RU2782177C2

RU2782177C2 - Lens antenna system

Info

Publication number: RU2782177C2
Application number: RU2019126577A
Authority: RU
Inventors: Клинтон П. СКАРБОРО; Джеремайя П. ТЁРПИН; Дэниел Ф. ДИФОНЗО; Джон Финни
Original assignee: Изотропик Системс Лтд
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2022-10-21

Abstract

FIELD: antenna equipment.

SUBSTANCE: invention relates to antenna equipment, in particular, to lens phased antenna arrays. An antenna system is proposed, containing a set of lens sets, each lens set contains a set of non-spherical lenses and a set of radiating elements centered with the corresponding lens of the specified set of lenses and made with the possibility of transmission/reception of a signal via the specified corresponding lens of the specified set of lenses in the required direction, wherein lens sets are not identical by geometry, dielectric profiles, or a combination thereof.

EFFECT: formation of several different beams of a directional diagram, suppression of their lateral lobes, as well as a wide viewing sector of an antenna.

18 cl, 13 dwg

Description

Ссылки на родственные заявкиLinks to related applications

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США №62/472 991, поданной 17 марта 2017 года, полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.[0001] This application claims priority over U.S. Provisional Application No. 62/472,991, filed March 17, 2017, the entire contents of which are hereby incorporated by reference.

Область техникиTechnical field

[0002] Настоящее изобретение относится к многолучевой антенной системе с фазированной решеткой. Более конкретно, настоящее изобретение относится к широкополосной широкоугольной многолучевой антенной системе с фазированной решеткой с уменьшенным числом компонентов, использующей широкоугольные градиентные линзы, каждая из которых имеет несколько доступных сканированию лучей.[0002] The present invention relates to a multibeam phased array antenna system. More specifically, the present invention relates to a reduced-component, wide-angle, wide-angle, multi-beam phased array antenna system using wide-angle gradient lenses, each of which has multiple scanned beams.

Уровень техникиState of the art

[0003] Фазированные антенные решетки представляют собой разновидность апертурной антенны для электромагнитных волн, которая может быть выполнена низкопрофильной, относительно легкой и способной направлять результирующий остронаправленный радиочастотный луч в точку в необходимом направлении посредством электрических средств управления при отсутствии подвижных частей. Обычная фазированная решетка представляет собой совокупность близко расположенных (на расстоянии в половину длины волны) отдельных излучающих антенн или элементов, в которой один и тот же входной сигнал подают на каждый независимый излучающий элемент с учетом заданной амплитуды и сдвига по времени или фазе. Энергия, излучаемая каждым из излучающих элементов, будет затем претерпевать сложение в направлении (или направлениях), определяемых конфигурацией сдвига по времени/фазе для каждого элемента. Отдельные антенны или излучающие элементы для такой фазированной решетки выполнены таким образом, что угловое распределение излучаемой энергии или диаграмма направленности от каждого облучателя в среде взаимного влияния элементов решетки, иногда называемые диаграммой усиления встроенного элемента или сканирующего элемента, распределено по возможности равномерно с учетом физических ограничений проецируемой апертуры антенной решетки в широком диапазоне пространственных углов для обеспечения максимального коэффициента усиления антенны по углам сканирования луча. Примеры обычных фазированных решеток описаны в патенте США №4,845,507, патенте США №5,283,587 и патенте США №5,457,465.[0003] Phased array antennas are a type of electromagnetic aperture antenna that can be designed to be low profile, relatively lightweight, and capable of directing the resulting highly directional RF beam to a point in the desired direction via electrical controls with no moving parts. A conventional phased array is a collection of closely spaced (at a distance of half a wavelength) individual radiating antennas or elements, in which the same input signal is applied to each independent radiating element, taking into account a given amplitude and a time or phase shift. The energy emitted by each of the radiating elements will then undergo addition in the direction (or directions) determined by the time/phase shift pattern for each element. The individual antennas or radiating elements for such a phased array are designed such that the angular distribution of the radiated energy or radiation pattern from each feed in the array element mutual influence environment, sometimes referred to as the embedded element or scanning element gain pattern, is distributed as evenly as possible, taking into account the physical limitations of the projected antenna array apertures in a wide range of spatial angles to ensure maximum antenna gain at beam scanning angles. Examples of conventional phased arrays are described in US Pat. No. 4,845,507, US Pat. No. 5,283,587 and US Pat. No. 5,457,465.

[0004] По сравнению с другими известными способами получения остронаправленных лучей радиоизлучения, такими как отражательные антенны (параболические или иные) и рупорные антенны на основе волноводов, фазированные решетки обеспечивают много преимуществ. Однако стоимость и энергопотребление активной фазированной решетки, а именно, решетки, содержащей усилители в элементах для реализации функций приема и/или передачи, пропорциональны количеству активных облучателей в решетке. Соответственно, большие фазированные решетки с высокой направленностью потребляют относительно большие объемы энергии и очень дороги в изготовлении.[0004] Compared to other known methods for producing highly directional radio beams, such as reflective antennas (parabolic or otherwise) and waveguide-based horn antennas, phased arrays provide many advantages. However, the cost and power consumption of an active phased array, namely, an array containing amplifiers in the elements for implementing the reception and/or transmission functions, is proportional to the number of active feeds in the array. Accordingly, large highly directional phased arrays consume relatively large amounts of power and are very expensive to manufacture.

[0005] Для фазированных решеток обычно необходимо заполнение всей апертуры близко расположенными облучателями для сохранения рабочих характеристик в диапазоне управления лучом при использовании обычных подходов. Для сохранения эффективности апертуры и устранения боковых лепестков необходимы плотно упакованные облучатели (отстоящие друг от друга примерно на половину длины волны при наибольшей рабочей частоте). Широкополосные фазированные решетки ограничены расстоянием между элементами, требованиями к доле заполнения апертуры и типами схем, используемых для управления сдвигом по фазе или времени, в дополнение к ограничениям полос пропускания излучающих элементов и схем.[0005] For phased arrays, it is usually necessary to fill the entire aperture with closely spaced feeds to maintain performance in the beam steering range using conventional approaches. Closely packed feeds (about half a wavelength apart at the highest operating frequency) are needed to maintain aperture efficiency and eliminate sidelobes. Broadband phased arrays are limited by element spacing, aperture filling requirements, and the types of circuitry used to control phase or time shift, in addition to the bandwidth limitations of the radiating elements and circuitry.

[0006] Например, приблизительно квадратная фазированная решетка частотного диапазона Ки шириной 65 см и частотой 14,5 ГГц, которая необходима для направления ее луча под углом примерно 70 градусов от нормали к решетке или оси визирования, требует более 4000 элементов, каждый из которых выполнен с независимыми модулями передачи (Тх) - и/или приема (Rx), устройствами сдвига по фазе или схемами задержки по времени, а также дополнительными схемами. При работе терминала все элементы должны получать электропитание, что выдвигает существенные требования к стационарному постоянному току.[0006] For example, an approximately square phased array of the Ki frequency range of 65 cm wide and 14.5 GHz, which is necessary to direct its beam at an angle of about 70 degrees from the normal to the array or the axis of sight, requires more than 4000 elements, each of which is made with independent transmit (Tx) - and / or receive (Rx) modules, phase shifters or time delay circuits, as well as additional circuits. During the operation of the terminal, all elements must receive power, which puts forward significant requirements for stationary direct current.

[0007] Необходимо, чтобы каждый элемент или облучатель в активной фазированной решетке был включен для обеспечения возможности работы решетки, что приводит к высокой потребляемой мощности, например, 800 Вт или более для решетки из 4000 элементов, в зависимости от эффективности активных модулей. Невозможно отключить определенные элементы для снижения энергопотребления без существенного влияния на производительность антенной решетки.[0007] It is necessary that each element or feed in an active phased array be turned on to enable the array to operate, resulting in high power consumption, such as 800 W or more for a 4000 element array, depending on the efficiency of the active modules. It is not possible to disable certain elements to reduce power consumption without significantly affecting the performance of the antenna array.

[0008] Для использования разреженных антенных решеток были разработаны различные способы, в которых расстояния между элементами могут достигать нескольких длин волн. Периодические антенные решетки с большими промежутками между элементами образуют боковые лепестки, но правильный выбор рандомизированных местоположений элементов нарушает периодичность и способен уменьшить боковые лепестки. Однако такие антенные решетки нашли лишь ограниченное применение, поскольку разреженная природа элементов приводит к снижению эффективности апертуры, что часто требует большей, чем необходимо, площади антенной решетки. См. статью Gregory M.D., Namin F.A. and Werner D.H., 2013. «Exploiting rotational symmetry for the design of ultra-wideband planar phased array layouts» («Использование вращательной симметрии для проектирования сверхширокополосных планарных схем фазированных решеток»). IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61(1), c. 176-184, которая посредством ссылки включена в настоящую заявку.[0008] To use sparse antenna arrays, various methods have been developed in which the distances between elements can reach several wavelengths. Periodic antenna arrays with large spacings between elements form side lobes, but proper selection of randomized element locations breaks the periodicity and can reduce side lobes. However, such antenna arrays have found only limited use, since the sparse nature of the elements leads to a decrease in aperture efficiency, which often requires more than necessary antenna array area. See article by Gregory M.D., Namin F.A. and Werner D.H., 2013. Exploiting rotational symmetry for the design of ultra-wideband planar phased array layouts. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61(1), p. 176-184, which is incorporated herein by reference.

[0009] Другой способ ограничения влияния боковых лепестков представляет собой использование элементов антенной решетки острой направленности, поскольку диаграмма направленности всей антенной решетки равна произведению фактора антенной решетки, т.е. диаграммы направленности антенной решетки из изотропных элементов, и диаграммы усиления элемента. При высокой степени направленности диаграммы направленности элемента это произведение подавляет большинство боковых лепестков за пределами области основного луча. В качестве примера можно взять Очень Большую Антенную Решетку (VLA). VLA содержит множество больших карданно-подвешенных отражательных антенн, образующих весьма разреженную антенную решетку элементов острой направленности (отражателей), каждый из которых образует узкий остронаправленный луч от элемента, что значительно уменьшает величину боковых лепестков в общей диаграмме направленности от антенной решетки. См. статью P. J. Napier, A.R. Thompson и R.D. Ekers, «The very large array: Design and performance of a modern synthesis radio telescope)) («Очень большая антенная решетка: разработка и характеристики современного синтезирующего радиотелескопа»). Proceedings of IEEE, том 71, №11, стр. 1295-1320, ноябрь 1983 г.; и сайт www.vla.nrao.edu/, которые включены в настоящую заявку посредством ссылки.[0009] Another way to limit the influence of side lobes is to use sharp antenna array elements, since the radiation pattern of the entire antenna array is equal to the product of the antenna array factor, i.e. radiation patterns of an antenna array of isotropic elements, and element gain patterns. When the element beam is highly directional, this product cancels out most of the side lobes outside the main beam region. An example is the Very Large Antenna Array (VLA). The VLA contains a plurality of large gimbaled reflector antennas forming a very sparse antenna array of sharply directional elements (reflectors), each of which forms a narrow, highly directional beam from the element, which greatly reduces the amount of side lobes in the overall radiation pattern from the antenna array. See 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 IEEE, Vol. 71, No. 11, pp. 1295-1320, November 1983; and the website www.vla.nrao.edu/, which are incorporated into this application by reference.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

[0010] Настоящее изобретение предлагает семейство антенн с фазированной решеткой, выполненных из относительно небольшого количества элементов и компонентов по сравнению с известной фазированной решеткой. В этой антенной решетке использовано относительно небольшое количество излучающих элементов, каждый из которых выполнен электрически относительно большим, например, размером в 5 длин волн, и специально оптимизированная градиентная линза GRadient INdex (GRIN), содержащая по меньшей мере один или более облучающих элементов в ее фокальной области. Каждый элемент антенной решетки содержит линзу GRIN и один или более облучающих элементов в фокальной области каждой линзы. Набор линза-облучатели способен образовать один или более лучей, направления диаграммы направленности элементов для которых могут быть переменными или управляемыми для сканирования требуемого диапазона управления лучом или сектора обзора. В случае одного облучателя или кластера облучателей, возбуждаемых для работы в качестве одного эффективного облучателя, положение облучателя или кластера может быть физически перемещено относительно фокальной точки линзы, что влияет на управление лучом. В случае управления лучом при отсутствии подвижных частей, набор из нескольких облучателей может быть размещен в фокальной области каждой линзы, и выбор (например, посредством переключения) активного облучателя или кластера облучателей образует луч элемента, направленный по конкретному направлению луча. Конкретная структура линзы GRIN может быть оптимизирована подходящим образом, например, в соответствии с изобретением, раскрытым в находящейся в процессе одновременного рассмотрения предварительной заявке США №62/438 181, поданной автором настоящей заявки 22 декабря 2016 г., полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.[0010] The present invention provides a family of phased array antennas made from a relatively small number of elements and components compared to prior art phased array. This antenna array uses a relatively small number of radiating elements, each of which is made electrically relatively large, for example, 5 wavelengths in size, and a specially optimized gradient lens GRAdient INdex (GRIN), containing at least one or more irradiating elements in its focal areas. Each element of the antenna array contains a GRIN lens and one or more irradiating elements in the focal region of each lens. The set of lenses-feeds is capable of forming one or more beams, the direction of the radiation pattern of the elements for which can be variable or controllable to scan the desired beam control range or field of view. In the case of a single feed or cluster of feeds driven to operate as a single effective feed, the position of the feed or cluster may be physically moved relative to the focal point of the lens, which affects beam steering. In the case of beam steering with no moving parts, a set of multiple feeds may be placed in the focal region of each lens, and selection (eg, by switching) of an active feed or a cluster of feeds produces an element beam directed in a particular beam direction. The specific structure of a GRIN lens can be optimized in a suitable manner, for example, in accordance with the invention disclosed in the co-pending U.S. Provisional Application No. 62/438,181, filed by the present applicant on December 22, 2016, the entire content of which is incorporated herein through a link.

[0011] В одном варианте реализации настоящего изобретения антенная решетка направляет один или более лучей в указанном угловом диапазоне или секторе обзора при отсутствии подвижных частей, посредством наличия нескольких облучателей в фокальной области каждой линзы и выбора активного облучателя для направления луча элемента. В другом сильно упрощенном варианте реализации антенная решетка с минимальным количеством частей также может быть реализована посредством физического перемещения каждого облучающего элемента в соответствующей фокальной области линзы. В этом упрощенном варианте реализации набор облучающих элементов по всей антенной решетке может быть перемещен вместе, так что необходимы только два исполнительных механизма, механически соединенных со всеми линзами, или независимые исполнительные механизмы для каждой линзы для улучшенного управления. Общую диаграмму направленности антенной решетки получают посредством антенной схемы и/или устройства обработки антенны, которое способно объединить соответствующие активные облучающие элементы в каждой линзе со схемами задержки по фазе/времени и активной или пассивной корпоративной сетью облучателей.[0011] In one embodiment of the present invention, the antenna array directs one or more beams in a specified angular range or field of view in the absence of moving parts, by having multiple feeds in the focal region of each lens and selecting an active feed to direct the element beam. In another highly simplified implementation, a minimum-part antenna array can also be implemented by physically moving each irradiating element in the respective focal region of the lens. In this simplified embodiment, a set of irradiating elements throughout the antenna array can be moved together so that only two actuators mechanically connected to all lenses are needed, or independent actuators for each lens for improved control. The overall radiation pattern of the antenna array is obtained by an antenna circuit and/or an antenna processor that is capable of combining the respective active feed elements in each lens with phase/time delay circuits and an active or passive corporate feed network.

[0012] Характеристикой сканирования луча антенной решетки управляют на двух уровнях: грубое наведение луча и точное наведение луча. Грубое наведение луча каждой линзы получено посредством выбора конкретного облучателя или небольшого кластера облучателей, возбуждаемых для работы как один облучатель, (или места облучателя) в фокальной области каждой линзы. Комбинация линзы и облучателя создает направляющий, но относительно широкий луч, соответствующий размеру линзы в длинах волн и в направлении, зависящем от смещения облучателя от номинальной фокальной точки линзы. Благодаря комбинированию соответствующих облучающих элементов в каждой линзе антенной решетки с соответствующими сдвигами по фазе или задержками по времени, обеспечено точное управление направления луча и высокая степень направленности благодаря общему размеру апертуры антенной решетки. Набор облучателей в фокальной области каждой линзы для полного электронного управления лучом занимает только часть области, связанной с каждой линзой, так что количество облучателей и компонентов намного меньше по сравнению с обычной фазированной решеткой. Кроме того, очевидно, что поскольку электропитание необходимо подать только к активным облучателям, потребляемая этой антенной решеткой мощность существенно меньше, чем для обычной фазированной решетки, в которой электропитание необходимо подать на все ее элементы. Эта специализированная конструкция фазированной решетки существенно уменьшает общее количество компонентов, стоимость и энергопотребление по сравнению с обычной фазированной решеткой с эквивалентным размером апертуры при сохранении сопоставимых технических характеристик.[0012] The beam scanning performance of the antenna array is controlled at two levels: coarse beam pointing and fine beam pointing. The coarse beam pointing of each lens is obtained by selecting a particular feed or a small cluster of feeds driven to operate as one feed (or feed locations) in the focal region of each lens. The combination of lens and feed produces a directional but relatively wide beam corresponding to the size of the lens in wavelengths and in a direction dependent on the offset of the feed from the nominal focal point of the lens. By combining appropriate feed elements in each array lens with appropriate phase shifts or time delays, precise beam direction control and a high degree of directivity due to the overall size of the antenna array aperture are achieved. The set of feeds in the focal area of each lens for full electronic beam steering only occupies a portion of the area associated with each lens, so the number of feeds and components is much smaller compared to a conventional phased array. In addition, it is obvious that since power needs to be supplied only to active feeds, the power consumed by this antenna array is significantly less than for a conventional phased array, in which power must be supplied to all its elements. This specialized phased array design significantly reduces overall component count, cost, and power consumption compared to a conventional phased array with an equivalent aperture size, while maintaining comparable performance.

[0013] Кроме того, каждая линза и ее несколько облучающих элементов могут образовывать несколько лучей просто посредством включения и возбуждения отдельных облучающих элементов в каждой линзе посредством независимых радиочастотных сигналов. Таким образом, этот подход может быть использован с соответствующей электроникой для управления наведением луча, а также с аппаратными и программными интерфейсами с подсистемами приема и передачи, что обеспечивает возможность одновременного выполнения односторонней или двусторонней связи с одним или более спутниками или другими удаленными узлами связи. Возможность использования нескольких лучей наряду с уменьшенным количеством деталей и более низким энергопотреблением по сравнению с обычной фазированной решеткой особенно полезна в приложениях, в которых необходима связь с более чем одним спутником или, например, для обеспечения возможности подключения без перерыва электропитания к негеостационарным спутникам при их прохождении над терминалом.[0013] In addition, each lens and its multiple irradiating elements can form multiple beams simply by turning on and driving individual irradiating elements in each lens with independent RF signals. Thus, this approach can be used with appropriate beam guidance electronics, as well as hardware and software interfaces with the receive and transmit subsystems, allowing simultaneous one-way or two-way communication with one or more satellites or other remote sites. The ability to use multiple beams, along with reduced detail and lower power consumption compared to conventional phased array, is especially useful in applications that require communication with more than one satellite or, for example, to provide the ability to connect without interruption of power to non-geostationary satellites when they pass above the terminal.

[0014] Относительно небольшое количество компонентов и гибкость, обеспечиваемая благодаря острой направленности диаграмм направленности элементов и возможности управления ими в широком диапазоне углов, обеспечивают существенную экономию средств. Индивидуально сканирующие антенные элементы (например, линзы) обеспечивают широкий сектор обзора и, несмотря на существование боковых лепестков из-за большого расстояния между элементами, степени свободы, предоставляемые посредством оптимизации положений и ориентаций элементов, а также направлений луча и направленности элементов, позволяют минимизировать величины боковых лепестков на диаграммах направленности решетки.[0014] The relatively small number of components and the flexibility provided by the sharp directivity of the radiation patterns of the elements and the ability to control them over a wide range of angles provide significant cost savings. Individually scanning antenna elements (e.g. lenses) provide a wide field of view and, despite the existence of side lobes due to the large distance between the elements, the degrees of freedom afforded by optimizing the positions and orientations of the elements, as well as the beam directions and directivity of the elements, make it possible to minimize the values side lobes on the array radiation patterns.

[0015] Линзовая антенная решетка не представляет собой разреженную антенную решетку, поскольку линзы заполняют область апертуры антенной решетки. Фазовый центр каждой линзы может быть слегка смещен, что, таким образом, нарушает периодичность всей антенной решетки и уменьшает боковые лепестки, оказывая в то же время относительно низкое влияние на эффективность, в дополнение к упрощениям, обеспечиваемым диаграммами направленности управляемых элементов.[0015] The lens array is not a sparse antenna array because the lenses fill the aperture region of the antenna array. The phase center of each lens can be slightly shifted, thus disturbing the periodicity of the entire antenna array and reducing sidelobes, while having a relatively low effect on performance, in addition to the simplifications provided by the drive patterns.

[0016] Новая антенная система с фазированной решеткой содержит антенную решетку электрически больших антенных элементов с высоким коэффициентом усиления, каждый из которых содержит микроволновую линзу, которая может представлять собой градиентную линзу (GRIN) с одним или более облучателями в своей фокальной области. Каждая подсистема линзы и облучателя способна образовывать несколько диаграмм направленности отдельных элементов, лучи которых управляемы в соответствии со смещением облучателей от номинальной фокальной точки линзы. Кроме того, благодаря объединению и фазированию соответствующих портов множества таких подсистем линз и облучателей происходит образование луча с высоким коэффициентом усиления с точно контролируемым направлением луча. Таким образом, сканирование луча антенны происходит сначала посредством управления диаграммами направленности элементов для грубого наведения (через схему линзового набора), а затем посредством точного наведения луча антенной решетки при использовании относительных сдвигов по фазе или задержек по времени для каждого облучателя (посредством схемы антенны). В схеме антенны могут быть использованы цифровые способы формирования луча, в которых сигналы к каждому облучателю и от него обработаны с использованием процессора цифровых сигналов, аналого-цифрового преобразования и цифро-аналогового преобразования. Электрически большие апертуры элементов имеют некоторую форму и облицовку для заполнения общей апертуры антенной решетки для обеспечения высокой эффективности и усиления апертуры. Кроме того, антенная решетка не обязательно должна быть выполнена плоской, но подсистемы линза/облучатель могут быть расположены на изогнутых поверхностях для соответствия желательной форме, например, форме самолета. Сканирующие элементы с высокой направленностью требуют меньше активных компонентов по сравнению с обычной фазированной решеткой, что обеспечивает значительную экономию затрат и энергии. Кроме того, линзовая антенная решетка может быть размещена для формирования антенных решеток с произвольными форм-факторами, таких как симметричные или удлиненные антенные решетки.[0016] The new phased array antenna system comprises an antenna array of electrically large, high gain antenna elements, each of which contains a microwave lens, which may be a gradient lens (GRIN) with one or more feeds in its focal region. Each lens and feed subsystem is capable of generating multiple beam patterns of individual elements, the beams of which are controlled in accordance with the offset of the feeds from the nominal focal point of the lens. In addition, by combining and phasing the respective ports of a plurality of such lens and feed subsystems, a high gain beam with precisely controlled beam direction is produced. Thus, scanning of the antenna beam occurs first by controlling the pattern of the elements for coarse pointing (via lens array circuitry), and then by fine pointing the antenna array beam using relative phase shifts or time delays for each feed (via antenna circuitry). The antenna circuitry may use digital beamforming techniques in which the signals to and from each feed are processed using a digital signal processor, A/D conversion, and D/A conversion. The electrically large apertures of the elements are shaped and lined to fill the overall aperture of the antenna array for high efficiency and aperture enhancement. Also, the antenna array need not be flat, but the lens/feeder subsystems may be located on curved surfaces to conform to a desired shape, such as an aircraft. Highly directional scanning elements require fewer active components compared to a conventional phased array, resulting in significant cost and energy savings. In addition, the lens array can be placed to form antenna arrays with arbitrary form factors, such as symmetrical or elongated antenna arrays.

[0017] Кроме того, каждая линза может формировать одновременно несколько лучей путем активирования соответствующих облучающих элементов. Эти облучающие элементы могут быть объединены с их собственными сетями сдвига по фазе или задержки по времени или даже с цифровой схемой формирования луча для образования множества лучей с высоким усилением от всей антенной решетки. Гибкость конструкции, присущая дополнительным степеням свободы, обеспечиваемым комбинациями линзы и облучателя, а также ориентациями и положениями линзы, обеспечивает подавление боковых лепестков, а также широкий сектор обзора. Антенная система может быть частью терминала связи, который содержит подсистемы сбора и отслеживания, которые генерируют один или более лучей, охватывающих широкий сектор обзора для таких приложений, как спутниковая связь (Satcom) в движении (SOTM), 5G, широкополосная связь типа «точка-точка» или типа «точка-многоточка» и другие наземные или спутниковые системы связи. Конструкция антенны с такими линзами, естественно, поддерживает несколько одновременно управляемых лучей. Эти одновременно управляемые лучи могут быть использованы для многих приложений, таких как: датчики наблюдения; прием нескольких источников передачи; несколько лучей передачи; связи типа "без перерыва электропитания", например, с негеостационарными группировками спутников на низкой околоземной (LEO) или средней околоземной орбите (МЕО); и неопределенное размещение для уменьшения помех без больших затрат на обычную многолучевую фазированную решетку. Кроме того, антенная система с фазированной решеткой может быть использована на космическом корабле для спутниковых применений с одним или более лучами или с лучом определенной формы.[0017] In addition, each lens can form several beams at the same time by activating the respective irradiating elements. These feed elements can be combined with their own phase or time delay networks or even with digital beamforming circuitry to form multiple high gain beams from the entire antenna array. The design flexibility inherent in the additional degrees of freedom afforded by lens and feed combinations, as well as lens orientations and positions, allows for side-lobe suppression as well as a wide field of view. The antenna system may be part of a communications terminal that contains acquisition and tracking subsystems that generate one or more beams covering a wide field of view for applications such as satellite (Satcom) on the move (SOTM), 5G, point-to-point broadband point” or “point-to-multipoint” type and other terrestrial or satellite communication systems. The design of the antenna with such lenses, of course, supports several simultaneously controlled beams. These simultaneously steerable beams can be used for many applications such as: surveillance sensors; reception of several transmission sources; multiple transmission beams; "without interruption of power" communications, for example, with non-geostationary constellations of satellites in low Earth orbit (LEO) or medium Earth orbit (MEO); and indeterminate placement to reduce interference without the high cost of a conventional multi-beam phased array. In addition, a phased array antenna system can be used on spacecraft for satellite applications with one or more beams or with a beam of a certain shape.

[0018] Эти и другие объекты изобретения, а также многие из его предполагаемых преимуществ станут более очевидными при ссылке на последующее описание в сочетании с прилагаемыми чертежами.[0018] These and other aspects of the invention, as well as many of its intended advantages, will become more apparent when referring to the following description in conjunction with the accompanying drawings.

[0019] В дополнение к воплощениям с фазированной решеткой, системы связи MIMO (с несколькими входами и несколькими выходами) также могут использовать возможность, предоставляемую коллекцией линз и связанных с ними схем. Хотя обработка сигналов отличается для систем связи MIMO по сравнению с обычной фазированной решеткой, обе системы способны использовать управляемые лучи для повышения уровня сигнала и улучшения связи в шумной или заполненной помехами среде.[0019] In addition to phased array implementations, MIMO (multiple input, multiple output) communication systems may also take advantage of the opportunity provided by a collection of lenses and associated circuitry. Although signal processing is different for MIMO communications systems compared to conventional phased array, both systems are capable of using steerable beams to enhance signal strength and improve communication in noisy or interference-filled environments.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

[0020] На фиг. 1 показан вид в перспективе в разрезе многолучевой фазированной решетки с электрически большими многолучевыми элементами;[0020] FIG. 1 is a sectional perspective view of a multibeam phased array with electrically large multibeam elements;

[0021] На фиг. 2 показан вид сбоку линзы с умеренным усилением и облучающих элементов, сканирующих их диаграммы направленности посредством выбора облучателя для грубого управления диаграммой направленности;[0021] In FIG. 2 shows a side view of a moderate gain lens and irradiators scanning their beam patterns by selecting a coarse beam control feed;

[0022] На фиг. 3 показана структурная схема многолучевой антенной решетки типа «линзы/облучающие элементы», фазированной для формирования нескольких лучей под желательными углами сканирования с выбранными элементами антенны;[0022] FIG. 3 shows a block diagram of a multi-beam lens/feed element array phased to form multiple beams at desired scan angles with selected antenna elements;

[0023] На фиг. 4 показана структурная схема линзовой антенной решетки с одиночным лучом и переключаемым выбором облучателя;[0023] FIG. 4 shows a block diagram of a lens array with a single beam and a switchable feed selection;

[0024] На фиг. 5 показан вид сверху фазовых центров возмущенных элементов для управления боковыми лепестками;[0024] In FIG. 5 shows a top view of the phase centers of the perturbed elements for side-lobe control;

[0025] На фиг. 6(a) показан вид сбоку упрощенного управления лучом посредством механического смещения положений одного облучающего элемента в каждой линзе;[0025] FIG. 6(a) is a side view of simplified beam steering by mechanically shifting the positions of one irradiating element in each lens;

[0026] На фиг. 6(b) показан вид сверху упрощенного управления лучом по фиг. 6(a);[0026] FIG. 6(b) is a plan view of the simplified beam steering of FIG. 6(a);

[0027] На фиг. 7 показана функциональная структурная схема передающей-приемной схемы для облучателя линзы с двойной линейной поляризацией;[0027] FIG. 7 is a functional block diagram of a transmit-receive circuit for a dual linear polarization lens feed;

[0028] На фиг. 8 показана структурная схема передающей-приемной схемы для облучателя линзы с двойной круговой поляризацией;[0028] In FIG. 8 shows a block diagram of a transmit-receive circuit for a dual circular polarization lens feed;

[0029] На фиг. 9(a) показана структурная схема для схемы типа «только прием» для облучателя линзы;[0029] FIG. 9(a) shows a block diagram for a receive-only circuit for a lens feed;

[0030] На фиг. 9(b) показана структурная схема для схемы типа «только передача» для облучателя линзы;[0030] FIG. 9(b) shows a block diagram for a transmission-only circuit for a lens feed;

[0031] На фиг. 10 показана функциональная структурная схема для схемы переключения для выбора облучателя;[0031] In FIG. 10 is a functional block diagram for a switching circuit for feed selection;

[0032] На фиг. 11 показана функциональная структурная схема для реализации схемы в цифровой области для цифровой обработки луча;[0032] FIG. 11 is a functional block diagram for implementing a circuit in the digital domain for digital beam processing;

[0033] На фиг. 12 показана схема системы для терминала Satcom; и[0033] FIG. 12 is a system diagram for a Satcom terminal; and

[0034] На фиг. 13 показана схема для беспроводного наземного терминала типа «точка-многоточка».[0034] FIG. 13 shows a diagram for a point-to-multipoint wireless terrestrial terminal.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

[0035] При описании иллюстративных неограничивающих предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения, проиллюстрированных на чертежах, для ясности будет использована определенная терминология. Однако настоящее изобретение не предназначено для ограничения выбранными таким образом конкретными терминами и следует понимать, что каждый конкретный термин включает в себя все технические эквиваленты, которые работают аналогичным образом для достижения аналогичной цели. Несколько предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения описаны для иллюстративных целей, но при этом следует понимать, что изобретение может быть воплощено в других формах, конкретно не показанных на чертежах.[0035] When describing the illustrative non-limiting preferred embodiments of the present invention illustrated in the drawings, certain terminology will be used for clarity. However, the present invention is not intended to be limited to the specific terms so selected, and each specific term is to be understood to include all technical equivalents that operate in a similar manner to achieve a similar purpose. Several preferred embodiments of the present invention have been described for illustrative purposes, but it should be understood that the invention may be embodied in other forms not specifically shown in the drawings.

[0036] Обратимся к чертежам. На фиг. 1 показана линзовая антенная решетка 100. Линзовая антенная решетка 100 содержит множество линзовых наборов 110. Каждый линзовый набор 110 содержит линзу 112, прокладку 114 и набор 150 облучателей, который содержит множество облучающих элементов 152, как покомпонентно показано в целях иллюстрации для одного линзового набора 110. Прокладка 114 отделяет линзу 112 от набора 150 облучателей для согласования с соответствующим фокальным расстоянием линзы. Прокладка 114 может быть выполнена из диэлектрической пены с низкой диэлектрической проницаемостью. В других примерах прокладка 114 содержит опорную конструкцию, которая создает зазор, например, воздушный зазор, между линзой 112 и набором 150 облучателей. В других примерах линзовый набор 110 не содержит прокладку 114. Облучающий элемент 152 может быть выполнен в виде плоской микрополосовой антенны, такой как одиночная или многослойная пластинка, щель или диполь, или в виде волновода или апертурной антенны. Показанный в виде прямоугольной накладки на многослойной печатной плате (РСВ), облучающий элемент 152 может иметь альтернативную конфигурацию (размер и/или форму).[0036] Referring to the drawings. In FIG. 1, a lens array 100 is shown. Lens array 100 includes a plurality of lens arrays 110. Each lens array 110 includes a lens 112, a spacer 114, and a feed array 150 that includes a plurality of illuminating elements 152, as shown exploded for purposes of illustration for one lens array 110. A spacer 114 separates the lens 112 from the feed set 150 to match the respective focal length of the lens. Gasket 114 may be made of low dielectric dielectric foam. In other examples, spacer 114 includes a support structure that creates a gap, such as an air gap, between lens 112 and feed set 150. In other examples, lens array 110 does not include spacer 114. Radiating element 152 may be a planar microstrip antenna, such as a single or multilayer plate, slot, or dipole, or a waveguide or aperture antenna. Shown as a rectangular overlay on a multilayer printed circuit board (PCB), irradiating element 152 may have an alternative configuration (size and/or shape).

[0037] Печатная плата, образующая основание набора 150 облучателей в каждом линзовом наборе, дополнительно содержит схему обработки сигнала и управления («схема линзового набора»). Облучающие элементы 152 могут быть идентичными по всему набору 150 облучателей, или отдельные облучающие элементы 152 в наборе 150 облучателей могут быть независимо разработаны для оптимизации их производительности на основе их расположения под линзой 112. Физическое расположение облучающих элементов 152 в наборе 150 облучателей может быть равномерным на гексагональной или прямолинейной сетке или может быть неоднородным, например, на круговой или другой сетке для оптимизации стоимости и эффективности излучения линзовой антенной решетки 100 в целом. Сами облучающие элементы 152 могут быть любыми подходящими типами облучающих элементов. Например, облучающие элементы 152 могут быть выполнены в виде элементов печатной схемы типа «программной вставки», заполненных воздухом или нагруженных диэлектриком рупора или волноводов с открытым концом, диполей, плотно связанной дипольной решетки (TCDA) (см. Vo, Henry «DEVELOPMENT OF AN ULTRA-WIDEBAND LOW-PROFILE WIDE SCAN ANGLE PHASED ARRAY ANTENNA» («Разработка ультраширокополосной низкопрофильной антенны с фазированной решеткой и широким сектором сканирования») Диссертация. Ohio State University, 2015 г. "), голографической апертурной антенны (см. М. ElSherbiny, А.Е. Fathy, A. Rosen, G. Ayers, S.M. Perlow, «Holographic antenna concept, analysis, and parameters)) («Голографическая антенна: концепция, анализ и параметры»), IEEE Transactions on Antennas and Propagation, том 52, выпуск 3, стр. 830-839, 2004 г. ), других антенн в масштабе длины волны или их комбинации. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения каждый из облучающих элементов 152 имеет направленную не полусферическую встроенную диаграмму направленности.[0037] The circuit board forming the base of the feed set 150 in each lens set further includes a signal processing and control circuit ("lens set circuit"). The irradiating elements 152 may be identical throughout the set of 150 feeds, or the individual irradiating elements 152 in the set of 150 feeds may be independently designed to optimize their performance based on their location under the lens 112. The physical arrangement of the illuminating elements 152 in the set of 150 feeds may be uniform on a hexagonal or rectilinear grid, or may be non-uniform, such as on a circular or other grid, to optimize the cost and radiation efficiency of the lens array 100 as a whole. The irradiation elements 152 themselves may be any suitable types of irradiation elements. For example, irradiating elements 152 may be in the form of printed circuit elements of the "soft plug" type, air-filled or dielectric-loaded horn or open-ended waveguides, dipoles, tightly coupled dipole array (TCDA) (see Vo, Henry "DEVELOPMENT OF AN ULTRA-WIDEBAND LOW-PROFILE WIDE SCAN ANGLE PHASED ARRAY ANTENNA" ("Development of an ultra-wideband low-profile phased array antenna with a wide scanning sector") Thesis. Ohio State University, 2015 "), a holographic aperture antenna (see M. ElSherbiny, A. E. Fathy, A. Rosen, G. Ayers, S. M. Perlow, "Holographic antenna concept, analysis, and parameters", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 52 , Issue 3, pp. 830-839, 2004 ), other wavelength-scale antennas, or a combination thereof.In some embodiments of the present invention, each of the irradiating elements 152 has a directional semi spherical built-in radiation pattern.

[0038] Сигналы, принимаемые линзовой антенной решеткой 100, поступают в каждый линзовый набор 110 через соответствующую линзу 112, которая фокусирует сигнал на одном или более облучающих элементах 152 из набора 150 облучателей для этого линзового набора 110. Сигнал, падающий на облучающий элемент, затем проходит в схему обработки сигнала (схема линзового набора, за которой следует схема антенны), что описано ниже. Аналогично, сигналы, передаваемые линзовой антенной решеткой 100, передаются из специального набора 150 облучателей через соответствующую линзу 112.[0038] The signals received by the lens array 100 enter each lens array 110 through a respective lens 112, which focuses the signal on one or more irradiating elements 152 of the feed array 150 for that lens array 110. The signal incident on the irradiating element is then passes into the signal processing circuit (the lens array circuit followed by the antenna circuit), as described below. Similarly, the signals transmitted by the lens array 100 are transmitted from a special set of feeds 150 through the corresponding lens 112.

[0039] Количество электрических и радиочастотных компонентов (например, усилителей, транзисторов, фильтров, переключателей и т.д.), используемых в линзовой антенной решетке 100, пропорционально общему количеству облучающих элементов 152 в наборах 150 облучателей. Например, может быть один компонент для каждого облучающего элемента 152 в каждом наборе 150 облучателей. Однако может быть более одного компонента для каждого облучающего элемента 152 или может быть несколько облучающих элементов 152 для каждого компонента.[0039] The number of electrical and RF components (eg, amplifiers, transistors, filters, switches, etc.) used in lens array 100 is proportional to the total number of irradiating elements 152 in feed sets 150. For example, there may be one component for each irradiating element 152 in each set 150 of irradiators. However, there may be more than one component for each irradiating element 152, or there may be multiple irradiating elements 152 for each component.

[0040] Как показано, каждый линзовый набор 110 имеет шестиугольную форму и непосредственно примыкает к соседнему линзовому набору 110 с каждой стороны с образованием шестиугольной мозаики. Непосредственно соседствующие линзы 112 могут контактировать по своим краям. Наборы 150 облучателей имеют меньшую площадь, чем линзы 112, из-за оптики линза-облучатель и могут иметь по существу ту же форму или другую форму, что и линзы 112. Хотя в настоящем описании она описана как шестиугольная, линза может иметь другие формы, например, квадратную или прямоугольную, которые позволяют перекрывать апертуру всей антенной решетки. Наборы 150 облучателей могут не контактировать друг с другом и, таким образом, избегать короткого замыкания или иного электронного воздействия друг на друга. Вследствие оптической природы лучей элементов, формируемых в каждой линзе, смещение облучателя для формирования лучей сканированных элементов всегда существенно меньше расстояния в фокальной плоскости от центра линзы до ее края. Таким образом, количество облучателей, необходимых для «заполнения» требуемого диапазона сканирования или сектора обзора, меньше, чем для антенной решетки, которая должна иметь общую площадь апертуры, полностью заполненную облучающими элементами.[0040] As shown, each lens set 110 has a hexagonal shape and is directly adjacent to an adjacent lens set 110 on each side to form a hexagonal mosaic. Immediately adjacent lenses 112 may contact at their edges. The feed sets 150 have a smaller area than the lenses 112 due to the feed lens optics and may have substantially the same shape or a different shape as the lenses 112. Although described as hexagonal in this specification, the lens may have other shapes, for example, square or rectangular, which allow you to cover the aperture of the entire antenna array. Feed sets 150 may not be in contact with each other and thus avoid short circuiting or otherwise electronically interfering with each other. Due to the optical nature of the feature beams generated in each lens, the feed offset for generating scanned feature beams is always substantially less than the distance in the focal plane from the center of the lens to its edge. Thus, the number of feeds required to "fill" the required scan range or field of view is less than for an antenna array, which must have a total aperture area completely filled with feed elements.

[0041] В некоторых вариантах реализации линзовой антенной решетки 100 наборы 150 облучателей заполняют приблизительно 25% площади каждой линзы 112. Линзовая антенная решетка 100 поддерживает аналогичную эффективность апертуры и имеет общую площадь, аналогичную площади обычной фазированной решетки с элементами размером в половину длины волны, но с существенно меньшим количеством элементов. В таких вариантах реализации линзовая антенная решетка 100 может содержать примерно только 25% от количества облучающих элементов по сравнению с обычной фазированной антенной решеткой, в которой наборы 150 облучателей заполняют 100% площади линзовой антенной решетки 100. Поскольку количество электрических и радиочастотных компонентов, используемых в линзовой антенной решетке 110, пропорционально общему количеству облучающих элементов 152 в наборах 150 облучателей, уменьшение количества облучающих элементов 152 также уменьшает количество и сложность соответствующих компонентов схемы обработки сигналов (усилителей, транзисторов, фильтров, переключателей и т.д.) в той же пропорции. Кроме того, поскольку только на выбранные облучатели в каждой линзе необходима подача электропитания, общее энергопотребление существенно снижено по сравнению с обычной фазированной решеткой.[0041] In some embodiments of lens array 100, feed sets 150 fill approximately 25% of the area of each lens 112. Lens array 100 maintains a similar aperture efficiency and has a similar total area to that of a conventional half-wavelength phased array, but with significantly fewer elements. In such embodiments, lens array 100 may contain only about 25% of the number of feed elements compared to a conventional phased array antenna, in which sets of feeds 150 fill 100% of the area of lens array 100. Since the number of electrical and RF components used in lens array antenna array 110, in proportion to the total number of feed elements 152 in feed sets 150, reducing the number of feed elements 152 also reduces the number and complexity of the corresponding signal processing circuit components (amplifiers, transistors, filters, switches, etc.) in the same proportion. In addition, since only selected feeds in each lens need to be powered, the overall power consumption is significantly reduced compared to a conventional phased array.

[0042] Как показано, линзовая антенная решетка 100 может быть расположена в корпусе 200, содержащим основание 202 и крышку или обтекатель 204, которые полностью охватывают линзовые наборы 110, наборы 150 облучателей и другие электронные компоненты. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения крышка 204 содержит проходное отверстие для сигнальных проводов или облучателей. Корпус 200 выполнен относительно тонким и может образовывать верхнюю поверхность 206 для линзовой антенной решетки 100. Верхняя поверхность 206 может быть по существу плоской или слегка изогнутой. Линзовые наборы 110 также могут быть расположены на слое подложки или основания, таком как печатная плата (РСВ), который содержит электрические облучатели или контакты, которые выполняют обмен сигналами с облучающими элементами 152 наборов 150 облучателей. Линзовые наборы 110 могут быть расположены в одной плоскости, смещены на разные высоты или быть конформно уложены в виде мозаики на неплоской поверхности.[0042] As shown, the lens array 100 may be located in a housing 200 containing a base 202 and a cover or radome 204 that completely encloses lens sets 110, feed sets 150, and other electronic components. In some embodiments of the present invention, cover 204 includes a through hole for signal wires or irradiators. Housing 200 is relatively thin and may form an upper surface 206 for lens array 100. Upper surface 206 may be substantially flat or slightly curved. The lens sets 110 may also be located on a substrate or base layer, such as a printed circuit board (PCB), that contains electrical feeds or contacts that communicate with the feed elements 152 of feed sets 150. Lens sets 110 may be coplanar, offset at different heights, or conformally tessellated on a non-planar surface.

[0043] На фиг. 2 показан линзовый набор 110, содержащий линзу 112 с несколькими облучающими элементами 152. Для ясности здесь показаны только два облучающих элемента 152а, 152b, но типичный кластер облучателей может содержать, например, 19, 37 или более отдельных облучателей. Каждый облучающий элемент 152 генерирует относительно широкий луч через линзу 112 под конкретным углом в зависимости от смещения облучающего элемента от номинальной фокальной точки линзы 112. В примере, показанном на фиг. 2, первый облучающий элемент 152а непосредственно совмещен с фокальной точкой линзы 112 и генерирует луч 1, который по существу перпендикулярен линзе 112 или верхней поверхности 206 корпуса, а второй облучающий элемент 152b смещен относительно фокальной точки линзы 112 и генерирует луч 2, который размещен под углом относительно нормали линзы 112 или верхней поверхности 206 корпуса. Соответственно, выборочная активация одного из облучающих элементов 152а, 152b обеспечивает возможность линзовому набору 110 генерировать диаграмму направленности в требуемом направлении (т.е. для сканирования луча посредством выбора облучателя). Таким образом, линзовый набор 110 может работать в широком диапазоне углов.[0043] FIG. 2, a lens array 110 is shown comprising a lens 112 with multiple irradiation elements 152. For clarity, only two irradiation elements 152a, 152b are shown here, but a typical irradiator cluster may contain, for example, 19, 37, or more individual irradiators. Each illumination element 152 generates a relatively wide beam through lens 112 at a specific angle depending on the offset of the illumination element from the nominal focal point of lens 112. In the example shown in FIG. 2, the first illumination element 152a is directly aligned with the focal point of the lens 112 and generates a beam 1 that is substantially perpendicular to the lens 112 or the top surface 206 of the body, and the second illumination element 152b is offset from the focal point of the lens 112 and generates a beam 2 that is placed at an angle relative to the normal of the lens 112 or the top surface 206 of the body. Accordingly, selectively activating one of the illuminating elements 152a, 152b allows the lens array 110 to generate a beam pattern in the desired direction (ie, to scan the beam by selecting the irradiator). Thus, the lens array 110 can operate over a wide range of angles.

[0044] На фиг. 3 показана упрощенная фазированная антенная решетка, содержащая линзовую решетку с несколькими линзовыми наборами 110 и наборами 150 облучателей. Каждый линзовый набор 110а, 110b содержит линзу 112а, 112b, центрирована с соответствующим набором 150а, 150b облучателей, причем каждым набор 150а, 150b облучателей содержит несколько облучающих элементов 152а, 152b. Каждый облучающий элемент 152 содержит антенну 302 и измерительный датчик 304, такой как считыватель или детектор, подключенный к антенне 302. Измерительный датчик 304 подключен к устройству 306 сдвига (по времени и/или по фазе), которое подключено к блоку 308 сумматора/делителя. Устройство 306 сдвига обеспечивает требуемый сдвиг по времени и/или по фазе, соответствующий соответствующему облучающему элементу 152. Каждый блок 308 сумматора/делителя соединен с соответствующим одним из облучающих элементов 152 в каждом из наборов 150 облучателей. Т.е., соответствующие облучающие элементы 152 для каждой линзы 112 объединены (или разделены) в сети сдвига по фазе или задержки по времени. Соответственно, первый блок 308 сумматора/делителя подключен к первому облучающему элементу 152a₁ из первого набора 150а облучателей и первому облучающему элементу 152bi из второго набора 150b облучателей, а второй блок 308b сумматора/делителя подключен ко второму облучающему элементу 152а₂ из первого набора 150а облучателей и второму облучающему элементу 152b₂ из второго набора 150b облучателей. Каждый сигнал проходит через устройство 306 сдвига до или после суммирования или деления посредством блока 308 сумматор а/делителя. Каждый блок 308 сумматора/делителя может быть непосредственно подключен (например, через устройство 306 сдвига) к конкретному облучающему элементу 152 в каждом наборе 150 облучателей или может быть подключен через матрицу переключения для обеспечения возможности динамического выбора конкретного облучающего элемента 152 из каждого линзового набора 110.[0044] FIG. 3 shows a simplified phased array containing a lens array with multiple lens sets 110 and feed sets 150. Each lens set 110a, 110b comprises a lens 112a, 112b centered with a respective set of feeds 150a, 150b, with each set of feeds 150a, 150b containing multiple illuminating elements 152a, 152b. Each irradiating element 152 includes an antenna 302 and a measurement sensor 304, such as a reader or detector, connected to the antenna 302. The measurement sensor 304 is connected to a shift device 306 (in time and/or in phase) that is connected to an adder/divider unit 308. The shifter 306 provides the desired time and/or phase shift corresponding to the respective irradiating element 152. Each adder/divider unit 308 is coupled to a respective one of the irradiating elements 152 in each of the feed sets 150. That is, the respective irradiating elements 152 for each lens 112 are combined (or separated) in a network of phase shift or time delay. Accordingly, the first adder/divider unit 308 is connected to the first irradiation element 152a ₁ of the first feed set 150a and the first irradiation element 152bi of the second feed set 150b, and the second adder/divider unit 308b is connected to the second irradiation element 152a ₂ of the first feed set 150a and the second irradiating element 152b ₂ of the second set 150b of irradiators. Each signal passes through the shifter 306 before or after summing or dividing by means of an adder/divider block 308. Each adder/divider unit 308 may be directly connected (e.g., via shifter 306) to a specific irradiating element 152 in each set of feeds 150, or may be connected via a switching matrix to allow a particular irradiating element 152 to be dynamically selected from each lens set 110.

[0045] Схема внутри измерительного датчика 304, включенного в каждый облучающий элемент 152, может содержать усилители, схемы управления поляризацией, диплексеры или диплексные переключатели с временным разделением и другие компоненты. Кроме того, измерительный датчик 304 может быть реализован в виде дискретных компонентов или интегральных схем. Кроме того, измерительный датчик 304 может содержать повышающие и понижающие преобразователи, так что обработка сигнала может быть выполнена на промежуточной частоте или даже в основной полосе частот. Хотя здесь, для предотвращения излишнего загромождения чертежа показана только одна сеть сдвига по фазе для каждого луча, понятно, что для каждого луча могут быть использованы передающая сеть сдвига по фазе и приемная сеть сдвига по фазе. Для некоторых диапазонов, таких как Ku-диапазон, обеспечена возможность использования единой сети с временной задержкой, которая будет служить для сдвига по фазе как передающего, так и приемного луча с сохранением их совпадения в угловом пространстве во всех диапазонах частот передачи и приема. Такая широкополосная работа также может быть возможна в других диапазонах частот Satcom. На чертеже показано, как два одновременных луча могут быть сформированы при наличии двух таких сетей сдвига по фазе. Расширения для более чем двух одновременных лучей должны быть очевидны из описания.[0045] The circuitry within the measurement sensor 304 included in each illuminating element 152 may include amplifiers, polarization control circuits, time division diplexers or diplex switches, and other components. In addition, the measurement sensor 304 may be implemented as discrete components or integrated circuits. In addition, the measurement sensor 304 may include up-converters and down-converters so that signal processing can be performed at an intermediate frequency or even baseband. Although only one phase shift network for each beam is shown here to prevent unnecessary clutter, it will be understood that a transmit phase shift network and a receive phase shift network may be used for each beam. For some bands, such as Ku-band, it is possible to use a single network with a time delay, which will serve to phase shift both the transmitting and receiving beams while maintaining their coincidence in angular space in all transmit and receive frequency ranges. Such broadband operation may also be possible on other Satcom frequency bands. The drawing shows how two simultaneous beams can be formed in the presence of two such phase shift networks. Extensions for more than two simultaneous beams should be apparent from the description.

[0046] В процессе работы сигнал, принятый первой линзой 112а, проходит в соответствующий набор 150а облучателей. Сигнал принимают антенны 302 и схемы 304 первого набора 150а облучателей и передают его на устройства 306 сдвига. Таким образом, первый облучающий элемент 152a₁ принимает сигнал и передает его первому блоку 308а сумматора/делителя через его соответствующее устройство 306 сдвига, а второй облучающий элемент 152а₂ принимает сигнал и передает его во второй блок 308b сумматора/делителя через свое соответствующее устройство 306 сдвига. Вторая линза 112b передает сигнал в свой соответствующий набор 150b облучателей. Первый облучающий элемент 152b₁ принимает сигнал и передает его первому блоку 308а сумматора/делителя через свое соответствующее устройство 306 сдвига, а второй облучающий элемент 152b₂ принимает сигнал и передает его второму блоку 308b сумматора через его соответствующее устройство 306 сдвига.[0046] In operation, the signal received by the first lens 112a passes into the corresponding set 150a of feeds. The signal is received by the antennas 302 and circuits 304 of the first feed set 150a and transmitted to the shifters 306 . Thus, the first irradiating element 152a ₁ receives the signal and transmits it to the first adder/divider block 308a through its respective shifter 306, and the second irradiating element 152a ₂ receives the signal and transmits it to the second adder/divider block 308b through its respective shifter 306 . The second lens 112b transmits a signal to its respective set 150b of feeds. The first irradiating element 152b ₁ receives the signal and transmits it to the first adder/divider block 308a via its respective shifter 306, and the second irradiating element 152b ₂ receives the signal and transmits it to the second adder 308b via its respective shifter 306.

[0047] Также происходит передача сигналов в обратном порядке с разделением сигнала посредством блока 308 сумматора/делителя и передачи от линз 112 через устройства 306 сдвига и наборы 150а облучателей. Более конкретно, первый делитель 308а передает сигнал для передачи на первые облучающие элементы 152a₁, 152b₁ из первого и второго наборов 150а, 150b облучателей через соответствующие устройства 306 сдвига. И второй делитель 308b передает сигнал на вторые облучающие элементы 152а₂, 152b₂ из первого и второго наборов 150а, 150b облучателей через соответствующие устройства 306 сдвига. Облучающие элементы 152a₁, 152а₂ из первого набора 150а облучателей передают сигнал через первую линзу 112а, а облучающие элементы 152b₁, 152b₂ из второго набора 150b облучателей передают сигнал через вторую линзу 112b.[0047] There is also signaling in the reverse order with signal separation through block 308 of the adder/divider and transmission from the lenses 112 through the device 306 shift and sets 150A feeds. More specifically, the first splitter 308a transmits a signal for transmission to the first irradiating elements 152a ₁ , 152b ₁ of the first and second sets 150a, 150b of irradiators through the respective shifters 306 . And, the second divider 308b transmits a signal to the second irradiating elements 152a ₂ , 152b ₂ of the first and second irradiator sets 150a, 150b via respective shifters 306 . Illuminating elements 152a ₁ , 152a ₂ of the first set of feeds 150a transmit a signal through the first lens 112a, and illuminating elements 152b ₁ , 152b ₂ of the second set of feeds 150b transmit a signal through the second lens 112b.

[0048] Соответственно, первый блок 308а сумматора/делителя обрабатывает все сигналы, принятые/переданные через первый облучающий элемент 152 из каждого соответствующего набора 150 облучателей, а второй блок 308b сумматора/делителя обрабатывает все сигналы, принятые/переданные через второй облучающий элемент 152 из каждого соответствующего набора 150 облучателей. Соответственно, первый блок 308а сумматора/делителя может быть использован для формирования лучей, которые сканируют угол, связанный с первыми облучающими элементами 152а, а второй блок 308b сумматора/делителя может быть использован для формирования лучей, которые сканируют угол, связанный со вторыми облучающими элементами 152b.[0048] Accordingly, the first adder/divider unit 308a processes all signals received/transmitted through the first irradiating element 152 from each respective feed set 150, and the second adder/divider unit 308b processes all signals received/transmitted through the second irradiating element 152 from each respective set of 150 irradiators. Accordingly, the first adder/divider unit 308a can be used to generate beams that scan the angle associated with the first irradiation elements 152a, and the second adder/divider unit 308b can be used to generate beams that scan the angle associated with the second irradiation elements 152b. .

[0049] Соответственно, на фиг. 3 показан пример, в котором облучающий элемент или множество облучающих элементов, включенных в линзовый набор из фазированной решетки, избирательно активированы на основе положения облучающего элемента относительно линзы линзового набора. Таким образом, луч, создаваемый линзовым набором, может быть отрегулирован без каких-либо подвижных частей и, таким образом, без введения зазоров между определенной линзой и другими линзами антенной решетки.[0049] Accordingly, in FIG. 3 shows an example in which an irradiating element or a plurality of illuminating elements included in a phased array lens array is selectively activated based on the position of the illuminating element relative to a lens of the lens array. Thus, the beam produced by the lens array can be adjusted without any moving parts and thus without introducing gaps between a certain lens and other lenses of the antenna array.

[0050] На фиг. 4 показано, как одна схема сдвига по фазе/задержки по времени может быть использована для формирования одиночного луча посредством введения одного или более переключателей 310 на каждой линзе 112 для выбора подходящего облучающего элемента для грубого наведения, а затем сдвига по фазе облучающих элементов линз для точного наведения луча с обеспечением острой направленности всей антенной решетки. Переключатель 310 подключен между детектором или измерительным датчиком 304 и устройством 306 сдвига, которое может быть, например, схемой задержки по времени или схемой сдвига по фазе. Соответственно, сигналы, принятые через первый и второй облучающие элементы 152a₁, 152а₂, совместно используют устройство 306 сдвига. Переключатель 310 выбирает, какой из облучающих элементов 152a₁, 152а₂ подключить к устройству сдвига 306 для приема сигналов и/или для передачи сигналов. В одном взятом в качестве примера варианте реализации настоящего изобретения все переключатели 310 могут работать для одновременного выбора первого облучающего элемента 152a₁, 152b₁ (или второго облучающего элемента 152а₂, 152b₂) каждого из наборов 150а, 150b облучателей и передачи сигналов между первыми облучающими элементами 152a₁ (или вторыми облучающими элементами 152а₂, 152b₂) и блоком 308 сумматора/делителя. Таким образом, переключатели 310 позволяют одному блоку 308 сумматора/делителя поддерживать несколько облучающих элементов. Устройством 306 сдвига также управляют в это время для обеспечения соответствующего сдвига для выбранного облучающего элемента 152.[0050] FIG. 4 shows how one phase shift/time delay scheme can be used to form a single beam by inserting one or more switches 310 on each lens 112 to select a suitable illuminator element for coarse pointing, and then phase shifting the illuminating lens elements for fine pointing. beam guidance with sharp directivity of the entire antenna array. A switch 310 is connected between the detector or measurement sensor 304 and a shifter 306, which may be, for example, a time delay circuit or a phase shift circuit. Accordingly, the signals received through the first and second irradiating elements 152a ₁ , 152a ₂ share the shifter 306 . The switch 310 selects which of the irradiating elements 152a ₁ , 152a ₂ to connect to the shifter 306 for signal reception and/or signal transmission. In one exemplary embodiment of the present invention, all switches 310 can be operated to simultaneously select the first irradiating element 152a ₁ , 152b ₁ (or the second irradiating element 152a ₂ , 152b ₂ ) of each of the sets 150a, 150b of feeds and transmit signals between the first irradiating elements 152a ₁ (or second irradiating elements 152a ₂ , 152b ₂ ) and an adder/divider unit 308. Thus, the switches 310 allow a single adder/divider block 308 to support multiple irradiating elements. The shifter 306 is also controlled at this time to provide an appropriate shift for the selected irradiating element 152.

[0051] В примерах по фиг. 3 и фиг. 4, грубое наведение луча каждой линзы 112 выполнено схемой линзового набора, выбирающей конкретный облучающий элемент 152 (или местоположение облучателя) в фокальной области каждой линзы 112. Комбинация линзы и облучателя создает относительно широкий луч, совместимый с размером линзы в длинах волн. Направление луча основано на смещении облучающего элемента 152 от номинальной фокусной точки линзы 112. Посредством антенной схемы, объединяющей соответствующие облучающие элементы 152 в каждом линзовом наборе 110 с соответствующими сдвигами по фазе или задержками по времени, получено точное управление направлением луча и высокая направленность благодаря общему размеру апертуры антенной решетки. Точное наведение луча всей антенной решетки достигнуто посредством соответствующих настроек схем задержки по времени или сдвига по фазе в соответствии с критериями, хорошо известными в данной области техники для аналоговых или цифровых компонентов. Например, для цифровых схем задержки по времени или сдвига по фазе выбирают подходящее количество битов с обеспечением заданной точности наведения луча антенной решетки.[0051] In the examples of FIG. 3 and FIG. 4, coarse beam aiming of each lens 112 is performed by a lens array circuit selecting a particular illuminating element 152 (or feeder location) in the focal region of each lens 112. The combination of lens and feeder produces a relatively wide beam consistent with the lens size in wavelengths. The direction of the beam is based on the offset of the irradiating element 152 from the nominal focal point of the lens 112. By means of an antenna circuit combining the respective irradiating elements 152 in each lens array 110 with appropriate phase shifts or time delays, precise beam direction control and high directivity due to the overall size are obtained. aperture of the antenna array. Accurate beam pointing of the entire antenna array is achieved by appropriate adjustments of the time delay or phase shift circuits in accordance with criteria well known in the art for analog or digital components. For example, for digital time-delay or phase-shift circuits, an appropriate number of bits is selected to provide a given array pointing accuracy.

[0052] Соответственно, на фиг. 4 показан другой пример, в котором облучающий элемент или множество облучающих элементов, включенных в линзовый набор из фазированной решетки, избирательно активирован на основе положения облучающего элемента относительно линзы линзового набора. Таким образом, луч, создаваемый линзовым набором, может быть отрегулирован без каких-либо подвижных частей и, таким образом, без введения зазоров между определенной линзой и другими линзами антенной решетки, обеспечивающих возможность перемещения линзы.[0052] Accordingly, in FIG. 4 shows another example in which an irradiating element or a plurality of illuminating elements included in a phased array lens array is selectively activated based on the position of the illuminating element relative to a lens of the lens array. Thus, the beam produced by the lens array can be adjusted without any moving parts and thus without introducing gaps between a certain lens and other lenses of the antenna array to allow the lens to move.

[0053] На фиг. 5 показано оптимизированное размещение положений фазового центра каждого линзового набора 110 для влияния на симметрию/периодичность антенной решетки 100 и минимизации, тем самым, боковых лепестков. Каждая линза 112 имеет геометрический центр («центроид»), а также фазовый центр. У цилиндрически симметричных линз, хотя фазовый центр не обязательно расположен рядом с осью симметрии для всех углов сканирования, смещение оси симметрии на определенное расстояние и угла в плоскости линзы будет соответствовать смещению на такое же расстояние и изменению угла фазового центра относительно исходной конфигурации. Таким образом, фазовый центр линзы может быть отрегулирован посредством изменения положения оси симметрии линзы относительно центроида линзы. Фазовый центр соответствует местоположению, из которого возникают сферические электромагнитные волны в дальней зоне. Фазовый центр и геометрический центр линзы могут быть независимо управляемы, и фазовый центр, а не геометрический центр каждой линзы 112, определяет степень уменьшения боковых лепестков.[0053] FIG. 5 shows an optimized placement of the phase center positions of each lens array 110 to influence the symmetry/periodicity of the antenna array 100 and thereby minimize side lobes. Each lens 112 has a geometric center ("centroid") as well as a phase center. For cylindrically symmetric lenses, although the phase center is not necessarily located near the axis of symmetry for all scan angles, a shift of the symmetry axis by a certain distance and an angle in the plane of the lens will correspond to a shift by the same distance and a change in the angle of the phase center from the original configuration. Thus, the phase center of the lens can be adjusted by changing the position of the axis of symmetry of the lens relative to the centroid of the lens. The phase center corresponds to the location from which spherical electromagnetic waves originate in the far field. The phase center and geometric center of the lens can be independently controlled, and the phase center, rather than the geometric center of each lens 112, determines the amount of side-lobe reduction.

[0054] Соответственно, происходит возмущение фазового центра 24 каждой линзы 112 оптимизированными расстояниями r_i и углами поворота α_i оси симметрии линзы от геометрического центра 20 (т.е., невозмущенного фазового центра), который обычно был бы мозаично размещен по равномерной шестиугольной или прямоугольной сетке. Конкретное оптимизированное расположение оси симметрии линзы может быть определено любым подходящим способом, например, таким как описанный в отмеченной выше ссылке на статью Gregory. Положение оси симметрии линзы определяет фазовый центр. Согласно способам из статьи Gregory, например, выполняемое таким образом небольшое нарушение периодичности антенной решетки подавляет боковые лепестки. Этот подход работает потому, что боковые лепестки возникают вследствие образования периодической структуры, известной как решетка. При устранении периодичности элементов отсутствует регулярная решетчатая структура и боковые лепестки не возникают. Количество линз, форма или граница антенной решетки, количество облучателей или расположение облучателей под линзой не изменяют принципы этой стратегии подавления лепестков.[0054] Accordingly, the phase center 24 of each lens 112 is perturbed by optimized distances r _i and angles of rotation α _i of the axis of symmetry of the lens from the geometric center 20 (i.e., the unperturbed phase center), which would normally be tiled in a uniform hexagonal or rectangular grid. The particular optimized axis of symmetry of the lens may be determined in any suitable manner, such as, for example, as described in the above reference to Gregory's article. The position of the axis of symmetry of the lens determines the phase center. According to the methods of Gregory's article, for example, the slight distortion of the antenna array thus performed suppresses the side lobes. This approach works because the side lobes result from the formation of a periodic structure known as a grating. When the periodicity of the elements is eliminated, there is no regular lattice structure and side lobes do not appear. The number of lenses, the shape or boundary of the antenna array, the number of feeds, or the location of the feeds under the lens do not change the principles of this lobe suppression strategy.

[0055] На фиг. 6 показан вариант реализации линзовой антенной решетки 100 с относительно небольшим количеством деталей, причем только один на линзу облучающий элемент 152 включен в линзовый набор. В примере, показанном на фиг. 6, каждый облучающий элемент способен к механическому перемещению по короткому диапазону фокусных расстояний в каждой линзе для управления направлением луча. На рис. 6(a) показан вид сбоку линзовой антенной решетки 100, а на фиг. 6(b) показан вид сверху линзовой антенной решетки 100. Предусмотрена система позиционирования, содержащая опору 170 облучателя и одно или более исполнительных устройств. Опора 170 облучателя может представлять собой плоскую пластину или тому подобное, которая имеет такую же или другую форму, что и корпус 200, и меньше корпуса 200, так что она способна выполнять перемещение в направлениях X и Y и/или выполнять поворот внутри корпуса 200. Линзовые наборы 110 расположены над объединенной опорой 170 облучателя, так что узел облучателя (т.е. опора 170 облучателя и облучающие элементы 152) способен выполнять перемещение независимо от линз 112. В этом варианте реализации опора 170 облучателя не соединена непосредственно с прокладкой 114 линзы или линзами 112, но только смежна или контактирует с ними. Набор облучающих элементов 152, установленных на опоре 170 облучателя, выполняет перемещение относительно линз для грубого сканирования луча, а облучатели смещены по фазе/задержаны по времени для получения полного усиления антенной решетки и точного наведения. В показанном неограничивающем варианте реализации первое линейное исполнительное устройство 172 соединено с опорой 170 для перемещения опоры 170 в первом линейном направлении, например, в направлении X, и второе линейное исполнительное устройство 174 соединено с опорой 170 для перемещения опоры 170 во втором линейном направлении, например, в направлении Y, относительно неподвижных линз. Могут быть предусмотрены другие исполнительные механизмы для перемещения опоры 170 вверх/вниз (например, на фиг. 6 (а)) относительно линз 112, поворота опоры 170 или наклона опоры 170.[0055] FIG. 6 shows an embodiment of a lens array 100 with relatively few details, with only one irradiating element 152 per lens included in the lens array. In the example shown in FIG. 6, each irradiating element is capable of being mechanically moved over a short range of focal lengths in each lens to control the direction of the beam. On fig. 6(a) is a side view of lens array 100, and FIG. 6(b) shows a top view of lens array 100. A positioning system is provided that includes a feed support 170 and one or more actuators. The feed support 170 may be a flat plate or the like that is the same or different shape as the housing 200 and smaller than the housing 200 such that it is capable of movement in the X and Y directions and/or rotation within the housing 200. The lens sets 110 are positioned above the integral feed support 170 such that the feed assembly (i.e., feed support 170 and illuminating elements 152) is able to move independently of the lenses 112. In this embodiment, the feed support 170 is not connected directly to the lens spacer 114 or lenses 112, but only adjacent to or in contact with them. A set of feed elements 152 mounted on feed support 170 move relative to the lenses for coarse beam scanning, and the feeds are phase-shifted/time-delayed for full array gain and accurate pointing. In the non-limiting embodiment shown, first linear actuator 172 is connected to support 170 to move support 170 in a first linear direction, such as in the X direction, and second linear actuator 174 is connected to support 170 to move support 170 in a second linear direction, for example, in the Y direction, relative to fixed lenses. Other actuators may be provided to move support 170 up/down (eg, in FIG. 6(a)) relative to lenses 112, rotate support 170, or tilt support 170.

[0056] Кроме того, может быть предусмотрен контроллер для управления исполнительными механизмами 172, 174 и перемещения облучающих элементов 152 в желательное положение относительно линз 112. Хотя опора 170 показана в виде одной платы, она может представлять собой несколько плат, все из которых соединены с общими исполнительными механизмами, которые должны выполнять перемещение одновременно, или с отдельными исполнительными механизмами, так что обеспечена возможность независимого управления отдельными платами и линзовыми наборами 110. Соответственно, на фиг. 6 показан пример, в котором активный облучающий элемент, включенный в линзовый набор из линзовой антенной решептки, выполняет перемещение относительно линзы из линзового набора без перемещения линзы. Таким образом, луч, создаваемый линзовым набором, может быть отрегулирован без перемещения линзы и введения зазоров между определенной линзой и другими линзами фазированной решетки.[0056] In addition, a controller may be provided to control the actuators 172, 174 and move the irradiating elements 152 to a desired position relative to the lenses 112. Although the support 170 is shown as a single board, it may be several boards, all of which are connected to common actuators that must move simultaneously, or with separate actuators so that individual boards and lens arrays 110 can be controlled independently. Accordingly, FIG. 6 shows an example in which an active irradiating element included in a lens array lens array moves relative to the lens array lens without moving the lens. Thus, the beam produced by the lens array can be adjusted without moving the lens and introducing gaps between the particular lens and other phased array lenses.

[0057] На фиг. 7 показаны характерные принципиальные схемы одновременной передачи (Тх) и приема (Rx) в одной и той же апертуре, включая управление углом наклона двойной линейной поляризации, что необходимо для геостационарных приложений Satcom в диапазоне частот Ки. Показанные внизу схемы сдвига луча по фазе могут быть воспроизведены для каждого независимого одновременного луча. На фиг. 7 показаны независимые пути прохождения сигнала в схеме 304 линзового набора и отдельных устройствах 306 сдвига для операции приема и передачи системы. Хотя это не проиллюстрировано, операции приема и передачи могут дополнительно иметь отдельные соответствующие блоки 308 сумматоров/делителей. В проиллюстрированном примере детектор 304 в каждом облучающем элементе 152 содержит отдельные диплексеры 702 и 704 для портов облучателя с горизонтальной и вертикальной поляризацией детектора 304 для разделения мощных излучаемых и маломощных принимаемых сигналов. Принимаемый сигнал проходит от диплексеров 702 и 704 к малошумящему усилителю 706, 706, схеме 710, 712 наклона поляризации, дополнительному усилителю 714 и переключателю 716 выбора облучателя до достижения устройства 306 сдвига. Излучаемый сигнал от устройства 306 сдвига проходит через переключатель 716, усилитель 714, схему 712, 710 наклона поляризации и усилитель 708, 706 конечной мощности перед подачей в два диплексера 702 и 704 соответственно.[0057] FIG. 7 shows representative circuit diagrams of simultaneous transmission (Tx) and reception (Rx) in the same aperture, including dual linear polarization tilt angle control, which is required for geostationary Satcom applications in the Ki band. The beam phase shift patterns shown below can be reproduced for each independent simultaneous beam. In FIG. 7 shows the independent signal paths in the lens array circuitry 304 and separate shifters 306 for the receive and transmit operation of the system. Although not illustrated, the receive and transmit operations may additionally have separate respective adder/divider blocks 308. In the illustrated example, the detector 304 in each irradiation element 152 includes separate diplexers 702 and 704 for the feed ports with horizontal and vertical polarization of the detector 304 to separate high power radiated and low power received signals. The received signal passes from the diplexers 702 and 704 to the low noise amplifier 706, 706, the polarization tilt circuit 710, 712, the auxiliary amplifier 714, and the feed select switch 716 before reaching the shifter 306. The emitted signal from shifter 306 passes through switch 716, amplifier 714, polarization tilt circuit 712, 710, and final power amplifier 708, 706 before being fed to two diplexers 702 and 704, respectively.

[0058] На фиг. 8 показана характерная принципиальная схема линзовой антенной решетки из двух круговых поляризованных элементов, которые могут быть использованы для коммерческих частот Satcom в K/Kа-диапазоне. На фиг. 8 показана схема, аналогичная фиг.7, за исключением изменения в работе схем 710, 712 поляризации. Для работы в диапазоне частот К/Ка Satcom необходима круговая поляризация, а не наклонная линейная поляризация, необходимая для работы Satcom в диапазоне Ки. Сигналы с правой круговой поляризацией или левой круговой поляризацией могут быть достигнуты простым переключателем 804 для управления приемным каналом и переключателем 806 для управления передающим каналом, причем их порт возбужден в схеме кругового поляризатора или волноводной составляющей по сравнению со схемами 710 и 712 сложения комплексной амплитуды и фазового вектора для получения линейного поляризованного сигнала с произвольным углом наклона. Остальные аспекты схемы выполнены такими же, как на фиг. 7. Варианты этой схемы могут быть понятны специалистам в данной области техники. Например, питание двух компонентов облучателя с ортогональной линейной поляризацией с использованием гибридного ответвителя или встроенного волноводного поляризатора и преобразователя ортогональной моды (ОМТ) способно обеспечить одновременную двойную поляризацию вместо переключаемой поляризации.[0058] FIG. 8 shows a typical circuit diagram of a lens array of two circular polarized elements that can be used for commercial Satcom K/Ka band frequencies. In FIG. 8 shows a circuit similar to FIG. 7, except for a change in the operation of the polarization circuits 710, 712. Satcom's K/Ka band operation requires circular polarization, not the oblique linear polarization required for Satcom's Ki band operation. Right-handed or left-handed circularly polarized signals can be achieved with a simple switch 804 to control the receive channel and a switch 806 to control the transmit channel, with their port excited in a circular polarizer or waveguide circuit compared to circuits 710 and 712 for complex amplitude and phase summation. vector to obtain a linear polarized signal with an arbitrary angle of inclination. The remaining aspects of the circuit are the same as in FIG. 7. Variations of this scheme may be understood by those skilled in the art. For example, feeding two components of an orthogonal linear polarization feed using a hybrid coupler or a built-in waveguide polarizer and an orthogonal mode converter (OMT) can provide simultaneous dual polarization instead of switchable polarization.

[0059] На фиг. 9 показана характерная схема линзового набора для применений, предназначенных только для приема и только для передачи. На фиг. 9(a) показана антенна, предназначенная только для приема, а на фиг. 9(b) показана антенна, предназначенная только для передачи. Приемный и передающий диплексеры 702 и 704 не нужны для антенны, предназначенной только для приема или только для передачи, поскольку сигналы приема и передачи не подключены к одному и тому же облучающему элементу и не должны быть разделены. Остальные аспекты фиг. 9(a) и фиг. 9(b) практически такие же, как на фиг. 7-8.[0059] FIG. 9 shows a typical lens array layout for receive-only and transmit-only applications. In FIG. 9(a) shows a receive-only antenna, and FIG. 9(b) shows a transmit-only antenna. The receive and transmit diplexers 702 and 704 are not needed for a receive-only or transmit-only antenna because the receive and transmit signals are not connected to the same feed element and do not need to be separated. Other aspects of FIG. 9(a) and FIG. 9(b) are substantially the same as in FIG. 7-8.

[0060] На фиг. 10 показано дополнительное упрощение и уменьшение количества деталей посредством введения многопортовых коммутаторов 1002 с низкими потерями для выбора подходящего облучающего элемента. Использование многопортовых коммутаторов с низкими потерями обеспечивает возможность нескольким облучающим элементам совместно использовать один набор усилителей мощности, усилителей с низким уровнем шума, устройств сдвига по фазе и других схем облучателей. Таким образом, количество требуемых компонентов схемы уменьшено при сохранении того же количества облучающих элементов за линзой. Коммутационная решетка увеличенного размера обеспечивает возможность большему количеству облучающих элементов совместно использовать одну и ту же схему облучателя, но также увеличивает вносимые потери системы, повышает шумовую температуру приемника и снижает производительность терминала. Баланс между дополнительными потерями, вносимыми дополнительным уровнем переключения, который обычно (хотя и не обязательно) выполнен как переключатель «два к одному», должен быть уравновешен затратами и площадью схемы дополнительных схем приема и передачи, необходимых при его отсутствии.[0060] FIG. 10 shows further simplification and detail reduction by introducing low loss multi-port switches 1002 to select the appropriate irradiating element. The use of low loss multiport switches allows multiple feed elements to share a single set of power amplifiers, low noise amplifiers, phase shifters, and other feed circuits. Thus, the number of circuit components required is reduced while maintaining the same number of illuminating elements behind the lens. An oversized switching array allows more irradiation elements to share the same feed circuitry, but also increases system insertion loss, increases receiver noise temperature, and degrades terminal performance. The balance between the additional loss introduced by the additional switching layer, which is usually (though not necessarily) implemented as a two-to-one switch, must be balanced by the cost and circuit area of the additional receive and transmit circuitry required in its absence.

[0061] На фиг. 11 показана упрощенная схема формирования цифрового луча (DBF). Детектор 304 подключен к понижающему частоту преобразователю 1102. Аналого-цифровой преобразователь (ADC) 1110 подключен к понижающему частоту преобразователю 1102. Детектор 304 передает сигнал, принятый через антенну 302, на понижающий частоту преобразователь 1102, который преобразует сигнал с понижением частоты. Понижающий частоту преобразователь 1102 передает принятый и преобразованный с понижением частоты сигнал в аналого-цифровой преобразователь 1106. Аналого-цифровой преобразователь 1106 оцифровывает принятый сигнал и формирует луч в цифровой области с устранением тем самым необходимости в аналоговых радиочастотных устройствах с фазовой задержкой или задержкой по времени (т.е., не нужно устройство 306 сдвига по фиг. 2-3). Затем происходит передача оцифрованного сигнала в приемный цифровой процессор 1110 для обработки сигнала.[0061] In FIG. 11 shows a simplified digital beamforming (DBF) scheme. Detector 304 is connected to downconverter 1102. Analog to digital converter (ADC) 1110 is connected to downconverter 1102. Detector 304 transmits the signal received via antenna 302 to downconverter 1102 which downconverts the signal. Downconverter 1102 passes the received and downconverted signal to analog-to-digital converter 1106. Analog-to-digital converter 1106 digitizes the received signal and forms a beam in the digital domain, thereby eliminating the need for analog RF devices with phase or time delay ( i.e., the shear device 306 of Figures 2-3 is not needed). The digitized signal is then transferred to the receive digital processor 1110 for signal processing.

[0062] Соответствующая последовательность операций происходит при передаче сигнала антенной решеткой. Передающий цифровой процессор 1112 отправляет сигнал для передачи в цифроаналоговый преобразователь (DAC) 1108. Цифроаналоговый преобразователь 1108 преобразует низкочастотные биты (или, возможно, биты в основной полосе частот) в аналоговую промежуточную частоту (IF) и подключен к преобразователю 1104 частоты. Преобразователь 1104 частоты преобразует с повышением частоты сигнал из цифроаналогового преобразователя 1108 в радиочастотный диапазон, усиливает сигнал для передачи и отправляет сигналы на облучающие элементы с соответствующей фазой (например, выбранной цифровым процессором 1112 передачи) для формирования луча в необходимом направлении. Многие вариации, очевидные для специалистов в данной области техники, могут быть использованы при сохранении уникальных признаков изобретения.[0062] The corresponding sequence of operations occurs when the signal is transmitted by the antenna array. The transmit digital processor 1112 sends a signal for transmission to a digital-to-analog converter (DAC) 1108. The digital-to-analog converter 1108 converts low frequency bits (or possibly baseband bits) to an analog intermediate frequency (IF) and is connected to a frequency converter 1104. Frequency converter 1104 upconverts the signal from digital-to-analog converter 1108 to RF, amplifies the signal for transmission, and sends signals to irradiating elements with the appropriate phase (eg, selected by transmission digital processor 1112) to form a beam in the desired direction. Many variations obvious to those skilled in the art can be used while maintaining the unique features of the invention.

[0063] На фиг. 12 показан упрощенный функциональный набор подсистем, которые позволяют встроить антенну линзовой антенной решетки в полнофункциональный терминал слежения для спутникового устройства связи Satcom в движении или для отслеживания негеостационарных спутников. Здесь система 1200 содержит устройство 1202 обработки, такое как центральный процессор (CPU), радиомаяк или приемник 1206, радиочастотную подсистему 1204, интерфейс 1208 преобразователя частоты и модема, подсистему 1210 электропитания, внешний интерфейс 1212 электропитания, пользовательский интерфейс 1214 и другие подсистемы 1216. Антенная решетка радиочастотной подсистемы 1204 может содержать любую из схем антенной решетки и облучателя по фиг. 1-11, как указано в настоящем описании. Устройство 1202 обработки, радиомаяк или приемник 1206 слежения, интерфейс 1208 модема, подсистема 1210 электропитания, внешний интерфейс 1212 электропитания, пользовательский интерфейс 1214 и другие подсистемы 1216 реализованы, как в любом стандартном терминале Satcom, с использованием аналогичных интерфейсов и подключений к радиочастотной подсистеме 1204, как было бы использовано другими вариантами реализаций радиочастотной подсистемы, такими как антенна с карданно подвешенным рефлектором или обычная фазированная антенная решетка. Как показано, все компоненты 1202-1214 способны выполнять связь друг с другом либо напрямую, либо через устройство 1202 обработки. Соответственно, фиг. 12 иллюстрирует один контекст, в котором могут быть интегрированы описанные здесь антенные системы с множеством лучевых фазированных решеток.[0063] FIG. 12 shows a simplified functional set of subsystems that allow a lens array antenna to be integrated into a full-featured tracking terminal for a Satcom satellite communications device in motion or for tracking non-geostationary satellites. Here, system 1200 includes a processing device 1202 such as a central processing unit (CPU), a beacon or receiver 1206, an RF subsystem 1204, a frequency converter and modem interface 1208, a power subsystem 1210, an external power interface 1212, a user interface 1214, and other subsystems 1216. RF subsystem array 1204 may comprise any of the antenna array and feed designs of FIG. 1-11, as described in the present description. Processor 1202, tracking beacon or receiver 1206, modem interface 1208, power subsystem 1210, external power interface 1212, user interface 1214, and other subsystems 1216 are implemented as in any standard Satcom terminal, using similar interfaces and connections to RF subsystem 1204, as would be used by other implementations of the RF subsystem, such as a gimbaled reflector antenna or a conventional phased array antenna. As shown, all components 1202-1214 are capable of communicating with each other, either directly or via processor 1202. Accordingly, FIG. 12 illustrates one context in which multibeam phased array antenna systems described herein may be integrated.

[0064] На фиг. 13 показано использование нескольких терминалов основанных на линзах антенн в наземном контексте. На основе динамических условий в режиме реального времени и требований к связи терминалы могут перенаправлять свои лучи для установления одновременной связи с несколькими целями с образованием ячеистой или самовосстанавливающейся сети. В такой сети несколько антенных терминалов 100а-с, расположенных в местоположениях 1302, 1304 и 1306, которые могут быть зданиями, башнями, горами или другими местами установки, могут динамически устанавливать линии 1310, 1312 и 1314 связи типа «точка-точка» с высокой направленностью, показанных в виде широких двунаправленных стрелок между собой в ответ на запросы связи или изменение условий окружающей среды. Например, при выполнении антеннами 100а и 100b связи по линии 1310 и разрыве этой линии связи, тракт связи может быть преобразован с использованием линий 1312 и 1314 с использованием антенн 100-b и 100-с. Это обеспечивает возможность использования высоконаправленных антенн в ячеистой сети, что улучшает отношение сигнал/шум, уровни мощности, дальность связи, энергопотребление, пропускную способность и безопасность связи по сравнению с ячеистой сетью, состоящей из обычных всенаправленных элементов.[0064] FIG. 13 shows the use of multiple lens-based antenna terminals in a terrestrial context. Based on real-time dynamic conditions and communication requirements, terminals can redirect their beams to establish simultaneous communication with multiple targets to form a mesh or self-healing network. In such a network, multiple antenna terminals 100a-c located at locations 1302, 1304, and 1306, which may be buildings, towers, mountains, or other installation sites, may dynamically establish point-to-point links 1310, 1312, and 1314 with high directionality, shown as wide bidirectional arrows between each other in response to communication requests or changing environmental conditions. For example, when antennas 100a and 100b are communicating on link 1310 and that link is broken, the communication path may be converted using links 1312 and 1314 using antennas 100-b and 100-c. This enables the use of highly directional antennas in a mesh network, which improves the signal-to-noise ratio, power levels, communication range, power consumption, throughput and communication security compared to a mesh network consisting of conventional omnidirectional elements.

[0065] Преимущества изобретения[0065] Advantages of the Invention

[0066] Диаграмма направленности встроенного элемента представляет собой диаграмму направленности, создаваемую отдельным элементом в фазированной решетке при наличии других элементов фазированной решетки. Вследствие взаимодействий между элементами (например, взаимного влияния) эта диаграмма направленности встроенного элемента отлична от диаграммы направленности, которую элемент имел бы при его изоляции или независимости от других элементов. При известной диаграмме (диаграммах) направленности излучения одним или более встроенными элементами фазированной решетки, диаграмма направленности излучения решетки в целом может быть вычислена (например, с использованием умножения диаграмм направленности). В обычных фазированных решетках диаграмма направленности элемента имеет фиксированное направление луча. Фазированная решетка в соответствии с настоящим раскрытием содержит элементы (например, линзы, апертурные антенны), которые могут иметь управляемые диаграммы направленности.[0066] An embedded element's radiation pattern is the radiation pattern produced by a single element in a phased array in the presence of other phased array elements. Due to interactions between elements (eg, mutual influence), this radiation pattern of an embedded element is different from the radiation pattern that the element would have if it were isolated or independent of other elements. Given the radiation pattern(s) of one or more built-in phased array elements, the radiation pattern of the array as a whole can be calculated (eg, using radiation pattern multiplication). In conventional phased arrays, the element's radiation pattern has a fixed beam direction. The phased array of the present disclosure includes elements (eg, lenses, aperture antennas) that may have steerable patterns.

[0067] Линзовая антенная решетка 100 содержит элементы, которые выполнены электрически большими по сравнению с полуволновыми элементами, используемыми в обычных фазированных решетках, причем они реализованы таким образом, что диаграмма направленности каждого элемента может быть направлена в точку в широком диапазоне в направлении требуемого сканирование луча. Диаграмма направленности встроенного элемента и направление луча от каждой линзы 112 (например, элемента антенной решетки) линзовой антенной решетки 100 определены местоположением соответствующего активного облучающего элемента 152 относительно фокальной точки линзы 112. Соответственно, антенная решетка 100 имеет гибко управляемую диаграмму направленности.[0067] The lens array 100 includes elements that are electrically large compared to the half-wave elements used in conventional phased arrays, and they are implemented in such a way that the radiation pattern of each element can be directed to a point over a wide range in the direction of the desired beam scan . The embedded element radiation pattern and beam direction from each lens 112 (e.g., antenna array element) of lens array 100 is determined by the location of the respective active irradiating element 152 relative to the focal point of lens 112. Accordingly, antenna array 100 has a flexibly controllable radiation pattern.

[0068] В антенной решетке 100 можно использовать линзы любого типа, такие как однородная диэлектрическая линза, неоднородная диэлектрическая линза с градиентным индексом, линза, состоящая из метаматериальных или искусственных диэлектрических структур, по существу плоская линза, построенная с использованием одного или более слоев метаповерхности или дифракционной решетки, сплюснутые линзы, такие как линзы Френеля, гибридные линзы, сконструированные из комбинаций метаматериала и обычных диэлектриков, или любое другое пропускающее устройство, которое действует как линза для коллимации или фокусировки радиочастотной энергии в фокус или точку. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения перемещение местоположения активного облучающего элемента 152 достигнуто без перемещения частей при использовании кластера из нескольких независимо возбужденных облучающих элементов 152, который сканируют посредством изменения того, какой из облучающих элементов 152 возбужден, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 3 и 4. Альтернативно, тот же эффект может быть достигнут посредством лишь одного облучающего элемента 152, размещенного за каждой линзой 112, при использовании исполнительного устройства 172 и/или 174 для перемещения облучающего элемента 152 относительно линзы 112 и, таким образом, изменения направления луча диаграммы направленности элемента, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 6. Каждая линза 112 может иметь независимую пару исполнительных механизмов 172, 174, или одна пара исполнительных механизмов может перемещать облучатели всех линз вместе.[0068] Any type of lens can be used in the antenna array 100, such as a uniform dielectric lens, a non-uniform graded index dielectric lens, a lens composed of metamaterial or artificial dielectric structures, a substantially flat lens constructed using one or more metasurface layers, or diffraction grating, oblate lenses such as Fresnel lenses, hybrid lenses constructed from combinations of metamaterial and conventional dielectrics, or any other transmissive device that acts as a lens to collimate or focus RF energy into a focus or point. In some embodiments of the present invention, moving the location of the active irradiating element 152 is achieved without moving parts by using a cluster of multiple independently fired irradiating elements 152 that is scanned by changing which of the irradiating elements 152 is fired, as explained above with reference to FIG. 3 and 4. Alternatively, the same effect can be achieved with just one illuminating element 152 placed behind each lens 112 by using an actuator 172 and/or 174 to move the illuminating element 152 relative to the lens 112 and thereby change the direction of the beam. element pattern as explained above with reference to FIG. 6. Each lens 112 may have an independent pair of actuators 172, 174, or one pair of actuators may move all lens drivers together.

[0069] Таким образом, использование линз относительно большого электрического размера в качестве элементов фазированной решетки обеспечивает фазированной решетке возможность иметь перестраиваемые или сканируемые диаграммы направленности элементов. Кроме того, использование линз в качестве элементов фазированной решетки обеспечивает возможность покрыть всю апертуру антенной решетки излучающими субапертурами (например, линзами). Это может увеличить эффективность апертуры и усиления антенной решетки.[0069] Thus, the use of relatively large electrical size lenses as phased array elements allows the phased array to have tunable or scannable element patterns. In addition, the use of lenses as elements of a phased array makes it possible to cover the entire aperture of the antenna array with radiating sub-apertures (eg, lenses). This can increase the efficiency of the aperture and gain of the antenna array.

[0070] Другое преимущество использования линз с управляемыми лучами в качестве элементов фазированной решетки состоит в том, что фазированная решетка, содержащая линзы в качестве элементов, может содержать меньше электрических и радиочастотных компонентов по сравнению с обычной фазированной решеткой. В показанном примере фазированная решетка 100 содержит 19 линзовых наборов 110 (т.е. элементов), каждый из которых имеет диаметр 13 см и расположен в виде гексагональной мозаичной структуры для эффективного заполнения общей апертуры, которая приблизительно эквивалентна по производительности фазированной антенной решетке диаметром 65 см. Область за каждой линзой 112 может быть только частично покрыта или заполнена облучающими элементами 152, тогда как в обычной фазированной решетке вся поверхность отверстия фазированной решетки может быть покрыта облучающими элементами. Кроме того, облучающие элементы 152 могут быть не столь плотно упакованы, чем в обычной фазированной решетке (например, полуволновой решетке). Соответственно, фазированная решетка 110 может содержать меньше облучающих элементов по сравнению с обычной фазированной решеткой. Поскольку каждый облучающий элемент в обычной или основанной на линзах фазированной решетке содержит соответствующие схемы (например, детектор 304), уменьшение количества облучающих элементов может уменьшить число схем, включенных в фазированную решетку 100. Кроме того, поскольку только один облучающий элемент 152 способен быть одновременно активным для каждой линзы 112 для генерации луча, в некоторых вариантах реализации схемы линзовой антенной решетки 100, такие устройства, как устройство 306 сдвига, могут быть совместно использованы несколькими облучающими элементами 152, как описано со ссылкой на фиг. 4. Соответственно, линзовая антенная решетка 100 может содержать еще более уменьшенное количество схем. В одном примере 4000 устройств сдвига, необходимых для обычной фазированной решетки из 4000 элементов, могут быть заменены всего лишь 19 устройствами 306 сдвига в предпочтительном варианте реализации (т.е., по одному устройству для каждой из линз 112). Таким образом, в этом примере фазированная решетка 110 может иметь меньше электрических и радиочастотных компонентов по сравнению с обычной фазированной решеткой с обычными полуволновыми облучающими элементами.[0070] Another advantage of using steerable beam lenses as phased array elements is that a phased array containing lenses as elements can contain fewer electrical and RF components compared to a conventional phased array. In the example shown, the phased array 100 contains 19 lens arrays 110 (i.e., elements) each 13 cm in diameter and arranged in a hexagonal tiling pattern to efficiently fill a total aperture that is approximately equivalent in performance to a 65 cm diameter phased array antenna. The area behind each lens 112 may only be partially covered or filled by the irradiation elements 152, whereas in a conventional phased array the entire surface of the phased array aperture may be covered by the irradiation elements. In addition, the radiation elements 152 may not be as densely packed as in a conventional phased array (eg, half wave array). Accordingly, the phased array 110 may contain fewer irradiating elements compared to a conventional phased array. Because each irradiating element in a conventional or lens-based phased array contains corresponding circuits (eg, detector 304), reducing the number of irradiating elements can reduce the number of circuits included in phased array 100. In addition, since only one irradiating element 152 is capable of being active at a time for each beam generating lens 112, in some implementations of the lens array 100 design, devices such as the shifter 306 may be shared by multiple irradiating elements 152, as described with reference to FIG. 4. Accordingly, the lens array 100 may comprise an even more reduced number of circuits. In one example, the 4,000 shifters required for a typical 4,000-element phased array can be replaced by as few as 19 shifters 306 in the preferred embodiment (ie, one for each of lenses 112). Thus, in this example, the phased array 110 may have fewer electrical and RF components compared to a conventional phased array with conventional half-wave radiation elements.

[0071] Кроме того, линзовая антенная решетка 100 может потреблять меньше энергии по сравнению с обычной фазированной решеткой. В иллюстративном примере линзовая антенная решетка 100 работает при мощности передачи радиочастотного излучения в 40 Вт (46 дБм). Общая передаваемая мощность распределена по линзовым наборам 110 линзовой антенной решетки 100 (т.е., элементам фазированной решетки), причем в каждом из линзовых наборов 110 активирован один облучающий элемент 152 для создания одного луча. Как описано выше, один вариант реализации линзовой антенной решетки 100 содержит 19 линзовых наборов 110. По этой причине необходимо, чтобы каждый облучающий элемент 152 обрабатывал около 1/19 от общей мощности 40 Вт (т.е. чуть более 2 Вт или 33 дБм). Неиспользуемые облучающие элементы 152 в каждом из линзовых наборов 110 могут быть отключены, и нет необходимости применять какую-либо статическую мощность постоянного тока ни для схемы приема, ни для схемы передачи. Соответственно, линзовая антенная решетка 100 способна потреблять меньше энергии по сравнению с обычной фазированной решеткой, в которой активирован каждый облучающий элемент. В одном примере линзовой антенной решетки 100 каждый из линзовых наборов 110 содержит от 20 до 60 независимых облучающих элементов 152 позади линзы 112. Можно ожидать, что реализация предназначенной только для приема линзовой антенной решетки 100 потребляет менее 10% от мощности постоянного тока, потребляемой эквивалентной предназначенной только для приема обычной апертурой фазированной решетки.[0071] In addition, the lens array 100 can consume less power compared to a conventional phased array. In an illustrative example, the lens array 100 operates at a RF transmit power of 40 W (46 dBm). The total transmit power is distributed across the lens arrays 110 of the lens array 100 (ie, the phased array elements), with each of the lens arrays 110 activating one irradiating element 152 to create one beam. As described above, one implementation of the lens array 100 contains 19 lens arrays 110. For this reason, it is necessary that each radiation element 152 handle about 1/19 of the total power of 40 W (i.e., just over 2 W or 33 dBm) . The unused illumination elements 152 in each of the lens sets 110 can be turned off and no static DC power needs to be applied to either the receive circuit or the transmit circuit. Accordingly, the lens array 100 is capable of consuming less power than a conventional phased array in which each irradiating element is activated. In one example of lens array 100, each of lens arrays 110 includes 20 to 60 independent irradiating elements 152 behind lens 112. An implementation of a receive-only lens array 100 can be expected to consume less than 10% of the DC power consumed by an equivalent dedicated only for normal phased array aperture reception.

[0072] Система формирования луча для линзовой антенной решетки 100 способна содержать переключатели 1002 и 716 облучающего элемента 152, устройства 306 сдвига, сумматоры/делители 308, устройство 1202 обработки или их комбинацию. Для генерации луча в желательном направлении устройство 1202 обработки выбирает позиции активного облучающего элемента для каждого линзового набора 110 и вычисляет соответствующую фазу или временную задержку для каждого линзового набора 110. Временная/фазовая задержка и комбинация/деление мощности могут быть выполнены до или после шага преобразования частоты вверх/вниз в радиочастотной, промежуточной или основной полосе частот. Устройство 1202 обработки устанавливает позиции активных облучающих элементов, посылая управляющие сигналы для активирования одного из облучающих элементов 152 для каждого из линзовых наборов 110, или отправляя сигналы управления для регулирования положений облучающих элементов 152, используя один или более исполнительных механизмов 172, 174. Устройство 1202 обработки дополнительно отправляет один или более управляющих сигналов одному или более из переключателей 1002, 716, переключателей 306, блоков 308 сумматора/делителя 308 или их комбинации для установки временной/фазовой задержки и комбинации/деления мощности для каждого линзового набора 110.[0072] The beamforming system for lens antenna array 100 is capable of comprising switches 1002 and 716 of irradiating element 152, shifters 306, adders/dividers 308, processor 1202, or a combination thereof. To generate a beam in the desired direction, the processing device 1202 selects the positions of the active irradiating element for each lens set 110 and calculates the corresponding phase or time delay for each lens set 110. The time/phase delay and combination/power division can be performed before or after the frequency conversion step. up/down in RF, intermediate or baseband. The processing device 1202 sets the positions of the active illuminating elements by sending control signals to activate one of the illuminating elements 152 for each of the lens sets 110, or by sending control signals to adjust the positions of the illuminating elements 152 using one or more actuators 172, 174. Processing device 1202 additionally sends one or more control signals to one or more of the switches 1002, 716, switches 306, adder/divider units 308 308, or a combination thereof to set the time/phase delay and power combination/division for each lens array 110.

[0073] Хотя градиентные линзы представляют собой предпочтительный вариант реализации для многих применений, линзы 112 не обязательно должны быть выполнены градиентными. Например, в приложениях, которые имеют дело с ограниченным сектором обзора или ограниченной полосой пропускания, могут быть достаточными однородные линзы меньшего размера. Кроме того, в некоторых случаях оптимальными могут быть линзы из метаматериала или плоские линзы, состоящие из метаповерхностей или искусственных диэлектриков. Как правило, неоднородные линзы, сконструированные в соответствии со способом оптимизации согласно заявке США №62/438181, будут обеспечивать лучшую диаграмму направленности в любом заданном диапазоне управления или сканирования лучом (особенно, при увеличении угла сканирования выше 45 градусов), и более короткие фокусные расстояния, чем у однородных линз, и обеспечат лучшие частотные характеристики широкополосной связи, чем линзы на основе метаматериала или метаповерхности.[0073] While gradient lenses are the preferred implementation for many applications, lenses 112 need not be gradient. For example, in applications that deal with limited field of view or limited bandwidth, smaller uniform lenses may suffice. In addition, in some cases, metamaterial lenses or flat lenses consisting of metasurfaces or artificial dielectrics may be optimal. In general, non-uniform lenses designed according to the optimization method of US Pat. No. 62/438,181 will provide better beam pattern over any given range of beam steering or scanning (especially as the scan angle is increased above 45 degrees), and shorter focal lengths. than homogeneous lenses and will provide better broadband frequency response than lenses based on a metamaterial or metasurface.

[0074] Антенны спутниковой связи должны ограничивать свои огибающие спектральной плотности мощности боковых лепестков (PSD) для соответствия стандартам Федеральной комиссии связи (FCC) и Международного союза электросвязи (ITU). Это требует тщательного контроля боковых лепестков. Однако, для описанных здесь линзовых антенных решеток из линз с электрически большими линзовыми наборами 110 боковые лепестки возникают, когда энергия боковых лепестков от всех линзовых наборов 110 с увеличением сложена в нежелательном направлении. Однако высокая направленность диаграмм направленности линзовых наборов 110 может уменьшить многие эффекты боковых лепестков, поскольку направленность диаграмм направленности линзы, умноженная на множитель антенной решетки, быстро падает в отличие от отклика обычной антенной решетки.[0074] Satellite communications antennas must limit their side-lobe power spectral density (PSD) envelopes to comply with Federal Communications Commission (FCC) and International Telecommunication Union (ITU) standards. This requires careful control of the sidelobes. However, for lens arrays with electrically large lens arrays 110 described herein, side lobes occur when the side lobes energy from all magnification lens arrays 110 is folded in an undesirable direction. However, the high directivity of the lens arrays 110 patterns can reduce many side-lobe effects because the directivity of the lens patterns multiplied by the antenna array multiplier falls off rapidly in contrast to the response of a conventional antenna array.

[0075] Обычно использование элемента (например, линзы) антенной решетки с высокой направленностью для смягчения эффекта боковых лепестков приводит к очень узкому диапазону сканирования в пределах угловой ширины диаграммы направленности антенной решетки. Однако, обеспечение возможности самим линзовым наборам 110 сканировать их диаграммы направленности встроенных элементов в требуемом секторе обзора сохраняет как характеристики сканирования, так и профиль диаграммы направленности исходной антенны. Дополнительное подавление боковых лепестков может быть достигнуто посредством возмущения местоположения фазовых центров для нарушения симметрии регулярной сетки линзовых наборов 110, как описано со ссылкой на фиг. 5.[0075] Typically, the use of a highly directive array element (eg, lens) to mitigate the effect of side lobes results in a very narrow scan range within the angular width of the antenna array beam pattern. However, allowing the lens arrays 110 themselves to scan their built-in beam patterns in the desired field of view preserves both the scanning characteristics and the beam pattern profile of the original antenna. Additional side-lobe suppression can be achieved by perturbing the location of the phase centers to break the symmetry of the regular grid of lens arrays 110, as described with reference to FIG. 5.

[0076] Нарушение симметрии (периодичности) положений линзовых наборов 110 в двух или трех измерениях уменьшает степень, в которой энергия будет интерферировать с усилением в любом направлении. Кроме того, расположение фазовых центров линзовых наборов 110 может быть организовано на неоднородной апериодической сетке для минимизации влияния боковых лепестков. Физические расположения фазовых центров в одном, двух или трех измерениях рандомизированы и/или оптимизированы для минимизации боковых лепестков и улучшения диаграммы направленности. Фазовые центры могут быть выбраны стохастическим устройством оптимизации произвольным или псевдоупорядоченным образом как часть процесса проектирования терминала. Линзовые наборы 110 сконструированы таким образом, что их физический центр и фазовый центр (обычно совпадающие с осью симметрии внутри линзы) пространственно разделены, причем каждая линза в линзовом наборе 100 может иметь различное смещение между фазой и физическим центром, как описано со ссылкой на фиг. 5.[0076] Breaking the symmetry (periodicity) of the positions of lens arrays 110 in two or three dimensions reduces the degree to which energy will interfere with gain in either direction. In addition, the location of the phase centers of the lens arrays 110 can be organized on a non-uniform aperiodic grid to minimize the effect of side lobes. The physical arrangements of the phase centers in one, two or three dimensions are randomized and/or optimized to minimize side lobes and improve the radiation pattern. The phase centers may be chosen by the stochastic optimizer in an arbitrary or pseudo-ordered manner as part of the terminal design process. Lens sets 110 are designed such that their physical center and phase center (typically coinciding with the axis of symmetry within the lens) are spatially separated, and each lens in lens set 100 may have a different offset between phase and physical center, as described with reference to FIG. 5.

[0077] Многие варианты способов оптимизации могут быть использованы для уменьшения боковых лепестков. В качестве примера, положение (х, у) оси симметрии каждой линзы 112 относительно геометрического центра линзового набора 110, при его правильном расположении в периодически-мозаичной фазированной решетке 100, закодировано как постоянная в шестиугольной или прямоугольной решетке с переменным смещением. Смещение может быть закодировано в виде двух переменных для декартовой, цилиндрической или некоторой другой удобной системы координат. Алгоритм стохастической оптимизации (например, генетический алгоритм, рой частиц или эволюционная стратегия адаптации матрицы ковариации) в сочетании с программой из программного обеспечения для прогнозирования фактора антенной решетки и результирующей диаграммы направленности антенной решетки из комбинации диаграмм направленности встроенных линз и местоположений линзового набора 110 были затем использованы для выбора конкретных параметризованных смещений для фазового центра каждого элемента линзы 112, что управляемо осью симметрии каждого элемента линзы 112.[0077] Many variations of optimization methods can be used to reduce sidelobes. As an example, the position (x, y) of the axis of symmetry of each lens 112 with respect to the geometric center of the lens array 110, when properly located in the periodically tiled phased array 100, is encoded as a constant in a variable-offset hexagonal or rectangular array. The displacement can be encoded as two variables for Cartesian, cylindrical, or some other convenient coordinate system. A stochastic optimization algorithm (e.g., a genetic algorithm, a particle swarm, or an evolutionary covariance matrix adaptation strategy) in combination with a program from the software to predict the antenna array factor and the resulting array antenna pattern from the combination of the built-in lens patterns and lens array locations 110 were then used. to select specific parameterized offsets for the phase center of each lens element 112, which is controlled by the axis of symmetry of each lens element 112.

Ось симметрии и, таким образом, положения фазовых центров фиксированы при изготовлении антенной решетки и не претерпевают изменение во время работы. Небольшое смещение оси симметрии относительно геометрического центра линзы вносит лишь небольшую разницу в угол грубого наведения луча между соседними линзовыми наборами 112 (что можно исправить посредством соответствующих небольших изменений в расположении решетки 150 облучателей под линзовым набором 112), и одинаковые облучающие элементы 152 могут быть выбраны между смежными линзовыми наборами 112 для направления луча грубого наведения в желательном направлении для всей антенной решетки. Во всех этих случаях не происходит изменения пространства, занимаемого линзовыми наборами 112, но расположение их оси симметрии действительно претерпевает изменение для управления фазовым центром. Как указано в настоящем описании, линзовая антенная решетка 100 может смещать фазовый центр линзы 112 без изменения геометрического центра (центроида) линзового набора 110 или введения промежутков в апертуру линзовой антенной решетки 100 (например, с использованием исполнительного механизма (испольнительных механизмов) 172, 174).The axis of symmetry and thus the positions of the phase centers are fixed during the manufacture of the antenna array and do not change during operation. A slight offset of the axis of symmetry relative to the geometric center of the lens introduces only a small difference in the coarse beam angle between adjacent lens sets 112 (which can be corrected by corresponding small changes in the location of the array of feeds 150 under the lens set 112), and the same illuminating elements 152 can be selected between adjacent lens sets 112 to direct the coarse beam in the desired direction for the entire antenna array. In all these cases, there is no change in the space occupied by the lens sets 112, but the location of their axis of symmetry does change to control the phase center. As described herein, lens array 100 can shift the phase center of lens 112 without changing the geometric center (centroid) of lens array 110 or introducing gaps into the aperture of lens array 100 (e.g., using an actuator(s) 172, 174) .

[0078] Устройство оптимизации способно минимизировать боковые лепестки посредством лишь фактора антенной решетки или может применять диаграммы направленности встроенного элемента (например, линзового набора) к фактору антенной решетки и непосредственно оптимизировать боковые лепестки диаграммы направленности. Непосредственное рассмотрение диаграммы направленности антенной решетки требует более сложных многоцелевых оптимизационных стратегий. Гибридный подход включает построение маски наихудшего случая, которой должен удовлетворять фактор антенной решетки для гарантии, что боковые лепестки будут удовлетворять регулирующим маскам на всех углах и частотах.[0078] The optimizer is capable of minimizing side lobes by means of the antenna array factor alone, or may apply the radiation patterns of an embedded element (eg, lens array) to the antenna array factor and directly optimize the side lobes of the radiation pattern. Direct consideration of the radiation pattern of an antenna array requires more complex multipurpose optimization strategies. The hybrid approach involves constructing a worst-case mask that the array factor must satisfy to ensure that the sidelobes will satisfy the control masks at all angles and frequencies.

[0079] Размер линзы 112 представляет собой компромисс между ценой и производительностью и сложностью. Увеличение размера отдельной линзы 112 уменьшает количество элементов в фазированной решетке, упрощая, таким образом, схему, но также увеличивает расстояние между линзовыми наборами 110, сложность проблемы с лепестками решетки, а также стоимость и сложность каждого отдельного облучающего элемента. Уменьшение размера отдельных элементов увеличивает число линзовых наборов 110, но уменьшает размер боковых лепестков, а также стоимость и сложность каждого облучающего элемента 152 и линзового набора 110.[0079] Lens size 112 is a compromise between price and performance and complexity. Increasing the size of individual lens 112 reduces the number of elements in the phased array, thus simplifying the design, but also increases the spacing between lens sets 110, the complexity of the array lobes problem, and the cost and complexity of each individual irradiating element. Reducing the size of the individual elements increases the number of lens arrays 110, but reduces the size of the sidelobes and the cost and complexity of each illumination element 152 and lens array 110.

[0080] Использование элементов (например, линзовых наборов) фазированной решетки с большим электрическим размером и индивидуально электрически сканированными диаграммами направленности может быть целесообразным, если элемент имеет намного меньшую стоимость для данного размера апертуры по сравнению со стоимостью обычных элементов фазированной решетки, которые в противном случае заполняли бы эту область и давали бы аналогичные характеристики антенного терминала. Для сканирующей линзовой антенны с переключаемым облучателем стоимость самой линзы относительно невелика, а стоимость антенной решетки может быть пропорциональна количеству облучающих элементов и их схеме.[0080] The use of phased array elements (e.g., lens arrays) with large electrical size and individually electrically scanned radiation patterns may be beneficial if the element has a much lower cost for a given aperture size compared to the cost of conventional phased array elements, which would otherwise would fill this area and give similar antenna terminal characteristics. For a scanning lens antenna with a switchable feed, the cost of the lens itself is relatively small, and the cost of the antenna array can be proportional to the number of irradiating elements and their design.

[0081] В некоторых примерах фазированной решетки 100 только часть (25-50%) области позади линзы 112 в каждом линзовом наборе 110 заполнена облучающими элементами 152, и облучающие элементы 152 могут быть отделены друг от друга более чем половиной длины волны. По этой причине при рассмотрении заданной площади апертуры, которая может быть покрыта линзовым набором 110, стоимость линзового набора 110 может быть намного меньше по сравнению с эквивалентной фазированной решеткой, которая содержит относительно больше облучающих элементов.[0081] In some examples of phased array 100, only a portion (25-50%) of the area behind lens 112 in each lens array 110 is filled with irradiation elements 152, and irradiation elements 152 may be separated from each other by more than half a wavelength. For this reason, when considering a given aperture area that can be covered by lens array 110, the cost of lens array 110 can be much less compared to an equivalent phased array that contains relatively more irradiating elements.

[0082] Каждый облучающий элемент 152 позади заданной линзы 112 связан с конкретным набором схем в зависимости от применения антенной решетки в целом. В качестве простейшего случая взята схема с одной поляризацией только для приема или только для передачи. Схема с управляемой поляризацией для работы в Satcom с наклонной горизонтальной/вертикальной поляризацией в полосе частот Ки, или круговой поляризатор для Satcom в полосе частот K/Kа вместе с облучающей антенной 152 с двойной поляризацией могут быть использованы для поддержки мобильной или независимой от поляризации работы.[0082] Each irradiating element 152 behind a given lens 112 is associated with a specific set of circuits depending on the application of the antenna array as a whole. As the simplest case, a scheme with one polarization is taken only for reception or only for transmission. A polarization steerable circuit for Satcom oblique horizontal/vertical Ki-band operation, or a circular polarizer for Satcom K/Ka bands, together with a dual-polarized feed antenna 152, can be used to support mobile or polarization-independent operation.

[0083] Комбинированная работа приема/передачи в одном терминале может быть выполнена с активным переключателем «передача/прием» для диплексной связи с временным разделением или с использованием элемента схемы диплексера для диплексной работы с частотным разделением, как описано со ссылкой на фиг. 7, 8 и 10. Элемент диплексера увеличивает стоимость и сложность каждого элемента, но существует значительное преимущество использования только одной объединенной апертуры приема/передачи, а не двух отдельных апертур.[0083] The combined receive/transmit operation in one terminal may be performed with an active transmit/receive switch for time division diplex communication, or using a diplexer circuit element for frequency division diplex operation, as described with reference to FIG. 7, 8, and 10. The diplexer element adds cost and complexity to each element, but there is a significant advantage to using only one combined receive/transmit aperture rather than two separate apertures.

[0084] Линзовая антенная решетка 100 может содержать одно устройство 306 сдвига в каждом линзовом наборе 110 для каждого поддерживаемого одновременного луча, а не по одному для каждого облучающего элемента, как это нужно в обычной фазированной решетке, как описано со ссылкой на фиг. 4. В некоторых примерах, в которых многопортовые переключатели 1002 с низкими потерями соответствуют переключателю N:1 с низкими потерями, в каждый линзовый набор 110 включен один детектор 304, и происходит переключение подачи мощности между набором всех облучающих элементов 152. позади линзы 112 с использованием многопортовых переключателей 1002 с низкими потерями. Существует компромисс между приемлемыми потерями при переключении и количеством детекторов 304 для каждой линзы для максимизации производительности при минимизации затрат. Производительность, доступность и относительная стоимость коммутационной схемы 1002 и детектора 304 диктует соответствующее количество облучающих элементов, подлежащих переключению в один детектор 304 для данного применения.[0084] The lens array 100 may include one shifter 306 in each lens array 110 for each supported simultaneous beam, rather than one for each irradiating element, as would be the case in a conventional phased array, as described with reference to FIG. 4. In some examples where low loss multi-port switches 1002 correspond to an N:1 low loss switch, one detector 304 is included in each lens set 110, and the power supply is switched between the set of all illuminating elements 152 behind the lens 112 using multiport switches 1002 with low losses. There is a trade-off between acceptable switching loss and the number of detectors 304 for each lens to maximize performance while minimizing cost. The performance, availability, and relative cost of switching circuitry 1002 and detector 304 dictate the appropriate number of irradiating elements to be switched into one detector 304 for a given application.

[0085] Из-за относительно большого расстояния между элементами линзовых наборов 110 и относительно небольшого количества линзовых наборов 110 в линзовой антенной решетке 100, устройства 306 сдвига могут иметь относительно более высокую дискретизацию по сравнению с таковыми для стандартной фазированной антенной решетки. Например, устройства 306 сдвига могут соответствовать 8-битным или содержащим большее количество бит устройствам задержки по времени, а не 4-х или 6-битным устройствам задержки по времени в обычной фазированной антенной решетке. Однако из-за относительно небольшого количества линзовых наборов 110 и соответствующих устройств 306 сдвига по фазе/задержки по времени в фазированной антенной решетке 100 дополнительное разрешение в устройствах 306 сдвига может не приводить к значительным затратам.[0085] Due to the relatively large inter-element spacing of lens arrays 110 and the relatively small number of lens arrays 110 in lens array 100, shifters 306 may have relatively higher sampling than those for a standard phased array antenna. For example, shifters 306 may correspond to 8-bit or more bit time delay devices rather than 4 or 6-bit time delay devices in a conventional phased array antenna. However, due to the relatively small number of lens sets 110 and associated phase shifters/time delays 306 in the phased array antenna 100, additional resolution in the shifters 306 may not come at a significant cost.

[0086] В отличие от других фазированных решеток с большими элементами, таких как Очень Большая Антенная решетка Нейпира (27 карданно подвешенных отражательных антенн диаметром 25 м каждая), предлагаемая здесь линзовая антенная решетка 100 из линзовых наборов 110 может поддерживать несколько одновременных лучей почти произвольных направлений в секторе обзора. Это реализовано посредством возбуждения двух или более отдельных облучающих элементов 152 за каждой линзой 112 отдельным входным сигналом и смещением по времени, уникальным для каждого линзового набора 110. Поскольку каждый облучающий элемент 152 одной линзы 112 будет излучать независимый луч, антенная решетка из линзовых наборов 110 способна генерировать независимые остронаправленные лучи.[0086] Unlike other phased arrays with large elements, such as Napier's Very Large Array (27 gimbally suspended reflector antennas with a diameter of 25 m each), the lens array 100 of the lens sets 110 provided here can support multiple simultaneous beams of almost arbitrary directions in the field of view. This is accomplished by driving two or more separate feed elements 152 behind each lens 112 with a separate input signal and a time offset unique to each lens set 110. generate independent highly directional beams.

[0087] В отличие от обычных фазированных решеток описанная в настоящем документе линзовая антенная решетка 100 из линз 112 способна поддерживать несколько лучей с минимумом добавленных схем, в то время как обычная (аналоговая) фазированная решетка будет повторять всю сеть облучателей для каждого луча. Поскольку для создания одного луча активирован только один облучающий элемент 152 и одно устройство 306 сдвига по фазе, два независимых луча могут быть включены посредством добавления одного слоя дополнительных переключателей и одного дополнительного устройство 306 сдвига по фазе 306 к каждому линзовому набору 110.[0087] Unlike conventional phased arrays, the lens array 100 of lenses 112 described herein is capable of supporting multiple beams with a minimum of added circuitry, while a conventional (analog) phased array will repeat the entire feed network for each beam. Since only one beam element 152 and one phase shifter 306 are activated to create one beam, two independent beams can be enabled by adding one layer of additional switches and one additional phase shifter 306 306 to each lens array 110.

[0088] Линзовая антенная решетка 100 описана как наземный терминал для спутниковой связи и может быть использована как для стационарных, так и для мобильных наземных терминалов. В этом режиме связи потенциальные установки и приложения могут включать школы, дома, предприятия или неправительственные организации, частные или общественные беспилотники, беспилотные воздушные системы (UAS), военные, гражданские, пассажирские или грузовые воздушные суда, пассажирские, досуговые или другие морские и наземные транспортные средства, такие как автобусы, поезда и автомобили. Описанная линзовая антенная решетка 100 также может быть использована для космического сегмента системы спутниковой связи в качестве антенны на спутнике для образования множества точечных лучей и/или профилированных лучей, для динамически реконфигурируемых наземных микроволновых линий связи типа «точка-точка», базовых станций сотовой связи (такие как 5G), и для любого другого приложения, которое требует динамического многократного формирования луча или получает преимущества от него.[0088] Lens array 100 is described as a ground terminal for satellite communications and can be used for both fixed and mobile ground terminals. In this communication mode, potential installations and applications may include schools, homes, businesses or non-governmental organizations, private or public drones, unmanned aerial systems (UAS), military, civil, passenger or cargo aircraft, passenger, leisure or other maritime and land transport means such as buses, trains and cars. The described lens antenna array 100 can also be used for the space segment of a satellite communication system as an antenna on a satellite to form a plurality of spot beams and/or profiled beams, for dynamically reconfigurable point-to-point terrestrial microwave links, cellular base stations ( such as 5G) and for any other application that requires or benefits from dynamic multiple beamforming.

[0089] Терминалы антенны с линзовой решеткой могут быть использованы для стационарных или мобильных приложений, в которых угловой сектор обзора требует формирования одного или более лучей в относительно широких пространственных углах. Например, для терминала Satcom на борту воздушного судна желательно, чтобы диапазон углов составлял не менее 60 градусов и даже 70 градусов или более для обеспечения связи антенны с геостационарными спутниками в различных местах на орбите относительно воздушного судна. Для негеостационарных спутниковых систем луч или лучи должны иметь возможность отслеживать спутники при их прохождении вверху, независимо от того, размещен ли терминал неподвижным, например на вершине здания или на башне, или мобильно, например, на транспортном средстве. В обоих случаях диапазон углов зависит от количества и местоположения спутников и минимально допустимого угла места от терминала к спутнику. Поэтому антенные системы обычно должны иметь широкий сектор обзора или диапазон углов направления луча.[0089] Lens array antenna terminals may be used for fixed or mobile applications in which the angular field of view requires the formation of one or more beams at relatively wide spatial angles. For example, for a Satcom terminal on board an aircraft, it is desirable that the range of angles be at least 60 degrees and even 70 degrees or more to allow the antenna to communicate with geostationary satellites at different locations in orbit relative to the aircraft. For non-geostationary satellite systems, the beam or beams must be able to track satellites as they pass overhead, whether the terminal is stationary, such as on top of a building or on a tower, or mobile, such as on a vehicle. In both cases, the range of angles depends on the number and location of the satellites and the minimum allowable elevation angle from the terminal to the satellite. Therefore, antenna systems typically need to have a wide field of view or range of beam angles.

[0090] Кроме того, следует отметить, что в настоящем описании использовано несколько геометрических или относительных терминов, таких как тонкий, шестиугольный, полусферический и ортогональный. Кроме того, в описании использовано несколько терминов направления или позиционирования и т.п., таких как «ниже». Эти термины предназначены только для удобства и облегчения описания на основе вариантов реализации, показанных на чертежах. Эти термины не предназначены для ограничения изобретения. Таким образом, следует признать, что настоящее изобретение может быть описано другими способами без этих геометрических, относительных терминов и терминов направления или позиционирования. Кроме того, геометрические или относительные термины могут быть неточными, например, из-за допусков, присутствующих при изготовлении, и т.д. Другие подходящие геометрии и соотношения могут быть предоставлены без отклонения от сущности и объема изобретения.[0090] In addition, it should be noted that in the present description, several geometric or relative terms are used, such as thin, hexagonal, hemispherical, and orthogonal. In addition, several terms of direction or positioning and the like, such as "below", are used in the description. These terms are only for convenience and ease of description based on the embodiments shown in the drawings. These terms are not intended to limit the invention. Thus, it should be recognized that the present invention can be described in other ways without these geometric, relative terms and terms of direction or positioning. In addition, geometric or relative terms may be inaccurate, for example due to manufacturing tolerances, etc. Other suitable geometries and ratios may be provided without departing from the spirit and scope of the invention.

[0091] Как описано и показано, система и способ по настоящему изобретению включают работу с одной или более схемами и/или устройствами обработки, включая центральный процессор 1202 и процессоры 1110, 1112. Например, система может содержать схему линзового набора и/или устройство 150 обработки для регулирования встроенных диаграмм направленности линзовых наборов, например, содержать компоненты 304 и связанные схемы управления; и антенную схему и/или устройство обработки для регулирования диаграммы направленности антенны, которая может принимать форму схемы формирования луча и/или устройства обработки, такой как 306 и 308, или их цифровых альтернатив, как в 1102, 1104, 1106, 1108, 1110 и 1112, причем схема антенны может содержать дополнительные компоненты, такие как 1202, 1206 и 1208. Следует отметить, что устройством обработки может быть любое подходящее устройство, такое как микросхема, компьютер, сервер, мэйнфрейм, процессор, микропроцессор, персональный компьютер, планшет, смартфон или тому подобное. Устройства обработки могут быть использованы в сочетании с другими подходящими компонентами, такими как устройство отображения (монитор, светодиодный экран, цифровой экран и т.д.), устройство памяти или хранения, устройство ввода (сенсорный экран, клавиатура, указательное устройство, например мышь), беспроводной модуль (для радиочастоты, Bluetooth, инфракрасного порта, Wi-Fi и т.д.). Информация может быть сохранена на жестком диске компьютера, на диске CD-ROM или на любом другом подходящем устройстве хранения данных, которое может быть расположено в устройстве обработки или в связи с ним. Вся последовательность операций выполнена автоматически устройством обработки и без какого-либо ручного вмешательства. Соответственно, если не указано иное, последовательность операций может быть выполнена по существу в режиме реального времени без каких-либо задержек или ручного действия.[0091] As described and shown, the system and method of the present invention includes operation with one or more circuits and/or processing devices, including the CPU 1202 and processors 1110, 1112. For example, the system may include a lens array circuit and/or device 150 processing for adjusting the built-in radiation patterns of the lens sets, for example, contain components 304 and associated control circuits; and an antenna circuitry and/or processor for beamforming the antenna, which may take the form of a beamforming circuit and/or processor, such as 306 and 308, or digital alternatives thereof, as in 1102, 1104, 1106, 1108, 1110, and 1112, wherein the antenna circuitry may include additional components such as 1202, 1206, and 1208. It should be noted that the processing device may be any suitable device such as an integrated circuit, a computer, a server, a mainframe, a processor, a microprocessor, a personal computer, a tablet, a smartphone. or the like. The processing devices may be used in conjunction with other suitable components such as a display device (monitor, LED screen, digital screen, etc.), a memory or storage device, an input device (touch screen, keyboard, pointing device, e.g. mouse) , wireless module (for radio frequency, Bluetooth, infrared, Wi-Fi, etc.). The information may be stored on a computer hard drive, on a CD-ROM disk, or on any other suitable storage device that may be located on or in connection with the processing device. The whole sequence of operations is carried out automatically by the processing device and without any manual intervention. Accordingly, unless otherwise indicated, the process can be performed substantially in real time without any delay or manual action.

[0092] Система и способ по настоящему изобретению реализованы посредством компьютерного программного обеспечения, которое разрешает доступ к данным из электронного источника информации. В соответствии с настоящим изобретением программное обеспечение и информация могут находиться в одном отдельно размещенном устройстве обработки или в центральном устройстве обработки, объединенном в сеть с группой других устройств обработки. Информация может быть сохранена на чипе, жестком диске компьютера, на диске CD-ROM или на любом другом подходящем устройстве хранения данных.[0092] The system and method of the present invention is implemented by computer software that allows access to data from an electronic information source. In accordance with the present invention, the software and information may reside in a single stand-alone processing device or in a central processing device networked with a group of other processing devices. The information may be stored on a chip, a computer hard drive, a CD-ROM disk, or any other suitable storage device.

[0093] В рамках данного описания термины «по существу» и «относительно» означают плюс или минус 20%, более предпочтительно плюс или минус 10%, еще более предпочтительно плюс или минус 5%, наиболее предпочтительно плюс или минус 2%. Кроме того, хотя в определенных вариантах реализации изобретения могут быть предусмотрены конкретные размеры и формы, они просто иллюстрируют объем изобретения и не ограничивают его. Таким образом, можно использовать другие размеры и/или формы, не выходя за пределы сущности и объема изобретения. Каждый из описанных выше взятых в качестве примера вариантов реализации может быть реализован отдельно, или в сочетании с другими взятыми в качестве примера вариантами реализации.[0093] As used herein, the terms "substantially" and "relatively" mean plus or minus 20%, more preferably plus or minus 10%, even more preferably plus or minus 5%, most preferably plus or minus 2%. In addition, although specific sizes and shapes may be provided in certain embodiments of the invention, they are merely illustrative of the scope of the invention and do not limit it. Thus, other sizes and/or shapes can be used without departing from the spirit and scope of the invention. Each of the exemplary embodiments described above may be implemented alone, or in combination with other exemplary embodiments.

[0094] Вышеприведенное описание и чертежи следует рассматривать лишь как иллюстрирующие принципы настоящего изобретения. Изобретение может быть выполнено в различных формах и размерах и не предназначено для ограничения предпочтительным вариантом реализации. Специалистам в данной области техники будут легко доступны многочисленные применения изобретения. Таким образом, нежелательно ограничивать настоящее изобретение конкретными раскрытыми примерами или показанными и описанными точной конструкцией и работой. Скорее, ко всем подходящим модификациям и эквивалентам можно прибегать, попадая в объем изобретения.[0094] The above description and drawings should be considered only as illustrating the principles of the present invention. The invention can be made in various shapes and sizes and is not intended to be limited to the preferred embodiment. Numerous applications of the invention will be readily available to those skilled in the art. Thus, it is not desirable to limit the present invention to the specific examples disclosed or to the exact construction and operation shown and described. Rather, all suitable modifications and equivalents may be resorted to while falling within the scope of the invention.

Claims

1. An antenna system, comprising:

a phased array having a plurality of lens sets, each of which contains:

many non-spherical lenses;

a plurality of irradiating elements centered with a respective lens of said plurality of lenses and configured to transmit/receive a signal through said respective lens of said plurality of lenses in a desired direction; and

a selection device connected to each of the specified plurality of irradiating elements of the specified plurality of lens sets for dynamic selection of a subset of the specified plurality of irradiating elements for transmitting/receiving a signal through the specified non-spherical lens,

moreover, the lens sets are not identical in geometry, dielectric profiles, or combinations thereof.

2. The antenna system of claim 1, wherein said selector coherently combines/separates signals from said subset of said plurality of irradiating elements to generate a first beam signal from said phased array as a whole.

3. The antenna system of claim 2, wherein said subset of said plurality of irradiating elements comprises a first subset that transmits/receives a first beam signal from/to said phased array as a whole, and also wherein said selector dynamically selects a second subset of said plurality of irradiating elements for transmitting/receiving a second beam signal from said phased array/to said phased array as a whole.

4. Antenna system according to claim 1,

further comprising a lens array circuitry and/or one or more processing devices for adjusting the built-in radiation patterns of each of the plurality of lens arrays.

5. The antenna system according to claim 4, in which

the lens array circuitry and/or one or more processing devices are configured to direct the signal of one or more embedded lens array patterns using electrical, mechanical, or electromechanical methods.

6. Antenna system according to claim 1,

wherein the plurality of lenses comprises a dielectric lens, a metamaterial lens, a metasurface lens, or a combination thereof.

7. The antenna system according to claim 6, in which

lenses are uniform.

8. The antenna system according to claim 6, in which

the lenses are non-uniform to improve overall performance compared to a homogeneous lens.

9. Antenna system according to claim 1,

additionally containing at least one actuator for moving each of the specified at least one irradiating element relative to the lens to ensure the required direction of the signal.

10. The antenna system according to claim 9, in which

the actuator is configured to move each of said at least one irradiating element between a first position having a first desired signal direction and a second position having a second desired signal direction.

11. The antenna system according to claim 1, in which

a plurality of lens sets are arranged in a non-uniform tiling configuration.

12. The antenna system according to claim 11, in which

the mosaic configuration of the plurality of lens elements is configured to improve the radiation pattern of the antenna over a wide field of view and/or frequency range.

13. Antenna system according to claim 12,

further comprising an antenna circuit and/or one or more processing devices configured to adjust the antenna pattern.

14. The antenna system according to claim 1, in which

the plurality of lens array circuits and/or one or more processors and the antenna circuit and/or one or more processors are configured to process signals at radio frequency, intermediate frequency, or baseband frequency.

15. The antenna system according to claim 13, in which

the antenna circuit and/or one or more processing devices comprise one or more phase or time shifters connected to said plurality of lens sets to form an analog beamforming system via phase shift or time delay signals communicated to said plurality of lens sets.

16. The antenna system according to claim 13, in which

the antenna circuitry and/or one or more processing devices comprise one or more digital signal processors co-configured as a digital beamforming system through sampling, A/D conversion, and D/A conversion.

17. The antenna system of claim 1, wherein said subset of said plurality of irradiating elements comprises a single corresponding irradiating element from each of said plurality of lens sets.

18. The antenna system of claim 1, wherein said non-spherical lens has a substantially flat inner surface, said plurality of irradiating elements being linearly aligned with the substantially flat surface of said non-spherical lens.