АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ОДНИМ ИЛИ НЕСКОЛЬКИМИ ОДИНАКОВЫМИ ОТРАЖАТЕЛЯМИ И С ВЫСОКОЙ РЕКОНФИГУРИРУЕМОСТЬЮ НА ОРБИТЕ Российский патент 2010 года по МПК H01Q19/17 

Предлагаемое изобретение относится к антенным решеткам с одним или несколькими отражателями, устанавливаемыми на борту искусственных спутников Земли и предназначенными для передачи и/или для приема пучков электромагнитных волн.

Здесь под выражением "антенная решетка с одним или несколькими отражателями" следует понимать антенну, образованную системой источников излучения (или излучающих элементов), размещенных в форме решетки, и одним или несколькими отражателями.

Упомянутые выше антенные решетки с одним или несколькими отражателями представляют специфический интерес вследствие того, что они позволяют формировать и позиционировать один или несколько излучающих пучков электромагнитных волн, распространяющихся в направлении одной или нескольких заданных зон покрытия. Это формирование пучков излучения осуществляется путем управления амплитудой и/или фазой на уровне источников излучения.

Способность модифицировать положение и форму зон покрытия на орбите (то есть двойная реконфигурируемость) является особенно интересной, в частности, для учета развития трафика, для замены вышедшего из строя спутника или в случае изменения положения на орбитальной дуге с сохранением баланса связи в заданной зоне. Для того чтобы обеспечить возможность двойной реконфигурируемости, наиболее часто используются три технических решения, представленных в последующем изложении.

Первое из этих технических решений состоит в использовании активной антенной решетки с прямым излучением (или DRA), то есть антенны, не содержащей отражателя. Этот тип антенной решетки обладает весьма хорошей способностью к двойной реконфигурируемости, но требует использования большого количества элементов управления, которые зачастую делают неприемлемыми стоимость и вес такой антенны. Кроме того, при излучении малый коэффициент полезного действия усилителей, которые связаны с каждым элементом управления антенны DRA, часто вызывает неудовлетворительное рассеяние.

Второе техническое решение состоит в использовании источников излучения, располагающихся в фокальной плоскости или в непосредственной близости от фокальной плоскости несогласованного параболического отражателя (или FAFR). Это техническое решение описано, в частности, в патентном документе US 4965587. Для того чтобы покрыть заданную зону, размерные параметры решетки источников излучения определяются таким образом, чтобы каждый из источников излучения этой антенны способствовал созданию части общего покрытия. При этом положение источников излучения непосредственно связано с зоной, подлежащей покрытию. Эта зона определяется геометрическим образом, применяя принцип отражения на рефлекторе. Законы изменения амплитуды и фазы для различных элементов управления должны быть оптимизированы таким образом, чтобы пучки излучения, выдаваемые источниками излучения, сочетались друг с другом, давая диаграмму направленности излучения, адаптированную к каждой подлежащей покрытию зоне. Если в данном случае требуется покрыть только одну из зон, предусмотренных изначально, используют только соответствующую часть антенной решетки. Здесь динамика изменения амплитуды, приложенной к излучающим элементам, является весьма значительной, что часто делает необходимым, при излучении, использование устройства уравновешивания мощности между усилителями (называемого МРА).

То обстоятельство, что каждый из источников излучения будет непосредственно связан с той или иной частью зоны покрытия, с одной стороны, заставляет использовать резервирование на уровне усилителей для того, чтобы исключить потерю этой зоны покрытия в случае частичного отказа элементов антенны, а с другой стороны, подразумевает использование количества источников излучения (и, часто, элементов управления), непосредственно связанного с размером зоны покрытия. Архитектура формирования пучков излучения оказывается, таким образом, особенно сложной, вызывает дополнительные потери, связанные с наличием устройства МРА, и обусловливает достаточно большой объем и массу антенны.

Третье техническое решение, которое представляет собой вариант описанного выше второго технического решения, было предложено в патентном документе US 2004/0222932. Оно состоит в размещении решетки источников излучения в фокальной плоскости рефлектора, отражающая поверхность которого сформирована таким образом, чтобы расширять зону покрытия каждым пучком излучения, представляющим "плоскую" диаграмму направленности излучения в главном лепестке, выдаваемом элементарным источником излучения. Здесь используется тот же принцип, что и принцип, описанный выше, причем каждый источник излучения обеспечивает содействие формированию некоторой части зоны покрытия. Вследствие расширения элементарных пучков излучения, обеспечиваемого строением отражателя, количество источников излучения, необходимое для зондирования данной зоны покрытия, может, таким образом, быть уменьшено, что позволяет сократить количество элементов управления антенны.

Поскольку ни одно из известных технических решений не обеспечивает получения вполне удовлетворительных результатов с точки зрения стоимости, и/или веса, и/или простоты элементов управления, и/или реконфигурируемости на орбите, техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы улучшить существующую ситуацию.

Для решения этой технической задачи в данном изобретении предлагается антенная решетка с одним или несколькими отражателями, имеющая в своем составе: i) решетку, состоящую из по меньшей мере двух источников излучения, из которых один, так называемый центральный, источник излучения выполнен и позиционирован таким образом, чтобы излучать (или принимать) пучки электромагнитных волн в выбранных направлениях, ii) средства формирования пучков излучения, позволяющие управлять амплитудой и фазой каждого из источников излучения посредством законов изменения амплитуды и фазы, применяемых на их выборках, и обеспечить соответствующий уровень усиления для того, чтобы каждый источник излучал в соответствии с выбранной диаграммой направленности излучения (образующей пучок излучения и содержащей главный лепесток диаграммы направленности излучения), предназначенной для покрытия выбранной зоны, и iii) один или несколько рефлекторов, предназначенных для отражения пучков излучения, выдаваемых источниками (или выдаваемых в направлении этих источников).

Эта антенная решетка с одним или несколькими отражателями отличается тем, что:

- поверхность по меньшей мере одного из ее отражателей сформирована трехмерным образом (3D) так, чтобы обеспечить отражение пучка излучения, который выдается каждым источником излучения, рассредоточивая его энергию для того, чтобы он покрывал связанную с ним выбранную зону, чтобы главный лепесток диаграммы направленности излучения, связанный с центральным источником, определял так называемое первичное покрытие, интегральным образом охватывающее каждую зону активного покрытия данной антенны выбранной формы и размеров, и чтобы главный лепесток диаграммы направленности излучения, связанный с каждым нецентральным источником излучения, покрывал, по меньшей мере частично, первичное покрытие, и

- ее средства формирования пучков излучения обеспечивают приложение к выборкам решетки источников излучения выбранного закона изменения амплитуды и/или закона изменения фазы таким образом, чтобы сочетание пучков излучения, выдаваемых источниками излучения решетки, определяло каждую из активных зон покрытия данной антенны.

Антенная решетка с одним или несколькими отражателями в соответствии с предлагаемым изобретением может обладать и другими характеристиками, которые могут быть использованы раздельно или в сочетании, а именно:

- источники излучения этой антенны могут быть позиционированы либо в фокальной плоскости отражателя, либо за пределами этой фокальной плоскости, и могут располагаться произвольным образом перед упомянутым отражателем;

- источники излучения этой антенны могут быть образованы излучающими элементами произвольного типа (например, круглыми или прямоугольными рупорными излучающими элементами, печатными излучающими элементами (или "patch"), щелевыми или спиральными излучающими элементами), функционирующими в режиме излучения и/или в режиме приема и в произвольной поляризации;

- поверхность одного из отражателей этой антенны предпочтительным образом представляет в целом параболоидную форму, сформированную трехмерным образом;

- по меньшей мере один из отражателей этой антенны может содержать механизм наведения, обеспечивающий изменение положения главного лепестка диаграммы направленности излучения, связанного с центральным источником излучения данной решетки.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примеров его реализации, где даются ссылки на чертежи, на которых представлено следующее:

Фиг.1 весьма схематично и функционально иллюстрирует пример реализации антенной решетки с одним или несколькими отражателями, выполненной в соответствии с предлагаемым изобретением;

Фиг.2 схематично иллюстрирует принцип формирования зон активного покрытия посредством антенной решетки с одним или несколькими отражателями, выполненной в соответствии с предлагаемым изобретением.

Приведенные чертежи могут служить не только дополнением к приведенному ниже описанию примеров реализации предлагаемого изобретения, но также, в случае необходимости, могут способствовать определению этого изобретения.

Прежде всего, будут даваться ссылки на фиг.1 для описания антенной решетки AR с одним или несколькими отражателями в соответствии с предлагаемым изобретением.

В последующем изложении в качестве не являющегося ограничительным примера предполагается, что антенная решетка AR с одним или несколькими отражателями представлена только в режиме излучения пучков электромагнитных волн, что эта антенна содержит только один отражатель AR, что решетка RS этой антенны содержит только пять источников излучения Si (где i имеет величину от 1 до 5) и что эта антенна обеспечивает только две активные зоны покрытия (ZC1 и ZC2). Однако предлагаемое изобретение не ограничивается только лишь таким применением. Действительно, антенная решетка с одним или несколькими отражателями в соответствии с предлагаемым изобретением имеет возможность функционировать как в режиме передачи, так и в режиме приема, или же в режиме передачи и приема, и/или может иметь в своем составе несколько отражателей, и/или может иметь в своем составе решетку, образованную произвольным количеством источников излучения, и/или имеет возможность предложить более чем две зоны активного покрытия. Главное назначение такой антенны состоит в возможности ее размещения на борту телекоммуникационного искусственного спутника Земли.

Антенная решетка AR с одним или несколькими отражателями в соответствии с предлагаемым изобретением прежде всего содержит решетку RS, образованную по меньшей мере двумя источниками Si излучения, выполненными и позиционированными таким образом, чтобы выдавать пучки Fi электромагнитных волн (содержащих сигналы, несущие некоторую информацию) в выбранных направлениях. Количество N источников Si излучения решетки RS, позиционирование этих источников Si друг относительно друга, тип источников Si излучения и соответствующие направления ориентации этих источников Si излучения выбираются в зависимости от задачи, решаемой данной антенной AR. В последующем изложении в качестве не являющегося ограничительным примера принимается, что количество N источников Si излучения равно 5 (i имеет величину от 1 до 5). Однако это количество N источников излучения может принимать любую величину, превышающую или равную двум.

Среди этих источников Si излучения один источник излучения (в рассматриваемом здесь случае это источник S1) представляет собой так называемый центральный источник излучения, например, вследствие того, что он оказывается размещенным по существу в средней части решетки RS.

Каждый источник Si излучения решетки RS может представлять собой излучающий элемент произвольного типа и, например, круглый или прямоугольный рупорный излучающий элемент, излучающий элемент типа "patch" (или печатный излучающий элемент), излучающую "щель" или спиральный излучающий элемент, которые имеют возможность функционировать в режиме излучения и/или в режиме приема и в произвольной поляризации.

Антенна AR содержит также модуль формирования пучков излучения MFF, обеспечивающий применение законов изменения амплитуды и/или законов изменения фазы и, соответственно, усиления сигналов каждого из N источников Si излучения решетки RS для того, чтобы каждый источник Si обеспечивал излучение с выбранной диаграммой направленности (образующее пучок Fi и содержащее главный лепесток диаграммы направленности излучения), предназначенное для покрытия выбранной зоны Zi. При этом любые методы для применения выбранного закона изменения амплитуды или закона изменения фазы, и усиления, известные специалисту в данной области техники, могут быть использованы в данном случае.

Антенна AR содержит также отражатель RC, снабженный поверхностью SU, сформированной трехмерным образом (поверхность 3D). Эта 3D-структура, представляемая в форме впадин и выпуклостей в выбранных местах поверхности SU, предназначена для отражения пучка Fi излучения, который выдается каждым источником Si излучения, распределяя его энергию таким образом, с одной стороны, чтобы он покрывал связанную с ним выбранную зону Zi покрытия, с другой стороны, чтобы главный лепесток диаграммы направленности излучения, связанный с центральным источником S1, определял так называемое первичное покрытие СР, охватывающее интегральным образом каждую зону активного покрытия ZCj антенны AR и имеющее выбранную форму и размеры, и, с третьей стороны, чтобы главный лепесток диаграммы направленности излучения, связанный с каждым нецентральным источником Si излучения (то есть где i не равно 1), и, следовательно, каждая зона Zi покрытия (где i не равно 1), покрывал, по меньшей мере частично, первичное покрытие СР на уровне зоны пересечение ZlCi.

Здесь под выражением "зона активного покрытия" следует понимать зону, в которой электромагнитные волны, передаваемые антенной AR, должны иметь возможность приема соответствующими приемными средствами.

Зона Z1 (определяемая главным лепестком диаграммы направленности излучения, исходящего от центрального источника S1 излучения решетки RS) определяет, таким образом, так называемую первичную зону покрытия СР. Каждая точка этой первичной зоны покрытия СР располагается, таким образом, в по меньшей мере одной зоне пересечения ZlCi и, предпочтительным образом, в нескольких зонах пересечения ZlCi. Иными словами, каждая точка первичного покрытия СР покрывается главным лепестком пучка F1 излучения центрального источника S1 излучения и одним или несколькими главными лепестками пучков Fi излучения (где i не равно 1), связанными с другими источниками Si (где i не равно 1) излучения решетки RS.

Таким образом, поведение антенны внутри первичной зоны покрытия СР оказывается весьма схожим с поведением антенной решетки с прямым излучением (DRA).

Как отмечено выше, именно внутри первичного покрытия СР могут быть определены зоны активного покрытия ZCj антенны AR посредством применения соответствующих законов и усиления, приложенного при помощи модуля MFF формирования пучков излучения. В соответствии с неограничительным примером реализации, проиллюстрированным на фиг.2, антенна AR спроектирована таким образом, чтобы предложить две зоны активного покрытия ZC1 и ZC2 (j=1 или 2). Однако антенна AR может быть спроектирована и таким образом, чтобы предложить более чем две зоны активного покрытия ZCj или же только одну такую зону.

Построение отражателя RC, который позволяет расширять пучки Fi излучения, рассчитывается в зависимости от решаемой задачи, поскольку именно эта задача будет определять огибающую зоны СР первичного покрытия, которая должна содержать различные зоны активного покрытия ZCj антенны AR. Можно, например, определить трехмерную 3D-структуру посредством полиномиальных или многочленных функций (например, при помощи функций типа Spline или Zernike), примененных к исходной поверхности отражения параболоидного типа при помощи соответствующего математического обеспечения (например, математического обеспечения типа POS4). В зависимости от выполняемой задачи источники Si излучения размещаются либо в фокальной плоскости отражателя RC, либо за пределами этой фокальной плоскости.

Отражатель RC может содержать механизм наведения (не показан на чертежах), предназначенный для изменения положения главного лепестка диаграммы направленности излучения, который связан с центральным источником S1 излучения решетки антенны AR.

Антенна AR в соответствии с предлагаемым изобретением особенно хорошо приспособлена, без ограничения указанным, для следующего:

- для обеспечения покрытия в режиме простого точечного пятна с большой потребностью в реконфигурации, например, в случае спутника, реконфигурируемого в зависимости от его орбитального положения;

- для многоточечных задач на широких зонах покрытия, например, в случае выборки типа CONUS, посредством активных зон покрытия (или точек покрытия), имеющих диаметр порядка 0,4°.

При использовании предлагаемого изобретения расположение решетки источников излучения оказывается существенно несогласованным с зоной покрытия антенны, поскольку именно трехмерная 3D-структура поверхности отражателя определяет первичное покрытие СР, внутри которого может быть определено любое количество точек (или зон активного покрытия ZCj) любой формы. Это позволяет существенным образом ограничить размеры антенной решетки и количество источников излучения, и это позволяет, следовательно, значительно уменьшить вес и сложность элементов управления по сравнению с традиционным техническим решением, в соответствии с которым используется параболический отражатель, или по сравнению с техническим решением типа DRA.

В то же время, тот или иной источник излучения больше не оказывается связанным с отработкой небольшой части активной зоны покрытия, как это имеет место в случае традиционного технического решения, в соответствии с которым используется параболический отражатель, и естественное дублирование может быть получено при помощи решетки источников излучения, хотя последствия частичного отказа ограничены.

Кроме того, уменьшая размеры решетки источников излучения, можно уменьшить аберрации расфокусирования, естественным образом стимулировать вторичные, более низкие уровни лепестков диаграммы направленности излучения (и, соответственно, наилучшее соотношение С/l), сопоставимые с уровнями, полученными при эксплуатации традиционного технического решения, в котором используется параболический отражатель. Использование относительно небольших соотношений между фокальным расстоянием системы с отражателем и диаметром главного отражателя при этом облегчается (в частности, на уровне встраивания в конструкцию спутника).

Таким образом, предлагаемое изобретение сочетает в себе преимущества антенны типа DRA (антенная решетка с прямым излучением), а именно, высокую реконфигурируемость и естественное резервирование, и преимущества антенны типа FAFR, а именно высокую направленность, обеспечиваемую благодаря специальным образом сформированной поверхности отражателя, исключая при этом недостатки двух этих типов антенн, а именно слишком большое количество элементов управления, которое существенным образом влияет на вес и стоимость антенны, потерю эффективности, связанную с лепестками диаграммы направленности излучения решетки в случае антенны типа DRA, потерю покрытия в случае отказов и размеры решетки источников излучения, являющиеся функцией рассматриваемого покрытия, в случае использования антенны типа FAFR.

Предлагаемое изобретение не ограничивается способами реализации антенной решетки с одним или несколькими отражателями, описанной в предшествующем изложении лишь в качестве примеров, но охватывает все возможные варианты его реализации, которые может представить себе специалист в данной области техники в рамках приведенной ниже формулы этого изобретения.

Таким образом, в предшествующем изложении описан пример реализации антенной решетки с одним или несколькими отражателями в соответствии с предлагаемым изобретением, предназначенной для передачи электромагнитных волн. Однако предлагаемое изобретение не ограничивается этим примером. По существу это изобретение применяется также к антенным решеткам с одним или несколькими отражателями, функционирующим в режиме приема сигналов или в режиме передачи и приема сигналов.

Антенная решетка (AR) с одним или несколькими отражателями, имеющая в своем составе: решетку (RS), состоящую из по меньшей мере двух источников (S1-S5) излучения, из которых один - центральный, источник (S1) выполнен и позиционирован так, чтобы излучать и/или принимать пучки электромагнитных волн (F1-F5) в выбранных направлениях, средства формирования пучков, по меньшей мере один отражатель (RC), имеющий поверхность (SU), способную отражать пучки излучения, выдаваемые упомянутыми источниками, и/или предназначенные для этих источников, и сформированную трехмерным образом так, чтобы обеспечить отражение пучка излучения, который выдается каждым источником (S1-S5) излучения, рассредоточивая его энергию для того, чтобы он покрывал связанную с ним выбранную зону, чтобы главный лепесток диаграммы направленности излучения, связанный с центральным источником (S1), определял так называемое первичное покрытие (СР), интегральным образом охватывающее каждую зону активного покрытия (ZC1, ZC2) антенны (AR) выбранной формы и размеров, и чтобы главный лепесток диаграммы направленности излучения, связанный с каждым нецентральным источником (S2-S5) излучения, покрывал, по меньшей мере частично, упомянутое первичное покрытие (СР). 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Антенная решетка (AR) с одним или несколькими отражателями, содержащая: i) решетку (RS), состоящую из по меньшей мере двух источников (Si) излучения, из которых один, так называемый центральный, источник (S1) излучения выполнен и позиционирован таким образом, чтобы излучать и/или принимать пучки электромагнитных волн (Fi) в выбранных направлениях, ii) средства (MFF) формирования пучков электромагнитных волн, позволяющие управлять амплитудой и фазой каждого из упомянутых источников (Si) излучения посредством применения законов изменения амплитуды и фазы к их выборкам и обеспечить соответствующий уровень усиления для того, чтобы каждый источник (Si) излучал в соответствии с выбранной диаграммой направленности излучения, образующей пучок (Fi) электромагнитных волн и содержащей главный лепесток диаграммы направленности излучения, предназначенный для покрытия выбранной зоны (Zi), и iii) по меньшей мере один отражатель (RC), имеющий поверхность (SU), способную отражать пучки (Fi) электромагнитных волн, выдаваемые упомянутыми источниками (Si) излучения и/или предназначенные для приема этими источниками (Si), отличающаяся тем, что:
упомянутая поверхность (SU) сформирована трехмерным образом и представлена в форме вогнутостей и выпуклостей, выполненных в выбранных местах этой поверхности (SU) таким образом, чтобы обеспечить отражение пучка (Fi) излучения, который выдается каждым источником (Si) излучения, рассредоточивая его энергию для того, чтобы он покрывал связанную с ним выбранную зону (Zi) покрытия, чтобы главный лепесток диаграммы направленности излучения, связанный с упомянутым центральным источником (S1) излучения, определял так называемое первичное покрытие (СР), интегральным образом охватывающее каждую зону активного покрытия (ZCj) данной антенны (AR) выбранной формы и размеров, и чтобы главный лепесток диаграммы направленности излучения, связанный с каждым нецентральным источником излучения, покрывал по меньшей мере частично упомянутое первичное покрытие (СР), и
упомянутые средства формирования пучков излучения выполнены с возможностью применения для выборок решетки источников (S1) излучения выбранного закона изменения амплитуды и/или закона изменения фазы таким образом, чтобы сочетание пучков (Fi) излучения, выдаваемых упомянутыми источниками (Si) излучения, определяло каждую из упомянутых зон активного покрытия (ZCj).

2. Антенная решетка с одним или несколькими отражателями по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое первичное покрытие (СР) интегральным образом охватывает по меньшей мере одну зону активного покрытия (ZCj).

3. Антенная решетка с одним или несколькими отражателями по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое первичное покрытие (СР) интегральным образом охватывает по меньшей мере две зоны активного покрытия (ZCj).

4. Антенная решетка с одним или несколькими отражателями по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые источники (Si) излучения позиционированы в фокальной плоскости одного из упомянутых отражателей (RC).

5. Антенная решетка с одним или несколькими отражателями по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые источники (Si) излучения позиционированы за пределами фокальной плоскости одного из упомянутых отражателей (RC).

6. Антенная решетка с одним или несколькими отражателями по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая поверхность (SU) отражателя (RC) в целом представляет форму типа параболоида, сформированную трехмерным образом.

7. Антенная решетка с одним или несколькими отражателями по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из упомянутых отражателей содержит механизм наведения, выполненный таким образом, чтобы изменять положение главного лепестка диаграммы направленности излучения, связанного с упомянутым центральным источником (S1) излучения решетки (RS).

8. Антенная решетка с одним или несколькими отражателями по п.1, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых источников (Si) излучения представляет собой излучающий элемент, выбранный из группы, содержащей по меньшей мере круглый или прямоугольный рупорный излучающий элемент, печатный излучающий элемент, щелевой или спиральный излучающий элемент.