JP2022531683A - ハイブリッド機械式レンズアンテナフェーズドアレイのための改善されたゲインロールオフ - Google Patents

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Abstract

ハイブリッド機械式レンズアレイアンテナが記載されており、アレイ内の複数のレンズの異なった配向および配置で構成でき、走査の異なった領域での性能を制御および向上させる。これは、大きな傾斜角度の2次アレイ(スカート)の追加、1次アレイの傾斜、1次アレイ内の個別レンズの傾斜、または任意の組合せを含む場合がある。これらの設計選択は、レンズモジュールの数(および、したがって、コストおよび電力消費)を一定に保持するとき、システム高さを変化させ、ボアサイトゲインを減少させ、走査でのゲインを増加させる効果を有し、各選択肢は、高さと走査およびボアサイト性能との異なったトレードを示す。

Description

関連出願
本出願は、2019年5月3日に提出された米国仮出願第62/842,905号の優先権の利益を主張し、その内容が依拠され、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、衛星通信や地上通信用のハイブリッド機械式レンズアンテナフェーズドアレイの走査上のゲインロールオフを改善するための方法およびシステムに関する。本開示は、より詳細には、様々な傾斜配置や回転配置を備えたレンズ要素を構成するための方法およびシステムに関する。
実質上平面の要素のアレイは、走査方向の投影アンテナ開口面積の減少に大きく起因して仰角走査上のゲインの低下に苦しむ。ジンバル式パラボリックディッシュアンテナとジンバル式フラットパネルアンテナは、所望の走査方向においてアンテナ全体を連続的にポインティングするために、2次元の機械的運動の使用によって、このゲイン低下を克服する。これらのジンバル式の解決策は、或る種の用途で問題になるかまたは望まれない可能性がある非常に高いプロファイルのターミナルをもたらす。
1つの軸線に沿って電子的に操舵するように構成されるフェーズドアレイパネルは、パネルの達成可能な仰角面走査範囲にわたって全方位角でのカバレッジを備えたアンテナを作り出すように回転できる。このように、方位走査軸線は、機械的に制御され、仰角軸線は、電気的に制御される。これは、2重ジンバル式の解決策の高さを減少させるが、遠方仰角走査角度に走査損失を導く。仰角面走査範囲を、仰角面走査軸線と同一の平面内で水平に向けてパネルを傾斜させることによって、増加(または走査損失を低減/遠方走査でのゲインを改善)することができる。これは、高さを増加させるが、水平に近い標的をポインティングするために有効な仰角面走査角度を減少させる。
単一軸線の電動操舵パネルは、完全2次元走査フェーズドアレイよりも遥かに単純で安価であるが、狭い方位ビーム幅を有し、それは機械的作動部におけるポインティング精度および応答時間に関する高い要求を維持する。
Scarboroughらの米国特許第10,116,051号(特許文献1)におけるような電気的に再構成可能なRFレンズモジュールのフェーズドアレイは、SATCOM、レーダ、および他の目的のための従来のフェーズドアレイに対する電力消費および構成要素総数における幾つかの利点を提示する。
米国特許第10,116,051号 米国特許公開第2020/0091622号
本開示は、一般に、傾斜した要素、傾斜したサブアレイ、および/または、レンズ要素の全て若しくはサブセットに対する方位機械的走査の程度を採用する無線周波数レンズアレイに関する。機械的回転の追加は、各レンズ要素の必要な走査範囲、したがって、フィード総数の減少を可能にする。機械的回転が提供する方位走査は、傾斜した要素および傾斜したアレイの様々な構成を同じく可能にする。個別のレンズ要素を傾斜させることおよび/またはアレイを傾斜させることは、標準の平面フェーズドアレイと比較して、走査での改善されたゲイン性能を提供し、同時にジンバル式アンテナと比較して低いプロファイルを維持する。
最も単純なケースでは、複数のレンズモジュールの平面アレイは、機械的に回転する。この構成は、各レンズ要素の要求される走査範囲、したがって、フィード総数の著しい減少を可能にする。要素自体は、仰角走査に限定範囲の方位走査を主として提供する。主要な方位走査は、機械的回転によって提供される。単一軸線走査のために構成された標準フェーズドアレイとは異なり、レンズアレイは、レンズ要素パターンのビーム幅内(典型的には、5~15度)で2次元走査能力の程度を維持する。このように、アンテナは、パネル自体に比べて方位=0度軸線に平行な0から65度の間のライン上の全ての点の(例えば)任意の+/-5度コーン内で電気的に走査できる。
以上の構成から走査ゲイン性能を向上させるために、アレイは、指定の方位角で水平に向けて傾斜できる。これは、走査方向に対面するアレイのより大きな投影面積を提供し、それによって、走査ゲインを増加させる。
代替的に、または記載された傾斜したアレイと組み合わせて、アレイ内の各要素は、指定の方位角に向けて傾斜できる。この構成は、各レンズ要素の走査要求を減少させ、それによって、遠方走査角での要素パターンゲインを増加させる。
別の構成は、2つの離散したレンズアレイ、即ち、1次アレイおよび2次アレイ、を有する。各アレイは、走査性能を異なった角度領域に集中させるように、アレイ傾斜、レンズ傾斜、および機械的回転の様々な組合せによって構成できる。
1つの構成では、1次アレイは、方位および仰角双方で走査する平面要素を有する。レンズの2次アレイは、1次アレイを囲み、レンズは、遠方走査角度(60度より大きい)でゲインを補完するために、アンテナの中心から外方に傾斜する。どちらのアレイも、機械的運動を使用しない。
記載されたアンテナの別の構成は、1次アレイおよび2次アレイ双方の機械的運動を利用する。1次アレイは、平面要素、傾斜した要素、または傾斜したアレイを有してもよい。2次アレイは、1次アレイの2分の1の周囲に沿って構成され、全ての要素は、同じ方位角に面している。2次アレイの各要素は、指定の方位角で追加のゲイン性能に貢献し、同時に1次アレイおよび2次アレイ双方の機械的回転は、方位走査を提供する。1次アレイおよび2次アレイ双方の下でのフィードは、各要素が、主として仰角で走査し、同時に機械的回転が、方位で走査するように単一のラインのフィードまでまたはより少なく低減できる。
別の構成は、様々な自由な角度に傾斜した各個別のレンズを有する。傾斜の変化は、グレーティングローブ減少を提供するが、その理由は、単一の一貫性のある要素パターンが存在せず、そういうことで、強め合う干渉を生じるからである。
記載されたケースの全てにおいて、1次アレイおよび2次アレイ双方からの送信信号および受信信号は、単一ビームを提供するために組み合わされる。
添付する図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成する。図面が、本開示の単なる幾つかの実施例を例証し、図面に具体的に例証されていない他の実施例や様々な実施例の組合せが、本開示の範囲内に依然として属することがある、ということを理解されたい。実施例は、図面を使用して更なる詳細と共にこれより記載する。
図1(a)~(c)は方位的に回転できるレードームおよびハウジング内の複数のレンズモジュールから構成されるハイブリッド機械式レンズアレイと、関連するグラフを示す図である。 RFレンズ、フィード、フィードボード、および実装構造を示す単一のレンズモジュールの図である。 図3(a)~(h)はレンズモジュールのための、フィードレイアウトおよび関連する走査プロットの幾つかの変形例を示し、単一のレンズのためのアクセス可能な走査範囲への影響を例証する図であって、図3(a)、(c)、(e)は上面図、図3(g)は斜視図である。 図4(a)~(c)はアンテナの走査性能を拡張するために水平に向けて傾斜したレンズ要素の追加2次アレイ(「スカート」)を備えた、修正されたハイブリッド機械式レンズ1次アレイと、関連するグラフを示す図である。 図5(a)~(l)はレンズモジュールの1次アレイおよび2次アレイ双方を傾斜させる異なった方法および組合せを備えたハイブリッド機械式レンズアレイの変形例と、関連するグラフを示す図である。 図6(a)~(c)はアレイの両側に追加される選択的ゲインを可能にし、動作の柔軟性を増加させるように、1次アレイおよび反対方向にポインティングする2つの2次アレイを備えたハイブリッド機械式レンズアレイと、関連するグラフを示す図である。 図7(a)~(c)は機械的回転なしで平面アレイのまわりに追加されたレンズのスカートの効果と、関連するグラフを示す図である。
本開示は、例えば、米国特許第10,116,051号(特許文献1)の平面レンズアレイなどのレンズアレイアンテナに対する特定の設計の拡大に関しており、ボアサイトおよび走査アンテナゲイン性能間のトレードを中心とした設計の単純化、コスト削減、および設計の自由度増加を支持する。米国特許第10,116,051号の全内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
図1(a)、図1(b)を参照すると、ベースハイブリッド機械式レンズアレイアンテナ組立体101が示される(図1(a)側面図、図1(b)上面図)。このアンテナは、ハイブリッドと呼ばれ、その理由は、視野全体にわたってビームをポインティングするために、電気的ビーム形成と機械的操舵の組合せを使用するからである。アンテナ101は、実質上平面のレンズアレイ120、ハウジング105、回転台109、および回転作動部107を含む。レンズアレイ120は、互いに実質上平面であるように配置される複数のレンズモジュール121(時にはレンズと以下で呼ばれる)によって形成され、したがって、アレイ120は、実質上平面であり、即ち、平面上にタイル張りされた非球面レンズを使用する。1つの実施形態例では、レンズモジュール121は、平らな底面と、僅かに湾曲したまたは湾曲した上面と、を有することができるが、各個別のレンズモジュールのサイズは、実質上平面である全てのレンズモジュール121の全体的な組み合わされた上面を提供する。図1(b)を参照すると、レンズモジュール121は、六角形などの任意の適切な形状を利用できるが、円形にできる。作動部107が、アレイ120を101の鉛直軸線のまわりに回転させるので、アンテナ101は、方位軸線の限定されたサブセット上だけを走査できるレンズモジュール121で任意の方位方向にビームをポインティングできる。アレイ120は、図4~図7に関して以下でより十分に議論されるように、異なった用途において、回転台109によって定角度で傾斜され、同時に作動部107によって回転させられるように構成できる。任意の適切な作動部107は、米国特許公開第2020/0091622号(特許文献2)に示された作動部のように利用でき、その全内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
アンテナ101は、下にある支持台103の平らな表面に実装される。例えば、支持台103は、塔、建物屋根、或いは、車、ボート、バス、または他の車両の屋根を表す場合があり、そこではアンテナを設置することが望まれることがある。台103は、水平にできるが、必ずしも水平である必要はなく、そのケースでは、ターミナルのボアサイト方向および走査角度は、台の配向と、アンテナ101の得られる配向と、関連がある。アンテナ組立体101は、構造体の残部(だが、RF透過性ではない)を機械的に支持するハウジング105と、該ハウジング105に除去可能に取り付けられ、アンテナを要素から保護し、RF信号を貫かせ伝播させるRF透過性レードーム111と、をさらに含む。ハウジング105は、ボルトや他の固定具を介して台103に直接接続できる。ハウジング105およびレードーム111は、水分、塵埃、および環境デブリがアンテナの電気的および機械的な構成要素と相互作用するのを防止するために、アンテナを包含する、閉じたまたはシールされたエンクロージャ(例えば、レンズ121、台109および作動部107)を共同して形成する。
回転台109(回転プラットフォーム)は、比較的薄く、平らな上面と平らな底面とを有する。レンズアレイ120は、回転台109の上面に実装され、したがって、レンズモジュール121の平らな底面は、直接または間接のいずれかで、回転台109の平らな上面に係合する(例えば、レンズモジュール121は、平らな基板に置かれるおよび/またはそれに結合される場合がある)。回転作動部107は、ベース部材とベースから上方に延びるコネクタとを有する。1つの実施形態例では、コネクタは、ベース部材に対して旋回および/または回転できる。コネクタは、回転台109の平らな底面に固定式に接続する平らな上面を有する。別の実施形態例では、コネクタは、ベース部材に対して回転できるが、旋回せずに、その代わりに、回転台109は、定角度または調整可能な角度でコネクタの平らな上面に固定式に接続される。
したがって、アレイ120内のレンズモジュール121は、回転台109に固定式に実装され、回転台109および支持台103の平面に実質上直交して対面する。これらのレンズモジュール121によって伝達されるビームは、回転台109および支持台103の平面に対して同じく実質上直交する。回転台109は、作動部107のコネクタに固定式に実装され、作動部107のベースは、ハウジング105の底面に固定式に実装される。回転作動部107は、回転台109をハウジング105に旋回可能および/または回転可能に実装し、ハウジング105は支持台103に固定式に実装される。特に、図1(b)に矢印で示されるように、回転台109は、アンテナ101の中心軸線のまわりに軸方向に回転できる。
図1(c)は、θ走査角度に対するゲインプロファイル(極座標にプロットされた)を示す。この走査プロファイルは、公称値φで示され、回転作動部107がアレイ120を異なった方向に配向するとき、φ(方位)角度ごとに同じである。これは、アレイ内のレンズモジュールが、方位角のサブセット上だけを走査するのを可能にするフィード(図2(b)、(c)参照)を使用するのを可能にする(即ち、レンズは、360度にわたって走査できないが、(例えば)+/-90°の方位(φ)だけ走査できる)。限定された方位走査を支持するために十分なフィードだけを使用することは、フィードの総数(それ故にコスト)が低減および最適化されるのを可能にし、同時に、機械的作動部の助けによって全体的アンテナ走査範囲を維持する。グラフがこのレンズ配置のために示しているのは、アンテナからの最も高いゲインがボアサイト(Q=0度)にあり、ゲインが約65~70度の最大使用可能走査角度まで円滑に降下する、ということである。
殆どの電動操舵アンテナと同様に、ボアサイトと70度との間の6から10dBのゲインの降下は、一般的である。走査での減少したゲインは、減少した有効開口面積の結果である(70度から見たときのアレイ120の投影面積は、より小さい走査角度での投影面積より小さい)。減少したゲインは、ボアサイトと比較して走査での角度で受信される信号のより低い信号強度を表す。この一般的な挙動は、全てのビーム操舵アンテナによって予想される挙動に対応し、このアンテナに特有ではない。
図2を参照すると、レンズモジュール121は、それら自体個々が、RFレンズ201と、フィードボード203と、複数のフィード205と、それによってモジュール121が回転台109に取り付けられる実装構造体207と、を有する。レンズ201は、円形のアウトラインを有するものとして示され、フィードは、レンズに接近して隔置されるが、フィードの任意の適切なアウトライン形状および間隔は、本開示の範囲内で提供できる。例えば、異なったアウトライン、並びに、レンズ201およびフィードボード間のノンゼロギャップは、利用できる。
図3を参照すると、レンズアレイアンテナ101と共に使用できるフィード105の異なった構成例および配置例が示されている。個別のレンズアンテナ(例えば、レンズアレイ120のレンズモジュール121)またはリフレクタアンテナでは、フィードの場所および数は、得られるアンテナビームがポインティングできる角度の範囲を規定する。例えば、パラボリックリフレクタの焦点に固定された単一のフィードを備える典型的なリフレクタアンテナは、リフレクタに直交する単一ビームを生成できる。同じように、焦点領域の中心に単一のフィードを備えるレンズモジュール121は、レンズに直交するビームを生成できる。しかしながら、焦点領域内で横方向にそのフィードをシフトさせることは、焦点領域内のフィードのx/y場所に関係するθ/φまでの角度でビームを移動させる。レンズの焦点領域内に複数のフィードを加えることは、特定のフィードがリアルタイムに選択されるのを可能にし、所望の方向のビーム、並びに、ビーム方向および特性の微調整を可能にするために組み合わされる隣接するフィードからの信号を生成する。以下の議論において、図3(b)、図3(d)、図3(f)、図3(h)は、θ/φ空間の上面図であり、関連性のあるフィード構成のアクセス可能な走査角度を例証する。
図3(a)では、レンズの焦点領域303を完全に定植させることは、レンズの視野内で任意の方向にビームをポインティングするのを可能にする。例証されるように、フィードボード301上の円形の焦点領域303は、フィードで完全に満たされている。フィードボード301を用いるレンズモジュール121aのための利用可能な走査範囲および相対ゲイン強度303は、図3(b)によって例証され、θ/φプロットは、レンズがビームをポインティングできるθ/φの全ての組合せのためにシェーディングされ、より濃いシェーディングは、信号が最強のところである。信号は、ボアサイト(図3(b)の中央)で最強であり、その理由は、レンズがゼロ走査(θ=0°)で最強ゲインを有するからである。
全てのケースでは、フィードは、規則的なまたは概して均一な(六角形または直線の)グリッド(フィード間隔はレンズ特性に依存)を形成し、また、得られるビームの最適な走査性能および分解能のためにアンテナの動作周波数で略半分の波長によって一般的に(排他的ではないが)分離される。
減少した角度走査カバレッジ範囲のための図3(a)と比較して、減少したフィード総数およびコストをトレード交換する代替フィード配置の広範囲のクラスの幾つかの例は、図3(c)、図3(e)、および図3(g)に例証され、それらの対応する角度走査範囲は、図3(d)、図3(f)、および図3(h)に例証される。
図3(c)を参照すると、フィードボード311を備えたレンズモジュール121bは、フィード205が定植された焦点領域303の略半分を示しており、121aと比較して(減少したフィード総数を支持するのに必要とされるより少ない回路のおかげで)より低いコストの利点を備える。より具体的には、フィード205は、半円形パターンでフィードボード301の上半分に配置される。その構成は、上半球を略カバーする走査範囲313に下半球の小領域をプラスするものとなる。このレンズモジュール121bは、アレイ全体の下の回転作動部107を介した方位面機械的回転の付加によるのを除いて、(示されるように、-90度<=φ<=90度のためだけの電気的走査を可能にするように限定される)φ空間を走査できない。しかしながら、示されたような上半球内での2次元電子走査のための能力は、機械的作動部107の必要な走査速度および精度を大いに低下させる。
このケースでは、作動部107は、SATCOM目的用の従来のジンバル式アンテナが要求するような0.2度の精度まで標的衛星または通信標的を追跡する必要性があるというよりむしろ、所望のビーム標的をアクセス可能領域313内に維持するのに十分な標的の動きを追跡するためにレンズ121bを回転できる。機械的作動部における実質的なポインティング誤差(>1~5度)を伴ってでさえ、アンテナは、全体として、電子走査を介して必要な精度および高速の走査応答時間を満たし、作動部107によって支持される回転を通してφ角度の全範囲にアクセスするであろう。このモジュール121bを用いて構築された全アンテナ101は、異なった衛星に接続する複数のビームを支持でき、その理由は、モジュール121bを含むアレイ120の機械的回転が、2つ以上の衛星の中間点に向けてカバレッジ領域の中心をポインティングすることさえすればよいからである。任意の2つ、そして、3つ以上の衛星(特に、常にアンテナの全北または全南であろう静止衛星)の多数の構成は、この構成によって同時にアドレッシングできる。
図3(e)を参照すると、フィード205の数は、フィードボード321を用いるモジュール121cによって示されたようにさらに削減でき、フィードボード321は中心近くから始まって焦点領域303の縁部まで延びる単一線のフィードだけを使用する。図3(f)に示されるように、カバレッジ範囲323では、この構成は、レンズモジュール121cが+/-5~15度(波長および他の特性に関連するレンズサイズに依存)の狭い方位(φ軸線)コーン内だけを走査するのを可能にするが、レンズ201および焦点領域303によって支持される走査角度の全範囲を横切る。このレンズモジュール121cにとって、方位への依存性は、121bよりも非常に強く、単一の標的のための単一ビームだけが合理的であり使用可能である。複数のビームは、生成できるが、それらは、方位面内で互いに+/-5~15度の範囲内にあることを必要とし、より一層の限定的な制約となるであろう。
ケース121c(図3(e))の変形例は、レンズ自体のためのボアサイト方向がアンテナ全体の回転軸線およびボアサイト方向に対して仰角面内でノンゼロ走査角度θであるように、レンズモジュールが傾斜されるときに可能である。レンズモジュール121d(図3(g))が水平(または、0度より大きいが、典型的には45から70度の任意のθ角度)に向けて下にポインティングされるとしても、レンズの下のフィード205のラインは、焦点領域303の中央にシフトされ、依然として同じ角度範囲をカバーできる。マッチングのためのレンズの傾斜およびフィードのシフトの利点は、レンズが平均的により低い走査角度θで動作し、したがって、増加したゲインで動作することである。即ち、傾斜したレンズモジュール121dのためのフィードボード331上のフィード205は、121cにおけるように、焦点領域の中央から焦点領域の縁部まで延びるというよりむしろ、焦点領域の中央で互いに隣接し、焦点領域303の縁部まで延びていない。これは、レンズモジュール121dから最も高いゲインが得られる仰角面内の場所をシフトさせる。カバレッジ範囲333に示されるように、最も高い(最も濃いシェーディングの)ゲインは、0からθmaxの途中で生じる。図4~図7に関してより十分に以下で議論されるように、レンズの傾斜角度は、要素パターンの最大ゲインの角度を制御する。
これらのケースの全てにおいて、修正された構成(レンズ121cなど)を得るために、(例えば)フィード要素をレンズ組立体121aから除去することによって、フィード205の数を減らすことは、レンズモジュール121の走査範囲を減少させるが、残りのアクセス可能な走査範囲内でレンズモジュールのゲインを直接的に減少または影響させない。フィードが、フィードによってカバーされる方向にアンテナがポインティングする場合にだけ使用可能であるので、フィードを除去することは、そのフィードを使用可能にできないこと(アンテナがフィードによって支持される方向にポインティングできないことを意味する)および残りのフィードが選択されて正常に動作できることを単純に意味する。方位方向の走査範囲を制限するケースのどれもが、レンズ、フィード、またはアレイ全体の機械的回転(作動部107による)を必要とするが、その目的は、レンズの通常の走査範囲内のどこかにビームをポインティングするため(即ち、対応するフィードが除去された方向に走査するため)である。これらのケースで任意の必要な運動は、ジンバル式パラボリックリフレクタアンテナのために必要とされるような高精度の作動部の複数の寸法というよりむしろ、回転作動部107によって駆動される低分解能で比較的に低精度の回転運動の単一の軸線だけで達成できる。ここで、低分解能と低精度は、どんなときでも全ての軸線で0.2度よりも優れた精度を要求する多軸ジンバル式SATCOMパラボリックアンテナのために必要とされるものに関連して評価され、台103および潜在的な衛星の運動の双方に追従するために追跡速度および加速度に極めて高い制約を備える。
図4を参照すると、アンテナ組立体401の別の実施形態例(図4(a)における側面図、図4(b)における上面図)は、アレイ120内のレンズモジュール121を、複数のレンズモジュール121c(図3(e)、それは図3(a)、図3(c)、図3(g)に示されたレンズ121の構成と共に利用することもできるが)から構成される1次アレイ421と、複数の傾斜したレンズモジュール121dから構成される2次アレイまたはスカートアレイ423と、に分割する効果を示す。回転台409は、1次セクション409aおよび2次セクション409bを有する。2次セクション409bは、1次セクション409aに対して仰角で角度付けまたは傾斜され、具体的には、2次セクション409bは、1次セクション409aに対して下方に角度付けされる。1次セクションは、1次レンズモジュール121eの1次アレイ421が実装される薄い平らな平面ボードにできる。1次セクション409aは、ハウジング105の底部の平面と支持台103の平面とに実質上平行である1次平面内にある。2次セクション409bは、2次レンズモジュール121dの2次アレイ423が実装される薄い平らな平面ボードである。2次セクション409bは、1次平面に対して角度付けまたは傾斜される2次平面内にあり、アレイの(示された実施形態では)左面のまわりのスカートを形成する。
したがって、図4の実施形態例では、2次セクション409bは、回転台409の1次セクション409aの外側周辺または周囲部分のまわりに部分的に延びる。2次部分409bは、部分C形状などの湾曲形状を有することができ、或いは、三日月形状や他の適切な形状を有することができる。任意の適切なサイズおよび形状は、部分409a、409bの形状およびサイズが互いにマッチングまたは整合するか否かにかかわらず、利用できるが、1次部分409aおよび2次部分409bは、共同して完全な円を形成する。そして、1次部分409aは、2次部分409bと一体であるかまたは分かれていて2次部分409bに結合できる。加えて、2次部分409bは、1次部分409aと整列し共平面である第1の位置と、ヒンジのまわりなど1次部分409bに対して角度付けまたは傾斜される第2の位置と、から移動でき、或いは、定位置に固定できる。
図4の実施形態例によってさらに例証されるように、2次部分409bは、2次レンズモジュール121d内のフィードボード331によって規定されるようなフィードおよび走査範囲が、1次アレイ421内の1次レンズモジュール121cのフィードボード321上のフィード205のラインの走査軸線と整列されるように配置できる。したがって、2次部分409bは、1次部分409aの側方で下にある。両アレイ421、423は、回転台409に支持され共に回転し続ける。1次アレイ要素および2次アレイ要素121e、121fの双方からの信号は、送信動作および受信動作のいずれかで単一ビームを形成するために結合される。そして、単一の2次アレイ423は、1次アレイ421の周囲の一部分に沿ってのみ示されているが、任意の数の2次アレイ423は、(示されるように)1次アレイ421に連続および近接してのいずれかで(即ち、隣接および/または接触するように出来る限り近くに)設けられるか或いはギャップまたは距離によって1次アレイ421から分離でき、また、1次アレイ421の進入外側周囲または示されたものよりも小さな1次アレイ421部分に沿って延びることができる。
2つのアレイ421、423に分割することおよびアレイの周囲のまわりの途中のスカートとして2次アレイ423を構成することの効果は、スカートの傾斜角(典型的には、ボアサイトに対して45から70度の間)に近い走査角度で、2次(スカート)アレイ423内のレンズモジュール121dが、所望のビームに対してほぼボアサイトであり、それ故に1次アレイ421のレンズモジュールと同様に走査損失を受けない、ということである。したがって、1次セクションは1次平面内にあり、2次部分は2次平面内にあり、平面は互いに対して約45~70度の鋭角にある。したがって、平面は、互いからオフセットした角度にある。図4(c)に例証されるように、1次アレイ421のボアサイトでのゲイン425は、ボアサイトポインテッドレンズの数の減少に起因して、元の平面基準アレイ101の性能125(破線で示される)と比較して幾分降下する。しかしながら、走査でのゲインは、著しく改善する。たとえスカート内の2次レンズ121dの数が1次レンズ121cと比較して比較的少ない可能性があっても、(例えば)0から70度の間に見られる大きな走査損失は、より少ない数のレンズが遠方走査角度で性能に著しいブーストを加えることを可能にするのに十分である。これは、ゲインロールオフ曲線を平らにする、および、ゲインがそれのために所与の閾値(3dB、4.5dB、7dB等のような)を満たすのに十分に高い走査角度を増加させる、という効果を有する。
レンズモジュール自体の元のロールオフ(ボアサイトおよび走査ゲイン間の差)が悪化すればするほど、走査での影響およびゲイン改善がより良くなるということがスカート2次アレイ423のために利用可能である、というのは興味深い結果である。これが意味することは、スカートアレイ423を、犠牲にするボアサイトゲインを最少化しながら1次アレイ421のための改善を最大化するために、(333の)走査θmaxの縁部にまたはその近くに標的化されるべきである、ということである。これが意味することは、30度の走査損失が典型的には適度に小さいので、30度などの低い走査角度で標的化されたスカートが、非常に少ない見かけの利益を提供するであろうこと、および、1次アレイをもはや補助しなくなるので、1次アレイ421の走査範囲を越えて(約70度をまたは75~85度ですら越えるなど)スカートアレイを標的化することが、性能を維持する目的で、スカートアレイを非常に大きくする必要があろうこと、である。これらの理由のために、スカートにとって最善の角度は、45度から70度の間に入るが、その理由は、より小さい角度がより小さい利益を示し、より大きい角度は1次アレイのために支持した範囲を過ぎているからである。
同じく留意されるべきは、1次アレイ421および2次アレイ423の相対的なサイズ(レンズモジュールの数並びに開口面積で測定)がいくらかの制約を受ける、ということである。スカートの影響は、スカートのレンズの数が1次アレイのレンズの数の3~9dB(1/2~1/8)のオーダであるときに、最大である。1次アレイ421内のモジュールの数にもよるが、これは、1つまたは複数の積重されたスカートの層によって充足でき、単一の層は、より都合が良いが、その理由は、複数層(可能な場合)がアンテナの高さを増加させ、したがって、あまり望ましくないからである。これにより、図4に例証されるように、有効な単一レベルのスカートを実用的に含むことのできるアレイの大きさに上限が課される。レンズの数は、開口径の2乗で増加するが、スカート内で利用可能なレンズの数(円周に比例)は、開口径で直線的にだけ増加し、より大きなアレイにおいて、スカートは、1次アレイに比べて少ない要素を有するので、影響が殆どなく、有用でない。1つの非限定の実施形態例では、2次アレイ423内の僅かなレンズモジュールは、1次アレイ421内のモジュールの数の12~35%の間である。例えば、50のうちの12、または、38のうちの8(図4bに示されるように)は、合理的な比である。
アンテナの仰角面走査範囲を個別のレンズ201およびレンズモジュール121のそれを越えて延長するために、必要なのは1次アレイをさらに修正することである。図5を参照すると、ターミナルの走査範囲を増加させる1セットの4つの変形例が示されている。60度または70度まで走査できる個別のレンズモジュールのために、これらのアプローチは、80度または90度までの仰角面で良好な性能を備えて走査できるアンテナを使用可能にできる。
変形例のアンテナ組立体500(図5(a)における側面図、図5(b)における上面図)は、1次アレイ521および2次アレイ523を使用するが、回転台509を修正することによって僅かに水平に向けて1次アレイ521内のレンズ121c(図3(e)、再度これは同じく、図3(a)、図3(c)、図3(g)に示されたレンズ121の構成と共に利用できる)の全てを傾斜させる。示されるように、レンズ121cは、ハウジング103および支持台103の底面に対して或る角度で配置されるかまたは傾斜する。示されるように、台509の上面は、鋸歯タイプ配置の角度付けられたリッジまたは棚を備えて形成され、レンズ121cは、上面の角度付けられた側部に実装される。勿論、任意の他の適切な技術は、レンズ121cのうちの1つまたは全てを、台509の中心面またはハウジング105若しくは支持台103の底部の面に対して或る角度で配置するために利用できる。例えば、回転台509の上面は、平らにでき、棚は、回転台509の上面に実装でき、レンズモジュール121cは、レンズ201を角度付けするベースを有することができる。
角度付けられたレンズ121cは、カバレッジ領域を水平に向けて傾斜の量だけシフトさせる。これは、図5(c)のカバレッジ範囲525によって例証される。限定が存在するのは、どの程度の傾斜が、1つのレンズが隣のレンズをブロックせずに、レンズに個別に適用できるかであり、レンズの幾何形状のせいで、この方法にとって、約75度を過ぎた全体的に改善された性能を作り出すことは、挑戦である。アンテナ組立体401におけるように、組立体500の2次アレイ523は、遠方走査での走査応答を支持し続ける。この変形例の著しい影響は、ゲインがアンテナボアサイトでもはや最も高くないということである。
アンテナ組立体530の変形例(図5(d)における側面図、図5(e)における上面図)は、2次アレイ533を維持しながら、回転台539を使用して、レンズの1次アレイ531全体を傾斜させることの効果を示す。即ち、1つの非限定の実施形態では、台539は、或る角度で作動部107に固定式に実装される。別の実施形態では、作動部107は、回転台の一端が他端よりも高くなるように、回転台539を傾斜または旋回できる。アレイ全体を傾斜させることは、システム高さを著しく増加させるが、1次アレイの隣接レンズモジュール121c間のブロックに寄与しない。ゲイン性能535(図5(f))は、レンズ525単体の傾斜よりも僅かに良好であるが、同様の挙動を示す。
先のアプローチの双方は、組み合わせでき、変形例のアンテナ組立体540(図5(g)における側面図、図5(g)における上面図)は、2次スカートアレイ543に加えて、1次アレイ541全体並びにアレイ内のレンズ121cを傾斜させることの影響を示す。1次アレイ541および2次アレイ543は、回転台549によって所望の場所に双方とも支持される。このアプローチは、1次アレイ541の隣接レンズ121cの間のブロックなしに、アンテナ走査範囲に対して拡張を可能にし、さらに走査範囲の中央での走査性能を支持する。走査範囲が増加した場合、ハウジング105の場所および高さと、レードーム111の伝達角応答は、限定要因になることがある。この構成は、代表的なカバレッジプロット545(図5(i))に示されるように、ボアサイトでの著しい性能低下とのトレードとして走査での性能を最大化するための機会を提供する。
別の変形例のアンテナ組立体550(図5(j)における側面図、図5(k)における上面図)は、2つの1次アレイ551および1次アレイ552の組合せを示しており、551は、一つの角度に向けて配向され、552は、別の角度で傾斜され、最後にスカート2次アレイ553が適用される。この組合せ(およびそれに似た他のもの)を、特定の走査プロファイルを作り出すためにチューニングでき、カバレッジ範囲555(図5(i))は、20度から70度の間のほぼ平らなゲインの例を示す。各アレイ551、552、553のレンズモジュール121c、121dの相対数の変化、並びに、傾斜の度合や、包含される他の効果は、アンテナ550全体によって経験されるゲインロールオフを形状付けおよび制御するために使用できる。したがって、本明細書に例証されるように、同じアレイ(例えば、1次アレイや2次アレイ)内のレンズ121は、同じ方向にポインティングや角度付けされることを要しないが、異なった方向にポインティングや角度付けまたは傾斜付けできる。即ち、レンズ551は、第1の方向に角度付けされ、レンズ552は、異なった方向に角度付けされ、双方のレンズは、回転台559に設置される。さらにまた、レンズ551は、レンズ552に対して反対方向(例えば、示された実施形態では右)に角度付けできる。
図6を参照すると、アンテナ601は、レンズモジュール121の単一の1次アレイ621と、異なった方位方向(ここでは(図6(a)における側面図、図6(b)における上面図)反対方向(φ=0度とφ=180度)に示された)に配向された2つの2次アレイ622および2次アレイ623と、を用いて構成できる。このケースでは、スカートアレイ622は、受信だけのために構成されたレンズモジュールから構成でき、スカートアレイ623は、送信だけのために構成されたレンズモジュールから構成できる。これらの制限は、コストや複雑さを低減するために、或いは、回路の根本的な限界に起因して、行うことができる。アレイの両側に両送信スカートおよび受信スカートを含めることによって、アンテナのエンドユーザは、受信ブーストモード625(受信スカート622に向けて回転作動部107でアンテナを配向)または送信ブーストモード626(送信スカート623に向けて回転作動部107でアンテナを配向)のいずれかの性能(図6(c)参照)を有するために選択肢を有する。この構成は、送信および受信性能を同時に提供したであろう第2のスカート層を追加する高さが望ましくなかったが、動作上の柔軟性が望まれた高さ制約付き用途において最も関心を持たれている。
以上のケースの個々では、回転台107は、1次アレイおよび2次アレイ間にワンピースとして示される。全てのケースでは、セパレート回転台は、1次アレイおよび2次アレイ(例えば、1次回転台に実装された1次アレイと、1次回転台から独立して(同一方向または反対方向のいずれかに)回転する2次回転台に実装された2次アレイ)のために使用でき、各レンズモジュールを他方と一体または別体のいずれかで支持する。セパレート回転台(使用される場合)は、第1の台と一体にまたは第1の台とは別体で分離して形成でき、第1の台に対して固定式で、取外し可能におよび/または動的回転可能に結合できる。例えば、一方の回転台は、他方の回転台の内側にまたは他方の回転台の上部に同心的に配置できる。したがって、各要素は、互いの要素と一致するかまたはそれとは別体で固定式傾斜かまたは動的調整可能な傾斜にできる。2次アレイのレンズ要素は、1次レンズの傾斜角度と同じかまたは異なった角度で傾斜される。両1次アレイおよび2次アレイは、方位走査を提供するために、機械的に回転される。
スカート概念の拡張として、スカート2次アレイは、1次アレイ721がフィード205の完全定植式焦点面303を備えたレンズモジュール121aから構成される固定式または非回転のアンテナ701に適用できる(図7(a)の側面図および図7(b)の上面図を参照)。2次スカートアレイ723は、次いで1次アレイ721の周囲に放射状に追加され、構造体709によって支持され、スカートの角度に調整された仰角面走査範囲を備えたレンズモジュール121dから構成される。ロールオフ線図725に見られるようなレンズモジュールのこの配置の効果(図7(c)を参照)は、ボアサイトゲインを実質上減少させることであるが、また、ゲインロールオフを平らにして、ボアサイトを中心とする仰角面走査角θを備えた非常にフラットな応答を与えることでもある。1次アレイ721内のレンズモジュール121に対して、追加のスカート層の追加または半径方向傾斜角度を追加することは、スカートアレイをドーム状アレイに変換し、それはピークゲインの減少およびアンテナ高さの増加と引き換えに、ロールオフプロファイルに関する更なる制御を可能にする。
以上で議論された実施形態の個々では、1次アレイおよび2次アレイは、回転台109の配向に比べて指令された仰角および方位でビームまたは複数のビームを個別にポインティングすることが標準的であるように、回路構成および制御能力を個々が有する。加えて、共同制御器および回路構成は、組み合わされたアレイからの単一ビームを形成するように、別々の1次アレイおよび2次アレイからの信号を組み合わせるために含まれる。
以上で議論された実施形態の個々では、実装台および支持ステージは、平らな上面を有する実質上平らな平面部材であり、アレイの1つまたは複数の要素は、それぞれの台または支持ステージに固定または結合される。しかしながら、他の実施形態では、台および支持体は、平面であることを要しない。
さらに留意されることは、図1~図7に関して、作動部107が、第1の方位を有する第1の位置と、第2の方位を有する第2の位置と、の間でレンズ121および台109、409、509、539、549を回転させる、ということである。第1の方位は、特定の用途の要望通りに、第2の方位とは異なる場合があり、第2の方位かまたは第2の方位のサブセットとオーバーラップする。異なった位置は、ユーザが完全な360度までの所望の走査カバレッジを達成するのを可能にする。そして、台109、409、509、539、549は、第1の角度かまたは第1の角度とは異なる第2の角度で作動部107に固定できる。第1の角度または位置は、第1の仰角を有することができ、第2の角度または位置は、第1の仰角と同じかまたは異なった第2の仰角を有することができる。例えば、図3(c)に関して、作動部107は、完全な360度の走査カバレッジを提供するために、上半分のレンズを備えた図3(c)に示す第1の位置と、下半分のレンズを備えた第2の位置と、からレンズ121bを回転できる。
加えて、1つの実施形態では、作動部107は、手動で回転および定位置に固定できる。そして、回転台409の2次部分は、回転台409の1次部分に定角度で形成できる。しかしながら、別の実施形態では、制御器、プロセッサ、コンピュータ、または同種のものなどの処理デバイスは、ユーザの制御または自動的な制御のいずれかの下で作動部107の回転を制御するために設けることができる。そして、回転台409の2次部分409bは、例えば、ヒンジなどによって回転台409の1次部分409aに旋回可能にまたは回転可能に結合でき、ユーザは、適切な角度または平面になるように、第1の角度および第2の角度間で1次部分409aに対して2次部分409bを手動で回転でき、或いは、処理デバイスは、自動的にまたはユーザ制御下でその動きを制御できる。同様に、台509の上面は、定角度で一体に形成でき、または、手動でまたは処理デバイスによって個別に調整可能であるように台509に対して旋回できる。
以上の実施形態は、円形または略円形としてアレイおよび開口を記載および例証する。円形のアレイは、回転を使用するときに好都合であるが、その理由は、円形の開口が回転する構造体によって横断される領域のサイズにしてはゲインの観点から効率的だからである(例えば、矩形と比較したときに)。しかしながら、以上に記載された詳細は、任意の形状およびアウトラインのアレイおよびアンテナに適用できる。
任意の周波数バンドが使用でき、最も柔軟なシステムは、アンテナおよびシステムが異なった周波数バンドで動作および傾聴できる場合であろう。しかしながら、複数の周波数で動作する電動操舵アンテナは、建造が難しく、また、高価である。そういうことで、大部分の実用的なシステムは、単一のバンドで動作し、最も一般的な通信システムバンドは、VSAT動作のためのKaおよびKuであろう。
本開示は、SATCOM目的のために使用されるものとして主として記載されたが、再構成可能または移動性のポイント-ポイントマイクロ波リンク、レーダ、5G等のような通信や遠隔探査の範囲内の異なった用途に適用できる。
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「1つ(a)」、「1つ(an)」および「その(the)」は、文脈上明らかに別に規定していない限り、複数の指示物を含む。同様に、形容詞「別の(another)」は、要素を導入するために使用されるとき、1つまたは複数の要素を意味することが意図される。用語「含む(comprising)」、「含む(including)」、「有する(having)」および類似の用語は、リストされた要素以外の追加の要素が存在し得るように、包括的であることが意図される。
追加として、以上に記載された方法や下の方法クレームが、それのステップによりたどられる順序を明示的に要求しない場合や、順序が、本記載やクレーム言語に基づいて、別な方法で要求されない場合に、任意の特定の順序が推論されることは意図されない。同様に、下の方法クレームが、以上の記載に記述されたステップを明示的に列挙しない場合に、ステップがクレームによって要求されることは想定されるべきでない。
本記載およびクレームが、右、左、上側、下側、上部、底部、直線、湾曲、平行、直交、同心、三日月、平ら、平面、共平面等のような幾何的な用語や相関的な用語を使用することがあることに留意されたい。これらの用語は、本開示を限定することを意図しておらず、一般に、図面に示された例に基づいて本記載を容易にするために便宜上使用される。加えて、幾何的な用語や相関的な用語は、厳密ではないことがある。例えば、壁は、例えば、表面の粗さ、製造上許容される許容差等の理由で、厳密には互いに平行でないことがあるが、依然として垂直または平行であると考えられることもある。
本システムおよび方法の多数の用途は、当業者に容易に見出されるであろう。それ故に、本発明を、開示された特定の実施例や図示および記載された正にその構成および作用に限定することは望ましくない。むしろ、本発明の範囲内にある全ての適切な変更形態および均等物を用いることができる。

Claims (18)

  1. a.無線周波数レンズモジュールの実質上平面のフェーズドアレイであって、前記レンズモジュールの個々が第1の方位に電子走査する、フェーズドアレイと、
    b.機械的作動部であって、前記レンズモジュールが、前記機械的作動部に実装され、前記機械的作動部が、第2の方位に走査するために前記レンズモジュールを機械的に回転させる、機械的作動部と、
    を備えたアンテナシステム。
  2. 前記第2の方位は、合わせて360度にわたって走査するために、前記第1の方位とオーバーラップするかまたは異なっている、請求項1に記載のアンテナシステム。
  3. 各レンズモジュールは、前記第1の方位に向けて前記作動部に対して仰角で個別に傾斜される、請求項1または2に記載のアンテナシステム。
  4. 前記作動部に接続される回転台をさらに備え、
    前記アレイは、前記回転台に実装され、
    前記回転台は、前記第1の方位に向けて前記作動部に対して傾斜される、請求項1から3のいずれか1項に記載のアンテナシステム。
  5. 各レンズモジュールは、前記第1の方位に向けて前記回転台に対して仰角で個別に傾斜される、請求項4に記載のアンテナシステム。
  6. 前記レンズモジュールは、仰角面で電子走査する、請求項1から5のいずれか1項に記載のアンテナシステム。
  7. a.無線周波数レンズモジュールの1次フェーズドアレイであって、前記レンズモジュールの個々が第1の方位に電子走査する、1次フェーズドアレイと、
    b.無線周波数レンズモジュールの2次フェーズドアレイであって、各レンズモジュールが、前記第1の方位に向けて前記1次フェーズドアレイに対して仰角で傾斜される、2次フェーズドアレイと、
    を備えたアンテナシステム。
  8. 機械的作動部をさらに備え、
    前記1次アレイおよび前記2次アレイ内の前記レンズモジュールは、前記機械的作動部に実装され、
    前記機械的作動部は、第2の方位で代わりに走査するために、前記第1の方位でのポインティングから前記レンズモジュールを機械的に回転させる、請求項7に記載のアンテナシステム。
  9. 前記2次アレイ内の要素は、前記1次アレイの周囲に実装される、請求項7または8に記載のアンテナシステム。
  10. 機械的作動部をさらに備え、
    前記2次アレイ内だけの前記レンズモジュールは、前記機械的作動部に実装され、
    前記機械的作動部は、第2の方位で代わりに走査するために、第1の方位のポインティングから前記レンズモジュールを機械的に回転させる、請求項7に記載のアンテナシステム。
  11. 前記第2の方位は、合わせて360度にわたって走査するために、前記第1の方位とオーバーラップする、請求項8に記載のアンテナシステム。
  12. 各レンズモジュールは、前記第1の方位に向けて前記作動部に対して仰角で個別に傾斜される、請求項8または11に記載のアンテナシステム。
  13. 前記作動部に接続される回転台をさらに備え、
    前記アレイは、前記回転台に実装され、
    前記回転台は、前記第1の方位に向けて前記作動部に対して傾斜される、請求項8、11から12のいずれか1項に記載のアンテナシステム。
  14. 各レンズモジュールは、前記第1の方位に向けて前記回転台に対して仰角で個別に傾斜される、請求項8、11から13のいずれか1項に記載のアンテナシステム。
  15. 前記レンズモジュールは、仰角面で電子走査する、請求項7から14のいずれか1項に記載のアンテナシステム。
  16. a.1次部分および2次部分を有する台であって、前記2次部分が前記1次部分に対してオフセットするように角度付けされる、台と、
    b.前記台の前記1次部分に実装される1次レンズアレイであって、前記1次レンズアレイが複数の1次アンテナレンズ組立体を有する、1次レンズアレイと、
    c.前記台の前記2次部分に実装される2次レンズアレイであって、前記2次レンズアレイが複数の2次アンテナレンズ組立体を有し、以って前記2次レンズアレイが前記1次レンズアレイに対してオフセットするように角度付けされる、2次レンズアレイと、
    を備えたアンテナ組立体。
  17. 前記1次レンズアレイおよび前記2次レンズアレイの方位操舵を提供するために前記台を回転させるように前記台に結合される作動部をさらに備えた、請求項16に記載のアンテナシステム。
  18. 前記1次部分は、1次平面を有し、
    前記2次部分は、2次平面を有し、
    前記2次平面は、前記1次平面に対して30~70度の角度であり、
    前記2次部分は、前記1次部分の下の側部の方である、請求項16または17に記載の組立体。
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