент, затем проходит в схему обработки сигнала (схема линзового набора, за которой следует схема антенны), что описано ниже. Аналогично, сигналы, передаваемые линзовой антенной решеткой 100, передаются из специального набора 150 облучателей через соответствующую линзу 112.
[0039] Количество электрических и радиочастотных компонентов (например, усилителей, транзисторов, фильтров, переключателей и т.д.), используемых в линзовой антенной решетке 100, пропорционально общему количеству облучающих элементов 152 в наборах 150 облучателей. Например, может быть один компонент для каждого облучающего элемента 152 в каждом наборе 150 облучателей. Однако может быть более одного компонента для каждого облучающего элемента 152 или может быть несколько облучающих элементов 152 для каждого компонента.
[0040] Как показано, каждый линзовый набор 110 имеет шестиугольную форму и непосредственно примыкает к соседнему линзовому набору 110 с каждой стороны с образованием шестиугольной мозаики. Непосредственно соседствующие линзы 112 могут контактировать по своим краям. Наборы 150 облучателей имеют меньшую площадь, чем линзы 112, из-за оптики линза-облучатель и могут иметь по существу ту же форму или другую форму, что и линзы 112. Хотя в настоящем описании она описана как шестиугольная, линза может иметь другие формы, например, квадратную или прямоугольную, которые позволяют перекрывать апертуру всей антенной решетки. Наборы 150 облучателей могут не контактировать друг с другом и, таким образом, избегать короткого замыкания или иного электронного воздействия друг на друга. Вследствие оптической природы лучей элементов, формируемых в каждой линзе, смещение облучателя для формирования лучей сканированных элементов всегда существенно меньше расстояния в фокальной плоскости от центра линзы до ее края. Таким образом, количество облучателей, необходимых для «заполнения» требуемого диапазона сканирования или сектора обзора, меньше, чем для антенной решетки, которая должна иметь общую площадь апертуры, полностью заполненную облучающими элементами.
[0041] В некоторых вариантах реализации линзовой антенной решетки 100 наборы 150 облучателей заполняют приблизительно 25% площади каждой линзы 112. Линзовая антенная решетка 100 поддерживает аналогичную эффективность апертуры и имеет общую площадь, аналогичную площади обычной фазированной решетки с элементами размером в половину длины волны, но с существенно меньшим количеством элементов. В таких вариантах реализации линзовая антенная решетка 100 может содержать примерно только 25% от количества облучающих элементов по сравнению с обычной фазированной антенной решеткой, в которой наборы 150 облучателей заполняют 100% площади линзовой антенной решетки 100. Поскольку количество электрических и радиочастотных компонентов, используемых в линзовой антенной решетке 110, пропорционально общему количеству облучающих элементов 152 в наборах 150 облучателей, уменьшение количества облучающих элементов 152 также уменьшает количество и сложность соответствующих компонентов схемы обработки сигналов (усилителей, транзисторов, фильтров, переключателей и т.д.) в той же пропорции. Кроме того, поскольку только на выбранные облучатели в каждой линзе необходима подача электропитания, общее энергопотребление существенно снижено по сравнению с обычной фазированной решеткой.
[0042] Как показано, линзовая антенная решетка 100 может быть расположена в корпусе 200, содержащим основание 202 и крышку или обтекатель 204, которые полностью охватывают линзовые наборы 110, наборы 150 облучателей и другие электронные компоненты. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения крышка 204 содержит проходное отверстие для сигнальных проводов или облучателей. Корпус 200 выполнен относительно тонким и может образовывать верхнюю поверхность 206 для линзовой антенной решетки 100. Верхняя поверхность 206 может быть по существу плоской или слегка изогнутой. Линзовые наборы 110 также могут быть расположены на слое подложки или основания, таком как печатная плата (РСВ), который содержит электрические облучатели или контакты, которые выполняют обмен сигналами с облучающими элементами 152 наборов 150 облучателей. Линзовые наборы 110 могут быть расположены в одной плоскости, смещены на разные высоты или быть конформно уложены в виде мозаики на неплоской поверхности.
[0043] На фиг. 2 показан линзовый набор 110, содержащий линзу 112 с несколькими облучающими элементами 152. Для ясности здесь показаны только два облучающих элемента 152а, 152b, но типичный кластер облучателей может содержать, например, 19, 37 или более отдельных облучателей. Каждый облучающий элемент 152 генерирует относительно широкий луч через линзу 112 под конкретным углом в зависимости от смещения облучающего элемента от номинальной фокальной точки линзы 112. В примере, показанном на фиг. 2, первый облучающий элемент 152а непосредственно совмещен с фокальной точкой линзы 112 и генерирует луч 1, который по существу перпендикулярен линзе 112 или верхней поверхности 206 корпуса, а второй облучающий элемент 152b смещен относительно фокальной точки линзы 112 и генерирует луч 2, который размещен под углом относительно нормали линзы 112 или верхней поверхности 206 корпуса. Соответственно, выборочная активация одного из облучающих элементов 152а, 152b обеспечивает возможность линзовому набору 110 генерировать диаграмму направленности в требуемом направлении (т.е. для сканирования луча посредством выбора облучателя). Таким образом, линзовый набор 110 может работать в широком диапазоне углов.
1
2
2
[0044] На фиг. 3 показана упрощенная фазированная антенная решетка, содержащая линзовую решетку с несколькими линзовыми наборами 110 и наборами 150 облучателей. Каждый линзовый набор 110а, 110b содержит линзу 112а, 112b, центрирована с соответствующим набором 150а, 150b облучателей, причем каждым набор 150а, 150b облучателей содержит несколько облучающих элементов 152а, 152b. Каждый облучающий элемент 152 содержит антенну 302 и измерительный датчик 304, такой как считыватель или детектор, подключенный к антенне 302. Измерительный датчик 304 подключен к устройству 306 сдвига (по времени и/или по фазе), которое подключено к блоку 308 сумматора/делителя. Устройство 306 сдвига обеспечивает требуемый сдвиг по времени и/или по фазе, соответствующий соответствующему облучающему элементу 152. Каждый блок 308 сумматора/делителя соединен с соответствующим одним из облучающих элементов 152 в каждом из наборов 150 облучателей. Т.е., соответствующие облучающие элементы 152 для каждой линзы 112 объединены (или разделены) в сети сдвига по фазе или задержки по времени. Соответственно, первый блок 308 сумматора/делителя подключен к первому облучающему элементу 152a из первого набора 150а облучателей и первому облучающему элементу 152bi из второго набора 150b облучателей, а второй блок 308b сумматора/делителя подключен ко второму облучающему элементу 152а из первого набора 150а облучателей и второму облучающему элементу 152b из второго набора 150b облучателей. Каждый сигнал проходит через устройство 306 сдвига до или после суммирования или деления посредством блока 308 сумматор а/делителя. Каждый блок 308 сумматора/делителя может быть непосредственно подключен (например, через устройство 306 сдвига) к конкретному облучающему элементу 152 в каждом наборе 150 облучателей или может быть подключен через матрицу переключения для обеспечения возможности динамического выбора конкретного облучающего элемента 152 из каждого линзового набора 110.
[0045] Схема внутри измерительного датчика 304, включенного в каждый облучающий элемент 152, может содержать усилители, схемы управления поляризацией, диплексеры или диплексные переключатели с временным разделением и другие компоненты. Кроме того, измерительный датчик 304 может быть реализован в виде дискретных компонентов или интегральных схем. Кроме того, измерительный датчик 304 может содержать повышающие и понижающие преобразователи, так что обработка сигнала может быть выполнена на промежуточной частоте или даже в основной полосе частот. Хотя здесь, для предотвращения излишнего загромождения чертежа показана только одна сеть сдвига по фазе для каждого луча, понятно, что для каждого луча могут быть использованы передающая сеть сдвига по фазе и приемная сеть сдвига по фазе. Для некоторых диапазонов, таких как Ku-диапазон, обеспечена возможность использования единой сети с временной задержкой, которая будет служить для сдвига по фазе как передающего, так и приемного луча с сохранением их совпадения в угловом пространстве во всех диапазонах частот передачи и приема. Такая широкополосная работа также может быть возможна в других диапазонах частот Satcom. На чертеже показано, как два одновременных луча могут быть сформированы при наличии двух таких сетей сдвига по фазе. Расширения для более чем двух одновременных лучей должны быть очевидны из описания.
1
2
1
2
[0046] В процессе работы сигнал, принятый первой линзой 112а, проходит в соответствующий набор 150а облучателей. Сигнал принимают антенны 302 и схемы 304 первого набора 150а облучателей и передают его на устройства 306 сдвига. Таким образом, первый облучающий элемент 152a принимает сигнал и передает его первому блоку 308а сумматора/делителя через его соответствующее устройство 306 сдвига, а второй облучающий элемент 152а принимает сигнал и передает его во второй блок 308b сумматора/делителя через свое соответствующее устройство 306 сдвига. Вторая линза 112b передает сигнал в свой соответствующий набор 150b облучателей. Первый облучающий элемент 152b принимает сигнал и передает его первому блоку 308а сумматора/делителя через свое соответствующее устройство 306 сдвига, а второй облучающий элемент 152b принимает сигнал и передает его второму блоку 308b сумматора через его соответствующее устройство 306 сдвига.
1
1
2
2
1
2
1
2
[0047] Также происходит передача сигналов в обратном порядке с разделением сигнала посредством блока 308 сумматора/делителя и передачи от линз 112 через устройства 306 сдвига и наборы 150а облучателей. Более конкретно, первый делитель 308а передает сигнал для передачи на первые облучающие элементы 152a, 152b из первого и второго наборов 150а, 150b облучателей через соответствующие устройства 306 сдвига. И второй делитель 308b передает сигнал на вторые облучающие элементы 152а, 152b из первого и второго наборов 150а, 150b облучателей через соответствующие устройства 306 сдвига. Облучающие элементы 152a, 152а из первого набора 150а облучателей передают сигнал через первую линзу 112а, а облучающие элементы 152b, 152b из второго набора 150b облучателей передают сигнал через вторую линзу 112b.
[0048] Соответственно, первый блок 308а сумматора/делителя обрабатывает все сигналы, принятые/переданные через первый облучающий элемент 152 из каждого соответствующего набора 150 облучателей, а второй блок 308b сумматора/делителя обрабатывает все сигналы, принятые/переданные через второй облучающий элемент 152 из каждого соответствующего набора 150 облучателей. Соответственно, первый блок 308а сумматора/делителя может быть использован для формирования лучей, которые сканируют угол, связанный с первыми облучающими элементами 152а, а второй блок 308b сумматора/делителя может быть использован для формирования лучей, которые сканируют угол, связанный со вторыми облучающими элементами 152b.
[0049] Соответственно, на фиг. 3 показан пример, в котором облучающий элемент или множество облучающих элементов, включенных в линзовый набор из фазированной решетки, избирательно активированы на основе положения облучающего элемента относительно линзы линзового набора. Таким образом, луч, создаваемый линзовым набором, может быть отрегулирован без каких-либо подвижных частей и, таким образом, без введения зазоров между определенной линзой и другими линзами антенной решетки.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
2
[0050] На фиг. 4 показано, как одна схема сдвига по фазе/задержки по времени может быть использована для формирования одиночного луча посредством введения одного или более переключателей 310 на каждой линзе 112 для выбора подходящего облучающего элемента для грубого наведения, а затем сдвига по фазе облучающих элементов линз для точного наведения луча с обеспечением острой направленности всей антенной решетки. Переключатель 310 подключен между детектором или измерительным датчиком 304 и устройством 306 сдвига, которое может быть, например, схемой задержки по времени или схемой сдвига по фазе. Соответственно, сигналы, принятые через первый и второй облучающие элементы 152a, 152а, совместно используют устройство 306 сдвига. Переключатель 310 выбирает, какой из облучающих элементов 152a, 152а подключить к устройству сдвига 306 для приема сигналов и/или для передачи сигналов. В одном взятом в качестве примера варианте реализации настоящего изобретения все переключатели 310 могут работать для одновременного выбора первого облучающего элемента 152a, 152b (или второго облучающего элемента 152а, 152b) каждого из наборов 150а, 150b облучателей и передачи сигналов между первыми облучающими элементами 152a (или вторыми облучающими элементами 152а, 152b) и блоком 308 сумматора/делителя. Таким образом, переключатели 310 позволяют одному блоку 308 сумматора/делителя поддерживать несколько облучающих элементов. Устройством 306 сдвига также управляют в это время для обеспечения соответствующего сдвига для выбранного облучающего элемента 152.
[0051] В примерах по фиг. 3 и фиг. 4, грубое наведение луча каждой линзы 112 выполнено схемой линзового набора, выбирающей конкретный облучающий элемент 152 (или местоположение облучателя) в фокальной области каждой линзы 112. Комбинация линзы и облучателя создает относительно широкий луч, совместимый с размером линзы в длинах волн. Направление луча основано на смещении облучающего элемента 152 от номинальной фокусной точки линзы 112. Посредством антенной схемы, объединяющей соответствующие облучающие элементы 152 в каждом линзовом наборе 110 с соответствующими сдвигами по фазе или задержками по времени, получено точное управление направлением луча и высокая направленность благодаря общему размеру апертуры антенной решетки. Точное наведение луча всей антенной решетки достигнуто посредством соответствующих настроек схем задержки по времени или сдвига по фазе в соответствии с критериями, хорошо известными в данной области техники для аналоговых или цифровых компонентов. Например, для цифровых схем задержки по времени или сдвига по фазе выбирают подходящее количество битов с обеспечением заданной точности наведения луча антенной решетки.
[0052] Соответственно, на фиг. 4 показан другой пример, в котором облучающий элемент или множество облучающих элементов, включенных в линзовый набор из фазированной решетки, избирательно активирован на основе положения облучающего элемента относительно линзы линзового набора. Таким образом, луч, создаваемый линзовым набором, может быть отрегулирован без каких-либо подвижных частей и, таким образом, без введения зазоров между определенной линзой и другими линзами антенной решетки, обеспечивающих возможность перемещения линзы.
[0053] На фиг. 5 показано оптимизированное размещение положений фазового центра каждого линзового набора 110 для влияния на симметрию/периодичность антенной решетки 100 и минимизации, тем самым, боковых лепестков. Каждая линза 112 имеет геометрический центр («центроид»), а также фазовый центр. У цилиндрически симметричных линз, хотя фазовый центр не обязательно расположен рядом с осью симметрии для всех углов сканирования, смещение оси симметрии на определенное расстояние и угла в плоскости линзы будет соответствовать смещению на такое же расстояние и изменению угла фазового центра относительно исходной конфигурации. Таким образом, фазовый центр линзы может быть отрегулирован посредством изменения положения оси симметрии линзы относительно центроида линзы. Фазовый центр соответствует местоположению, из которого возникают сферические электромагнитные волны в дальней зоне. Фазовый центр и геометрический центр линзы могут быть независимо управляемы, и фазовый центр, а не геометрический центр каждой линзы 112, определяет степень уменьшения боковых лепестков.
i
i
[0054] Соответственно, происходит возмущение фазового центра 24 каждой линзы 112 оптимизированными расстояниями r и углами поворота α оси симметрии линзы от геометрического центра 20 (т.е., невозмущенного фазового центра), который обычно был бы мозаично размещен по равномерной шестиугольной или прямоугольной сетке. Конкретное оптимизированное расположение оси симметрии линзы может быть определено любым подходящим способом, например, таким как описанный в отмеченной выше ссылке на статью Gregory. Положение оси симметрии линзы определяет фазовый центр. Согласно способам из статьи Gregory, например, выполняемое таким образом небольшое нарушение периодичности антенной решетки подавляет боковые лепестки. Этот подход работает потому, что боковые лепестки возникают вследствие образования периодической структуры, известной как решетка. При устранении периодичности элементов отсутствует регулярная решетчатая структура и боковые лепестки не возникают. Количество линз, форма или граница антенной решетки, количество облучателей или расположение облучателей под линзой не изменяют принципы этой стратегии подавления лепестков.
[0055] На фиг. 6 показан вариант реализации линзовой антенной решетки 100 с относительно небольшим количеством деталей, причем только один на линзу облучающий элемент 152 включен в линзовый набор. В примере, показанном на фиг. 6, каждый облучающий элемент способен к механическому перемещению по короткому диапазону фокусных расстояний в каждой линзе для управления направлением луча. На рис. 6(a) показан вид сбоку линзовой антенной решетки 100, а на фиг. 6(b) показан вид сверху линзовой антенной решетки 100. Предусмотрена система позиционирования, содержащая опору 170 облучателя и одно или более исполнительных устройств. Опора 170 облучателя может представлять собой плоскую пластину или тому подобное, которая имеет такую же или другую форму, что и корпус 200, и меньше корпуса 200, так что она способна выполнять перемещение в направлениях X и Y и/или выполнять поворот внутри корпуса 200. Линзовые наборы 110 расположены над объединенной опорой 170 облучателя, так что узел облучателя (т.е. опора 170 облучателя и облучающие элементы 152) способен выполнять перемещение независимо от линз 112. В этом варианте реализации опора 170 облучателя не соединена непосредственно с прокладкой 114 линзы или линзами 112, но только смежна или контактирует с ними. Набор облучающих элементов 152, установленных на опоре 170 облучателя, выполняет перемещение относительно линз для грубого сканирования луча, а облучатели смещены по фазе/задержаны по времени для получения полного усиления антенной решетки и точного наведения. В показанном неограничивающем варианте реализации первое линейное исполнительное устройство 172 соединено с опорой 170 для перемещения опоры 170 в первом линейном направлении, например, в направлении X, и второе линейное исполнительное устройство 174 соединено с опорой 170 для перемещения опоры 170 во втором линейном направлении, например, в направлении Y, относительно неподвижных линз. Могут быть предусмотрены другие исполнительные механизмы для перемещения опоры 170 вверх/вниз (например, на фиг. 6 (а)) относительно линз 112, поворота опоры 170 или наклона опоры 170.
[0056] Кроме того, может быть предусмотрен контроллер для управления исполнительными механизмами 172, 174 и перемещения облучающих элементов 152 в желательное положение относительно линз 112. Хотя опора 170 показана в виде одной платы, она может представлять собой несколько плат, все из которых соединены с общими исполнительными механизмами, которые должны выполнять перемещение одновременно, или с отдельными исполнительными механизмами, так что обеспечена возможность независимого управления отдельными платами и линзовыми наборами 110. Соответственно, на фиг. 6 показан пример, в котором активный облучающий элемент, включенный в линзовый набор из линзовой антенной решептки, выполняет перемещение относительно линзы из линзового набора без перемещения линзы. Таким образом, луч, создаваемый линзовым набором, может быть отрегулирован без перемещения линзы и введения зазоров между определенной линзой и другими линзами фазированной решетки.
[0057] На фиг. 7 показаны характерные принципиальные схемы одновременной передачи (Тх) и приема (Rx) в одной и той же апертуре, включая управление углом наклона двойной линейной поляризации, что необходимо для геостационарных приложений Satcom в диапазоне частот Ки. Показанные внизу схемы сдвига луча по фазе могут быть воспроизведены для каждого независимого одновременного луча. На фиг. 7 показаны независимые пути прохождения сигнала в схеме 304 линзового набора и отдельных устройствах 306 сдвига для операции приема и передачи системы. Хотя это не проиллюстрировано, операции приема и передачи могут дополнительно иметь отдельные соответствующие блоки 308 сумматоров/делителей. В проиллюстрированном примере детектор 304 в каждом облучающем элементе 152 содержит отдельные диплексеры 702 и 704 для портов облучателя с горизонтальной и вертикальной поляризацией детектора 304 для разделения мощных излучаемых и маломощных принимаемых сигналов. Принимаемый сигнал проходит от диплексеров 702 и 704 к малошумящему усилителю 706, 706, схеме 710, 712 наклона поляризации, дополнительному усилителю 714 и переключателю 716 выбора облучателя до достижения устройства 306 сдвига. Излучаемый сигнал от устройства 306 сдвига проходит через переключатель 716, усилитель 714, схему 712, 710 наклона поляризации и усилитель 708, 706 конечной мощности перед подачей в два диплексера 702 и 704 соответственно.
[0058] На фиг. 8 показана характерная принципиальная схема линзовой антенной решетки из двух круговых поляризованных элементов, которые могут быть использованы для коммерческих частот Satcom в K/Kа-диапазоне. На фиг. 8 показана схема, аналогичная фиг.7, за исключением изменения в работе схем 710, 712 поляризации. Для работы в диапазоне частот К/Ка Satcom необходима круговая поляризация, а не наклонная линейная поляризация, необходимая для работы Satcom в диапазоне Ки. Сигналы с правой круговой поляризацией или левой круговой поляризацией могут быть достигнуты простым переключателем 804 для управления приемным каналом и переключателем 806 для управления передающим каналом, причем их порт возбужден в схеме кругового поляризатора или волноводной составляющей по сравнению со схемами 710 и 712 сложения комплексной амплитуды и фазового вектора для получения линейного поляризованного сигнала с произвольным углом наклона. Остальные аспекты схемы выполнены такими же, как на фиг. 7. Варианты этой схемы могут быть понятны специалистам в данной области техники. Например, питание двух компонентов облучателя с ортогональной линейной поляризацией с использованием гибридного ответвителя или встроенного волноводного поляризатора и преобразователя ортогональной моды (ОМТ) способно обеспечить одновременную двойную поляризацию вместо переключаемой поляризации.
[0059] На фиг. 9 показана характерная схема линзового набора для применений, предназначенных только для приема и только для передачи. На фиг. 9(a) показана антенна, предназначенная только для приема, а на фиг. 9(b) показана антенна, предназначенная только для передачи. Приемный и передающий диплексеры 702 и 704 не нужны для антенны, предназначенной только для приема или только для передачи, поскольку сигналы приема и передачи не подключены к одному и тому же облучающему элементу и не должны быть разделены. Остальные аспекты фиг. 9(a) и фиг. 9(b) практически такие же, как на фиг. 7-8.
[0060] На фиг. 10 показано дополнительное упрощение и уменьшение количества деталей посредством введения многопортовых коммутаторов 1002 с низкими потерями для выбора подходящего облучающего элемента. Использование многопортовых коммутаторов с низкими потерями обеспечивает возможность нескольким облучающим элементам совместно использовать один набор усилителей мощности, усилителей с низким уровнем шума, устройств сдвига по фазе и других схем облучателей. Таким образом, количество требуемых компонентов схемы уменьшено при сохранении того же количества облучающих элементов за линзой. Коммутационная решетка увеличенного размера обеспечивает возможность большему количеству облучающих элементов совместно использовать одну и ту же схему облучателя, но также увеличивает вносимые потери системы, повышает шумовую температуру приемника и снижает производительность терминала. Баланс между дополнительными потерями, вносимыми дополнительным уровнем переключения, который обычно (хотя и не обязательно) выполнен как переключатель «два к одному», должен быть уравновешен затратами и площадью схемы дополнительных схем приема и передачи, необходимых при его отсутствии.
[0061] На фиг. 11 показана упрощенная схема формирования цифрового луча (DBF). Детектор 304 подключен к понижающему частоту преобразователю 1102. Аналого-цифровой преобразователь (ADC) 1110 подключен к понижающему частоту преобразователю 1102. Детектор 304 передает сигнал, принятый через антенну 302, на понижающий частоту преобразователь 1102, который преобразует сигнал с понижением частоты. Понижающий частоту преобразователь 1102 передает принятый и преобразованный с понижением частоты сигнал в аналого-цифровой преобразователь 1106. Аналого-цифровой преобразователь 1106 оцифровывает принятый сигнал и формирует луч в цифровой области с устранением тем самым необходимости в аналоговых радиочастотных устройствах с фазовой задержкой или задержкой по времени (т.е., не нужно устройство 306 сдвига по фиг. 2-3). Затем происходит передача оцифрованного сигнала в приемный цифровой процессор 1110 для обработки сигнала.
[0062] Соответствующая последовательность операций происходит при передаче сигнала антенной решеткой. Передающий цифровой процессор 1112 отправляет сигнал для передачи в цифроаналоговый преобразователь (DAC) 1108. Цифроаналоговый преобразователь 1108 преобразует низкочастотные биты (или, возможно, биты в основной полосе частот) в аналоговую промежуточную частоту (IF) и подключен к преобразователю 1104 частоты. Преобразователь 1104 частоты преобразует с повышением частоты сигнал из цифроаналогового преобразователя 1108 в радиочастотный диапазон, усиливает сигнал для передачи и отправляет сигналы на облучающие элементы с соответствующей фазой (например, выбранной цифровым процессором 1112 передачи) для формирования луча в необходимом направлении. Многие вариации, очевидные для специалистов в данной области техники, могут быть использованы при сохранении уникальных признаков изобретения.
[0063] На фиг. 12 показан упрощенный функциональный набор подсистем, которые позволяют встроить антенну линзовой антенной решетки в полнофункциональный терминал слежения для спутникового устройства связи Satcom в движении или для отслеживания негеостационарных спутников. Здесь система 1200 содержит устройство 1202 обработки, такое как центральный процессор (CPU), радиомаяк или приемник 1206, радиочастотную подсистему 1204, интерфейс 1208 преобразователя частоты и модема, подсистему 1210 электропитания, внешний интерфейс 1212 электропитания, пользовательский интерфейс 1214 и другие подсистемы 1216. Антенная решетка радиочастотной подсистемы 1204 может содержать любую из схем антенной решетки и облучателя по фиг. 1-11, как указано в настоящем описании. Устройство 1202 обработки, радиомаяк или приемник 1206 слежения, интерфейс 1208 модема, подсистема 1210 электропитания, внешний интерфейс 1212 электропитания, пользовательский интерфейс 1214 и другие подсистемы 1216 реализованы, как в любом стандартном терминале Satcom, с использованием аналогичных интерфейсов и подключений к радиочастотной подсистеме 1204, как было бы использовано другими вариантами реализаций радиочастотной подсистемы, такими как антенна с карданно подвешенным рефлектором или обычная фазированная антенная решетка. Как показано, все компоненты 1202-1214 способны выполнять связь друг с другом либо напрямую, либо через устройство 1202 обработки. Соответственно, фиг. 12 иллюстрирует один контекст, в котором могут быть интегрированы описанные здесь антенные системы с множеством лучевых фазированных решеток.
[0064] На фиг. 13 показано использование нескольких терминалов основанных на линзах антенн в наземном контексте. На основе динамических условий в режиме реального времени и требований к связи терминалы могут перенаправлять свои лучи для установления одновременной связи с несколькими целями с образованием ячеистой или самовосстанавливающейся сети. В такой сети несколько антенных терминалов 100а-с, расположенных в местоположениях 1302, 1304 и 1306, которые могут быть зданиями, башнями, горами или другими местами установки, могут динамически устанавливать линии 1310, 1312 и 1314 связи типа «точка-точка» с высокой направленностью, показанных в виде широких двунаправленных стрелок между собой в ответ на запросы связи или изменение условий окружающей среды. Например, при выполнении антеннами 100а и 100b связи по линии 1310 и разрыве этой линии связи, тракт связи может быть преобразован с использованием линий 1312 и 1314 с использованием антенн 100-b и 100-с. Это обеспечивает возможность использования высоконаправленных антенн в ячеистой сети, что улучшает отношение сигнал/шум, уровни мощности, дальность связи, энергопотребление, пропускную способность и безопасность связи по сравнению с ячеистой сетью, состоящей из обычных всенаправленных элементов.
[0065] Преимущества изобретения
[0066] Диаграмма направленности встроенного элемента представляет собой диаграмму направленности, создаваемую отдельным элементом в фазированной решетке при наличии других элементов фазированной решетки. Вследствие взаимодействий между элементами (например, взаимного влияния) эта диаграмма направленности встроенного элемента отлична от диаграммы направленности, которую элемент имел бы при его изоляции или независимости от других элементов. При известной диаграмме (диаграммах) направленности излучения одним или более встроенными элементами фазированной решетки, диаграмма направленности излучения решетки в целом может быть вычислена (например, с использованием умножения диаграмм направленности). В обычных фазированных решетках диаграмма направленности элемента имеет фиксированное направление луча. Фазированная решетка в соответствии с настоящим раскрытием содержит элементы (например, линзы, апертурные антенны), которые могут иметь управляемые диаграммы направленности.
[0067] Линзовая антенная решетка 100 содержит элементы, которые выполнены электрически большими по сравнению с полуволновыми элементами, используемыми в обычных фазированных решетках, причем они реализованы таким образом, что диаграмма направленности каждого элемента может быть направлена в точку в широком диапазоне в направлении требуемого сканирование луча. Диаграмма направленности встроенного элемента и направление луча от каждой линзы 112 (например, элемента антенной решетки) линзовой антенной решетки 100 определены местоположением соответствующего активного облучающего элемента 152 относительно фокальной точки линзы 112. Соответственно, антенная решетка 100 имеет гибко управляемую диаграмму направленности.
[0068] В антенной решетке 100 можно использовать линзы любого типа, такие как однородная диэлектрическая линза, неоднородная диэлектрическая линза с градиентным индексом, линза, состоящая из метаматериальных или искусственных диэлектрических структур, по существу плоская линза, построенная с использованием одного или более слоев метаповерхности или дифракционной решетки, сплюснутые линзы, такие как линзы Френеля, гибридные линзы, сконструированные из комбинаций метаматериала и обычных диэлектриков, или любое другое пропускающее устройство, которое действует как линза для коллимации или фокусировки радиочастотной энергии в фокус или точку. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения перемещение местоположения активного облучающего элемента 152 достигнуто без перемещения частей при использовании кластера из нескольких независимо возбужденных облучающих элементов 152, который сканируют посредством изменения того, какой из облучающих элементов 152 возбужден, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 3 и 4. Альтернативно, тот же эффект может быть достигнут посредством лишь одного облучающего элемента 152, размещенного за каждой линзой 112, при использовании исполнительного устройства 172 и/или 174 для перемещения облучающего элемента 152 относительно линзы 112 и, таким образом, изменения направления луча диаграммы направленности элемента, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 6. Каждая линза 112 может иметь независимую пару исполнительных механизмов 172, 174, или одна пара исполнительных механизмов может перемещать облучатели всех линз вместе.
[0069] Таким образом, использование линз относительно большого электрического размера в качестве элементов фазированной решетки обеспечивает фазированной решетке возможность иметь перестраиваемые или сканируемые диаграммы направленности элементов. Кроме того, использование линз в качестве элементов фазированной решетки обеспечивает возможность покрыть всю апертуру антенной решетки излучающими субапертурами (например, линзами). Это может увеличить эффективность апертуры и усиления антенной решетки.
[0070] Другое преимущество использования линз с управляемыми лучами в качестве элементов фазированной решетки состоит в том, что фазированная решетка, содержащая линзы в качестве элементов, может содержать меньше электрических и радиочастотных компонентов по сравнению с обычной фазированной решеткой. В показанном примере фазированная решетка 100 содержит 19 линзовых наборов 110 (т.е. элементов), каждый из которых имеет диаметр 13 см и расположен в виде гексагональной мозаичной структуры для эффективного заполнения общей апертуры, которая приблизительно эквивалентна по производительности фазированной антенной решетке диаметром 65 см. Область за каждой линзой 112 может быть только частично покрыта или заполнена облучающими элементами 152, тогда как в обычной фазированной решетке вся поверхность отверстия фазированной решетки может быть покрыта облучающими элементами. Кроме того, облучающие элементы 152 могут быть не столь плотно упакованы, чем в обычной фазированной решетке (например, полуволновой решетке). Соответственно, фазированная решетка 110 может содержать меньше облучающих элементов по сравнению с обычной фазированной решеткой. Поскольку каждый облучающий элемент в обычной или основанной на линзах фазированной решетке содержит соответствующие схемы (например, детектор 304), уменьшение количества облучающих элементов может уменьшить число схем, включенных в фазированную решетку 100. Кроме того, поскольку только один облучающий элемент 152 способен быть одновременно активным для каждой линзы 112 для генерации луча, в некоторых вариантах реализации схемы линзовой антенной решетки 100, такие устройства, как устройство 306 сдвига, могут быть совместно использованы несколькими облучающими элементами 152, как описано со ссылкой на фиг. 4. Соответственно, линзовая антенная решетка 100 может содержать еще более уменьшенное количество схем. В одном примере 4000 устройств сдвига, необходимых для обычной фазированной решетки из 4000 элементов, могут быть заменены всего лишь 19 устройствами 306 сдвига в предпочтительном варианте реализации (т.е., по одному устройству для каждой из линз 112). Таким образом, в этом примере фазированная решетка 110 может иметь меньше электрических и радиочастотных компонентов по сравнению с обычной фазированной решеткой с обычными полуволновыми облучающими элементами.
[0071] Кроме того, линзовая антенная решетка 100 может потреблять меньше энергии по сравнению с обычной фазированной решеткой. В иллюстративном примере линзовая антенная решетка 100 работает при мощности передачи радиочастотного излучения в 40 Вт (46 дБм). Общая передаваемая мощность распределена по линзовым наборам 110 линзовой антенной решетки 100 (т.е., элементам фазированной решетки), причем в каждом из линзовых наборов 110 активирован один облучающий элемент 152 для создания одного луча. Как описано выше, один вариант реализации линзовой антенной решетки 100 содержит 19 линзовых наборов 110. По этой причине необходимо, чтобы каждый облучающий элемент 152 обрабатывал около 1/19 от общей мощности 40 Вт (т.е. чуть более 2 Вт или 33 дБм). Неиспользуемые облучающие элементы 152 в каждом из линзовых наборов 110 могут быть отключены, и нет необходимости применять какую-либо статическую мощность постоянного тока ни для схемы приема, ни для схемы передачи. Соответственно, линзовая антенная решетка 100 способна потреблять меньше энергии по сравнению с обычной фазированной решеткой, в которой активирован каждый облучающий элемент. В одном примере линзовой антенной решетки 100 каждый из линзовых наборов 110 содержит от 20 до 60 независимых облучающих элементов 152 позади линзы 112. Можно ожидать, что реализация предназначенной только для приема линзовой антенной решетки 100 потребляет менее 10% от мощности постоянного тока, потребляемой эквивалентной предназначенной только для приема обычной апертурой фазированной решетки.
[0072] Система формирования луча для линзовой антенной решетки 100 способна содержать переключатели 1002 и 716 облучающего элемента 152, устройства 306 сдвига, сумматоры/делители 308, устройство 1202 обработки или их комбинацию. Для генерации луча в желательном направлении устройство 1202 обработки выбирает позиции активного облучающего элемента для каждого линзового набора 110 и вычисляет соответствующую фазу или временную задержку для каждого линзового набора 110. Временная/фазовая задержка и комбинация/деление мощности могут быть выполнены до или после шага преобразования частоты вверх/вниз в радиочастотной, промежуточной или основной полосе частот. Устройство 1202 обработки устанавливает позиции активных облучающих элементов, посылая управляющие сигналы для активирования одного из облучающих элементов 152 для каждого из линзовых наборов 110, или отправляя сигналы управления для регулирования положений облучающих элементов 152, используя один или более исполнительных механизмов 172, 174. Устройство 1202 обработки дополнительно отправляет один или более управляющих сигналов одному или более из переключателей 1002, 716, переключателей 306, блоков 308 сумматора/делителя 308 или их комбинации для установки временной/фазовой задержки и комбинации/деления мощности для каждого линзового набора 110.
[0073] Хотя градиентные линзы представляют собой предпочтительный вариант реализации для многих применений, линзы 112 не обязательно должны быть выполнены градиентными. Например, в приложениях, которые имеют дело с ограниченным сектором обзора или ограниченной полосой пропускания, могут быть достаточными однородные линзы меньшего размера. Кроме того, в некоторых случаях оптимальными могут быть линзы из метаматериала или плоские линзы, состоящие из метаповерхностей или искусственных диэлектриков. Как правило, неоднородные линзы, сконструированные в соответствии со способом оптимизации согласно заявке США №62/438181, будут обеспечивать лучшую диаграмму направленности в любом заданном диапазоне управления или сканирования лучом (особенно, при увеличении угла сканирования выше 45 градусов), и более короткие фокусные расстояния, чем у однородных линз, и обеспечат лучшие частотные характеристики широкополосной связи, чем линзы на основе метаматериала или метаповерхности.
[0074] Антенны спутниковой связи должны ограничивать свои огибающие спектральной плотности мощности боковых лепестков (PSD) для соответствия стандартам Федеральной комиссии связи (FCC) и Международного союза электросвязи (ITU). Это требует тщательного контроля боковых лепестков. Однако, для описанных здесь линзовых антенных решеток из линз с электрически большими линзовыми наборами 110 боковые лепестки возникают, когда энергия боковых лепестков от всех линзовых наборов 110 с увеличением сложена в нежелательном направлении. Однако высокая направленность диаграмм направленности линзовых наборов 110 может уменьшить многие эффекты боковых лепестков, поскольку направленность диаграмм направленности линзы, умноженная на множитель антенной решетки, быстро падает в отличие от отклика обычной антенной решетки.
[0075] Обычно использование элемента (например, линзы) антенной решетки с высокой направленностью для смягчения эффекта боковых лепестков приводит к очень узкому диапазону сканирования в пределах угловой ширины диаграммы направленности антенной решетки. Однако, обеспечение возможности самим линзовым наборам 110 сканировать их диаграммы направленности встроенных элементов в требуемом секторе обзора сохраняет как характеристики сканирования, так и профиль диаграммы направленности исходной антенны. Дополнительное подавление боковых лепестков может быть достигнуто посредством возмущения местоположения фазовых центров для нарушения симметрии регулярной сетки линзовых наборов 110, как описано со ссылкой на фиг. 5.
[0076] Нарушение симметрии (периодичности) положений линзовых наборов 110 в двух или трех измерениях уменьшает степень, в которой энергия будет интерферировать с усилением в любом направлении. Кроме того, расположение фазовых центров линзовых наборов 110 может быть организовано на неоднородной апериодической сетке для минимизации влияния боковых лепестков. Физические расположения фазовых центров в одном, двух или трех измерениях рандомизированы и/или оптимизированы для минимизации боковых лепестков и улучшения диаграммы направленности. Фазовые центры могут быть выбраны стохастическим устройством оптимизации произвольным или псевдоупорядоченным образом как часть процесса проектирования терминала. Линзовые наборы 110 сконструированы таким образом, что их физический центр и фазовый центр (обычно совпадающие с осью симметрии внутри линзы) пространственно разделены, причем каждая линза в линзовом наборе 100 может иметь различное смещение между фазой и физическим центром, как описано со ссылкой на фиг. 5.
[0077] Многие варианты способов оптимизации могут быть использованы для уменьшения боковых лепестков. В качестве примера, положение (х, у) оси симметрии каждой линзы 112 относительно геометрического центра линзового набора 110, при его правильном расположении в периодически-мозаичной фазированной решетке 100, закодировано как постоянная в шестиугольной или прямоугольной решетке с переменным смещением. Смещение может быть закодировано в виде двух переменных для декартовой, цилиндрической или некоторой другой удобной системы координат. Алгоритм стохастической оптимизации (например, генетический алгоритм, рой частиц или эволюционная стратегия адаптации матрицы ковариации) в сочетании с программой из программного обеспечения для прогнозирования фактора антенной решетки и результирующей диаграммы направленности антенной решетки из комбинации диаграмм направленности встроенных линз и местоположений линзового набора 110 были затем использованы для выбора конкретных параметризованных смещений для фазового центра каждого элемента линзы 112, что управляемо осью симметрии каждого элемента линзы 112.
Ось симметрии и, таким образом, положения фазовых центров фиксированы при изготовлении антенной решетки и не претерпевают изменение во время работы. Небольшое смещение оси симметрии относительно геометрического центра линзы вносит лишь небольшую разницу в угол грубого наведения луча между соседними линзовыми наборами 112 (что можно исправить посредством соответствующих небольших изменений в расположении решетки 150 облучателей под линзовым набором 112), и одинаковые облучающие элементы 152 могут быть выбраны между смежными линзовыми наборами 112 для направления луча грубого наведения в желательном направлении для всей антенной решетки. Во всех этих случаях не происходит изменения пространства, занимаемого линзовыми наборами 112, но расположение их оси симметрии действительно претерпевает изменение для управления фазовым центром. Как указано в настоящем описании, линзовая антенная решетка 100 может смещать фазовый центр линзы 112 без изменения геометрического центра (центроида) линзового набора 110 или введения промежутков в апертуру линзовой антенной решетки 100 (например, с использованием исполнительного механизма (испольнительных механизмов) 172, 174).
[0078] Устройство оптимизации способно минимизировать боковые лепестки посредством лишь фактора антенной решетки или может применять диаграммы направленности встроенного элемента (например, линзового набора) к фактору антенной решетки и непосредственно оптимизировать боковые лепестки диаграммы направленности. Непосредственное рассмотрение диаграммы направленности антенной решетки требует более сложных многоцелевых оптимизационных стратегий. Гибридный подход включает построение маски наихудшего случая, которой должен удовлетворять фактор антенной решетки для гарантии, что боковые лепестки будут удовлетворять регулирующим маскам на всех углах и частотах.
[0079] Размер линзы 112 представляет собой компромисс между ценой и производительностью и сложностью. Увеличение размера отдельной линзы 112 уменьшает количество элементов в фазированной решетке, упрощая, таким образом, схему, но также увеличивает расстояние между линзовыми наборами 110, сложность проблемы с лепестками решетки, а также стоимость и сложность каждого отдельного облучающего элемента. Уменьшение размера отдельных элементов увеличивает число линзовых наборов 110, но уменьшает размер боковых лепестков, а также стоимость и сложность каждого облучающего элемента 152 и линзового набора 110.
[0080] Использование элементов (например, линзовых наборов) фазированной решетки с большим электрическим размером и индивидуально электрически сканированными диаграммами направленности может быть целесообразным, если элемент имеет намного меньшую стоимость для данного размера апертуры по сравнению со стоимостью обычных элементов фазированной решетки, которые в противном случае заполняли бы эту область и давали бы аналогичные характеристики антенного терминала. Для сканирующей линзовой антенны с переключаемым облучателем стоимость самой линзы относительно невелика, а стоимость антенной решетки может быть пропорциональна количеству облучающих элементов и их схеме.
[0081] В некоторых примерах фазированной решетки 100 только часть (25-50%) области позади линзы 112 в каждом линзовом наборе 110 заполнена облучающими элементами 152, и облучающие элементы 152 могут быть отделены друг от друга более чем половиной длины волны. По этой причине при рассмотрении заданной площади апертуры, которая может быть покрыта линзовым набором 110, стоимость линзового набора 110 может быть намного меньше по сравнению с эквивалентной фазированной решеткой, которая содержит относительно больше облучающих элементов.
[0082] Каждый облучающий элемент 152 позади заданной линзы 112 связан с конкретным набором схем в зависимости от применения антенной решетки в целом. В качестве простейшего случая взята схема с одной поляризацией только для приема или только для передачи. Схема с управляемой поляризацией для работы в Satcom с наклонной горизонтальной/вертикальной поляризацией в полосе частот Ки, или круговой поляризатор для Satcom в полосе частот K/Kа вместе с облучающей антенной 152 с двойной поляризацией могут быть использованы для поддержки мобильной или независимой от поляризации работы.
[0083] Комбинированная работа приема/передачи в одном терминале может быть выполнена с активным переключателем «передача/прием» для диплексной связи с временным разделением или с использованием элемента схемы диплексера для диплексной работы с частотным разделением, как описано со ссылкой на фиг. 7, 8 и 10. Элемент диплексера увеличивает стоимость и сложность каждого элемента, но существует значительное преимущество использования только одной объединенной апертуры приема/передачи, а не двух отдельных апертур.
[0084] Линзовая антенная решетка 100 может содержать одно устройство 306 сдвига в каждом линзовом наборе 110 для каждого поддерживаемого одновременного луча, а не по одному для каждого облучающего элемента, как это нужно в обычной фазированной решетке, как описано со ссылкой на фиг. 4. В некоторых примерах, в которых многопортовые переключатели 1002 с низкими потерями соответствуют переключателю N:1 с низкими потерями, в каждый линзовый набор 110 включен один детектор 304, и происходит переключение подачи мощности между набором всех облучающих элементов 152. позади линзы 112 с использованием многопортовых переключателей 1002 с низкими потерями. Существует компромисс между приемлемыми потерями при переключении и количеством детекторов 304 для каждой линзы для максимизации производительности при минимизации затрат. Производительность, доступность и относительная стоимость коммутационной схемы 1002 и детектора 304 диктует соответствующее количество облучающих элементов, подлежащих переключению в один детектор 304 для данного применения.
[0085] Из-за относительно большого расстояния между элементами линзовых наборов 110 и относительно небольшого количества линзовых наборов 110 в линзовой антенной решетке 100, устройства 306 сдвига могут иметь относительно более высокую дискретизацию по сравнению с таковыми для стандартной фазированной антенной решетки. Например, устройства 306 сдвига могут соответствовать 8-битным или содержащим большее количество бит устройствам задержки по времени, а не 4-х или 6-битным устройствам задержки по времени в обычной фазированной антенной решетке. Однако из-за относительно небольшого количества линзовых наборов 110 и соответствующих устройств 306 сдвига по фазе/задержки по времени в фазированной антенной решетке 100 дополнительное разрешение в устройствах 306 сдвига может не приводить к значительным затратам.
[0086] В отличие от других фазированных решеток с большими элементами, таких как Очень Большая Антенная решетка Нейпира (27 карданно подвешенных отражательных антенн диаметром 25 м каждая), предлагаемая здесь линзовая антенная решетка 100 из линзовых наборов 110 может поддерживать несколько одновременных лучей почти произвольных направлений в секторе обзора. Это реализовано посредством возбуждения двух или более отдельных облучающих элементов 152 за каждой линзой 112 отдельным входным сигналом и смещением по времени, уникальным для каждого линзового набора 110. Поскольку каждый облучающий элемент 152 одной линзы 112 будет излучать независимый луч, антенная решетка из линзовых наборов 110 способна генерировать независимые остронаправленные лучи.
[0087] В отличие от обычных фазированных решеток описанная в настоящем документе линзовая антенная решетка 100 из линз 112 способна поддерживать несколько лучей с минимумом добавленных схем, в то время как обычная (аналоговая) фазированная решетка будет повторять всю сеть облучателей для каждого луча. Поскольку для создания одного луча активирован только один облучающий элемент 152 и одно устройство 306 сдвига по фазе, два независимых луча могут быть включены посредством добавления одного слоя дополнительных переключателей и одного дополнительного устройство 306 сдвига по фазе 306 к каждому линзовому набору 110.
[0088] Линзовая антенная решетка 100 описана как наземный терминал для спутниковой связи и может быть использована как для стационарных, так и для мобильных наземных терминалов. В этом режиме связи потенциальные установки и приложения могут включать школы, дома, предприятия или неправительственные организации, частные или общественные беспилотники, беспилотные воздушные системы (UAS), военные, гражданские, пассажирские или грузовые воздушные суда, пассажирские, досуговые или другие морские и наземные транспортные средства, такие как автобусы, поезда и автомобили. Описанная линзовая антенная решетка 100 также может быть использована для космического сегмента системы спутниковой связи в качестве антенны на спутнике для образования множества точечных лучей и/или профилированных лучей, для динамически реконфигурируемых наземных микроволновых линий связи типа «точка-точка», базовых станций сотовой связи (такие как 5G), и для любого другого приложения, которое требует динамического многократного формирования луча или получает преимущества от него.
[0089] Терминалы антенны с линзовой решеткой могут быть использованы для стационарных или мобильных приложений, в которых угловой сектор обзора требует формирования одного или более лучей в относительно широких пространственных углах. Например, для терминала Satcom на борту воздушного судна желательно, чтобы диапазон углов составлял не менее 60 градусов и даже 70 градусов или более для обеспечения связи антенны с геостационарными спутниками в различных местах на орбите относительно воздушного судна. Для негеостационарных спутниковых систем луч или лучи должны иметь возможность отслеживать спутники при их прохождении вверху, независимо от того, размещен ли терминал неподвижным, например на вершине здания или на башне, или мобильно, например, на транспортном средстве. В обоих случаях диапазон углов зависит от количества и местоположения спутников и минимально допустимого угла места от терминала к спутнику. Поэтому антенные системы обычно должны иметь широкий сектор обзора или диапазон углов направления луча.
[0090] Кроме того, следует отметить, что в настоящем описании использовано несколько геометрических или относительных терминов, таких как тонкий, шестиугольный, полусферический и ортогональный. Кроме того, в описании использовано несколько терминов направления или позиционирования и т.п., таких как «ниже». Эти термины предназначены только для удобства и облегчения описания на основе вариантов реализации, показанных на чертежах. Эти термины не предназначены для ограничения изобретения. Таким образом, следует признать, что настоящее изобретение может быть описано другими способами без этих геометрических, относительных терминов и терминов направления или позиционирования. Кроме того, геометрические или относительные термины могут быть неточными, например, из-за допусков, присутствующих при изготовлении, и т.д. Другие подходящие геометрии и соотношения могут быть предоставлены без отклонения от сущности и объема изобретения.
[0091] Как описано и показано, система и способ по настоящему изобретению включают работу с одной или более схемами и/или устройствами обработки, включая центральный процессор 1202 и процессоры 1110, 1112. Например, система может содержать схему линзового набора и/или устройство 150 обработки для регулирования встроенных диаграмм направленности линзовых наборов, например, содержать компоненты 304 и связанные схемы управления; и антенную схему и/или устройство обработки для регулирования диаграммы направленности антенны, которая может принимать форму схемы формирования луча и/или устройства обработки, такой как 306 и 308, или их цифровых альтернатив, как в 1102, 1104, 1106, 1108, 1110 и 1112, причем схема антенны может содержать дополнительные компоненты, такие как 1202, 1206 и 1208. Следует отметить, что устройством обработки может быть любое подходящее устройство, такое как микросхема, компьютер, сервер, мэйнфрейм, процессор, микропроцессор, персональный компьютер, планшет, смартфон или тому подобное. Устройства обработки могут быть использованы в сочетании с другими подходящими компонентами, такими как устройство отображения (монитор, светодиодный экран, цифровой экран и т.д.), устройство памяти или хранения, устройство ввода (сенсорный экран, клавиатура, указательное устройство, например мышь), беспроводной модуль (для радиочастоты, Bluetooth, инфракрасного порта, Wi-Fi и т.д.). Информация может быть сохранена на жестком диске компьютера, на диске CD-ROM или на любом другом подходящем устройстве хранения данных, которое может быть расположено в устройстве обработки или в связи с ним. Вся последовательность операций выполнена автоматически устройством обработки и без какого-либо ручного вмешательства. Соответственно, если не указано иное, последовательность операций может быть выполнена по существу в режиме реального времени без каких-либо задержек или ручного действия.
[0092] Система и способ по настоящему изобретению реализованы посредством компьютерного программного обеспечения, которое разрешает доступ к данным из электронного источника информации. В соответствии с настоящим изобретением программное обеспечение и информация могут находиться в одном отдельно размещенном устройстве обработки или в центральном устройстве обработки, объединенном в сеть с группой других устройств обработки. Информация может быть сохранена на чипе, жестком диске компьютера, на диске CD-ROM или на любом другом подходящем устройстве хранения данных.
[0093] В рамках данного описания термины «по существу» и «относительно» означают плюс или минус 20%, более предпочтительно плюс или минус 10%, еще более предпочтительно плюс или минус 5%, наиболее предпочтительно плюс или минус 2%. Кроме того, хотя в определенных вариантах реализации изобретения могут быть предусмотрены конкретные размеры и формы, они просто иллюстрируют объем изобретения и не ограничивают его. Таким образом, можно использовать другие размеры и/или формы, не выходя за пределы сущности и объема изобретения. Каждый из описанных выше взятых в качестве примера вариантов реализации может быть реализован отдельно, или в сочетании с другими взятыми в качестве примера вариантами реализации.
[0094] Вышеприведенное описание и чертежи следует рассматривать лишь как иллюстрирующие принципы настоящего изобретения. Изобретение может быть выполнено в различных формах и размерах и не предназначено для ограничения предпочтительным вариантом реализации. Специалистам в данной области техники будут легко доступны многочисленные применения изобретения. Таким образом, нежелательно ограничивать настоящее изобретение конкретными раскрытыми примерами или показанными и описанными точной конструкцией и работой. Скорее, ко всем подходящим модификациям и эквивалентам можно прибегать, попадая в объем изобретения.