WO2018063038A1 - Многолучевая антенна (варианты) - Google Patents

Многолучевая антенна (варианты) Download PDF

Info

Publication number
WO2018063038A1
WO2018063038A1 PCT/RU2017/050078 RU2017050078W WO2018063038A1 WO 2018063038 A1 WO2018063038 A1 WO 2018063038A1 RU 2017050078 W RU2017050078 W RU 2017050078W WO 2018063038 A1 WO2018063038 A1 WO 2018063038A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
irradiators
focusing system
lens
irradiating device
amplitude
Prior art date
Application number
PCT/RU2017/050078
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Евгений Петрович БАСНЕВ
Анатолий Васильевич ВОВК
Original Assignee
Евгений Петрович БАСНЕВ
Анатолий Васильевич ВОВК
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Петрович БАСНЕВ, Анатолий Васильевич ВОВК filed Critical Евгений Петрович БАСНЕВ
Priority to US16/335,015 priority Critical patent/US11374330B2/en
Publication of WO2018063038A1 publication Critical patent/WO2018063038A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/007—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/17—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source comprising two or more radiating elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/062—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays

Definitions

  • the invention relates to telecommunication multi-beam antenna systems with a focal device consisting of a two-dimensional array of irradiators, in which many beams are simultaneously generated by setting the amplitude-time parameters of the signals for each irradiator.
  • Ka-band multipath antennas for geostationary spacecraft that have a sufficiently large service area, about 12x10 degrees on the Earth’s surface, with a beam width of about 0.25 degrees, with the number of subscriber positions of the rays of 1000-2000, and a gain of less than 55dBi.
  • the number of active channels is approximately an order of magnitude smaller than the positions of the beams, and subscribers are serviced by quickly switching active channels between the positions (beam hopping) with a period of visiting an active position of no more than 125ms (for the possibility of transmitting voice information) and a visit time of 1-12ms (data superframe length )
  • Such beam width and gain can be realized for any traditional reflex antenna circuit with an aperture of about 03 m. But at the same time, due to aberration effects, there is a decrease in the gain by 6 ... 10dB and an increase in the beam width to 0.5 ... 1.0 degrees at the edges of the service area. In addition, the placement of the required number of fixed irradiators for such a service area is almost impossible.
  • the interference lobes can be almost completely removed, since due to the significantly smaller area of the op-amp, the lattice spacing can be reduced.
  • partial irradiators can also be significantly reduced in the far zone of the antenna, since in the zone between the opamp and the focusing system they are not a rotated plane wavefront, but a rotated spherical wavefront and basically go beyond the focusing system.
  • a certain aperiodicity of the placement of partial irradiators can be introduced by placing them on the concave spherical surface of the opamp, providing approximately the same angle of visibility of the focusing system for each partial irradiator.
  • JP 5014193 adopted by the authors as a prototype, an attempt was made to form virtual irradiators, to some extent taking into account the problem of aberration distortions.
  • a focusing system consisting of one or a plurality of reflectors
  • an irradiating device consisting of an array of irradiators, overlapping the radiation zone of the focusing system and located closer or further to the focal point of the focusing system
  • a beam-forming system that controls the amplitude-phase parameters of the irradiators in the subarrays corresponding to each ray.
  • This invention involves the measurement (or calculation) of the amplitude-phase characteristics from the incoming beam for each feed in a subarray limited by the projection of the aperture from the incoming beam on the op-amp surface, and setting these characteristics to the same feeds to form the output beam.
  • phase shifters since the resolution of phase shifters, as a rule, is not exceeds 6-8 bits;
  • a more serious drawback is the lack of criteria for optimizing the geometry of the surfaces of the focusing system and the relative position of the op-amp and the focusing system.
  • power amplifiers for irradiators for a transmitting op amp with subarrays of irradiators (to be discussed below).
  • the objective of the invention is to create a class of antennas, fully or partially free of these disadvantages, while maintaining the main advantages:
  • this problem is solved in that in a multi-beam antenna containing a focusing system, an irradiating device designed to irradiate the focusing system, consisting of a two-dimensional array of irradiators, placed at a distance from the focusing system and overlapping the area of the projections of the rays at this distance, and the formation system rays, while the irradiating device contains at least one subarray of irradiators, providing one beam in a given direction, the focusing system is designed to amplify a single lens, and for each such beam, the beam-forming system provides such amplitude-time parameters of the transmitted radio signal for each irradiator in its subarray in order to form a non-planar wavefront equidistant through the amplification lens to the flat wavefront of such a beam, while the radiating surface of the array of irradiators is outside self-intersection zones of non-planar wave fronts.
  • this problem is solved by the fact that in a multi-beam antenna containing a focusing system, an irradiating device designed to irradiate the focusing system, consisting of a two-dimensional array of irradiators, located at a distance from the focusing system and overlapping the area of the projections of the rays at this distance, and the formation system rays, while the irradiating device contains at least one subarray of irradiators, providing one beam in a given direction, the focusing system is designed as an amplifying lens with partial irradiators containing photodetectors from the side of the irradiating device, and the irradiating device contains irradiators in the form of light sources amplitude-modulated by a radio signal, and for each such beam the beam-forming system provides such amplitude-time radiation parameters for each irradiator in its subarray in order to form a non-planar wavefront of the amplitude-modulated signal equi
  • the refractive surface of the amplification lens can be made as a surface of revolution with a continuous second derivative and an axis of rotation that does not coincide in angle and (or) position with the axes of the amplification lens and (or) the irradiating device.
  • the refracting surface of the amplifying lens can be made as a surface for drawing the generatrix curves with a continuous second derivative.
  • the amplification lens in this invention is interpreted as a two-dimensional array of partial irradiators containing at least a receiving element, a delay line, an amplifier, and a transmitting element.
  • the amplifying lens can be either a transmission lens, with receiving and transmitting elements on different surfaces, or reflective, with receiving and transmitting elements on the same surface.
  • the amplification lens can be transmitting, receiving, or receiving-transmitting. Accordingly, an irradiating device consisting of a two-dimensional array of low-power irradiators can be transmitting, receiving, or receiving-transmitting.
  • the multi-beam antenna in this invention may be a transmitting, receiving, or receiving-transmitting with various variations of the polarization of the radio signal.
  • two versions of a transmit antenna are considered.
  • Variants of the receiving antenna are obtained by inverting the receiving and transmitting elements.
  • each partial irradiator serves more than a hundred positions in the central zone of the OS and about 3-5 positions on the periphery of the OS (or 10-15 positions, if with minor damage to the diagram directivity of peripheral rays to remove weakly involved peripheral irradiators).
  • the nature of the distribution of active subscribers can be very variable (ships and aircraft, road and rail, sparsely populated areas, etc). Therefore, the power consumption of the antenna will need to be calculated on a statistically worse case, and, given the fact that the power consumption of the PA is weakly dependent on the number of rays it serves, the overall antenna efficiency will drop by 10-20 percent. Local gradients of heat release over the op-amp surface are also possible.
  • An antenna with a focusing system in the form of an amplification lens is devoid of this drawback, since all PAs in the partial irradiators of the lens serve all beam positions, with approximately the same amplitude distribution for each beam.
  • low-power amplifiers of the radio signal are used in the op-amp, and the radio-emitting element can be either a horn or a dipole (Option 1).
  • the focusing system can be either a pass-through and a reflective amplifying lens.
  • the amplification lens consists of fairly simple uncontrolled partial irradiators with fixed delay lines and a heat release mode that is practically constant in time and uniform over the surface of the lens. Compared with the prototype, this will significantly reduce the problem of heat loss due to its distance from the OS and the spacecraft, a larger area and increase the temperature of external heat-emitting surfaces to 80-100 degrees.
  • phase shifters cannot be used to deflect a beam. This implies the use of true time delays and a rather complicated system of beam formation, for example, digital.
  • this system can be much simpler due to the fact that it is necessary to analyze signals not from the entire array of partial irradiators, as in classical AFAR (at least a thousand irradiators), but only from a subarray containing 100-200 irradiators for each subscriber position.
  • An antenna circuit is also possible in which the op-amp is located so that it overlaps the intersection zone of the projections of the rays and is not divided into subarrays.
  • Such a scheme is extremely inefficient, since it requires a significantly larger lens size, and for each beam, only a subarray of the lens lattice corresponding to a given aperture is involved.
  • Fig. 1 is a front view of the antenna (Option 1); Fig. 2 is an enlarged fragment A;
  • Fig. 3 is a front view of the antenna (Option 2);
  • Fig. 4 is an enlarged fragment B
  • Fig. 5 is a diagram of the conversion of an electrical signal to provide amplitude-modulated interference
  • the irradiating device 1, its irradiators 2 and the radiating surface 3 formed by the phase centers of the irradiators 2;
  • Non-plane wave fronts equidistant to front 5a
  • the amplifying lens b its emitting surface 7, the receiving surface 8 and the refracting surface 9, approximating the lengths of the delay lines of the partial irradiators of the lens.
  • Fig. 1 and 2 shows an antenna according to Option 1, consisting of an irradiating device 1 with irradiators 2 and an amplification lens b.
  • the irradiating device is made in the form of a concave sphere and the irradiators 2 are directed so as to irradiate the surface 8 as efficiently as possible.
  • Fig. 3 and 4 show an antenna according to Option 2, consisting of an optical irradiating device 1 with irradiators 2 and an amplification lens b.
  • an optical irradiating device 1 with irradiators 2 and an amplification lens b.
  • the optical irradiators 2 due to the simplicity of the optical irradiators 2, it is easy enough to provide an individual direction of each irradiator to the surface 8.
  • Figs. 2 and 4 show the principle of the formation of the wavefront 5c, which is equidistant to the wavefront 5a in a given direction of the beam.
  • Front 5c can be constructed, for example, by backtracking from an arbitrary (up to a constant) plane 5a using the Monte Carlo method.
  • the segment Tn determines the time delay for the irradiator 2n, and the number of trace rays in a certain neighborhood of its phase center, for example, at a distance ⁇ / 2, determines its amplitude.
  • the refracting surface of the focusing system is made as a surface with a continuous second derivative. If the condition for the continuity of the second derivative is not met, the refracted wavefront will begin to intersect immediately, and cannot be reproduced by op-amp irradiators.
  • the refracting surface of the lens can be a surface of rotation, with the axis of rotation not matching both in angle and position with the axis of the lens and / or op-amp.
  • the refracting surface can be formed, for example, by pulling one, generally variable, section along another, guiding section. The only requirement is that the region of self-intersections of the nonplanar front 5d should be outside the radiating surface 3.
  • This provides a sufficiently large flexibility in optimizing the optical design of the antenna for various configurations of the service area and layout of the spacecraft.
  • the antennas in both versions practically do not differ from the known schemes of lens antennas.
  • wider possibilities for optimizing the geometry of the antenna facilitate its integration into the layout of the spacecraft.
  • the signals 501 and 509 in this scheme are interpreted taking into account the time delays of the focusing system and the beam forming system for a given beam direction. If there is a phase mismatch (in the context of the invention, in time) of the signals 501, then due to the bias minus AVs, the signals 508 and 509 will approach zero (in accordance with the antenna pattern).

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Изобретение относится к телекоммуникационным многолучевым антенным системам с фокальным устройством, состоящем из двумерного массива облучателей, в котором одновременно генерируется множество лучей посредством задания амплитудно- временных параметров сигналов для каждого облучателя. Многолучевая антенна, содержащая фокусирующую систему, состоящую из усилительной линзы (6), облучающее устройство (1), предназначенное для облучения усилительной линзы, состоящее из двумерного массива облучателей (2), размещенное на расстоянии от усилительной линзы и перекрывающее зону проекций лучей на этом расстоянии, и систему формирования лучей, при этом облучающее устройство содержит, по крайней мере, один подмассив облучателей, обеспечивающий один луч в заданном направлении. При этом для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно-временные параметры передаваемого сигнала для каждого облучателя в его подмассиве, чтобы сформировать неплоский волновой фронт (5b), эквидистантный через усилительную линзу плоскому волновому фронту (5a) такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов (5d). Технический результат заключается в обеспечении большого количества активных лучей.

Description

Многолучевая антенна (варианты)
Изобретение относится к телекоммуникационным многолучевым антенным системам с фокальным устройством, состоящем из двумерного массива облучателей, в котором одновременно генерируется множество лучей посредством задания амплитудно- временных параметров сигналов для каждого облучателя.
В настоящий момент существует потребность в многолучевых антеннах Ка-диапазона для геостационарных космических аппаратов, которые имеют достаточно большую зону обслуживания, около 12x10 градусов на поверхности Земли, с шириной лучей около 0.25 градуса, с количеством абонентских позиций лучей 1000-2000, и коэффициентом усиления не менее 55dBi.
При этом количество активных каналов примерно на порядок меньше позиций лучей а обслуживание абонентов производится быстрым переключением активных каналов между позициями (beam hopping) с периодом посещения активной позиции не более 125мс (для возможности передачи голосовой информации) и временем посещения 1-12мс (длина суперфрейма данных) .
Такую ширину луча и коэффициент усиления, на небольших углах отклонения луча, можно реализовать для любой традиционной схемы рефлекторной антенны с апертурой около 03м. Но при этом, за счет аберрационных эффектов, существует падение коэффициента усиления на 6...10dB и увеличение ширины лучей до 0.5...1.0 градуса на краях зоны обслуживания. Кроме того, размещение необходимого количества фиксированных облучателей для такой зоны обслуживания практически невозможно.
Такую ширину луча и произвольное количество позиций лучей можно реализовать в АФАР, но обеспечить требуемый коэффициент усиления и минимизацию интерференционных лепестков (grating lobes) можно двумя взаимно исключающими способами:
Или практически полностью избавиться от интерференционных лепестков, что предполагает слабо направленные парциальные облучатели с шагом решетки около одной длины волны. При этом будет незначительное, не более 1...3dB падение на краях зоны обслуживания, но решетка с апертурой 03м и шагом гексагональной сетки равной длине волны (на передачу, 20GHz) должна иметь около 36 тысяч парциальных облучателей. При существующем уровне техники это практически невозможно.
Или использовать высоконаправленные парциальные облучатели диаметром 4-8 длин волн. Но у решетки с такими облучателями будет падение усиления на краях зоны обслуживания, около 6...8dB, а интерференционные лепестки становятся неприемлемо мощными и даже могут превышать уровень основного луча при больших отклонениях. Использование апериодической решетки с высоконаправленными парциальными облучателями, например кольцевой, несколько улучшают положение с интерференционными лепестками, "размазывая" их по кольцевой области и снижая их уровень на 15...20dB. Но при крайних отклонениях луча эта кольцевая область все равно может попасть на поверхность Земли, что весьма нежелательно. Кроме того, существует проблема засветки спутников на противоположной стороне геостационарной орбиты. Тем не менее, подобный вариант фазированной решетки может быть хорошим компромиссом, особенно если удастся сделать такую решетку неуправляемой.
Известны различные схемы рефлекторных антенн с облучающим устройством (ОУ) на базе фазированной решетки (Phased Array Feed Reflector, PAFR) . Преимуществом таких схем является то, что достаточно простое фокусирующее устройство обеспечивает необходимую апертуру, а трудно реализуемая активная фазированная решетка имеет небольшие размеры. Такая решетка может формировать множество фокальных центров излучения (виртуальные облучатели) , используя определенные подмассивы парциальных облучателей.
В таком ОУ можно практически полностью убрать интерференционные лепестки, так как благодаря значительно меньшей площади ОУ можно уменьшить шаг решетки.
Также их можно существенно снизить в дальней зоне антенны, так как в зоне между ОУ и фокусирующей системой они представляют из себя не повернутый плоский волновой фронт, а повернутый сферический волновой фронт и в основном уходят за пределы фокусирующей системы. Кроме того, определенную апериодичность размещения парциальных облучателей можно внести размещением их на вогнутой сферической поверхности ОУ, обеспечивающей приблизительно одинаковый угол видимости фокусирующей системы для каждого парциального облучателя.
Но эта схема не устраняет главный недостаток систем с фокусирующей системой и точечным облучателем. Все они имеют оптические аберрации (в основном кома) , и могут реализовать достаточно маленькую зону обслуживания с заданными параметрами лучей .
В изобретении [JP 5014193], принятом авторами за прототип, сделана попытка формирования виртуальных облучателей, в какой-то мере учитывающих проблему аберрационных искажений.
В этом изобретении имеется фокусирующая система, состоящая из одного или множества рефлекторов, облучающее устройство, состоящее из массива облучателей, перекрывающее зону излучения фокусирующей системы и размещенное ближе или дальше фокусной точки фокусирующей системы, и система формирования лучей, управляющая амплитудно-фазовыми параметрами облучателей в подмассивах, соответствующих каждому лучу. Это изобретение предполагает измерение (или расчет) амплитудно-фазовых характеристик от входящего луча для каждого облучателя в подмассиве, ограниченном проекцией апертуры от входящего луча на поверхности ОУ, и задание этих характеристик этим же облучателям для формирования исходящего луча.
Недостатком такого способа является то, что простое определение и задание фазы (сдвига фазы) для каждого облучателя приведет к общим проблемам всех фазированных решеток на фазовращателях :
- низкая точность позиционирования лучей и большая фазовая ошибка, так как разрядность фазовращателей, как правило, не превышает 6-8 бит;
- межсимвольная интерференция, что приведет к значительному снижению ширины полосы пропускания сигнала;
- зависимость угла отклонения луча от частоты, что приведет к "размазыванию" диаграммы направленности по спектру модулированной несущей частоты - аналог хроматической аберрации в оптике .
Впрочем, благодаря относительно небольшому размеру решетки, эти проблемы можно устранить системой формирования лучей с истинными временными задержками, что и предполагается в данном изобретении .
Более серьезным недостатком являются отсутствие критериев для оптимизации геометрии поверхностей фокусирующей системы и взаимного расположения ОУ и фокусирующей системы. Также существует проблема с усилителями мощности облучателей для передающего ОУ с подмассивами облучателей (будет рассмотрено ниже) .
Задачей данного изобретения является создание класса антенн, полностью или частично свободных от указанных недостатков, при сохранении главных преимуществ:
- разделение задач "формирование лучей", "обеспечение необходимой апертуры" и "обеспечение мощности";
- обеспечение большого количества активных лучей.
В первом варианте данная задача решается тем, что в многолучевой антенне, содержащей фокусирующую систему, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенное на расстоянии от фокусирующей системы и перекрывающее зону проекций лучей на этом расстоянии, и систему формирования лучей, при этом облучающее устройство содержит, по крайней мере, один подмассив облучателей, обеспечивающий один луч в заданном направлении, фокусирующая система выполнена как усилительная линза, и для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно-временные параметры передаваемого радиосигнала для каждого облучателя в его подмассиве, чтобы сформировать неплоский волновой фронт, эквидистантный через усилительную линзу плоскому волновому фронту такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов .
Во втором варианте данная задача решается тем, что в многолучевой антенне, содержащей фокусирующую систему, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенное на расстоянии от фокусирующей системы и перекрывающее зону проекций лучей на этом расстоянии, и систему формирования лучей, при этом облучающее устройство содержит, по крайней мере, один подмассив облучателей, обеспечивающий один луч в заданном направлении, фокусирующая система выполнена как усилительная линза с парциальными облучателями, содержащими фотоприемники со стороны облучающего устройства, а облучающее устройство содержит облучатели в виде источников светового излучения, амплитудно-модулированного радиосигналом, и для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно-временные параметры излучения для каждого облучателя в его подмассиве, чтобы сформировать неплоский волновой фронт амплитудно-модулированного сигнала, эквидистантный через усилительную линзу плоскому волновому фронту такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов .
В обоих вариантах преломляющая поверхность усилительной линзы может быть выполнена как поверхность вращения с непрерывной второй производной и осью вращения, не совпадающей по углу и (или) положению с осями усилительной линзы и (или) облучающего устройства. Также преломляющая поверхность усилительной линзы может быть выполнена как поверхность протягивания образующих кривых с непрерывной второй производной.
Усилительная линза в данном изобретении трактуется как двумерный массив парциальных облучателей, содержащих, как минимум, приемный элемент, линию задержки, усилитель, и передающий элемент. Усилительная линза может быть как проходной, с приемными и передающими элементами на разных поверхностях, так и отражательной, с приемными и передающими элементами на одной поверхности. Усилительная линза может быть передающей, приемной, или приемо-передающей . Соответственно, облучающее устройство, состоящее из двумерного массива маломощных облучателей, может быть передающим, приемным, или приемо- передающим.
Многолучевая антенна в этом изобретении может быть передающей, приемной, или приемо-передающей с различными вариациями поляризации радиосигнала. В данном описании рассмотрены два варианта передающей антенны. Варианты приемной антенны получаются инверсией приемных и передающих элементов.
Понятие "эквидистанта" трактуется как отображение волнового фронта 5с в волновой фронт 5а через некоторую константу времени.
Особенности твердотельных усилителей мощности (УМ) накладывают некоторые ограничения на использование прототипа в передающих антеннах. Дело в том, что мощные транзисторы имеют, как правило, нормально-открытый канал. При этом потребление энергии при отсутствии сигнала на входе практически не уменьшается, а время выхода на линейный режим соизмеримо со временем между посещениями скачущим лучом (beam hopping) какой- либо позиции. Соответственно, если имеется лучевая позиция с минимум одним абонентом, все парциальные облучатели в подмассиве для этой позиции должны быть постоянно включены. Разумеется, каждый парциальный облучатель обслуживает более сотни позиций в центральной зоне ОУ и около 3-5 позиций на периферии ОУ (или 10- 15 позиций, если с незначительным ущербом для диаграммы направленности периферийных лучей убрать слабо задействованные периферийные облучатели) .
Но характер распределения активных абонентов может быть весьма изменчивым (морские и воздушные суда, автомобильный и железнодорожный транспорт, малонаселенные районы, etc) . Поэтому энергопотребление антенны надо будет рассчитывать на статистически худший случай, и, с учетом того, что энергопотребление УМ слабо зависит от количества обслуживаемых им лучей, общий КПД антенны упадет на 10-20 процентов. Также возможны локальные градиенты тепловыделения по поверхности ОУ.
Этого недостатка лишена антенна с фокусирующей системой в виде усилительной линзы, так как все УМ в парциальных облучателях линзы обслуживают все лучевые позиции, с примерно одинаковым амплитудным распределением для каждого луча. При этом в ОУ используются маломощные усилители радиосигнала, а радиоизлучающий элемент может быть как рупорным, так и дипольным (Вариант 1 ) .
Кроме того, появляется возможность использовать маломощный, амплитудно-модулированный радиосигналом, оптический канал между ОУ и фокусирующей системой (Вариант 2) . При этом фокусирующая система может быть как проходной, так и отражательной усилительной линзой.
Большим преимуществом данного изобретения является то, что усилительная линза состоит из достаточно простых неуправляемых парциальных облучателей с фиксированными линиями задержки и практически постоянным по времени и равномерным по поверхности линзы режимом тепловыделения. По сравнению с прототипом, это позволит значительно снизить проблему сброса тепла за счет ее удаленности от ОУ и космического аппарата, большей площади и повышения температуры внешних теплоизлучающих поверхностей до 80-100 градусов.
Выше было отмечено, что в телекоммуникационных антеннах нельзя использовать фазовращатели для отклонения луча. Это предполагает применение истинных временных задержек и достаточно сложную систему формирования лучей, например цифровую. В данном изобретении эта система может быть значительно проще благодаря тому, что необходимо анализировать сигналы не от всей решетки парциальных облучателей, как в классических АФАР (не менее тысячи облучателей) , а только от подмассива, содержащего 100-200 облучателей для каждой абонентской позиции.
Возможна также схема антенны, в которой ОУ расположено так, что перекрывает зону пересечения проекций лучей и не делится на подмассивы. Такая схема крайне неэффективна, так как требуют существенно большего размера линзы, и для каждого луча задействован только подмассив решетки линзы, соответствующий заданной апертуре.
Далее изобретение раскрывается более подробно с
использованием графических материалов, где:
Фиг .1 - фронтальный вид антенны (Вариант 1 ) ; Фиг .2 - увеличенный фрагмент А;
Фиг .3 - фронтальный вид антенны (Вариант 2);
Фиг .4 - увеличенный фрагмент В;
Фиг .5 - схема преобразований электрического сигнала для обеспечения интерференции амплитудно-модулированного
оптического сигнала.
Для простоты восприятия, у обоих вариантов антенн общими являются следующие обозначения:
Облучающее устройство 1, его облучатели 2 и излучающая поверхность 3, образованная фазовыми центрами облучателей 2 ;
Апертуры 4, 5 для углов отклонения 0, а;
Плоские волновые фронты 4а, 5а, соответствующие апертурам 4, 5;
Неплоские волновые фронты, эквидистантные фронту 5а:
• 5Ь - на выходе из излучающей поверхности 3 (волновой фронт касается поверхности 3 в точке К1);
• 5с - на входе в излучающую поверхность 3 (волновой фронт касается поверхности 3 в точке К2 ) ;
• 5d - в зоне самопересечения волновых фронтов;
Облучатель 2п и отрезок Тп, определяющий его временную задержку .
Усилительная линза б, ее излучающая поверхность 7, приемная поверхность 8 и преломляющая поверхность 9, аппроксимирующая длины линий задержки парциальных облучателей линзы.
На Фиг .1 и 2 показана антенна по Варианту 1, состоящая из облучающего устройства 1 с облучателями 2 и усилительной линзы б. Облучающее устройство выполнено в виде вогнутой сферы и облучатели 2 направлены так, чтобы максимально эффективно облучать поверхность 8.
На Фиг .3 и 4 показана антенна по Варианту 2, состоящая из оптического облучающего устройства 1 с облучателями 2 и усилительной линзы б. В этом варианте, за счет простоты оптических облучателей 2, достаточно легко обеспечить индивидуальное направление каждого облучателя на поверхность 8.
На Фиг .2 и 4 показан принцип формирования волнового фронта 5с, эквидистантного волновому фронту 5а в заданном направлении луча .
Фронт 5с можно построить, например, обратной трассировкой от произвольной (с точностью до константы) плоскости 5а методом Монте-Карло. При этом отрезок Тп определяет временную задержку для облучателя 2п, а количество трассировочных лучей в некоторой окрестности его фазового центра, например, на расстоянии λ/2, - его амплитуду. Таким образом, можно определить амплитудно- временные параметры всего подмассива облучателей для заданного направления луча.
В обоих вариантах преломляющая поверхность фокусирующей системы выполнена как поверхность с непрерывной второй производной. Если не соблюдается условие непрерывности второй производной, преломленный волновой фронт начнет сразу самопересекаться, и не может быть воспроизведен облучателями ОУ.
Необходимо отметить, что в контексте данного изобретения сами понятия "фокальная точка" и "фокальная поверхность" теряют смысл. При этом преломляющая поверхность линзы может быть поверхностью вращения, с осью вращения не совпадающей как по углу, так и по положению с осями линзы и/или ОУ. Более того, преломляющая поверхность может образовываться, например, протяжкой одного, в общем случае переменного, сечения по другому, направляющему сечению. Единственное требование - область самопересечений неплоского фронта 5d должна быть вне излучающей поверхности 3.
При этом обеспечивается достаточно большая гибкость в оптимизации оптической схемы антенны для различных конфигураций зоны обслуживания и компоновки космического аппарата.
Осуществление изобретения может быть выполнено следующим образом:
Конструктивно, антенны в обоих вариантах практически не отличаются от известных схем линзовых антенн. При этом более широкие возможности оптимизации геометрии антенны облегчают ее интеграцию в компоновку космического аппарата.
В процессе оптимизации производится трассировка лучей от произвольных плоскостей 5а в направлениях от заданных абонентских позиций и определяются:
геометрия линзы б, ее преломляющей поверхности 9, и облучающего устройства 1 ;
амплитудно-временные параметры для каждого излучателя 2 в каждом направлении.
В дальнейшем, эти таблицы амплитудно-временных параметров, после некоторых корректировок в результате испытаний и эксплуатации антенны, используются системой формирования лучей.
Все вышесказанное вполне очевидно, в контексте геометрической оптики и интерференции радиоволн, для Варианта 1. В Варианте 2 на участке между поверхностями 3 и 8 задействовано оптическое излучение, амплитудно-модулированное радиосигналом. На Фиг .5 показан принцип преобразований электрического сигнала для обеспечения интерференции амплитудно-модулированного оптического сигнала:
501 - входящие сигналы:
приемная антенна - радиоизлучение от заданного
направления на входе приемников парциальных усилителей линзы;
передающая антенна - электрические сигналы на входе облучателей облучающего устройства от системы
формирования лучей для заданного направления;
502 - электрические сигналы до преобразования;
503 - смещение сигналов на величину AVl...AVn;
504 - амплитудно-модулированное излучение оптических
облучателей; 505 - световое излучение между линзой и фокальным устройством; 506 - световое излучение на фотоприемнике (интерференция по
амплитуде светового потока) ;
507 - электрический сигнал от фотоприемника;
508 - смещение сигнала на величину минус AVs;
509 - выходящий сигнал:
приемная антенна - электрический сигнал от заданного направления на вход ретранслятора;
передающая антенна - радиоизлучение для каждого
парциального усилителя линзы для заданного направления.
Разумеется, сигналы 501 и 509 в этой схеме трактуются с учетом временных задержек фокусирующей системы и системы формирования лучей для заданного направления луча. Если есть несовпадение по фазе (в контексте изобретения - по времени) сигналов 501, то за счет смещения минус AVs, сигналы 508 и 509 будут приближаться к нулю (в соответствии с диаграммой направленности антенны) .
Таким образом, принципы интерференции и геометрической оптики в Варианте 2 полностью совпадают с Вариантом 1.
Применение активной фазированной решетки в качестве облучающего устройства для усилительной линзы с формированием неплоских волновых фронтов, эквидистантных плоским волновым фронтам в заданных направлениях позволит достичь следующих преимуществ :
- упрощение системы формирования лучей;
- уменьшение размеров антенны за счет "короткофокусности" линзы;
обеспечение большой зоны обслуживания, с минимальными потерями коэффициента усиления и ширины лучей;
- обеспечение большого количества активных лучей;
обеспечение благоприятного теплового режима антенны и космического аппарата;
обеспечение большой гибкости в оптимизации оптической схемы антенны.
Таким образом, все задачи данного изобретения выполнены.
Литература
Патент JP 5014193 (прототип
Патент ЕР 2221919
Патент US 3984840
Патент US 5280297
Патент US 5959578
Патент US 6147656
Патент US 7889129
Заявка RU 2015157178

Claims

Формула изобретения
1. Многолучевая антенна, содержащая фокусирующую систему, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенное на расстоянии от фокусирующей системы и перекрывающее зону проекций лучей на этом расстоянии, и систему формирования лучей, при этом облучающее устройство содержит, по крайней мере, один подмассив облучателей, обеспечивающий один луч в заданном направлении, отличающаяся тем, что, фокусирующая система выполнена как усилительная линза, и для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно- временные параметры передаваемого сигнала для каждого облучателя в его подмассиве, чтобы сформировать неплоский волновой фронт, эквидистантный через усилительную линзу плоскому волновому фронту такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов .
2. Многолучевая антенна, содержащая фокусирующую систему, облучающее устройство, предназначенное для облучения фокусирующей системы, состоящее из двумерного массива облучателей, размещенное на расстоянии от фокусирующей системы и перекрывающее зону проекций лучей на этом расстоянии, и систему формирования лучей, при этом облучающее устройство содержит, по крайней мере, один подмассив облучателей, обеспечивающий один луч в заданном направлении, отличающаяся тем, что, фокусирующая система выполнена как усилительная линза с парциальными облучателями, содержащими фотоприемники со стороны облучающего устройства, а облучающее устройство содержит облучатели в виде источников светового излучения, амплитудно-модулированного радиосигналом, и для каждого такого луча система формирования лучей обеспечивает такие амплитудно-временные параметры излучения для каждого облучателя в его подмассиве, чтобы сформировать неплоский волновой фронт амплитудно-модулированного сигнала, эквидистантный через усилительную линзу плоскому волновому фронту такого луча, при этом излучающая поверхность массива облучателей находится вне зоны самопересечения неплоских волновых фронтов .
3. Многолучевая антенна по любому из пп.1,2, отличающаяся тем, что преломляющая поверхность усилительной линзы выполнена как поверхность вращения с непрерывной второй производной и осью вращения, не совпадающей по углу и (или) положению с осями усилительной линзы и (или) облучающего устройства.
4. Многолучевая антенна по любому из пп.1,2, отличающаяся тем, что преломляющая поверхность усилительной линзы выполнена как поверхность протягивания образующих кривых с непрерывной второй производной .
PCT/RU2017/050078 2016-10-01 2017-08-21 Многолучевая антенна (варианты) WO2018063038A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/335,015 US11374330B2 (en) 2016-10-01 2017-08-21 Multi-beam antenna (variants)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016138755A RU2642512C1 (ru) 2016-10-01 2016-10-01 Многолучевая антенна
RU2016138755 2016-10-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018063038A1 true WO2018063038A1 (ru) 2018-04-05

Family

ID=61023895

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/050078 WO2018063038A1 (ru) 2016-10-01 2017-08-21 Многолучевая антенна (варианты)

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11374330B2 (ru)
RU (1) RU2642512C1 (ru)
WO (1) WO2018063038A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4203105A (en) * 1978-05-17 1980-05-13 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Scanable antenna arrangements capable of producing a large image of a small array with minimal aberrations
US4965587A (en) * 1988-03-18 1990-10-23 Societe Anonyme Dite: Alcatel Espace Antenna which is electronically reconfigurable in transmission
RU2084059C1 (ru) * 1994-01-24 1997-07-10 Акционерное общество открытого типа "Московский научно-исследовательский институт радиосвязи" Многолучевая антенна сверхвысоких частот
JP2009200704A (ja) * 2008-02-20 2009-09-03 Mitsubishi Electric Corp アレーアンテナの励振方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5014193B1 (ru) 1970-05-09 1975-05-26
US3984840A (en) 1975-07-17 1976-10-05 Hughes Aircraft Company Bootlace lens having two plane surfaces
US5280297A (en) 1992-04-06 1994-01-18 General Electric Co. Active reflectarray antenna for communication satellite frequency re-use
US5576721A (en) * 1993-03-31 1996-11-19 Space Systems/Loral, Inc. Composite multi-beam and shaped beam antenna system
US5959578A (en) 1998-01-09 1999-09-28 Motorola, Inc. Antenna architecture for dynamic beam-forming and beam reconfigurability with space feed
US6147656A (en) 1999-04-01 2000-11-14 Space Systems/Loral, Inc. Active multiple beam antennas
US7205949B2 (en) * 2005-05-31 2007-04-17 Harris Corporation Dual reflector antenna and associated methods
KR100971096B1 (ko) 2005-06-09 2010-07-20 맥도널드, 디트윌러 앤드 어소시에이츠 엘티디. 경량의 공간-피딩된 능동 위상 어레이 안테나 시스템
IT1392314B1 (it) 2008-12-18 2012-02-24 Space Engineering Spa Antenna a lente discreta attiva aperiodica per coperture satellitari multifascio
US9373896B2 (en) 2013-09-05 2016-06-21 Viasat, Inc True time delay compensation in wideband phased array fed reflector antenna systems
RU2626023C2 (ru) 2015-12-31 2017-07-21 Евгений Петрович Баснев Многолучевая антенна

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4203105A (en) * 1978-05-17 1980-05-13 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Scanable antenna arrangements capable of producing a large image of a small array with minimal aberrations
US4965587A (en) * 1988-03-18 1990-10-23 Societe Anonyme Dite: Alcatel Espace Antenna which is electronically reconfigurable in transmission
RU2084059C1 (ru) * 1994-01-24 1997-07-10 Акционерное общество открытого типа "Московский научно-исследовательский институт радиосвязи" Многолучевая антенна сверхвысоких частот
JP2009200704A (ja) * 2008-02-20 2009-09-03 Mitsubishi Electric Corp アレーアンテナの励振方法

Also Published As

Publication number Publication date
RU2642512C1 (ru) 2018-01-25
US11374330B2 (en) 2022-06-28
US20190252793A1 (en) 2019-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10903565B2 (en) Architectures and methods for novel antenna radiation optimization via feed repositioning
US8354956B2 (en) Space segment payload architecture for mobile satellite services (MSS) systems
US8576132B2 (en) Metamaterial lens feed for multiple beam antennas
US6456252B1 (en) Phase-only reconfigurable multi-feed reflector antenna for shaped beams
US9054414B2 (en) Antenna system for low-earth-orbit satellites
JP3089088B2 (ja) 宇宙の分野における有効負荷のアーキテクチャ
Toso et al. Multibeam antennas based on phased arrays: An overview on recent ESA developments
KR101918138B1 (ko) 조정 가능한 스포트라이트 빔을 가진 셀룰러 어레이
JPH01276803A (ja) 電子走査アンテナ
Dubok et al. Double-reflector configuration for optimal exposure of wideband focal-plane arrays with optical beamforming
RU2623652C1 (ru) Многолучевая антенна (варианты)
RU2642512C1 (ru) Многолучевая антенна
RU2626023C2 (ru) Многолучевая антенна
Dubovitskiy Practical design considerations for sparse antenna array using reflector antenna with continuously adjustable phase Center displacement
Dubok et al. Extreme scanning double shaped-reflector antenna with multiple interactions for focal plane array applications
Ruggerini et al. An innovative multibeam antenna based on an active aperiodic lens
Ruggerini et al. An aperiodic active lens for multibeam satellite applications: From the design to the breadboard manufacturing and testing
CA3160748C (en) Multibeam antenna
Kehn et al. Characterization of dense focal plane array feeds for parabolic reflectors in achieving closely overlapping or widely separated multiple beams
Rahimian Microwave beamforming networks employing Rotman lenses and cascaded Butler matrices for automotive communications beam scanning electronically steered arrays
Ruggerini et al. A discrete aperiodic active lens for multibeam satellite applications
JPH10242749A (ja) マルチビーム反射鏡アンテナ
CN113937498B (zh) 一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法
Ruggerini et al. A single aperture active aperidic lens for multibeam satellite applications
Legay et al. Analysis, design and measurements on an active focal array fed reflector

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17856896

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17856896

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1