Антенная система

 

Станция связи для генерирования или приема решетки излучаемых лучей с угловым расхождением, содержащая антенную решетку излучающих элементов, составляющих многоэлементную антенну и формирователь диаграммы направленности, причем формирователь диаграммы направленности содержит пассивный многополюсник, имеющий первую боковую сторону, на которой расположено множество лучевых портов для электрических сигналов, соответствующих лучам, и вторую боковую сторону, на которой расположено множество антенных портов, соответствующих излучающим элементам, причем каждый лучевой порт присоединен к множеству антенных портов через многополюсник из делителей мощности и фазовращателей, фазовые сдвиги которых в целом кратны заданной константе, так чтобы создать решетку лучей, в которой многоэлементная антенна имеет треугольную или шестиугольную симметрию и решетка лучей имеет треугольную или шестиугольную симметрию. Техническим результатом является снижение мощности между соседними лучами в диаграмме направленности по напряженности поля в дальней зоне при уменьшении веса и потребляемой электрической мощности. 3 с. и 24 з. п.ф-лы, 11 ил.

Данное изобретение относится к антенной системе, в частности, но не только, к многоэлементному формирователю диаграммы направленности для спутниковой системы связи с мобильными объектами.

Такие системы раскрыты (в общем виде), например, в WO93/09029, WO93/09577, WO93/09578, WO93/09613, WO93/09614, WO93/09624, ЕР-A-0510789, ЕР-A-035885, ЕР-A-421722. Предложенная система Immarsat (TM (фирменное название)) P21 состоит из нескольких наземных станций, которые могут быть передвижными и иметь антенны для связи с системой коммуникационных спутников. Каждый спутник несет антенную систему, предназначенную для передачи и приема множества радиолучей, каждый из которых направлен на часть поверхности земли, причем все лучи вместе взятые покрывают всю поверхность Земли.

Каждый радиолуч несет в себе несколько частотномультиплексированных каналов; ширина полосы каждого луча может быть, к примеру, 5 Мгц, что дает возможность каждому лучу нести большое число каналов пользователей (обычно для передачи речи). Также спутник несет антенну для связи со стационарной наземной станцией для обмена информацией, например, с сетью дальней связи общего пользования, Для создания множества лучей в диаграмме направленности по напряженности поля в дальней зоне, если передающая и приемная антенны являются направленными излучающими антеннами (то есть, без отражателей), представляющими большую антенную решетку излучающих элементов, в принципе известный многополюсник для формирования диаграммы направленности требует наличия фазовращателя для каждого излучающего элемента и для каждого расположения луча и делителя мощности - для каждого луча. Следовательно, для ста элементов и ста лучей потребуется 10000 фазовращателей и 100 делителей мощности, и количество составляющих элементов возрастает примерно экспоненциально при большом числе лучей и элементов.

Это приводит к значительному весу RF (радиочастотных) компонентов, а также большим потерям мощности в системе питания. А вес и потребляемая электрическая мощность на спутниках являются критическими факторами.

Одним из альтернативных вариантов формирования диаграммы направленности для многоэлементных антенн является "матрица Батлера", раскрытая в US 3255450 (Butler), которая состоит из каскадной системы четырехпортовых делителей мощности (с соединениями "двойным ласточкиным хвостом") с соответствующими фазовращателями, принимающими N входных RF сигналов и питающих линейную антенную решетку из N пространственно разнесенных элементов. Каждый делитель принимает два входных аналоговых RF сигнала, один из которых имеет сдвиг по фазе, и выдает два RF сигнала с фазовым сдвигом 90 градусов между ними. Эффект от матрицы делителей и фазовращателей заключается в том, что RF сигнал, поступающий на любой из входов, подается с нарастающим фазовым сдвигом на каждый элемент решетки. Таким образом, решетка действует как фазированная антенная решетка, генерирующая луч под углом, зависящим от приращения фазового сдвига (которое зависит от количества излучающих элементов) и пространственного разнесения (шага) элементов.

В свою очередь, путем избирательного возбуждения каждого входа можно сформировать луч с нарастающей разверткой, который можно использовать в радиолокационных системах. Как вариант, формирователь диаграммы направленности может быть использован для генерирования множества фиксированных лучей из общей апертуры (раскрыва). Луч может разворачиваться в одном из двух ортогональных направлений путем создания нескольких линейных матриц такого типа, расположенных по строкам и столбцам, причем выходы строчных матриц питают входы столбцовых матриц, а выходы столбцовых матриц питают двухмерную антенную решетку излучателей.

Матрицы Батлера практически не имеют потерь, и в этом заключается причина их применения.

В JP-A-59-44105 раскрыт двухмерный многополюсник формирования диаграммы направленности, содержащий два ортогональных яруса матриц Батлера для формирования лучей, идущих вдоль углов в прямоугольной антенной решетке. В ЕР-А-0056205 раскрыта большая матрица Батлера, сформированная из двух ортогональных ярусов матриц Батлера.

В WO88/04837 раскрыта отражательная антенна с управлением главным лепестком диаграммы направленности, которая используется на спутнике связи, где для управления лучом используется матрица Батлера.

В ЕР-A-0468662 раскрыта антенна (которая может быть направленной излучающей антенной), в которой матрица Батлера используется в качестве разделителя мощности для распределения мощности между элементами антенной решетки, чтобы сформировать единый составной главный лепесток однонаправленной формы, причем нарастающие фазовые сдвиги, создаваемые матрицей, подавляются элементами фазовращателя.

Особенность многоэлементных антенн с линейной матрицей Батлера состоит в том, что точка перехода между соседними лучами дает ослабление свыше 3 дБ, так что мощность между лучами падает до половины от максимального уровня излучения. Для квадратной антенной решетки минимальное снижение мощности между четырьмя соседними лучами составляет 8 дБ, что само по себе делает известную квадратную матрицу Батлера неприемлемой для формирования множества лучей для спутниковой связи, поскольку необходимо обеспечить равномерное покрытие поверхности Земли.

Согласно настоящему изобретению предлагается антенная система, использующая пассивную матрицу разделителей мощности (например, матрицу Батлера) в качестве формирователя диаграммы направленности для шестиугольной многоэлементной антенны для создания шестиугольной решетки направлений главных лепестков (диаграммы направленности).

Использование шестиугольной антенной решетки позволяет лучше покрыть поверхность Земли, чем при использовании эквивалентной квадратной антенной решетки, поскольку при этом мощность между соседними лучами снижается не слишком сильно.

Предпочтительно, чтобы раскрыв вокруг антенной решетки был выровнен, что уменьшает снижение мощности между соседними лучами в диаграмме направленности по напряженности поля в дальней зоне.

Предпочтительно, чтобы матрица была выполнена с избыточностью и чтобы только некоторые выходные порты были присоединены к излучающим элементам; остальные выходные порты присоединяются к согласованной нагрузке.

Эта особенность изобретения приводит к тому, что матрица Батлера не проявляет своего ценного преимущества, заключающегося в отсутствии потерь. Однако мы полагаем, что на эти потери можно закрыть глаза ради снижения падения мощности в точке перехода.

В предпочтительном варианте усиление или потери в тракте к излучающим элементам отличается по поперечному сечению апертуры антенной решетки, обеспечивая плавное ослабление мощности, подводимой к краям решетки. Эта особенность изобретения повышает уровень в точке перехода между лучами и уменьшает уровень боковых лепестков диаграммы направленности напряженности поля в дальней зоне.

Предпочтительно, чтобы матрица содержала два ортогонально соединенных яруса из матриц разделителей мощности.

Согласно другому аспекту изобретение обеспечивает многополюсник формирования диаграммы направленности для многоэлементной антенной системы, который содержит первый и второй ортогонально соединенные ярусы матриц разделителей мощности, причем по меньшей мере в одном ярусе матриц меньше, чем порядок матриц в этом ярусе. Следовательно, для формирования непрямоугольных антенных решеток можно использовать матрицы "с превышенным размером", но при этом не требуется матриц в количестве, в два раза превышающем порядок каждой матрицы.

Согласно другому аспекту изобретение обеспечивает антенную систему, в которой предусмотрено несколько различных матриц разделителей мощности, а соответствующие выходные порты каждой матрицы совместно подсоединены к элементам антенной решетки, так что единая многоэлементная антенна может генерировать сетки из множества радиолучей. По разному фазируя выходы матриц, можно управлять разными сетками с целью смещения их положений, так что одна сетка может быть вставлена между радиолучами другой.

Согласно другому аспекту изобретение обеспечивает приемопередающую станцию связи (например, спутник), имеющую цифровой процессор для управления каналами (то есть, мультиплексирования и демультиплексирования), подсоединенный через аналоговый формирователь диаграммы направленности, содержащий пассивный многополюсник разделения мощности (например, матрицу Батлера). Это позволяет существенно уменьшить нагрузку на устройство обработки без замены весьма сложной структуры формирования диаграммы направленности и таким образом уменьшает массу, потребление энергии и объем системы обработки сигналов и, следовательно, делает ее более приемлемой для использования на спутнике.

Согласно другому аспекту изобретение обеспечивает антенную систему, в которой несколько разных матричных устройств Батлера подсоединены параллельно к одной и той же многоэлементной антенне, причем каждое устройство установлено для генерирования решетки направлений главных лепестков, причем эти решетки взаимно сдвинуты, так чтобы получить комбинированную решетку направлений главных лепестков, имеющую меньший угловой шаг.

Таким образом, для генерирования большого количества радиолучей можно использовать единую антенну с улучшенным покрытием и уменьшенным ослаблением между лучами по сравнению с решеткой лучей, получаемой от одного матричного устройства Батлера.

Другие аспекты и варианты воплощения изобретения раскрыты в последующем описании и формуле изобретения.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 схематически иллюстрирует спутниковую систему связи с подвижными объектами; фиг. 2 - перспективное изображение космического аппарата согласно одному варианту изобретения; фиг. 3 - блок-схема, показывающая схематически электрические компоненты системы связи космического аппарата на фиг. 1; фиг. 4 - блок-схема, схематически показывающая матрицу Батлера, которая используется в варианте на фиг. 3; фиг. 5 - перспективное изображение, схематически показывающее расположение матриц Батлера на фиг. 4 для получения формирователя диаграммы направленности согласно варианту на фиг. 3; фиг. 6а - диаграмма, показывающая диаграмму направленности излучения приемной антенны согласно варианту на фигурах со 2-й по 5-ю; и фиг. 6б - соответствующие изображения в плане диаграммы излучения передающей антенны согласно этому варианту; фиг. 7а иллюстрирует физическое расположение элементов антенной решетки в приемной антенне и показывает относительный коэффициент усиления усилителей, подсоединенных к каждому элементу; и
фиг. 7б иллюстрирует физическое расположение элементов антенной решетки в передающей антенне и показывает относительный коэффициент усиления усилителей, подсоединенных к каждому элементу;
фиг. 8 - диаграмма, показывающая соединения передающих и принимающих лучевых портов с соответствующими формирователями диаграммы направленности, показанными на фиг. 5;
фиг. 9а показывает соответствующие соединения между элементами приемной антенны и формирователем диаграммы направленности на фиг. 5; и
фиг. 9б показывает соответствующие соединения между элементами передающей антенны и формирователем диаграммы направленности на фиг. 5;
фиг. 10 показывает расположение формирователя диаграммы направленности и антенны согласно другому варианту изобретения; и
фиг. 11 схематически иллюстрирует диаграмму направленности излучения, полученную с помощью варианта на фиг. 10.

На фиг. 1 показана известная спутниковая система связи с подвижными объектами. Система содержит по меньшей мере один спутник (S1 и S2) на орбите вокруг Земли (Е), на поверхности которой размещено множество терминалов, например мобильных терминалов связи (M1 и M2) и стационарных терминалов связи (F1). Последние могут включать, например, наземные станции, подсоединенные к телекоммуникационным системам (например, коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN).

Спутники предпочтительно должны находиться на промежуточных орбитах (ICO), например, на высоте 10000 км над поверхностью Земли. Может быть предусмотрено, например, двенадцать спутников в наборах по четыре, с угловым распределением по каждой из трех взаимно перпендикулярных орбит, так что каждый терминал в любой момент времени будет находиться в области видимости несколько спутников.

Каждый спутник генерирует множество пространственно разделенных (но перекрывающихся) излучений (например, на радиочастотах), образующих решетку радиолучей (TI-TN), которая полностью покрывает некоторую область на поверхности Земли, обычно всю поверхность, способом, раскрытым более подробно ниже. Следовательно, направления излучения и приема образуют пространственно разделенные каналы связи между спутниками и терминалами. Так как спутники находятся на негеостационарных орбитах и поскольку терминалы могут быть подвижными, конкретный терминал может с течением времени проходить через множество таких каналов и может потребоваться прекращение связи с одним спутником и подключение к другому ("переключение").

В известном варианте один терминал может устанавливать связь с другим или с телекоммуникационной сетью, устанавливая контакт со спутником, который затем связывается с другим терминалом и осуществляет передачу и прием сообщений между этими двумя терминалами.

Обратимся теперь к фиг. 2, где согласно настоящему варианту изобретения спутник содержит корпус 5, несущий пару раскладываемых панелей солнечных батарей 4а, 4б (показаны в свернутом виде), по меньшей мере одну антенну с управляемой диаграммой направленности и высоким коэффициентом усиления в пятне 3, снабженную фидерным трактом, для связи с одной или более стационарными наземными станциями, соединенными с телекоммуникационными сетями; приемную многоэлементную антенну 1, осуществляющую прием по множеству направлений приема R1-RN, и передающую многоэлементную антенну 2 для генерирования множества лучей B1-BN. Антенны 1-3 располагаются на той стороне спутника, которая всегда обращена к Земле.

Теперь дадим краткое объяснение используемого принципа модуляции. Антенна с фидерным трактом 3 работает в Ka диапазоне на частоте передачи 20 ГГц частоте приема 30 ГГц с шириной полосы 50 МГц. Приемная антенна работает на частоте 2 МГц, а передающая многоэлементная антенна - на частоте 2,2 ГГц с шириной полосы 30 МГц каждая. Каждому лучу (в данном варианте их 121) выделяется блок 5 МГц внутри этого спектра, причем блоки, выделенные соседним лучам, отличаются настолько, чтобы уменьшить взаимные помехи между соседними лучами. Каждый блок содержит до 25 частотных интервалов (FDM (частотное разделение каналов) и/или TDM (временное разделение каналов)) шириной 200 кГц. Каждый частотный интервал разделяется на 48 каналов пользователей. Следовательно, ширина полосы, предоставленной каждому пользователю, составляет 4 кГц, что вполне приемлемо для передачи речи. Каждый луч может осуществлять обмен информацией одновременно с 1200 пользователями.

Обратимся к фиг. 3, где электрическая аппаратура, размещенная внутри спутника, содержит прямой тракт для связи от наземной станции к терминалу и обратный тракт для связи от терминала к наземной станции. Прямой тракт содержит антенну с фидером 3, сигналы от которой фильтруются соответствующими полосовыми фильтрами 5a-6d и усиливаются соответствующими малошумящими усилителями 7a-7d. Усиленные сигналы уплотняются и преобразуются с понижением частоты (IF) с помощью схемы уплотнения/преобразования с понижением частоты до IF 8. Этот IF сигнал разделяется на две полосы по 25 мГц с помощью дополнительных фильтров 9a, 9b, после чего каждый сигнал преобразуется в цифровую форму соответствующими аналогоцифровыми преобразователями (ADC) 10a, 10b. Затем каждый из преобразованных в цифровую форму IF сигналов частотно демультиплексируется на 125 интервалов с помощью частотных демультиплексоров 11а, 11b, давая таким образом всего 250 интервалов, с шириной полосы 200 кГц каждый.

Под управлением цифровой схемы управления 13 многополюсник коммутации или маршрутизации 12 направляет каждый из 250 частотных интервалов на один из 25 входных портов одного из 121 (или, в общем случае N, где N - количество лучей) частотных мультиплексоров 14a-14N, которые мультиплексируют интервалы в групповой сигнал 5 МГц, который будет передан на один из лучей B1-BN. Мультиплексор 14 (и, следовательно, луч В), выбранный схемой управления, определяет географическую точку на поверхности Земли, на которую передается частотный интервал, а входной порт мультиплексора (и, следовательно, частота модуляции) определяет терминал пользователя, который будет принимать частотный интервал.

Затем каждый из 121 мультиплексированного цифрового группового сигнала преобразуется в аналоговый сигнал с помощью соответствующего цифроаналогового преобразователя (DAC) 15a-15N, каждый выходной сигнал которых преобразуется с повышением частоты до частоты луча, лежащей внутри диапазона 30 МГц в полосе 2.2 ГГц, с помощью матрицы 16 IF/S преобразователей диапазона. Как упоминалось выше, частоты, выбираемые для соседних лучей, отличаются друг от друга. Затем модулированные сигналы подаются на соответствующие входные порты аналогового формирователя диаграммы направленности 20, который генерирует множество М (например, 109) сигналов возбуждения для возбуждения соответствующих излучающих элементов 200a-200M передающей многоэлементной антенны 2. Сигналы возбуждения усиливаются блоком из МRF усилителей мощности 17a-17M и фильтруются блоком полосовых фильтров 18a-18M перед подачей на соответствующие излучающие элементы 200a-200M.

Составляющие компоненты обратного тракта в общем случае по функциям обратны компонентам прямого тракта. Множество P приемных компонентов (например, 151) 118a-118P принимают поступающие радиосигналы в полосе 2 гГц от терминалов на Земле. Сигнал от каждого элемента фильтруется и усиливается соответствующими фильтрами 118a-188P и малошумящими усилителями 117a-117P и подаются на входные порты аналогового формирователя диаграммы направленности 120. Сигналы на каждом N выходных портов формирователя диаграммы направленности 120 преобразуются с понижением частоты в групповой сигнал 5 мГц с помощью матрицы из 116 S/IF преобразователей и преобразуется в цифровую форму с помощью соответствующего ADC 115-115N.

Каждый групповой сигнал в цифровой форме частотно демультиплексируется на 25 частотных интервалов шириной 200 кГц с помощью демультиплексоров 114a-114N, и частотные интервалы под управлением схемы управления 13 через коммутатор 112 направляются на заданный вход (соответствующий конкретной частоте) одной из пар частотных мультиплексоров 111a, 111b, генерирующих выходные сигналы 25 МГц, которые преобразуются в аналоговые сигналы с помощью пары DAC 110a, 110b. Затем аналоговые сигналы уплотняются в сигнал 50 МГц с помощью пары модуляторов 119a, 119b и фильтра 119c, и уплотненный сигнал преобразуется с повышением частоты в сигналы 20 ГГц с помощью IF/Ka преобразователя и схемы RF делителей 118.

Каждый RF сигнал усиливается с помощью RF усилителя мощности (например, устройства бегущей волны) 117a-117d, фильтруется с помощью полосового фильтра 116a-116d и подается на антенну с фидерным трактом 3 для передачи на соответствующую наземную станцию.

Таким образом, можно видеть, что система, показанная на фиг. 3, состоит из подсистемы фидерной связи, содержащей элементы 3,6-9 и 16-19; подсистемы выделения и уплотнения каналов, содержащей элементы 11-14 и 111-114, и подсистемы связи с подвижными объектами, содержащей элементы 16-18, 116-118 и антенны 1 и 2. Поскольку в этом варианте подсистема выделения и уплотнения каналов (то есть, обработки) является цифровой, то предусмотрены ADC и DAC 10,16, 110,115.

Использование подсистемы цифровой обработки каналов, что желательно, является выгодным в настоящем изобретении, потому что, поскольку формирование диаграммы направленности выполняется с помощью аналоговых формирователей 20, 120 с относительно широкой полосой, нет необходимости выполнять это с помощью цифровой аппаратуры и, следовательно, нет необходимости работать во всем спектре мобильной связи 30 мГц и поэтому задача может быть без труда решена с использованием доступных элементов.

Кроме того, потребление энергии при обработке цифровых сигналов примерно пропорционально ширине полосы сигнала. Следовательно, поскольку в настоящем изобретении цифровой процессор работает с сигналами шириной 5 мГц на каждом лучевом порте, а сигналы шириной 30 мГц для элементов антенной решетки обрабатываются с помощью аналогового формирователя диаграммы направленности, потребление мощности цифровым процессором резко снижается по сравнению с полностью цифровой системой.

Обратимся к фигурам 4 и 8, с помощью которых будут более подробно описаны аналоговые формирователи диаграммы направленности 20, 120. Каждый аналоговый формирователь диаграммы направленности 20, 120 состоит из двух ортогонально соединенных ярусов 30a, 30b, составленных из матриц Батлера 50, как это показано на фиг. 5.

Каждый ярус состоит из одинаковых матриц Батлера 50, каждая из которых, как показано на фиг. 4, представляет собой устройство с 16 входами и 16 выходами (то есть, 16х16), содержащее подложку 51, первую боковую сторону X, на которой находится множество первых портов, вторую боковую сторону Y, на которой находится множество вторых портов, множество одинаковых 4-портовых ответвителей или гибридных элементов 52 и множество фазовращателей 53, причем все они соединены друг с другом полосковыми линиями.

Термин "боковая сторона" в данном документе используется в топологическом смысле без ссылки или ограничений на действительную геометрическую структуру матрицы; физическое расположение портов и составных элементов не имеет значения (при условии, если фаза сигналов не сильно искажается).

В обоих формирователях диаграммы направленности 20, 120 используются матричные устройства, показанные на фиг. 4, но количество таких матриц, образующих ярусы, показанные на фиг. 5, у формирователей диаграммы направленности 20, 120 различно.

Структура матриц Батлера хорошо известна специалистам; достаточно сказать, что каждый гибридный элемент (который может иметь структуру, раскрытую в ЕР-A-0056205, включенном сюда по ссылке полностью) разделяет мощность входного сигнала на двух входных портах поровну между своими двумя выходными портами, которые отличаются по фазе на 90 градусов. Если имеется К первых и вторых портов и К является степенью 2, то матрица состоит из (log2K) строк, по K/2 гибридных элементов в каждой, и ((log2K) - 1) строк из K/4 фазовращателей, размещенных между гибридными элементами, причем каждый гибридный элемент подсоединен к двум другим в следующей строке, при этом промежуток между этой парой, к которой подсоединен гибридный элемент, возрастает в степени два в каждой последующей строке. Фазовые сдвиги, задаваемые фазовращателем 53, выполняются с приращением (180/N) градусов, и фазовращатели первой строки используют сдвиги, которые являются нечетными числами, кратными (180/N); фазовращатели следующей строки используют сдвиги, которые являются нечетными числами, кратными (180/2N); фазовращатели следующей строки используют сдвиги, которые являются нечетными числами, кратными (180/4N) и т.д. Хотя на фиг. 4 показано K/2((log2K) - 1) фазовращателей 53, только половина из них использует ненулевые фазовые сдвиги и, следовательно, остальные на практике могут не использоваться.

Эффективность такой структуры состоит в том, что сигнал на каждом первом порте X разделяется на N сигналов одинаковой амплитуды, каждый из которых появляется на одном из вторых портов Y, при этом каждый имеет нарастающее фазовое смещение. Например, сигнал, используемый на первом из первых портов с амплитудой А, появляется в качестве первого сигнала на первом из вторых портов с амплитудой A/N; второй сигнал - на втором из вторых портов с той же амплитудой, но сдвинутый по фазе на (360/N = Δ); третий сигнал той же амплитуды - на третьем порте, сдвинутый по фазе на дельта по отношению ко второму;... и шестнадцатый сигнал - на шестнадцатом из вторых портов, сдвинутый по фазе на дельта по отношению к пятнадцатому и в фазе с первым.

Сигнал, используемый на втором из первых портов X, также будет поровну разделен между вторыми портами Y, но приращение фазового сдвига составит 2*Δ, приращение фазового сдвига для третьего входного порта составит 3*Δ и т.д.

Понятно, что если вторые порты подсоединить к антенной решетке излучающих элементов с равномерным шагом, то в результате получится фазированная многоэлементная антенна, причем угол смещения луча будет зависеть от шага решетки, частоты сигнала и фазового приращения, которое, в свою очередь, зависит от количества первых портов и отождествления первого порта, на котором создается сигнал. Если многочисленные первые порты возбуждаются одновременно, то создается сетка лучей с возрастающим угловым сдвигом, причем каждый сдвиг однозначно соответствует сигналу на одном из первых портов.

Каждое матричное устройство на фиг. 4 обратимо и, следовательно, вышеизложенное описание может быть "перевернуто", другими словами, множество сигналов, используемых на вторых портах Y при определенном возрастающем фазовом соотношении вызовет появление сигнала на одном или нескольких первых портах X, так что комбинация матричных устройств с антенной решеткой может создать приемную многоэлементную антенну.

Если ярус из N матриц Батлера структуры на фиг. 4 расположен параллельно, так как это показано на фиг. 5, и каждый ряд выходных портов всех матриц яруса подсоединен к входным портам единой матрицы Батлера второго яруса, состоящего из N матриц Батлера (другими словами, два яруса соединены ортогонально, где термин "ортогонально" указывает в данном документе скорее на топологию соединения, чем на физическое или геометрическое расположение устройств), двухмерная матрица из N² выходных портов второго яруса может быть присоединена к соответствующим излучающим элементам квадратной двухмерной антенной решетки излучающих элементов, что обеспечит двухмерную сетку лучей.

Однако в настоящем изобретении формируется шестиугольная сетка лучей. Обратимся к фиг. 6, где на фиг. 6а показана диаграмма направленности приемной антенны 1, а на фиг. 6б показана диаграмма направленности передающей антенны. Понятно, что обе антенны содержат одно и то же число лучей (121) и что лучи на фиг. 6б совпадают с направлениями приема на фиг. 6а, но последние шире (и, следовательно, дают большее перекрытие и уменьшенное падение интенсивности между лучами).

Для обеспечения таких диаграмм направленности каждая из антенн 1, 2 содержит шестиугольную антенную решетку излучающих элементов 100a-100P, 200a-200M, например, микрополосковых диполей (не показаны), нанесенных печатным способом на общую подложку. Обратимся к фиг. 7, где на фиг. 7а показано расположение излучающих элементов 200 передающей многоэлементной антенны 2, а на фиг. 7в показано расположение излучающих элементов 100 приемной многоэлементной антенны 1.

Приемная антенна 1 содержит P=151 элементов 100, расположенных, как показано, с шагом s, где s/L==1.04, a L - длина волны антенны (2 ГГц). Общий диаметр антенны составляет 2.2 м. Передающая антенна 2 состоит из M = 109 элементов 200, расположенных, как показано, с шагом s, где s/L = 1.04, а L - в данном случае равно 2.2 ГГц. Общий диаметр антенны составляет 1.7 м.

В этом варианте не во всех 109 усилителях 18a - 18M передающей антенны используется одно и то же усиление. Относительный коэффициент усиления, используемый каждым усилителем, по отношению к усилителю, подсоединенному к центральному элементу антенны, указан в кружочках, обозначающих положение каждого элемента на фиг. 7б, из которой можно видеть, что коэффициент усиления снижается к краям антенной решетки, образуя три внешних кольца элементов 200, коэффициенты усиления для которых составляют -3, -6 и -9 дБ по отношению ко всем внутренним элементам.

Точно также предусматривается и для приемной антенны на фиг. 7а, где усилители 117a-117P для трех наиболее удаленных шестиугольных колец элементов 100 имеют прогрессивно падающие коэффициенты усиления (-3, -6, -9 дБ) по отношению к коэффициентам усиления для внутренних элементов.

Теперь со ссылками на фигуры 5, 8 и 9 будут описаны соединения между аналоговыми формирователями диаграммы направленности 20, 120 и антеннами 1, 2. Обратимся к фиг. 5, где первые порты X яруса 30a из матричных устройств 50 образуют двухмерную матрицу портов, каждый из которых обозначен координатами (i, j), где 0<i, j<15. Индекс i указывает номер порта вдоль боковой стороны X матричного устройства первого яруса 30a, а индекс j указывает номер порта вдоль боковой стороны X матриц второго яруса 30b, к которому подсоединено указанное матричное устройство первого яруса.

На фиг. 8 показано соединение N=121 модулированных лучевых выходов из матрицы 16 преобразователей с повышением частоты к формирователю диаграммы направленности 20. Если, как показано, оси i=10, j=10 расположены под углом 60 градусов и значения i, j отметить кружками, то шестиугольная симметрия соединения становится очевидной. Точно такие же соединения предусмотрены между формирователем диаграммы направленности 120 и матрицей 116 преобразователей с понижением частоты. Чтобы разместить все лучи (121), потребуется максимальное из 13 значений i; следовательно, можно обеспечить только 13 матричных устройств в первом ярусе 30a формирователей диаграммы направленности 20 и 120; удаленные матрицы показаны на фиг. 8 пунктиром. Те порты, которые остались неподсоединенными, желательно подсоединить к согласованной нагрузке.

На фиг. 9а показано соединение P = 151 элементов 100a-100P приемной многоэлементной антенны 1 (через фильтры 118 и усилители 117) ко вторым портам Y второго яруса 30b матричных устройств 50 в аналоговом формирователе диаграммы направленности 120. Указанное расположение элементов 100 соответствует фиг. 7а, так что выделенные три внешних кольца элементов - это элементы с пониженными к краю коэффициентами усиления, как было объяснено выше.

Обратимся к фиг. 5, где вторые порты Y яруса 30b матричных устройств 50 образуют двухмерную матрицу портов, каждый их которых определяется координатами (k, L), где 0 < k, L < 15. Индекс L указывает номер порта вдоль боковой стороны Y матричного устройства второго яруса 30b, а индекс k указывает номер порта вдоль боковой стороны Y матриц первого яруса 30a, к которому подсоединено данное матричное устройство второго яруса.

Если оси k = 0, L = 0 расположить под углом 60 градусов, как показано на фиг. 9a, шестиугольная симметрия становится очевидной. Чтобы разместить все элементы (151), потребуется максимальное из 15 значений k; следовательно, можно обеспечить только 15 матричных устройств во втором ярусе 30b. Те порты, которые остались неподсоединенными, подключаются к согласованной нагрузке. Таким образом, для формирователя диаграммы направленности 120 для приемной антенны потребуется 28 матричных устройств 50.

Фиг. 9b соответствует фиг. 9a и фиг. 7b и показывает соединения (через усилители 17 и фильтры 18) между элементами 200a-200M передающей антенны 2 и формирователем диаграммы направленности 20. Поскольку предусмотрено только М= 109 элементов 200, количество матричных устройств, необходимых во втором ярусе, составит 13, а общее число матричных устройств 50 составляет 26. Неиспользуемые порты подключаются к согласованной нагрузке.

В процессе функционирования лучевой входной сигнал на порте аналогового формирователя диаграммы направленности 20 разделяется на 16 равных выходных сигналов на выходных портах матричного устройства первого яруса 30a, три из которых заканчиваются согласованной нагрузкой (поскольку второй ярус 30b содержит только 13 матричных устройств). Каждый из оставшихся тринадцати сигналов, подводимых к соответствующим матрицам второго яруса 30b, разделяется на 16 равных выходных сигналов на выходных портах каждой матрицы, всего 13·16= 208 выходных сигналов, 101 из которых подключаются к согласованной нагрузке. Остальные 109 выходных сигналов через усилители подаются на элементы антенной решетки 200. Соотношение между их фазами относительно друг друга таково, что они складываются, генерируя один из лучей шестиугольной сетки, показанной на фиг. 6b. То же самое верно для всех лучей, поступающих на другие порты первого яруса 30a.

Подключение к согласованной нагрузке ряда портов из-за использования матричных устройств с превышенным размером 50, имеющих больше входов, чем это требуется как по количеству лучей, так и по количеству элементов, меняет диаграмму направленности каждого луча. Уменьшенное количество элементов приводит к уширению каждого луча, и обеспечение отличающегося усиления на периферийных элементах создает выравнивающее окно в антенной апертуре, что приводит к дальнейшему уширению каждого луча, так что уменьшение мощности в точке между тремя соседними лучами составляет только -2 дБ по сравнению с -7,8 дБ для многоэлементной антенны с квадратной матрицей Батлера с подключением всех элементов. Некоторые потери возникают из-за необходимости подключения к согласованной нагрузке и из-за разных коэффициентов усиления по сравнению с квадратной антенной решеткой (которая практически не имеет потерь), но эти потери весьма невелики.

Каждая антенна имеет в общем случае симметричную (приблизительно круговую или шестиугольную) апертуру, и использование матричного устройства Батлера с превышенными размерами, в котором не все элементы подключены, позволяет получить неискаженную шестиугольную диаграмму направленности. Естественно, если все точки, показанные на фигурах 8, 9a или 9b, будут подключены, тогда получится трапецеидальная решетка, которая, коль скоро существует шестиугольная симметрия, будет иметь искаженную диаграмму направленности.

В процессе функционирования приемная антенна 1 и формирователь диаграммы направленности 120 работают в сущности обратным образом по отношению к вышеописанному, так что принимаемый сигнал в одной из сеток направлений приема на фиг. 6а подается на один из первых портов первого
яруса 30a формирователя диаграммы направленности 120.Так как предусмотрено большее число элементов 100 и меньшее число портов подключено к согласованной нагрузке, диаграммы направленности более острые, но ослабление мощности между тремя соседними направлениями приема составляет только -3 дБ благодаря частично использованию матричных устройств с превышенным размером 50 и частично плавному снижению амплитуды усилителей 117.

Теперь со ссылками на фигуры 10 и 11 рассмотрим другой аспект данного изобретения.

Обратимся к фиг. 10, где в этом варианте каждый элемент многоэлементной антенны 1 (или 2) подсоединен к соответствующему выходному порту первого матричного формирователя диаграммы направленности Батлера 120a и второго формирователя диаграммы направленности 120b. Каждый формирователь диаграммы направленности 120a, 120b в общем случае имеет структуру, показанную на фиг. 5, хотя в этом удобном варианте, где используются матричные устройства с N входами и N выходами типа, показанного на фиг. 4, каждый из ярусов 30a, 30b состоит из N матриц Батлера, а антенна 1 содержит в квадратной антенной решетке N² излучающих элементов 100.

Каждое из матричных устройств Батлера 120a, 120b имеет таким образом N² лучевых портов. Очевидно, что если устройство используется без дальнейшей модификации, решетки лучей, генерируемых двумя матрицами Батлера, совпадут друг с другом. Однако одна решетка может быть сдвинута относительно другой при наличии фазосдвигающего устройства 300 между одним из матричных устройств Батлера 120b и антенной 1. Для одномерного расположения лучей необходимо только, чтобы фазосдвигающее устройство 300 обеспечивало бы нарастающий фазовый сдвиг, увеличивающийся линейно от элементов на одной стороне антенны 1 к элементам на другой стороне. Если решетка лучей должна быть двухмерной, очевидно, что необходимо использовать фазовый сдвиг по поперечному сечению антенны 1 в двух измерениях (то есть, "вертикально" и "горизонтально").

В качестве фазосдвигающего устройства 300 можно просто предусмотреть микроволновую линию передачи (например, микрополосковую линию), имеющую отводы от отрезков различной длины в поперечном сечении антенной решетки.

Обратимся к фиг. 11, где в одном из предпочтительных вариантов фазовращатель 300 ориентирует одну сетку лучей на угол ΝΔ/2, где N - целое число, как по углу места (луча), так и по азимуту, так что положения пиков, благодаря тому, что лучи подключены ко второму матричному устройству 120b, лежат как раз между четырьмя соседними лучами от первого матричного устройства Батлера 120a.

На фиг. 11 показаны только центры лучей, причем центры от лучей первого матричного устройства 120a показаны в виде точек, а центры лучей от второго матричного устройства 120b показаны в виде крестиков.

Видно, что антенная решетка будет квадратной с наклоном 45^oC с более высоким уровнем в точке перехода.

Таким образом, в этом варианте для генерирования большого числа лучей может быть использована единая антенна, и от квадратной многоэлементной антенны могут быть получены квадратные или неквадратные лучевые решетки с улучшенным лучевым покрытием и уменьшенным ослаблением между лучами. В варианте, показанном на фиг. 3, каждый из аналоговых формирователей диаграммы направленности 20, 120 может быть заменен двумя или более матричными устройствами Батлера 120a, 120b и одним или более фазовращателями с приращением 300.

В общем случае, согласно настоящему изобретению можно также скомбинировать несколько неквадратных (например, шестиугольных) антенных решеток. Например, может быть получена шестиугольная сетка путем использования трех матричных устройств Батлера, установленных для генерирования трех взаимно смещенных шестиугольных лучевых решеток.

Этот вариант можно использовать для систем, отличных от систем спутниковой связи; например, для других систем связи или радиолокационных систем.

Очевидно, что предыдущие варианты являются лишь примерами; можно предложить много других вариантов или изменений вышеуказанного варианта. Последующий материал просто дает примеры таких изменений.

Хотя в ранее описанных устройствах предусмотрены гибридные элементы 2 х 2, можно предложить недвоичные матрицы, использующие соединители "три на три; или другие структуры, как предложено, например, в публикации "Multiple beams frjm linear arrays" Shelnon and Kelleher, IRE Transactions on Antennas and Propagation, Vol AP-9, pp. l55-161, March, 1961.

Хотя ранее была упомянута конструкция с полосковыми линиями, изобретение может быть реализовано с использованием других технологий (например, MMIC (микроволновые интегральные схемы СВЧ-диапазона)). Также в качестве излучающих элементов могут быть использованы рупорные антенны или излучатели микрополосковой антенны, а также диполи.

Хотя выше было описано мультиплексирование с частотным разделением (каналов), очевидно, что можно использовать и другие системы (например, мультиплексирование с временным разделением или мультиплексирование с кодовым разделением). Хотя здесь рассматривались промежуточные круговые орбиты, очевидно, что изобретение применимо также и для низких околоземных орбит (LEO) или других орбит. Хотя здесь рассматривалась дальняя спутниковая связь с подвижными объектами, ясно, что изобретение можно использовать для стационарной дальней связи через спутник; равным образом, особенности данного изобретения могут быть использованы в областях связи, отличных от спутниковой связи.

Таким образом, понятно, что изобретение не ограничивается рассмотренными выше примерами, но распространяется на любые другие варианты, замены или модификации, очевидные специалистам.

Формула изобретения

1. Бортовое спутниковое устройство для генерирования или приема облучающих Землю излучаемых лучей с угловым расхождением, содержащее решетку излучающих элементов, составляющих многоэлементную антенну, имеющую треугольную или шестиугольную симметрию, и формирователь диаграммы направленности, отличающееся тем, что лучи образуют решетку с регулярным угловым расхождением, имеющую треугольную или шестиугольную симметрию, и формирователь диаграммы направленности содержит многополюсник, имеющий первую боковую сторону, на которой расположена решетка лучевых портов, каждый из которых предназначен для приема соответствующего электрического сигнала, соответствующего одному из множества лучей, и вторую боковую сторону, на которой расположено множество антенных портов, каждый из которых соответствует одному из излучающих элементов, причем каждый лучевой порт соединен с множеством антенных портов через многополюсник делителей мощности и фазосдвигающих элементов, фазовые сдвиги которых являются целыми кратными заданной константы, чтобы генерировать решетку лучей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что падение мощности между соседними лучами составляет не более 3 дБ.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что антенна представляет собой направленную излучающую антенну.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что в ней антенных портов больше, чем излучающих элементов, и некоторые из антенных портов не подсоединены к излучающим элементам.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что антенные порты, не подсоединенные к излучающим элементам, заканчиваются оконечными нагрузками.

6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что каждый излучающий элемент подсоединен через фидерный тракт к антенному порту, причем коэффициент усиления в фидерных трактах к излучающим элементам на периферии антенны меньше, чем коэффициент усиления в фидерных трактах излучающих элементов внутри периферии, с тем, чтобы обеспечить постепенное убывание амплитуды к апертуре антенны.

7. Устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что каждый элемент делителя мощности содержит 90^o гибридный элемент.

8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что мнополюсник содержит первый набор матричных устройств Батлера с N₁ входами и N₁ выходами, каждое из которых имеет первую боковую сторону и вторую боковую сторону, при этом первые стороны первого набора обеспечивают лучевые порты, и второй набор матричных устройств Батлера с N₂ входами и N₂ выходами, каждое из которых имеет первую боковую сторону и вторую боковую сторону, при этом вторые стороны второго набора обеспечивают антенные порты, в котором порты первой стороны каждого матричного устройства Батлера второго набора подсоединены к портам вторых боковых сторон множества различных матричных устройств Батлера первого набора, так что каждый лучевой порт подсоединен к каждому антенному порту.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в первом наборе имеется меньше, чем N₁ матричных устройств Батлера.

10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что во втором наборе имеется меньше, чем N₂ матричных устройств Батлера.

11. Устройство по любому из пп.1 - 10, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство приема луча, подсоединенное к первым портам.

12. Устройство по любому из пп.1 - 11, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство генерирования луча, подсоединенное к первым портам.

13. Устройство по любому из пп.1 - 11, отличающееся тем, что содержит первую указанную антенну, подсоединенную через первый указанный многополюсник к средству генерирования луча, и вторую указанную антенну, подсоединенную через второй указанный многополюсник к средству приема луча.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что средство приема луча установлено для приема в частотной полосе приема, а средство генерирования луча установлено для генерирования в частотной полосе передачи, отличающейся от частотной полосы приема.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что первая антенна установлена для генерирования решетки лучей передачи, а вторая антенна установлена для генерирования решетки лучей приема, причем каждый луч приема настроен на соответствующий луч передачи.

16. Устройство по любому предшествующему пункту, отличающееся тем, что оно размещено на космическом аппарате.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что оно размещено на космическом аппарате так, что, если аппарат находится на промежуточной круговой орбите вокруг Земли, решетка лучей охватывает практически всю видимую поверхность Земли.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что оно размещено на каждом множестве космических аппаратов, образующих глобальную спутниковую систему связи.

19. Многополюсник формирования диаграммы направленности для генерирования по меньшей мере одного излучаемого луча по меньшей мере одной угловой решетке направлений главных лепестков из многоэлементной антенны, отличающийся тем, что содержит первый набор матричных устройств пассивных делителей мощности, каждое из которых имеет N₁ входов и N₁ выходов, и второй набор матричных устройств пассивных делителей мощности, каждое из которых имеет N₂ входов и N₂ выходов, причем общее количество матричных устройств меньше (N₁ + N₂), в котором меньше, чем N₁² первых портов матричных устройств первого набора, предусмотрено в качестве лучевых портов и меньше, чем N₂² вторых портов матричных устройств второго набора, предусмотрено в качестве антенных портов, и в котором каждый первый порт матричного устройства второго набора подсоединен ко второму порту другого матричного устройства первого набора, так что каждый лучевой порт подсоединен ко всем антеннам портам.

20. Многополюсник формирования диаграммы направленности по п.19, отличающийся тем, что в первом наборе имеются М₁ устройств, где М₁ меньше, чем N₁.

21. Многополюсник формирования диаграммы направленности по п.20, отличающийся тем, что в нем имеется меньше, чем (М₁ х N₁) лучевых портов.

22. Многополюсник формирования диаграммы направленности по п.20 или 21, отличающийся тем, что во втором наборе имеются ₂ устройств, где М₂ меньше, чем N₂.

23. Многополюсник формирования диаграммы направленности по п.20, отличающийся тем, что в нем имеется меньше, чем (М₂ х N₂) антенных портов.

24. Антенная система, содержащая решетку излучающих элементов, составляющих многоэлементную антенну, отличающаяся тем, что содержит множество многополюсников делителей мощности, каждый из которых содержит набор лучевых портов, каждый из которых соединен с каждым из набора антенных портов, в которой антенные порты разных многополюсников сообща подсоединены к каждому антенному элементу, в которой каждый лучевой порт соответствует направлению главного лепестка антенны и в которой каждый многополюсник соответствует соответствующей решетке направлений главных лепестков, где решетки направлений главных лепестков расположены со взаимным угловым смещением.

25. Антенная система по п.24, отличающаяся тем, что предусмотрены разные фазосдвигающие средства для обеспечения разных фазовых сдвигов между лучевыми портами разных многополюсников и каждым антенным элементом.

26. Антенная система по п.24, отличающаяся тем, что первый многополюсник соответствует соответствующей первой двухмерной решетке направлений главных лепестков, а второй многополюсник соответствует соответствующей второй двухмерной решетке направлений главных лепестков, занимающей положения в минимумах между соседними лучами первой решетки.

27. Антенная система по п.24, отличающаяся тем, что содержит три многополюсника, каждый из которых соответствует шестиугольным решеткам направлений главных лепестков, наложенных друг на друга для получения дополнительной шестиугольной решетки главных лепестков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 31.03.2004

Извещение опубликовано: 20.10.2005        БИ: 29/2005

---