ES2907512T3

ES2907512T3 - Sistema de antena de lente

Info

Publication number: ES2907512T3
Application number: ES17196795T
Authority: ES
Inventors: Clinton P Scarborough; Jeremiah P Turpin; Daniel F Difonzo; John Finney
Original assignee: Isotropic Systems Ltd
Current assignee: All Space Networks Ltd
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2022-04-25
Anticipated expiration: 2037-10-17
Also published as: KR20190127738A; MX2019010959A; RU2019126577A; RU2019126577A3; KR102507688B1; US20240079776A1; US20240055761A1; CA3054265A1; MX2022000282A; US11967775B2; US20190074588A1; JP2019220995A; US20180269576A1; US20240063541A1; CN110582892B; US20200144719A1; US10116051B2; EP3376595A1; PH12019502124A1; CN114336080A

Abstract

Un sistema de antena que comprende: una pluralidad de conjuntos (110) de lentes que forman una matriz en fase de haz múltiple de ángulo amplio, cada conjunto (110) de lentes incluye: una lente (112) que tiene un punto focal nominal y ya sea que es una lente sustancialmente plana construida utilizando una o más capas de una metasuperficie o rejilla de difracción o que es una lente aplanada; al menos un elemento (152) de alimentación alineado con la lente (112) y configurado para dirigir una señal a través de la lente (112) en la dirección deseada; en el que el sistema de antena comprende al menos un accionador (172, 174) para mover cada uno de los al menos un elemento (152) de alimentación con respecto a la lente (112) para lograr la dirección de señal deseada, o el al menos un elemento (152) de alimentación de cada conjunto (110) de lentes comprende una pluralidad de elementos (152a, 152b) de alimentación alineados con la lente (112) con el fin de dirigir una señal a través de la lente (112) en diferentes direcciones, y donde los conjuntos (110) de lentes no son idénticos en geometría, perfiles dieléctricos o una combinación de los mismos, o en el que la pluralidad de conjuntos (110) de lentes se coloca en una configuración de mosaico no uniforme, en el que la configuración de mosaico de la pluralidad de conjuntos (112) de lentes se configura para mejorar el patrón de radiación de la antena sobre un campo de visión y/o rango de frecuencia.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de antena de lente

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de antenas de matriz en fase de haz múltiple. Más particularmente, la presente invención se refiere a un sistema de antenas de matriz en fase de haz múltiple de ángulo amplio de banda ancha con una cantidad reducida de componentes que utiliza lentes de índice de gradiente de ángulo amplio cada una con múltiples haces escaneables.

Antecedentes de la técnica relacionada

Las matrices en fase son una forma de antena de apertura para ondas electromagnéticas que se pueden construir para ser de bajo perfil, relativamente livianas y pueden orientar el haz de energía de radio de alta directividad resultante para apuntar en la dirección deseada con controles eléctricos y sin partes móviles. Una matriz en fase convencional es una colección de elementos o antenas radiantes individuales estrechamente espaciados (longitud de onda media), donde se proporciona la misma señal de entrada a cada elemento radiante independiente sujeto a una amplitud específica y un desplazamiento de tiempo o fase. La energía emitida por cada uno de los elementos radiantes se sumará constructivamente en una dirección (o direcciones) determinadas por la configuración de desplazamiento de tiempo/fase para cada elemento. Las antenas individuales o los elementos radiantes para dicha matriz en fase se diseñan de tal manera que la distribución o patrón angular de la energía radiada de cada alimentación en el entorno de acoplamiento mutuo de la matriz, a veces llamado patrón de ganancia del elemento integrado o del elemento de escaneo, se distribuye de la manera más uniforme posible, sujeto a las limitaciones físicas de la apertura de matriz proyectada en un amplio rango de ángulos espaciales, para permitir la máxima ganancia de antena sobre los ángulos de escaneo del haz. Ejemplos de matrices en fase convencionales se describen en la Patente de los Estados Unidos No. 4,845,507, Patente de los Estados Unidos No. 5,283,587, y Patente de los Estados Unidos No. 5,457,465.

En comparación con otros métodos comunes para lograr haces de radio de alta directividad, tales como las antenas reflectoras (parabólicas o de otro tipo) y las antenas de bocina basadas en guías de ondas, las matrices en fase ofrecen muchos beneficios. Sin embargo, el coste y el consumo de energía de una matriz en fase activa, a saber, una que incorpora amplificadores en los elementos para las funciones de recepción y/o transmisión, son proporcionales a la cantidad de alimentaciones activas en la matriz. De acuerdo con lo anterior, las matrices en fase grandes y de alta directividad consumen cantidades relativamente grandes de potencia y son muy costosas de fabricar.

Las matrices en fase normalmente requieren que toda la apertura se llene con alimentaciones poco espaciadas para preservar el rendimiento en el rango de orientación del haz cuando se utilizan enfoques convencionales. Se requieren alimentaciones densamente empacadas (espaciadas aproximadamente la mitad de una longitud de onda en la frecuencia de operación más alta) para preservar la eficiencia de apertura y eliminar los lóbulos de rejilla. Las matrices en fase de banda ancha están restringidas por la separación de elementos, los requisitos de fracción de llenado de apertura y los tipos de circuitos utilizados para el control de desplazamiento de fase o tiempo, además de las limitaciones de ancho de banda de los elementos radiantes y los circuitos.

Por ejemplo, una matriz en fase de banda Ku de 14.5 GHz de aproximadamente 65 cm cuadrados que se requiere para orientar su haz a unos 70 grados desde la normal de la matriz o el dispositivo de mira de alineamiento requeriría más de 4000 elementos, cada uno con módulos de transmisión (Tx) y/o recepción (Rx) independientes, cambiadores de fase o circuitos de retardo de tiempo y circuitos adicionales. Todos los elementos deben estar potenciados siempre que el terminal esté en operación, lo que introduce un requisito CC de estado estable sustancial.

Cada elemento o alimentación en una matriz en fase activa debe estar habilitada para que la matriz opere, lo que resulta en un alto consumo de potencia, por ejemplo, 800 W o más para una matriz de 4000 elementos, dependiendo de la eficiencia de los módulos activos. No existe la posibilidad de deshabilitar ciertos elementos para reducir el consumo de potencia sin afectar drásticamente el rendimiento de la matriz.

Se han desarrollado varias técnicas en apoyo de arreglos dispersos, donde las separaciones de elementos pueden ser tan grandes como varias longitudes de onda. Las matrices periódicas con grandes espacios entre elementos producen lóbulos de rejilla, pero la elección adecuada de ubicaciones aleatorias para los elementos rompe la periodicidad y puede reducir los lóbulos de rejilla. Sin embargo, estas matrices han encontrado un uso limitado, ya que la naturaleza escasa de los elementos conduce a una eficiencia de apertura reducida, lo que requiere una huella de matriz más grande de lo que a menudo se desea. Véase Gregory, M.D., Namin, F.A. and Werner, D.H., 2013. “Exploiting rotational symmetry formulación the design of ultra-wideband planar phased array layouts.” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61(1), pp. 176-184.

Otra forma de limitar el efecto de los lóbulos de rejilla es al utilizar elementos de matriz de alta directividad, porque el patrón de matriz total es el producto del factor de matriz, es decir, el patrón de una matriz de elementos isotrópicos y el patrón de ganancia del elemento. Si el patrón del elemento es muy directivo, este producto suprime la mayoría de los lóbulos de rejilla fuera de la región del haz principal. Un ejemplo es el Very Large Array (VLA). El VLA consiste en muchas antenas reflectoras grandes con cardán que forman una matriz muy escasa de elementos altamente directivos (los reflectores), cada uno con un haz de lápiz de elemento estrecho que reduce drásticamente la magnitud de los lóbulos laterales en el patrón de radiación total de la matriz. Véase P.J. Napier, A. R. Thompson and R. D. Ekers, “The very large array: Design and performance of a modern synthesis radio telescope.” Proceedings of the IEEE, vol. 71, no. 11, pp. 1295-1320, Nov. 1983; y www.vla.nrao.edu/.

Los documentos US2017/040705 A1 y US2017/062944 A1 divulgan una matriz de antenas elaborada de lentes esféricas. El documento US2015244082 A1 divulga una serie de lentes dieléctricas dispuestas de manera no uniforme. Las publicaciones de LI YING ET AL: “Beam scanning array based on Luneburg lens”, 2013 IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION SOCIETY INTERNATIONAL SYMPOSIUM (APSURSI), IEEE 6 de julio 2014, páginas 1274-1275 y YING LI ET AL: Luneburg lens with extended flat focal surface for electronic scan applications-, OPTICS EXPRESS, vol. 24, no. 7, 25 de marzo 2016, página 7201 y MATEO-SEGURA CAROLINA ET AL: “Flat Luneburg Lens via Transformation Optics for Directive Antenna Applications”, IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 62, no. 4, 1 de abril 2014, páginas 1945-1953 revelan lentes Luneburg planas y aplanadas, respectivamente, para sistemas de múltiples haces. El libro de by Randy L. Haupt: “Aperiodic Arrays” In: “Antenna Arrays - A Computational Approach”, 1 de enero 2010 (2010-01-01), John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, páginas 156-178 divulga elementos dispuestos de manera no uniforme de una matriz de antenas.

Resumen de la invención

La invención proporciona una familia de sistemas de antenas de matriz en fase como se define en la reivindicación 1 y construida a partir de una cantidad relativamente pequeña de elementos y componentes en comparación con una matriz en fase convencional. La matriz utiliza una cantidad relativamente pequeña de elementos radiantes, cada uno de los cuales es eléctricamente grande, por ejemplo, 5 longitudes de onda, lente de Índice de GRadiente (GRIN), especialmente optimizada, con al menos uno o múltiples elementos de alimentación en su región focal. Cada elemento de matriz comprende la lente GRIN y uno o más elementos de alimentación en la región focal de cada lente. El conjunto de alimentaciones de lentes puede tener uno o más haces cuyas direcciones de patrones de elementos se pueden variar o controlar para abarcar el rango de orientación del haz o campo de visión deseado. En el caso de una alimentación o grupo de alimentaciones excitados para operar como una única alimentación efectiva, la posición de la alimentación o grupo se puede mover físicamente con respecto al punto focal de la lente para efectuar la orientación del haz. En el caso de la orientación del haz sin partes móviles, se puede colocar un conjunto de alimentaciones múltiples en la región focal de cada lente y la selección (por ejemplo, mediante conmutación) de la alimentación o grupo de alimentación activa produce un haz de elementos que se dirige a una dirección específica del haz. La estructura específica de la lente GRIN se puede optimizar de una manera adecuada, tal como de acuerdo con la invención divulgada en la Solicitud Provisional de los Estados Unidos en trámite No. 62/438,181 del solicitante, presentada el 22 de diciembre de 2016.

En una realización, la matriz orientaría uno o más haces sobre un rango angular o campo de visión especificado sin partes móviles al tener múltiples alimentaciones en la región focal de cada lente y seleccionar la alimentación activa para orientar el haz del elemento. En otra realización muy simplificada, también se podría implementar una matriz con una cantidad mínima de partes al mover físicamente cada elemento de alimentación en la región focal de la lente correspondiente. En esta realización simplificada, el conjunto de elementos de alimentación a través de toda la matriz se podrían mover juntos, de tal manera que solo se requieren dos accionadores agrupados en todas las lentes, o con accionadores independientes para cada lente para un mejor control. El patrón de matriz general se obtiene mediante un circuito de antena y/o un dispositivo de procesamiento de antena, que puede combinar los elementos de alimentación activos correspondientes en cada lente con circuitos de retardo de fase/tiempo y una red de alimentación corporativa activa o pasiva.

El rendimiento de escaneo del haz de la matriz se controla en dos niveles: apuntamiento de haz grueso y apuntamiento de haz fino. El apuntamiento del haz grueso de cada lente se obtiene al seleccionar una alimentación específica o un pequeño grupo de alimentaciones excitadas para actuar como una única alimentación (o ubicación de alimentación) en la región focal de cada lente. La combinación de lente y alimentación produce un haz directivo pero relativamente ancho consistente con el tamaño de la lente en longitudes de onda y en una dirección que depende del desplazamiento de la alimentación desde el punto focal nominal de la lente. Al combinar los elementos de alimentación correspondientes en cada lente de la matriz con cambios de fase o retardos de tiempo apropiados, se obtiene un control preciso del apuntamiento del haz y una alta directividad debido al tamaño de apertura de la matriz general. El conjunto de alimentaciones en la región focal de cada lente para la orientación del haz electrónica completa ocupa solo una fracción del área asociada con cada lente, por lo que la cantidad de alimentaciones y componentes es mucho menor en comparación con una matriz en fase convencional. Adicionalmente, es evidente que, dado que sólo es necesario aplicar potencia a las alimentaciones activas, el consumo de potencia de esta matriz es sustancialmente menor que el de una matriz en fase convencional, que debe tenertodos sus elementos alimentados con potencia. Este diseño de matriz en fase especializada reduce sustancialmente la cantidad total de componentes, el coste y el consumo de potencia en comparación con una matriz en fase convencional con un tamaño de apertura equivalente, al mismo tiempo que mantiene un rendimiento técnico comparable.

Adicionalmente, cada lente y sus múltiples elementos de alimentación pueden formar múltiples haces simplemente al habilitar y excitar elementos de alimentación separados en cada lente con señales de RF independientes. Por lo tanto, la tecnología se puede utilizar con la electrónica asociada para el control del apuntamiento del haz y las interfaces de hardware y software con los subsistemas de recepción y transmisión, lo que permite comunicaciones unidireccionales o bidireccionales simultáneas con uno o más satélites u otros nodos de comunicación remotos. La capacidad de haces múltiples junto con la cantidad reducida de partes y el menor consumo de potencia en comparación con una matriz en fase convencional es particularmente valiosa en aplicaciones en las que se desea comunicarse con más de un satélite o, por ejemplo, para habilitar una conexión conectar ante de desconectar- a satélites no geoestacionarios a su paso por la terminal.

La cantidad relativamente pequeña de componentes y la flexibilidad que proporciona el tener los patrones de elementos sean directivos y capaces de ser orientados en un amplio rango de ángulos ofrece ahorros de costes sustanciales. Los elementos de la antena de escaneo individual (por ejemplo, lentes) permiten un amplio campo de visión y, aunque existen lóbulos de rejilla debido a la gran separación de los elementos, los grados de libertad que se obtienen al optimizar las posiciones y orientaciones de los elementos y las direcciones del haz y la directividad de los elementos permite minimizar las magnitudes de los lóbulos de rejilla en los patrones de radiación de la matriz.

La matriz de lentes no es una matriz escasa, ya que las lentes llenan el área de apertura de la matriz. El centro de fase de cada lente se puede desplazar ligeramente, lo que rompe la periodicidad de toda la matriz y reduce los lóbulos de rejilla mientras tiene un impacto relativamente bajo en la eficiencia, además de las reducciones proporcionadas por los patrones de elementos orientables.

El nuevo sistema de antena de matriz en fase tiene una matriz de elementos de antena eléctricamente grandes y de alta ganancia, cada elemento comprende una lente de microondas que puede ser una lente de índice de gradiente (GRIN) con una o más alimentaciones en su región focal. Cada lente y subsistema de alimentación pueden formar múltiples patrones de elementos independientes cuyos haces se orientan de acuerdo con el desplazamiento de las alimentaciones desde el punto focal nominal de la lente. Adicionalmente, al combinar y poner en fase los puertos correspondientes de una multiplicidad de dichas lentes y subsistemas de alimentación, se forma un haz de alta ganancia con una dirección del haz finamente controlada. De esta manera, el haz de la antena se escanea al orientar primero los patrones de los elementos para un apuntamiento grueso (a través del conjunto de circuitos de la lente), y luego apuntar con precisión el haz de matriz utilizando la fase relativa o los retardos de tiempo para cada alimentación (a través de los circuitos de antena). Los circuitos de antena pueden utilizar técnicas de formación de haces digitales en las que las señales hacia y desde cada alimentación se procesan utilizando un procesador de señales digitales, conversión de analógico a digital y conversión de digital a analógico. Las aperturas de los elementos eléctricamente grandes tienen forma y mosaico para llenar la apertura general de la matriz para lograr una alta eficiencia y ganancia de apertura. Adicionalmente, no es necesario que la matriz sea plana, sino que los subsistemas de lente/alimentación se puedan disponer sobre superficies curvas para adaptarse a una forma deseada, tal como por ejemplo para un avión. Los elementos de escaneo de alta directividad requieren menos componentes activos en comparación con una matriz en fase convencional, lo que genera un ahorro sustancial de costes y energía. Adicionalmente, la matriz de lentes se puede colocar para formar matrices de factores de forma arbitrarios, tales como matrices simétricas o alargadas.

Adicionalmente, cada lente puede formar múltiples haces simultáneos al activar los elementos de alimentación apropiados. Estos elementos de alimentación se pueden combinar con sus propias redes de fase o retardo de tiempo o incluso con circuitos de formación de haces digitales para formar múltiples haces de alta ganancia a partir de la matriz general. La flexibilidad de diseño inherente a los grados adicionales de libertad que ofrecen las combinaciones de lente y alimentación junto con las orientaciones y posiciones de la lente permite la supresión de lóbulos de rejilla, así como un amplio campo de visión. El sistema de antena puede ser parte de un terminal de comunicaciones que incluye subsistemas de adquisición y seguimiento que producen haces únicos o múltiples que cubren un amplio campo de consideración para dichas aplicaciones como comunicaciones por satélite (Satcom) en movimiento (SOTM), 5G, punto a punto de banda ancha o punto a multipunto y otros sistemas de comunicaciones terrestres o por satélite. El diseño de la antena con este tipo de lentes admite naturalmente varios haces orientables de forma simultánea e independiente. Estos haces simultáneos se pueden utilizar para muchas aplicaciones, tales como: sensores para vigilancia; recepción de múltiples fuentes de transmisión; múltiples haces de transmisión; enlaces “conectar antes de desconectar” con no geoestacionarios, por ejemplo, constelaciones de satélites de órbita terrestre baja (LEO) o de órbita terrestre media (MEO); y colocación nula para la reducción de interferencias sin incurrir en el alto coste de una matriz en fase de múltiples haces convencional. Adicionalmente, el sistema de antena de matriz en fase se puede utilizar en naves espaciales para aplicaciones de satélite de haz conformado o de haz simple o múltiple.

Estos y otros objetos de la invención, así como muchas de las ventajas previstas de la misma, resultarán más fácilmente evidentes cuando se haga referencia a la siguiente descripción, tomada junto con los dibujos acompañantes.

Además de las versiones de Matriz en Fase, los sistemas de comunicación MIMO (múltiple entrada múltiple salida) también podrían hacer uso de la capacidad proporcionada por una colección de lentes y circuitos asociados. Aunque el procesamiento de la señal es diferente para un MIMO en comparación con una matriz en fase convencional, ambos pueden utilizar haces orientados para mejorar la intensidad de la señal y mejorar las comunicaciones en un entorno ruidoso o lleno de interferencias.

Breve descripción de las figuras

La FIG. 1 es una vista en perspectiva recortada de una matriz en fase de haces múltiples con elementos de haces múltiples eléctricamente grandes;

La FIG. 2 es una vista lateral de una lente de ganancia moderada y elementos de alimentación que escanean sus patrones de radiación mediante la selección de alimentación para el control del patrón grueso;

La FIG. 3 es un diagrama de bloques de una matriz de haces múltiples de elementos de alimentación de lente en fase para formar múltiples haces en los ángulos de escaneo deseados con elementos de antena seleccionados;

La FIG. 4 es un diagrama de bloques de una matriz de lentes con haz único y selección de alimentación conmutada; La FIG. 5 es una vista superior de los centros de fase de elementos perturbados para el control de lóbulos de rejilla; La FIG. 6(a) es una vista lateral de la orientación simplificada del haz al conmutar mecánicamente las posiciones de un solo elemento de alimentación dentro de cada lente;

La FIG. 6(b) es una vista superior de la orientación simplificada del haz de la FIG. 6(a);

La FIG. 7 es un diagrama de bloques funcional del circuito de transmisión-recepción para la alimentación de lentes de polarización lineal dual;

La FIG. 8 es un diagrama de bloques del circuito de transmisión-recepción para la alimentación de lentes de polarización circular dual;

La FIG. 9(a) es un diagrama de bloques para un circuito de solo recepción para la alimentación de lentes;

La FIG. 9(b) es un diagrama de bloques para un circuito de solo transmisión para la alimentación de lentes;

La FIG. 10 es un diagrama de bloques funcional del circuito de conmutación para seleccionar la alimentación;

La FIG. 11 es un diagrama de bloques funcional para la implementación de circuitos en el dominio digital para el procesamiento de haces digitales;

La FIG. 12 es un diagrama del sistema para un terminal Satcom; y

La FIG. 13 es un diagrama para un terminal terrestre punto a multipunto inalámbrico.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Al describir las realizaciones preferidas ilustrativas y no limitantes de la invención ilustrada en los dibujos, se recurrirá a terminología específica en aras de la claridad. Sin embargo, no se pretende que la invención se limite a los términos específicos así seleccionados, y se deben entender que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos que operan de manera similar para lograr un propósito similar. Se describen varias realizaciones preferidas de la invención con fines ilustrativos, entendiéndose que la invención puede realizarse en otras formas que no se muestran específicamente en los dibujos.

Volviendo a los dibujos, la FIG. 1 muestra una matriz 100 de lentes. La matriz 100 de lentes tiene una pluralidad de conjuntos 110 de lentes. Cada conjunto 110 de lentes incluye una lente 112, un separador 114 y un conjunto 150 de alimentación que tiene múltiples elementos 152 de alimentación, como se muestra por el conjunto 110 de lentes en despiece con fines ilustrativos. El separador 114 separa la lente 112 del conjunto 150 de alimentación para coincidir con la longitud focal apropiada de la lente. El separador 114 se puede elaborar de una espuma dieléctrica con una constante dieléctrica baja. En otros ejemplos, el separador 114 incluye una estructura de soporte que crea un espacio, tal como un espacio de aire, entre la lente 112 y el conjunto 150 de alimentación. En ejemplos adicionales, el conjunto 110 de lentes no incluye el separador 114. El elemento 152 de alimentación se puede construir como una antena de microbanda plana, tal como un parche, ranura o dipolo de una o varias capas, o como una guía de ondas o una antena de apertura. Si bien se representa como un parche rectangular en una placa de circuito impreso (PCB) multicapa, el elemento 152 de alimentación puede tener una configuración alternativa (tamaño y/o forma).

La PCB que forma la base del conjunto 150 de alimentación dentro de cada conjunto de lentes incluye además circuitos de control y procesamiento de señales ( circuito de conjunto de lentes ). Los elementos 152 de alimentación pueden ser idénticos en todo el conjunto 150 de alimentación, o las alimentaciones 152 individuales dentro del conjunto 150 de alimentación pueden diseñarse de forma independiente para optimizar su rendimiento en función de su ubicación debajo de la lente 112. La disposición física de los elementos 152 de alimentación dentro del conjunto 150 de alimentación puede ser uniforme en una cuadrícula hexagonal o rectilínea, o puede no ser uniforme, tal como en una cuadrícula circular o de otro tipo para optimizar el coste y la eficiencia de radiación de la matriz 100 de lentes como un entero. Los propios elementos 152 de alimentación pueden ser cualquier tipo adecuado de elemento de alimentación. Por ejemplo, los elementos 152 de alimentación pueden corresponder a elementos de “tipo parche” de circuito impreso, bocina llena de aire o cargada dieléctrica o guías de onda abiertas, dipolos, arreglo de dipolos estrechamente acoplados (TCDA) (véase Vo, Henry “DEVELOPMENT OF AN ULTRA-WIDEBAND LOW-PROFILE WIDE SCAN An Gl E PHASED ARRAY ANTENnA.” Dissertation. Ohio State University, 2015), antenas de apertura holográfica (véase M. ElSherbiny, A.E. Fathy, A. Rosen, G. Ayers, S.M. Perlow, “Holographic antenna concept, analysis, and parameters”, IEEE Transactions on Antenas and Propagation, Volume 52 issue 3, pp. 830-839, 2004), otras antenas de escala de longitud de onda, o una combinación de los mismos. En algunas implementaciones, cada uno de los elementos 152 de alimentación tiene un patrón de radiación integrada no hemisférico dirigido.

Las señales recibidas por la matriz 100 de lentes ingresan a cada conjunto 110 de lentes a través de la respectiva lente 112, que enfoca la señal en uno o más de los elementos 152 de alimentación del conjunto 150 de alimentación para ese conjunto 110 de lentes. La señal que incide en un elemento de alimentación se pasa luego a los circuitos de procesamiento de señal (circuitos de conjunto de lentes, seguido por los circuitos de antena), que se describen a continuación. Del mismo modo, las señales transmitidas por la matriz 100 de lentes se transmiten desde un conjunto 150 de alimentación específico a través de la respectiva lente 112.

La cantidad de componentes eléctricos y de radiofrecuencia (por ejemplo, amplificadores, transistores, filtros, conmutadores, etc.) utilizados en la matriz 100 de lentes es proporcional a la cantidad total de elementos 152 de alimentación en los conjuntos 150 de alimentación. Por ejemplo, puede haber un componente para cada elemento 152 de alimentación en cada conjunto 150 de alimentación. Sin embargo, puede haber más de un componente para cada elemento 152 de alimentación o puede haber varios elementos 152 de alimentación para cada componente.

Como se muestra, cada conjunto 110 de lentes tiene una forma hexagonal y está inmediatamente adyacente a un conjunto 110 de lentes contiguo a cada lado para formar un mosaico hexagonal. Las lentes 112 inmediatamente adyacentes pueden estar en contacto a lo largo de sus bordes. Los conjuntos 150 de alimentación tienen un área más pequeña que las lentes 112 debido a la óptica de alimentación de lente, y pueden tener sustancialmente la misma forma o una forma diferente que las lentes 112. Si bien se describe en el presente documento como hexagonal, la lente puede tener otras formas, tales como cuadrada o rectangular, que permitan colocar en mosaico la apertura de matriz completa. Los conjuntos 150 de alimentación pueden no estar en contacto entre sí y, por lo tanto, pueden evitar cortocircuitos o interferencias electrónicas entre sí. Debido a la naturaleza óptica de los haces de elementos formados en cada lente, el desplazamiento de alimentación para producir haces de elementos escaneados siempre es sustancialmente menor que la distancia en el plano focal desde el centro de la lente hasta su borde. Por lo tanto, la cantidad de alimentaciones necesarias para “ llenar” el rango de escaneo requerido o el campo de observación es menor que para una matriz que debe tener el área de apertura total totalmente poblada por los elementos de alimentación.

En algunas implementaciones de la matriz 100 de lentes, los conjuntos 150 de alimentación llenan aproximadamente el 25 % del área de cada lente 112. La matriz 100 de lentes mantiene una eficiencia de apertura similar y tiene un área total similar a una matriz en fase convencional de elementos de media longitud de onda pero con sustancialmente menos elementos. En dichas implementaciones, la matriz 100 de lentes puede incluir aproximadamente solo el 25 % de la cantidad de elementos de alimentación como la matriz en fase convencional en la que los conjuntos 150 de alimentación llenan el 100 % del área de la matriz 100 de lentes. Debido a que la cantidad de componentes eléctricos y de radiofrecuencia utilizados en la matriz 100 de lentes es proporcional a la cantidad total de elementos 152 de alimentación en los conjuntos 150 de alimentación, la reducción de la cantidad de elementos 152 de alimentación también reduce la cantidad y la complejidad de los correspondientes componentes del circuito de procesamiento de señales (amplificadores, transistores, filtros, conmutadores, etc.) por la misma fracción. Adicionalmente, dado que sólo es necesario suministrar potencia a las alimentaciones seleccionadas en cada lente, el consumo de energía total se reduce sustancialmente en comparación con una matriz en fase convencional.

Como se muestra, la matriz 100 de lentes se puede situar en una carcasa 200 que tiene una base 202 y una cubierta o cúpula 204 que encierran completamente los conjuntos 110 de lentes, los conjuntos 150 de alimentación y otros componentes electrónicos. En algunas implementaciones, la cubierta 204 incluye una apertura de acceso para cables de señal o alimentaciones. La carcasa 200 es relativamente delgada y puede formar una superficie 206 superior para la matriz 100 de lentes. La superficie 206 superior puede ser sustancialmente plana o ligeramente curvada. Los conjuntos 110 de lentes también se pueden situar en un sustrato o capa base, como una placa de circuito impreso (PCB), que tiene alimentaciones eléctricas o contactos que comunican señales con los elementos 152 de alimentación de los conjuntos 150 de alimentación. Los conjuntos 110 de lentes pueden estar dispuestos sobre el mismo plano, desplazar a diferentes alturas, o ser colocados en forma de mosaico a lo largo de una superficie no plana.

La FIG. 2 ilustra un conjunto 110 de lentes que tiene una lente 112 con múltiples elementos 152 de alimentación. En el presente documento solo se muestran dos elementos 152a, 152b de alimentación para mayor claridad, pero un grupo de alimentación típico podría tener, por ejemplo, 19, 37 o más alimentaciones individuales. Cada elemento 152 de alimentación produce un haz relativamente ancho a través de la lente 112 en un ángulo específico dependiendo del desplazamiento del elemento de alimentación desde el punto focal nominal de la lente 112. En el ejemplo ilustrado en la FIG. 2, el primer elemento 152a de alimentación está directamente alineado con el punto focal de la lente 112 y genera un Haz 1 que es sustancialmente normal a la lente 112 o a la superficie 206 superior de la carcasa, y el segundo elemento 152b de alimentación se desplaza desde el punto focal de la lente 112 y genera un Haz 2 que forma un ángulo con respecto a la lente 112 normal o la superficie 206 superior de la carcasa. De acuerdo con lo anterior, la activación selectiva de uno de los elementos 152a, 152b de alimentación permite que el conjunto 110 de lentes genere un patrón de radiación en la dirección deseada. (es decir, para escanear el haz mediante la selección de alimentación). Por lo tanto, el conjunto 110 de lentes puede operar en un amplio rango de ángulos.

La FIG. 3 muestra una matriz en fase simplificada que tiene una matriz de lentes con múltiples conjuntos 110 de lentes y conjuntos 150 de alimentación. Cada conjunto 110a, 110b de lentes tiene una lente 112a, 112b que se alinea con un conjunto 150a, 150b de alimentación respectivo, y cada conjunto 150a, 150b de alimentación tiene múltiples elementos 152a, 152b de alimentación. Cada elemento 152 de alimentación incluye una antena 302 y un dispositivo 304 de detección, tal como un lector o detector, conectado a la antena 302. El dispositivo 304 de detección se conecta a un cambiador 306 (tiempo y/o fase), que se conecta a un sumador/divisor 308. El cambiador 306 proporciona un cambio de tiempo y/o fase deseado apropiado para el elemento 152 de alimentación asociado. Cada sumador/divisor 308 se conecta a uno respectivo de los elementos 152 de alimentación en cada uno de los conjuntos 150 de alimentación. Es decir, los elementos 152 de alimentación correspondientes para cada lente 112 se combinan (o dividen) en una red de fase o retardo de tiempo. De acuerdo con lo anterior, un primer sumador/divisor 308a se conecta a un primer elemento 152a1 de alimentación del primer conjunto 150a de alimentación y un primer elemento 152b1 de alimentación del segundo conjunto 150b de alimentación, y un segundo sumador/divisor 308b se conecta aun segundo elemento 152a2 de alimentación del primer conjunto 150a de alimentación y un segundo elemento 152b2 de alimentación del segundo conjunto 150b de alimentación. Cada señal pasa a través del cambiador 306 antes o después de ser sumada o dividida por el sumador/divisor 308. Cada circuito de sumador/divisor 308 se puede conectar directamente (por ejemplo, a través del cambiador 306) a un elemento 152 de alimentación específico dentro de cada conjunto 150 de alimentación o se puede conectar a través de una matriz de conmutación para permitir la selección dinámica de una alimentación 152 particular deseada de cada conjunto 110 de lentes.

Los circuitos dentro del dispositivo 304 de detección incluido en cada elemento 152 de alimentación pueden contener amplificadores, circuitos de control de polarización, diplexores o conmutadores dúplex de división de tiempo y otros componentes. Adicionalmente, el dispositivo 304 de detección se puede implementar como componentes discretos o circuitos integrados. Adicionalmente, el dispositivo 304 de detección puede contener convertidores ascendentes y descendentes para que el procesamiento de la señal pueda tener lugar en una frecuencia intermedia o incluso en la banda base. Si bien en el presente documento se muestra solo una única red de fase para cada haz para evitar que el dibujo esté demasiado desordenado, se entiende que, para cada haz, se puede emplear una red de transmisión de fase y una red de recepción de fase. Para algunas bandas, tales como la banda Ku, puede ser posible emplear una sola red de retardo de tiempo que servirá para poner en fase tanto el haz de transmisión como el de recepción, manteniéndolos coincidentes en el espacio angular sobre todas las bandas de transmisión y recepción. Dicha operación de banda ancha también podría ser posible sobre otras bandas Satcom. La figura muestra cómo se pueden formar dos haces simultáneos al tener dos redes de fases de este tipo. Las extensiones a más de dos haces simultáneos deberían ser evidentes a partir de la descripción.

En operación, una señal recibida por la primera lente 112a pasa al conjunto 150a de alimentación respectivo. La señal es recibida por las antenas 302 y los circuitos 304 del primer conjunto 150a de alimentación y pasa a los cambiadores 306. Por lo tanto, el primer elemento 152a1 de alimentación recibe la señal y la pasa al primer sumador/divisor 308a a través de su respectivo cambiador 306, y al segundo elemento 152a2 de alimentación recibe la señal y la pasa al segundo sumador/divisor 308b a través de su respectivo cambiador 306. La segunda lente 112b pasa la señal a su conjunto 150b de alimentación respectivo. El primer elemento 152b1 de alimentación recibe la señal y la pasa al primer sumador/divisor 308a a través de su respectivo cambiador 306, y al segundo elemento 152b2 de alimentación recibe la señal y la pasa al segundo sumador 308b a través de su respectivo cambiador 306.

Las señales también se transmiten a la inversa, dividiéndose la señal por el sumador/divisor 308 y transmitiéndose desde las lentes 112 a través de los cambiadores 306 y los conjuntos 150a de alimentación. Más específicamente, el primer divisor 308a pasa una señal para ser transmitida a los primeros elementos 152a-i, 152b1 de alimentación del primer y segundo conjuntos 150a, 150b de alimentación a través de respectivos cambiadores 306. Y el segundo divisor 308b pasa la señal a los segundos elementos 152a2, 152b2 de alimentación del primer y segundo conjuntos 150a, 150b de alimentación a través de respectivos cambiadores 306. Los elementos 152a-i, 152a2 de alimentación del primer conjunto 150a de alimentación transmite la señal a través de la primera lente 112a y los elementos 152b-i, 152b2 de alimentación del segundo conjunto 150b de alimentación transmiten la señal a través de la segunda lente 112b.

De acuerdo con lo anterior, el primer sumador/divisor 308a procesa todas las señales recibidas/transmitidas por el primer elemento 152 de alimentación de cada conjunto 150 de alimentación respectivo, y el segundo sumador/divisor 308b procesa todas las señales recibidas/transmitidas por el segundo elemento 152 de alimentación de cada conjunto 150 de alimentación respectivo. De acuerdo con lo anterior, el primer sumador/divisor 308a se puede utilizar para formar haces que escanean un ángulo asociado con los primeros elementos 152a de alimentación, y el segundo sumador/divisor 308b se puede utilizar para formar haces que escanean un ángulo asociado con los segundos elementos 152b de alimentación.

De acuerdo con lo anterior, la FIG. 3 ilustra un ejemplo en el que un elemento de alimentación o una pluralidad de elementos de alimentación incluidos en un conjunto de lentes de una matriz en fase se activa selectivamente en base a una posición del elemento de alimentación con respecto a una lente del conjunto de lentes. Por lo tanto, un haz producido por el conjunto de lentes se puede ajustar sin ninguna parte móvil y, por lo tanto, sin introducir espacios entre la lente y otras lentes de la matriz.

La FIG. 4 ilustra cómo se puede utilizar un circuito de retardo de tiempo/en fase de haz para formar un solo haz mediante la incorporación de uno o más conmutadores 310 en cada lente 112 para seleccionar el elemento de alimentación adecuado para el apuntamiento grueso y luego sincronizar las alimentaciones de la lente para el apuntamiento fino del haz logrando la alta directividad de la matriz general. El conmutador 310 se acopla entre el detector o dispositivo 304 de detección y el cambiador 306, que puede ser, por ejemplo, un circuito de retardo de tiempo o un circuito de cambio de fase. De acuerdo con lo anterior, las señales recibidas sobre el primero y segundo elementos 152a-i, 152a2 de alimentación comparte un cambiador 306. El conmutador 310 selecciona cuál de los elementos 152a1, 152a2 de alimentación se conecta al cambiador 306, para recibir señales y/o para transmitir señales. En una realización de ejemplo de la invención, todos los conmutadores 310 pueden operar para seleccionar simultáneamente el primer elemento 152a-i, 152b1 de alimentación (o el segundo elemento 152a2, 152b2 de alimentación) de cada uno de los conjuntos 150a, 150b de alimentación y señales de paso entre los primeros elementos 152a-i, 152b1 de alimentación (o el segundo elemento 152a2, 152b2 de alimentación) y el sumador/divisor 308. Así, los conmutadores 310 permiten que un sumador/divisor 308 soporte múltiples elementos de alimentación. El cambiador 306 también se controla al mismo tiempo para proporcionar el cambio apropiado para el elemento 152 de alimentación seleccionado.

En los ejemplos de la FIG. 3 y la FIG. 4, el apuntamiento de haz grueso de cada lente 112 se obtiene mediante los circuitos del conjunto de lentes al seleccionar un elemento 152 de alimentación específico (o ubicación de alimentación) en la región focal de cada lente 112. La combinación de lente y alimentación produce un haz relativamente ancho consistente con el tamaño de la lente en longitudes de onda. La dirección del haz se basa en el desplazamiento del elemento 152 de alimentación desde un punto focal nominal de la lente 112. Al combinar los circuitos de antena de los correspondientes elementos 152 de alimentación en cada conjunto 110 de lentes con cambios de fase o retardos de tiempo apropiados, se obtiene un control fino del apuntamiento del haz y una alta directividad debido al tamaño de apertura general de la matriz. El apuntamiento fino del haz de matriz general se logra con configuraciones apropiadas de los circuitos de retardo de tiempo o fase de acuerdo con criterios bien conocidos en la técnica para componentes analógicos o digitales. Para circuitos digitales de retardo de tiempo o fase, por ejemplo, se elige la cantidad apropiada de bits para lograr una precisión de apuntamiento de haz de matriz específica.

De acuerdo con lo anterior, la FIG. 4 ilustra otro ejemplo en el que un elemento de alimentación o una pluralidad de elementos de alimentación incluidos en un conjunto de lentes de una matriz en fase se activa selectivamente en base a una posición del elemento de alimentación con respecto a una lente del conjunto de lentes. Por lo tanto, un haz producido por el conjunto de lentes se puede ajustar sin ninguna parte móvil y, por lo tanto, sin introducir espacios entre la lente y otras lentes de la matriz para permitir el movimiento de la lente.

La FIG. 5 representa una ubicación optimizada de las posiciones del centro de fase de cada conjunto 110 de lentes para afectar la simetría/periodicidad de la matriz 100 y, por lo tanto, minimizar los lóbulos de rejilla. Cada lente 112 tiene un centro geométrico (“centroide”) así como un centro de fase. Para lentes que son cilíndricamente simétricos, aunque el centro de fase no está necesariamente colocado con el eje de simetría para todos los ángulos de escaneo, una desviación del eje de simetría de una distancia y ángulo particular en el plano de la lente corresponderá a la desviación de la misma distancia y ángulo del centro de fase, en relación con la configuración original. De esta forma, el centro de fase de la lente se puede ajustar al cambiar la ubicación del eje de simetría de la lente con respecto al centroide de la lente. El centro de fase corresponde a una ubicación desde la cual parecen emanar ondas electromagnéticas esféricas de campo lejano. El centro de fase y el centro geométrico de una lente se pueden controlar independientemente, y el centro de fase, no el centro geométrico, de cada lente 112 determina un grado de reducción del lóbulo de rejilla.

De acuerdo con lo anterior, un centro 24 de fase de cada lente 112 es perturbado por distancias optimizadas r y ángulos de rotación ai del eje de simetría de la lente desde un centro 20 geométrico (es decir, el centro de fase imperturbable) que normalmente se habría colocado en mosaico sobre una cuadrícula hexagonal o rectangular uniforme. La colocación optimizada específica del eje de simetría de la lente se puede determinar mediante cualquier técnica adecuada, tal como se describe en la referencia de Gregory mencionada anteriormente. La posición del eje de simetría de la lente determina el centro de fase. De acuerdo con los métodos en la referencia de Gregory, por ejemplo, alterar la periodicidad de la matriz en pequeñas cantidades de esta manera suprime los lóbulos de rejilla. Este proceso funciona porque los lóbulos de rejilla se forman mediante la formación de una estructura periódica, que se conoce como rejilla. Al eliminar la periodicidad entre los elementos, ya no existe una estructura de rejilla regular y no se forman lóbulos de rejilla. La cantidad de lentes, la forma o el límite de la matriz, la cantidad de alimentaciones o la ubicación de las alimentaciones debajo de la lente no cambian los principios de esta estrategia de mitigación.

La FIG. 6 representa una versión de la matriz 100 de lentes con un recuento de partes relativamente bajo en el que solo se incluye un elemento 152 de alimentación por lente por conjunto de lentes. En el ejemplo ilustrado en la FIG. 6, cada elemento de alimentación se mueve mecánicamente sobre el rango corto de distancias focales en cada lente para efectuar la orientación del haz. La FIG. 6(a) representa una vista lateral de la matriz 100 de lentes y la FIG. 6(b) representa una vista de arriba hacia abajo de la matriz 100 de lentes. Se proporciona un sistema de posicionamiento que incluye un soporte 170 de alimentación y uno o más accionadores. El soporte 170 de alimentación puede ser una placa plana o similar que tiene una forma igual o diferente a la de la carcasa 200 y es más pequeña que la carcasa 200 para que pueda moverse en dirección X e Y y/o girar dentro de la carcasa 200. Los conjuntos 110 de lentes se colocan sobre el soporte 170 de alimentación combinado de tal manera que el ensamble de alimentación (es decir, el soporte 170 de alimentación y los elementos 152 de alimentación) se pueden mover independientemente de las lentes 112. En esta realización, el soporte 170 de alimentación no se conecta directamente, sino que solo está adyacente o en contacto con el separador 114 de lentes o las lentes 112. El conjunto 152 de alimentaciones montado en el soporte 170 de alimentación se mueve con respecto a las lentes para efectuar un escaneo de haz grueso y las alimentaciones se sincronizan/retrasan en el tiempo para producir la ganancia de matriz completa y el apuntamiento fino. En la realización no limitante mostrada, un primer accionador 172 lineal se conecta al soporte 170 para mover el soporte 170 en una primera dirección lineal, tal como la dirección X, y un segundo accionador 174 lineal se conecta al soporte 170 para mover el soporte 170 en una segunda dirección lineal, tal como la dirección Y con respecto a las lentes estacionarias. Se pueden proporcionar otros accionadores para mover el soporte 170 hacia arriba/abajo (por ejemplo, en la FIG. 6(a)) con respecto a las lentes 112, gire el soporte 170 o incline el soporte 170.

También se puede proporcionar un controlador para controlar los accionadores 172, 174 y mover los elementos 152 de alimentación a una posición deseada con respecto a las lentes 112. Aunque el soporte 170 se muestra como una única placa, pueden ser varias placas que estén todas conectadas a accionadores comunes para moverse simultáneamente o accionadores separados para que las placas individuales y los conjuntos 110 de lentes se puedan controlar por separado. De acuerdo con lo anterior, la FIG. 6 ilustra un ejemplo en el que un elemento de alimentación activo incluido en un conjunto de lentes de una matriz de lentes se reposiciona con relación a una lente del conjunto de lentes sin mover la lente. Por lo tanto, un haz producido por el conjunto de lentes se puede ajustar sin mover la lente y sin introducir espacios entre la lente y otras lentes de la matriz en fase.

La FIG. 7 muestra diagramas de circuitos representativos para transmisión (Tx) y recepción (Rx) simultáneas en la misma apertura, que incluye el control del ángulo de inclinación de polarización lineal dual, como sería necesario para las aplicaciones Satcom geoestacionarias de banda Ku. Los circuitos en fase de haz en la parte inferior se pueden replicar para cada haz simultáneo independiente. La FIG. 7 ilustra rutas de señal independientes dentro de los circuitos 304 del conjunto de lentes y cambiadores 306 separados para la operación de recepción y transmisión del sistema. Si bien no se ilustra, las operaciones de recepción y transmisión pueden tener adicionalmente sumadores/divisores 308 asociados separados. En el ejemplo ilustrado, el detector 304 en cada elemento 152 de alimentación incluye diplexores 702 y 704 separados para puertos de alimentación polarizados horizontal y vertical del detector 304 para separar señales de transmisión de alta potencia y de recepción de baja potencia. La señal de recepción pasa de los diplexores 702 y 704 al amplificador 706, 706 de bajo ruido, un circuito 710, 712 de inclinación de polarización, un amplificador 714 adicional y el conmutador 716 de selección de alimentación antes de llegar al cambiador 306. La señal de transmisión del cambiador 306 pasa a través del conmutador 716, el amplificador 714, un circuito 712, 710 de inclinación de polarización y un amplificador 708, 706 de potencia final antes de alimentar los dos diplexores 702 y 704, respectivamente.

La FIG. 8 es un diagrama de circuito representativo para una matriz de lentes de elementos polarizados circularmente duales tales como los que se pueden utilizar para frecuencias Satcom comerciales de banda K/Ka. La FIG. 8 muestra un diagrama similar a la FIG. 7, excepto por un cambio en la operación de los circuitos 710, 712. La operación Satcom de K/Ka requiere polarización circular, en lugar de polarización lineal inclinada como se requiere para el funcionamiento de Satcom en Ku. Las señales polarizadas circularmente a la derecha o polarizadas circularmente a la izquierda se pueden lograr con un conmutador 804 simple para los canales de recepción y 806 para los canales de transmisión que controlan qué puerto se excita en un circuito polarizador circular o componente de guía de ondas, en comparación con los circuitos 710 y 712 de adición de vector de fase y magnitud compleja para lograr una señal polarizada lineal con un ángulo de inclinación arbitrario. Los aspectos restantes del diagrama son los mismos que en la Fig. 7. Los expertos en la materia pueden entender las variaciones de este circuito. Por ejemplo, la alimentación de los dos componentes de polarización lineal ortogonal de la alimentación utilizando un acoplador híbrido o un polarizador de guía de ondas incorporado y un transductor de modo ortogonal (OMT) puede proporcionar polarizaciones duales simultáneas en lugar de polarizaciones conmutadas.

La FIG. 9 ilustra un conjunto de circuitos de lentes representativos para aplicaciones de solo recepción y solo transmisión. La FIG. 9(a) ilustra una antena de solo recepción y la FIG. 9(b) ilustra una antena de solo transmisión. Los diplexores 702 y 704 de recepción y transmisión no se requieren para una antena de solo recepción o solo de transmisión, ya que las señales de recepción y transmisión no están conectadas al mismo elemento de alimentación y no es necesario separarlas. Los aspectos restantes de la FIG. 9(a) y la FIG. 9(b) permanecen sustancialmente iguales a las FIG. 7-8.

La FIG. 10 muestra mayor simplificación y reducción adicional en el recuento de partes al incorporar conmutadores 1002 multipuerto de baja pérdida para seleccionar el elemento de alimentación apropiado. El uso de conmutadores multipuerto de baja pérdida permite que múltiples elementos de alimentación compartan un único conjunto de amplificadores de potencia, amplificadores de bajo ruido, cambiadores de fase y otros circuitos de alimentación. De esta forma, se reduce la cantidad de componentes de circuito requeridos mientras se mantiene la misma cantidad de elementos de alimentación detrás de la lente. Una matriz de conmutación más grande permite que más elementos de alimentación compartan el mismo circuito de alimentación, pero también aumenta la pérdida de inserción del sistema, aumenta la temperatura de ruido del receptor y disminuye el rendimiento del terminal. Un equilibrio entre las pérdidas adicionales incurridas por un nivel adicional de conmutación, que generalmente (aunque no necesariamente) es una conmutación de dos a uno, se debe equilibrar con el coste y el área de circuito de los circuitos de recepción y transmisión adicionales requeridos cuando se omiten.

La FIG. 11 representa una disposición simplificada de formación de haz digital (DBF). El detector 304 se conecta a un convertidor 1102 descendente. Un convertidor 1110 de analógico a digital (ADC) se conecta al convertidor 1102 descendente. El detector 304 transmite una señal recibida a través de la antena 302 al convertidor 1102 descendente, que reduce la conversión de la señal. El convertidor 1102 descendente transmite la señal recibida convertida descendentemente al ADC 1106. El ADC 1106 digitaliza la señal recibida y forma un haz en el dominio digital, eliminando así la necesidad de dispositivos analógicos de retardo de tiempo o de fase de RF (es decir, no es necesario proporcionar el cambiador 306 de las FIG. 2-3). La señal digitalizada se transmite luego a un Procesador 1110 Digital de Recepción para el procesamiento de la señal.

Se proporciona un proceso correspondiente para transmitir una señal sobre la matriz. Un Procesador 1112 Digital de Transmisión envía la señal que se va a transmitir a un Convertidor 1108 Digital a Analógico (DAC). El DAC 1108 convierte bits de baja frecuencia (o posiblemente de banda base) en una frecuencia intermedia analógica (IF) y se conecta a un mezclador 1104. El mezclador 1104 convierte de forma ascendente la señal del DAC 1108 a RF, amplifica la señal para transmitir y envía las señales a los elementos de alimentación con la fase adecuada (por ejemplo, seleccionada por el procesador 1112 digital de transmisión) para formar un haz en la dirección deseada. Se pueden emplear muchas variaciones evidentes para los expertos en la técnica manteniendo las características únicas de la invención.

La FIG. 12 es una colección funcional simplificada de subsistemas que permiten incorporar una antena de matriz de lentes en un terminal de seguimiento completamente funcional para Satcom en el movimiento o para el seguimiento de satélites no geoestacionarios. En el presente documento, un sistema 1200 incluye un dispositivo 1202 de procesamiento tal como una Unidad Central de Procesamiento (CPU), baliza o receptor 1206 de seguimiento, Subsistema 1204 de Radiofrecuencia (RF), Interfaz de 1208 Conversión de Frecuencia y Módem, Subsistema 1210 de Potencia, Interfaz 1212 de Potencia Externa, Interfaz 1214 de Usuario y otros subsistemas 1216. La matriz del subsistema 1204 RF puede incluir cualquiera de la matriz y los circuitos de alimentación de las FIG. 1-11 como se describe en el presente documento. El dispositivo 1202 de procesamiento, la baliza o el receptor 1206 de seguimiento, la interfaz 1208 de módem, el subsistema 1210 de potencia, la interfaz 1212 de alimentación externa, la interfaz 1214 de usuario y otros subsistemas 1216 se implementan como en cualquier terminal SATCOM estándar, utilizando interfaces y conexiones similares al subsistema 1204 de RF como lo utilizarían otras implementaciones del subsistema de RF, tal como una antena reflectora con cardán o una antena de matriz en fase convencional. Como se muestra, todos los componentes 1202-1214 pueden comunicarse entre sí, ya sea directamente o a través del dispositivo 1202 de procesamiento. De acuerdo con lo anterior, la FIG. 12 ilustra un contexto en el que se pueden integrar sistemas de antenas de matriz en fase de múltiples haces, como se describe en este documento.

La FIG. 13 demuestra el uso de múltiples terminales de antena basados en lentes en un contexto terrestre. En base a las condiciones dinámicas en tiempo real y las demandas de comunicación, los terminales pueden volver a apuntar sus haces para establecer comunicaciones simultáneas con múltiples objetivos para formar una red de malla o autorregenerable. En dicha red, múltiples terminales 100a-c de antena ubicados en las ubicaciones 1302, 1304 y 1306, que pueden ser edificios, torres, montañas u otras ubicaciones de montaje, pueden establecer dinámicamente enlaces 1310, 1312 y 1314 de comunicación de alta directividad punto a punto mostrados como flechas anchas bidireccionales entre ellos en respuesta a solicitudes de comunicación o condiciones ambientales cambiantes. Por ejemplo, si las antenas 100a y 100b se comunican por el enlace 1310, pero el enlace se interrumpe, la ruta de comunicaciones se puede reformar utilizando los enlaces 1312 y 1314 que utilizan las antenas 100-b y 100-c. Esto permite el uso de antenas altamente direccionales en una red en malla, lo que mejorará la relación señal-ruido, los niveles de potencia, el rango de comunicación, el consumo de potencia, el rendimiento de datos y la seguridad de la comunicación en comparación con una red en malla compuesta por elementos omnidireccionales convencionales.

Ventajas de la invención

Un patrón de radiación de elemento integrado es el patrón de radiación producido por un elemento individual en una matriz en fase mientras está en presencia de los otros elementos de la matriz en fase. Debido a las interacciones entre los elementos (por ejemplo, acoplamiento mutuo), este patrón de radiación integrada difiere del patrón que tendría el elemento si estuviera aislado o fuera independiente de los otros elementos. Dados los patrones de elementos de radiación integrada de uno o más elementos de la matriz en fase, se puede calcular el patrón de radiación de la matriz como un todo (por ejemplo, utilizando la multiplicación de patrones). En matrices en fase típicas, el patrón de elementos tiene una dirección de haz fija. La matriz en fase de acuerdo con la presente divulgación incluye elementos (por ejemplo, lentes, antenas de apertura) que pueden tener patrones de radiación orientables.

La matriz 100 de lentes incluye elementos que son eléctricamente grandes en comparación con los elementos de media onda utilizados en las matrices en fase convencionales, y se implementan de tal manera que el patrón de radiación de cada elemento se puede orientar para que apunte ampliamente en la dirección de escaneo del haz deseado. El patrón de radiación del elemento integrado y la dirección del haz de cada lente 112 (por ejemplo, un elemento de matriz) de la matriz 100 de lentes se determina mediante la ubicación del correspondiente elemento 152 de alimentación activo en relación con el punto focal de la lente 112. De acuerdo con lo anterior, la matriz 100 tiene un patrón de radiación flexible.

Se puede utilizar cualquier tipo de lente en la matriz 100, tal como una lente dieléctrica homogénea, una lente dieléctrica de índice de gradiente no homogénea, una lente compuesta de metamaterial o estructuras dieléctricas artificiales, una lente sustancialmente plana construida utilizando una o más capas de una metasuperficie o rejilla de difracción, lentes aplanadas tales como las lentes de Fresnel, lentes híbridas construidas a partir de combinaciones de metamateriales y dieléctricos convencionales, o cualquier otro dispositivo de transmisión que actúe como una lente para colimar o enfocar la energía de RF en un punto focal o lugar geométrico. En algunas realizaciones, el movimiento de la ubicación del elemento 152 de alimentación activo se logra sin partes móviles utilizando un grupo de múltiples alimentaciones 152 excitadas independientemente que se escanean al cambiar cuál de las alimentaciones 152 está excitada, como se explicó anteriormente con referencia a las FIG. 3 y 4. Alternativamente, se puede lograr el mismo efecto con solo una única alimentación 152 detrás de cada lente 112 con un accionador 172 y/o 174 para mover el elemento 152 en relación con la lente 112 y, por lo tanto, cambiar la dirección del haz del patrón del elemento, como se explicó anteriormente con referencia a la FIG. 6. Cada lente 112 puede tener un par independiente de accionadores 172, 174, o un solo par de accionadores podría mover los alimentadores de todas las lentes juntas.

Por lo tanto, el uso de lentes relativamente grandes desde el punto de vista eléctrico como elementos de una matriz en fase permite que la matriz en fase tenga un patrón de elementos sintonizable o escaneable. Adicionalmente, el uso de lentes como elementos de la matriz en fase permite cubrir toda la apertura de la matriz mediante subaperturas radiantes (por ejemplo, las lentes). Esto puede aumentar la eficiencia de apertura y la ganancia de la antena de matriz.

Otro beneficio de utilizar lentes con haces orientables como elementos de una matriz en fase es que una matriz en fase que incluye lentes como elementos puede incluir menos componentes eléctricos y de RF en comparación con una matriz en fase convencional. En un ejemplo ilustrativo, la matriz 100 en fase incluye 19 conjuntos 110 de lentes (es decir, elementos) que tienen un diámetro de 13 cm cada uno y que se disponen en un patrón de mosaico hexagonal para llenar eficientemente una apertura general que es aproximadamente equivalente en rendimiento a una matriz en fase de 65 cm de diámetro. El área detrás de cada lente 112 se puede cubrir o llenar solo parcialmente con los elementos 152 de alimentación, mientras que en una matriz en fase convencional, toda la superficie de la apertura de la matriz en fase se puede cubrir con elementos de alimentación. Además, los elementos 152 de alimentación pueden no estar más densamente empacados que en la matriz en fase convencional (por ejemplo, media onda). De acuerdo con lo anterior, la matriz 110 en fase puede incluir menos elementos de alimentación en comparación con la matriz en fase convencional. Dado que cada elemento de alimentación en la matriz en fase convencional o basada en lentes incluye circuitos asociados (por ejemplo, el detector 304), reducir la cantidad de elementos de alimentación puede reducir la cantidad de circuitos incluidos en la matriz 100 en fase. Además, debido a que solo un elemento 152 de alimentación puede estar activo a la vez por lente 112 para generar un haz, algunas realizaciones de la matriz 100 de lentes permiten que los circuitos, tal como el cambiador 306, sean compartidos por múltiples elementos 152 de alimentación, como se describe con referencia a la FIG. 4. De acuerdo con lo anterior, la matriz 100 de lentes puede incluir una cantidad reducida adicional de circuitos. En un ejemplo, los 4000 cambiadores requeridos en una matriz en fase convencional de 4000 elementos pueden reducirse a tan solo 19 cambiadores 306 en la realización preferida (es decir, uno para cada una de las lentes 112). Por lo tanto, la matriz 110 en fase en este ejemplo puede tener menos componentes eléctricos y de RF en comparación con una matriz en fase convencional con los elementos de alimentación de media onda típicos.

Adicionalmente, la matriz 100 de lentes puede consumir menos energía en comparación con una matriz en fase convencional. En un ejemplo ilustrativo, la matriz 100 de lentes opera con una potencia de RF de transmisión de 40 W (46 dBm). La potencia de transmisión total se distribuye sobre los módulos 110 de lentes de la matriz 100 de lentes (es decir, los elementos de la matriz en fase), donde en cada uno de los módulos 110 de lentes se activa un solo elemento 152 de alimentación para crear un solo haz. Como se describió anteriormente, una realización de la matriz 100 de lentes incluye 19 módulos 110 de lentes. Por esta razón, es necesario que cada elemento 152 de alimentación maneje aproximadamente 1/19 de la potencia total de 40 W (es decir, poco más de 2 W o 33 dBm). Los elementos 152 de alimentación no utilizados en cada uno de los conjuntos 110 de lentes se pueden apagar y no es necesario que disipen ninguna potencia de CC inactiva para los circuitos de recepción o transmisión. De acuerdo con lo anterior, la matriz 100 de lentes puede consumir menos energía en comparación con una matriz en fase convencional en la que se activa cada elemento de alimentación. En un ejemplo de la matriz 100 de lentes, cada uno de los conjuntos 110 de lentes incluye entre 20 y 60 elementos 152 de alimentación independientes detrás de la lente 112. Se puede esperar que una implementación de solo recepción de la matriz 100 de lentes consuma menos del 10% de la potencia de CC de la apertura de matriz en fase de solo recepción convencional equivalente.

El sistema de formación de haces para la matriz 100 de lentes puede incluir los conmutadores 1002 y 716 del elemento 152 de alimentación, los cambiadores 306, los sumadores/divisores 308, el dispositivo 1202 de procesamiento o una combinación de los mismos. Para generar un haz en una dirección deseada, el dispositivo 1202 de procesamiento selecciona las posiciones de un elemento de alimentación activo para cada conjunto 110 de lentes y calcula la fase o el tiempo de retardo apropiado para cada conjunto 110 de lentes. El retardo de tiempo/fase y la combinación/división de potencia se pueden realizar antes o después de la etapa de conversión ascendente/descendente en RF, IF o banda base. El dispositivo 1202 de procesamiento establece las posiciones de los elementos de alimentación activos al enviar señales de control para activar uno de los elementos 152 de alimentación para cada uno de los conjuntos 110 de lentes o al enviar señales de control para ajustar las posiciones de los elementos 152 de alimentación utilizando uno o más de los accionadores 172, 174. El dispositivo 1202 de procesamiento envía adicionalmente una o más señales de control a uno o más de los conmutadores 1002, 716, los cambiadores 306, los sumadores/divisores 308, o una combinación de los mismos para establecer el retardo de tiempo/fase y la combinación/división de potencia para cada conjunto 110 de lentes.

Aunque las lentes GRIN son la realización preferida para muchas aplicaciones, las lentes 112 no necesitan ser GRIN. Por ejemplo, en aplicaciones que manejan un campo de visión limitado o un ancho de banda limitado, pueden ser suficientes lentes homogéneos más pequeños. También, en algunas circunstancias, las lentes de metamateriales o lentes planas compuestas de metasuperficies o dieléctricos artificiales pueden ser óptimas. Generalmente, las lentes no homogéneas se diseñan de acuerdo con el método de optimización para la solicitud número de serie 62/438,181 proporcionará mejores patrones de radiación sobre cualquier dirección de haz o rango de escaneo (particularmente cuando el ángulo de escaneo aumenta más allá de los 45 grados), y distancias focales más cortas que las lentes homogéneas, y proporcionará mejores respuestas de frecuencia de banda ancha que las lentes basadas en metamateriales o metasuperficies.

Las antenas de comunicaciones por satélite deben limitar sus envolturas de densidad espectral de potencia (PSD) de lóbulo lateral para cumplir con los estándares de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU). Esto requiere un control cuidadoso de los lóbulos laterales. Sin embargo, para la matriz de lentes con conjuntos 110 de lentes eléctricamente grandes como se describe en este documento, se crean lóbulos de rejilla cuando la energía de los lóbulos laterales de todos los conjuntos 110 de lentes interfiere constructivamente en una dirección no deseada. Sin embargo, la alta directividad de los patrones de radiación de los conjuntos 110 de lentes puede reducir muchos de los efectos de los lóbulos de rejilla, ya que la directividad de los patrones de radiación de las lentes, que se multiplica por el factor de matriz, cae rápidamente, a diferencia de la respuesta de una matriz convencional.

Normalmente, el uso de un elemento de matriz de alta directividad (por ejemplo, una lente) para mitigar el efecto de los lóbulos de rejilla daría como resultado un rango de escaneo muy estrecho dentro del ancho angular del patrón de radiación de la matriz. Sin embargo, permitir que los conjuntos 110 de lentes escaneen por sí mismos sus patrones de elementos integrados a través del campo de visión deseado conserva tanto el rendimiento de escaneo como el perfil del patrón de radiación de la antena original. Se puede obtener una mitigación adicional de los lóbulos de rejilla al perturbar las ubicaciones de los centros de fase para romper la simetría de la cuadrícula regular de conjuntos 110 de lentes, como se describe con referencia a la FIG. 5.

Los conjuntos de lentes no son idénticos en geometría, perfiles dieléctricos o una combinación de los mismos, o la pluralidad de conjuntos de lentes se colocan en una configuración de mosaico no uniforme, en el que la configuración de mosaico de la pluralidad de elementos de lente mejora el patrón de radiación de la antena en un campo de visión amplio y/o rango de frecuencia. Romper la simetría (periodicidad) de las posiciones de los conjuntos 110 de lentes en dos o tres dimensiones reduce el grado en que la energía interferirá constructivamente en cualquier dirección. Adicionalmente, la ubicación de los centros de fase de los conjuntos 110 de lentes se puede disponer en una cuadrícula aperiódica no uniforme para minimizar el efecto de los lóbulos de rejilla. Las ubicaciones físicas de los centros de fase en una, dos o tres dimensiones se aleatorizan y/u optimizan para minimizar los lóbulos de rejilla y mejorar el patrón de radiación. Los centros de fase se pueden seleccionar mediante un optimizador estocástico de forma arbitraria o pseudoordenada como parte del proceso de diseño del terminal. Los conjuntos 110 de lentes se construyen de tal manera que su centro físico y su centro de fase (generalmente coincidente con el eje de simetría dentro de la lente) están espacialmente separados, donde cada lente en la matriz 100 de lentes puede tener un desplazamiento diferente entre la fase y el centro físico, como se describe con referencia a la FIG. 5.

Se pueden aplicar muchas variantes de métodos de optimización a la reducción de lóbulos de rejilla. Como ejemplo, la ubicación (x, y) del eje de simetría de cada lente 112 con respecto al centro geométrico del conjunto 110 de lentes cuando está en su ubicación adecuada de la matriz 100 en fase periódicamente en mosaico se codifica como una constante en una red hexagonal o rectangular con un desplazamiento variable. El desplazamiento se puede codificar en dos variables para sistemas de coordenadas cartesiano, cilíndrico o algún otro sistema de coordenadas conveniente. Un algoritmo de optimización estocástica (tal como el Algoritmo Genético, el Enjambre de Partículas o la Estrategia Evolutiva de Adaptación de Matriz de Covarianza, entre otros) acoplado con una rutina de software para predecir el factor de matriz y el patrón de matriz resultante a partir de una combinación de patrones de radiación de lentes integrados y ubicaciones de conjuntos 110 de lentes luego se utiliza para seleccionar los desplazamientos parametrizados específicos para el centro de fase de cada elemento de lente 112, según lo controlado por el eje de simetría de cada elemento de lente 112. La ubicación del eje de simetría y, por lo tanto, las ubicaciones del centro de fase, se fijan cuando se fabrica la matriz y no varían durante la operación. El pequeño desplazamiento del eje de simetría desde el centro geométrico de la lente introduce solo una pequeña diferencia en el ángulo de apuntamiento del haz grueso entre los conjuntos 112 de lentes adyacentes (que se puede corregir mediante pequeños cambios correspondientes en la ubicación de la matriz 150 de alimentación debajo del conjunto 112 de lentes), y se pueden seleccionar las mismas alimentaciones 152 entre los conjuntos 112 de lentes adyacentes para apuntar el haz grueso en la dirección deseada para todo el conjunto. En todos estos casos, el espacio ocupado por los conjuntos 112 de lentes no cambia, pero la ubicación de su eje de simetría cambia para controlar el centro de fase. Como se describe en el presente documento, la matriz 100 de lentes puede desplazar el centro de fase de la lente 112 sin cambiar el centro geométrico (centroide) del conjunto 110 de lentes o introducir espacios en una apertura de la matriz 100 de lentes (por ejemplo, utilizando los accionadores 172, 174.

El optimizador puede minimizar los lóbulos de rejilla a través del factor de matriz solo, o puede aplicar los patrones de radiación del elemento integrado (por ejemplo, conjunto de lentes) al factor de matriz y optimizar los lóbulos laterales del patrón de radiación directamente. Considerar directamente el patrón de matriz requiere estrategias de optimización multiobjetivo más sofisticadas. Un enfoque híbrido implica construir una máscara en el peor de los casos que el factor de matriz debe satisfacer para garantizar que los lóbulos laterales satisfagan las máscaras reguladoras en todos los ángulos y frecuencias.

El tamaño de la lente 112 es una cuestión de coste frente a rendimiento y complejidad. Aumentar el tamaño de la lente individual 112 reduce la cantidad de elementos en la matriz en fase, simplificando de esta manera los circuitos, pero también aumenta la distancia de separación del conjunto 110 de lentes al conjunto 110 de lentes, la magnitud del problema del lóbulo de rejilla y el coste y la complejidad de cada elemento 152 de alimentación individual. La reducción del tamaño de los elementos individuales aumenta la cantidad de conjuntos 110 de lentes, pero reduce los lóbulos de rejilla y el coste y la complejidad de cada elemento 152 de alimentación y conjunto 110 de lentes.

El uso de elementos de matriz en fase eléctricamente grandes (por ejemplo, conjuntos de lentes) con patrones escaneados eléctricamente individualmente puede valer la pena si el elemento tiene un coste mucho más bajo para un tamaño de apertura dado en comparación con el coste de los elementos de matriz en fase convencionales que de otro modo llenarían esa área y producirían un rendimiento terminal de antena similar. Para una antena con lente de escaneo de alimentación conmutada, el coste de la lente en sí es relativamente pequeño y el coste de la antena de matriz puede ser proporcional a la cantidad de elementos de alimentación y sus circuitos.

En algunos ejemplos de la matriz 100 en fase, solo una fracción del área (25-50 %) detrás de la lente 112 en cada conjunto 110 de lentes está poblada con elementos 152 de alimentación, y los elementos 152 de alimentación pueden estar separados por más de la mitad de una longitud de onda Por esta razón, cuando se considera un área de apertura dada que puede ser cubierta por un conjunto 110 de lentes, el coste del conjunto 110 de lentes puede ser mucho menor en comparación con la matriz en fase equivalente que incluye relativamente más elementos de alimentación.

Cada elemento 152 de alimentación detrás de una lente 112 dada se asocia con un conjunto particular de circuitos dependiendo de la aplicación de la matriz como un todo. El caso más simple es un circuito de polarización simple de solo recepción o solo de transmisión. Se puede utilizar un circuito de polarización controlable para operación en SATCOM con polarización horizontal/vertical inclinada de banda Ku, o un polarizador circular para SATCOM K/Ka, junto con una antena 152 de alimentación de polarización dual, para soportar la operación móvil o la operación independiente de la polarización.

La operación combinada de recepción/transmisión en un solo terminal se puede realizar con un conmutador de transmisión/recepción activo para el dúplex por división de tiempo, o al utilizar un elemento de circuito diplexor para la operación dúplex por división de frecuencia, como se describe con referencia a las FIG. 7, 8 y 10. El elemento diplexor aumenta el coste y la complejidad de cada elemento, pero existe una ventaja significativa al utilizar solo una única apertura combinada de recepción/transmisión en lugar de dos aperturas separadas.

La matriz 100 de lentes puede incluir un solo cambiador 306 en cada conjunto 110 de lentes para cada haz simultáneo soportado, en lugar de uno para cada elemento 152 de alimentación como sería necesario en una matriz en fase convencional, como se describe con referencia a la FIG. 4. En algunos ejemplos en los que los conmutadores 1002 multipuerto de baja pérdida corresponden a un conmutador N:1 de baja pérdida, se incluye un único detector 304 en cada conjunto 110 de lentes y la potencia se conmuta entre el conjunto de todos los elementos 152 de alimentación detrás del lente 112 utilizando los conmutadores 1002 multipuerto de baja pérdida. Existe una compensación entre las pérdidas de conmutación aceptables y la cantidad de detectores 304 para cada lente para maximizar el rendimiento y minimizar el coste. El rendimiento, la disponibilidad y el coste relativo del circuito 1002 de conmutación y el detector 304 dictan la cantidad apropiada de elementos de alimentación que se deben conmutar en un solo detector 304 para una aplicación dada.

Debido a la separación de elementos relativamente grande de los conjuntos 110 de lentes y la cantidad relativamente pequeña de conjuntos 110 de lentes en la matriz 100 de lentes, los cambiadores 306 pueden tener una discretización relativamente mayor en comparación con aquellos de una matriz en fase estándar. Por ejemplo, los cambiadores 306 pueden corresponder a unidades de retardo de tiempo de 8 bits o una mayor cantidad de bits, en lugar de las unidades de retardo de tiempo de 4 o 6 bits de una matriz en fase convencional típica. Sin embargo, debido a la cantidad relativamente pequeña de conjuntos 110 de lentes y cambiadores/unidades 306 de retardo de tiempo asociados en la matriz 100 en fase, la resolución adicional de los cambiadores 306 puede no representar un coste significativo.

En contraste con otras matrices en fase de elementos grandes, tal como el Very Large Array de Napier (27 antenas reflectoras con cardán, cada una de 25 m de diámetro), la matriz de lentes 100 de los conjuntos 110 de lentes propuestos en este documento puede soportar múltiples haces simultáneos en direcciones casi arbitrarias dentro de un campo de visión. Esto se implementa al excitar dos o más elementos 152 de alimentación separados detrás de cada lente 112 con una señal de entrada separada y un desplazamiento de tiempo único para cada conjunto 110 de lentes. Dado que cada elemento 152 de alimentación de una sola lente 112 irradiará un haz independiente, una matriz de conjuntos 110 de lentes puede generar haces independientes de alta directividad.

En contraste con las matrices en fase convencionales, la matriz 100 de lentes 112 en el presente documento puede soportar múltiples haces con un mínimo de circuitos agregados, mientras que una matriz en fase convencional (analógica) replicaría toda la red de alimentación para cada haz. Dado que solo se activa un elemento 152 de alimentación y un cambiador 306 de fase para producir un solo haz, se pueden incluir dos haces independientes al agregar una capa de conmutadores adicionales y un cambiador 306 de fase adicional a cada conjunto 110 de lentes.

La matriz 100 de lentes se describe como un terminal terrestre para comunicaciones por satélite, y se podría utilizar para terminales terrestres tanto estacionarios como móviles. En este modo de comunicación, el montaje potencial y las aplicaciones pueden incluir escuelas, hogares, empresas u ONG, drones privados o públicos, sistemas aéreos no tripulados (UAS), aviones militares, civiles, de pasajeros o de carga, vehículos marítimos de pasajeros, amigos, ocio u otros vehículos marítimos y vehículos terrestres tales como autobuses, trenes y coches. La matriz 100 de lentes, como se describe, también se puede aplicar para el segmento espacial de un sistema de comunicación por satélite como una antena sobre un satélite para múltiples haces puntuales y/o haces perfilados, para enlaces de microondas terrestres punto a punto reconfigurables dinámicamente, estaciones base celulares (tales como 5G), y cualquier otra aplicación que requiera o se beneficie de la formación dinámica de haces múltiples.

Los terminales de antena de matriz de lentes se pueden utilizar para aplicaciones estacionarias o móviles en las que el campo angular de observación requiere que el haz o múltiples haces se formen en ángulos espaciales relativamente amplios. Por ejemplo, para una terminal Satcom en la parte superior de un avión, es deseable que el rango de ángulos sea de al menos 60 grados e incluso 70 grados o más para garantizar que la antena pueda comunicarse con satélites geoestacionarios en varias ubicaciones orbitales en relación con el avión. Para los sistemas de satélites no geoestacionarios, el haz o los haces deben poder rastrear los satélites a medida que pasan por encima, ya sea que la terminal esté estacionaria, por ejemplo encima de un edificio o en una torre, o móvil tal como sobre un vehículo. En ambos casos, el rango de ángulos depende e la cantidad y la ubicación de los satélites y del ángulo de elevación mínimo aceptable desde el terminal hasta el satélite. Por lo tanto, los sistemas de antena generalmente deben tener un amplio campo de visión o rango de ángulos de orientación del haz.

Se observa adicionalmente que la descripción utiliza varios términos geométricos o relacionales, tales como delgado, hexagonal, hemisférico y ortogonal. Además, la descripción utiliza varios términos direccionales o de posicionamiento y similares, tal como debajo. Esos términos son simplemente por conveniencia para facilitar la descripción basada en las realizaciones que se muestran en las figuras. Esos términos no pretenden limitar la invención. Por lo tanto, se debe reconocer que la invención se puede describir de otras maneras sin esos términos geométricos, relacionales, direccionales o de posicionamiento. Además, los términos geométricos o relacionales pueden no ser exactos debido, por ejemplo, a las tolerancias permitidas en la fabricación, etc. Y se pueden proporcionar otras geometrías y relaciones adecuadas sin apartarse del alcance de la invención.

Como se describe y muestra, el sistema y el método de la presente invención incluyen la operación por uno o más circuitos y/o dispositivos de procesamiento, que incluyen la CPU 1202 y los procesadores 1110, 1112. Por ejemplo, el sistema puede incluir un circuito de conjunto de lentes y/o un dispositivo 150 de procesamiento para ajustar los patrones de radiación integrada de los conjuntos de lentes, por ejemplo, incluyendo los componentes de 304 y circuitos de control asociados; y un circuito de antena y/o dispositivo de procesamiento para ajustar el patrón de radiación de la antena, que puede adoptar la forma de un circuito de formación de haces y/o dispositivo de procesamiento tal como 306 y 308, o sus alternativas digitales como en 1102, 1104, 1106, 1108, 1110 y 1112, y el circuito de antena puede incluir componentes adicionales tales como 1202, 1206 y 1208. Se observa que el dispositivo de procesamiento puede ser cualquier dispositivo adecuado, como un chip, ordenador, servidor, mainframe, procesador, microprocesador, PC, ordenador tipo tableta, teléfono inteligente o similar. Los dispositivos de procesamiento se pueden utilizar en combinación con otros componentes adecuados, tal como un dispositivo de visualización (monitor, pantalla LED, pantalla digital, etc.), dispositivo de memoria o almacenamiento, dispositivo de entrada (pantalla táctil, teclado, dispositivo señalador tal como un mouse), módulo inalámbrico (para RF, Bluetooth, infrarrojos, Wi-Fi, etc.). La información se puede almacenar en el disco duro de un ordenador, en un disco CD ROM o en cualquier otro dispositivo de almacenamiento de datos apropiado, que se puede ubicar en o en comunicación con el dispositivo de procesamiento. Todo el proceso se lleva a cabo automáticamente por el dispositivo de procesamiento y sin ninguna interacción manual. De acuerdo con lo anterior, a menos que se indique lo contrario, el proceso puede ocurrir sustancialmente en tiempo real sin demoras ni acción manual.

El sistema y el método de la presente invención se implementan mediante software informático que permite el acceso a datos desde una fuente de información electrónica. El software y la información de acuerdo con la invención pueden estar dentro de un solo dispositivo de procesamiento independiente o pueden estar en un dispositivo de procesamiento central conectado en red a un grupo de otros dispositivos de procesamiento. La información se puede almacenar en un chip, en el disco duro de un ordenador, en un disco CD ROM o en cualquier otro dispositivo de almacenamiento de datos apropiado.

Dentro de esta especificación, los términos “sustancialmente” y “relativamente” significan más o menos 20 %, más preferiblemente más o menos 10 %, incluso más preferiblemente más o menos 5 %, lo más preferiblemente más o menos 2 %. Además, aunque se pueden proporcionar dimensiones, tamaños y formas específicos en ciertas realizaciones de la invención, estos son simplemente para ilustrar el alcance de la invención y no son limitativos. Por lo tanto, se pueden utilizar otras dimensiones, tamaños y/o formas sin apartarse del alcance de la invención. Cada una de las realizaciones de ejemplo descritas anteriormente se puede realizar por separado o en combinación con otras realizaciones de ejemplo.

La descripción y los dibujos anteriores deben considerarse únicamente como ilustrativos de los principios de la invención. La invención se puede configurar en una variedad de formas y tamaños y no se pretende que esté limitada por la realización preferida. A aquellos expertos en la técnica se les ocurrirán fácilmente numerosas aplicaciones de la invención. Por lo tanto, no se desea limitar la invención a los ejemplos específicos divulgados o a la construcción y operación exactas mostradas y descritas. Más bien, se puede recurrir a todas las modificaciones adecuadas, que caen dentro del alcance de la invención definida por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de antena que comprende:

una pluralidad de conjuntos (110) de lentes que forman una matriz en fase de haz múltiple de ángulo amplio, cada conjunto (110) de lentes incluye:

una lente (112) que tiene un punto focal nominal y

ya sea que es una lente sustancialmente plana construida utilizando una o más capas de una metasuperficie o rejilla de difracción o que es una lente aplanada;

al menos un elemento (152) de alimentación alineado con la lente (112) y configurado para dirigir una señal a través de la lente (112) en la dirección deseada;

en el que el sistema de antena comprende al menos un accionador (172, 174) para mover cada uno de los al menos un elemento (152) de alimentación con respecto a la lente (112) para lograr la dirección de señal deseada, o el al menos un elemento (152) de alimentación de cada conjunto (110) de lentes comprende una pluralidad de elementos (152a, 152b) de alimentación alineados con la lente (112) con el fin de dirigir una señal a través de la lente (112) en diferentes direcciones, y

donde los conjuntos (110) de lentes no son idénticos en geometría, perfiles dieléctricos o una combinación de los mismos, o en el que la pluralidad de conjuntos (110) de lentes se coloca en una configuración de mosaico no uniforme, en el que la configuración de mosaico de la pluralidad de conjuntos (112) de lentes se configura para mejorar el patrón de radiación de la antena sobre un campo de visión y/o rango de frecuencia.

2. El sistema de antena de la reivindicación 1, en el que el tamaño de apertura de la lente es generalmente mayor que una longitud de onda, o en el que cada conjunto de lentes de la pluralidad de conjuntos de lentes tiene patrones de radiación directiva, o en el que la pluralidad de conjuntos de lentes se interconecta mediante circuitos apropiados para formar la matriz en fase.

3. El sistema de antena de la reivindicación 1 o 2, que comprende adicionalmente circuitos del conjunto de lentes y/o al menos un dispositivo de procesamiento para ajustar los patrones de radiación integrada de cada conjunto (110) de lentes de la pluralidad de conjuntos (112) de lentes.

4. El sistema de antena de la reivindicación 3, en el que los circuitos del conjunto de lentes y/o al menos un dispositivo de procesamiento se configura para dirigir la señal de uno o más de los patrones de radiación integrada del conjunto de lentes utilizando métodos eléctricos, mecánicos o electromecánicos.

5. El sistema de antena de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende adicionalmente un conmutador (310, 716, 804, 1002) conectado a cada una de la pluralidad de elementos (152a, 152b) de alimentación fijos o móviles configurados para activar selectivamente un subconjunto de la pluralidad de elementos (152a, 152b) de alimentación para dirigir la señal a través de la lente.

6. El sistema de antena de la reivindicación 5, que comprende adicionalmente un circuito de conjunto de lentes que se configura para combinar un primer haz de un primer subconjunto de la pluralidad de elementos de alimentación para generar una primera señal.

7. El sistema de antena de la reivindicación 6, en el que el circuito del conjunto de lentes se configura para dividir una segunda señal y seleccionar dinámicamente un segundo subconjunto de la pluralidad de elementos de alimentación para transmitir un segundo haz a través del segundo subconjunto de la pluralidad de elementos de alimentación de la matriz en fase.

8. El sistema de antena de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que la pluralidad de conjuntos (110) de lentes incluye una lente dieléctrica, una lente de metamaterial, una lente de metasuperficie o una combinación de las mismas.

9. El sistema de antena de la reivindicación 8, en el que las lentes son homogéneas, o no son homogéneas y se configuran para minimizar los lóbulos de rejilla.

10. El sistema de antena de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, donde el al menos un accionador (172, 174) se configura para mover cada uno de los al menos un elemento (152) de alimentación entre una primera posición que tiene una primera dirección de señal deseada y una segunda posición que tiene una segunda dirección de señal deseada.

11. El sistema de antena de la reivindicación 10, comprende adicionalmente un circuito de antena y/o un dispositivo de procesamiento adicional configurado para ajustar un patrón de radiación de antena.

12. El sistema de antena de la reivindicación 11, donde el circuito de antena y/o el dispositivo de procesamiento adicional incluye una o más unidades de retardo de fase o de tiempo conectadas con dicha pluralidad de conjuntos (112) de lentes configuradas para formar un sistema de formación de haces analógico a través se señales de cambio de fase o de retardo de tiempo comunicadas con dicha pluralidad de conjuntos (112) de lentes.

13. El sistema de antena de la reivindicación 11, donde el circuito de antena y/o el dispositivo de procesamiento adicional incluye un procesador de señal digital configurado conjuntamente como un sistema de formación de haces digital mediante muestreo, conversión de analógico a digital y conversión de digital a analógico.

14. El sistema de antena de cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en el que el sistema de antena es solo de recepción, solo de transmisión o de recepción y transmisión combinados, y en el que el sistema de antena se configura para comunicarse con un sistema satelital, o el sistema de antena se configura para realizar formación de haces electrónicas sobre un sistema de nave espacial para comunicaciones espacio-tierra o espacio-espacio, o el sistema de antena se configura para proporcionar conectividad satelital sobre coches y otros vehículos terrestres, o sobre vehículos marinos, o sobre aeronaves tripuladas o no tripuladas.

15. El sistema de antena de cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en el que el sistema de antena se configura para proporcionar enlaces de microondas terrestres punto a punto, de uno o varios haces, fijos o dinámicamente reconfigurables o en el que el sistema de antena se configura para proporcionar aplicaciones de telecomunicación celular, tal como 5G.

16. El sistema de antena de la reivindicación 1-15, en el que el circuito de antena comprende adicionalmente un circuito de formación de haces que incluye: uno o más conmutadores (310, 716, 804, 1002), una o más unidades de retardo de fase o de tiempo, uno o más circuitos sumadores/divisores, o una combinación de los mismos, en el que los circuitos de formación de haces se duplican de tal manera que el sistema de antena se configura para soportar múltiples haces simultáneos.

17. El sistema de antena de cualquiera de las reivindicaciones 1-16, donde los conjuntos (110) de lentes, los circuitos asociados y el empaque incluyen componentes para formar un terminal de comunicaciones completo, que incluye carcasa (200), fuente de alimentación, software, hardware de computación y control, interfaz de módem, e interfaces mecánicas y eléctricas.

18. El sistema de antena de cualquiera de las reivindicaciones 1-17 comprende un sistema de posicionamiento que incluye un soporte (170) de alimentación y uno o más accionadores (172, 174) para mover el soporte (170) de alimentación, en el que los elementos (152) de alimentación de los conjuntos (110) de lentes montados en el soporte (170) de alimentación son móviles con respecto a las lentes (112).