RU2801123C2 - Phased array gain decay correction for a mechanically driven hybrid lens antenna - Google Patents
Phased array gain decay correction for a mechanically driven hybrid lens antenna Download PDFInfo
- Publication number
- RU2801123C2 RU2801123C2 RU2021133437A RU2021133437A RU2801123C2 RU 2801123 C2 RU2801123 C2 RU 2801123C2 RU 2021133437 A RU2021133437 A RU 2021133437A RU 2021133437 A RU2021133437 A RU 2021133437A RU 2801123 C2 RU2801123 C2 RU 2801123C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- lens
- azimuth
- primary
- array
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Настоящее изобретение относится к способам и системам коррекции спада коэффициента усиления при сканировании в фазированной решетке гибридной линзовой антенны с механическим приводом для спутниковой или наземной связи. Изобретение, в частности, касается способов и систем компоновки линзовых элементов с различными вариантами наклона и вращения. The present invention relates to methods and systems for correcting gain rolloff in a phased array scan of a powered hybrid lens antenna for satellite or terrestrial communications. The invention particularly relates to methods and systems for arranging lens elements with various tilt and rotation options.
Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for the creation of the invention
Недостатком решеток, состоящих из практически плоских элементов, является снижение коэффициента усиления в процессе сканирования по углу места, главным образом, из-за уменьшения проецируемой площади апертуры антенны в направлении сканирования. В шарнирно закрепленной параболической антенне и шарнирно закрепленных антеннах на плоских панелях этот недостаток преодолевается за счет двумерного механического перемещения, обеспечивающего непрерывное наведение всей антенны в сторону необходимого сканирования. Эти шарнирные решения обусловливают очень большую высоту входа, что в определенных случаях может представлять собой проблему или быть нежелательным.The disadvantage of arrays consisting of almost flat elements is the decrease in gain during scanning in elevation, mainly due to a decrease in the projected area of the antenna aperture in the scanning direction. In the articulated parabolic antenna and articulated flat panel antennas, this disadvantage is overcome by two-dimensional mechanical movement, which ensures that the entire antenna is continuously pointed in the direction of the desired scan. These hinged solutions result in a very high entry height, which in certain cases can be problematic or undesirable.
Панель с фазированной антенной решеткой, предполагающая возможность электронно управляемого перемещения вдоль одной оси, может вращаться, функционируя как антенна с охватом по всем азимутальным углам в достижимом диапазоне сканирования по высоте. Таким образом, ось сканирования по азимуту контролируется механически, а ось сканирования по высоте — электрически. Это уменьшает высоту устройства с двойным шарнирным креплением, но приводит к потерям при сканировании по дальним углам сканирования по высоте. Диапазон сканирования по высоте можно увеличить (или уменьшить потери при сканировании / увеличить коэффициент усиления по дальнему сканированию) за счет наклона панели к горизонту в той же плоскости, что и ось сканирования по высоте. Это увеличивает высоту, но уменьшает эффективный угол сканирования по высоте при наведении на цели вблизи горизонта. The phased array antenna panel, which allows electronically controlled movement along one axis, can rotate, functioning as an antenna covering all azimuth angles in the achievable vertical scanning range. Thus, the azimuth scan axis is controlled mechanically, and the vertical scan axis is electrically controlled. This reduces the height of the dual articulation device, but results in scan losses at the far corners of the height scan. The vertical scanning range can be increased (or reduced scanning loss / increased far scanning gain) by tilting the panel to the horizon in the same plane as the vertical scanning axis. This increases the altitude, but reduces the effective vertical scanning angle when aiming at targets near the horizon.
Одноосная панель на электрическом управлении гораздо проще и дешевле полной двумерной сканирующей фазированной антенной решетки, но имеет узкую азимутальную ширину луча, что предъявляет высокие требования к точности наведения и времени отклика при использовании механических приводов. A single-axis electrically operated panel is much simpler and cheaper than a full 2D scanning phased array antenna, but has a narrow azimuth beamwidth, which places high demands on pointing accuracy and response time when using mechanical drives.
Фазированные антенные решетки из электрически перенастраиваемых модулей радиочастотных линз имеют ряд преимуществ по энергопотреблению и количеству элементов перед обычными фазированными решетками, используемыми в системах спутниковой связи, радарах и для других целей. Например, патент США № 10,116,051, выданный на имя Scarborough et al., раскрывает антенную систему, которая включает в себя множество наборов линз. Каждый набор линз включает в себя линзу и по меньшей мере один питающий элемент. По меньшей мере один питающей элемент выровнен с линзой и выполнен с возможностью направления сигнала через линзы в желаемом направлении.Phased array antennas made of electrically tunable RF lens modules have a number of advantages in terms of power consumption and the number of elements over conventional phased arrays used in satellite communication systems, radars and for other purposes. For example, US Pat. No. 10,116,051 to Scarborough et al. discloses an antenna system that includes a plurality of lens arrays. Each set of lenses includes a lens and at least one power element. At least one feed element is aligned with the lens and configured to direct the signal through the lens in the desired direction.
Документ JP H10 178313 раскрывает антенную решетку, которая сканирует лучом по высоте и в горизонтальных направлениях посредством использования приводных механизмов по высоте и в горизонтальном направлении. Множество рупорных антенн расположены на одной стороне так, что направление излучения радиоволн направлено наклонно относительно перпендикулярного направления. Таким образом, радиоволна изучается посредством использования распределителя, распределяющего мощность сигнала передачи от передатчика, и фазовращателей, регулирующих фазы возбуждения. Механизм привода элементов антенны используется для сканирования лучом в направлении по высоте посредством поворотного привода. Альтернативно, фазовращатели используются для изменения фаз сигналов приема-передачи для сканирования лучом в электронном режиме в направлении по высоте без использования механизма привода элементов антенны.JP H10 178313 discloses an antenna array that scans the beam in height and horizontal directions by using height and horizontal drive mechanisms. A plurality of horn antennas are disposed on one side such that the direction of radio wave emission is oblique with respect to the perpendicular direction. Thus, the radio wave is studied by using a distributor that distributes the power of the transmission signal from the transmitter, and phase shifters that regulate the phases of the excitation. The antenna element drive mechanism is used to scan the beam in the vertical direction by means of a rotary drive. Alternatively, phase shifters are used to change the phases of the transmit/receive signals for scanning the beam electronically in the vertical direction without using the antenna element drive mechanism.
Документ US 2018/115087 A1 раскрывает фазированную антенную решетку, которая включает в себя множество антенн и базовый кристалл. Антенны расположены во множестве антенных рядов. По меньшей мере один антенный ряд во множестве антенных рядов выполнен с возможностью наклоняться под желаемым углом на основе сигналов, принимаемых от базового кристалла. Дополнительно, фазированная антенная решетка может включать в себя множество линз в форме ряда. По меньшей мере одна линза в форме ряда имеет соответствующий антенный ряд и выполнена с возможностью увеличения коэффициента усиления соответствующего антенного ряда. Линза в форме ряда может увеличивать общий коэффициент усиления фазированной антенной решетки. Линза в форме ряда выполнена с возможностью наклоняться под желаемым углом на основе сигналов, принимаемых от базового кристалла.US 2018/115087 A1 discloses a phased array antenna that includes a plurality of antennas and a base chip. The antennas are arranged in a plurality of antenna rows. At least one antenna row in the plurality of antenna rows is configured to tilt at a desired angle based on signals received from the base chip. Additionally, the phased array antenna may include a plurality of lenses in a row shape. At least one row-shaped lens has a respective antenna row and is configured to increase the gain of the respective antenna row. The row-shaped lens can increase the overall gain of the phased array antenna. The row-shaped lens is configured to tilt to a desired angle based on signals received from the base chip.
Документ US 2007/216596 A1 раскрывает антенну, содержащую первую группу частично сферических диэлектрических линз, поддерживаемых на первой части проводящей заземляющей пластины, предназначенной для отражения сигналов, выходящих из линзы. Каждая из линз имеет ряд соответствующих переключаемых облучающих элементов антенны, расположенных вокруг периферии по меньшей мере одного сектора линзы для ввода сигналов в линзу и/или приема сигналов, распространяемых линзой. Каждая линза и связанные с ней облучающие элементы первой группы имеют различную ориентацию и могут использоваться для обеспечения покрытия в отношении другой области. Антенна также содержит вторую группу из одной или более сферических или частично сферических диэлектрических линз и связанных с ними переключаемых облучающих элементов антенны, ориентированных и работающих для обеспечения покрытия области, отличной от области, охватываемой линзами первой группы. Первая часть заземляющей пластины может быть по существу кольцеобразной и располагаться так, чтобы окружать похожую на колодец область антенны, в которой может быть размещена вторая группа из одной или более линз. US 2007/216596 A1 discloses an antenna comprising a first group of partially spherical dielectric lenses supported on a first portion of a conductive ground plane for reflecting signals emerging from the lens. Each of the lenses has a number of respective switchable irradiating antenna elements located around the periphery of at least one sector of the lens for inputting signals into the lens and/or receiving signals propagated by the lens. Each lens and its associated first group irradiating elements have a different orientation and can be used to provide coverage for a different area. The antenna also contains a second group of one or more spherical or partially spherical dielectric lenses and associated switchable irradiating antenna elements oriented and operating to provide coverage of an area different from the area covered by the lenses of the first group. The first portion of the ground plate may be substantially annular and positioned to surround a well-like area of the antenna in which a second group of one or more lenses may be placed.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Изобретение в целом касается антенной решетки с радиочастотными линзами, в которой используются наклонные элементы, наклонные подрешетки и/или определенный градус наклона механического сканирования по азимуту в отношении всех или подмножества линзовых элементов. Дополнительное механическое вращение позволяет уменьшить необходимый диапазон сканирования, а следовательно — и число облучателей для каждого линзового элемента. Сканирование по азимуту, которое обеспечивается механическим вращением, также позволяет использовать различные конфигурации наклонных элементов и наклонных антенных решеток. Наклон отдельных линзовых элементов и/или наклон антенных решеток обеспечивает увеличение коэффициента усиления при сканировании в сравнении со стандартной плоской фазированной антенной решеткой, сохраняя при этом низкую высоту входа в отличие от шарнирно закрепленных антенн. The invention generally relates to an antenna array with RF lenses using tilted elements, tilted sub-arrays and/or a certain degree of mechanical scanning tilt in azimuth with respect to all or a subset of the lens elements. Additional mechanical rotation reduces the required scanning range, and hence the number of feeds for each lens element. Azimuth scanning, which is provided by mechanical rotation, also allows the use of various configurations of tilted elements and tilted antenna arrays. The tilt of the individual lens elements and/or the tilt of the antenna arrays provides an increase in scan gain over a standard flat phased array antenna, while maintaining a low entry height compared to articulated antennas.
В самом простом случае плоская антенная решетка, состоящая из множества линзовых модулей, вращается механически. Эта конфигурация позволяет существенно уменьшить диапазон сканирования, а следовательно — и необходимое число облучателей для каждого линзового элемента. Сами элементы преимущественно обеспечивают сканирование по высоте с ограниченным диапазоном сканирования по азимуту. Основное сканирование по азимуту обеспечивается за счет механического вращения. В отличие от стандартной фазированной антенной решетки, предназначенной для одноосного сканирования, линзовая антенная решетка поддерживает возможность двумерного сканирования с определенным градусом в пределах ширины луча структуры линзовых элементов (обычно это 5-15 градусов). Благодаря этому антенна может электрически сканировать (к примеру) в пределах любого конуса +/- 5 градусов, включающего все точки на линии между 0 и 65 градусами, параллельной оси с азимутом=0 градусов по отношению к самой панели.In the simplest case, a flat antenna array consisting of a plurality of lens modules rotates mechanically. This configuration makes it possible to significantly reduce the scanning range and, consequently, the required number of irradiators for each lens element. The elements themselves predominantly provide vertical scanning with a limited range of azimuth scanning. The main scanning in azimuth is provided by mechanical rotation. Unlike a standard phased array antenna designed for single-axis scanning, a lens array antenna supports 2D scanning at a certain degree within the beamwidth of the lens element structure (typically 5-15 degrees). This allows the antenna to electrically scan (for example) within any +/- 5 degree cone including all points on a line between 0 and 65 degrees parallel to the 0 degree azimuth axis with respect to the panel itself.
Чтобы увеличить коэффициент усиления при сканировании в случае использования описанной выше конфигурации, антенную решетку можно наклонить к горизонту в пределах заданного азимутального угла. Это обеспечивает увеличение проецируемой площади антенной решетки в направлении сканирования, тем самым увеличивая коэффициент усиления при сканировании.To increase the scanning gain in the case of using the configuration described above, the antenna array can be tilted to the horizon within a given azimuth angle. This provides an increase in the projected area of the antenna array in the scanning direction, thereby increasing the scanning gain.
В качестве альтернативного варианта, или в сочетании с описанной наклонной антенной решеткой, каждый элемент в антенной решетке может быть наклонен в сторону заданного азимутального угла. Эта конфигурация уменьшает требование по сканированию в отношении каждого линзового элемента, тем самым повышая коэффициент усиления всей структуры элементов при дальних углах сканирования.Alternatively, or in combination with the tilted antenna array described, each element in the antenna array can be tilted towards a predetermined azimuth angle. This configuration reduces the scanning requirement for each lens element, thereby increasing the gain of the entire element structure at far scanning angles.
Другая конфигурация предполагает наличие двух дискретных линзовых антенных решеток: первичной антенной решетки и вторичной антенной решетки. В каждой решетке можно настроить различные комбинации наклона решетки, наклона линз и механического вращения, чтобы нацелить сканирование на различные угловые области. Another configuration involves two discrete lens arrays: a primary antenna array and a secondary antenna array. Each grating can be configured with various combinations of grating tilt, lens tilt, and mechanical rotation to target scans at different angles.
В одной комбинации первичная антенная решетка имеет плоские элементы, сканирующие как по азимуту, так и по высоте. Вторичная решетка линз окружает первичную решетку, и линзы наклонены от центра антенны, дополняя усиление при дальних углах сканирования (более 60 градусов). Ни в одной из решеток не используется механическое движение. In one combination, the primary antenna array has planar elements that scan in both azimuth and elevation. A secondary lens array surrounds the primary array and the lenses are tilted away from the center of the antenna, adding to the gain at far scanning angles (greater than 60 degrees). None of the gratings uses mechanical movement.
В другой комбинации описанной антенны используется механическое движение как первичной, так и вторичной антенной решетки. Первичная антенная решетка может иметь плоские элементы, наклонные элементы или наклонную антенную решетку. Вторичная антенная решетка расположена по периметру половины первичной решетки, а ее элементы направлены под тем же азимутальным углом. Каждый элемент вторичной антенной решетки дает дополнительное увеличение коэффициента усиления под заданным азимутальным углом, тогда как механическое вращение первичной и вторичной решеток обеспечивает сканирование по азимуту. Число облучателей для первичной и вторичной решеток можно сократить до одной линии облучателей или еще меньшего количества, чтобы каждый элемент сканировал преимущественно по высоте, тогда как механическое вращение обеспечивало сканирование по азимуту.Another combination of the described antenna utilizes the mechanical movement of both the primary and secondary antenna arrays. The primary antenna array may have flat elements, inclined elements, or an inclined antenna array. The secondary antenna array is located along the perimeter of half of the primary array, and its elements are directed at the same azimuthal angle. Each element of the secondary antenna array gives an additional increase in gain at a given azimuth angle, while mechanical rotation of the primary and secondary arrays provides scanning in azimuth. The number of feeds for the primary and secondary arrays can be reduced to one line of feeds or even fewer, so that each element scans primarily in height, while mechanical rotation provides scanning in azimuth.
Еще одна комбинация предполагает наклон каждой отдельной линзы под разными независимыми углами. Различный наклон обеспечивает уменьшение дифракционных лепестков в силу отсутствия единой согласованной структуры элементов, а следовательно — создает усиливающую интерференцию.Another combination involves tilting each individual lens at different independent angles. A different slope provides a decrease in diffraction lobes due to the lack of a single coordinated structure of the elements, and therefore creates amplifying interference.
Во всех описанных случаях сигналы передачи и приема от первичной и вторичной антенных решеток объединяются в единый луч.In all the cases described, the transmission and reception signals from the primary and secondary antenna arrays are combined into a single beam.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Прилагаемые чертежи включены в настоящее описание изобретения и являются его неотъемлемой частью. Следует понимать, что на чертежах представлены лишь некоторые примеры осуществления изобретения, и другие примеры или комбинации различных примеров, конкретно не представленные на этих фигурах, могут тоже попадать в объем настоящего раскрытия. Ниже приводится более подробное описание примеров с использованием чертежей, а именно:The accompanying drawings are included in the present description of the invention and are an integral part of it. It should be understood that the drawings represent only some examples of the invention, and other examples or combinations of various examples not specifically shown in these figures may also fall within the scope of the present disclosure. The following is a more detailed description of examples using drawings, namely:
На ФИГ. 1(a)–1(c) показана гибридная линзовая антенная решетка с механическим приводом, состоящая из множества линзовых модулей внутри обтекателя и корпуса, которые могут вращаться в азимутальном направлении, а также соответствующий график.FIG. 1(a) to 1(c) show a mechanically powered hybrid lens array consisting of multiple lens modules inside a radome and housing that can rotate in the azimuth direction, and the corresponding graph.
На ФИГ. 2 показан отдельный линзовый модуль, включающий радиочастотную линзу, облучатели, панель питания и монтажную конструкцию. FIG. 2 shows a single lens module including the RF lens, illuminators, power panel, and mounting structure.
На ФИГ. 3(a)–3(h) показано несколько вариантов компоновки облучателей для линзового модуля с соответствующими диаграммами сканирования, а также показано влияние на доступный диапазон сканирования для отдельной линзы, где на ФИГ. 3(a), (c), (e) представлен вид сверху, а на ФИГ. 3(g) — вид в перспективе.FIG. 3(a)-3(h) show several lens module feed arrangements with associated scan patterns, and show the effect on available scan range for a single lens, where FIG. 3(a), (c), (e) is a top view, and FIG. 3(g) is a perspective view.
На ФИГ. 4(a)–(c) показана модифицированная гибридная линзовая первичная антенная решетка с механическим приводом, дополненная вторичной антенной решеткой («юбкой»), состоящей из линзовых элементов, наклоненных к горизонту для большей сканирующей способности антенны, а также соответствующий график.FIG. 4(a)-(c) show a modified mechanically driven hybrid lens primary antenna array complemented by a secondary antenna array ("skirt") consisting of lens elements tilted to the horizon for greater antenna scanning power, and the corresponding graph.
На ФИГ. 5(a)–(l) показаны варианты гибридных линзовых антенных решеток с механическим приводом, в которых применены различные способы и комбинации наклона линзовых модулей первичной и вторичной антенных решеток, а также соответствующие графики. FIG. 5(a)-(l) show embodiments of mechanically driven hybrid lens arrays using various methods and combinations of primary and secondary lens array tilts, as well as corresponding graphs.
На ФИГ. 6(a)–(c) показана гибридная линзовая антенная решетка с механическим приводом, включающая первичную антенную решетку и две вторичные решетки, наведенные в противоположных направлениях для обеспечения дополнительного избирательного усиления с любой стороны антенной решетки и увеличения эксплуатационной гибкости, а также соответствующий график.FIG. 6(a)-(c) show a power-driven hybrid lens array including a primary antenna array and two secondary arrays pointed in opposite directions to provide additional selective gain on either side of the antenna array and increase operational flexibility, and the related graph.
На ФИГ. 7(a)–7(c) показан эффект юбки из линз, добавленной вокруг плоской антенной решетки, при отсутствии механического вращения, а также соответствующий график.FIG. Figures 7(a)-7(c) show the effect of a lens skirt added around a flat antenna array in the absence of mechanical rotation, and the corresponding graph.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Настоящее изобретение касается конкретных конструктивных дополнений к антенне с линзовой решеткой (таких как, например, плоская линзовая решетка согласно патенту США № 10,116,051), предполагающих упрощение конструкции, снижение стоимости и увеличение конструктивной гибкости для повышения коэффициента усиления за счет сочетания направленного и сканирующего действия антенны. Содержание патента ’051 включено в настоящий документ в полном объеме посредством ссылки.The present invention relates to specific design additions to a lens array antenna (such as, for example, the flat lens array of US Pat. No. 10,116,051) to simplify design, reduce cost, and increase design flexibility to increase gain through a combination of directional and scanning antenna action. The contents of the '051 patent are incorporated herein in their entirety by reference.
Что касается ФИГ. 1(a) и 1(b), на них изображено базовое гибридное антенное устройство 101, имеющее линзовую антенную решетку с механическим приводом (вид сбоку на ФИГ. 1(a), вид сверху на ФИГ. 1(b)). Данная антенна называется гибридной, поскольку для наведения лучей по всему полю обзора в ней используется комбинация электрического формирования луча и механического управления. Антенна 101 состоит из практически плоской линзовой антенной решетки 120, корпуса 105, платформы вращения 109 и привода вращения 107. Линзовая антенная решетка 120 состоит из множества линзовых модулей 121 (далее в некоторых случаях именуемых линзами), размещенных главным образом в одной плоскости друг с другом, так что антенная решетка 120 является практически плоской, т.е. состоящей из несферических линз, уложенных на плоскости. В одном из примеров осуществления линзовые модули 121 могут иметь плоскую нижнюю сторону и слегка искривленную или искривленную верхнюю сторону, однако за счет размера каждого отдельного линзового модуля составная верхняя поверхность всех линзовых модулей 121 является практически плоской. Что касается ФИГ. 1(b), линзовые модули 121 могут быть круглыми, хотя возможно использование любой подходящей формы, например, шестиугольной. Привод 107 вращает антенную решетку 120 вокруг вертикальной оси антенны 101, в результате чего антенна 101 может направлять лучи в любом азимутальном направлении с помощью линзовых модулей 121, которые могут сканировать лишь ограниченный сегмент азимутальной оси. Конструкция антенной решетки 120 может предусматривать возможность наклона под фиксированным углом с помощью платформы вращения 109 с одновременным вращением с помощью привода 107 при различном применении, и далее это будет обсуждаться более подробно применительно к ФИГ. 4–7. Может быть использован любой подходящий привод 107, например тот, что описан в публикации заявки на патент США № 2020/0091622, содержание которой в полном объеме включено в настоящий документ посредством ссылки. With regard to FIG. 1(a) and 1(b), they show a basic hybrid antenna device 101 having a mechanically driven lens array (side view in FIG. 1(a), top view in FIG. 1(b)). This antenna is called a hybrid because it uses a combination of electrical beamforming and mechanical steering to aim beams across the entire field of view. The antenna 101 is composed of a substantially flat lens array 120, a housing 105, a rotation platform 109, and a rotation driver 107. The lens array 120 is composed of a plurality of lens modules 121 (hereinafter referred to as lenses in some cases) arranged generally in the same plane with each other. , so that the antenna array 120 is substantially flat, i. e. consisting of non-spherical lenses laid on a plane. In one embodiment, lens modules 121 may have a flat bottom side and a slightly curved or curved top side, however, due to the size of each individual lens module, the composite top surface of all lens modules 121 is substantially flat. With regard to FIG. 1(b), lens modules 121 may be circular, although any suitable shape such as hexagonal may be used. Driver 107 rotates antenna array 120 about the vertical axis of antenna 101, whereby antenna 101 can direct beams in any azimuth direction with lens modules 121 that can only scan a limited segment of the azimuthal axis. The antenna array 120 may be designed to be tilted at a fixed angle by the rotation platform 109 while being rotated by the drive 107 in various applications, and this will be discussed in more detail with reference to FIG. 4–7. Any suitable actuator 107 may be used, such as that described in US Patent Application Publication No. 2020/0091622, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
Антенна 101 крепится на ровную поверхность базовой опорной платформы 103. К примеру, опорная платформа 103 может быть башней, кровлей здания или крышей автомобиля, катера, автобуса или другого транспортного средства, где может быть необходимо установить антенну. Платформа 103 может, но не обязательно должна быть горизонтальной, и в этом случае направление электрической оси и углы сканирования входа соответствуют ориентации платформы и конечной ориентации антенны 101. Антенное устройство 101 также включает корпус 105, механически поддерживающий остальную часть конструкции (но не являющийся радиопрозрачным), и радиопрозрачный обтекатель 111, прикрепленный к корпусу 105 с возможностью снятия, который защищает антенну от погодных условий и пропускает радиочастотные сигналы. Корпус 105 может быть напрямую соединен с платформой 103 с помощью болтов или других крепежных элементов. Корпус 105 и обтекатель 111 в совокупности дают закрытую или герметичную оболочку, содержащую в себе антенну (т.е. линзы 121, платформу 109 и привод 107), которая предотвращает воздействие влаги, пыли и мусора из окружающей среды на электротехнические и механические компоненты антенны. The antenna 101 is mounted on a flat surface of the base support platform 103. For example, the support platform 103 may be a tower, the roof of a building, or the roof of a car, boat, bus, or other vehicle where it may be necessary to mount the antenna. Platform 103 may, but need not, be horizontal, in which case the electrical axis direction and input scan angles correspond to the orientation of the platform and the final orientation of antenna 101. Antenna assembly 101 also includes a housing 105 mechanically supporting the rest of the structure (but not being radio-transparent) , and a radio-transparent radome 111, attached to the housing 105 with the possibility of removal, which protects the antenna from the weather and transmits radio frequency signals. The body 105 may be directly connected to the platform 103 using bolts or other fasteners. Housing 105 and radome 111 together provide a closed or sealed enclosure containing the antenna (i.e., lenses 121, platform 109, and driver 107) that prevents moisture, dust, and environmental debris from attacking the antenna's electrical and mechanical components.
Платформа вращения 109 может быть относительно тонкой и иметь плоскую верхнюю сторону и плоскую нижнюю сторону. Линзовая антенная решетка 120 крепится к верхней стороне платформы вращения 109 таким образом, чтобы нижняя плоская сторона линзовых модулей 121 соприкасалась с плоской верхней стороной платформы вращения 109 напрямую или опосредованно (то есть, линзовые модули 121 могут размещаться на плоской подложке и/или крепиться к ней). Привод вращения 107 имеет основание и соединитель, выступающий над основанием. В одном из примеров осуществления соединитель может поворачиваться и/или вращаться относительно основания. Соединитель имеет плоскую верхнюю сторону, жестко соединяющуюся с плоской нижней стороной платформы вращения 109. В другом примере осуществления соединитель может вращаться относительно основания, но не поворачиваться, а вместо этого платформа вращения 109 жестко соединяется с плоской верхней стороной соединителя под фиксированным или регулируемым углом.The rotation platform 109 may be relatively thin and have a flat top side and a flat bottom side. The lens array 120 is attached to the top side of the rotation platform 109 such that the bottom flat side of the lens modules 121 is directly or indirectly in contact with the flat top side of the rotation platform 109 (i.e., the lens modules 121 can be placed on and/or attached to a flat substrate). ). Rotary actuator 107 has a base and a connector protruding from the base. In one embodiment, the connector can pivot and/or rotate relative to the base. The connector has a flat top side that is rigidly connected to the flat bottom side of the rotation platform 109. In another embodiment, the connector can rotate relative to the base, but not rotate, and instead the rotation platform 109 is rigidly connected to the flat top side of the connector at a fixed or adjustable angle.
Таким образом, линзовые модули 121 антенной решетки 120 жестко закреплены на платформе вращения 109 и размещены в целом перпендикулярно плоскости платформы вращения 109 и опорной платформы 103. Лучи, передаваемые этими линзовыми модулями 121, также в целом перпендикулярны плоскости платформы вращения 109 и опорной платформы 103. Платформа вращения 109 жестко прикреплена к соединителю привода 107, а основа привода жестко прикреплена к нижней стороне корпуса 105. Привод вращения 107 прикрепляет платформу вращения 109, с возможностью поворота и/или вращения, к корпусу 105, который, в свою очередь, жестко прикреплен к опорной платформе 103. В частности, как показано стрелками на ФИГ. 1(b), платформа вращения 109 может вращаться в осевом направлении вокруг центральной оси антенны 101.Thus, the lens modules 121 of the antenna array 120 are rigidly fixed to the rotation platform 109 and are placed generally perpendicular to the plane of the rotation platform 109 and the support platform 103. The beams transmitted by these lens modules 121 are also generally perpendicular to the plane of the rotation platform 109 and the support platform 103. The rotation platform 109 is rigidly attached to the drive connector 107, and the drive base is rigidly attached to the underside of the housing 105. The rotation actuator 107 attaches the rotation platform 109, with the possibility of rotation and/or rotation, to the housing 105, which, in turn, is rigidly attached to support platform 103. In particular, as shown by the arrows in FIG. 1(b), the rotation platform 109 is axially rotatable about the central axis of the antenna 101.
На ФИГ. 1(c) показан профиль коэффициента усиления для угла сканирования θ (построенный в полярных координатах). Этот профиль сканирования показан при номинальном значении φ и будет одинаков для каждого угла φ (азимута), поскольку привод вращения 107 наводит антенную решетку 120 в различных направлениях. Это позволяет линзовым модулям антенной решетки использовать облучатели (см. ФИГ. 2(b, (c), обеспечивающие сканирование лишь по подмножеству азимутальных углов (т.е. линза не может сканировать в диапазоне 360 градусов, а лишь (например) +/- 90 градусов по азимуту (φ). Использование лишь достаточного количества облучателей для поддержки сканирования по ограниченному азимуту позволяет сократить и оптимизировать количество облучателей (а, следовательно, и стоимость), сохраняя при этом общий диапазон сканирования антенны за счет использования механического привода. Как показано на графиках, при данной компоновке линз самый высокий коэффициент усиления антенны находится по электрической оси (θ = 0 градусов) и равномерно снижается по мере приближения к максимальному применимому углу сканирования около 65-70 градусов. FIG. 1(c) shows the gain profile for scan angle θ (plotted in polar coordinates). This scan profile is shown at nominal φ and will be the same for each angle φ (azimuth) as rotational drive 107 points antenna array 120 in different directions. This allows the antenna array lens modules to use feeds (see FIG. 2(b, (c)) that only scan a subset of azimuth angles (i.e., the lens cannot scan 360 degrees, but only (for example) +/- 90 degrees in azimuth ( φ ) Using only enough feeds to support limited azimuth scanning can reduce and optimize the number of feeds (and therefore cost) while maintaining the overall scan range of the antenna through the use of a mechanical drive. graphs, with a given lens arrangement, the highest antenna gain is on the electrical axis ( θ = 0 degrees) and decreases steadily as it approaches the maximum usable scan angle of about 65-70 degrees.
Как и у большинства антенн с электрическим управлением, обычно наблюдается падение коэффициента усиления на 6–10 дБ в диапазоне между электрической осью и 70 градусами. Снижение коэффициента усиления при сканировании является результатом уменьшения эффективной площади апертуры (проецируемая площадь антенной решетки 120 при угле 70 градусов меньше проецируемой площади при меньших углах сканирования). Снижение коэффициента усиления свидетельствует о более низкой силе сигналов, полученных при сканировании под углом, по сравнению с сигналами по электрической оси. Это общая логика работы соответствует ожидаемой логике работы всех антенн с управляемым положением луча и не является уникальной для данной антенны. As with most electrically controlled antennas, there is typically a 6 to 10 dB gain drop between the electrical axis and 70 degrees. The reduction in scan gain is the result of a reduction in the effective aperture area (the projected area of the 120 antenna array at 70 degrees is smaller than the projected area at smaller scan angles). The decrease in the gain indicates a lower strength of the signals obtained when scanning at an angle, compared with the signals along the electrical axis. This general operating logic is consistent with the expected operating logic of all beam steering antennas and is not unique to a given antenna.
Что касается ФИГ. 2, каждый из линзовых модулей 121 имеет радиочастотную линзу 201, панель питания 203, множество облучателей 205 и монтажную конструкцию 207, с помощью которой модуль 121 прикрепляется к платформе вращения 109. Показано, что линза 201 имеет круглый контур, а облучатели расположены близко к линзе, однако объем настоящего раскрытия может предусматривает любую подходящую форму контура и расположение облучателей. Например, могут применяться различные контуры и отличные от нуля расстояния между линзой 201 и панелью питания. With regard to FIG. 2, each of the lens modules 121 has an RF lens 201, a power panel 203, a plurality of feeds 205, and a mounting structure 207 by which the module 121 is attached to the rotation platform 109. The lens 201 is shown to have a circular contour and the feeds are close to the lens. , however, the scope of this disclosure may include any suitable contour shape and arrangement of irradiators. For example, different contours and non-zero distances between the lens 201 and the power panel may be applied.
Что касается ФИГ. 3, на нем показаны различные примеры конфигурации и компоновки облучателей 105, которые могут использоваться в антенне с линзовой решеткой 101. В отдельной линзовой антенне (например, линзовом модуле 121 линзовой решетки 120) или отражающей антенне расположение и количество облучателей определяют диапазон углов, под которыми может быть направлен сформированный луч антенны. Например, стандартная отражающая антенна с одним облучателем, закрепленным в фокусе параболического отражателя, может сформировать один луч, перпендикулярный отражателю. Аналогичным образом, линзовый модуль 121 с одним облучателем в центре фокальной области может сформировать луч, перпендикулярный линзе. Вместе с тем, смещение такого облучателя в сторону в пределах фокальной области приводит к смещению луча под углом к θ/φ относительно координат x/y положения облучателя в пределах фокальной области. Добавление нескольких облучателей в пределах фокальной области линзы позволяет выбирать определенный облучатель в режиме реального времени для формирования луча в требуемом направлении, а также объединять сигналы от смежных облучателей с целью точной настройки направления и свойств луча. Обсуждаемые далее ФИГ. 3(b), (d), (f) и (h) представляют собой горизонтальные проекции пространства θ/φ, иллюстрирующие доступные углы сканирования соответствующей конфигурации облучателей. With regard to FIG. 3, it shows various examples of the configuration and arrangement of feeds 105 that can be used in a lens array antenna 101. In a single lens antenna (e.g., lens module 121 of lens array 120) or a reflector antenna, the location and number of feeds determine the range of angles at which the shaped antenna beam can be directed. For example, a standard reflector antenna with a single feed fixed at the focus of a parabolic reflector can form a single beam perpendicular to the reflector. Similarly, a lens module 121 with a single feed at the center of the focal region can form a beam perpendicular to the lens. However, the displacement of such feed to the side within the focal region leads to a displacement of the beam at an angle to θ/φ relative to the x/y coordinates of the position of the feed within the focal region. Adding multiple feeds within the focal area of a lens allows you to select a specific feed in real time to shape the beam in the desired direction, as well as combine signals from adjacent feeds to fine-tune the direction and properties of the beam. FIGS. 3(b), (d), (f) and (h) are horizontal projections of the θ/φ space illustrating the available scan angles of the corresponding feed configuration.
На ФИГ. 3(а) показано, что заполнение всей фокальной области 303 линзы позволяет направить луч в любом направлении в пределах поля обзора линзы. Как показано, вся круглая фокальная область 303 на панели питания 301 заполнена облучателями. Доступный диапазон сканирования и относительный коэффициент усиления 303 линзового модуля 121a, использующего панель питания 301, показаны на ФИГ. 3(b), где диаграмма θ/φ заштрихована для всех сочетаний θ/φ, куда линза может направить луч, при этом штриховка темнее там, где сигнал самый сильный. Наиболее сильный сигнал наблюдается по электрической оси (центр ФИГ. 3b), поскольку коэффициент усиления линзы максимальный при нулевом угле сканирования (θ=0°). FIG. 3(a) shows that filling the entire focal region 303 of the lens allows the beam to be directed in any direction within the field of view of the lens. As shown, the entire circular focal area 303 on the power panel 301 is filled with irradiators. The available scan range and relative gain 303 of the lens module 121a using the power panel 301 are shown in FIG. 3(b), where the θ/φ plot is shaded for all combinations of θ/φ where the lens can direct the beam, with the shading darker where the signal is strongest. The strongest signal is observed along the electrical axis (center of FIG. 3b), since the lens gain is maximum at zero scanning angle ( θ =0°).
Во всех случаях облучатели образуют правильную или в целом равномерную (шестиугольную или прямолинейную) сетку, в которой расстояние между облучателями зависит от свойств линзы и в целом (но не исключительно) составляет примерно половину длины волны при рабочей частоте антенны, что обеспечивает оптимальную сканирующую способность и разрешающую способность сформированных лучей. In all cases, the feeds form a regular or generally uniform (hexagonal or rectilinear) grid, in which the distance between the feeds depends on the properties of the lens and is generally (but not exclusively) about half the wavelength at the operating frequency of the antenna, which provides optimal scanning performance and resolution of the generated beams.
Примеры широких классов альтернативной компоновки облучателей, предполагающей уменьшение количества облучателей и стоимости в сравнении с ФИГ. 3(a) с целью уменьшения диапазона охвата при угловом сканировании, показаны на ФИГ. 3(c), (e) и (g), а их соответствующие диапазоны углового сканирования — на ФИГ. 3(d), (f) и (h). Examples of broad classes of alternative irradiator arrangements that reduce the number of irradiators and cost compared to FIG. 3(a) in order to reduce the range of coverage in angular scanning, are shown in FIG. 3(c), (e) and (g) and their respective angular scan ranges in FIG. 3(d), (f) and (h).
Что касается ФИГ. 3(c), в линзовом модуле 121b с панелью питания 311 примерно половина фокальной области 303 заполнена облучателями 205, что дает преимущество в виде более низкой стоимости (в силу уменьшения количества схем питания, необходимых для обеспечения работы уменьшенного количества облучателей) в сравнении с линзовым модулем 121a. В частности, облучатели 205 размещены в верхней половине пластины питания 301 в форме полукруга. Такая конфигурация дает диапазон сканирования 313, покрывающий практически всю верхнюю полусферу, а также небольшую часть нижней полусферы. Этот линзовый модуль 121b не может сканировать пространство φ (ограниченное, как показано, с возможностью электрического сканирования лишь диапазона -90° <= φ <= 90°), кроме как за счет добавления механического вращения в азимутальной плоскости с помощью привода вращения 107 под всей антенной решеткой. Тем не менее, возможность двумерного электронного сканирования в верхней полусфере, как показано, значительно снижает требования к скорости и точности сканирования при использовании механического привода 107. With regard to FIG. 3(c), in lens module 121b with power panel 311, approximately half of focal region 303 is filled with feeds 205, which has the advantage of lower cost (due to fewer power circuits needed to operate the reduced number of feeds) compared to a lens module. module 121a. In particular, the irradiators 205 are placed in the upper half of the power plate 301 in a semi-circular shape. This configuration results in a scan range of 313 covering substantially the entire upper hemisphere as well as a small portion of the lower hemisphere. This lens module 121b cannot scan φ space (limited, as shown, to electrically scan only a range of -90° <= φ <= 90°), except by adding mechanical rotation in the azimuthal plane with a rotation drive 107 under the entire antenna array. However, the possibility of two-dimensional electronic scanning in the upper hemisphere, as shown, significantly reduces the requirements for scanning speed and accuracy when using a mechanical drive 107.
В этом случае привод 107 может вращать линзы 121b, отслеживая перемещение цели, достаточное для того, чтобы удерживать желаемую цель луча внутри доступной области 313, вместо необходимости отслеживать спутник-цель или коммуникационную цель с точностью до 0,2 градуса, как это требовалось бы в случае обычной шарнирно закрепленной антенны, используемой в системах спутниковой связи. Даже при существенной (> 1–5 градусов) ошибке наведения, обусловленной использованием механического привода, антенна в целом обеспечит требуемую точность и быстрое время отклика при сканировании за счет электронного сканирования, а также доступ ко всему диапазону углов φ за счет вращения, поддерживаемого приводом 107. Полнофункциональные антенные устройства 101, в конструкции которых используется этот модуль 121b, могут поддерживать несколько лучей, идущих к различным спутникам, так как механическое вращение антенной решетки 120, содержащей модули 121b, необходимо только лишь для того, чтобы направить центр области охвата к средней точке двух или большего количества спутников. Эта конфигурация может обеспечивать одновременное обращение к любым двум спутникам и многим комбинациям из трех или большего количества спутников (особенно геосинхронных спутников, которые всегда будут только к северу или только к югу от антенны). In this case, actuator 107 may rotate lenses 121b to track target movement sufficient to keep the desired beam target within accessible area 313, rather than having to track a target satellite or communications target to within 0.2 degrees as would be required in in the case of a conventional articulated antenna used in satellite communication systems. Even with a significant (> 1-5 degrees) pointing error due to the use of a mechanical drive, the antenna as a whole will provide the required accuracy and fast response time when scanning through electronic scanning, as well as access to the entire range of angles φ due to the rotation supported by the drive 107 Fully functional antenna devices 101 using this module 121b can support multiple beams to different satellites since the mechanical rotation of the antenna array 120 containing the modules 121b is only necessary to direct the center of the coverage area to the midpoint two or more satellites. This configuration can provide simultaneous access to any two satellites and many combinations of three or more satellites (especially geosynchronous satellites, which will always be just north or just south of the antenna).
Что касается ФИГ. 3(e), количество облучателей 205 может быть уменьшено еще более существенно, как показано на примере модуля 121c, использующего панель питания 321 лишь с одной линией облучателей, которая начинается у центра и идет до края фокальной области 303. Как показано на ФИГ. 3(F), в диапазоне охвата 323 эта конфигурация позволяет линзовому модулю 121c сканировать лишь в пределах узкого азимутального конуса (φ-ось) размером +/- 5–15 градусов (в зависимости от размера линзы относительно длины волны и других свойств), но по всему диапазону углов сканирования, обеспечиваемых линзой 201 и фокальной областью 303. В случае с этим линзовым модулем 121c наблюдается гораздо более сильная зависимость от азимута, чем в случае с модулем 121b, и разумно использовать лишь один луч для одной цели. Возможно формирование нескольких лучей, однако они должны находиться в +/- 5–15 градусах друг от друга в азимутальной плоскости, что было бы гораздо более ограничивающим условием. With regard to FIG. 3(e), the number of feeds 205 can be reduced even further, as illustrated by module 121c using power panel 321 with only one feed line that starts at the center and extends to the edge of focal region 303. As shown in FIG. 3(F), in a coverage range of 323, this configuration allows the lens module 121c to scan only within a narrow azimuthal cone ( φ -axis) of +/- 5 to 15 degrees (depending on lens size relative to wavelength and other properties), but over the entire range of scan angles provided by lens 201 and focal region 303. With this lens module 121c, there is a much stronger dependence on azimuth than with module 121b, and it is reasonable to use only one beam for one target. Multiple beams are possible, but they must be +/- 5 to 15 degrees apart in the azimuthal plane, which would be much more restrictive.
Возможен видоизмененный вариант модуля 121c (ФИГ. 3(e)), при котором линзовый модуль наклонен таким образом, что электрическая ось самой линзы направлена под отличным от нуля углом сканирования θ в угломестной плоскости относительно оси вращения и электрической оси антенны в целом. Если линзовый модуль 121d (ФИГ. 3(g)) направлен вниз к горизонту (или под любым углом θ больше 0 градусов, но обычно от 45 до 70 градусов), тогда линия облучателей 205 под линзой может быть смещена к центру фокальной области 303 и по-прежнему охватывать тот же диапазон углов. Преимущество наклона линзы и соответствующего смещения облучателей состоит в том, что линза работает в среднем при меньших углах сканирования θ, а значит — с большим коэффициентом усиления. То есть, облучатели 205 на панели питания 331 при наклонном линзовом модуле 121d находятся рядом друг с другом в центре фокальной области, не доходя до края фокальной области 303, а не располагаются от центра до края фокальной области, как в модуле 121c. Это смещает положение в угломестной плоскости, где линзовый модуль 121d дает наибольший коэффициент усиления. Как показано на диаграмме диапазона охвата 333, наибольший коэффициент усиления (наиболее темная штриховка) наблюдается частично в промежутке между 0 и θ max . Как будет более подробно обсуждаться далее применительно к ФИГ. 4–7, углом наклона линзы определяется угол структуры элементов, который дает максимальный коэффициент усиления. A modified version of the module 121c (FIG. 3(e)) is possible, in which the lens module is tilted so that the electrical axis of the lens itself is directed at a non-zero scanning angle θ in the elevation plane relative to the axis of rotation and the electrical axis of the antenna as a whole. If the lens module 121d (FIG. 3(g)) is directed downward towards the horizon (or at any angle θ greater than 0 degrees, but typically between 45 and 70 degrees), then the line of feeds 205 under the lens can be shifted to the center of the focal region 303 and still cover the same range of angles. The advantage of tilting the lens and the corresponding displacement of the feeds is that the lens operates on average at smaller scanning angles θ, and hence with a large gain. That is, the feeders 205 on the power panel 331 with the oblique lens module 121d are adjacent to each other at the center of the focal region, short of the edge of the focal region 303, rather than center to edge of the focal region as in the module 121c. This shifts the position in the elevation plane where the lens module 121d gives the greatest gain. As shown in the coverage range diagram 333, the highest gain (the darkest shading) occurs partly between 0 and θ max . As will be discussed in more detail below with respect to FIG. 4-7, the angle of the lens is determined by the angle of the structure of the elements, which gives the maximum gain.
Во всех этих случаях уменьшение количества облучателей 205 путем их выведения (к примеру) из линзовых модулей 121a для получения измененной конфигурации (такой как в линзах 121c) уменьшает диапазон сканирования линзового модуля 121, но напрямую не снижает и не влияет на коэффициент усиления линзового модуля в пределах оставшегося доступного диапазона сканирования. Поскольку облучатели активируются лишь тогда, когда антенна наведена в направлении, охватываемом облучателем, выведение облучателя просто означает невозможность активировать этот облучатель (то есть, антенна не может наводиться в направлениях, поддерживаемых этим облучателем), при этом остальные облучатели доступны для выбора и функционируют в нормальном режиме. Тогда в любом из случаев, где ограничивается диапазон сканирования в азимутальном направлении, требуется механическое вращение линзы, облучателей или всей антенной решетки (с помощью привода 107) для наведения лучей в любом направлении в пределах обычного диапазона сканирования линзы (например, чтобы сканировать в тех направлениях, для которых были выведены облучатели). Любое необходимое в этих случаях движение может осуществляться с помощью всего лишь одной оси вращательного движения с низким разрешением и относительно низкой точностью, приводимой в действие приводом вращения 107, а не с помощью многомерных высокоточных приводов, которые требуются для шарнирно закрепленной антенны с параболическим отражателем. В данном контексте низкое разрешение и низкая точность оцениваются в сравнении со значениями этих параметров, необходимыми для многоосной шарнирно закрепленной параболической антенны спутниковой связи, которая требует более высокой точности (выше, чем 0,2 градуса) по всем осям в любой момент времени, налагая при этом очень высокие требования по скорости слежения и ускорению, для обеспечения возможности следить за движением платформы 103 и потенциального спутника.In all of these cases, reducing the number of feeds 205 by removing them (for example) from lens modules 121a to obtain a modified configuration (such as in lenses 121c) reduces the scan range of lens module 121, but does not directly reduce or affect the gain of the lens module in remaining available scan range. Because feeds are only activated when the antenna is pointed in the direction covered by the feed, retracting a feed simply means that that feed cannot be activated (i.e., the antenna cannot be pointed in directions supported by that feed), while the remaining feeds are available for selection and function normally. mode. Then, in any of the cases where the scanning range in the azimuth direction is limited, mechanical rotation of the lens, feeds, or the entire antenna array (using the actuator 107) is required to point the rays in any direction within the normal scanning range of the lens (for example, to scan in those directions for which irradiators were derived). Any movement required in these cases can be accomplished with just a single axis of low resolution, relatively low precision rotational motion driven by rotation actuator 107, rather than the multi-dimensional high precision actuators required for an articulated parabolic reflector antenna. In this context, low resolution and low accuracy are evaluated in comparison with the values of these parameters required for a multi-axis articulated satellite dish antenna, which requires higher accuracy (higher than 0.2 degrees) in all axes at any time, imposing This requires very high tracking speed and acceleration requirements to be able to follow the movement of platform 103 and a potential satellite.
Что касается ФИГ. 4, еще один пример осуществления антенного устройства 401 (вид сбоку на ФИГ. 4 (a), вид сверху на ФИГ. 4 (b)) демонстрирует эффект разделения линзовых модулей 121 антенной решетки 120 на первичную антенную решетку 421, состоящую из множества линзовых модулей 121c (ФИГ. 3(e), хотя она также может быть использована с конфигурацией линз 121, показанной на ФИГ. 3(a), (c) и (g)), и вторичную антенную решетку или юбку 423, состоящую из множества наклонных линзовых модулей 121d. Платформа вращения 409 состоит из первичной секции 409a и вторичной секции 409b. Вторичная секция 409b размещена под углом или наклонена под углом места по отношению к первичной секции 409a, при этом, в частности, вторичная секция 409b наклонена вниз по отношению к первичной секции 409a. Первичная секция может представлять собой тонкую ровную плоскую панель, на которой закреплена первичная антенная решетка 421, состоящая из первичных линзовых модулей 121e. Первичная секция 409a находится в первичной плоскости, которая в целом параллельна плоскости нижней стороны корпуса 105 и плоскости опорной платформы 103. Вторичная секция 409b представляет собой тонкую ровную плоскую панель, на которой закреплена вторичная антенная решетка 423, состоящая из вторичных линзовых модулей 121d. Вторичная секция 409b находится во вторичной плоскости, которая размещена под углом или наклонена по отношению к первичной плоскости, образуя юбку вокруг левой стороны (в показанном примере осуществления) антенной решетки. With regard to FIG. 4, another exemplary embodiment of the antenna device 401 (side view of FIG. 4(a), top view of FIG. 4(b)) demonstrates the effect of dividing the lens modules 121 of the antenna array 120 into a primary antenna array 421 composed of a plurality of lens modules. 121c (FIG. 3(e), although it can also be used with the lens configuration 121 shown in FIGS. 3(a), (c) and (g)), and a secondary antenna array or skirt 423 consisting of a plurality of inclined lens modules 121d. The rotation platform 409 consists of a primary section 409a and a secondary section 409b. The secondary section 409b is placed at an angle or tilted at an elevation angle with respect to the primary section 409a, with, in particular, the secondary section 409b is inclined downward with respect to the primary section 409a. The primary section may be a thin, flat, flat panel on which a primary antenna array 421 is fixed, consisting of primary lens modules 121e. The primary section 409a is in a primary plane that is generally parallel to the plane of the underside of the housing 105 and the plane of the support platform 103. The secondary section 409b is a thin, flat, flat panel on which a secondary antenna array 423 is fixed, consisting of secondary lens modules 121d. Secondary section 409b is in a secondary plane that is angled or inclined with respect to the primary plane, forming a skirt around the left side (in the embodiment shown) of the antenna array.
Таким образом, в примере осуществления, показанном на ФИГ. 4, вторичная секция 409b проходит частично по внешней окружности или части периметра первичной секции 409a платформы вращения 409. Вторичная секция 409b может быть изогнутой формы, например частично C-образной, или иметь серповидную или другую подходящую форму. Первичная секция 409a и вторичная секция 409b вместе образуют полный круг, хотя могут использоваться любые подходящие размеры и формы, независимо от того, совпадают ли и совмещаются ли друг с другом формы и размеры секций 409a и 409b. При этом первичная секция 409a может составлять одно целое со вторичной секцией 409b или быть отдельной прикрепленной к ней частью. Кроме того, вторичная секция 409b может двигаться, переходя из первого положения, когда она совмещена и находится в одной плоскости с первичной секцией 409a, во второе положение, когда она расположена под углом или наклонена по отношению к первичной секции 409b, например, за счет шарнира, или может быть зафиксирована в нужном положении.Thus, in the embodiment shown in FIG. 4, secondary section 409b extends partially around the outer circumference or part of the perimeter of primary section 409a of rotation platform 409. Secondary section 409b may be curved, such as partially C-shaped, or crescent or other suitable shape. The primary section 409a and the secondary section 409b together form a complete circle, although any suitable size and shape may be used, regardless of whether the shapes and sizes of the sections 409a and 409b match and match each other. While the primary section 409a may be integral with the secondary section 409b or be a separate part attached to it. In addition, the secondary section 409b can move from the first position, when it is aligned and in the same plane with the primary section 409a, to the second position, when it is angled or inclined with respect to the primary section 409b, for example, due to the hinge , or can be fixed in the desired position.
Как далее показано в примере осуществления на ФИГ. 4, вторичная секция 409b может быть расположена так, что облучатели и диапазон сканирования, определенные пластиной питания 331 во вторичных линзовых модулях 121d, приводятся в соответствие с осью сканирования линии облучателей 205 на панели питания 321 первичных линзовых модулей 121c первичной антенной решетки 421. Таким образом, вторичная секция 409b располагается сбоку и ниже первичной секции 409a. Обе антенных решетки 421 и 423 по-прежнему располагаются на опорной платформе 409 и вращаются вместе с нею. Сигналы от элементов первичной и вторичной антенных решеток 121e и 121f объединяются, формируя единый луч, во время операции передачи или приема. Несмотря на то, что показана лишь одна вторичная антенная решетка 423, располагающаяся по периметру первичной решетки 421, возможно наличие любого количества вторичных антенных решеток 423, либо располагающихся неразрывно и смежных (т. е. прилегающих как можно ближе и/или касающихся) с первичной антенной решеткой 421 (как показано), либо отделенных от первичной антенной решетки 421 зазором или расстоянием, которые могут идти вдоль всего внешнего периметра первичной антенной решетки 421 или вдоль меньшего участка первичной антенной решетки 421, чем показано.As further shown in the exemplary embodiment in FIG. 4, the secondary section 409b may be positioned such that the feeds and scan range defined by the feed plate 331 in the secondary lens modules 121d are aligned with the scan axis of the feed line 205 on the feed panel 321 of the primary lens modules 121c of the primary antenna array 421. Thus , the secondary section 409b is located laterally and below the primary section 409a. Both antenna arrays 421 and 423 are still located on the support platform 409 and rotate with it. The signals from the primary and secondary array elements 121e and 121f are combined to form a single beam during a transmit or receive operation. Although only one secondary antenna array 423 is shown, located around the perimeter of the primary array 421, there may be any number of secondary antenna arrays 423, either located inseparably and adjacent (i.e., adjacent as closely as possible and / or touching) with the primary antenna array 421 (as shown) or separated from primary antenna array 421 by a gap or distance that may extend along the entire outer perimeter of primary antenna array 421 or along a smaller portion of primary antenna array 421 than shown.
Эффект разделения на две антенные решетки 421 и 423 и размещения вторичной антенной решетки 423 в виде юбки по части периметра антенной решетки проявляется в том, что при углах сканирования, близких к углу наклона юбки (обычно от 45 до 70 градусов по отношению к электрической оси антенны), линзовые модули 121d вторичной антенной решетки (юбки) 423 практически совмещаются с желаемым лучом, поэтому для них не характерны потери при сканировании, как для линзовых модулей первичной антенной решетки 421. Таким образом, первичная секция находится в первичной плоскости, а вторичная секция — во вторичной плоскости, при этом сами плоскости располагаются под острым углом примерно 45–70 градусов друг к другу. То есть, плоскости расположены под углом, смещаясь друг относительно друга. Как показано на ФИГ. 4 (c), коэффициент усиления 425 по электрической оси первичной решетки 421 немного ниже в сравнении с этим же показателем 125 (показан пунктирной линией) исходной плоской эталонной антенной решетки 101 из-за уменьшения количества линз, наведенных по направлению электрической оси. Вместе с тем, коэффициент усиления при сканировании значительно увеличивается. Даже при том, что количество вторичных линз 121d на юбке может быть относительно небольшим по сравнению с количеством первичных линз 121c, больших потерь при сканировании, наблюдаемых при углах (к примеру) от 0 до 70 градусов, достаточно, чтобы позволить меньшему количеству линз существенно увеличить производительность при дальних углах сканирования. Это приводит к сглаживанию кривой спада коэффициента усиления и увеличению углов сканирования, для которых коэффициент усиления достаточно высок, чтобы соответствовать заданному пороговому значению (например, 3 дБ, 4,5 дБ, 7 дБ и т.д.). The effect of dividing into two antenna arrays 421 and 423 and placing the secondary antenna array 423 in the form of a skirt along the perimeter of the antenna array is that at scan angles close to the angle of the skirt (typically from 45 to 70 degrees with respect to the electrical axis of the antenna ), the lens modules 121d of the secondary antenna array (skirt) 423 are almost aligned with the desired beam, so they do not suffer from scan loss as the lens modules of the primary antenna array 421. Thus, the primary section is in the primary plane, and the secondary section is in the secondary plane, while the planes themselves are located at an acute angle of approximately 45–70 degrees to each other. That is, the planes are located at an angle, shifting relative to each other. As shown in FIG. 4(c), the axial gain 425 of the primary array 421 is slightly lower than that of the 125 (shown in dotted line) of the original planar reference antenna array 101 due to the reduction in the number of lenses pointing in the axial direction. At the same time, the gain during scanning increases significantly. Even though the number of secondary lenses 121d on a skirt may be relatively small compared to the number of primary lenses 121c, the large scan loss observed at angles of (e.g.) 0 to 70 degrees is sufficient to allow fewer lenses to substantially increase performance at far scanning angles. This results in a flattening of the gain rolloff curve and larger scan angles for which the gain is high enough to meet a given threshold (eg, 3dB, 4.5dB, 7dB, etc.).
Интересен тот факт, что чем сильнее исходный спад (разница между значениями коэффициента усиления по электрической оси и при сканировании) в линзовом модуле, тем лучший эффект и коррекцию коэффициента усиления при сканировании обеспечивает вторичная антенная решетка в форме юбки 423. Это означает, что антенную решетку в форме юбки 423 следует нацеливать на край сканирования θ max или близко к нему (в 333), чтобы обеспечить в первичной решетке 421 максимальную коррекцию при минимальной потере усиления по электрической оси. То есть, юбка, нацеленная на низкий угол сканирования, например 30 градусов, даст очень незначительный очевидный эффект, так как потери при сканировании до 30 градусов обычно малы или умеренны, а в случае нацеливания юбки на углы за пределами диапазона сканирования первичной антенной решетки 421 (например, более 70 градусов или даже 75–85 градусов) юбка должна быть очень большой, чтобы обеспечивать производительность, так как она уже не будет дополнять первичную антенную решетку. В силу этих причин лучшими для юбки будут углы в диапазоне от 45 до 70 градусов, поскольку меньшие углы дают менее заметный эффект, а большие углы выходят за пределы поддерживаемого диапазона для первичной антенной решетки. An interesting fact is that the greater the initial roll-off (difference between electrical axis and scan gain values) in the lens module, the better effect and scan gain correction is provided by the skirt-shaped secondary antenna array 423. This means that the antenna array skirted 423 should be aimed at or close to the scanning edge θ max (at 333) to provide maximum correction in primary grating 421 with minimum loss of electrical axial gain. That is, a skirt aimed at a low scan angle, such as 30 degrees, will have very little apparent effect, since the loss when scanning up to 30 degrees is usually small to moderate, and if the skirt is aimed at angles outside the scanning range of the primary antenna array 421 ( over 70 degrees or even 75-85 degrees) the skirt would need to be very large to provide performance as it would no longer complement the primary antenna array. For these reasons, angles in the 45 to 70 degree range will be best for the skirt, as smaller angles have a less noticeable effect, and larger angles are outside the supported range for the primary antenna array.
Следует также отметить, что относительный размер первичной антенной решетки 421 и вторичной антенной решетки 423 (определяемый по количеству линзовых модулей, а также площади апертуры) подвержен некоторым ограничениям. Юбка имеет наибольшее влияние, когда количество линз в ней составляет порядка 3–9 дБ (от 1/2 до 1/8) от количества линз в первичной решетке. В зависимости от количества модулей в первичной решетке 421 это требование может быть выполнено за счет одного или нескольких расположенных друг над другом слоев юбки; единичные слои наиболее удобны, так как наличие нескольких слоев (хотя и возможно) увеличивает высоту антенны и, следовательно, менее желательно. Это накладывает ограничения по максимальной высоте антенной решетки, которая может практично включать эффективную однослойную юбку, как показано на ФИГ. 4. Количество линз увеличивается прямо пропорционально квадрату диаметра апертуры, а доступное количество линз в юбке (пропорциональное окружности) увеличивается лишь линейно по мере увеличения диаметра апертуры — в более крупных антенных решетках юбка имеет так мало элементов в сравнении с первичной антенной решеткой, что ее влияние практически отсутствует, поэтому она бесполезна. В одном примере осуществления, не имеющем ограничительного характера, доля линзовых модулей вторичной антенной решетки 423 составляет 12–35% от количества модулей первичной антенной решетки 421. Например, 12 из 50 линз или 8 из 38 (как показано на ФИГ. 4b) — это приемлемое соотношение. It should also be noted that the relative size of the primary antenna array 421 and the secondary antenna array 423 (determined by the number of lens modules as well as the aperture area) is subject to some limitations. The skirt has the greatest impact when the number of lenses in it is on the order of 3–9 dB (1/2 to 1/8) of the number of lenses in the primary array. Depending on the number of modules in the primary array 421, this requirement can be met by one or more stacked skirt layers; single layers are most convenient, since having multiple layers (although possible) increases the height of the antenna and is therefore less desirable. This imposes restrictions on the maximum height of the antenna array, which may be practical to include an effective single layer skirt, as shown in FIG. 4. The number of lenses increases in direct proportion to the square of the aperture diameter, and the available number of lenses in the skirt (proportional to the circumference) increases only linearly as the aperture diameter increases - in larger antenna arrays, the skirt has so few elements compared to the primary antenna array that its influence practically non-existent, so it is useless. In one non-limiting exemplary embodiment, the proportion of lens modules in the secondary antenna array 423 is 12-35% of the number of modules in the primary antenna array 421. For example, 12 out of 50 lenses or 8 out of 38 (as shown in FIG. 4b) is acceptable ratio.
Чтобы расширить имеющийся у антенны диапазон сканирования по высоте за пределы диапазона отдельной линзы 201 и линзового модуля 121, необходимо дополнительно видоизменить первичную антенную решетку. Что касается ФИГ. 5, здесь показан ряд примерных вариантов, увеличивающих диапазон сканирования антенного входа. В случае когда отдельные линзовые модули предусматривают сканирование под углом до 60 или 70 градусов, эти подходы обеспечат хорошую сканирующую способность антенн в угломестной плоскости до 80 или 90 градусов. In order to extend the antenna's vertical scanning range beyond the range of the individual lens 201 and lens module 121, the primary antenna array must be further modified. With regard to FIG. 5, a number of exemplary options are shown here to increase the scan range of the antenna input. In the case where individual lens modules provide for scanning at an angle of up to 60 or 70 degrees, these approaches will provide good scanning ability of antennas in the elevation plane up to 80 or 90 degrees.
В одном из вариантов антенного устройства 500 (вид сбоку на ФИГ. 5 (a), вид сверху на ФИГ. 5 (b)) используется первичная антенная решетка 521 и вторичная антенная решетка 523, но предусмотрен небольшой наклон всех линз 121c (ФИГ. 3(e), хотя и в этом случае также может быть использована конфигурация линз 121, показанная на ФИГ. 3(a), (c) и (g)) первичной антенной решетки 521 к горизонту за счет использования видоизмененной платформы вращения 509. Как показано, линзы 121c расположены под углом или наклоном по отношению к нижней стороне корпуса 103 и опорной платформы 103. Как показано, верхняя сторона платформы 509 имеет угловые выступы или полочки, расположенные пилообразно, при этом линзы 121c закреплены на наклонной поверхности верхней стороны. Безусловно, может быть использована любая другая подходящая методика позиционирования одной или всех линз 121c под углом по отношению к центральной плоскости платформы 509 или плоскости нижней стороны корпуса 105 или опорной платформы 103. Например, верхняя сторона платформы вращения 509 может быть плоской, и полочки могут крепиться к верхней стороне платформы вращения 509, либо линзовые модули 121c могут иметь основание, обеспечивающее наклон линз 201. One embodiment of the antenna device 500 (side view in FIG. 5(a), top view in FIG. 5(b)) uses a primary antenna array 521 and a secondary antenna array 523, but provides for a slight slope of all lenses 121c (FIG. 3 (e), although in this case the lens configuration 121 shown in FIGS. , the lenses 121c are angled or inclined with respect to the underside of the housing 103 and the support platform 103. As shown, the top side of the platform 509 has angled ridges or shelves arranged in a sawtooth manner, with the lenses 121c secured to the sloped surface of the top side. Of course, any other suitable technique for positioning one or all of the lenses 121c at an angle to the center plane of the platform 509 or the plane of the underside of the housing 105 or the support platform 103 may be used. For example, the top side of the rotation platform 509 may be flat and the shelves may be attached to the top side of the rotation platform 509, or the lens modules 121c may have a base to tilt the lenses 201.
Наклонные линзы 121c смещают область охвата к горизонту на величину наклона. Это иллюстрирует диапазон охвата 525 на ФИГ. 5 (c). Чтобы не допустить блокирования одной линзой соседней линзы, в отношении угла наклона, который может быть применен к отдельным линзам, действует ограничение по величине, к тому же при таком способе трудно добиться улучшения общей производительности при наклоне более 75 градусов по причине геометрической формы линз. Как и в антенном устройстве 401, вторичная антенная решетка 523 устройства 500 продолжает поддерживать отклик при сканировании по дальним углам сканирования. Существенный эффект этого варианта заключается в том, что коэффициент усиления по электрической оси перестает быть самым высоким. Tilt lenses 121c shift the field of view towards the horizon by the tilt amount. This illustrates the coverage range 525 in FIG. 5(c). In order to prevent one lens from blocking an adjacent lens, there is a limit on the amount of tilt that can be applied to individual lenses, and it is difficult to improve the overall performance when tilted more than 75 degrees due to the geometry of the lenses with this method. As in the antenna device 401, the secondary antenna array 523 of the device 500 continues to maintain a response when scanning at the far scanning angles. The significant effect of this option is that the gain along the electrical axis ceases to be the highest.
На примере варианта антенного устройства 530 (вид сбоку на ФИГ. 5 (d), вид сверху на ФИГ. 5 (e)) показан эффект наклона всей первичной антенной решетки 531 с помощью платформы вращения 539 при сохранении положения вторичной антенной решетки 533. То есть, в одном примере осуществления, не имеющем ограничительного характера, платформа 539 жестко прикреплена к приводу 107 под углом. В другом примере осуществления привод 107 может наклонять или вращать платформу вращения 539 так, чтобы один край платформы вращения был выше другого. Наклон всей антенной решетки значительно увеличивает высоту системы, но не приводит к взаимному блокированию смежных линзовых модулей 121c первичной антенной решетки. Коэффициент усиления 535 (ФИГ. 5 (f)) немного выше, чем при наклоне отдельных линз 525, но демонстрирует подобную динамику.An example embodiment of the antenna device 530 (side view in FIG. 5(d), top view in FIG. 5(e)) shows the effect of tilting the entire primary antenna array 531 with the rotation platform 539 while maintaining the position of the secondary antenna array 533. That is, , in one non-limiting embodiment, platform 539 is rigidly attached to actuator 107 at an angle. In another embodiment, the actuator 107 may tilt or rotate the turntable 539 so that one end of the turntable is higher than the other. The slope of the entire antenna array greatly increases the height of the system, but does not result in mutual blocking of adjacent lens modules 121c of the primary antenna array. The gain 535 (FIG. 5(f)) is slightly higher than when the individual lenses 525 are tilted, but exhibits similar dynamics.
Оба описанных выше подхода можно объединить; на примере варианта антенного устройства 540 (вид сбоку на ФИГ. 5 (g), вид сверху на ФИГ. 5 (g)) показан эффект наклона всей первичной антенной решетки 541, а также отдельных линз 121c решетки, в дополнение ко вторичной антенной решетке в форме юбки 543. И первичная 541, и вторичная 543 антенные решетки удерживаются в нужном положении с помощью платформы вращения 549. Этот подход обеспечивает расширение диапазона сканирования антенны без взаимного блокирования смежных линз 121c первичной антенной решетки 541, а также удерживает сканирующую способность в середине диапазона сканирования. При увеличенном диапазоне сканирования положение и высота корпуса 105 и диаграмма направленности обтекателя 111 при передаче могут стать ограничивающими факторами. Эта конфигурация дает возможность максимально увеличить производительность при сканировании в обмен на существенное снижение производительности по электрической оси, как показано на репрезентативной диаграмме охвата 545 (ФИГ. 5 (i)). Both approaches described above can be combined; An example embodiment of the antenna arrangement 540 (side view in FIG. 5(g), top view in FIG. 5(g)) shows the effect of tilting the entire primary antenna array 541 as well as the individual array lenses 121c, in addition to the secondary antenna array in skirt shape 543. Both the primary 541 and secondary 543 antenna arrays are held in position by the rotation platform 549. This approach extends the scanning range of the antenna without mutually blocking the adjacent lenses 121c of the primary antenna array 541, and also keeps the scanning power in the middle of the scanning range . With an increased scan range, the position and height of the housing 105 and the radiation pattern of the radome 111 during transmission can become limiting factors. This configuration maximizes scanning performance in exchange for a significant reduction in electrical axis performance, as shown in the representative coverage diagram 545 (FIG. 5(i)).
В еще одном примере осуществления антенного устройства 550 (вид сбоку на ФИГ. 5 (j), вид сверху на ФИГ. 5 (k)) показано сочетание двух первичных антенных решеток 551 и 552, где 551 наведена в сторону одного угла, а 552 наклонена под другим углом, с применением вторичной решетки в форме юбки 553. Это сочетание (и другие подобные ему) можно настроить для получения определенного профиля сканирования; на диаграмме диапазона охвата 555 (ФИГ. 5 (l)) показан пример практически равномерного усиления в промежутке между 20 и 70 градусами. Изменение относительного количества линзовых модулей 121c и 121d в каждой из антенных решеток 551, 552 и 553, а также угла наклона или другого предусмотренного параметра можно использовать для формирования и контроля спада коэффициента усиления по антенне 550 в целом. Таким образом, как показано, линзы 121 одной антенной решетки (например, первичной решетки или вторичной решетки) не обязательно должны быть наведены или расположены под углом в одном направлении, но могут наводиться или располагаться под углом или с наклоном в различных направлениях. То есть, и линзы 551, расположенные под углом в одном направлении, и линзы 552, расположенные под углом в другом направлении, установлены на платформе вращения 559. Более того, линзы 551 могут быть расположены под углом в противоположном направлении (например, вправо в показанном варианте осуществления) относительно линз 552. In another exemplary implementation of the antenna device 550 (side view in FIG. 5 (j), top view in FIG. 5 (k)) shows a combination of two primary antenna arrays 551 and 552, where 551 is pointed towards one corner, and 552 is tilted at a different angle, using a 553 skirted secondary grating. This combination (and others like it) can be adjusted to obtain a specific scan profile; the coverage range diagram 555 (FIG. 5(l)) shows an example of a substantially uniform gain between 20 and 70 degrees. Changing the relative number of lens modules 121c and 121d in each of the antenna arrays 551, 552, and 553, as well as the angle of inclination or other provided parameter, can be used to shape and control gain rolloff across antenna 550 as a whole. Thus, as shown, the lenses 121 of a single antenna array (eg, primary array or secondary array) need not be pointed or angled in one direction, but may be pointed or angled or tilted in different directions. That is, both the lenses 551 angled in one direction and the lenses 552 angled in the other direction are mounted on the rotation platform 559. embodiment) with respect to lenses 552.
Что касается ФИГ. 6, конструкция антенны 601 может предполагать наличие одной первичной антенной решетки 621 линзовых модулей 121 и двух вторичных антенных решеток 622 и 623, наведенных в различных азимутальных направлениях, а в показанном здесь примере (вид сбоку на ФИГ. 6 (a), вид сверху на ФИГ. 6 (b)) — в противоположных направлениях (φ=0 градусов, а φ=180 градусов). В этом случае юбка 622 может состоять из линзовых модулей, настроенных только на прием, а юбка 623 может состоять из линзовых модулей, настроенных только на передачу. Эти ограничительные условия могут устанавливаться для снижения стоимости или упрощения либо по причине фундаментальных ограничений в электрической схеме. За счет юбок, настроенных на прием и передачу и расположенных на противоположных краях антенной решетки, конечный пользователь антенны получает возможность увеличить производительность (как показано на ФИГ. 6 (c)) в режиме приема 625 (навести антенну с помощью привода вращения 107 в сторону юбки приема 622) или в режиме передачи 626 (навести антенну с помощью привода вращения 107 в сторону юбки передачи 623). Эта конфигурация представляет наибольший интерес в случаях применения с ограничениями по высоте, когда увеличивать высоту добавлением второго слоя юбки, который обеспечивал бы производительность передачи и приема одновременно, нежелательно, но при этом нужна эксплуатационная гибкость. With regard to FIG. 6, the design of the antenna 601 may include one primary antenna array 621 of lens modules 121 and two secondary antenna arrays 622 and 623 pointed in different azimuth directions, and in the example shown here (side view of FIG. 6(a), top view of FIG 6 (b)) - in opposite directions ( φ =0 degrees and φ =180 degrees). In this case, skirt 622 may consist of receive-only lens modules and skirt 623 may consist of transmit-only lens modules. These limiting conditions may be set for cost reduction or simplification, or due to fundamental limitations in the electrical circuit. With the skirts tuned to receive and transmit and located on opposite ends of the antenna array, the end user of the antenna is able to increase the performance (as shown in FIG. 6 (c)) in the receive mode 625 (point the antenna with the rotation drive 107 towards the skirt receive 622) or in transmit mode 626 (point the antenna with the rotation drive 107 towards the transmission skirt 623). This configuration is of most interest in height constrained applications where increasing the height by adding a second skirt layer that provides simultaneous transmit and receive performance is undesirable, but operational flexibility is desired.
В каждом из описанных выше случаев платформа вращения 107 показана единым элементом, объединяющим первичные и вторичные решетки. Во всех случаях могут использоваться отдельные платформы вращения для первичных и вторичных антенных решеток (например, первичная антенная решетка устанавливается на первичной платформе вращения, а вторичная антенная решетка устанавливается на вторичной платформе вращения, которая вращается независимо (в том же или в противоположном направлении) от первичной платформы вращения), поддерживающая все линзовые модули в целом или каждый в отдельности. Отдельные платформы вращения (если они используются) могут составлять единое целое с первой платформой или быть отделенными и обособленными от первой платформы и жестко, cъемно и/или динамически (с возможностью вращения) прикрепленными к первой платформе. Например, одна платформа вращения может быть размещена концентрически внутри другой платформы вращения или сверху нее. Таким образом, каждый элемент может быть расположен под фиксированным наклоном или динамически регулируемым наклоном синхронно со всеми другими элементами или отдельно от них. Линзовые элементы вторичной антенной решетки наклонены под углом, который может быть таким же, как и угол наклона первичных линз, или отличным от него. И первичная, и вторичная решетки механически вращаются, обеспечивая сканирование по азимуту.In each of the cases described above, the rotation platform 107 is shown as a single element that combines the primary and secondary gratings. In all cases, separate rotation platforms for the primary and secondary antenna arrays may be used (for example, the primary antenna array is mounted on the primary rotation platform, and the secondary antenna array is installed on the secondary rotation platform, which rotates independently (in the same or in the opposite direction) from the primary rotation platform) supporting all lens modules as a whole or each separately. Separate rotation platforms (if used) may be integral with the first platform or be separate and distinct from the first platform and rigidly, releasably and/or dynamically (rotatably) attached to the first platform. For example, one rotation platform may be placed concentrically within or on top of another rotation platform. Thus, each element can be positioned at a fixed inclination or a dynamically adjustable inclination, synchronously with all other elements or separately from them. The lens elements of the secondary antenna array are inclined at an angle, which may be the same as the angle of inclination of the primary lenses, or different from it. Both the primary and secondary gratings are mechanically rotated to provide azimuth scanning.
В качестве расширения концепции юбки, вторичная антенная решетка в форме юбки может быть применена в неподвижно закрепленной или невращающейся антенне 701 (как иллюстрирует вид сбоку на ФИГ. 7 (a) и вид сверху на ФИГ. 7 (b)) с первичной решеткой 721, состоящей из линзовых модулей 121a, в которых вся фокальная плоскость 303 заполнена облучателями 205. В таком случае радиально по периметру первичной антенной решетки 721 добавляется вторичная антенная решетка в форме юбки 723, поддерживаемая конструкцией 709 и состоящая из линзовых модулей 121d с диапазоном сканирования по высоте, скорректированным с учетом угла юбки. Эффект (как показано на ФИГ. 7 (c)) такой компоновки линзовых модулей, проиллюстрированный диаграммой спада 725, состоит в значительном уменьшении коэффициента усиления по электрической оси, но также в сглаживании спада усиления, что дает чрезвычайно плоскую амплитудно-частотную характеристику при углах сканирования по высоте θ, близких к электрической оси. Добавление дополнительных слоев юбки или радиальных углов наклона линзовых модулей 121 первичной решетки 721 преобразует антенную решетку в форме юбки в куполообразную антенную решетку, что дает дополнительную возможность контролировать профиль спада в обмен на снижение пикового усиления и увеличение высоты антенны. As an extension of the skirt concept, a skirt-shaped secondary antenna array can be applied in a fixed or non-rotating antenna 701 (as illustrated in FIG. 7(a) side view and FIG. 7(b) top view) with primary array 721, consisting of lens modules 121a, in which the entire focal plane 303 is filled with feeds 205. In this case, a skirt-shaped secondary antenna array 723 is added radially around the perimeter of the primary antenna array 721, supported by structure 709 and consisting of lens modules 121d with a scanning range in height, adjusted to the angle of the skirt. The effect (as shown in FIG. 7(c)) of this arrangement of lens modules, illustrated by the roll-off diagram 725, is to significantly reduce the gain along the electrical axis, but also to smooth out the roll-off of the gain, resulting in an extremely flat frequency response at scan angles in height θ close to the electric axis. The addition of additional skirt layers or radial tilt angles of the lens modules 121 of the primary array 721 converts the skirt-shaped antenna array into a domed antenna array, which provides additional control over the roll-off profile in exchange for a reduction in peak gain and an increase in antenna height.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления первичные и вторичные антенные решетки имеют стандартные электрические схемы и возможности управления, необходимые для индивидуального наведения луча или лучей по заданному углу места и азимуту относительно положения платформы вращения 109. Кроме того, предусмотрено наличие общего устройства управления и электрической схемы для объединения сигналов от отдельных первичных и вторичных антенных решеток с целью формирования единого луча от объединенных антенных решеток.In each of the embodiments described above, the primary and secondary antenna arrays have the standard electrical circuitry and control capabilities necessary to individually aim the beam or beams at a given elevation and azimuth relative to the position of the rotating platform 109. In addition, there is a common control device and electrical circuitry. to combine signals from separate primary and secondary antenna arrays to form a single beam from the combined antenna arrays.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления монтажные платформы и опорные ступени являются в целом ровными плоскими элементами с ровной верхней стороной, при этом один или большее количество элементов антенной решетки закреплены на соответствующей платформе или опорной ступени или соединены с ней. Вместе с тем, в других вариантах осуществления платформы и опоры не обязательно должны быть плоскими.In each of the embodiments described above, the mounting platforms and support stages are generally flat top-side planar elements, with one or more antenna array elements secured to or connected to the respective platform or support stage. However, in other embodiments, platforms and supports need not be flat.
Также следует отметить со ссылкой на ФИГ. 1-7, что привод 107 поворачивает линзы 121 и платформу 109, 409, 509, 539 и 549 из первого положения с первым азимутом во второе положение со вторым азимутом. Первый азимут может отличаться от второго азимута либо совмещаться со вторым азимутом или частью второго азимута, как того требует конкретное применение. Различные положения дают пользователю возможность получить нужный охват сканирования вплоть до полных 360 градусов. При этом платформа 109, 409, 509, 539 и 549 может быть прикреплена к приводу 107 под первым углом или под вторым углом, отличным от первого угла. Первый угол или положение могут иметь первый угол места, а второй угол или положение могут иметь второй угол места — такой же, как и первый, или отличный от него. К примеру, как показано на ФИГ. 3(c), привод 107 может поворачивать линзы 121b из первого положения, показанного на ФИГ. 3(C), когда линзы находятся в верхней половине, во второе положение, когда линзы находятся в нижней половине, чтобы обеспечить охват сканирования на все 360 градусов.It should also be noted with reference to FIG. 1-7 that actuator 107 rotates lenses 121 and platform 109, 409, 509, 539 and 549 from a first position at a first azimuth to a second position at a second azimuth. The first azimuth may be different from the second azimuth, or co-located with the second azimuth or part of the second azimuth, as required by the particular application. Various positions allow the user to obtain the desired scanning coverage up to a full 360 degrees. In this case, the platform 109, 409, 509, 539 and 549 may be attached to the actuator 107 at a first angle or at a second angle different from the first angle. The first angle or position may have a first elevation angle, and the second angle or position may have a second elevation angle the same as or different from the first. For example, as shown in FIG. 3(c), the actuator 107 may rotate the lenses 121b from the first position shown in FIG. 3(C) when the lenses are in the upper half, to the second position when the lenses are in the lower half, to provide a full 360-degree scanning coverage.
Кроме того, в одном из вариантов осуществления привод 107 можно поворачивать и фиксировать в нужном положении вручную. При этом вторичная секция платформы вращения 409 может располагаться под фиксированным углом к первичной секции платформы вращения 409. Однако в другом варианте осуществления может быть предусмотрено обрабатывающее устройство (например, устройство управления, процессор, компьютер и т.п.) для управления вращением привода 107 либо под контролем пользователя, либо автоматически. При этом вторичная секция 409b платформы вращения 409 может быть присоединена с возможностью вращения или поворота к первичной секции 409a платформы вращения 409, например с помощью шарнира, и пользователь может вручную поворачивать вторичную секцию 409b по отношению к первичной секции 409a из первого угла во второй, выбирая подходящий угол, или чтобы установить ее в горизонтальное положение, либо таким движением может автоматически или под контролем пользователя управлять обрабатывающее устройство. Точно так же верхняя сторона платформы 509 может быть единым целым с фиксированными углами или может поворачиваться относительно платформы 509 с возможностью регулировки вручную или с помощью обрабатывающего устройства.In addition, in one embodiment, the actuator 107 can be manually rotated and locked into position. In this case, the secondary section of the platform of rotation 409 may be located at a fixed angle to the primary section of the platform of rotation 409. However, in another embodiment, a processing device (for example, a control device, a processor, a computer, etc.) may be provided to control the rotation of the actuator 107 or under user control or automatically. In this case, the secondary section 409b of the rotation platform 409 can be connected with the possibility of rotation or rotation to the primary section 409a of the rotation platform 409, for example, using a hinge, and the user can manually rotate the secondary section 409b with respect to the primary section 409a from the first corner to the second, choosing suitable angle, or to bring it to a horizontal position, or such movement can be controlled automatically or under the control of the user by the processing device. Similarly, the top side of the platform 509 may be integral with fixed angles, or may be rotated relative to the platform 509 for manual or machine adjustment.
Приведенные выше варианты осуществления описывают и иллюстрируют антенные решетки и апертуры как круглые или имеющие приблизительно такую форму. Круговые антенные решетки удобны в случае использования вращения, так как круглые апертуры эффективны в плане коэффициента усиления из-за размера области, по которой проходит вращающаяся конструкция (по сравнению с квадратными, к примеру). Однако описанные выше детали могут использоваться применительно к антенным решеткам и антеннам любой формы и любых очертаний. The above embodiments describe and illustrate antenna arrays and apertures as being round or approximately so. Circular antenna arrays are useful when using rotation, since round apertures are gain effective due to the size of the area that the rotating structure passes over (compared to square ones, for example). However, the details described above can be used with antenna arrays and antennas of any shape and any shape.
Могут использоваться любые частотные диапазоны, причем система будет максимально гибкой, если антенна и система могут работать и принимать сигналы в разных частотных диапазонах. Однако антенны с электрическим управлением, работающие на разных частотах, имеют сложную конструкцию и являются дорогостоящими. Поэтому большинство практически используемых систем работает в одном диапазоне, при этом наиболее распространенными частотными диапазонами для систем связи являются Ka и Ku, используемые для работы терминалов с очень малой апертурой. Any frequency bands can be used, and the system will be as flexible as possible if the antenna and the system can operate and receive signals in different frequency bands. However, electrically controlled antennas operating at different frequencies are complex and expensive. Therefore, most systems in practice operate in a single band, with the most common frequency bands for communication systems being Ka and Ku used to operate very small aperture terminals.
Настоящее изобретение, хотя и описанное, главным образом, как используемое в системах спутниковой связи, может иметь различное применение в области связи и дистанционного зондирования, например в сквозных каналах микроволновой связи с перестраиваемой конфигурацией или мобильным доступом, радарах, технологиях 5G и т.д. The present invention, although described primarily as being used in satellite communications systems, may have various applications in the field of communications and remote sensing, such as microwave end-to-end configurable or mobile access links, radar, 5G technologies, etc.
Термины, употребленные в настоящем описании изобретения и прилагаемой формуле изобретения в единственном числе, подразумевают множественное число, если иное явно не следует из контекста. Подобным образом, прилагательное «другой», используемое для ввода элемента, подразумевает один элемент или большее количество элементов. Термины «состоящий», «включающий», «имеющий» и подобные им носят включающий характер, то есть подразумевают возможное наличие дополнительных элементов помимо перечисленных. The terms used in the present description of the invention and the attached claims in the singular, mean the plural, unless otherwise clearly follows from the context. Similarly, the adjective "other" used to enter an element implies one element or more elements. The terms "comprising", "comprising", "having" and the like are inclusive, that is, they imply the possible presence of additional elements in addition to those listed.
Кроме того, если описанный выше способ или приведенный ниже пункт формулы изобретения на способ явно не предполагает последовательности выполнения его этапов или такая последовательность не является обязательной исходя из описания или формулировки пункта, предполагается, что не принято никакой определенной последовательности выполнения. Точно так же, если в приведенном ниже пункте формулы изобретения на способ явно не указан этап, упомянутый выше в описании изобретения, не следует предполагать, что такой этап предусмотрен таким пунктом формулы изобретения. In addition, if the method described above or the method claim below does not explicitly assume the sequence of its steps, or such sequence is not mandatory based on the description or wording of the claim, it is assumed that no specific sequence of execution is adopted. Similarly, if a method step mentioned above in the description of the invention is not explicitly indicated in the following claim, it should not be assumed that such a step is covered by such a claim.
Следует отметить, что в описании изобретения и в формуле изобретения могут употребляться геометрические термины или термины, обозначающие отношение, например правый, левый, верхний, нижний, прямолинейный, изогнутый, параллельный, перпендикулярный, концентрический, серповидный, ровный, плоский, лежащий в одной плоскости и т.д. Эти термины не ограничивают изобретение и, как правило, употребляются для удобства в целях упрощения описания на основе примеров, показанных на иллюстрациях. К тому же геометрические термины или термины, обозначающие отношение, могут быть неточными. К примеру, стены могут не быть точно параллельными друг другу, например, из-за шероховатости поверхностей, разрешенных производственных допусков и т.п., но все же могут считаться перпендикулярными или параллельными.It should be noted that in the description of the invention and in the claims, geometric or relational terms may be used, for example, right, left, top, bottom, rectilinear, curved, parallel, perpendicular, concentric, sickle-shaped, even, flat, lying in the same plane. etc. These terms do not limit the invention and are generally used for convenience in order to simplify the description based on the examples shown in the illustrations. In addition, geometric or relational terms may be inaccurate. For example, walls may not be exactly parallel to each other, eg due to surface roughness, manufacturing tolerances, etc., but may still be considered perpendicular or parallel.
Специалисты в данной области техники легко найдут множество вариантов применения данной системы и способа. Поэтому нежелательно ограничивать изобретение конкретными раскрытыми примерами или точными иллюстрациями и описанием конструкции и механизма действия. Напротив, можно использовать все подходящие модификации и эквиваленты, попадающие в объем данного изобретения.Those skilled in the art will readily find many uses for this system and method. Therefore, it is not desirable to limit the invention to the specific examples disclosed or precise illustrations and descriptions of the construction and mechanism of action. On the contrary, you can use all suitable modifications and equivalents falling within the scope of this invention.
Claims (26)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/842,905 | 2019-05-03 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021133437A RU2021133437A (en) | 2023-06-05 |
| RU2801123C2 true RU2801123C2 (en) | 2023-08-02 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030090416A1 (en) * | 2001-11-09 | 2003-05-15 | Howell James M. | Antenna array for moving vehicles |
| US20070216596A1 (en) * | 2004-03-26 | 2007-09-20 | Bae Systems Plc | Antenna With Partially Spherical Dielectric Lenses |
| RU2599901C1 (en) * | 2015-06-18 | 2016-10-20 | Георгий Галиуллович Валеев | Antenna of polygon for measuring radar characteristics of targets in fresnel zone |
| US20180115087A1 (en) * | 2016-10-26 | 2018-04-26 | Movandi Corporation | Phased Array Antenna Panel with Configurable Slanted Antenna Rows |
| US10116051B2 (en) * | 2017-03-17 | 2018-10-30 | Isotropic Systems Ltd. | Lens antenna system |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030090416A1 (en) * | 2001-11-09 | 2003-05-15 | Howell James M. | Antenna array for moving vehicles |
| US20070216596A1 (en) * | 2004-03-26 | 2007-09-20 | Bae Systems Plc | Antenna With Partially Spherical Dielectric Lenses |
| RU2599901C1 (en) * | 2015-06-18 | 2016-10-20 | Георгий Галиуллович Валеев | Antenna of polygon for measuring radar characteristics of targets in fresnel zone |
| US20180115087A1 (en) * | 2016-10-26 | 2018-04-26 | Movandi Corporation | Phased Array Antenna Panel with Configurable Slanted Antenna Rows |
| US10116051B2 (en) * | 2017-03-17 | 2018-10-30 | Isotropic Systems Ltd. | Lens antenna system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11967776B2 (en) | Lens antenna system | |
| US20230231324A1 (en) | Multi-band lens antenna system | |
| US7710346B2 (en) | Heptagonal antenna array system | |
| US10959110B2 (en) | Lensed antennas for use in wireless communications systems | |
| US7161537B2 (en) | Low profile hybrid phased array antenna system configuration and element | |
| CA2823144C (en) | Active electronically scanned array antenna for hemispherical scan coverage | |
| US20230275346A1 (en) | Gain roll-off for hybrid mechanical-lens antenna phased arrays | |
| US9379437B1 (en) | Continuous horn circular array antenna system | |
| US11264729B2 (en) | Wide scan phased array fed reflector systems | |
| WO2004093245A2 (en) | Electronically scanning direction finding antenna system | |
| EP3035444B1 (en) | Feed re-pointing technique for multiple shaped beams reflector antennas | |
| RU2801123C2 (en) | Phased array gain decay correction for a mechanically driven hybrid lens antenna | |
| US8314748B2 (en) | Heptagonal antenna array | |
| AU2020406407B2 (en) | Multibeam antenna | |
| Pirinoli et al. | Multifocal approach for reflectarray antenna for DTH applications | |
| Pirinoli et al. | Reflectarray with mechanically steerable beam for DTH application | |
| RU2782177C2 (en) | Lens antenna system | |
| JPH03190305A (en) | Mobile station antenna system | |
| JP2003124740A (en) | Multibeam antenna | |
| AU2015201421B2 (en) | Active electronically scanned array antenna for hemispherical scan coverage | |
| Elliot et al. | Multiple-beam low-profile low-cost antenna | |
| JPH0662614U (en) | Car antenna |