РЕКОНФИГУРИРУЕМАЯ ИЗЛУЧАЮЩАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2010 года по МПК H01Q3/20 

Областью изобретения являются бортовые антенные решетки, например, устанавливаемые на спутниках, в частности антенные решетки отражательного типа (в англосаксонской терминологии обычно называются «reflectarray antennas») или фазированные антенные решетки (или «Phased Array Antennas»).

В данном случае под термином «отражательная антенная решетка» понимается антенна, содержащая излучающие элементы, называемые также фазосдвигающими ячейками, которые определяют отражательную решетку и предназначены для перехвата с минимальными потерями волн, содержащих предназначенные для передачи сигналы, выдаваемые первичным источником, с целью их отражения в заданном направлении, называемом направлением наведения.

Вышеупомянутые антенные решетки представляют интерес в связи с тем, что они позволяют изменять направление излучающего пучка к заданной зоне действия (или «пятну») или сформировать пучок таким образом, чтобы он следовал по географическому контуру. Для перехода из одной зоны действия в другую необходимо реконфигурировать излучение каждой фазосдвигающей ячейки путем ее оснащения устройством контроля фазы. Такой контроль фазы может быть осуществлен путем оснащения излучающих элементов управляемыми компонентами (диодами, микроэлектромеханическими системами (MEMS)) - таким образом, речь идет об активной отражательной решетке; или изменяя физическую форму излучающего элемента - таким образом, речь идет о пассивной отражательной решетке.

Активная отражательная решетка позволяет осуществлять реконфигурируемые зоны действия ценой значительной сложности, пассивная отражательная антенная решетка в основном привлекательна благодаря своей простой плоскостной геометрии.

Представляется также возможным осуществлять реконфигурируемые операции в полете при помощи пассивных отражательных решеток путем взаимозаменяемости пассивных отражательных решеток перед источником антенны. Это приводит к установке на борту такого количества отражательных решеток, сколько планируется зон действия, зная при этом, что каждая отражательная решетка состоит из комплекта, содержащего опору с отражательными рисунками, как правило, выгравированными, разделитель и плоскость заземления, хотя эти два последних элемента не являются специфическими для зоны действия; при этом разделить, как правило, может быть структурой типа «соты».

Если быть более точным, то предложенные в настоящее время решения заключаются в хранении нескольких отражательных решеток в форме панелей, которые являются составными, штабелированными и уложенными одна на другую, а затем в их расположении в определенной последовательности в полете перед источником в зависимости от потребности зоны действия. Вместе с тем их недостатками являются:

- значительный объем, в частности, напротив земли, обусловленный габаритами отражательных решеток, хранимых рядом или под отражательной решеткой в процессе операции;

- количество зон действия ограничено габаритами отражательных решеток, устанавливаемых на борту (четыре или пять элементов);

- большая конструкция пакетирования ввиду объемных габаритов группы отражательных решеток;

- для оборудования рядом с антенной и для самой антенны поле визирования радиочастотного и теплового излучения может быть ограничено ввиду присутствия хранимых отражательных решеток.

В данном контексте и для решения вышеупомянутых проблем в настоящем изобретении предлагается устройство, позволяющее хранить излучающие решетки в компактном объеме и, в частности, хранить подложки держателя излучающих рисунков в средствах, которые могут легко быть развернуты в космическом пространстве. Таким образом, оно дает возможность использования большого количества излучающих решеток с уменьшенными габаритами и массой по сравнению с концепцией, использующей столько же излучающих антенных решеток, состоящих из жестких панелей, и взаимозаменяемости в полете зон действия одной антенны, меняя по мере необходимости излучающую решетку.

Если быть более точным, то объектом изобретения является реконфигурируемая антенная решетка, выполненная с возможностью выдачи сигналов в виде волн, содержащая комплект излучающих решеток; при этом каждая излучающая решетка содержит подкомплект рисунков, способных отражать или передавать сигналы в заданном направлении, и средства загрузки и размещения упомянутых излучающих решеток, чтобы размещать одну из них в выбранном положении излучения, отличающаяся тем, что средства загрузки и размещения содержат систему протягивания первой пленки, содержащей подкомплекты излучающих рисунков, позволяющих избирательно расположить подкомплект излучающих рисунков.

Согласно варианту изобретения, реконфигурируемая антенная решетка содержит источник, выполненный с возможностью выдачи сигналов в виде волн; при этом средства загрузки и размещения позволяют избирательно расположить подкомплект излучающих рисунков против источника.

Согласно варианту изобретения, реконфигурируемая антенная решетка содержит распределитель формирования пучка, питающего излучающие элементы таким образом, чтобы создать антенну типа прямого излучения.

Согласно варианту изобретения, излучающие рисунки могут присоединяться к управляемым устройствам контроля фазы, которые могут быть типа диодов или микроэлектромеханических систем (MEMS).

Согласно варианту изобретения, система протягивания пленки с излучающими рисунками содержит первый оснащенный двигателем барабан и второй барабан с постоянным возвратным моментом.

Согласно варианту изобретения, излучающие решетки содержат, кроме того, плоскость заземления и разделитель.

Согласно варианту изобретения, система протягивания содержит, кроме того, валики-разделители, крепящиеся на плоскости заземления и обеспечивающие протягивание пленки излучающих рисунков на фиксированном расстоянии от упомянутой плоскости заземления таким образом, чтобы установить при этом пространство между упомянутой пленкой и упомянутой плоскостью заземления. Таким образом, пленка хранится путем наматывания. В связи с этим достаточно ее расположить путем разматывания перед единственной плоскостью заземления для того, чтобы она стала работоспособной, позволяя расположить против источника выбранную излучающую решетку.

Согласно варианту изобретения, пленка располагается на опоре, расстояние между которой и пленкой-носителем излучающих рисунков может регулироваться.

Согласно варианту изобретения, первая пленка содержит на той же стороне первые составные части излучающих рисунков и вторые составные части плоскостей заземления. Соответственная операция разматывания позволяет расположить первую часть пленки против второй части таким образом, чтобы образовался следующий комплект: излучающие рисунки/разделитель, образованный воздухом/ плоскостью заземления.

Согласно варианту изобретения, первая пленка содержит на одной из своих сторон излучающие рисунки, а на другой стороне - плоскость заземления.

Согласно варианту изобретения, антенна содержит оснащенный двигателем барабан, каркас и средства развертывания упомянутой пленки на поверхности каркаса.

Согласно варианту изобретения, средства развертывания содержат катушку для пленки и трос, позволяющий тянуть пленку с катушки; при этом упомянутый трос приводится в движение посредством барабана.

Согласно варианту изобретения, средства развертывания содержат шкивы для обеспечения протягивания упомянутой пленки.

Согласно варианту изобретения, реконфигурируемая антенная решетка содержит, кроме того, средства протягивания второй пленки.

Согласно варианту изобретения, антенна содержит, кроме того, каркас, содержащий первую сторону, вторую сторону и средства развертывания первой пленки на упомянутой первой стороне и второй пленки на упомянутой второй стороне таким образом, чтобы расположить выбранную зону упомянутой первой пленки против выбранной зоны упомянутой второй пленки.

Согласно варианту изобретения, средства развертывания упомянутых пленок содержат первую катушку для первой пленки, вторую катушку для второй пленки и два троса, позволяющие протягивать упомянутые пленки; при этом упомянутые тросы приводятся в движение посредством барабана.

Согласно варианту изобретения, средства развертывания содержат шкивы для обеспечения протягивания упомянутых пленок.

Согласно варианту изобретения, антенна содержит датчик, позволяющий считывать информацию о положении, выгравированную на краю первой и/или второй пленки.

Согласно варианту изобретения, реконфигурируемая антенная решетка содержит комплект каркасов, позволяющих развертывать параллельно и в той же плоскости несколько пленок, которые содержат подкомплекты излучающих рисунков, позволяющих избирательно расположить подкомплект излучающих рисунков против источника.

Изобретение станет более понятно, а другие преимущества будут видны после изучения приводимого ниже описания, которое не носит ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- фиг.1а изображает вид в разрезе первого варианта антенны согласно изобретению, содержащей протягивание пленки, содержащей излучающие рисунки;

- фиг.1b изображает вид в перспективе, относящийся к первому варианту изобретения;

- фиг.2а изображает вид сверху второго варианта антенны согласно изобретению, в котором первая пленка является также носителем плоскости заземления;

- фиг.2b изображает вид в разрезе второго варианта изобретения;

- фиг.3а изображает вид сверху и в перспективе третьего варианта антенны согласно изобретению, в котором использованы две размотанных пленки;

- фиг.3b изображает вид в разрезе третьего варианта изобретения;

- фиг.4а изображает вид сверху варианта антенны согласно изобретению, содержащей несколько каркасов, позволяющих развертывать матрицу отражательных решеток;

- фиг.4b изображает вид в разрезе варианта, представленного на фиг.4а;

- фиг.5 изображает четвертый вариант антенны согласно изобретению, в котором антенна работает в режиме решетки с прямым излучением.

Реконфигурируемая отражательная антенная решетка согласно изобретению, может устанавливаться на борту геостационарного спутника связи, работающего в диапазоне Ku (12-18 ГГц). Но предлагаемое изобретение не ограничивается данным применением. Оно относится, в действительности, к радиолокационным антеннам, устанавливаемым на борту спутников, совершающих полеты, в случае необходимости, в группировке, или самолетов, или на борту космических аппаратов, таких как «челноки». Таким образом, изобретение хорошо согласуется с антеннами SAR (радиолокатор с синтетической апертурой) в диапазоне С (4-8 ГГц) или в диапазоне Х (8-12 ГГц).

В первом примере осуществления, представленном на фиг.1а и 1b, на которых изображены, соответственно, вид в разрезе и вид в перспективе, антенная решетка представляет собой антенну типа отражательной антенной решетки и содержит опорную конструкцию SS, которая может жестко соединяться со спутником (не показан) и на которой в первую очередь крепится (в выбранном месте) первичный источник S, предназначенный для посылания под заданным телесным углом основного направления DPS, называемого направлением наводки источника, волн, содержащих предназначенные для передачи сигналы. Источник выполняется, например, в виде рупора, при этом излучающие элементы являются отражательными элементами, способными отражать волны, содержащие предназначенные для передачи сигналы.

Антенна также содержит систему, позволяющую развертывать пленку F₁ - носитель различных подкомплектов отражательных рисунков, являющихся составными частями отражательных решеток, относительно фиксированной плоскости заземления, удерживая разделитель между упомянутыми отражательными решетками и плоскостью заземления. Решение заключается в размещении решеток, каждая из которых содержит комплект отражательных рисунков, следующих один за другим на пленке. Если быть более точным, то пленка намотана на два барабана Т₁ и Т₂. Путем вращения барабанов производится протягивание пленки перед плоскостью заземления РМ, от которой она отделена постоянным расстоянием, поддерживаемым посредством двух установленных относительно плоскости заземления роликов-разделителей re₁ и re₂. Пространство Е (в данном случае безвоздушное пространство) между пленкой и плоскостью заземления заменяет разделитель отражательной решетки.

Пленка удерживается ровной под воздействием силы натяжения, формируемой моментом, постоянно воздействующим на барабан Т₁, на котором она намотана. Этот момент может формироваться посредством пружины, работающей на кручение, располагаемой внутри барабана, или любым другим устройством. Тем самым обеспечивается постоянная компенсация изменений теплоэластичного характера, что позволяет удерживать плоскостность подложки.

Замена подкомплектов отражательных рисунков достигается путем наматывания пленки на барабан Т₂ до тех пор, пока желаемый рисунок не будет расположен перед плоскостью заземления и против источника. Оснащение двигателем барабана Т₂, связанного с датчиком положения, позволяет обеспечить его размещение и контроль. Эти действия могут выполняться при помощи шагового двигателя и редуктора, например зубчатого, располагаемых в барабане Т₂, связанного с датчиком, считывающим выгравированную по краю пленки информацию о положении, или любого другого устройства, позволяющего осуществлять такие функции. В зависимости от направления вращения барабана Т₂ пленка протягивается в одном или другом направлении и удерживается намотанной на двух барабанах под действием постоянного момента, воздействующего на барабан Т₁. Движения катушки и барабана могут быть также получены путем оснащенности общим двигателем (приведение в движение посредством зубчатого шкива зубчатого механизма, например); при этом в данном случае пружина, работающая на кручение, должна соединить внешнюю часть катушки со своей осью с целью обеспечения постоянного момента независимо от состояния намотки пленки.

Как известно, пленка содержит отражательную решетку RRi, показанную на фиг.1b и расположенную избирательно против источника (в то время как соседние решетчатые антенны RR_i-1 и RR_i+1 изображены как не действующие); при этом каждая отражательная решетка содержит несколько фазосдвигающих ячеек, способных произвести фазовое смещение волн (выдаваемых источником) с фазовой дисперсностью по заданной частоте с целью их отражения в заданном направлении. Заданное фазовое смещение и/или фазовая дисперсность по заданной частоте изменяется (изменяются) от одной отражательной решетки RRi к другой, так что зона действия (или «пятно») пучка антенны и (или) форма этой зоны изменяются в зависимости от выбранной отражательной решетки RRi.

Во время активной фазы запуска необходимо привести подвижную конструкцию в неподвижное состояние посредством устройства пакетирования известного типа.

После развертывания в космическом пространстве незначительная масса и небольшие габариты пленки-носителя отражательных рисунков, намотанной на барабаны, позволяют расположить антенну, обладающую большим количеством зон действия, в компактной конструкции.

Предпочтительно, плоскость заземления является единой для всех зон действия, что позволяет избежать совместного подвешивания, а разделитель заменяется безвоздушным пространством, что благоприятно сказывается на радиочастотных характеристиках отражательной антенной решетки.

Согласно второму варианту изобретения, являющемуся особенно предпочтительным, в случае стремления развернуть в космическом пространстве несколько элементов антенны, первая пленка может быть носителем плоскости заземления, а антенна может содержать, предпочтительно, единственный оснащенный двигателем барабан, связанный с каркасом, на котором имеется возможность производить протягивание комплекта, состоящего из отражательных решеток/разделителя/ плоскости заземления; при этом каркас содержит комплект шкивов, позволяющих осуществлять такое протягивание. На фиг.2а и 2b схематично изображен пример такой конфигурации. На фиг.2а изображен вид сверху каркаса Ar, содержащего комплект шкивов Pou₁, Pou₂, Pou₃, на которых посредством троса С₁ с катушки D₁ выполнено развертывание единственной пленки-носителя комплекта отражательные решетки/разделитель/плоскость заземления F₁+PM. На фиг.2b представлен вид в разрезе, изображающий систему протягивания пленки на каркасе, содержащей на своей стороне, называемой верхней, отражательные рисунки, а на своей нижней стороне плоскость заземления. Пленка, подаваемая с катушки D₁, тянется с использованием троса С₁ оснащенным двигателем барабаном Т₃; при этом приведение в движение троса и пленки осуществляется, таким образом, над шкивами.

Согласно третьему варианту изобретения, антенна содержит одновременно и первую пленку F₁, содержащую подкомплекты отражательных рисунков, хранимых на первой катушке D₁, и вторую пленку F₂, являющуюся составной частью плоскости заземления, хранимую на второй катушке D₂. На фиг.3а и 3b изображен данный вариант, согласно которому только один барабан Т₃ может быть, предпочтительно, использован для развертывания одновременно двух пленок с простым оснащением двигателем, связанным с комплектом, состоящим из двух тросов С₁ и С₂ и передачи из трех шкивов Pou₁, Pou₂, Pou₃.

Предпочтительно, для увеличения числа отражательных решеток представляется возможным выполнить матрицу из элементов, таких которые были представлены в вариантах 2 или 3. На фиг.4а представлен вид сверху антенны согласно изобретению, установленной на борту спутника Sat и представленной в развернутом положении, изображающий три каркаса Ar₁, Ar₂, Ar₃, сопряженные с тремя катушками D₁₁, D₁₂, D₁₃; при этом отражательные решетки находятся на пленках, которые изображены не размотанными, F₁₁, F₁₂, F₁₃. Каркасы развертываются начиная от элемента пакетирования G; при этом осуществляется регулировка положения источника S для того, чтобы он падал на заданную отражательную панель. На фиг.4b изображен вид в разрезе этой же антенны, на которой показан каркас Ar₂.

Согласно изобретению, становится возможным устанавливать на борту компактную антенну, способную покрывать большое количество различных зон действия, используя принцип плоских отражательных решеток. Радиочастотные характеристики улучшаются в результате образования безвоздушного промежутка, который представляет собой разделитель, обладающий прекрасными диэлектрическими свойствами.

Как правило, пленки создаются из армированного или неармированного диэлектрического материала с нанесенными металлическими гравировками или из материала, отражающего электромагнитные волны и имеющего небольшую толщину. К таким материалам можно отнести, например, материалы типа ARLON, KAPTON, ROGERS или CUCLAD, образованные пленками толщиной 50-127 мкм. Эластичность таких пленок позволяет добиваться совместно с устройствами удержания в натяжении требуемой плоскостности, которая, например, составляет около 200 мкм среднего уровня микрошероховатости для отражательной решетки диапазона Ku 1м x 1м.

Становится возможным устанавливать на борту согласно изобретению порядка десяти комплектов отражательных рисунков, обладающих поверхностью около одного квадратного метра.

Приведенное ранее описание изобретения относится к случаю, когда антенна является антенной типа отражательной решетки, однако оно также применимо и к антеннам типа решеток прямого излучения.

В этом случае распределение сигнала по излучающим элементам больше не осуществляется при помощи источника-излучателя. Оно осуществляется посредством распределителя образования пучка (называется также Beam Forming Network - система формирования пучка), обладающего одним входным доступом и таким количеством выходных доступов, сколько имеется излучающих элементов. Распределительная решетка является, предпочтительно, типа волновода для уменьшения потерь при распределении. В случае, если излучающие элементы имеют небольшие размеры, то представляется разумным применить комбинированный подход к распределительной решетке, сочетая технологию типа волновода для маршрутизации на большие расстояния и планарную технологию рядом с излучающими элементами для того, чтобы воспользоваться ее компактностью.

Излучающие элементы относятся к типу планарной технологии. Они содержат плоскость заземления, средство возбуждения (отверстие в плоскости заземления, питание путем подключения, питание посредством зонда) и один или несколько плоскостных рисунков (накладки или гравюра решетчатого типа). Излучающие элементы потенциально могут быть оснащены боковыми углублениями, которые усиливают разъединение излучающих элементов и способны помочь их регулировке.

Реконфигурация диаграммы производится путем изменения фазы сигнала, излучаемого излучающими элементами. Способ действия может состоять в изменении их формы. Однако также необходимо привести излучающий элемент в соответствие с выходным доступом образующей решетки. Также для одновременного обеспечения регулировки и мощности фазосдвигающего устройства представляется предпочтительным снабдить излучающий элемент двумя уровнями излучающих рисунков. В результате таких действий также увеличивается полоса пропускания антенны.

В данном случае решетки могут быть выполнены из двух пленок. На фиг.5 изображена такая конфигурация, показывающая две пленки F₁ и F_1' - носители отражательных рисунков. Барабаны Т₁, Т_1', Т₂, Т_2' позволяют обеспечить протягивание упомянутых пленок. Желаемые промежутки выверяются посредством роликов-разделителей re₁, re_1', re₂, re_2', располагаемых относительно опоры.

Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является увеличение количества излучающих решеток с уменьшенными габаритами и увеличение зон действия одной антенны путем взаимозаменяемости в полете. Технический результат достигается за счет того, что в реконфигурируемой отражательной антенной решетке, содержащей подкомплект рисунков, способных излучать сигналы, передаваемые в заданном направлении, и средства загрузки и расположения упомянутых излучающих решеток для расположения одной из них в заданном положении излучения, средства загрузки и расположения содержат систему протягивания первой пленки (F1), содержащей подкомплекты излучающих рисунков, позволяющих избирательно располагать подкомплект излучающих рисунков в положении передачи. При этом система протягивания первой пленки с излучающими рисунками содержит первый барабан, оснащенный двигателем, и второй барабан с постоянным возвратным моментом. 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Реконфигурируемая антенная решетка, выполненная с возможностью выдачи сигналов в виде волн, содержащая комплект излучающих решеток (RR_i), при этом каждая решетка содержит подкомплект рисунков, способных излучать передаваемые сигналы в заданном направлении, и средства загрузки и размещения упомянутых излучающих решеток, чтобы размещать одну из них в выбранное положение передачи, отличающаяся тем, что
средства загрузки и размещения содержат систему протягивания первой пленки (F₁), содержащей подкомплекты излучающих рисунков, позволяющих избирательно расположить подкомплект излучающих рисунков в положение передачи; при этом упомянутая система протягивания пленки с излучающими рисунками содержит первый оснащенный двигателем барабан (T₁) и второй барабан (Т₂) с постоянным возвратным моментом.

2. Реконфигурируемая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что содержит источник (S), выполненный с возможностью выдачи сигналов в виде волн; при этом средства загрузки и размещения позволяют избирательно расположить подкомплект излучающих рисунков против источника.

3. Реконфигурируемая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит распределитель формирования пучка, питающего излучающие элементы таким образом, чтобы создавалась антенна типа прямого излучения.

4. Реконфигурируемая антенная решетка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что излучающие рисунки присоединены к управляемым устройствам контроля фазы, которые могут быть типа диодов или микроэлектромеханических систем (MEMS).

5. Реконфигурируемая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что излучающие решетки содержат, кроме того, плоскость заземления (РМ) и разделитель (Е).

6. Реконфигурируемая антенная решетка по п.2, отличающаяся тем, что система протягивания содержит, кроме того, валики-разделители (re₁, re₂), крепящиеся на плоскости заземления и обеспечивающие протягивание пленки с излучающими рисунками на фиксированное расстояние от упомянутой плоскости заземления таким образом, чтобы установить пространство между упомянутой пленкой и упомянутой плоскостью заземления.

7. Реконфигурируемая антенная решетка по п.6, отличающаяся тем, что первая пленка содержит на одной из своих сторон излучающие рисунки, а на другой стороне -плоскость заземления.

8. Реконфигурируемая антенная решетка по п.7, отличающаяся тем, что она содержит:
оснащенный двигателем барабан (Т₃);
каркас (Ar);
средства развертывания упомянутой пленки на поверхности каркаса.

9. Реконфигурируемая антенная решетка по п.8, отличающаяся тем, что средства развертывания содержат катушку (D₁) для пленки и трос (C₁), позволяющий тянуть пленку; при этом упомянутый трос приводится в движение посредством барабана (Т₃).

10. Реконфигурируемая антенная решетка по п.9, отличающаяся тем, что средства развертывания содержат шкивы для обеспечения протягивания упомянутой пленки.

11. Реконфигурируемая отражательная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, кроме того, средства протягивания второй пленки (F_1', F₂).

12. Реконфигурируемая антенная решетка по п.11, отличающаяся тем, что она содержит каркас (Ar), имеющий первую сторону, вторую сторону и средства развертывания первой пленки на упомянутой первой стороне и второй пленки на упомянутой второй стороне таким образом, чтобы расположить выбранную зону упомянутой первой пленки против выбранной зоны упомянутой второй пленки.

13. Реконфигурируемая отражательная антенная решетка по п.12, отличающаяся тем, что средства развертывания упомянутых пленок содержат первую катушку для первой пленки, вторую катушку для второй пленки и два троса, позволяющие тянуть упомянутые пленки; при этом упомянутые тросы приводятся в движение посредством барабана (Т₃).

14. Реконфигурируемая отражательная антенная решетка по любому из пп.12 или 13, отличающаяся тем, что средства развертывания содержат шкивы для обеспечения протягивания упомянутых пленок.

15. Реконфигурируемая отражательная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, кроме того, датчик, позволяющий считывать информацию о положении, выгравированную на краю первой и (или) второй пленки.

16. Реконфигурируемая отражательная антенная решетка по п.9, отличающаяся тем, что она содержит комплект каркасов, позволяющих развертывать параллельно и в той же плоскости несколько пленок, содержащих подкомплекты излучающих рисунков.