CN113785441A - 用于混合机械透镜天线相控阵列的改进增益滚降 - Google Patents

Abstract

描述了一种混合机械透镜阵列天线，其可以被配置为具有阵列内不同定向和布置的多个透镜，以控制与增强不同扫描区域处的性能。这可以包括以大的倾斜角度添加第二级阵列(裙部)、倾斜第一级阵列、倾斜第一级阵列内的各个透镜，或任何组合。当保持透镜模块的数量(并且因此成本和功率消耗)不变时，这些设计选择具有改变系统高度、降低视轴增益和增加扫描增益的效果，每个选项展现了高度、扫描和视轴性能的不同权衡。

Description

用于混合机械透镜天线相控阵列的改进增益滚降

相关申请

本申请要求于2019年5月3日提交的美国临时申请No.62/842905的优先权，该申请的全部内容被依赖且通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于改进混合机械透镜天线相控阵列的扫描的增益滚降(roll-off)的方法和系统，该混合机械透镜天线相控阵列用于卫星或地面通信。本公开更具体地涉及用于配置具有各种倾斜和旋转布置的透镜元件的方法和系统。

背景技术

主要由于在扫描方向上的投射的天线孔径面积的减少，基本为平面元件的阵列在仰角扫描时遭受增益衰减。万向(gimbaled，万向架固定式、万向接头式、万向节)抛物面天线和万向平板天线通过使用二维机械运动以将整个天线连续指向期望的扫描方向来克服这种增益衰减。这些万向解决方案导致了在某些应用中可能会出现问题或不期望的非常高剖面的终端。

被配置为沿一个轴线进行电子转向的相控阵列面板可以被旋转以产生覆盖面板的所有方位角和可实现的仰角平面扫描范围的天线。以此方式，方位角扫描轴线是机械控制的，仰角轴线是电气控制的。这降低了双万向解决方案的高度，但会对远仰角扫描角度引入扫描损失。通过将面板朝向与仰角平面扫描轴线相同的平面中的地平面倾斜，可以增加仰角平面扫描范围(或减少扫描损失/提高远扫描增益)。这增加了高度，但减少了用于指向地平面附近的目标的有效仰角平面扫描角度。

单轴线电气转向面板比全二维扫描相控阵列更简单、更便宜，但具有较窄的方位角波束宽度，这保持对机械致动器的指向准确度和响应时间的较高要求。

相比用于卫星通信(SATCOM)、雷达和其他目的的传统相控阵列，如Scarborough等人的美国专利No.10,116,051中的电可重构RF透镜模块的相控阵列，在功率消耗和部件数量方面提供了许多优势。

发明内容

本公开总体上涉及一种射频透镜阵列，其采用倾斜元件、倾斜子阵列和/或对所有透镜元件或透镜元件的子集的一程度的方位角机械扫描。机械旋转的添加允许缩减每个透镜元件所需的扫描范围并且因此缩减每个透镜元件的馈源数量。机械旋转所提供的方位角扫描还实现了倾斜元件和倾斜阵列的各种配置。倾斜各个透镜元件和/或倾斜阵列，与标准平面相控阵列相比提供了改进的扫描增益性能，同时与万向天线相比保持了低剖面。

在最简单的情况下，多个透镜模块的平面阵列被机械旋转。该配置允许显著减少扫描范围，并且因此减少每个透镜元件所需的馈源数量。元件本身主要提供方向角扫描范围有限的仰角扫描。主要方位角扫描由机械旋转提供。与被配置为进行单轴线扫描的标准相控阵列不同，透镜阵列在透镜元件方向图(pattern，图形、图案)的波束宽度(通常为5-15度)内保持一定程度的二维扫描能力。以此方式，天线可以在与相对于面板本身的方位角＝0度的轴线平行的0至65度之间的线上的所有点的任何+/-5度锥形内进行电气扫描(例如)。

为了提高上述配置的扫描增益性能，阵列可以以特定的方位角朝向地平面倾斜。这提供了阵列面向扫描方向的较大投射面积，从而增加了扫描增益。

替代地，或与所述的倾斜阵列组合，阵列内的每个元件可以朝向特定的方位角倾斜。该配置减少了每个透镜元件的扫描要求，从而增加了远扫描角度处的元件方向图增益。

另一配置有两个分立的透镜阵列：第一级阵列和第二级阵列。每个阵列都可以配置有阵列倾斜、透镜倾斜和机械旋转的各种组合，以便将扫描性能集中在不同的角度区域。

在一种配置中，第一级阵列具有在方位角和仰角都进行扫描的平面元件。第二级透镜阵列围绕第一级阵列，并且透镜从天线中心向外倾斜，以补充远扫描角度(大于60度)处的增益。两个阵列都不使用机械运动。

所描述的天线的另一配置利用第一级阵列和第二级阵列两者的机械运动。第一级阵列可以具有平面元件、倾斜元件或倾斜阵列。第二级阵列被配置成沿第一级阵列的一半的周边，其中所有元件面向相同的方位角。第二级阵列中的每个元件在特定的方位角处贡献附加的增益性能，而第一级阵列和第二级阵列两者的机械旋转提供方位角扫描。第一级阵列和第二级阵列下的馈源可以被减少至单行馈源或更少，使得每个元件主要在仰角进行扫描，而机械旋转在方位角进行扫描。

另一配置使每个单独的透镜倾斜至各种独立角度。倾斜变型提供了光栅波瓣减少，因为不会有单一、一致的元件方向图，因此产生相长干涉。

在所有所描述的情况下，来自第一级阵列和第二级阵列两者的发射与接收信号被组合以提供单个波束。

附图说明

附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分。应当理解，附图仅示出了本公开的一些示例，并且图中未具体示出的其他示例或各种示例的组合仍然可以落入本公开的范围内。将通过使用附图更详细地描述示例，其中：

图1(a)-1(c)示出了由位于天线罩和壳体内的多个透镜模块组成的能够进行方位角旋转的混合机械透镜阵列，以及相关曲线图。

图2是单个透镜模块，示出了RF透镜、馈源、馈源板和安装结构。

图3(a)-3(h)示出了透镜模块的馈源布局和相关扫描图的几个变型，并示出了对单个透镜的可访问扫描范围的影响，其中图3(a)、(c)、(e)是俯视图，图3(g)是立体图。

图4(a)-(c)示出了改进的混合机械透镜第一级阵列与透镜元件的朝向地平面倾斜以扩展天线的扫描性能的附加的第二级阵列(“裙部”)，以及相关曲线图。

图5(a)-(l)示出了混合机械透镜阵列的变型与将透镜模块的第一级阵列和第二级阵列进行倾斜的不同方法和组合，以及相关曲线图。

图6(a)-(c)示出了混合机械透镜阵列以及相关曲线图，该混合机械透镜阵列具有第一级阵列和指向相反方向的两个第二级阵列，以允许将选择性增益添加到阵列的任一侧并增加操作灵活性。

图7(a)-7(c)示出了没有机械旋转的情况下在平面阵列周围添加透镜裙部的效果，以及相关曲线图。

具体实施方式

本公开涉及对透镜阵列天线诸如例如美国专利No.10,116,051中的平面透镜阵列的特定设计增强，以支持设计简化、成本降低和围绕视轴与扫描天线增益性能之间的权衡的增加的设计灵活性。'051专利的全部内容通过引用并入本文。

参考图1(a)、1(b)，示出了基部混合机械透镜阵列天线组件101(侧视图图1(a)，俯视图图1(b))。该天线被称为混合天线，因为它使用电波束成形和机械转向的组合来将波束指向整个视场。天线101包括基本为平面的透镜阵列120、壳体105、旋转平台109和旋转致动器107。透镜阵列120由多个透镜模块121(以下有时称为透镜)形成，多个透镜模块被布置成彼此基本为平面的，使得阵列120基本为平面的，即，使用平铺在平面上的非球面透镜。在一种示例实施方式中，透镜模块121可以具有平坦的底部表面和略微弯曲或弯曲的顶部表面，但每个单独的透镜模块的大小提供所有透镜模块121的基本为平面的整体组合顶部表面。参考图1(b)，透镜模块121可以是圆形的，但可以使用任何合适的形状，诸如六边形。致动器107使阵列120围绕101的竖向轴线旋转，使得天线101可以将波束指向透镜模块121的任何方位角方向，该透镜模块仅能够在方位角轴线的有限子集上进行扫描。阵列120可以被配置为在不同应用中在被致动器107旋转时由旋转平台109以固定角度倾斜，如以下将关于图4-7更充分讨论的。可以使用任何合适的致动器107，诸如美国公开No.2020/0091622中所示的致动器，该美国公开的全部内容通过引用并入本文。

天线101被安装在下面的支撑平台103的平坦表面上。例如，支撑平台103可以代表塔、建筑物屋顶或汽车、船、公共汽车或其他可能需要安装天线的载具(vehicle，车辆、交通工具)的顶部。平台103可以但不一定是水平的，在这种情况下，终端的视轴方向和扫描角度与平台的定向和天线101的最终定向有关。天线组件101还包括：壳体105，其机械地支撑结构的其余部分(但不是RF透明的)；以及RF透明的天线罩111，其被可移除地附接到105，保护天线不受元件的影响，并允许RF信号传播通过。壳体105可以经由螺栓或其他固定装置被直接连接到平台103。壳体105和天线罩111共同形成容纳天线(例如，透镜121、平台109和致动器107)的封闭或密封的外壳，以防止湿气、灰尘和环境碎屑与天线的电气部件和机械部件相互作用。

旋转平台109可以相对较薄并且具有平坦的顶部表面和平坦的底部表面。透镜阵列120被安装到旋转平台109的顶部表面，使得透镜模块121的平坦的底部表面直接或间接地(例如，透镜模块121可以位于平坦的基板上和/或耦接到平坦的基板)与旋转平台109的平坦的顶部表面接合。旋转致动器107具有基部构件和从基部向上延伸的连接器。在一种示例实施方式中，连接器可以相对于基部构件枢转和/或旋转。连接器具有平坦的顶部表面，该顶部表面被固定地连接到旋转平台109的平坦的底部表面。在另一示例实施方式中，连接器可以相对于基部构件旋转，但不枢转，而是旋转平台109以固定的或可调节的角度固定地连接到连接器的平坦顶部表面。

因此，阵列120中的透镜模块121被固定地安装在旋转平台109上，并且基本上正交于旋转平台109和支撑平台103的平面面向。由这些透镜模块121传送的波束也基本上与旋转平台109和支撑平台103的平面正交。旋转平台109被固定地安装到致动器107的连接器，致动器107的基部被固定地安装到壳体105的底部表面。旋转致动器107枢转地和/或旋转地将旋转平台109安装到壳体105，壳体又被固定地安装到支撑平台103。特别地，如图1(b)的箭头所示，旋转平台109可以绕天线101的中心轴线轴向地旋转。

图1(c)示出了相对于θ扫描角的增益曲线(以极坐标绘制)。该扫描曲线以标称φ值示出，并且随着旋转致动器107将阵列120定向在不同方向上，对于每个φ(方位角)角都将是相同的。这允许阵列内的透镜模块使用仅允许在方位角子集上进行扫描的馈源(见图2(b、(c))(即，透镜不能在360度上而仅能在方位角(φ)(例如)+/-90度扫描)。使用仅足够的馈源来支持有限的方位角扫描，允许减少和优化馈源的总数(以及因此降低成本)，同时在机械致动器的帮助下保持整个天线扫描范围。该曲线图示出，对于这种透镜的布置，天线的最高增益在视轴(θ＝0度)处，其中增益平滑下降至约65-70度的最大可用扫描角度。

与大多数电转向天线类似，视轴至70度之间的6至10dB的增益下降是常见的。扫描时增益减小是有效孔径面积减小的结果(当从70度观察时的阵列120的投射面积小于较小扫描角度处的投射面积)。减小的增益表明，与视轴相比，以扫描时的角度接收的信号的信号强度较低。此一般行为符合所有波束-转向天线的预期行为，并不是与该天线不同。

参考图2，透镜模块121本身每个都具有RF透镜201、馈源板203、多个馈源205和安装结构207，模块121通过该安装结构被附接到旋转平台109。透镜201被示出为具有圆形轮廓，并且馈源与透镜间距很近，但是在本公开的范围内可以提供任何合适的馈源的轮廓形状和间距。例如，可以利用不同的轮廓以及透镜201和馈源板之间的非零间隙。

参考图3，示出了可以与透镜阵列天线101一起使用的馈源105的不同示例配置和布置。在各个透镜天线(例如，透镜阵列120中的透镜模块121)或反射器天线中，馈源的位置和数量决定了所得天线波束可以指向的角度范围。例如，具有固定在抛物面反射器焦点处的单个馈源的典型反射器天线可以产生与反射器正交的单个波束。以同样的方式，具有在焦点区域中心处的单馈源的透镜模块121可以产生与透镜正交的波束。然而，在焦点区域内横向移动馈源会使波束在焦点区域内以与馈源的x/y位置相关的θ/φ角度移动。在透镜的焦点区域内添加多个馈源允许实时地选择特定馈源以生成沿期望方向的波束，以及组合来自相邻馈源的信号以允许对波束方向和属性进行微调。在以下讨论中，图3(b)、(d)、(f)、(h)是θ/φ间距的俯视图，其示出了相关馈源配置的可访问扫描角度。

在图3(a)中，完全填充透镜的焦点区域303允许其将波束指向透镜视场内的任何方向。如图所示，馈源板301上的圆形焦点区域303被馈源完全充满。使用馈源板301的透镜模块121A的可用扫描范围和相对增益强度303由图3(b)示出，其中，θ/φ图对于透镜可以指向波束之处的θ/φ的所有组合都绘有阴影，其中信号最强的地方阴影最深。信号在视轴(图3b的中心)处最强，因为透镜在零扫描(θ＝0°)处具有最强增益。

在所有情况下，馈源形成规则或一般均匀(六边形或直线)的网格，其中，馈源的间距取决于透镜的特性，并且通常(但不排他地)相隔天线的运行频率处的大约半个波长，以获得最佳的扫描性能和所得波束的分辨率。

与图3(a)相比用于减小的角度扫描覆盖范围的减少的馈源数量和成本的替代馈源布置的若干示例广义类别在图3(c)、(e)和(g)中示出，其对应的角度扫描范围在图3(d)、(f)和(h)中示出。

参照图3(c)，具有馈源板311的透镜模块121b示出了大约一半焦点区域303填充有馈源205，与121a相比具有成本较低(由于支持馈源的数量减少，所需的电路更少)的益处。更具体地，馈源205以半圆形方向图被布置在馈源板301的上半部。该配置使得扫描范围313覆盖大约上半球，加上下半球的小区域。该透镜模块121b不能扫描φ间距(如图所示，限制为仅能够对-90°<＝φ<＝90°进行电扫描)，除非经由阵列整体下方的旋转致动器107通过添加方位角平面机械旋转。然而，如图所示在上半球内进行二维电子扫描的能力大大降低了机械致动器107所需的扫描速度和准确度。

在这种情况下，致动器107可以旋转透镜121b以跟踪目标的移动，足以将所需的波束目标保持在可访问区域313内，而不需要像用于SATCOM目的的传统万向天线所要求的那样，以0.2度的准确度跟踪目标卫星或通信目标。即使机械致动器中存在大量(>1-5度)指向误差，天线作为一个整体也将通过电子扫描满足所需的准确度和快速扫描响应时间，并通过致动器107所支持的旋转来访问全范围的φ角。使用该模块121b构建的全天线101可以支持连接到不同卫星的多个波束，因为包括有模块121b的阵列120的机械旋转只需要将覆盖区域的中心指向两个或更多个卫星的中点。三个或更多个卫星(特别是始终位于天线的全北面或全南面的地球同步卫星)中的任意两种以及更多种配置可以通过这种配置进行同时寻址。

参考图3(e)，可以进一步减少馈源205的数量，如使用馈源板321的模块121c所示，该馈源板仅使用从中心附近开始并延伸到焦点区域303边缘的单行馈源。如图3(f)所示，在覆盖范围323中，该配置允许透镜模块121c仅在+/-5-15度(取决于相对于波长的透镜尺寸和其他属性)的窄方位角(φ-轴线)锥形内进行扫描，而不是在由透镜201和焦点区域303支持的整个扫描角度范围上。对于该透镜模块121c，对方位角的依赖性比121b强得多，并且对于单个目标仅单个波束是合理可用的。可以生成多个波束，但它们需要在方位角平面中在彼此的+/-5-15度内，这将是更具限制性的约束。

当透镜模块倾斜，使得透镜本身的视轴方向在相对于旋转轴线和天线整体的视轴方向的仰角平面中处于非零扫描角度θ时，情况121c(图3(e))上的变型是可能的。如果透镜模块121d(图3(g))向下指向地平面(或任何大于0度的θ角度，但通常在45至70度之间)，则透镜下方的馈源行205可以被移动至焦点区域303的中心并且仍然覆盖相同的角度范围。倾斜透镜并移动馈源以匹配的益处是，透镜平均以较低的扫描角度θ操作，从而以增加的增益操作。即，用于倾斜透镜模块121d的馈源板331上的馈源205在焦点区域的中心处彼此相邻，并且不延伸到焦点区域303的边缘，而不是如121c中那样从焦点区域的中心延伸到焦点区域的边缘。这移动了仰角平面中从透镜模块121d所获得的最高增益的位置。如覆盖范围333所示，最高(最暗阴影)增益出现在0至θ_max之间。如以下将关于图4-7更充分讨论的，透镜的倾斜角度控制元件方向图的最大增益角度。

在所有这些情况下，通过从透镜组件121a移除馈源元件(例如)以获得修改的配置(诸如透镜121c)来降低馈源205的数量，减少了透镜模块121的扫描范围，但不会直接减少或影响透镜模块在剩余的可访问扫描范围内的增益。由于馈源仅在天线指向由馈源覆盖的方向时才会启用，因此移除馈源仅意味着无法启用该馈源(意味着天线不能指向由该馈源支持的方向)，而其余的馈源可以被正常选择和运行。在方位角方向上限制扫描范围的任何情况然后都需要透镜、馈源或整个阵列的机械旋转(通过致动器107)，以便将波束指向透镜的普通扫描范围内的任何位置(即，在对应馈源已被移除的方向上扫描)。在这些情况下，任何必要的运动都可以仅通过由旋转致动器107驱动的单个轴线的低分辨率、相对低准确度的旋转运动来完成，而不是万向SATCOM抛物面反射器天线所需的多维高精度致动器。此处，相对于多轴线万向卫星通信抛物面天线所要求的对低分辨率和低准确度进行了评估，其要求所有轴线的准确度始终优于0.2度，并且对跟踪速度和加速度有非常高的限制以跟踪平台103和潜在的卫星运动两者。

参考图4，天线组件401的另一示例实施方式(图4(a)中的侧视图，图4(b)中的俯视图)示出了将阵列120中的透镜模块121分成由多个透镜模块121c(图3(e)，尽管它也可以与图3(a)、(c)、(g)中所示的透镜121的配置一起使用)组成的第一级阵列421，以及由多个倾斜的透镜模块121d组成的第二级阵列或裙部阵列423。旋转平台409具有第一级部分409a和第二级部分409b。第二级部分409b相对于第一级部分409a在仰角上成角度或倾斜，并且具体地第二级部分409b相对于第一级部分409a向下成角度。第一级部分可以是薄的平坦平面板，第一级透镜模块121e的第一级阵列421被安装到其。第一级部分409a在基本平行于壳体105的底部的平面和支撑平台103的平面的第一级平面中。第二级部分409b是薄的平坦平面板，第二级透镜模块121d的第二级阵列423被安装到其。第二级部分409b在相对于第一级平面成角度或倾斜的第二级平面中，形成围绕阵列的左部面(在所示的实施方式中)的裙部。

因此，在图4的示例实施方式中，第二级部分409b部分地围绕旋转平台409的第一级部分409a的外部外围或周边部分延伸。第二级部分409b可以具有弯曲形状，诸如部分的C形，或者可以具有新月形或其他合适的形状。第一级部分409a和第二级部分409b一起形成完整的圆，但可以使用任何合适的尺寸和形状，无论部分409a、b的形状和尺寸是否彼此匹配或对准。并且第一级部分409a可以与第二级部分409b一体，或与第二级部分分开并耦接到第二级部分409b。此外，第二级部分409b可以从与第一级部分409a对准且共面的第一位置以及相对于第一级部分409b成角度或倾斜——诸如围绕铰链——的第二位置移动，或者被固定在适当的位置。

如图4的示例实施方式所另外说明的，第二级部分409b可以被布置成使得由第二级透镜模块121d中的馈源板331所限定的馈源和扫描范围与第一级阵列421中的第一级透镜模块121c的馈源板321上的馈源205的行的扫描轴线对准。因此，第二级部分409b在第一级部分409a的侧面与下方。阵列421、423两者继续被支撑并与旋转平台409一起旋转。来自第一级和第二级阵列元件121e、f的信号在发射或接收操作中组合以形成单个波束。并且，尽管仅沿第一级阵列421的周边的一部分示出了单个第二级阵列423，但是可以提供任意数量的第二级阵列423，其同第一级阵列421(如图所示)连续且邻近(即，尽可能接近以邻近和/或接触第一级阵列)，或者与第一级阵列421隔开一间隙或距离，并且可以沿着第一级阵列421的进入外部外围或第一级阵列421的比所示更小的部分延伸。

分成两个阵列421、423并将第二级阵列423配置为部分围绕阵列周边的裙部的效果是，在接近裙部的倾斜角(通常相对于视轴在45至70度之间)的扫描角度处，第二级(裙部)阵列423中的透镜模块121d几乎与所需波束瞄准，因此不会像第一级阵列421中的透镜模块那样遭受扫描损失。因此，第一级部分在第一级平面中以及第二级部分在第二级平面中，并且这些平面彼此成大约45-70度的锐角。因此，这些平面成一角度彼此偏移。如图4(c)所示，由于视轴-指向的透镜的数量减少，与原始平面参考阵列101的性能125(虚线所示)相比，第一级阵列421的视轴处的增益425有所下降。然而，扫描增益显著提高。尽管与第一级透镜121c相比，裙部中的第二级透镜121d的数量可以相对较少，但在(例如)0至70度之间所见的较大扫描损失足以允许较少数量的透镜在远扫描角度处增加对性能的显著提升。这具有使增益滚降曲线变平坦，以及增加扫描角度的效果，为了增加扫描角度，增益足够高以满足给定阈值(诸如3dB、4.5dB、7dB等)。

有趣的结果是，透镜模块本身的原始滚降(视轴和扫描增益之间的差异)越差，裙部第二级阵列423在扫描时可获得的影响和增益改进就越好。这意味着裙部阵列423应该以第一级阵列421的扫描θ_max(在333中)的边缘为目标或接近它，以最大化改进同时最小化所牺牲的视轴增益。这意味着以低扫描角度，诸如30度，为目标的裙部将提供很少的明显益处，因为30度的扫描损失通常为小到中等，并且以超出第一级阵列421的扫描范围的裙部阵列为目标(诸如约超过70度或甚至75-85度)将需要裙部阵列非常大以便保持性能，因为它将不再辅助第一级阵列。由于这些原因，裙部的最佳角度在45至70度之间，因为较小的角度显示出较小的益处，而较大的角度超出了第一级阵列的支持范围。

还应当注意的是，第一级阵列421和第二级阵列423的相对尺寸(以透镜模块的数量以及孔径面积来衡量)受到一些限制。当裙部中的透镜数量大约为第一级阵列中透镜数量的3-9dB(1/2到1/8)时，裙部的影响最大。取决于第一级阵列421中模块的数量，这可以通过一个或多个堆叠的裙部层来满足；单层更方便，因为多层(虽然是可能的)会增加天线的高度，因此不太理想。如图4所示，这为实际上可以包括有效单层裙部的阵列的尺寸设置了上限。透镜的数量随着孔径直径的平方而增加，但裙部中可用的透镜数量(与周长成正比)仅随孔径直径呈线性增加——在较大的阵列中，裙部相对于第一级阵列所具有的元件非常少，以至于几乎没有影响，也没有用。在一种示例性非限制性实施方式中，第二级阵列423中的透镜模块的一部分在第一级阵列421中的模块数量的12-35％之间。例如，50个透镜中的12个，或38个中的8个(如图4b所示)是合理的比率。

为了将天线的仰角平面扫描范围扩展到单个透镜201和透镜模块121的范围之外，还需要修改第一级阵列。参考图5，示出了一组四个示例变型，其增加了终端的扫描范围。对于可以扫描到60或70度的各个透镜模块，这些方法可以使天线能够在仰角平面中以良好的性能扫描到80或90度。

变型天线组件500(图5(a)中的侧视图，图5(b)中的俯视图)使用第一级阵列521和第二级阵列523，但在第一级阵列521中通过修改旋转平台509将所有透镜121c(图3(e))，尽管这也可以与图3(a)、(c)、(g)中所示的透镜121的配置一起使用)稍微朝向地平面倾斜。如图所示，透镜121c相对于壳体103的底部表面和支撑平台103成一角度或倾斜放置。如图所示，平台509的顶部表面形成有呈锯齿型布置的成角度的脊或架，并且透镜121c被安装到顶部表面的成角度的侧部。当然，可以利用任何其他合适的技术以相对于平台509的中心平面或壳体105的底部平面或支撑平台103成一角度来定位一个或所有透镜121c。例如，旋转平台509的顶部表面可以是平坦的，并且架可以被安装到旋转平台509的顶部表面，或者透镜模块121c可以具有使透镜201成角度的基部。

成角度的透镜121c将覆盖区域向地平面移动倾斜量。这由图5(c)中的覆盖范围525示出。在没有一个透镜阻挡相邻透镜的情况下，可以单独地向透镜施加多少倾斜是有限制的，并且由于透镜的几何形状，这种方法很难在超过75度的情况下产生整体改进的性能。如在天线组件401中一样，组件500中的第二级阵列523继续支持远扫描处的扫描响应。该变型的显著影响是天线视轴处的增益不再是最高的。

天线组件530的示例变型(图5(d)中的侧视图，图5(e)中的俯视图)示出了使用旋转平台539将整个第一级透镜阵列531倾斜，同时保持第二级透镜阵列533的效果。即，在一种非限制性实施方式中，平台539以一角度被固定地安装到致动器107。在另一实施方式中，致动器107可以将旋转平台539倾斜或枢转，使得旋转平台的一端高于另一端。倾斜整个阵列显著增加了系统高度，但不会造成第一级阵列中相邻透镜模块121c之间的阻塞。增益性能535(图5(f))比单独倾斜透镜525略好，但显示出类似的表现。

前面两种方法可以结合使用；示例变型天线组件540(图5(g)中的侧视图，图5(g)中的俯视图)示出了倾斜除了第二级裙部阵列543的整个第一级阵列541以及阵列内的透镜121c的影响。第一级阵列541和第二级阵列543都由旋转平台549支撑在期望位置。这种方法允许在第一级阵列541中的相邻透镜121c之间没有阻塞的情况下扩展天线扫描范围，并且还支持扫描范围中间的扫描性能。随着扫描范围增加，壳体105的位置和高度以及天线罩111的发射角响应可能成为限制因素。如代表性覆盖图545(图5(i))所示，该配置提供了最大化扫描处的性能的机会，作为在视轴处显著降低性能的交换。

另一示例变型天线组件550(图5(j)中的侧视图，图5(k)中的俯视图)示出了两个第一级阵列551和552的组合，其中551指向一个角度，552以不同的角度倾斜，最后应用了裙部第二级阵列553。可以调整这种组合(以及其他类似的组合)以产生特定的扫描曲线；覆盖范围555(图5(l))示出了在20至70度之间几乎平坦的增益的示例。对每个阵列551、552、553中的透镜模块121c和121d的相对数量的改变以及所包括的倾斜度或其他影响可以用于成形和控制天线550整体经历的增益滚降。因此，如本文所示，同一阵列(例如，第一级阵列或第二级阵列)内的透镜121不需要在相同的方向上指向或成角度，而是可以在不同的方向上指向或成角度或倾斜。即，透镜551在第一方向上成角度而透镜552在不同的方向上成角度，两者都被安装在旋转平台559上。此外，透镜551可以在与透镜552相反的方向上(例如，在所示实施方式中向右)成角度。

参考图6，可以使用透镜模块121的单个第一级阵列621以及在不同方位角方向上定向的两个第二级阵列622和623来构造天线601，此处(图6(a)中的侧视图，图6(b)中的俯视图)以相反的方向(φ＝0度和φ＝180度)示出。在这种情况下，裙部阵列622可以由配置用于仅接收的透镜模块组成，裙部阵列623可以由配置用于仅发射的透镜模块组成。这些限制可能是为了降低成本或复杂性，或者是由于电路中的基本限制。通过在阵列的相反侧上包括发射和接收裙部，天线的终端用户可以选择在接收增强625(通过旋转致动器107将天线朝向接收裙部622定向)或发射增强626(通过旋转致动器107将天线朝向发射裙部623定向)模式任一者中具有性能(参考图6(c))。这种配置在高度受限的应用中最受关注，但需要操作灵活性，在高度受限的应用中，添加能够同时提供发射和接收性能的第二裙部层的高度是不可取的。

在上述每种情况下，旋转平台107被示出为第一级阵列和第二级阵列之间的一个整体。在所有情况下，分开的旋转平台可以用于第一级阵列和第二级阵列(例如，第一级阵列安装到第一级旋转平台，第二级阵列安装到第二级旋转平台，第二级旋转平台独立于第一级旋转平台旋转(在相同方向或相反方向上))，从而整体或分别地支撑每个透镜模块。分开的旋转平台(如果使用)可以与第一平台一体形成，或者与第一平台分开和分立，并且与第一平台固定地、可移除地和/或可动态旋转地耦接。例如，一个旋转平台可以被同心地定位在另一旋转平台的内部，或者在另一平台的顶部。因此，每个元件都可以与每个其他元件一致或分别地处于固定倾斜、或动态可调节地倾斜。第二级阵列中的透镜元件以与第一级透镜的倾斜角度相同或不同的角度倾斜。第一级阵列和第二级阵列都被机械地旋转以提供方位角扫描。

作为裙部概念的延伸，裙部第二级阵列可以被应用于具有第一级阵列721的固定或非旋转天线701(参考图7(a)中的侧视图和图7(b)中的俯视图)，第一级阵列由透镜模块121a组成，透镜模块具有完全填充有馈源205的焦点平面303。然后第二级裙部阵列723被径向地添加在第一级阵列721的周边上，由结构709支撑，并且由具有调整到裙部角度的仰角平面扫描范围的透镜模块121d组成。如滚降图725中所见，该透镜模块的布置效果(参见图7(c))是显著降低了视轴增益，但也使增益滚降平坦，以给出非常平坦的响应，其中仰角平面扫描角θ以视轴为中心。在第一级阵列721中添加额外的裙部层或向透镜模块121添加径向倾斜角，将裙部阵列转换为圆顶阵列，这允许进一步控制滚降曲线，以换取峰值增益的降低和天线高度的增加。

在以上所述的每种实施方式中，第一级阵列和第二级阵列每个都具有标准的电路和控制能力，以相对于旋转平台109的定向在命令的仰角和方位角单独地指向一个或多个波束。此外，还包括联合控制器和电路以组合来自分开的第一级阵列和第二级阵列的信号，以便从组合阵列形成单个波束。

在以上所述的每种实施方式中，安装平台和支撑台是具有平坦顶部表面的基本为平坦的平面构件，并且阵列的一个或更多个元件被固定或耦接到相应的平台或支撑台。然而，在其他实施方式中，平台和支撑件不需要是平面的。

另外注意，关于图1-7，致动器107在具有第一方位角的第一位置和具有第二方位角的第二位置之间旋转透镜121和平台109、409、509、539、549。根据特定应用的需要，第一方位角可以不同于第二方位角、与第二方位角重叠、或为第二方位角的子集。不同的位置使用户能够实现最高达完全360度的期望的扫描覆盖范围。并且，平台109、409、509、539、549可以以第一角度或不同于第一角度的第二角度被固定到致动器107。第一角度或位置可以具有第一仰角，以及第二角度或位置可以具有与第一仰角相同或不同的第二仰角。例如，关于图3(c)，致动器107可以从图3(c)所示的透镜在上半部分的第一位置和透镜在下半部分的第二位置旋转透镜121b，以提供完整360度扫描覆盖。

此外，在一种实施方式中，致动器107可以被手动旋转并固定在适当的位置。并且旋转平台409的第二级部分可以形成为与旋转平台409的第一级部分成固定角度。然而，在另一实施方式中，可以提供处理设备诸如控制器、处理器、计算机等，以在用户的控制下或自动地控制致动器107的旋转。并且，旋转平台409的第二级部分409b可以枢转地或可旋转地耦接到旋转平台409的第一级部分409a，诸如例如通过铰链，并且用户可以相对于第一级部分409a在第一角度和第二角度之间手动地将第二级部分409b旋转至合适的角度或成平面，或者处理设备可以自动或在用户控制下控制该移动。同样地，平台509的顶部表面可以以固定角度一体形成，或者可以相对于平台509枢转以手动地或通过处理设备来单独调节。

以上所述实施方式将阵列和孔径描述和示出为圆形或近似圆形。圆形阵列在使用旋转时很方便，因为圆形孔径在旋转结构穿过的区域大小的增益方面是有效的(例如，与矩形相比)。然而，上述细节可以应用于任何形状和轮廓的阵列和天线。

可以使用任何频段，最灵活的系统是当天线和系统可以在不同的频段处操作和收听不同的频段时。然而，以多个频率运行的电转向天线难以构建且价格昂贵。因此，大多数实际系统将在单一频段处操作，最常见的通信系统频段是用于VSAT操作的Ka和Ku。

本公开虽然主要被描述为用于卫星通信目的，但可以应用于通信和遥感中的不同应用，诸如可重构或移动点对点微波链路、雷达、5G等。

如在本说明书和所附权利要求书中使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式。类似地，形容词“另一个”在用于介绍元件时旨在表示一种或更多种元件。术语“包括、“包含”、“具有”和类似的术语旨在是包含性的，使得可能存在除所列元件之外的附加元件。

此外，在以上描述的方法或以下的方法权利要求没有明确要求其步骤遵循的顺序，或顺序基于描述或权利要求语言没有要求的情况下，不旨在推断任何特定顺序。同样，在以下方法权利要求没有对以上描述中提到的步骤进行明确叙述的情况下，不应假定该步骤是权利要求所要求的。

应注意的是，说明书和权利要求可以使用几何或关系术语，诸如右、左、上、下、顶部、底部、线性、弯曲的、平行的、正交的、同心的、新月形的、平坦的、平面的、共面的等。这些术语并非旨在限制本公开，并且通常为了方便而使用以有利于基于图中所示示例的描述。此外，几何或关系术语可能不准确。例如，由于例如表面粗糙度、制造中所允许的公差等，壁可能不完全平行于彼此，但仍然可以被认为是垂直或平行的。

本领域技术人员将容易想到本系统和方法的多种应用。因此，不希望将本发明限制于所公开的具体示例或所示和所述的确切构造和操作。相反，所有合适的修改和等同物都可以落入本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种天线系统，包括：

a.射频透镜模块的基本为平面的相控阵列，所述透镜模块中的每个透镜模块在第一方位角进行电子扫描，以及

b.机械致动器，所述透镜模块被安装到所述机械致动器，所述机械致动器机械地旋转所述透镜模块以在第二方位角进行扫描。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述第二方位角与所述第一方位角重叠或不同，以在组合的360度上进行扫描。

3.根据权利要求1或2所述的天线系统，其中，每个透镜模块以仰角相对于所述致动器朝向所述第一方位角单独地倾斜。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的天线系统，还包括连接到所述致动器的旋转平台，其中，所述阵列被安装到所述旋转平台并且所述旋转平台相对于所述致动器朝向所述第一方位角倾斜。

5.根据权利要求4所述的天线系统，其中，每个透镜模块以仰角相对于所述旋转平台朝向所述第一方位角单独地倾斜。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的天线系统，其中，所述透镜模块在仰角平面中进行电子扫描。

7.一种天线系统，包括：

a.射频透镜模块的第一级相控阵列，所述透镜模块中的每个透镜模块在第一方位角进行电子扫描，以及

b.射频透镜模块的第二级相控阵列，其中，每个透镜模块以仰角相对于所述第一级相控阵列朝向所述第一方位角倾斜。

8.根据权利要求7所述的天线系统，还包括机械致动器，所述第一级阵列和所述第二级阵列中的所述透镜模块被安装到所述机械致动器，所述机械致动器机械地旋转所述透镜模块从指向所述第一方位角到改为在第二方位角进行扫描。

9.根据权利要求7-8中任一项所述的天线系统，其中，所述第二级阵列中的元件被安装在所述第一级阵列的周边上。

10.根据权利要求7所述的天线系统，还包括机械致动器，仅所述第二级阵列中的所述透镜模块被安装到所述机械致动器，所述机械致动器机械地旋转所述透镜模块从指向第一方位角到改为在第二方位角进行扫描。

11.根据权利要求8所述的天线系统，其中，所述第二方位角与所述第一方位角重叠以在组合的360度上进行扫描。

12.根据权利要求8、11所述的天线系统，其中，每个透镜模块以仰角相对于所述致动器朝向所述第一方位角单独地倾斜。

13.根据权利要求8、11-12中任一项所述的天线系统，还包括连接到所述致动器的旋转平台，其中，所述阵列被安装到所述旋转平台并且所述旋转平台相对于所述致动器朝向所述第一方位角倾斜

14.根据权利要求8、11-13中任一项所述的天线系统，其中，每个透镜模块以仰角相对于所述旋转平台朝向所述第一方位角单独地倾斜。

15.根据权利要求7-14中任一项所述的天线系统，其中，所述透镜模块在仰角平面中进行电子扫描

16.一种天线组件，包括：

a.平台，其具有第一级部分和第二级部分，所述第二级部分成角度以相对于所述第一级部分偏移；

b.第一级透镜阵列，其被安装到所述平台的所述第一级部分，所述第一级透镜阵列具有多个第一级天线透镜组件；以及

c.第二级透镜阵列，其被安装到所述平台的所述第二级部分，所述第二级透镜阵列具有多个第二级天线透镜组件，由此所述第二级透镜阵列成角度以相对于所述第一级透镜阵列偏移。

17.根据权利要求16所述的天线系统，还包括致动器，所述致动器被耦接到所述平台，用以旋转所述平台以提供所述第一级透镜阵列和所述第二级透镜阵列的方位角转向。

18.根据权利要求16或17中任一项所述的组件，所述第一级部分具有第一级平面，所述第二级部分具有第二级平面，所述第二级平面与所述第一级平面成30-70度的角度，所述第二级部分在所述第一级部分的下方和侧部。

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