ПОЛЕЗНЫЙ ГРУЗ СПУТНИКА СВЯЗИ (ВАРИАНТЫ), БЛОК ПЕРЕДАЮЩЕЙ АНТЕННЫ С ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЕТКОЙ (ВАРИАНТЫ) И БЛОК ПРИЕМНОЙ АНТЕННЫ С ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЕТКОЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК H04B7/185 H01Q3/22 

Данное изобретение относится в целом к системам связи и в частности к аппаратуре связи, размещаемой на спутниковых платформах.

При проектировании аппаратуры связи для базируемых в космическом пространстве платформ учитываются следующие важные параметры: вес, сложность аппаратуры и потребляемая ею мощность. Дальнейшие соображения связаны с минимизацией потерь в сигналах, принимаемых от наземных станций (линия связи Земля-спутник) и посылаемых к наземным станциям (линия связи спутник-Земля). Например, в обычных передатчиках, содержащих фазированные антенные решетки, могут иметь место существенные потери в пределах системы формирования луча, которая расположена между выходами усилителей мощности и входами фазированных решеток антенн.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание полезного груза спутников связи, состоящего из аппаратуры меньшей сложности и с меньшим потреблением мощности по сравнению с известными ранее системами.

Другой целью настоящего изобретения является создание полезного груза спутников связи, в котором формирование луча осуществляется до оконечного усиления передаваемых сигналов и, тем самым, уменьшаются потери в аппаратуре формирования луча.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание полезного груза спутников связи, в котором используются многоэлементные фазированные решетки приемных антенн и многоэлементные фазированные решетки передающих антенн, причем каждый элемент каждой фазированной решетки используется для каждого луча из множества принимаемых или передаваемых лучей.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание полезного груза спутников связи, в котором используются приемная антенна с многоэлементной фазированной решеткой и передающая антенна с многоэлементной фазированной решеткой, причем наличная мощность предоставляется конкретному лучу в линии связи спутник-Земля в зависимости от мощности соответствующего луча линии связи Земля-спутник в соответствии с потребностью в мощности, что избавляет от необходимости использовать команды и управляющие логические схемы,
Перечисленные выше и другие цели изобретения достигаются в полезном грузе спутников связи, выполненном и работающем в соответствии с настоящим изобретением.

Настоящее изобретение относится к полезному грузу спутников связи, который предназначен для эффективной связи между, например, множеством переносных сотовых телефонов или других радиотелефонов и наземными станциями межсетевого сопряжения, которые могут быть соединены с международными телефонными и телеграфными сетями общего пользования. Аппаратура, образующая полезный груз спутника, согласно настоящему изобретению формирует одновременно множество независимых антенных лучей, например 12 или 16 лучей, как по линии связи Земля-спутник, так и по линии связи спутник-Земля от сотовых телефонов, используя полную дуплексную связь. Кроме того, эта аппаратура обеспечивает идентичное число полных дуплексных каналов между наземными станциями межсетевого сопряжения и спутником. В наиболее предпочтительной на сегодняшний день реализации настоящего изобретения этот полезный груз находится на одном из множества таких спутников связи, находящихся на низкой околоземной орбите с целью обеспечения связи в пределах всего земного шара.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается полезный груз искусственного спутника в виде аппаратуры для использования в системах связи. Полезный груз включает приемную антенну с фазированной решеткой, имеющую множество (n) приемных элементов для приема высокочастотных (ВЧ) сигналов в пределах первой полосы частот.

Имеется также множество (m) формирователей лучей в линии связи Земля-спутник, вход каждого из которых соединен с каждым из множества приемных элементов, для формирования m лучей в линии связи Земля-спутник по ВЧ сигналам, принятым приемной антенной с фазированной решеткой.

Полезный груз включает схему связи с наземной станцией, вход которой соединен с выходом формирователя лучей в линии связи Земля- спутник, для преобразования m лучей линии связи Земля-спутник в ВЧ сигналы в пределах второй полосы частот. Схема связи с наземной станцией включает схему и антенну для передачи ВЧ сигналов на наземную станцию и для приема ВЧ сигналов от наземной станции. Передаваемые и принимаемые ВЧ сигналы лежат в пределах второй полосы частот.

Далее, полезный груз включает формирователь лучей в линии связи спутник- Земля, вход которого соединен с выходом электрической схемы связи с наземной станцией для формирования m лучей в линии связи спутник-Земля по ВЧ сигналам, принятым от наземной станции. Эти m лучей в линии связи спутник-Земля формируются в пределах третьей полосы частот. Передающая антенна с фазированной решеткой имеет множество передающих элементов для передачи m лучей в линии связи спутник-Земля в виде ВЧ сигналов в пределах третьей полосы частот. Каждый передающий элемент имеет связанный с ним усилитель мощности, при этом вход каждого усилителя мощности соединен с выходом формирователя в линии связи спутник-Земля, а выход соединен с одним из передающих элементов. Таким образом, формирование луча в линии связи спутник-Земля осуществляется до оконечного усиления.

В наиболее предпочтительной на сегодняшний день реализации настоящего изобретения первая полоса частот находится в диапазоне L, вторая полоса частот находится в диапазоне C и третья полоса частот находится в диапазоне S.

В соответствии с реализацией настоящего изобретения каждый из приемных элементов имеет множество соединенных с ним приемных усилителей, вход каждого из которых соединен со свободным пространством у одного из приемных элементов. Подобным же образом, выход каждого усилителя мощности соединен со свободным пространством у одного из передающих элементов передающей антенны с фазированной решеткой.

Далее, в соответствии с настоящим изобретением каждому из m лучей в линии связи Земля-спутник соответствует луч в линии связи спутник-Земля, облучающий тот же участок Земли, откуда приходит луч линии связи Земля-спутник, а уровень мощности соответствующего луча в линии связи спутник-Земля зависит от уровня мощности луча в линии связи Земля-спутник.

В еще одной реализации изобретения приемная и передающая антенны с фазированной решеткой изготавливаются каждая посредством технологии многослойных схем, а приемные и передающие элементы представляют собой каждый электропроводящую площадку, расположенную на поверхности многослойной печатной платы. Двухрезонаторный фильтр электрически соединен с каждой из площадок, причем эти фильтры образованы в нижних слоях многослойной печатной платы.

Указанные выше и другие особенности изобретения станут более очевидными из прилагаемых чертежей, где на фиг. 1 представлен пример системы связи в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2а приведены основные функциональные элементы аппаратуры, представляющей полезный груз искусственного спутника для систем связи по настоящему изобретению; на фиг. 2b представлена блок-схема полезного груза спутника связи согласно фиг. 2а, который выполнен и функционирует в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 3a-3c более детально представлен один из излучателей передающей фазированной антенной решетки, изображенной на фиг. 2, в частности, фиг. 3а представляет собой вид сбоку на один из элементов передающей фазированной решетки, фиг. 3b - вид сверху, а фиг. 3c схематично иллюстрирует использование четырех усилителей, которые смещены один относительно другого по дуге на 90^o; на фиг. 3d представлен вид сверху на отдельный элемент фазированной решетки приемной антенны с двумя приемными усилителями; на фиг. 4a и 4b более детально иллюстрируется вся конструкция передающей фазированной решетки, изображенной на фиг. 2; на фиг. 5 представлен профиль зоны действия 12-лучевой фазированной антенной решетки; на фиг. 6a изображен вид сверху, показывающий пример выполнения двухканального сумматора/делителя мощности; на фиг. 6b представлена блок-схема схемы формирования лучей, которая состоит из множества сумматоров/делителей мощности, изображенных на фиг. 6а; на фиг. 7 представлена реализация настоящего изобретения, в которой используются излучающие площадки для фазированных решеток приемной и передающей антенн; на фиг. 8 представлен вид сбоку с вырывом на часть многослойной платы с излучающей площадкой, изображенной на фиг. 7, в частности, показана излучающая площадка и связанный с ней двухрезонаторный фильтр; на фиг. 9 представлено поперечное сечение многослойной платы, на котором видны излучающая площадка, двухрезонаторный фильтр, изображенные на фиг. 8, а также дополнительные слои, которые обеспечивают соединения с обслуживающими цепями.

Фиг. 1 иллюстрирует пример системы связи, для работы в которой, предназначена аппаратура, представляющая собой полезный груз спутника связи. Концептуально, система 10 связи может быть разделена на несколько сегментов 1, 2, 3 и 4. В дальнейшем сегмент 1 будем называть космическим сегментом, сегмент 2 - сегментом пользователей, сегмент 3 - наземным сегментом и сегмент 4 - сегментом инфраструктуры телефонной системы. Настоящее изобретение относится прежде всего к космическому сегменту 1, в частности, к аппаратуре связи, составляющей полезный груз 12, который несет один из искусственных спутников 12а, выведенных на низкую околоземную орбиту.

Сегмент 2 пользователя включает большое число видов оборудования, предназначенного для связи со спутниками 12. В это оборудование пользователей входит, например, множество различного типа устройств 13, которое включает радиотелефоны 14, подвижные радиотелефоны 15 и приборы 16 поискового вызова и передачи информации, хотя и не ограничивается только этими аппаратами. Устройства пользователей могут работать в полном дуплексном режиме и связываться с полезными грузами 12а спутников посредством канала связи в ВЧ L-диапазоне (линия связи Земля-спутник) и канала связи в ВЧ S-диапаэоне (линия связи спутник- Земля). Линии связи Земля-спутник в ВЧ L-диапазоне функционируют в диапазоне частот 1.61 - 1.6265 ГГц с полосой частот 16.5 МГц и модулируются речевыми сигналами и/или служебными сигналами, определенными для спутниковой связи в соответствии с методом расширения спектра. Линии связи спутник-Земля в ВЧ S-диапазоне функционируют в диапазоне частот 2.4835 - 2.5 ГГц с полосой частот 16.5 МГц. ВЧ линии 17 связи Земля-спутник и спутник-Земля модулируются речевыми сигналами и/или служебными сигналами, определенным для спутниковой связи, в соответствии с методом расширения спектра.

Наземный сегмент 3 включает множество станций 18 межсетевого сопряжения, которые осуществляют связь со спутниками 12а посредством дуплексного ВЧ канала 19 связи в C-диапазоне, функционирующего в диапазоне частот с центральной частотой 5 ГГц. Назначение этих станций 18 -связать коммуникационную аппаратуру 12а спутников 12 с сегментом 4 телефонной инфраструктуры. Сегмент 4 телефонной инфраструктуры состоит из существующих телефонных систем и включает сотовые станции 20 межсетевого сопряжения, региональные абонентские телефонные станции 22, средства 24 междугородной ВЧ связи, средства 26 международной ВЧ связи, частные телефонные сети 28, а также телефонные и телеграфные системы 30 общего пользования. Система 10 связи обеспечивает связь между сегментом 2 пользователя и телефонами 32 сегмента 4 телефонной инфраструктуры, а также обеспечивает возможность связи между индивидуальными устройствами пользователей в сегменте 2 пользователей посредством станций 18 межсетевого сопряжения.

На фиг. 1 также показана как часть наземного сегмента 3 система 34 телеметрического управления, которая включает центр 36 управления работой спутников и центр 38 управления сетью. Канал 39 связи служит для связи станций 18 межсетевого сопряжения, центра 36 управления работой спутников и центра 38 управления сетью наземного сегмента 3. Эта часть системы 10 связи осуществляет функции управления спутниками и не имеет непосредственного отношения к аппаратуре связи, составляющей полезный груз 12, являющийся предметом настоящего изобретения.

Фиг. 2a и 2b изображают блок-схемы одного из полезных грузов 12, изображенных на фиг. 1. Этот полезный груз 12 состоит из следующих основных элементов.

Приемная антенна 40 L-диапаэона и передающая антенна 42 S-диапазона осуществляют соответственно связь Земля-спутник и спутник-Земля с устройствами пользователей из сегмента 2 пользователей. Антенны 40 и 42 представляют собой фазированные решетки, состоящие, например, из 61 элемента (40а, 42а) каждая. Эти элементы обычно расположены в виде шестиугольника. Максимальная ширина приемной антенны 40 составляет, например, приблизительно 40 дюймов (1016 мм), а максимальная ширина передающей антенны 42 составляет приблизительно 25 дюймов (635 мм). Диаметр каждого элемента 40а составляет приблизительно 4.4 дюйма (113 мм), а диаметр каждого элемента 42а составляет приблизительно 2.7 дюйма (70 мм). Каждая антенна 40 и 42 работает с одинаковым количеством лучей, например, с 12 или 16 лучами, и использует все (61) элементы для формирования любого из лучей.

На фиг. 5 показана конфигурация зоны действия 12-лучевой антенны, причем не показанная на рисунке нижняя часть зоны действия представляет собой зеркальное изображение верхней части. Использование 12-ти лучей обеспечивает зону действия 110 (угол места 10^o). Использование только одного луча позволяет обслуживать приблизительно 200 устройств пользователей, что дает возможность обслуживать приблизительно 2400 устройств пользователей с помощью 12-ти лучевой конфигурации и приблизительно 3600 устройств пользователей с помощью 16-ти лучевой конфигурации. Для обслуживания такого количества устройств пользователей аппаратура спутника, составляющая его полезный груз 12, осуществляет многократное использование частотного диапазона путем параллельного доступа с кодовым уплотнением каналов, обеспечивая 13 поддиапазонов с полосой каждого диапазона 1.25 МГц.

Для приема сигналов по линии связи Земля-спутник в L-диапазоне служат малошумящие усилители 44, непосредственно соединенные с шестьюдесятью одним элементом 40а приемной антенны 40. Для передачи сигналов по линии связи спутник-Земля в S-диапазоне служат усилители 46 мощности, непосредственно соединенные с шестьюдесятью одним элементом 42а передающей антенны 42. Уровень мощности, передаваемой с помощью усилителей 46 мощности может иметь несколько значений. Малошумящие усилители 44 и усилители 46 мощности сконструированы так, что работают в линейном режиме, когда выходной сигнал прямо пропорционален входному сигналу. Работа в линейном режиме обеспечивает точность воспроизведения передаваемых сигналов и возможность того, что каждый антенный элемент одновременно участвует в формировании нескольких независимых лучей.

При движении спутника 12а над группой устройств пользователей доступ к спутнику 12а перемещается от луча к лучу в направлении, противоположном движению спутника. Таким образом, мощность передачи спутника 12 по линии связи спутник-Земля в S-диапазоне также должна переходить от луча к лучу соответствующим образом.

В соответствии с настоящим изобретением аппаратура, составляющая полезный груз 12 спутника связи, обеспечивает предоставление наличной мощности тому лучу линии связи спутник-Земля, который облучает ту же область земной поверхности, из которой приходит луч линии связи Земля-спутник. Это осуществляется в результате того, что усилители 46 мощности связаны с каждым излучающим элементом 42а, и, таким образом, каждый элемент 42а принимает участие в формировании каждого луча. Поэтому мощность задается на основании потребности автоматически с помощью станций 18 межсетевого сопряжения без необходимости в командах или управляющей логике.

Если конкретизировать, антенны 40 и 42 с фазированными решетками образованы из совокупности формирователей 48 и 50 лучей, соответственно, которые задают направление каждого луча относительно спутника 12а. В рассматриваемой реализации имеется по 16 лучей в линиях связи Земля-спутник и спутник-Земля и, соответственно, 16 формирователей 48 лучей для линии связи спутник-Земля и 16 формирователей 50 лучей для линии связи Земля-спутник. Для одновременной генерации 16 лучей на линии связи Земля-спутник выходные сигналы каждого элемента 40а приемной антенны после усиления в малошумящем усилителе 44 разделены на 16 каналов, которые ведут к формирователям 48 лучей, формируя, таким образом, направление и форму каждого луча в линии связи Земля-спутник. То же самое справедливо для лучей в линии связи спутник-Земля, где 16 входных сигналов складываются и затем усиливаются в усилителе 46 мощности для последующей передачи. Сегментирование по нескольким каналам осуществляется делителем мощности 52 линии связи Земля-спутник и сумматором 54 мощности линии связи спутник-Земля.

Имеется 61 делитель 52 мощности в линии связи Земля-спутник. Вход каждого такого делителя 52 соединен с выходом одного из малошумящих усилителей 44, а каждый из 16 выходов каждого делителя 52 соединен с одним из 16 формирователей 48 лучей. Аналогично, имеется 61 сумматор 54 мощности в линии связи спутник-Земля. Каждый такой сумматор 54 имеет 16 входов, соединенных с выходом одного из 16 формирователей 50 лучей, и один выход, соединенный с одним из усилителей 46 мощности.

На фиг. 6 приведен возможный двухканальный делитель/сумматор 53 мощности. Делитель/сумматор 53 мощности состоит из первой заземленной пластины 53a, второй заземленной пластины 53b и области, образованной диэлектрическим материалом 53c, который расположен между первой и второй заземленными пластинами 53a и 53b. Внутри диэлектрического материала 53с находится также электропроводящая цепь 53d, которая содержит резистор 53е развязки. При работе схемы как делителя мощности входной сигнал поступает в порт A и снимается с портов B и C. При работе схемы как сумматора мощности входные сигналы, подлежащие суммированию, поступают на порты B и C, а суммарный сигнал снимается с порта A. Размеры и толщина описанных элементов определяются данной частотой и диэлектрической постоянной материала 53c. Делитель/сумматор на 16 или 61 канал создается аналогичным способом или может быть выполнен каскадным включением нескольких двухканальных делителей/сумматоров 53.

Например, на фиг. 6 показана одна из схем (48, 50) формирования лучей, которая выполнена с использованием каскадного включения делителей/сумматоров 53 по шести уровням. Р1, Р2,...,Р61 обозначают различные длины электрического тракта, необходимые для обеспечения различных значений фазы на каждом антенном элементе. К неиспользуемым выводам делителей/сумматоров 53 следует подключить соответствующие нагрузки.

Как было сказано выше, система 10 связи использует станции 18 межсетевого сопряжения для приема сигналов, собираемых спутником (спутниками), и для передачи этих сигналов в соответствующие телефонные и телеграфные сети общего пользования. Кроме того, станции 18 принимают сигналы от телефонных и телеграфных сетей общего пользования для передачи их с помощью полезных грузов 12 спутников назад к устройствам пользователей. Передача между станциями 18 и спутниками 12а осуществляется с помощью ВЧ линии 19 связи C- диапазона.

Для осуществления этого режима работы сигналы L-диапазона, принятые по 16 лучам, подвергаются частотному уплотнению для преобразования в С-диапазон частот. В соответствии с фиг. 2b, это выполняется с помощью множества (16) усилителей/смесителей 56, которые преобразовывают с повышением частоты сигналы L- диапазона в сигналы C-диапазона частот. Частоты всех каналов, где происходит частотное уплотнение, формируются с помощью гетеродинов 60 в сочетании с усилителями/смесителями 56 и фильтрами 62. Несколько (8) каналов объединяются в один в схемах 64 и 66 суммирования и идут на усилители 68 и 70 мощности соответственно. Выходные сигналы с усилителей 68 и 70 мощности через диплексоры 72 и 74 поступают в ортогональные каналы для передачи через антенну 76 на станции 18 межсетевого сопряжения. Ортогональные каналы формируются с помощью поляризатора 78.

Ортогональные сигналы с круговой поляризацией назад от станций 18 межсетевого сопряжения поступают через антенну 76 и разделяются поляризатором 78. Сигналы с линий связи Земля-спутник и спутник-Земля, поступающие от станций 18, лежат в различных частотных диапазонах и разделяются диплексорами 72 и 74. Сигналы с линии связи Земля-спутник усиливаются малошумящими усилителями 80 и 82 и поступают на делители 84 и 86 мощности соответственно. С выходов делителей 84 и 86 мощности сигналы поступают на 16 фильтров 88 и усилители/смесители 90, которые совместно с гетеродинами 92 преобразуют его с понижением частоты, в результате чего сигнал C-диапазона от станций сопряжения преобразуется в сигнал S-диапазона для схемы 50 формирования лучей. Выходы усилителей/смесителей 90 соединены со схемами 50 формирования лучей через фильтры 94.

Усиление, необходимое для возбуждения схем 50 формирования лучей, достигается с помощью малошумящих усилителей 80 и 82 и усилителей/смесителей 90. Сигналы со схем формирования лучей 50 собираются n-канальными (в нашем примере n= 16) сумматорами 54 и поступают на отдельные элементы 42а передающей антенны 42 с фазированной решеткой.

Как указано выше, настоящее изобретение позволяет создавать эффективные средства для подачи мощности аппаратуры, составляющей полезный груз спутника, в требуемом направлении без необходимости установки системы управления и без нежелательных временных задержек. А именно, за счет использования линейных усилителей и за счет того, что для формирования каждого из 16 лучей используются все элементы каждой фазированной антенной решетки, мощность сигналов L-диапазона в каждом луче линии связи Земля-спутник сохраняется при преобразовании с повышением частоты в C-диапазон, при преобразовании с понижением частоты в S-диапазон и при оконечном усилении для подачи в передающую антенну 42 с фазированной решеткой. Мощность сигналов как таковая в каждом луче S-диапазона в линии связи спутник-Земля является функцией мощности сигналов в соответствующем луче L-диапаэона линии связи Земля-спутник. Мощность сигналов в луче L-диапазона линии связи Земля- спутник зависит от количества устройств пользователей, которые обслуживает данный луч.

В общем случае схемы 48 и 50 формирования лучей в процессе формирования изменяют как амплитуду, так и фазу сигналов. Однако предпочтительная реализация схемы формирования лучей согласно настоящему изобретению осуществляет только преобразование фазы. Это позволяет подавать на каждый элемент антенны и связанный с ним усилитель сигналы равной мощности. Последнее важно для сохранения соотношения фаз между элементами антенны, поскольку фазовая передаточная характеристика усилителей может меняться в зависимости от уровня возбуждения. За счет возбуждения всех усилителей на одинаковом уровне эта потенциальная проблема снимается.

Кроме того, за счет размещения схем 50 формирования лучей для передающей антенны 42 с фазированной решеткой на пути сигнала до потребляющих много энергии усилителей 46 мощности потери, связанные с процессом формирования луча, значительно ниже, чем при использовании общепринятых конфигураций.

Формирование луча до его усиления требует, чтобы оконечные усилители 46 для всех элементов 42а антенны имели одинаковые как амплитудные, так и фазовые передаточные характеристики с высокой степенью точности (в пределах +/- 2^o и +/- 0.5 дБ). Это достигается предпочтительно за счет использования усилителей мощности в виде интегральных микросхем (ИС) СВЧ диапазона, что обеспечивает высокую воспроизводимость характеристик от усилителя к усилителю.

Для рассмотрения следующего аспекта настоящего изобретения обратимся к фиг. 3a, 3b, 3c и 3d. Этот аспект касается способа размещения малошумящих усилителей 44 в элементах 40а приемной антенны, а также способа размещения усилителей 46 мощности в элементах 42а фазированной решетки передающей антенны. Входы малошумящих усилителей 44, а также выходы усилителей 46 мощности непосредственно связаны со свободным пространством. В результате, отсутствуют какие-либо потери в подводящих кабелях, волноводах и других СВЧ элементах.

На фиг. 3а изображен вид сбоку на один из элементов 42а передающей фазированной антенной решетки. На фиг. 3b изображен вид сверху, а на фиг. 3c - схематично представлено использование четырех усилителей 46 мощности, которые смещены по дуге на 90^o относительно друг друга. Отдельный излучающий элемент 42а представляет собой цилиндр 42b, размеры которого подобраны так, чтобы обеспечить распространение излучения вдоль вертикальной оси. Цилиндр 42b образует короткий волновод круглого сечения, настроенный на рабочую частоту. С целью получения желаемой волны с круговой поляризацией усилители 46 мощности, вплоть до четырех штук, могут быть размещены по окружности цилиндра 42b, с возрастанием фазы на 90^o. В случае передающей антенны 42 с фазированной решеткой в зависимости от размера усилителей мощности и величины требуемой мощности необходимы два или четыре штыря 42с и столько же связанных с ними усилителей 46 мощности.

Как видно из фиг. 3d и в случае приемных элементов 42a, для приема сигнала с круговой поляризацией используются два штыря 40b при фазовом сдвиге 90^o, а также смещение по дуге на 90^o.

Физическая конструкция фазированных антенных решеток 40 и 42 является важным фактором, определяющим эффективность аппаратуры, составляющей полезный груз 12 спутника связи, поскольку уменьшение веса или потребляемой мощности постоянного тока сильно влияет на его стоимость. Оптимальный в настоящее время конструктивный подход иллюстрируется на фиг. 4a и 4b.

На фиг. 4a приведен вид сверху на 61 элемент решетки антенных излучателей 42, а на фиг. 4b - вид в разрезе по вертикали. Элементы 42a размещены над многослойными платами 100 схемы формирования лучей, выполненными в виде трехпластинчатых дисков. Имеется 16 таких плат 100, расположенных одна над другой и реализующих формирователи 50 лучей, изображенные на фиг. 2. Каждая плата 100 схемы формирования лучей имеет 61 выход 102. Все выходы выведены наружу радиально. Сигналы с соответствующих выходов 102 от каждой из 16 плат 100 схем формирования лучей суммируются в сумматорах 54 мощности, имеющих 16 входов. Выходы каждого сумматора 54 соединены с 61 элементом 42а коаксиальными кабелями 104 и соответствующими соединителями 104a. Каждый из элементов 42a включает четыре усилителя 46 мощности, показанных на фиг. 3a-3c.

Альтернативная реализация элементов антенных решеток 40 и 42 представлена на фиг. 7. В этой реализации излучающий элемент состоит из проводящей площадки 110, которая соединена с резонатором 114а через диафрагму 112а. Подобным же образом резонатор 114a соединен с резонатором 114b через диафрагму 112b. Резонаторы 114a и 114b образуют двухполюсный полосовой фильтр 116. Подвод и отвод энергии от фильтра 116 осуществляется по проводникам 118 и 120 в квадратуре. Когда сигналы с этих проводников объединяются в гибридном 90-градусном элементе 122 связи, фронт волны с круговой поляризацией принимается/возбуждается излучателем 110. В этом случае каждый элемент может быть связан с одним малошумящим усилителем/усилителем мощности. Альтернативно, для генерации излучения с круговой поляризацией возбуждение этой структуры может быть осуществлено способом, подобным описанному ранее, с двумя или четырьмя малошумящими усилителями/усилителями мощности. Преимущество этой конструкции заключается в том, что она может быть реализована с помощью технологии изготовления многослойных печатных плат, хотя диэлектрик может обладать большими потерями, чем свободное пространство в резонаторно-рупорной конструкции, описанной ранее. Однако конструкция с использованием печатных плат является более дешевой.

На фиг. 7 показано, что в конструкции используются два антенных рупора 76a и 76b C-диапазона без диплексоров 72 и 74 (фиг. 2).

Характерные размеры площадок 110 приемной антенны 40 с фазированной решеткой требуют, чтобы расстояние между центрами соседних площадок 110 составляло 4.5 дюйма (115 мм), тогда как для передающей антенны 42 с фазированной решеткой расстояние между центрами соседних площадок должно быть 3 дюйма (77 мм).

Теперь обратимся к фиг. 8 и 9, которые более детально показывают составные части одного из элементов многослойной излучающей площадки. На фиг. 8 эта площадка 110 образована на поверхности диэлектрика 110a и окружена изолирующей проводящей пластиной 110b. Площадка 110 и пластина 110b содержат, к примеру, 1/2 унции (14 г) меди. Под площадкой 110 находится медная пластина, в которой травлением выполнена диафрагма 112a. Эта пластина может являться тыльной стороной слоя печатной платы, содержащей диэлектрик 110a и площадку 110. Под диафрагмой 112a находится односторонняя печатная плата, содержащая диэлектрик 126 с вытравленной медной прямоугольной пластиной для образования фильтра 114a. Эта вытравленная медная пластина расположена на нижней стороне односторонней печатной платы. Вторая диафрагма 112b выполнена на односторонней печатной плате и также получена травлением медной пластины. Фильтр 114b представляет собой вытравленную медную прямоугольную пластину на нижней части печатной платы, содержащей диэлектрик 126. Под фильтром 114b помещается заземленная медная пластина 122. Диафрагмы 112a, 112b и фильтры 114a и 114b образуют двухрезонаторный фильтр для соответствующей площадки 110. Через все слои, начиная от изолирующей пластины 110b и до заземленной пластины 122 проходят металлизированные сквозные отверстия 124.

Фиг. 9 представляет собой поперечное сечение, на котором показаны площадка 110 и двухрезонаторный фильтр по фиг. 8, размещенные над остальными слоями, которые обеспечивают связь с усилителями на ИС СВЧ (малошумящие усилители на ИС для приемной фазированной антенной решетки 40 и усилители мощности на ИС для передающей фазированной антенной решетки 42). Кроме того, шесть слоев формируют еще три заземленные пластины 122 с соответствующими сквозными межслойными металлизированными соединениями 122a, которые проходят через все 6 слоев. Один из слоев содержит шины 128 питания ИС СВЧ, другой слой - управляющие шины 130 ИС СВЧ и один из слоев содержит делитель 132 мощности, который является выходом ИС СВЧ. Вся многослойная плата 140, включающая необходимые слои связывающего адгезива, имеет толщину приблизительно 0.3 дюйма (7,6 мм). При реализации изобретения предпочтительно, чтобы отдельная многослойная плата 140 была сконструирована таким образом, чтобы она содержала все 61 площадки 110, соответствующий двухрезонаторный фильтр, обслуживающие цепи и цепи подвода сигналов и питания.

Теплоотводящий слой 142 (показан на фиг. 7) расположен под многослойной платой 140 для отвода тепла, выделяемого ИС. Теплоотводящий слой 142 может содержать тепловые трубки и/или другие подходящие теплопроводящие элементы.

Настоящее изобретение было описано выше в рамках наиболее предпочтительной на сегодняшний день реализации. Однако ясно, что число передающих и приемных элементов, число лучей в линиях связи Земля-спутник и спутник-Земля и различные частотные диапазоны не ограничивают использование изобретения.

Таким образом, несмотря на то, что настоящее изобретение было описано и рассмотрено в рамках наиболее предпочтительной на сегодняшний день реализации, специалистам в данной области должно быть понятно, что в настоящее изобретение можно внести различные изменения без отхода от его объема и сути.

Полезный груз спутника связи предназначен для эффективной связи между устройствами пользователей, такими как переносные сотовые телефоны, и наземными станциями межсетевого сопряжения, которые могут быть соединены с международной телефонной и телеграфной сетью общего пользования. Полезный груз спутника обеспечивает одновременно множество независимых антенных лучей как по линии связи Земля - спутник, так и по линии связи спутник - Земля, используя для устройств пользователей полную дуплексную связь. Кроме того, полезный груз обеспечивает идентичное число дуплексных каналов между наземной станцией межсетевого сопряжения и спутником. Полезный груз находится на одном из множества спутников связи, находящихся на низкой околоземной орбите с целью обеспечения связи в пределах всего земного шара. Формирование лучей в линии связи спутник - Земля осуществляется до оконечного усиления передаваемого сигнала, что уменьшает потери в аппаратуре формирования лучей. Также предлагается многоэлементная приемная антенна с фазированной решеткой и многоэлементная передающая антенна с фазированной решеткой, в которых каждый элемент каждой фазированной решетки используется для каждого из множества принимаемых и передаваемых лучей. Достигаемым техническим результатом является создание полезного груза спутников связи, состоящего из аппаратуры меньшей сложности и с меньшим потреблением мощности по сравнению с известными ранее системами. 6 с. и 18 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Полезный груз спутника для использования в системе связи, содержащий приемную антенну с фазированной решеткой, имеющую n приемных элементов для приема ВЧ сигналов в первом частотном диапазоне, первое устройство формирования лучей, вход которого соединен с каждым из указанных n приемных элементов, для формирования m лучей в линии связи Земля - спутник по ВЧ сигналам, принятым приемной антенной с фазированной решеткой, причем n больше 1, а m меньше, чем n, устройство связи с наземной станцией, вход которого соединен с выходом первого устройства формирования лучей, для преобразования m лучей линии связи Земля - спутник в ВЧ сигналы второго частотного диапазона, передачи ВЧ сигналов на наземную станцию и приема ВЧ сигналов от наземной станции, причем передаваемые и принимаемые ВЧ сигналы лежат во втором частотном диапазоне, второе устройство формирования лучей, вход которого соединен с выходом устройства связи с наземной станцией, для формирования m лучей в линии связи спутник - Земля по ВЧ сигналам, принятым от наземной станции, и передающую антенну с фазированной решеткой, имеющую n передающих элементов, для передачи m лучей в линии связи спутник - Земля в виде ВЧ сигналов, причем каждый передающий элемент имеет связанный с ним усилитель мощности, вход которого соединен с выходом второго устройства формирования лучей, а выход соединен с одним из передающих элементов, отличающийся тем, что второе устройство формирования лучей выполнено с возможностью формирования m лучей в линии связи спутник - Земля в третьем частотном диапазоне, передающая антенна выполнена с возможностью передачи m лучей в виде ВЧ сигналов в третьем частотном диапазоне, каждый из указанных n передающих элементов участвует в формировании каждого из m лучей в линии связи спутник - Земля, каждому из m лучей в линии связи Земля - спутник соответствует луч в линии связи спутник - Земля, который облучает ту же область, с которой приходит указанный луч в линии связи Земля - спутник, а уровень мощности указанного соответствующего луча в линии связи спутник - Земля является функцией уровня мощности указанного луча в линии связи Земля - спутник. 2. Полезный груз спутника по п.1, отличающийся тем, что первый частотный диапазон находится в L-диапазоне, второй частотный диапазон находится в С-диапазоне и третий частотный диапазон находится в S-диапазоне. 3. Полезный груз спутника по п.1, отличающийся тем, что каждый из n приемных элементов имеет несколько соединенных с ним приемных усилителей. 4. Полезный груз спутника по п.3, отличающийся тем, что вход каждого из приемных усилителей связан со свободным пространством в одном из приемных элементов. 5. Полезный груз спутника по п.1, отличающийся тем, что выход каждого из усилителей мощности связан со свободным пространством в одном из передающих элементов. 6. Полезный груз спутника по п.1, отличающийся тем, что первое устройство формирования лучей содержит делители мощности, а второе устройство формирования лучей содержит сумматоры мощности. 7. Полезный груз спутника для использования в системе связи, содержащий приемную антенну с фазированной решеткой, имеющую n приемных элементов, для приема лучей в линии связи Земля - спутник, образованных ВЧ сигналами в первом частотном диапазоне, причем n больше 1, а m меньше, чем n, n делителей мощности, каждый из которых имеет вход, соединенный с выходом одного из n приемных элементов, и m выходов, m устройств формирования лучей в линии связи Земля - спутник, каждое из которых имеет n входов и один выход, причем каждый из указанных n входов соединен с одним из m выходов одного из n делителей мощности, m первых преобразователей частоты, вход каждого из которых соединен с выходом одного из m устройств формирования лучей и каждый из которых имеет выход для формирования ВЧ сигнала во втором частотном диапазоне, устройство для суммирования сигналов с выходов указанных m преобразователей частоты и для передачи m канального ВЧ сигнала на наземную станцию, причем передаваемый ВЧ сигнал находится во втором частотном диапазоне, устройство для приема m-канального ВЧ сигнала от наземной станции, причем принимаемый ВЧ сигнал находится во втором частотном диапазоне, и передающую антенну с фазированной решеткой, имеющую n передающих элементов для передачи m лучей, образованных ВЧ сигналами, отличающийся тем, что он дополнительно содержит m вторых преобразователей частоты, вход каждого из которых соединен с выходом указанного устройства для приема сигналов наземной станции и каждый из которых реагирует на один из каналов принятого m-канального ВЧ сигнала и имеет выход для формирования ВЧ сигнала в третьем частотном диапазоне, m устройств формирования лучей в линии связи спутник - Земля, вход каждого из которых соединен с выходом одного из m вторых преобразователей частоты, и n сумматоров мощности, каждый из которых имеет m входов для соединения с выходами m устройств формирования лучей в линии связи спутник - Земля и выход, при этом передающая антенна выполнена с возможностью передачи m лучей, образованных ВЧ сигналами в третьем частотном диапазоне, каждый из n передающих элементов соединен с выходом одного из n сумматоров мощности и участвует в формировании каждого из m лучей в линии связи спутник - Земля, каждому из m лучей в линии связи Земля - спутник соответствует луч в линии связи спутник - Земля, который облучает ту же область, с которой приходит указанный луч в линии связи Земля - спутник, а уровень мощности указанного соответствующего луча в линии связи спутник - Земля является функцией уровня мощности указанного луча в линии связи Земля - спутник. 8. Полезный груз спутника по п.7, отличающийся тем, что первый частотный диапазон находится в L-диапазоне, второй частотный диапазон находится в С-диапазоне и третий частотный диапазон находится в S-диапазоне. 9. Полезный груз спутника по п.7, отличающийся тем, что каждый из n приемных элементов имеет по меньшей мере один связанный с ним приемный усилитель, а вход каждого из приемных усилителей связан со свободным пространством в одном из приемных элементов. 10. Полезный груз спутника по п.7, отличающийся тем, что каждый из n передающих элементов имеет по меньшей мере один связанный с ним усилитель передаваемого сигнала, а выход каждого из указанных усилителей передаваемого сигнала связан с свободным пространством в одном из передающих элементов. 11. Блок передающей антенны с фазированной решеткой, содержащий n передающих элементов, размещенных согласно заранее определенной конфигурации, причем каждый из n передающих элементов имеет связанный с ним усилитель мощности, отличающийся тем, что выход каждого из усилителей мощности связан со свободным пространством в соответствующем из n передающих элементов, при этом блок передающей антенны с фазированной решеткой дополнительно включает m схем формирования лучей, которые размещены одна над другой в виде этажерки под n передающими элементами и каждая из которых имеет n выходов, и nm-канальных сумматоров мощности, соединенных с m схемами формирования лучей, причем каждый из m входов каждого сумматора мощности соединен с соответствующим выходом одной из m схем формирования лучей, а выход каждого из nm-канальных сумматоров соединен с одним из усилителей мощности, связанным с одним из n передающих элементов. 12. Блок передающей антенны с фазированной решеткой по п.11, отличающийся тем, что он имеет форму по существу круглого цилиндра, имеющего продольную ось, причем n передающих элементов размещены на одном конце этого цилиндра, каждая из m схем формирования лучей включает печатную плату, по существу, круглой формы, указанные n выходов размещены по окружности указанной печатной платы, а каждый из nm-канальных сумматоров мощности включает печатную плату, расположенную своей длинной стороной вдоль указанной продольной оси, для соединения с соответствующим выходом каждой из m схем формирования лучей. 13. Блок передающей антенны с фазированной решеткой по п.11, отличающийся тем, что каждая из m схем формирования лучей имеет вход для приема одного из m входных сигналов и выполнена в виде многоуровневого устройства, образованного множеством каскадно включенных делителей мощности, имеющих каждый один порт для поступления сигнала и два порта для съема сигналов. 14. Блок передающей антенны с фазированной решеткой по п.11, отличающийся тем, что он дополнительно содержит n полосовых фильтров, каждый из которых расположен между одним из n передающих элементов и связанным с ним усилителем мощности. 15. Блок передающей антенны с фазированной решеткой по п.13, отличающийся тем, что по меньшей мере один из уровней указанного многоуровневого устройства содержит средства для обеспечения различных значений фазы на каждом антенном элементе. 16. Блок передающей антенны с фазированной решеткой по п.15, отличающийся тем, что средства для обеспечения различных значений фазы выполнены в виде отрезков электрического тракта различной длины. 17. Блок передающей антенны с фазированной решеткой, содержащий n передающих элементов, размещенных согласно заранее определенной конфигурации, отличающийся тем, что каждый из n передающих элементов включает электропроводящую площадку, расположенную на поверхности многослойной печатной платы, причем блок передающей антенны с фазированной решеткой дополнительно содержит n двухрезонаторных фильтров, каждый из которых электрически соединен с одной из указанных n площадок и которые образованы в нескольких слоях указанной многослойной печатной платы, лежащих под указанной поверхностью. 18. Блок приемной антенны с фазированной решеткой, содержащий n приемных элементов, размещенных согласно заранее определенной конфигурации, причем каждый из n приемных элементов имеет связанный с ним приемный усилитель, отличающийся тем, что каждый из приемных усилителей имеет вход, связанный со свободным пространством в соответствующем из n приемных элементов, при этом блок приемной антенны с фазированной решеткой дополнительно содержит m схем формирования лучей, которые размещены одна над другой в виде этажерки под n приемными элементами и каждая из которых имеет n входов и один выход, и nm-канальных делителей мощности, соединенных с m схемами формирования лучей, причем вход каждого из nm-канальных делителей мощности соединен с выходом одного из приемных усилителей, а каждый из m выходов каждого из nm-канальных делителей мощности соединен с соответствующим входом одной из m схем формирования лучей. 19. Блок приемной антенны с фазированной решеткой по п.18, отличающийся тем, что он имеет форму, по существу, круглого цилиндра, имеющего продольную ось, указанные n приемных элементов размещены на конце цилиндра, каждая из m схем формирования лучей включает печатную плату круглой формы, по окружности которой размещены указанные n входов, а каждый из nm-канальных делителей мощности включает печатную плату, расположенную своей длинной стороной вдоль указанной продольной оси для соединения с соответствующим входом каждой из m схем формирования лучей. 20. Блок приемной антенны с фазированной решеткой по п.18, отличающийся тем, что каждый из n входов каждой из m схем формирования лучей соединен с соответствующим выходом одного из nm-канальных делителей мощности, а m схем формирования лучей выполнены в виде многоуровневого устройства, образованного множеством включенных каскадно сумматоров мощности, каждый из которых имеет два порта для поступления сигналов и один порт для съема сигнала. 21. Блок приемной антенны с фазированной решеткой по п.18, отличающийся тем, что он дополнительно содержит n полосовых фильтров, каждый из которых размещен между одним из n приемных элементов и соответствующим из приемных усилителей. 22. Блок приемной антенны с фазированной решеткой по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере один из уровней указанного многоуровневого устройства содержит средства для обеспечения различных значений фазы на каждом антенном элементе. 23. Блок приемной антенны с фазированной решеткой по п.20, отличающийся тем, что средства для обеспечения различных значений фазы выполнены в виде отрезков электрического тракта различной длины. 24. Блок приемной антенны с фазированной решеткой, содержащий n приемных элементов, размещенных согласно заранее определенной конфигурации, отличающийся тем, что каждый из n приемных элементов включает электропроводящую площадку, расположенную на поверхности многослойной печатной платы, причем блок приемной антенны с фазированной решеткой дополнительно содержит n двухрезонаторных фильтров, каждый из которых электрически соединен с одной из указанных площадок и которые образованы в нескольких слоях указанной многослойной печатной платы, лежащих под указанной поверхностью.