CN110998976A - 相控阵列天线以及结合相控阵列天线的装置 - Google Patents

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Abstract

一种相控阵列天线和结合该相控阵列天线的装置。公开了一种电磁相控阵列(100)，包括多个天线元件(102)，每个天线元件(102)包括至少三个组成天线(104)。驱动电路(106)围绕每个元件(102)的轴线生成辐射图案，该辐射图案在至少一个方向中具有位于或接近零位的所限定的极小值。驱动电路(106)通过适当设置与其组成天线(104)相关联的向量电流，实现该极小值围绕阵列(100)的每个天线元件(102)的轴线电子转向直至一个角度范围。每个天线元件(102)的轴线与阵列(100)的中央轴线平行对准，并且至少元件(102)的子集基本位于共同螺旋表面上。元件(102)在该表面上被间隔，使得阵列(100)具有基本恒定的孔径。

Description

相控阵列天线以及结合相控阵列天线的装置
本发明涉及相控阵列的改进。本发明还涉及一种用于将功率作为辐射束从一个地方传输到远处目标的改进的装置。
相控阵列在本领域中是众所周知的。简单的平面相控阵列包括被布置在共同平面中的天线元件的集合，每个天线元件与移相设备相关联。通过为每个元件适当选择相移，当天线被配置为发射器时，可以被用于传输成形的辐射束。通过改变由每个移相设备施加的相移，束的取向可以绕着阵列的平面的法线(即所谓的阵列的视轴(boresight))典型地转向±45度左右。它也可以被配置为在具有针对接收器的灵敏度的由束的形状限定的方向性的接收模式中操作。
相控阵列可以是无源的，其中相同的信号被施加到每个移相器，或者可以是有源的，其中不同的信号被施加到每个移相器，例如，一个RF功率源在所有元件上分享，其中元件之间的相位可调。或者它们可以是有源的，其中每个元件(或包括每个元件的天线)具有其自己的RF功率源。
相控阵列使束转向的这种能力在许多应用中(诸如在无线电探测和测距(RADAR)系统中)可以是有用的。在相控阵列的典型应用中，强且窄的束可以在一个方向中从阵列传输出来，并且与该束相关联的返回回波信号被该阵列或相邻阵列检测到，之后在其它方向中发送出类似窄束并检测回波。对象在周围区域中的地点然后可以被容易地确定，以产生对象在周围区域中的地点的地图。该原理被用在军舰和飞机中以检测正在到来的敌方目标，但也可以被用于检测云以进行天气预报或在空间中被用于检测远处的对象，并且现在通常被用于汽车应用，例如碰撞避免、全自主车辆等。
平面阵列的其它主要应用是用于通信。
还可以设想，相控阵列可以被用作跨空间和/或通过大气将功率从一个点传输到另一个点的机构。为了将这种原理用在空间中，已提出了各种推测性建议，其中相控阵列连接到太阳能阵列并且被放置在围绕地球的轨道中。卫星使用太阳能阵列来将接收到的太阳能转换成电能，并且该电能转而被用于产生可以被传输到地球的能量束。
为了获得最高效率，这种卫星使太阳能电池板持续指向太阳而同时转向的束仍保持与地球连续接触是有益的。为此，当卫星沿着其轨道绕地球行进时，太阳能阵列和束二者必须转向。在平面阵列中，束可以转向直至的角度通常受到限制，其特征在于，随着角度远离阵列的“视轴”方向而增加，束的质量降低。这要么导致当太阳能阵列转离太阳而同时束被保持在固定的取向时的余弦损耗，要么导致增加的束宽度(以及超过±45度，导致不可接受的束退化的沿着平面指向的重要分量，因为由于试图使平面阵列的束转向离开阵列的视轴而导致明显的传输孔径减小)。
一种可能的解决方案是提供冗余的太阳能电池板或天线，这些冗余的太阳能电池板或天线被取向在与其它太阳能电池板或天线不同的方向中，并在卫星环绕地球运行时在板和天线之间切换。增加冗余零件通常导致增加的有效载荷质量，这对于空间发射领域的技术人员来说是个重要的问题。
通过提供一种使太阳能阵列能够相对于天线移动从而每个太阳能阵列可以始终指向最优方向的机构，可以实现效率的改善。这可以通过使用卫星的指向太阳和指向地球的零件之间的一个或多个机械旋转接头来实现。旋转接头通常不如静态结构可靠。如果这样的接头还需要传递超过数十千瓦的电能，那么这对空间的真空环境带来重要的设计挑战。
本发明的目的是提供一种相控阵列，该相控阵列除其它用途外还可以被用于这种卫星应用中，并且可以改善这些现有技术建议中固有的一些问题。
根据第一方面，本发明提供了一种电磁相控阵列，该电磁相控阵列包括多个天线元件，每个天线元件包括至少三个组成天线；以及
驱动电路，使得在使用时组成天线电流的向量和围绕每个元件的轴线生成辐射图案或对接收到的辐射的灵敏度的图案，该辐射图案或对接收到的辐射的灵敏度的图案在至少一个方向中具有位于或接近零位(null)的所限定的极小值，
其中，通过适当设置与每个天线元件的组成天线相关联的向量电流，驱动电路实现每个天线元件的每个相应图案的该极小值围绕阵列的每个天线元件的轴线电子转向直至一个角度范围，
进一步，其中，每个天线元件的轴线与阵列的中央轴线平行对准，并且其中，至少元件的子集基本位于共同螺旋表面上，该共同螺旋表面通过沿着阵列的中央轴线扭转矩形垂直平面而被限定，元件沿着平面被间隔，使得阵列具有基本恒定的孔径。
通过“基本在螺旋表面上”，是指元件恰好位于共同螺旋表面上，或者可以从该表面只偏移少量。即使在元件精确地在共同螺旋表面上的情况下，如果阵列在使用期间弯曲，这种少量偏移也会发生。因为本发明可以被用于产生非常大的阵列，所以很可能在实践中会发生这种弯曲，从而导致元件之间的相对移动。
螺旋表面可以从阵列的一端到相对端旋转直至大约180度或180度的倍数，其中元件从一端到另一端沿着表面定位。
阵列的所有元件可以位于共同螺旋表面上。
在简单的布置中，元件可以被布置为多个集合，每个集合包含全部数量的元件的子集，每个集合的元件被布置在与阵列的轴线正交的平面中，并且平面沿着阵列的轴线被间隔开。
每个平面中的元件可以被布置在行中，其中相邻平面中的行在角度上偏移，从而元件位于扭转的螺旋表面上。每个元件必须位于螺旋平面上(或在两个或更多个螺旋平面(如果提供的话)之一上)。
在每个集合的元件以上述方式在偏移的行中的情况下，可以通过将两个相邻平面中的行布置成绕阵列的轴线旋转来实现螺旋表面。
每个集合可以包含相同数量的元件。
最优选的是，螺旋表面扭转直至大约180度的整数倍，例如180度或360度。
申请人已经认识到，由于这些元件各自具有可转向的零位，因此将这些元件布置为从任何方位角度具有恒定孔径的螺旋表面，以及通过驱动电路对元件之间的相对相位进行适当的控制，本发明的相控阵列在优选的配置中能够使单个紧密聚焦的束图案形成和转向直至360度方位角—其中束宽度、峰强度和对称旁瓣几乎不变。束也可以在仰角中转向(典型地为±55度(3dB限制))。
通过方位角，是指当相控阵列的轴线被认为在Z方向中延伸时，束指向的在XY平面中的角度。
在使用中，阵列的Z轴可以被垂直地布置，从而XY平面是水平的。读者当然会理解，对“垂直”和“水平”的参考被提及只是为了方便使用广泛使用的极坐标“方位角”(围绕垂直轴的角度)和“仰角”(高于/低于水平的角度)。在实践中，Z轴不需要是垂直的，并且实际上，如果相控阵列在深空中使用，则垂直/水平的概念当然毫无意义。
每个天线可以基本或完美地是全向的。因此，每个天线可以关于一个平面在所有方向中具有近乎均匀的辐射图案。
元件的每个天线可以包括在中心波长λ处谐振的偶极子或折叠偶极子，或本领域技术人员已知的其它类似的全向天线类型。每个天线元件可以具有平行于阵列的轴线的轴线，并且因此平行于每个天线元件的轴线。
在优选的布置中，阵列的每个元件可以包括三个平行的偶极子的三角形布置，三个平行的偶极子彼此间隔开四分之一波长。
驱动电路可以被布置为电子地使每个天线元件的辐射图案转向直至高达完整360度的范围，或者直至角度的离散的集合或者无限地可调节到该范围内的任何选定角度。
申请人已经提出了一种相控阵列，在至少一种配置中，该相控阵列在增加的束转向角度方面相比平面阵列提供了改进：例如，对于元件数量的仅π/2的增加或者等效地(对于完全相同的元件密度)基板面积的π/2的增加，与典型平面阵列的90度相比高达360度，其中每个元件现在由三个组成天线构成。
驱动电路可以被配置为设置每个组成天线处的向量电流，以向元件提供可转向的零位能力。
每个元件的组成天线可以在空间上被定向为使得驱动电路通过在每个组成天线处施加适当的向量电流为每个元件产生具有可转向的极小值的图案，该图案可以包括零位，零位是图案的极小值的极限。
对于每个元件，辐射的图案或灵敏度的图案可以包括心形图案或提供可转向零位的任何合适的图案。
驱动电路可以被配置为以适当的相位驱动元件以使束转向。驱动电路可以使束在方位角中(即绕阵列的Z轴)转向直至360度，并且可以使束在仰角中转向高达约±55度，其中峰强度对应于天线元件的组成天线的仰角图案，例如，对于半波偶极子图案，±55度的3dB转向限制。
相控阵列可以被配置为发出窄带辐射或接收窄带辐射，或者被配置为在从次米(通过从次米，是指>300MHz)降到次厘米(通过到次厘米，是指电磁谱中<300GHz的部分)的范围内的或者甚至处于次毫米级的波长λ处发出窄带辐射或接收窄带辐射。
对于每个元件，驱动电路可以包括被锁相到系统范围的参考频率源的本地振荡器和相对于系统范围的同步定时参考源的数字控制的相位偏移。
驱动电路可以包括针对每个元件的每个组成天线的单独的数字控制的相位偏移，但是可以实现模拟解决方案，例如使用包括插入到传输线中的变容二极管以提供相位延迟的模拟移相器。
驱动电路可以被配置为根据阵列中的天线相对于阵列中的至少一个其它元件或者相对于固定基准(诸如共同轴线)的相对位置来为每个元件选择相移。
但是，优选的是通过为每个元件或元件的在空间上固定的子集提供用于接收或生成系统范围的同步定时参考的手段以及用于对传入的导向束的球面波前(即后向束转向)进行采样的手段来确定相位。这样，阵列可以相对灵活，同时仍允许产生相干束。
该装置可以包括信号编码电路，该信号编码电路对施加到一个或多个元件并且优选地施加到每个元件的RF源进行调制，以将信号编码到由相控阵列生成的束中。这允许远程定位的接收器提取被编码到束中的信息，从而使相控阵列能够被用于传输信息。
相邻元件之间的间距优选地小于或等于施加到元件或由元件接收的信号的波长的一半。申请人已经认识到，该间距防止了光栅波瓣。
相控阵列可以包括为阵列的每个元件的天线提供机械安装和电互连的基板。在最优选的布置中，支撑每个元件的基板可以包括印刷电路板(PCB)基板，例如，具有铜互连的柔性-刚性的多层PTFE/聚酰亚胺。
驱动电路可以包括控制n个元件的集成电路，其中n可以是一个或多个。多于一个集成电路可以安装在同一高频基板上，诸如聚酰亚胺、PTFE和导电铜互连的多层层叠。
阵列中元件的数量可以被选择为适合特定的应用。例如，阵列可以包括16×25元件阵列，具有25个平面，每个平面包含16个的集合。
为了适当地使用相控阵列来跨远距离对功率进行束传送(beam)，相控阵列可以相对大，在X方向、Y方向和Z方向中约为数十米。如果该阵列位于平流层中地球上方20公里处，则该阵列在X方向、Y方向和Z方向中的跨度可以为34m。从GSO(36,000km)开始，阵列典型地具有跨度为1km至1.5km的X维度、Y维度、Z维度—考虑到基本衍射极限并且设置理想/安全的230W/m^2地面峰强度。例如，根据本发明的用于跨20+公里向目标进行功率束传送的相控阵列对于目标处的74米整流天线(束点)直径可以具有～34米的长度/直径。
衍射极限公式为(Dtx*Drx/λ*P)≥2.44，其中D为直径，P为总路径。因此，在5.8GHz处的这种功率束传送可能至少需要1300乘2100个元件。对于较小的距离或较大的目标(或较高的频率，经历高于～10GHz的大气吸收)，可以使用较少的元件。
最小实际阵列可以包括元件的3×5阵列，即被间隔开λ/2的3个元件的5个平面或层(其中λ＝波长)。
阵列中每个连续的行(其中元件被布置在间隔的平行平面中的一系列行中)可以与相邻的行在角度上偏移36°(其中5×36°＝180°)和(至多)0.393λ之间，从而给出相邻行上末端元件之间的λ/2的分离。注意的是，顶部行/底部行不平行。
最大直径D为λ，并且高度E为1.572λ(在元件中心之间测量)，其横截面积近似为正弦面积：2·D·E/π。
对于大于波长尺度的实施例，可以通过将每行分成多个之字形段来改善机械刚度，基板支撑每个之字形段。
在这样的配置中的每个线性阵列可以具有5个段，具有四个元件的沿着每个段的规则间距(λ/2)(一个元件通常在4个节点接头中的每个节点接头处)以及60度的段偏差角度。
角度偏差将总线性范围调整√3/2倍(从7.5λ调整到大约6.5λ)。
对于甚至更大的实施例，可以以分形的方式(即包含以较小尺度的之字形的之字形)进一步细分元件的之字形布置中的每个元件子行，从而在多个尺度量级上提供增加的自刚度(self-rigidity)。
阵列的元件可以由多个基板支撑，每个基板支撑至少一个元件，基板通过限定基板的相对位置的连杆(linkage)的网络来连接。每个基板可以包括刚性板，诸如印刷电路板或借助于其它手段(诸如细长的碳纤维元件)硬化的柔性电路。
连杆的网络可以包括使阵列能够被折叠和展开的多个接头。这特别适合于其中阵列被放置在围绕地球的轨道上的情况，因为它可以以折叠的形式被发射到空间中，然后一旦在轨道上就被展开。
每个基板可以位于与阵列的共同轴线正交的水平平面中，连杆将基板连接在一起。
在又一个优选的布置中，基板和它们所承载的元件可以通过多个支柱(strut)和枢轴接头接合到相邻的(Z偏移)基板，使得在每个局部X-Y平面中的折叠的动作(如上所述)导致相邻子阵列之间的围绕Z轴和沿着Z轴的角度偏移和线性偏移的减少—从而导致高度紧凑(在3个维度中)的存放形式。
螺旋阵列的交替层中的连杆和接头的布置可以相同，其中相邻层中的支柱的布置是不同的。因此，整个支撑结构可以包括支柱的两种布置。
可以在将段彼此连接的铰链接头处设置一个或多个弹簧，这些弹簧被布置为在处于折叠状态时向段施加力，该力将导致结构在被释放时自动展开。
结构可以包括可释放的锁定机构，该锁定机构在被锁定时将该结构保持在折叠的位置，并且在被解锁时允许该结构展开。当与弹簧组合时，通过释放锁定机构，可以使阵列结构从其紧凑的(2D或3D)折叠配置中自行展开。
锁定机构可以包括一个或多个销，这些销在结构中的相应凹部中接合以防止展开，并且可以从凹部中推动或拉动这些销以将其解锁。替代地，销可以是易碎的，并且通过破坏销来解锁锁定机构。
根据第二方面，本发明提供了一种功率束传送装置，用于从太阳收集太阳能并将能量传输到远程地点，诸如地球，该功率束传送装置包括：
根据第一方面的相控天线阵列；以及
集成的太阳能阵列，包括电连接到相控天线阵列的多个光伏设备以及相关联的集中光学器件，
太阳能阵列输出被用于为阵列的元件供应驱动的电力，以产生朝向远程地点通过驱动电路转向的能量束。
集成的太阳能阵列和相关联的集中光学器件可以物理上分散在整个相控天线阵列中，其中每个元件或元件的子集位于一个或多个相关联的光伏设备附近。天线元件、相关联的光伏设备和光学器件可以由共同基板支撑。这样的散布的太阳能阵列可以截取与天线相控阵列的恒定孔径相等的太阳射线面积，但仅仅是从一个优选的取向。
替代地，虽然在概念上不那么巧妙(elegant)，但是太阳能阵列可以位于固定到相控天线阵列的单独配置中。
远程地点可以包括地球上的固定点，或者移动对象(诸如船、或飞机、或卫星)上的固定点，或者可以是空间中的可以由束传送装置跟踪以使得驱动电路能够使束朝向该地点转向的任何点。
阵列中的元件的数量、由每个元件传输的功率以及可以由太阳能阵列从太阳收集的能量的量可以被选择为使得足够功率的束能够被馈送到国家电网中，或能够支持较小的离网应用，诸如前方军事基地。
太阳能阵列和相控天线阵列的相对取向可以是固定的，因此在太阳能阵列和相控天线阵列之间不需要移动接头。
定位设备可以包括太阳能跟踪器，该太阳能跟踪器确定太阳相对于功率束传送装置的取向，并使太阳能阵列相对于太阳以最优角度定位，以使太阳能板的效率最大化。例如，在所有轨道配置中，如果卫星在环绕地球运行或定位在其它1AU拉格朗日点处，则可以每年绕其自身轴线旋转一次，以使太阳能阵列每年指向太阳一次。使用光子压力来校正小的摄动，也可以多多少少使装置相对于太阳自定向。
该装置可以包括非成像介电光学器件，其将太阳光集中直至典型地为90度的角度到阵列的光伏设备上。合适的介电光学器件的示例是Fresnel透镜，其与平面介电反射器和次要Kohler集中器组合布置，以将太阳光指向到光伏设备上，从而以小接受角度给出高集中度。在US 2010/0123954中教导了这种布置的示例，该文献通过引用并入本文。
在替代布置中，柔性线聚焦介电抛物面反射器可以被布置为以复合抛物面集中器配置，从而给出较低的集中度但较宽的接受角度，如US 5,523,862中所教导的，同样，该文献通过引用并入本文。
功率束传送装置可以包括卫星的部分，该卫星在使用中适合于放置在围绕地球的轨道中或空间中任何其它飞行路径中，例如，围绕月球或另一个行星的轨道中。
功率束传送装置可以包括定位设备，该定位设备控制太阳能阵列相对于太阳的取向，特别是在空间应用中控制功率束传送装置的姿态。如上所述，光子压力可以被用作无源转向机构。
根据第三方面，代替功率束传送装置，本发明还提供了一种用于束传送信号编码信息的装置，除了所传输的信号对信息进行编码而不是简单地传输功率的替代特征之外，该装置具有第二方面的所有特征。
该装置可以包括应答器，该应答器从地球或某个其它远处地点接收包含信息的信号，并将其转换成对施加到相控阵列的元件的RF波形进行调制的信号。应答器可以检测对信息进行编码的传入的射频信号。由此，该装置可以被配置为提供双向通信。
在目的是传输信息而不是大量太阳能的情况下，来自太阳能阵列的太阳能可以被用于为束成形阵列提供唯一的功率来源。
例如，光伏元件PV可以被安装在基板的支撑天线元件的一侧上，其中对微波透明的平面介电镜被设置为与X-Y平面成45度，从而将非集中的太阳光反射直至90度到PV元件上。
可以使用包括反射器和Fresnel透镜的对RF束透明的介电镜，并且PV元件可以被定向为在每个元件的3个组成天线的中点附近在基板地平面上平放，从而它们不会干扰束。
根据第四方面，本发明提供了一种使用本发明的第二方面或第三方面的装置的方法，包括以下步骤：
将装置放置在轨道中，在该轨道中太阳能阵列正在面向太阳，其中相控阵列以具有地球的清晰视线来定位，并且
使相控阵列的束转向以使束指向固定目标。
将装置放置在轨道中可以使得能够更高效地从太阳收集能量，因为太阳能面板位于地球大气层之外，并且可以被放置在始终看得见(in sight of)太阳的轨道中，能量在空间中不扩散，从而允许高集中度光学器件和最高效的PV。进而，通过将能量以高于3cm(<10GHz)的波长λ传输到地球，大气层不会像它对太阳光那样对所传输的信号产生影响(典型地由于严重降水造成<2％的损耗)，因此收集的效率可以更高。
该方法可以包括将装置放置在围绕携带目标的至少小行星质量的对象的轨道上，该对象典型地是地球。本发明的相控阵列可以被用在任何合适的轨道中，但是通常公认的“最佳”是对地同步(包括对地静止)轨道。
该方法可以包括提供多个装置，每个装置在不同的太阳同步轨道中，当该多个装置每个都满足衍射和表面接收器仰角限制时，每个装置依次使束指向相同的目标。这可以允许多个较小的卫星被用于在整流天线处给出与对地静止轨道上的一个卫星相似的利用率。
例如，申请人已经认识到，当在3小时太阳同步倾斜椭圆轨道中时，5个(小得多)的卫星可以在(北纬)整流天线处给出>97％的利用率。2hrs和2hrs24处的其它圆形太阳同步轨道可以被用于允许甚至更小的卫星。
目标可以包括在地球上或地球上方的固定位置。
替代地，该方法可以包括将装置装配到超压气球或诸如平流层飞船(dirigible)/飞艇(blimp)之类的其它空运设备上，并将该空运设备部署在航线(flight pattern)的固定地点中并使束转向到固定位置。
该方法可以包括在固定地点处提供接收器。这可以包括进行整流的天线—“整流天线(rectenna)”。在这方面，另一方面本发明可以包括一种结合了第二方面或第三方面的装置以及整流天线的系统。
该方法可以包括在目标处提供接收器，该接收器还输出指向该装置的低功率导向束，以便实现后向束转向，从而帮助该装置朝向目标发送能量束。
这使得该装置能够在规则的系统范围参考时刻对由导向束发射器产生的球面波前进行采样，并且，通过对施加到元件的采样相位进行时间反转，以及通过根据被施加为使每个元件处的零位图案直接转向离开目标的这些相位样本来计算目标方位角度，该装置能够产生以目标整流天线为中心的相似相干球面波前，其中功率束指向那里。注意的是，导向束不需要处于与功率束相同的波长。
该方法可以允许通过数千米的大气层进行高效的无线功率传递，其中由于水分引起的吸收将束传送的信号的波长λ限制为>3cm(<10GHz)。实施例的具体方面是对于约5cm的λ，利用5.8GHz国际ISM带。
现在将仅通过示例的方式，参考以下附图描述本发明的若干实施例：
图1示出了根据本发明的一方面的相控阵列的第一实施例中的元件的布局，
图2示出了根据本发明的一方面的相控阵列的较大的第二实施例中的元件的布局，
图3示意性地图示了驱动电路与阵列的元件之间的关系；
图4(a)至图4(d)示出了可以由图1至图3的阵列的每个元件生成的四个心形图案；
图5比较了两个7×11元件传输相控阵列的极性辐射图案，从而给出了本发明的实施例和等效的简单(无后反射器)平面阵列之间的直接比较，两者均具有相同的物理面积、相同数量的元件、相同的总RF功率；
图6类似于图5，但以对数尺度示出相对于角度的强度，即功率密度；
图7(a)至图7(d)示出了可以被折叠和展开的示例性支撑结构；
图8是结合了相控阵列和太阳能阵列的功率束传送装置的示意性表示；
图9是图8的功率束传送装置以放置在围绕地球的轨道上的卫星的形式的表示；
图10是可以被用于在通信网络内中继信息的类似卫星的表示；
图11是结合在刚性的基于地面的结构上的功率束传送装置的表示；
图12是结合在飞船内的功率束传送装置的表示；
图13是在收缩(collapsed)位置中的PV电池和偶极子的示例布置；
图14是竖立位置中的图13的示例布置；
图15是平面图中的图13的示例布置；
图16是详细示出的图13的电路系统；以及
图17是当在围绕地球的对地静止轨道中时，功率束传送装置的取向的图示。
如图1所示，在本发明的一方面的范围内的相控天线阵列100的实施例包括多个天线元件102。如图所示，有15个元件102，被布置为五行的三个元件。每个天线元件102包括三个天线，在这个示例中，这三个天线是全向偶极子104。天线元件102的每个偶极子104的轴线与阵列100的共同中央轴线平行地对准，并且在空间上定位成使得当围绕该轴线观察时阵列100具有基本恒定的孔径。在图1中，共同轴线是垂直的，并且沿着页面从顶部到底部延伸，由点划线指示。
元件被布置成使得它们全部位于共同螺旋表面上，该共同螺旋表面可以通过将矩形垂直平面从底部边缘到顶部边缘扭转直至180度来描述，底部边缘和顶部边缘沿着阵列的轴线被间隔。
如所示，元件102被分成几个集合，元件的每个集合在水平平面中被布置在行中，沿着阵列的轴线(例如如图所示沿着页面从顶部到底部)与相邻的集合偏移。在相应平面内的行的取向沿着阵列100从一行到另一行旋转。
如所示，这些行与相邻行在角度上偏移36°，从而螺旋表面从顶部到底部扭转直至大约半圈180度(最顶部和最底部的行也偏移36°)。
当然，可以提供其它更大的阵列。图2示出了具有7×11个元件202的阵列200的布置。在这种情况下，每个相邻行的角度偏移较小，以提供螺旋表面的相同的近180度旋转。
如图3中所示，图1的相阵列100(可缩放至任何其它尺寸的阵列)包括驱动电路106，由此每个偶极子104与移相器108相关联，该移相器108形成驱动电路106的一部分，该移相器108使施加到阵列的元件102的任何RF源信号的相位移位。可以对每个偶极子104施加的相移是电子地控制的。
驱动电路106通过适当设置每个天线元件102的组成偶极子104的相对相位和幅值来电子地使该天线元件102的相应图案绕阵列100的垂直轴线转向直至360度的全范围。实际上，驱动电路106使得每个元件102生成心形图案，对于该心形图案，零位可以被旋转直至360度。通过改变所有元件102的零位的方向，由阵列100产生的束可以绕阵列100的轴线转向直至360度。
图4示出了可以由相控阵列100的每个元件生成的一些图案，如从上方沿着阵列100的轴线垂直向下看到的，该轴线可以被认为位于笛卡尔XYX坐标参考系中的Z轴上。图中可以看到三个偶极子104在以元件的中心点为中心的等边三角形的角处的地点。这些图案可以使用以下方式实现。偶极子nd(nd＝1、2、3)的相对振幅由驱动电路106根据方位角度T-C-Dnd的余弦来设置，其中T是目标，C是元件的质心，并且Dnd是偶极子。偶极子Dnd的相位由驱动电路106设置为-2π乘以波长模量距离T-Dnd。这可以被应用于完美的全向天线，或者进行小的修改即可被应用于并非完美全向的天线。
通过控制每个元件102的相位，同时对于每个元件102保持相同的图案，整个阵列100可以产生可以围绕其轴线转向直至360度的紧密束。它也可以在高于和低于水平约55度的仰角中转向，限制被限定为在峰强度已下降约3dB处的点。
图5比较了具有相同的元件功率、行间距(沿着Z轴，以X-Y平面为中心)和沿着每行的元件间距的两个7×11元件传输相控阵列的极性辐射图案。所有元件的相对相位被最优地选择，以使束图案指向X-Y平面上的远处点。
第一相控阵列是现有技术的平面阵列，其包括在X-Z平面中以平面布置的简单偶极子元件(Z轴对准)，而没有(通常存在的)反射器/吸收器来选择期望的Y半平面。
第二相控阵列是如先前的图中所描述的螺旋配置。
平面阵列具有沿着Y轴的“视轴”方向。当束扫描(sweep)离开视轴方向时，峰束强度衰减。(相对于视轴)超过±45度，束B1的重要分量沿着X-Z平面指向。
相比之下，本发明的阵列的螺旋布置没有视轴方向；当单个波瓣B2绕Z轴连续旋转直至360度时，峰振幅或半功率束宽度的变化极小。
图6示出了相同的平面阵列相对于图2的阵列(螺旋配置)，这次是强度相对于角度的对数图。与平面阵列对照，当束绕Z轴旋转时，旁瓣关于主瓣保持一致且对称。
图1、图2和图3中所示的示例均具有不相对于彼此移动的固定元件，但是要由可折叠和展开的结构支撑以减少不使用时阵列的体积的元件也在本发明的一方面的范围内。
图7示出了在本发明的一方面的范围内的示例性支撑结构110。以不同的扩展程度示出了结构110，从图7(a)中的压缩状态到图7(d)中的完全扩展状态。结构110包括位于阵列的每个水平平面中的基板112，每个基板支撑元件的总集合的小的子集。这些通过连杆112和铰接接头114的网络跨平面连接在一起。
连杆112和接头114可以移动，以允许整个阵列100从图7(a)所示的收缩形式移动到图7(d)中的完全扩展形式。
在以上示例中，元件的布置的显著特征是，阵列的横截面面积或孔径对于阵列的围绕垂直轴线的所有视角都保持基本恒定。这意味着该阵列可以绕该轴线旋转，并且当垂直于该轴线从远处对象观察时，可以在到达该对象的束中传输的功率将保持基本恒定。
因此，基于图7的实施例的具有更多元件的按比例放大的阵列可以方便地被用于将高功率辐射束传输到远处的目标，该远处的目标可以从几十米到数十公里远，或在大约36,000公里(即，GSO高度)处。
这种恒定的功率特征和使束转向直至360度的能力使得该阵列特别适合放置在围绕地球的轨道中并将功率传输回地球上的目标。这可以与太阳能电池板阵列结合，以收集太阳的能量并将其传输回地球，其中该能量可被用于功率电气设备、家庭、车辆等。
图8示出了一种布置，在该布置中太阳能阵列116与相控天线阵100集成在一起。太阳能阵列116包括电连接到相控天线阵列100的多个光伏设备(PV)118。在这个示例中，光伏设备118物理上散布在元件102之间，其中每个天线元件102有一个PV 118(或一组PV元件)。PV设备与天线元件的比例可以逐行变化；在外部的行，可能有比PV多的元件，对于中央的行，可能有比RF元件更多的PV。太阳能阵列116的每个PV元件118输出电力，该电力被用于为阵列100的相关联天线元件102供应驱动，以产生朝向固定地点通过驱动电路106转向的能量束。
图13至图15示出了PV和元件的可能布置。图13示出了处于收缩状态的布置，并且图14在正视图中示出了该布置，而图15在平面图中示出了该布置。
如可以看到的，基板320承载被Kohler集中器322覆盖的PV元件318。在集中器322上方是与基板320的平面成45度角的镜324，并且该镜324从Fresnel透镜326接收太阳光，该Fresnel透镜326与基板320正交布置。镜324用于将已由透镜326收集的接收到的太阳光弯曲直至90度到PV元件318上。
图15示出了围绕透镜326和PV元件318构成阵列的元件的三个偶极子304的布置。
该布置可以是以非常小的尺度，其中Fresnel透镜326可能为约13平方毫米。
考虑到PV元件的当前技术水平，多结III/V PV元件已达到在>300日照(suns)的47％的效率。使用13平方毫米Fresnel透镜，介电镜将该集中的太阳光向下反射到Kohler集中器上，并且到测量也许1平方毫米的4结PV芯片上，该13平方毫米Fresnel透镜被布置为使得从一个特定的方位角度(面对太阳)其具有与RF孔径相同的孔径(显然，RF孔径当然在360度上保持不变)，除了由于基板的厚度和来自支持阵列的任何支柱的阴影而导致的小面积损失之外。对于理想的光学器件，这带来169日照集中度。
使用数百个这些小型PV和天线布置确保了每个基板处的平均功率密度低，从而允许经由简单的低质量传导热扩散进行热控制。作为对照，大规模的太阳能集中需要更复杂的热控制。在空间环境中，这典型地意味着大量的散热器和用于泵送的流体的相关联装备，以及与轴承磨损和微陨石损坏相关联的固有的可靠性问题。
图16是示出跨阵列的PV元件318和天线302如何连接在一起的示意图。从每个PV元件318(或少量PV元件的组合)输出的电压被馈送到DC-DC变换器328中，该DC-DC变换器328具有针对最大PV I-V工作点效率的对该DC-DC变换器328的输入电压的反馈控制。然后，DC-DC变换器328的输出被馈送到共同的系统范围的轨330上，该轨330被分段以进行故障隔离和电力路由(re-routing)。然后，该共同轨330提供针对所有元件的DC-RF生成(被分段以进行故障隔离)以及辅助系统控制功能。DC-RF电路系统332可以包括锁相到系统范围的参考的本地振荡器、由驱动电路选择的数字控制的相位偏移、数字控制的输出供电轨、E-类RF驱动输出，以及某种天线阻抗匹配。
为了允许阵列中的某种灵活度(flex)，系统范围的参考也可以被链接到系统范围的同步定时参考，以用于每个元件302的相对相位确定。这可以包括分散在阵列中的多个检测器334—每个相对于至少一个元件302是固定的，检测器334对从目标产生的与远处导向束源相关联的球面波前的相位进行采样，其中接收器散布在阵列中。该导向束可以处于与功率束不同的频率。随后这些相位样本在被施加为每个元件302的相对相位之前进行时间反转。短距离上的插值可以被用于减少相位采样接收器的数量。
图9示出了落在本发明的另一方面的范围内的卫星436的可能布置。卫星436包括如图8所示的相控天线阵列100和PV阵列118。
卫星436的通过阵列100的使束转向直至360度的能力实现的关键特征是，太阳能光伏电池相对于相应天线元件的取向可以是固定的，因此不需要移动的零件。这使得卫星436能够绕其轴线旋转以确保在任何给定时间太阳能阵列最优地面对太阳，但是在驱动电路的控制下，束始终可以转向以确保该束保持指向地球上的同一点。另一方面，阵列的基本恒定的孔径确保了当相控阵列旋转时，可以传输的功率保持相当恒定。图17示出了卫星436的合适的轨道，其中在卫星436的每个图像上的箭头示出了PV元件始终面向太阳。该图像中阵列的共同Z轴进入到页面的平面中，并且可以看到，通过使每个围绕地球的轨道一次转向直至360度，束可以始终转向到地球表面上的目标上。
读者当然将认识到，除了功率束传送之外或作为功率束传送的替代，本发明还适合于产生可以将束编码信息从空间发送到地球的固定地点的卫星436。在图10所示的修改中，卫星536包括调制器538，该调制器538调制传输有信息的束。可以使用许多不同的调制技术，所有这些调制技术对于本领域技术人员来说都是熟悉的，并且因此这里将不再详细描述。例如，信号可以使用调制过程的以下非穷举的列表之一来调制：ASK(幅移键控或幅度调制)、FSK(频移键控或频率调制)和PSK(相移键控，或相位调制)。
卫星包括应答器540，该应答器540从地球或包含信息的某个其它远处地点接收信号，并将该信号转换成调制由相控阵列传输的束的信号。在这个示例中，应答器540检测对信息进行编码的传入的射频信号。
读者还将认识到，可以高效地跟踪太阳的组合太阳能阵列和相控阵列除了被用于围绕地球的轨道之外，还可以被用于许多其它应用中。在另一个应用中，该装置可以固定到地面、固定到移动车辆或轮船或其它移动平台，以通过大气向远程设备发送功率。
在图11中示出了其中阵列600固定到距目标644几公里的刚性支撑平台642的布置。天线/整流天线直径和波长决定了最大束传送距离。
在图12中所示的另一个实施例中，相控阵列700可以被装配到飞机或比飞行器更轻的诸如大型超压气球或飞艇746上。这在图12中示出，其中阵列700位于飞艇746内部。
在装配在飞艇内部的情况下，飞船结构或气艇表皮张力有助于支撑阵列。

Claims (51)

1.一种电磁相控阵列，包括多个天线元件，每个天线元件包括至少3个组成天线；以及
驱动电路，使得在使用时组成天线电流的向量和围绕每个元件的轴线生成辐射图案或对接收到的辐射的灵敏度的图案，所述辐射图案或对接收到的辐射的灵敏度的图案在至少一个方向中具有位于或接近零位的所限定的极小值，
其中，通过适当设置与每个天线元件的组成天线相关联的向量电流，所述驱动电路实现每个天线元件的每个相应图案的该极小值围绕阵列的每个天线元件的轴线电子转向直至一个角度范围，
进一步，其中，每个天线元件的轴线与阵列的中央轴线平行对准，并且其中，至少元件的子集基本位于共同螺旋表面上，所述共同螺旋表面通过沿着阵列的中央轴线扭转矩形垂直平面而被限定，元件沿着该平面被间隔，使得阵列具有基本恒定的孔径。
2.根据权利要求1所述的电磁相控阵列，其中，所述螺旋表面从阵列的一端到相对端旋转直至大约180度或180度的倍数，其中元件从一端到另一端沿着表面定位。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电磁相控阵列，其中，阵列的所有元件位于所述共同螺旋表面上。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，元件被布置为使得所述元件全部完美地位于扭转的螺旋平面上。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，元件被布置为多个集合，每个集合包含全部数量的元件的子集，每个集合的元件被布置在与阵列的轴线正交的平面中，并且平面沿着阵列的轴线被间隔开。
6.根据权利要求5所述的电磁相控阵列，其中，每个平面中的元件被布置在行中，其中相邻平面中的行在角度上偏移，从而元件位于扭转的螺旋表面上。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的电磁相控阵列，其中，每个集合包含相同数量的元件，或者其中，元件以随机或重复或伪随机的图案被布置在满足λ/2间距约束的螺旋表面上，从而在使用阵列时不生成光栅波瓣。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，每个组成天线基本或完美地是全方向的。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，元件的每个组成天线包括在中心波长λ处谐振的偶极子或折叠的偶极子或其它类似的全向天线类型。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，每个天线元件具有平行于阵列的轴线的轴线，并且因此平行于每个天线元件的轴线。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，阵列的每个元件包括三个平行的偶极子的三角形布置，所述三个平行的偶极子彼此间隔开四分之一波长。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，所述驱动电路被布置为电子地使每个天线元件的辐射图案转向直至高达完整360度的范围，或者直至角度的离散的集合或者无限地可调节到所述范围内的任何选定角度。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，所述驱动电路被配置为设置每个天线元件的组成天线的向量电流，以向元件提供可转向的零位能力。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，每个元件的组成天线在空间上被定向成使得所述驱动电路通过对天线施加适当的相位和幅值电流，为每个元件产生具有可转向的极小值的图案，所述图案能够包括零位，零位是图案的极小值的极端限制。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，对于每个元件，辐射的图案或灵敏度的图案包括心形图案或提供可转向零位的任何合适的图案。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，所述驱动电路被配置为以适当的相位驱动元件来使束转向。
17.根据权利要求16所述的电磁相控阵列，其中，所述驱动电路使束在方位角中转向直至360度，并且/或者使束在仰角中转向高达约±55度，其中峰强度对应于天线元件的组成天线的仰角图案。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，所述相控阵列被配置为发出窄带辐射或接收窄带辐射，或者被配置为在从次米降到次厘米的范围内或者甚至处于次毫米级的波长λ处发出窄带辐射或接收窄带辐射，通过从所述次米，是指>300MHz，通过到所述次厘米，是指电磁频谱的<300GHz的部分。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，对于每个元件，所述驱动电路包括被锁相到系统范围的参考频率源的本地振荡器和用于将相位偏移施加到所述本地振荡器的输出的数字控制的相位偏移。
20.根据权利要求19所述的电磁相控阵列，其中，所述驱动电路包括针对每个天线元件的每个天线的单独的数字控制的相位偏移。
21.根据权利要求20所述的电磁相控阵列，其中，所述驱动电路被配置为根据阵列中的天线相对于阵列中的至少一个其它天线或相对于诸如共同轴线之类的固定基准的相对位置为每个天线选择相移。
22.根据权利要求20所述的电磁相控阵列，所述电磁相控阵列包括用于接收或生成系统范围的同步定时参考的手段以及用于对传入的导向束的球面波前进行采样的手段。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，还包括信号编码电路，所述信号编码电路对施加到一个或多个元件并且优选地施加到每个元件的RF源进行调制，以将信号编码到由相控阵列生成的束中。
24.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，相邻元件之间的间距小于或等于施加到所述元件或由所述元件接收的信号的波长的一半。
25.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，还包括为阵列的每个元件的天线提供机械安装和电互连的基板。
26.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，所述驱动电路包括控制n个元件的集成电路，其中，n是一个或多个。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，阵列的元件由多个基板支撑，每个基板支撑至少一个元件，基板通过限定所述基板的相对位置的连杆的网络来连接。
28.根据权利要求27所述的电磁相控阵列，其中，所述连杆的网络包括使阵列能够被折叠和展开的多个接头。
29.根据权利要求27或权利要求28所述的电磁相控阵列，其中，每个基板位于与阵列的共同轴线正交的水平平面中，所述连杆将所述基板连接在一起。
30.根据权利要求27至29中的任一项所述的电磁相控阵列，其中，基板和所述基板所承载的元件通过多个支柱和枢轴接头接合到相邻的(Z偏移)基板，使得在每个局部X-Y平面中的折叠的动作(如上所述)导致相邻子阵列之间的围绕Z轴和沿着Z轴的角度偏移和线性偏移的减少—从而导致高度紧凑(在3个维度中)的存放形式。
31.根据权利要求27至30中的任一项所述的电磁相控阵列，还包括在铰链接头处将段彼此连接的一个或多个弹簧，弹簧被布置为在处于折叠状态时向段施加力，所述力将导致结构在被释放时自动展开。
32.根据权利要求27至31中的任一项所述的电磁相控阵列，还包括可释放的锁定机构，所述可释放的锁定机构在被锁定时将所述结构保持在折叠位置，并且在被解锁时允许所述结构展开。
33.一种用于从太阳收集太阳能并将能量传输到诸如地球之类的远程地点的功率束传送装置，包括：
根据权利要求1至32中的任一项所述的相控天线阵列；以及
集成的太阳能阵列，包括电连接到相控天线阵列的多个光伏设备及与所述多个光伏设备相关联的集中光学器件；
太阳能阵列输出被用于为阵列的元件供电的电力，以产生朝向远程地点通过驱动电路转向的能量束。
34.根据权利要求33所述的功率束传送装置，其中，所述集成的太阳能阵列和相关联的集中光学器件在物理上分散在整个相控天线阵列中，其中每个元件或元件的子集位于一个或多个相关联的光伏设备附近。
35.根据权利要求33或34所述的功率束传送装置，其中，所述远程地点包括地球上的固定点，或诸如船、或飞机、或卫星之类的移动对象上的固定点，或者是空间中的能够由束传送装置跟踪以使得驱动电路能够使束朝向该地点转向的任何点。
36.根据权利要求33至35中的任一项所述的功率束传送装置，其中，阵列中的元件的数量、由每个元件传输的功率以及能够由太阳能阵列从太阳收集的能量的量被选择为使得足够功率的束能够被馈送到国家电网或诸如军事前方基地之类的较小的离网设施中。
37.根据权利要求33至36中的任一项所述的功率束传送装置，其中，所述太阳能阵列和所述相控天线阵列的相对取向是固定的，因此在所述太阳能阵列和所述相控天线阵列之间不需要移动接头。
38.根据权利要求33至37中的任一项所述的功率束传送装置，其中，定位设备包括太阳能跟踪器，所述太阳能跟踪器确定太阳相对于所述功率束传送装置的取向，并使所述太阳能阵列相对于太阳以最优角度定位，以使太阳能板的效率最大化。
39.根据权利要求33至38中的任一项所述的功率束传送装置，还包括非成像介电光学器件，所述非成像介电光学器件将太阳光集中直至高达90度的角度到阵列的光伏设备上。
40.根据权利要求33至38中的任一项所述的功率束传送装置，还包括以复合抛物面集中器配置布置的柔性线聚焦介电抛物面反射器。
41.根据权利要求33至40中的任一项所述的功率束传送装置，其中，所述功率束传送装置包括卫星的部分，所述卫星在使用中适合于放置在围绕地球的轨道上或空间中任何其它飞行路径上，例如，围绕月球或另一个行星的轨道上。
42.根据权利要求33至41中的任一项所述的功率束传送装置，还包括定位设备，所述定位设备控制太阳能阵列相对于太阳的取向，特别是在空间应用中控制功率束传送装置的姿态。
43.一种用于对信号编码信息进行束传送的装置，包括：
根据权利要求1至32中的任一项所述的相控天线阵列；以及
集成的太阳能阵列，包括电连接到所述相控天线阵列的多个光伏设备，
太阳能阵列输出被用于为阵列的元件供应驱动的电力信号，以产生朝向远程地点通过驱动电路转向的能量束。
44.根据权利要求43所述的装置，还包括应答器，所述应答器从地球或某个其它远处地点接收包含信息的信号，并将所述信号转换成对施加到相控阵列的元件的RF波形进行调制的信号。
45.一种使用根据权利要求33至42中的任一项所述的功率束传送装置或根据权利要求43或44所述的装置的方法，包括以下步骤：
将所述装置放置在轨道上，在所述轨道中太阳能阵列正在面向太阳，其中所述相控阵列以具有地球的清晰视线来定位，并且
使所述相控阵列的束转向以使束指向固定目标。
46.根据权利要求45所述的方法，还包括将所述装置放置在围绕携带目标的至少小行星质量的对象的轨道上，所述对象典型地是地球。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述轨道是对地同步的，或优选地是对地静止的。
48.根据权利要求47所述的方法，包括提供多个装置，每个装置在不同的太阳同步轨道中，当所述多个装置每个都满足衍射和表面接收器仰角限制时，每个装置依次使束指向相同的目标。
49.根据权利要求45所述的方法，还包括将所述装置装配到超压气球或诸如平流层飞船/飞艇之类的其它空运设备上，并将所述空运设备部署在航线的固定地点中并使束转向到固定位置。
50.根据权利要求45至49中的任一项所述的方法，其中，所述目标包括在地球上或地球上方的固定位置。
51.根据权利要求50所述的方法，还包括在目标处提供接收器，所述接收器还输出指向所述装置的低功率导向束，以便实现后向束转向，从而帮助所述装置朝向所述目标发送能量束。
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