CN101288204B - 在轨道中具有成形反射镜和高可重配置性的阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有反射镜(AR)的网络天线，包括i)至少两个源(S1-S5)的网络(RS)，其中一个为中央源(S1)，安排和定位中央源从而发送和/或接收选定方向的电磁波束(F1-F5)，ii)束形成装置用于通过应用于它们的访问上的振幅/相位定律的方式，控制每一个所述源的振幅和相位，以提供适当的放大等级，从而使每一个源(S1-S5)传输选定的辐射模式(该辐射模式形成束以及包括主波瓣)，目的是覆盖选定区域(Z1-Z5)，以及iii)至少一个具有表面(SU)的反射镜(RC)，该表面能够反射由源传输或者供源使用的束，并被三维配置，从而通过传播它的能量来反射每一个源(S1-S5)传输的束，从而覆盖选定的相关区域，与中央源(S1)相关联的辐射模式的主波瓣，确定主要覆盖(CP)，该主要覆盖完整地包括天线的、选定形状和尺寸的每一个主动的覆盖区域(ZC1，ZC2)，以及与非中央源(S2-S5)相关联的辐射模式的主波瓣至少部分与主要覆盖(CP)重叠。

Description

在轨道中具有成形反射镜和高可重配置性的阵列天线

技术领域

本发明涉及具有反射镜、飞船装载(on board)的卫星以及旨在发送和/或接收电磁波束的阵列天线。

背景技术

术语“具有反射镜的阵列天线”在这里应当理解为包括一套定义阵列的馈体(feeds)(或辐射元件)，以及一个或多个反射镜的天线。

上述具有反射镜的阵列天线由于可以形成和定位一个或多个辐射到一个或多个给定的覆盖(coverage)的束，因而具有特别的意义。该束的形成是通过在该馈体上控制振幅和/或相位而进行的。

修改轨道上的覆盖的位置和形状的性能(双重可重配置性)具有特别的意义，特别是考虑到通信量(traffic)的变化，接管故障卫星，或者改变具有跨越给定区域的链接预算(link budget)的保留(retention)的轨道弧上的位置。为了允许双重可重配置性，通常使用下面描述的三种方案。

第一种方案包括使用具有直接辐射(或称DRA)的主动阵列天线，换言之是一种没有反射镜的天线。该类型的阵列天线提供很好的双重可重配置性的性能，但是需要大量的控制器(control)，这通常使其在造价和重量上过高。此外，与每个DRA控制器相关联的放大器的低效率，通常在传输中导致很高的浪费。

第二种方案包括使用非成形抛物面反射镜的焦平面或者焦平面附近的馈体阵列(或称FAFR)。该方案特别在第4,965,587号美国专利文件中描述。为了覆盖给定区域，以馈体阵列的每一个馈体贡献给全部覆盖的一部分的方式，馈体阵列形成所需尺寸。馈体的定位直接链接到待覆盖的区域。通过采用反射镜的反射定律用几何方法来确定。必须优化不同控制器的振幅/相位定律，用于使通过该馈体传输的束组合及给出适合每个待覆盖的区域的辐射模式。如果一开始仅有一个区域待覆盖，则仅使用相关阵列的一部分。应用于辐射元件的放大范围是大的，这样在传输时有必要在放大器之间使用功率平衡装置(称为MPA)。

每一个馈体直接地链接到覆盖的一部分，一方面利用了放大器的冗余以在发生局部损耗时避免该区域的损耗，另一方面，导致许多的馈体(通常是控制器)直接链接到覆盖的尺寸。这样，该束形成结构特别复杂，导致与MPA的存在相关联(link)的额外损耗，并导致相当大的体积和重量。

第三种方案，是第二种方案的变体，在第2004/0222932号美国专利文件中公开。其包括在反射镜焦平面上放置馈体阵列，该反射镜的反射表面被成形，从而展开每一个束覆盖的区域，该束在由独立馈体传输的主波瓣(lobe)中具有“平”(flat)的辐射模式。该原理与上面描述的相同，每一个馈体仅贡献覆盖的一部分。由于反射镜形状产生的独立束的传播，可以减少采样覆盖的馈体的数量，这就使得可以减少天线控制器的数量。

发明内容

由于没有一个已知方案可以提供在成本和/或重量和/或控制器的简化和/或轨道上可重配置性的性能几个方面全部令人满意的表现，本发明的目的就是改善这种情况。

为了这个目的，本发明提出具有反射镜的阵列天线，包括：i)至少两个馈体的阵列，包括所谓的中心馈体，被安排和定位用以在选定方向发送(或接收)电磁波束，ii)束形成装置，被安排用以通过应用于馈体端口的振幅/相位定律的方式，用以控制每个所述馈体的振幅和相位，并提供适当的放大等级，从而使每一个馈体传输用于覆盖选定区域的辐射模式(形成束并包括主波瓣)，以及iii)一个或多个反射镜，用于反射由馈体传输的(或者向馈体发射的)束。

所述具有反射镜的阵列天线，其特征在于：

三维(3D)成形至少一个反射镜的表面，从而反射每一个馈体传输的束并传播馈体的能量，用以覆盖选定的相关区域，与中央馈体相关联的辐射模式的主波瓣确定所谓的主要覆盖，该主要覆盖完全包括天线的、选定形式和尺寸的每个主动的覆盖区域，以及与每一个非中央馈体相关联的辐射模式的主波瓣至少与主要覆盖部分地重叠，以及

所述束形成装置应用于馈体阵列的端口，选择振幅和/或相位的定律，从而所述阵列的馈体发出的束的组合确定所述天线的每一个主动的覆盖区域。

根据本发明的具有反射镜的阵列天线，包括其它可以单独或者组合使用的特征，特别是：

将所述馈体定位于反射镜的的焦平面上，或反射镜中的焦平面外，以各种形式置于反射镜前面；

所述馈体包括任何形式的辐射元件(例如是环形或矩形的角(horn)，打印的元件(或“片”)，槽或螺旋)，以发送和/或接收模式和任何偏振中运行；

优选地反射镜的其中一个的表面通常具有三维成形的抛物面的外形；

至少一个所述反射镜包括指示机构，用于修正与该阵列的中央馈体的主波瓣相关联的位置。

附图说明

通过研究下面的详细描述和附图，将了解本发明的其他特性和优点，其中：

图1非常示意性和功能性地描述了根据本发明的具有反射镜的阵列天线的示范性实施例，以及

图2图示了通过根据本发明的具有反射镜的阵列天线，形成主动的覆盖区域的原理。

附图不仅使本发明完整，同时也对其定义做出合适的贡献。

具体实施方式

首先参考图1来描述根据本发明的具有反射镜AR的阵列天线。

以下，通过非限制性示例的方式做出假设，具有反射镜AR的阵列天线仅用于传输电磁波，只包括单个反射镜AR，其阵列RS仅包括5个馈体Si(i＝1到5)，以及仅提供2个主动的覆盖区域(ZC1和ZC2)。然而，本发明并不限制于该应用。实际上，根据本发明的具有反射镜的阵列天线可以运行在发送或接收模式，或者甚至是发送和接收模式，和/或可以包括几个反射镜，和/或可以包括由任何数量的馈体组成的阵列，和/或可以提供多于两个的主动的覆盖区域。这样的天线的主要目的是安装在通信卫星上。

根据本发明的天线AR(具有反射镜的阵列天线)首先包括阵列RS，该阵列RS由至少两个被设置及定位用以在选定方向传输电磁波束Fi(包括信号)的馈体Si组成。根据分配给天线AR的任务而选择阵列RS的馈体Si的数量N、馈体Si相对于彼此的定位、馈体Si的类型以及馈体Si的各自方向。以下假定，通过非限制性示例的方式，馈体Si的数量N等于5(i＝1到5)。然而，数量N可以是大于或等于2的任何值。

例如在这些馈体Si之中，一个(这里是S1)被称为中央，由于其大概地被置于阵列RS的中央。

阵列RS的每个馈体Si可以包括任何类型的辐射元件，例如是环形或矩形的角(horn)，“片”(被打印的元件)，“槽”，或螺旋，可以操作在发送和/或接收模式并在任何偏振中。

天线AR也可以包括束形成模块MFF，以应用振幅和/或相位定律并适当放大来自阵列RS的N个馈体Si的每一个的信号，从而使每一个馈体Si发送选定的旨在覆盖选定区域Zi的辐射模式(形成束Fi以及包括主波瓣)。任何应用振幅/相位和振幅定律的现有技术都可以在本方面得到应用。

电线AR还包括具有三维(3D)成形的表面SU的反射镜RC。该3D成形采用在表面SU的选定位置放置空洞和凸起(hollows andbumps)的方式，目的是反射由每一个馈体Si传输的束Fi以及传播馈体的能量从而，第一，它覆盖选定的相关联区域Zi，第二，与中央馈体S1相关联的辐射模式的主波瓣，确定所谓的主要覆盖CP，该主要覆盖CP完全包括天线AR的、选定形式和尺寸的每一个主动的覆盖区域ZCj，以及第三与每一个非中央馈体Si(i≠1)相关联的辐射模式的主波瓣，并因此每一个区域Zi(i≠1)在相交(intersection)区域ZlCi至少部分与主要覆盖CP重叠。

术语“主动的覆盖区域”在这里应当被理解为这样的区域，其中电磁波通过天线AR传输，需要能够被合适的接收器的装置接收。

因此区域Z1(由阵列RS的中央馈体S1的辐射模式的主波瓣确定)确定所谓的主要覆盖CP。因此该主要覆盖CP的每一个点位于至少一个相交区域ZlCi，优选地位于几个相交区域ZlCi。换言之，通过中央馈体S1的束F1的主波瓣以及与阵列RS的其他馈体Si(i≠1)相关联的束Fi(i≠1)的一个或多个主波瓣，来覆盖主要覆盖CP的每一个点。

主要覆盖CP中的天线的行为与直接辐射阵列(DRA)的非常相似。

如上文所指出，在主要覆盖CP中，天线AR的主动的覆盖区域ZCj可以通过由束形成模块MFF应用的定律和放大的方式来确定。在图2图示的非限制性实施例中，天线AR被设计为提供两个主动的覆盖区域ZC1和ZC2(j＝1或2)。然而，天线AR可以被设计为提供多于两个主动的覆盖区域ZCj，或者甚至只有一个。

反射镜RC的形状是根据任务计算得到的，从而可以传播束Fi，这是由于束Fi将确定必须包括天线AR的各个主动的区域ZCj的主要覆盖CP的包络线(envelope)。例如，可以应用合适的软件(例如POS4型)，通过应用于初始抛物面反射镜表面的多项式方程(例如Spline型多项式，或Zemike型多项式)的方式，而确定3D形状。根据任务，馈体Si位于反射镜RC的焦平面上或者焦平面以外。

反射镜RC可以包括旨在修正与阵列AR的中央馈体S1相关联的主波瓣位置的指示机构(附图中未显示)。

根据本发明的天线AR并非排除性的特别适合：

具有可重配置性的强烈要求的单点模式覆盖，例如根据轨道位置可重配置的卫星的情况，以及

宽覆盖多点任务，例如通过0.4°直径的主动的覆盖区域(或者点)的方式采样的CONUS类型的情况。

根据本发明，由于反射镜表面的3D成形确定了主要覆盖CP，在主要覆盖CP中任何形式的任何数量的点(或主动的覆盖区域ZCj)可以被确定，从而馈体阵列的安排被强烈的从天线的覆盖去相关(decorrelated)。这就有可能在相当程度上限制阵列的尺寸以及馈体的数量，从而有可能特别相对传统的具有抛物面反射镜、或者DRA类型方案的控制器减少重量和复杂性。

而且，由于馈体不再结合产生主动的覆盖区域的小的部分，如同具有抛物面反射镜的传统方案的情形，可以经过馈体阵列得到自然的冗余，这样限制了部分故障的后果。

此外，通过减小馈体阵列的尺寸，散焦象差也得到减小，对比得到的具有抛物面反射镜的传统方案，可以自然的得到更低阶的波瓣水平(lower side lobe levels)(这样得到更好的C/I比)，然后，促进反射镜系统的焦距和主反射镜的直径之间的低比例的使用(关于卫星上的应用)。

本发明从而组合了DRA(直接辐射阵列)天线的优点，即高可重配置性和自然冗余，和FAFR天线的优点，即由于成形的反射镜表面得到的强的方向性，同时避免了这两种天线的缺点，即在很大程度上带来重量和成本的非常大量的控制器，在DRA天线的情况下与阵列波瓣相关联的有效性的损失，在故障的情况下覆盖的损失和FAFR天线情况下根据计划的覆盖的馈体阵列的尺寸的损失。

本发明不受上面描述的具有反射镜的阵列天线的实施例的限制，纯粹是通过实例的方式，但它包括本领域技术人员通过权利要求的框架可以构思出的变体。

这样，在上文中，描述了根据本发明的具有反射镜的示范性阵列天线，专注于电磁波的传输。然而，本发明并不被示例所限制。同样有效应用于运行于接收模式或发送和接收模式的具有反射镜的阵列天线。

Claims (8)

1.一种具有反射镜的阵列天线，包括：i)至少两个馈体的阵列，包括中心馈体，被安排和定位用以在选定方向发送和/或接收电磁波束，ii)束形成装置，被安排用以通过应用于馈体端口的振幅/相位定律的方式，用以控制每一个所述馈体的振幅和相位，并提供适当的放大等级，从而使每一个馈体传输用于覆盖选定区域的形成束并包括主波瓣的辐射模式，以及iii)至少一个反射镜，提供表面以专门用于反射由馈体传输的和/或供馈体使用的束，其特征在于：

三维地成形所述表面，采用将空洞和凸起放置在所述表面的选定位置的方式，从而反射每一个馈体传输的束并传播馈体的能量，用以覆盖选定的相关区域，与所述中心馈体相关联的辐射模式的主波瓣确定主要覆盖，该主要覆盖完全包括天线的、选定形式和尺寸的每一个主动的覆盖区域，以及与每一个非中心馈体相关联的辐射模式的主波瓣至少与主要覆盖部分地重叠；以及

安排所述束形成装置应用于馈体阵列的端口，选择振幅和/或相位的定律，从而所述馈体传输的束的组合确定每一个所述主动的覆盖区域。

2.如权利要求1所述的具有反射镜的阵列天线，其特征在于所述主要覆盖完全包括至少一个主动的覆盖区域。

3.如权利要求1所述的具有反射镜的阵列天线，其特征在于所述主要覆盖完全包括至少两个主动的覆盖区域。

4.如权利要求1所述的具有反射镜的阵列天线，其特征在于将所述馈体定位于所述反射镜中的一个的焦平面内。

5.如权利要求1所述的具有反射镜的阵列天线，其特征在于将所述馈体定位于所述反射镜中的一个的焦平面外。

6.如权利要求1所述的具有反射镜的阵列天线，其特征在于所述反射镜的所述表面具有三维的抛物面外形。

7.如权利要求1所述的具有反射镜的阵列天线，其特征在于至少一个所述反射镜包括指示机构，安排所述指示机构用以修正与所述阵列的所述中心馈体相关联的主波瓣位置。

8.如权利要求1所述的具有反射镜的阵列天线，其特征在于每一个所述馈体包括辐射元件，所述辐射元件选自包括至少一个圆的或矩形的角、打印的元件、槽、或螺旋组成的组中。