CN1254448A - 用于异步卫星群的终端－天线设备 - Google Patents

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杰拉德·凯勒
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Abstract

本发明涉及一种向或从在异步卫星群中所选择出来的卫星发射/接收无线电信号的终端－天线设备(1,10),包括:用于确定终端－天线视野中的卫星的位置的装置,将接收自或发向所选的视野中的卫星的准平面波聚焦向一焦面S的装置,及准球面波束信号的发射/接收初级源,它们根据异步卫星所确定的位置控制在聚焦球面上独立地移动。

Description

用于异步卫星群的终端-天线设备
发明涉及一种向在低地轨道上移动的卫星发射/接收数据的终端-天线设备。
终端-天线设备用于被置于从或朝向卫星群传输高比特率数据设备组的中间，它可以公用或私用，民用或军用。
该卫星群包括大量位于围绕地球低或中轨道上移动的卫星。在一传统的配置中，高度是800到1500公里，卫星在一系列的轨道平面上具有均匀的角度间隔，以及例如8个卫星在每一个轨道上彼此间隔开45°，和8个非常倾斜的环绕地球轨道平面，以使得全球所有点总是能够看到至少两个甚至是三个卫星。对于卫星低轨道的选择主要是由相互作用的需要和高数据通量以及由接收机所接收的功率决定的，不是由通过同步轨道朝向网络接入中心站的传播时间决定。相反，该选择导致了卫星的快速移动，一颗位于1500公里轨道上的卫星在地面的一点上只能被看到10分钟左右。
在减少卫星数量并能保证地面终端通讯连续的目标下，对于所述终端需要能够在尽可能长的时间内跟踪卫星，所以最好是直到地平线。对于这些终端的第二种情况是能够非常快速地将通讯链路从一个达到地平线的卫星摆向另一个可视的卫星。最后，对于发射和接收的波束，天线的增益必须是30分贝的量级。
对于该问题有多种解决方案。第一种解决方案是使用电子扫描天线，但角度覆盖区太大(方位从0到360°，俯仰10到90°)，该解决方案需要一系列昂贵的有效部件：移相器，用于弥补损失的、位于发射部件和移相器之间的、接收和发射功率的低噪声放大器，以及分路器/合路器的放大器。它们的成本是非常高的。
另一个来自于军事领域的、能够进行多个穿越地平线的移动目标跟踪的解决方案在专利US3755815中被披露，它同样发表于微波杂志(75年10月第31-34页)。它是使用发射机有效部件阵列与一个介电材料穹形透镜相结合，能够偏转波束直到地平线及之外。该解决方案的主要缺陷是由于几百个有效部件的阵列需要而使得制造成本太高。
其他的通过介电透镜或波导透镜的应用而得到的无线电波束偏转装置是公知的，例如在《罗和李(Lo and lee)-天线手册》中所披露的，但其技术上的限制是其偏折角较小，大约在透镜轴周围10°左右，而且不能跟踪目标。
我们还知道，在微波天线领域(见申请PCT WO 8809066)，天线包括一个平面阵列天线，它与一个微波聚焦透镜相连，并且与位于焦球面部分的定位天线源相连，以便获得波束希望的方向。该天线具有这样的缺陷，由于其辐射表面是平面阵列，天线的方向性对于较小的俯仰角有剧烈的减小(对于10°的俯仰角大约是-7.6分贝)，而我们这里寻求的是恒定的方向性。
因此本发明的目的在于提供一种简单、紧凑和制造便宜的设备，它能够保持从和朝向异步卫星群的高比特率通讯。
因而本发明提供了一种向和从至少一个远距发射机/接收机系统发射和接收无线电信号的天线设备，该发射机/接收机系统在空间中运动并且对于所述天线设备是可见的，该天线设备包括一个透镜，用于聚焦准平面波，该波束为所述远距发射机/接收机所发射，所述装置具有一个焦球面S，至少一个准球面波束信号的发射/接收初级源，该源在球面部分S上运动；
其特征在于它包括：
a)偏转透镜，用于偏转由远距发射机/接收机发射或接收的准平面波；
b)伺服装置，用于伺服每一发射/接收初级源到远距发射机/接收机的已知位置。
该聚焦和偏转透镜的组合能够产生平面波束以及使该波束向地平线的偏折，所述波束由位于聚焦透镜焦球面上一点的发射/接收初级源所发射或接收，该焦球面对应于每一时刻卫星的位置。
本发明特别地提供一种向和从至少两个远距发射机/接收机系统发射和接收无线电信号的终端-天线设备，该发射机/接收机系统在空间中两个不同的点运动并且对于所述终端-天线设备是可见的，其特征在于它包括：
a)用于确定所述远距发射机/接收机在给定时刻的视觉位置的装置；
b)用于选择远距发射机/接收机的装置；
c)一个前述的天线，包括至少两个发射/接收初级源；
d)导引装置，用于导引发射/接收初级源在焦球面S上的移动，以避免初级源相撞；
e)用于在初级源之间进行切换的装置。
因此我们能够达到维持与异步卫星群的数据连续传输。发射/接收初级源的数量减小到仅有两个，带来了天线总成本的大量减小。另外，在该配置中设备的尺度小于两个卡赛格林(Cassegrain)天线的解决方案。所以我们的到了一种要比以前设备简单多的工具，它可以以传统方式布置在屋顶上，其制造成本也很低，因此该类型天线可以用于特殊的用途。
根据发明的一个特别实施例，准球面波束形信号的发射/接收初级源在聚焦透镜的焦球面的一部分上构成一个可移动的喇叭天线。
根据一最佳实施例，发射/接收初级源通过一对方位/倾斜马达的作用，其每一个都能移动。
该设备通过传统部件的应用既简单的机械布置可以获得较小的制造成本。
根据一最佳实现形式，将准平面波聚焦为准球面波的透镜是一种具有大范围扫描的多焦点聚焦透镜。
更特别地，通过波束发射/接收初级源在其焦球面上的移动，使得扫描范围相对于聚焦透镜的旋转对称轴大于30°。
该设备能够使用简单的技术达到大范围的扫描。
根据一最佳变化，聚焦透镜以一种介电凸透镜的方式被实现。在另一种变化中，聚焦透镜以一种波导凹透镜的形式被实现。
这些基于比较便宜的常用材料制成的聚焦透镜实现模式与以前某些解决方案中所应用的有源部件阵列相比，还能够减小设备的成本。
根据一最佳实施例，准平面波偏折透镜采用介电穹形透镜的形式。更精确地说，该穹形透镜一般具有半圆形平均剖面。
该实施例同时产生了一种直到水平面的波束偏折能力，另外还能具有一个天线罩保护装置。
根据最佳实施例，透镜的至少一个包括一个匹配层(对应于波长的四分之一)。该匹配层最好由折射率等于透镜介电折射率平方根的介电材料构成。根据另一个变化，匹配层具有一个等于所应用波长四分之一的厚度，并且具有多个盲孔。
该匹配层用于减小损失及由介电透镜表面反射现象产生的耦合。
后面给出的发明最佳实施例的描述和附图将是我们能够更好地理解发明的目的和优点。该描述很明显地是一种例子，但并不局限于此。在附图中：
-图1简要地示出了根据本发明的终端-天线，以及其中所布置的卫星数据传输系统部件；
-图2更加精确地示出了根据本发明的天线的主要构成部件；
-图3简要的示出了发射/接收初级源在聚焦透镜的焦球面部分S上通过一对方位/俯仰马达移动的机械系统的实施例；
-图4示出了发射/接收初级源的信号的转换的电路的最好布置；
-图5示出了该布置的一种变化；
-图6是发射/接收初级源在聚焦透镜的焦球面部分上通过一对方位/俯仰马达移动的机械系统的第二实施例的简图；
-图7是通过马达对X/Y，发射/接收初级源在聚焦透镜聚焦球面部分移动的机械系统的一个实施例的简图；
-图8是发射/接收初级源的实施例的透视(图10a)和剖面(图10b)简图；
-图9是图6的机械装置的图示，在其上布置有适于图8实施例的发射/接收初级源；
-图10是发射/接收初级源在聚焦透镜的焦球面部分上通过方位/俯仰和X/Y马达对移动的机械系统的实施例的简图；
-图11是发射/接收初级源在聚焦透镜的焦球面部分上通过摆动轴马达对移动的机械系统的实施例的简图，仅有一个源是活动的(active)；
-图12是图11实施例的图示，其中两个源是活动的。
-图13到15示出了聚焦透镜的三个变化的剖视图；
-图16简要的示出了偏转透镜的双曲线形的变化；并且
图1示出了对于两个在围绕地球5的轨道4上运动的卫星2，3的天线1。卫星轨道是确定的并且很早就知道的。尽管由于残余大气阻力，太阳辐射压力或姿态控制的原因会出现一定的变化(限于大约+-0.5°)，这些可以通过卫星发动机进行规律性阶段矫正。这些卫星配备有接收天线以及发射天线6，7，它在直接波束8，9中发射强功率信号。
一个使用数据传输系统的个人或企业配备一个终端-天线，它一方面包括如同传统电视卫星天线一样固定地布置例如屋顶上的天线1。该终端-天线还包括保证卫星跟踪，无线电信号发射和接收以及用户拥有授权(预定)的加密信息编码的电子控制器10。终端-天线还同一个微机PC类型的运算器11相连，它包括一个非易失性存储器设备，一个键盘12和屏幕13。微机存储器设备包括一个构成卫星轨道信息(星历表)的纪录装置，和一个在给定时刻根据这些轨道信息和终端-天线地理位置(经度，纬度)，计算那些卫星在视野中并且是什么样的本地地理角(方位，俯仰)的软件。
在该实施例中，终端-天线1，10还与一个电视14相连以控制发射的接收，所述电视能够配备一个摄像机15以便视频会议的应用，天线还连接到一个电话16和一个未示出的传真机上。通过终端-天线进行数据传送所必需的不同仪器被连接到连接器盒17上，连接器可以被连接到容纳有终端-天线电子控制装置的盒10上。
更详细地，根据发明的天线1在图2中被示出，并且在其最佳实施例中包括一个一个穹形透镜21，它能够将来自卫星的无线电波束偏折，卫星可能位于本地可见的空间中任意的方向上，从天顶直到地平线，波束被偏折向一聚焦透镜22，该透镜将接收自卫星的平面波转变为球面波(反之亦然)。天线1同样包括两个球面波束发射/接收初级源23，24，一个在该图上未示出的该发射/接收初级源的定位机械装置，以及一个支撑这些部件的机械结构25。位于初级源和透镜下面的设备被布置到圆柱形金属保护装置26中。
偏折穹形透镜21是公知的类型。它首先近似于特高频领域中的光学透镜。其作用是将倾斜角Θ2在0°和80°到85°之间准平面波束偏折到倾斜角Θ1在0°和30°到45°之间准平面波束。
该透镜是准半球形的。该种穹形透镜的原理在1975年10月的《微波杂志》中有描述。它通过特高频介电材料，例如热强无线电反射能力的硬化材料(介电常数ξ为10左右)模压而成。该种材料包括罗致(Rogers Corp)公司生产的《DuroidsTM(杜好意的)》TMM10类型(《热固性微波材料》，热固性材料)，或者爱么声和卡明(Emerson&Cumming)公司的K10。这些基于例如包含有特细陶瓷的PTFE(聚四氟乙烯，更加出名的是其商业名称TeflonTM(特氟隆))对于雨和恶劣的天气几乎是不敏感的，并且它具有足够的强度而不使风吹变形。因此它可以满足天线布置组件的天线罩保护器的作用。
由于所选择的波长(几个厘米)的原因，对于所获得形状的必要精度必须要达到毫米级，由于对于精度的要求不高(要比摄影仪器的透镜低的多)这就使得制造简单。
所选择高能偏折器能将扫描角放大2到2.7倍，因此能够将仅为30到40°内波束角实际扫描到地平线。上面的能量偏折器将会在表面上产生信号的部分反射现象，这会降低天线整体的性能。半球型透境内半径为25厘米，其可变的厚度根据所选者的材料折射率，在顶部约为3到5厘米，在边缘为3到7厘米。穹形透镜的外部剖面基本上接近于球形帽子。因此在所考虑的实施例中，天线罩外部直径大约为60厘米，这是一个与卫星电视接收天线相当的尺寸。
聚焦透镜22也具有一个介电材料构成的超高频透镜。它如同准光学透镜一样的方式工作，具有大于1的折射率(在介电质中的波长小于在真空中的波长)。因此该透镜的几何形状是凸的，它在《罗和李(Lo and lee)-天线手册》中被描述，例如在16-19到16-59页上。该透镜的作用是将倾斜角为0到35°的准平面波束转变为临近倾斜轴的准球面波束。
多焦点透镜能够通过初级源(发射和接收)的移动来获得较大的扫描(透镜轴周围30到40°)。对于非常细的波束的10°的扫描，该类型透镜在现有技术中是公知的，而外推到30到40°也不会带来特殊的问题，在这里也不需要特别注重聚焦天线的增益，因为其波束是非常大的，对于所述技术领域的技术人员而言，聚焦系统可能的扫描广度表现在波束宽度数量上。在这里，该透镜通过强介电常数(ξ接近10)的复合型材料可以很容易地模压制得。基于所使用的几个厘米波长的同样理由，所要求的模压精度仅是毫米的量级(相对于波长的比例，这要比在可见光谱中工作的透镜比例高的多)。对于实现穹形透镜21的前述复合材料同样可以用于实现该聚焦透镜22。介电透镜的选择能够得到宽大的通过波段，以及通向天线的大量数据比特率。
对于内直径为50厘米的穹形透镜而言，聚焦透镜的直径大约为35厘米。聚焦透镜被水平安置，其光学中心与半球型穹形透镜的光学中心重合。根据所选择材料精度的特点，该透镜的聚焦球面半径约为30到50厘米。
在该聚焦球面部分(典型地是在聚焦透镜轴周围35°)可移动地布置有两个球面波发射/接收初级源23，24。它们可以是例如卫星电视接收中典型的喇叭天线，在该接收中使用了抛物面反射器来照射的喇叭。
这里所使用的喇叭的特殊特点一方面与角度相关联，在该角度下可以看到聚焦透镜，另一方面与所使用的波长有关。当涉及到数据流量时，对于各种应用，从互动游戏，远程工作，远程纪录，互动视频，因特网类型的数据传输，必须要考虑到1到5兆级别的最大发送量以及更大级别的最大接收量，也就是说10到50兆。另外在该应用中喇叭的位置也会导致波束±30°的发散。在波束边缘接收会有-10到-15分贝的减弱，我们以传统的方法计算喇叭口的致敬，对于所使用的频段(Ku波段是11到14.3Ghz)是50到60毫米的直径。
图3示出了能够满足两个喇叭在球面部分移动的简单的机械布置，两喇叭的移动是独立地实现的。该布置主要包括一个双同心圆环32，33，及支撑喇叭23，24的吊架30，31。为保证在该构型中喇叭的自由轴所确定的球面部分正好对应于聚焦透镜22的焦点球，它通过一个这里未示出但是传统的机械支撑装置被置于双圆环的中心。
在该配置中，第一喇叭23通过一支撑喇叭24的布置“内部”的布置被移动。该第一喇叭23通过其上部与摆动装置30的由硬塑料制成的支撑结构相连，其两臂在其基部被制成圆弧状，以避免障碍支撑第二喇叭24的另一摆动装置31的通过。摆动装置30在轴A处与内圆环32相连。
摆动装置围绕垂直方向的移动通过安置在圆环内部轴A倾斜马达36，例如步进电动马达，来实现。该移动能够达到-35°到+35°的倾斜角β1。该倾斜角是卫星高度的函数：对于卫星位于当地的天顶时它为零，当卫星位于当地地平线上10°时它是+-35°。
内圆环32通过另一个同样的步进型电动马达34作回转运动，它的运动能够确定一个0°到360°的方位角α1。该马达例如被安置在两圆环的外部，并且通过一个带齿圆环驱动内圆环旋转。
因此我们可以理解，两方位马达34，倾斜马达36的联合动作能够将第一喇叭23移动到开角+-35°的聚焦球面帽状顶上所选择的任意一点上，剩下的喇叭总是指向聚焦透镜的中心。两马达34，36的控制能够实现运动卫星的跟踪，卫星运动的速度对应于例如在大约10分钟内喇叭从-35°的俯仰角位置移动到+35°俯仰角的位置。
因此两方位马达34和倾斜马达36构成了一对方位/俯仰马达。
第二喇叭的布置非常类似于前面所述的第一喇叭的布置。该喇叭24通过其下部，以不危及到内部摆动装置通过而产生障碍的尺度连接到一摆动装置结构31。该摆动装置被悬挂在外圆环33上。天线24的方位角α2由方位马达37的动作来确定，其倾斜角β2通过倾斜马达35来获得，在所有点上它与另一天线的位置马达一样。
喇叭的方位/倾斜步进马达的伺服和供电电路在这里没有被示出，但是对于所述技术领域的技术人员而言这是公知的。
对于能够在两喇叭23，24之间转换的电路，它在图4中被示出。发射信号通道42包括一个放大器46(技术《SSPA：Solid StatePower Amplifier(固态电源放大器)》：固态电源放大器)，而接收信号通道43包括一放大器47(技术：《LNA：Low NoiseAmplifier(低噪声放大器)》：低噪声放大器)，它们被连接到一循环器41上。该公知循环器是一个在其三门之间给定方向上产生信号循环并且能够对发射/接收去偶的被动部件。它可以是由铁氧体制成。该循环器被连接到喇叭的这个或那个的选择连接交换器40上。交换器40通过软同轴电缆44，45被连接到喇叭上。它是基于二极管的公知类型，并且以少于一毫秒的时间内在两喇叭间交换。在该描述中没有提到的附件，比如供电部分，也是该领域中公知的类型。
设备的工作模式包括多个阶段。首先是设备的布置。它包括天线在建筑物顶部的接卸固定，同时检验天线的水平轴和北/南朝向。然后天线被连接到它的电源，控制微型计算机11，用户电视14，摄像机15，电话16上。
在同一个阶段，星群的卫星星历表(位置轨道参数和给定初始瞬间的速度)被装入计算机内存以用于宿主服务和天线控制。这些数据可以以软盘的形式被提供。
在输入当地时间和终端-天线的地理位置(经度，纬度)后，计算机能够根据从存储的轨道参数所对应的时刻开始的时间流逝，计算星群的卫星实际位置，并与终端-天线的理论可见区域的位置相比较。通过将两个喇叭23，24指向卫星理论可见位置，跟踪一段时间，校验来自接收和发射功率电平中、天线的空间指向上和跟踪质量上所获取的数据，系统的自动校准过程是可以实现的。用于布置的校正是根据校准的数据自动实现的。
在日常使用阶段，当使用者将系统投入运行时(计算机工作并且天线供电)，导引软件计算此时卫星的位置，由此而来确定那颗卫星在全球该位置该时刻能够被看到。根据地平线上最高位置卫星的数据，计算机11计算出与喇叭在聚焦透镜的聚焦球面上所必需的对应位置，向该喇叭的移动步进马达发送移动指令，选择连接该喇叭，对应于最靠近视野的卫星，进行电子发射和接收。数据的传输和接收就可以进行了。
接下来，计算机计算用于跟踪卫星的喇叭的位置的正确移动，并且将马达导向对应的位置。正常跟踪卫星所获得的位置精度是由天线主瓣的宽度以及所述天线移动带来的信号可接受的衰减量所确定的。在该情况下，主瓣5°的开度以及0.3分贝的可接收信号损失可以由马达产生喇叭的0.75°的指向精度，这对于一个直径50厘米的聚焦球面是0.65厘米的位置精度。因此低轨道异步卫星的跟踪再每大约6秒钟的时间内导致喇叭0.65厘米的移动。在卫星跟踪时，保证通讯通量的喇叭在移动上要比另一个喇叭具有优先级，软件保证在所有时刻在满足第二喇叭在第一喇叭轨道之外移动时不产生任何碰撞。
根据卫星低于10°的高度准则(卫星接近于地平线)，或者所接收信号非正常的衰减(考虑到树木，山丘或其他当地的障碍，永久的或非永久的，或者在同步卫星弧度的临近段中通过，在这种情况下由同步卫星产生的或朝向同卫星的干扰导致连接中断)，计算机确定最靠近视野的第二颗卫星，并且将第二喇叭定位到该对应的位置。然后实现该喇叭的选择连接，并且进行该卫星的追踪。在本实施例中为1毫秒的两喇叭天线之间的转换时间，对于1Mbps到5Mbps最大数据传输量，会产生月1到50比特的数据丢失。丢失数据的恢复可以通过在信号传输中加入纠错码来实现。
星历表的重置可以通过从容纳有新数据的软盘输入，也可以根据终端的自动请求通过卫星网络本身远程注入。
如同我们在描述中所见到的，在该布置中所使用的马达是与小于1公斤的轻质量移动的功率相适应的，这就可以使用商业上非常一般的、很便宜的马达。它向对于使用两个卡赛格伦天线来跟踪卫星的解决方案要更具优点，在那个方案中马达必须要适应几公斤质量的高精度定位，因此要贵的多。
天线定位上所需要的精度水平以及两移动之间的时间保证了传统的机械布置和简单的电路就能够达到该水平。因此我们看到所选择的解决方案是制造经济的。
刚才所描述的实施例同时还提供了一个低成本的设备，与通常类型不同的或需要特别制造的部件是非常少的，并且设备是紧凑的。
需要注意的是所描述的设备在其垂直轴周围具有旋转对称，并且具有与风向无关的通风装置，以及由于圆柱和半球形的选择而具有较小的阻力系数，这就相对于传统的没有天线罩的天线更具优点，对于传统天现在强风时就会带来保持运动的问题。
在聚焦透镜22的一个实施例的变化中，它可以用硅石英材料来制造。
在另一个变化中，能够在两喇叭23，24之间转换的电路可以由图5所示的布置所取代。在该按布置中，每一个喇叭23，24包括一个循环器41’，41”，信号发射46’，46”和接收47”，47”上的放大模块直接连接在其上。两初级源的发射信号通过两同轴电缆45’，44’被连接到选择连接设备40’上，要发射的信号通过信道42通到该连接设备上。同样，接收信号的低噪声放大器通过同轴电缆45”，44”被连接到选择连接设备40”上，要接收的信号通过信道43被连接到该连接设备上。
该设置用于减小在软同轴电缆产生的信号丢失的冲击，它大约是每0.5米长度每根电缆1分贝。该变化由于放大器加倍而具有更高的成本，但是对于同样的功率放大器能够改进功率各向同性辐射(PIRE)约1分贝，以及约2分贝的接收价值因数(G/T)。与同样性能天线相比，它能够减小聚焦透镜和穹形透镜的尺度，因而能减小整个天线的尺度。
图6示出了图3的方位/俯仰马达机械布置的一个变化。每一个源23，24被安装在支撑臂50，51上，支撑臂包括一与聚焦球面同心的圆弧23，24，它们被分别置于聚焦球面下部的一半上，以及一个旋转驱动轴54，55，它们彼此并行延伸并且与所述的方位马达56，57向耦合。因此初级源23，24根据方位分别在间隔开的Az1和Az2上运动。
另一方面，每一初级源23，24由俯仰马达58，59驱动的俯仰运动El1，El2，在其圆弧52，53的滑槽中被导向。该俯仰运动El1和El2能够确定两可见卫星的对准轴S1和S2。
在与跟踪卫星方法相关的一个变化中，主动技术可以替代所述的被动技术，在该技术中如同我们记得的那样，卫星位置特性数据被预先简单地存储到计算机内存中，并且我们假设在好的地点和好的时刻来定位初级源，不需要实时控制。而在我们所面对的变化中，每一个喇叭包括多个接收器，例如4个成方形阵列接收器，并且提供对应于总和以及由不同接收器接收的信号的不同的信号输出。在给定卫星跟踪的初始阶段，一个喇叭根据计算机计算的数据被定位。然后在一段时间中对信号合及其不同进行的评价分析能够确定卫星处于那个方向并且进行追踪。根据实时观测到的卫星的位置，所存储的星历表的自动更新可以由宿主计算机规律性地进行。
在另一个未示出的变化中，其中用户没有微型计算机，卫星跟踪软件和星历表纪录存储器被集成到一个带有存储器的微处理器中，例如被集成到置于电视机中的一个盒子中，其典型尺寸为传统加密电视解码器的大小，它也可以与用于加密发射的调制器/解调器混用。因而星历表远程规律性间隔注入自动进行，不需要用户的干预。在所有前面的变化中要注意到，如果多媒体系统运行的波段与卫星直播电视的带宽相同，那么两源就可以被置于适于指向地球同步卫星的位置：因此同一个终端-天线可以被交换地用于由该两卫星发送的多媒体应用和节目接收，后者可以通过已动员来任意改变。
在另一个变化中，一个与发明相同的设备不仅仅被安置在地面终端上，同样也被安置在卫星上，例如能够仅向某个地面站发送图像的观测卫星，其位置可以使任意的。地面站的跟踪卫星的原理与地面终端跟踪异步卫星的原理类似。在该应用中，地面站的尺度相对于用于发射宽波束卫星的传统接收天线要减小许多(例如如果我们在天线接收的信号上获得20分贝的增益就需要10的因数)，因此具有很弱的接收功率。该设备可一个改进所发送的数据的保密性。最后解决方案的简便性，低成本(相对于具有庞大部件的主动天线这一特殊情况)以及其低电耗使得非常适于卫星上的应用。
本发明的范围并不限于作为例子而在前面描述的实现形式，相反它还可以扩展到所属技术领域的技术人员能够改进的范围之内。
在移动源支撑的机械布置的另一个变化中，在图7上所示，每一个初级源23，24的移动可以通过被称为X/Y的马达对来提供。半圆弧60通过聚焦球面直径方向上相对的两点，例如东和西，被连接在一起。源23由连接在源上的第二电动马达的作用代替滑槽在该弧的长度上移动。第二源24以同样的方式被安装在另一湖62上并由第二马达63导向。尽管没有示出，每一半圆弧60和62通过第一马达的驱动围绕第一轴Ox作回转运动，它构成了X/Y马达对的第二马达，圆弧60的半径小于圆弧62的半径。因此第二马达61和63能够使得源能够围绕本身由第一马达的作用而相对于第一轴运动的第二轴Oy运动，第二轴Oy总是垂直于第一轴Ox。源之一朝向“北”卫星发射和接收，另一个朝向“南”卫星发射和接收，这是为了避免源的位置冲突。两臂或弧的相对重定位也是可能的，如果其中之一在透镜上面通过的话。
图6和7的布置具有相对于图3和5的布置更加紧凑的优点。另外它更加适于通过源获得更大的通经照亮角，在球面聚焦透镜的应用中这是必须的。
在初级源之前安装放大器连接的另一个变化中，使用了与图7和图9上所示相适应的源的机械布置，每一拱是一个波导，因此信号的传输是特高频的，并且传统的旋转连接垫被设置在拱的铰接处。该设备能够减少信号的损失并且因此能够拉开初级源的放大器之间的间距。
在移动源支撑机械布置的另一个变化中，在图10上所示，第一初级源23由方位/俯仰马达对70，71的动作来提供移动，第二初级源24由X/Y马达对72，73的动作来提供移动，另外第一初级源的方位马达70还驱动整个天线。
在图11和12上所示的移动源支撑机械布置的另一个变化中，初级源23，24的每一个又在倾斜旋转轴上的马达对80，81和82，83的动作来提供移动。
初级源的每一个支架包括一臂84，85及一悬臂86，87，初级源23，24被固定在悬臂86，87的自由端88，89上。第一马达80，82驱动臂84，85围绕相对与垂直方向叉开第一角度αo1，αo2的第一倾斜轴O1，O2旋转，第二马达81，83驱动悬臂86，87围绕相对于垂直方向叉开第二角α’o1，α’o2的第二倾斜轴O’1，O’2相对于臂84，85旋转，该第二角大于第一角αo1，αo2，每一马达对的第一轴和第二轴在彼此相互的垂直方向上伸展。
我们同样能够考虑到，终端，其中聚焦透镜/偏转透镜的组合体被安置在与初级源的支架所分离的支架上，它还包括一个用于驱动所述透镜组合体的支架的辅助马达90，以使得它能够基本上与波束平行地伸展。
当然，发明并不仅限于前述的实施例，当然也可以用于例如主动扫描天线等其他实现，更一般而言可以用于所有使用一个或多个与所描述装置类似的装置，为满足同样功能，获得同样结果，例如安装在支架上的每一个初级源由至少一对马达的动作来提供移动以使每一个源在至少聚焦球面下部的一半获得移动的应用。
另外，在光学部件的一个实现的变化中，聚焦透镜和偏折透镜由一个单一的同一个透镜所取代，其形式是介电材料制成的固定圆聚焦透镜，它朝向与透镜同心的聚焦球面聚焦平行的特高频波束。天线源可以根据前面所述的机械设备来安装，并且在该聚焦球面上移动。改源可以是前面所考虑过的那类喇叭，或者是被称为“转插板(patches)”的印刷电路板。这些电路板从其本身讲可以是单一的源(图8a，8b)，或者是成小网状的分组(图7)，这样可以补偿聚焦系统可能的品质变差。该种更加紧凑的电路板的变化在球透镜的情况下特别有用，在这种情况下对于放置源的空间是更加小的，更何况我们就是要试图减小终端-天线的整体空间。
也可以考虑使用三源的设备，其中一个源固定安装在穹形透镜上，用于对准地球同步弧上的一颗卫星。该装置使用单一的天线可以根据用户的选择，或者作为向异步卫星发送高信息流量的多媒体应用(这需要两个移动源)，或者从同步卫星直接接收电视图像(尽管它是用于多媒体系统不同的另一个频段)，而没有移动源重定位的延迟。
另一个替换与初级源连接的电缆的变化在于使用光纤以保证信号的发射和/或接收。这些光纤源和放大器整体的移动跟踪是具有柔韧性好的优点。支架本身可以作为光导体来使用以便传送用于移动初级源的马达的运动信息。
因此设备包括一个用于光发射的发光二极管(在几百兆赫的波段上)以及一个用于接收光学数据的光电二极管。在拱的连接点处安装有一面反射镜，以向光导管传送光。
也可以用管道来为初级源，放大器和移动马达的供电提供电流，它包括两个分开的导体通路并且在源上有接触器以接收该电流。
介电材料制成的聚焦透镜22也可以由满足同样功能的其他透镜来代替。这种变化在图13到16中被示出。如同我们在图13中看到的，第一种变化在于“分区”介电天线，这就是说去除材料的厚度以使得在区域前和后的相位延迟保持一个常数(接近于360°的一倍)。在该图中，对应于去除区域93，94形成两边91，92，因此这就可以减小透镜的体积和质量。该区域技术带来了在区域边缘上反射性能下降的缺陷，因此透镜剖面凹处数目必须要尽可能地减小。
聚焦透镜的第二种变化，在图14中所示，在于用波导透镜22”’替代介电材料，也可以是部分替代(天线22”具有一凹处91，在图14上示出)。该波导透镜是公知领域的。其原理是合成一个折射率小于1的透镜(因为在波导中的波长大于在真空中的波长)，因此在相同聚焦情况下与介电透镜曲线相反的曲线。所以这里我们有一个凹透镜。该选择带来的缺陷是要比介电透镜通过的波段窄，但是它制造成本较低，透镜可以例如根据希望的凹度通过一块铝，并且在该铝块上简单地钻一系列平行的、成梅花形的孔来成型制造。
对于介电透镜，如果我们希望改进天线的性能，就必须要减小介电质/空气界面处的反射。因此最好可以设置一厚度为波长四分之一的匹配层。它最好是以例如衬层的形式来实现，该衬层的介电折射率等于介电质折射率的平方根√n。另一变化在于在厚度方向上钻多个波长四分之一的盲孔，其密度使剩余介电系数与在孔中空气介电系数的平均值等于介电质系数的平方根√n。该方法是传统的，它属于“模拟”所确定的介电常数。
在说明书中，提到过一种半球形偏折透镜，这是最传统的一种模式。一个可实行的变化在于使用双曲线或短焦距抛物面几何形状，如图16所示。在该图中，可以见到双曲线穹形透镜21，聚焦透镜22，在这里穹形透镜是分区的(在图上可见到脱离处101)。这就能够增加大倾斜角(卫星在地平线上较低的高度)所能照到的表面，因而能补偿在该情况下聚焦透镜增益的减低。因此一高度为35到40厘米的穹形透镜能够得到直径为30厘米的圆盘的那样的可用辐射表面。

Claims (31)

1.一种向和从至少一个远距发射机/接收机系统(2，3)发射和接收无线电信号的天线设备，该发射机/接收机系统在空间中运动并且对于所述天线设备是可见的，该天线设备包括一个透镜(22)，用于聚焦准平面波，该波束为所述远距发射机/接收机所发射，所述装置具有一个焦球面S，至少一个准球面波束信号的发射/接收初级源(23，24)，该源在球面部分S上运动；
其特征在于它包括：
a)偏转透镜(21)，用于偏转由远距发射机/接收机发射或接收的准平面波；
b)伺服装置(10，11)，用于伺服每一发射/接收初级源到远距发射机/接收机的已知位置。
2.一种向和从至少两个远距发射机/接收机系统(2，3)发射和接收无线电信号的终端-天线设备，该发射机/接收机系统在空间中两个不同的点运动并且对于所述终端-天线设备是可见的，其特征在于它包括：
a)用于确定所述远距发射机/接收机在给定时刻的视觉位置的装置；
b)用于选择远距发射机/接收机的装置；
c)一个根据权利要求1的天线(1)，包括至少两个发射/接收初级源(23，24)；
d)导引装置(11)，用于导引发射/接收初级源在焦球面S上的移动，以避免初级源相撞；
e)用于在初级源之间进行切换的装置(40)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于它还包括一个恢复在切换时所丢失的数据的装置。
4.根据权利要求1到3之一所述的设备，其特征在于准球面波束信号的发射/接收初级源(23，24)采用喇叭形天线，它在将准球面波转变为准平面波的聚焦透镜(22)的焦球面S的一部分上移动。
5.根据权利要求1到4之一所述的设备，其特征在于至少一个发射/接收初级源(23，24)包括一个用于放大发射和接收的信号的放大模块(41，46，47)。
6.根据权利要求1到5之一所述的设备，其特征在于将准平面波会聚成准球面波的聚焦透镜(22)是以一种具有宽扫描区域的多焦会聚透镜的形式被实现。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于扫描区域相对于聚焦透镜的旋转对称轴大于30°，这是通过波束发射/接收初级源(23，24)在其聚焦球面S上的移动而实现的。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于聚焦透镜(22)是以一种介电凸透镜的形式被实现。
9.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于聚焦透镜(22)是以一种波导凹透镜的形式被实现。
10.根据权利要求6或9所述的设备，其特征在于聚焦透镜(22)是“分区的”。
11.根据权利要求1到10之一所述的设备，其特征在于准平面波偏折透镜(21)采用介电穹形透镜的形式。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于穹形透镜(21)具有一般半球形的平均剖面。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于穹形透镜(21)具有内部和外部一般为抛物线，椭圆或双曲线的剖面。
14.根据权利要求1到13之一所述的设备，其特征在于它包括一个相对于与偏折透镜(21)相融合的外部环境条件隔离设备的装置。
15.根据权利要求11到14之一所述的设备，其特征在于偏折透镜(21)从其顶部直到基部具有一逐渐增加的厚度。
16.根据权利要求1到15之一所述的设备，其特征在于至少一个透镜(21，22)包括一个四分之一波长的匹配层。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于匹配层由折射率等于透镜的介电质的折射率的平方根的介电质构成。
18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于匹配层具有一所用波长四分之一的厚度，并且钻有多个盲孔，其钻孔密度使之产生与透镜的介电质的折射率的平方根相等的等效折射率。
19.根据权利要求2到18之一所述的设备，其特征在于远距发射机/接收机是卫星群，并且确定卫星在视野内给定时刻位置的装置包括：
-每一卫星在给定时刻的轨道参数数据库；
-终端-天线地理位置参数存储装置；
-从初始轨道参数和自初始时刻流逝的时间来计算每一卫星确切位置的软件；
-将轨道位置与从终端-天线位置可见的角区域相比较的软件；
-定期更新远距发射机/接收机轨道参数数据库的装置。
20.根据权利要求1到19之一所述的设备，其特征在于发射/接收初级源(23，24)包括用于探测相对于从移动的远距接收机/发射机接收的波束的指向偏差的装置。
21.根据权利要求1到20之一所述的设备，其特征在于每一初级源(23，24)安装在一支架上，并通过至少一对马达的动作来提供移动，以使得每一源至少在焦球面的下半部分运动。
22.根据权利要求1到21之一所述的设备，在其中聚焦透镜/穹形透镜组合体被安装在与初级源支架相分离的支架上，其特征在于它还包括一驱动所述组合体的支架的辅助马达(90)，以使得它基本上与波束平行地伸展。
23.根据权利要求1到22之一所述的设备，其特征在于每一初级源(23，24)通过方位/俯仰马达对(34，35，56，57；36，37，58，59)的动作来提供移动。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于初级源的每一支架包括以一摆动装置(30，31)，初级源(23，24)被固定地安装在其上，每一摆动装置一方面由马达对的方位马达(34，35)提供轴向移动，另一方面由马达对的另外的倾斜马达(36，37)来提供相对于垂直方向的移动。
25.根据权利要求23所述的设备，其特征在于初级源的每一支架装置包括一构成与聚焦球面同心的圆环的臂(50，51)，它位于聚焦球面下部分的各自的一半，每一臂通过马达对的方位马达(56，57)来提供方位上的移动，而每一初级源由马达对的另一马达(58，59)来提供沿圆弧方向上的移动。
26.根据权利要求1到22之一所述的设备，其特征在于每一初级源由被称为X/Y的马达对来提供移动，第一马达保证每一初级源围绕基本上水平的第一轴Ox旋转，而第二马达(61，63)保证每一初级源围绕本身由第一马达的作用而相对于第一轴运动的第二轴Oy旋转，第二轴Oy总是垂直于第一轴Ox。
27.根据权利要求1到22之一所述的设备，其特征在于第一初级源(23)由方位/俯仰马达对(70，71)的动作来提供移动，而第二初级源(24)由X/Y马达对(72，73)的动作来提供移动，第一初级源(23)的方位马达(70)另外还驱动整个天线(1)。
28.根据权利要求1到22之一所述的设备，其特征在于每一初级源(23，24)由有倾斜旋转轴(O1，O2；O’1，O’2)的马达对(80，82；81，83)的动作来提供移动。
29.根据权利要求28所述的设备，其特征在于初级源(23，24)的每一个支架包括一臂(84，85)及一悬臂  (86，87)，初级源被固定在悬臂的自由端(88，89)上，第一马达(80，82)驱动臂围绕相对于与垂直方向叉开第一角度(αo1，αo2)的第一倾斜轴(O1，O2)旋转，第二马达(81，83)驱动悬臂围绕相对于垂直方向叉开第二角(α’o1，α’o2)的第二倾斜轴(O’1，O’2)相对于臂旋转，该第二角大于第一角(αo1，αo2)，每一马达对的第一轴和第二轴在彼此相互垂直的方向上伸展。
30.一种向和从至少一个远距发射机/接收机系统(2，3)发射和接收无线电信号的天线设备，该发射机/接收机系统在空间中运动并且对于所述天线设备是可见的，该天线设备包括一个固定光学装置(22)，用于聚焦远距发射机/接收机所发射的准平面波，所述装置具有一个焦球面S，其特征在于它以组合的方式包括：
a)至少一个准球面波束信号的发射/接收初级源(23，24)，它在聚焦球面S的一部分上移动；
b)伺服装置(10，11)，将每一发射/接收初级源相对于远距发射机/接收机的已知位置定位；
c)用于在初级源之间进行切换的装置。
31.根据权利要求30所述的天线设备，其特征在于聚焦光学装置由穹形透镜构成，并且设备还包括至少一个固定在穹形透镜上的一个初级源，以对准相对于所述天线在天空中可见的固定的发射机/接收机系统。
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