Антенный блок с управляемой диаграммой направленности, использующий диэлектрическую линзу
Заявленная группа изобретений относится к области антенной техники. Техническим результатом является повышение эффективности отслеживания БПЛА. Предложен антенный блок с управляемой диаграммой направленности для приема множества падающих радиочастотных сигналов под множеством углов падения, содержащий приблизительно сферическую диэлектрическую линзу, апертурный блок волноводов, апертурную матрицу переключателей и радиальный объединитель апертур. Сферическая диэлектрическая линза принимает и фокусирует множество падающих радиочастотных сигналов, что обеспечивает создание множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы. Апертурный блок волноводов расположен возле задней поверхности сферической диэлектрической линзы и принимает множество сфокусированных радиочастотных сигналов. Апертурная матрица переключателей управляет электронным образом лучом диаграммы направленности, созданной антенным блоком с управляемой диаграммой направленности, и переключается между множествами сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к антеннам, а еще конкретнее к антенной системе, использующей сферическую линзу и антенную решетку для электронного сканирования антенной системы.
В этом десятилетии произошел резкий рост использования беспилотных летательных аппаратов, в целом называемых дронами. Большинство беспилотных летательных аппаратов используют беспроводные технологии для управления и передачи данных между беспилотным летательным аппаратом и пользовательским терминалом. Характеристики управления и эффективность передачи данных данной беспроводной линии связи существенно ограничивают дальность полета, маневренность и общую функциональность беспилотного летательного аппарата. По мере расширения использования беспилотных летательных аппаратов возможности беспроводной линии связи стали ограничивающим фактором применения систем, выполненных на их основе.
Беспроводная линия связи для беспилотного летательного аппарата состоит из радиостанций и антенн в пользовательском терминале и в летательном аппарате. Основным беспроводным «слабым звеном» в линии связи является антенна пользовательского терминала. Способность антенны пользовательского терминала эффективно отслеживать воздушное транспортное средство в полете существенно ограничивает зону действия связи и дальность полета. Для решения этой проблемы предприняты попытки использовать многочисленные наземные пользовательские терминалы, спутники и механически поворачиваемые антенны. Затраты, сложность и логистическое обеспечение распределенных наземных систем ограничивают их применение. Сложность спутниковой системы и задержка данных делают управление беспилотными летательными аппаратами и наблюдение за ними в реальном времени крайне сложной и дорогостоящей задачей. Механически поворачиваемые антенны имеют существенные проблемы в части времени отклика и точности наведения при отслеживании воздушного транспортного средства. В области операций беспилотного летательного аппарата необходимо создать единую систему пользовательского терминала, которая может эффективно отслеживать воздушное транспортное средство на значительном расстоянии для решения оперативных задач.
В настоящее время одно из решений проблемы задержек при отслеживании состоит в использовании антенны с фазированной антенной решеткой, которая обеспечивает большой коэффициент усиления антенны и управляемость с электронной регулировкой в пределах области охвата антенны. Антенны с фазированной антенной решеткой являются сложными в части установки и эксплуатации, а также потребляют много энергии и являются дорогими, так что их практическая реализация ограничена использованием сложных, комплексных систем. Таким образом, существует потребность в создании экономически целесообразной антенны с улучшенной конструкцией, которая решает вышеописанную проблему отслеживания беспилотного летательного аппарата.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрыт антенный блок с управляемой диаграммой направленности для приема множества падающих радиочастотных сигналов под множеством углов падения. Антенный блок с управляемой диаграммой направленности содержит приблизительно сферическую диэлектрическую линзу, апертурный блок волноводов, апертурную матрицу переключателей и радиальный объединитель апертур. Сферическая диэлектрическая линза имеет переднюю поверхность и заднюю поверхность, причем сферическая диэлектрическая линза выполнена с возможностью приема и фокусировки множества падающих радиочастотных сигналов для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы. Множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы, которые соответствуют множеству углов падения множества падающих радиочастотных сигналов. Апертурный блок волноводов расположен возле задней поверхности сферической диэлектрической линзы с возможностью связи с указанной задней поверхностью посредством сигналов и выполнен с возможностью приема множества сфокусированных радиочастотных сигналов. Апертурная матрица переключателей имеет связь посредством сигналов с апертурным блоком волноводов и выполнена с возможностью электронного управления лучом диаграммы направленности, созданной антенным блоком с управляемой диаграммой направленности, и возможностью переключения между множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом. Радиальный объединитель апертур имеет связь посредством сигналов с апертурной матрицей переключателей и выполнен с возможностью создания принимаемого радиочастотного сигнала из множества сфокусированных радиочастотных сигналов.
Антенный блок с управляемой диаграммой направленности может представлять собой часть пользовательского терминала, который содержит радиочастотный модем, имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком с управляемой диаграммой направленности и выполненный с возможностью приема радиочастотного сигнала и демодуляции принятого радиочастотного сигнала для создания принимаемого сигнала основной полосы частот, и контроллер, имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком с управляемой диаграммой направленности и радиочастотным модемом. Контроллер выполнен с возможностью управления радиочастотным модемом и апертурной матрицей переключателей для электронного управления положением лучом.
В одном из примеров работы антенный блок с управляемой диаграммой направленности осуществляет способ, который включает прием множества падающих радиочастотных сигналов на передней поверхности сферической диэлектрической линзы и фокусировку указанного принятого множества падающих радиочастотных сигналов для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы. Множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы, которые соответствуют множеству углов падения множества падающих радиочастотных сигналов. Способ дополнительно включает прием множества сфокусированных радиочастотных сигналов в апертурном блоке волноводов, расположенном возле задней поверхности сферической диэлектрической линзы, переключение между указанным множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом диаграммы направленности, созданной антенным блоком с управляемой диаграммой направленности, и объединение указанного переключенного множества сфокусированных радиочастотных сигналов для создания принимаемого радиочастотного сигнала с помощью радиального объединителя апертур. Кроме того, антенный блок с управляемой диаграммой направленности представляет собой взаимное устройство, выполненное с возможностью приема падающих радиочастотных сигналов, падающих на сферическую диэлектрическую линзу и передающих входные радиочастотные сигналы, которые вводят в радиальный объединитель апертур. В примере передачи входных радиочастотных сигналов апертурная матрица переключателей выполнена с возможностью электронного управления положением передаваемым лучом.
Другие устройства, аппараты, системы, способы, признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны или станут очевидны специалисту в данной области техники после ознакомления с приведенными далее чертежами и разделом «Осуществление изобретения». Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества включены в данный документ, находятся в пределах объема настоящего изобретения и защищены прилагаемой формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность настоящего изобретения может быть лучше понятна при обращении к приведенным далее чертежам. Компоненты на чертежах не обязательно приведены в масштабе и пояснены в тексте для иллюстрации принципов настоящего изобретения. На чертежах одинаковые ссылочные номера обозначают соответствующие части на различных видах.
На фиг. 1 показана системная структурная схема одного из примеров реализации пользовательского терминала беспилотного летательного аппарата, имеющего связь посредством сигналов с беспилотным летательным аппаратом, низкой околоземной орбитой или геосинхронным спутником посредством сигнального канала в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показана системная структурная схема одного из примеров реализации пользовательского терминала по фиг. 1 в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3А вид сверху одного из примеров реализации части в разрезе апертурного блока волноводов по фиг. 2 в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3В вид сбоку в разрезе части разреза апертурного блока волноводов по фиг. 3А в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 показан перспективный вид одного из примеров реализации конформной апертурной антенной решетки по фиг. 3А и 3В в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 5 показан перспективный вид еще одного примера реализации конформной апертурной антенной решетки по фиг. 3А и 3В в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 6 показан системный вид одного из примеров реализации приблизительно сферической диэлектрической линзы по фиг. 2, 3А и 3B в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 7А показан системный вид еще одного примера реализации сферической диэлектрической линзы, принимающей падающий радиочастотный сигнал под первым углом, в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 7В показан системный вид сферической диэлектрической линзы по фиг. 7А, принимающей падающий радиочастотный сигнал под вторым углом, в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 7С показан системный вид сферической диэлектрической линзы по фиг. 7А и 7В, принимающей падающий радиочастотный сигнал под третьим углом, в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 8 показан перспективный вид одного из примеров реализации обтекателя для использования со сферической диэлектрической линзой в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 9 показана структурная схема одного из примеров реализации волновода из множества волноводов по фиг. 3В, 6, 7А, 7В и 7С в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 10 показана структурная схема одного из примеров реализации апертурной матрицы переключателей по фиг.2 в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 11 показана структурная схема одного из примеров реализации радиального объединителя апертур по фиг. 2 в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 12 показана системная структурная схема одного из примеров реализации шагового двигателя для использования с апертурным блоком волноводов и сферической диэлектрической линзой в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 13 показана блок-схема одного из примеров реализации способа, осуществляемого антенным блоком с управляемой диаграммой направленности, в соответствии с настоящим изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложен антенный блок с управляемой диаграммой направленности для приема множества падающих радиочастотных сигналов под множеством углов падения. Антенный блок с управляемой диаграммой направленности содержит приблизительно сферическую диэлектрическую линзу, апертурный блок волноводов, апертурную матрицу переключателей и радиальный объединитель апертур. Сферическая диэлектрическая линза имеет переднюю поверхность и заднюю поверхность и выполнена с возможностью приема и фокусировки множества падающих радиочастотных сигналов для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы. Множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы, которые соответствуют множеству углов падения множества падающих радиочастотных сигналов. Апертурный блок волноводов расположен возле задней поверхности сферической диэлектрической линзы с возможностью связи с указанной задней поверхностью посредством сигналов и выполнен с возможностью приема множества сфокусированных радиочастотных сигналов. Апертурная матрица переключателей имеет связь посредством сигналов с апертурным блоком волноводов и выполнена с возможностью электронного управления лучом диаграммы направленности, созданной антенным блоком с управляемой диаграммой направленности, и переключения между множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом. Радиальный объединитель апертур имеет связь посредством сигналов с апертурной матрицей переключателей и выполнен с возможностью создания принимаемого радиочастотного сигнала из множества сфокусированных радиочастотных сигналов.
Антенный блок с управляемой диаграммой направленности может представлять собой часть пользовательского терминала, который содержит радиочастотный модем, имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком с управляемой диаграммой направленности и выполненный с возможностью приема радиочастотного сигнала и демодуляции принятого радиочастотного сигнала для создания принимаемого сигнала основной полосы частот, и контроллер, имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком с управляемой диаграммой направленности и радиочастотным модемом. Контроллер выполнен с возможностью управления радиочастотным модемом и апертурной матрицей переключателей для электронного управления лучом.
В одном из примеров работы антенный блок с управляемой диаграммой направленности осуществляет способ, который включает прием множества падающих радиочастотных сигналов на передней поверхности сферической диэлектрической линзы и фокусировку указанного принятого множества падающих радиочастотных сигналов для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы. Множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы, которые соответствуют множеству углов падения множества падающих радиочастотных сигналов. Способ дополнительно включает прием множества сфокусированных радиочастотных сигналов в апертурном блоке волноводов, расположенном возле задней поверхности сферической диэлектрической линзы, переключение между указанным множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом диаграммы направленности, созданной антенным блоком с управляемой диаграммой направленности, и объединение множества переключенных сфокусированных радиочастотных сигналов для создания принимаемого радиочастотного сигнала с помощью радиального объединителя апертур. Кроме того, антенный блок с управляемой диаграммой направленности представляет собой взаимное устройство, выполненное с возможностью приема падающих радиочастотных сигналов, падающих на сферическую диэлектрическую линзу и передающих входные радиочастотные сигналы, которые вводят в радиальный объединитель апертур. В режиме приема модем может демодулировать принимаемый радиочастотный сигнал антенного блока с управляемой диаграммой направленности для создания сигнала основной полосы частот. В режиме передачи модем может модулировать радиочастотный несущий сигнал для осуществления передачи через антенный блок с управляемой диаграммой направленности. В режимах приема и передачи контроллер может быть выполнен с возможностью управления лучом антенного блока с управляемой диаграммой направленности для занятия необходимого положения.
В данном документе антенный блок с управляемой диаграммой направленности имеет низкую стоимость, широкий угол сканирования, большую скорость развертки, малое время повторной наводки, низкие уровни боковых лепестков, низкую рабочую мощность и широкие полосы передачи, необходимые для использования в системе беспилотного летательного аппарата, средствах связи с низкой околоземной орбитой, геосинхронных спутниках или канале прямой связи с беспилотным летательным аппаратом или спутником. Антенная система также может быть использована в системе связи, летательном аппарате (в том числе беспилотном летательном аппарате), транспортном средстве, ракетном комплексе и для многих других задач для формирования лучей. Кроме того, антенный блок с управляемой диаграммой направленности может использовать аддитивные и/или субтрактивные технологии крупносерийного производства для малозатратного изготовления антенного блока с управляемой диаграммой направленности.
На фиг. 1 показана системная структурная схема одного из примеров реализации пользовательского терминала 100 в соответствии с настоящим изобретением (который может представлять собой информационно-управляющую систему беспилотного летательного аппарата или спутниковый терминал), имеющего связь посредством сигналов с низкой околоземной орбитой или геосинхронным спутником 102 (называемым в данном документе спутником 102) или беспилотным летательным аппаратом 101 посредством сигнальных каналов 104 или 105. В данном примере показано, что пользовательский терминал 100 находится на поверхности земли 106, однако специалистам в данной области техники следует учитывать, что пользовательский терминал 100 вместо этого может представлять собой терминал связи (в том числе устройства связи, которые не используют спутник), который представляет собой часть системы связи, транспортного средства, летательного аппарата (в том числе беспилотного летательного аппарата 101) или ракетного комплекса. В данном примере пользовательский терминал 100 имеет связь посредством сигналов с беспилотным летательным аппаратом 101 (посредством сигнального канала 105) или спутником 102 (посредством сигнального канала 104), причем спутник 102 проходит в направлении 108, которое проходит вдоль орбитальной траектории 110 по горизонту 112 пользовательского терминала 100, а беспилотный летательный аппарат 101 проходит в направлении 109 по горизонту 112. Специалистам в данной области техники следует учитывать, что если спутник 102 представляет собой геостационарный спутник (геосинхронный спутник специального типа с геостационарной орбитой), то он не будет совершать перемещение вдоль орбитальной траектории 110, поскольку он будет неподвижен по отношению к поверхности земли 106. Также следует учитывать, что вместо пользовательского терминала 100, имеющего связь посредством сигналов с беспилотным летательным аппаратом 101 непосредственно с помощью сигнального канала 105, в качестве альтернативы пользовательский терминал 100 может иметь связь посредством сигналов с беспилотным летательным аппаратом 101 посредством объединенного сигнального канала, который содержит сигнальный канал 104 в спутник 102, спутник 102 и сигнальный канал 113 из спутника 102 в беспилотный летательный аппарат 101. В данном примере для поддержания связи с беспилотным летательным аппаратом 101 вдоль сигнального канала 105 или спутником 102 вдоль сигнального канала 104 пользовательский терминал 100 содержит устройства, компоненты, схемы и т.п., выполненные с возможностью создания диаграммы направленности антенны, имеющей луч 114, которым можно управлять 116 по горизонту 112. По этой причине пользовательский терминал 100 содержит антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности и модем 120 связи, имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком 118 с управляемой диаграммой направленности. В данном примере луч 114 представляет собой луч диаграммы направленности антенны, созданной антенным блоком 118 с управляемой диаграммой направленности, который также содержит множество боковых лепестков 122.
На фиг. 2 показана системная структурная схема одного из примеров реализации пользовательского терминала 100 (показан на фиг. 1) в соответствии с настоящим изобретением. В данном примере модем 120 связи может содержать радиочастотный модем 200, контроллер 202 и источник 204 питания. Контроллер 202 может иметь связь посредством сигналов с радиочастотным модемом 200 и источником 204 питания посредством соответственно сигнальных каналов 206 и 208. Источник 204 питания также имеет связь посредством сигналов с радиочастотным модемом 200 посредством сигнального канала 210. Радиочастотный модем 200 также имеет связь посредством сигналов с антенным блоком 118 с управляемой диаграммой направленности посредством сигнальных каналов 212 и 214, а контроллер 202 и источник 204 питания также имеют связь посредством сигналов с антенным блоком 118 с управляемой диаграммой направленности посредством соответственно сигнальных каналов 206 и 216.
Антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности содержит приблизительно сферическую диэлектрическую линзу 218, апертурный блок 220 волноводов, апертурную матрицу 222 переключателей и радиальный объединитель 224 апертур. Сферическая диэлектрическая линза 218 имеет переднюю поверхность 226 и заднюю поверхность 228. В данном примере сферическая диэлектрическая линза 218 выполнена с возможностью приема множества падающих радиочастотных сигналов и фокусировки указанного множества падающих радиочастотных сигналов 230 для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек (не показаны) приблизительно вдоль задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218, причем указанное множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 228, которые соответствуют множеству углов 9 232 падения множества падающих радиочастотных сигналов 230. В данном примере апертурная матрица 222 переключателей имеет связь посредством сигналов с контроллером 202 и источником 204 питания посредством соответственно сигнальных каналов 206 и 216. Кроме того, радиальный объединитель 224 апертур содержит первый и второй порты 234 и 236 ввода-вывода волновода, причем первый и второй порты 234 и 236 ввода-вывода волновода выполнены в виде выходных портов (то есть, они создают выходные сигналы), когда антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности принимает падающий радиочастотный сигнал (множество падающих радиочастотных сигналов 230), и когда антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности передает передаваемый радиочастотный сигнал, первый и второй порты 234 и 236 ввода-вывода волновода выполнены в виде входных портов (то есть, они принимают входные сигналы) и принимают входной радиочастотный сигнал от радиочастотного модема 200.
В данном примере сферическая диэлектрическая линза 218 имеет форму, которая представляет собой приблизительно сферу или сплюснутый сфероид со сферическим отклонением, которое меньше приблизительно 0,01 длины волны рабочей радиочастоты антенного блока 118 с управляемой диаграммой направленности, причем рабочая частота антенного блока 118 с управляемой диаграммой направленности может находиться в диапазоне, например приблизительно между K-полосой частот и W-полосой частот (то есть, от приблизительно 18 ГГц до 110 ГГц). Специалистам в данной области техники следует учитывать, что могут быть также использованы и меньшие частоты, однако это может привести к тому, что сферическая диэлектрическая линза 218 будет иметь больший диаметр. В случае K-полосы частот сферическая диэлектрическая линза 218 может иметь диаметр, который составляет, например, приблизительно 152,4 мм, и который может быть изменен на основании предусмотренной рабочей частоты антенного блока 118 с управляемой диаграммой направленности. Кроме того, сферическая диэлектрическая линза может иметь диэлектрическую постоянную, которая является неизменной или изменяется между приблизительно 2 и 5 для обеспечения меньшего тангенса угла потерь, составляющего менее 0,001. Специалистам в данной области техники следует учитывать, что диэлектрическая постоянная представляет собой отношение диэлектрической проницаемости вещества к диэлектрической проницаемости безвоздушного пространства, а также представляет собой выражение величины, до которой материал концентрирует электрический поток таким образом, что по мере увеличения диэлектрической постоянной происходит увеличение плотности электрического потока.
Кроме того, сферическая диэлектрическая линза 218 может иметь градиент показателя преломления, радиально уменьшающегося от центра (показан на фиг. 6 ссылочным обозначением 604) сферической диэлектрической линзы 218. По этой причине сферическая диэлектрическая линза может представлять собой, например, линзу Люнеберга, причем линза Люнеберга представляет собой сферическую линзу, обычно имеющую градиент показателя преломления, радиально уменьшающегося от своего центра, а фокусирующие свойства могут быть достигнуты через бесконечное количество решений показателя преломления.
В целом сферическая диэлектрическая линза 218 может быть изготовлена из материалов, которые содержат, например, термореактивную пластмассу, поликарбонат, сшитый сополимер полистирола и политетрафторэтилен. По этой причине, иллюстративные материалы содержат материал REXOLITE® и материал TEFLON®. Материал REXOLITE® 1422 изготавливается компанией «С-Lec Plastics, Inc.» из г. Филадельфия (штат Пенсильвания, США) и может быть доступен на рынке в виде диэлектрической линзы, поставляемой компанией «San Diego Plastics, Inc.» из г. Нешнел Сити (штат Калифорния, США) или любой другой компанией. Материал TEFLON® реализуется на рынке компанией «The Chemours Соmраnу» из г. Уилмингтон (штат Делавэр, США) и может быть доступен на рынке в виде диэлектрической линзы, поставляемой компанией «Applied Plastics Technology, Inc.» из г. Бристоль (штат Род-Айленд, США) или другой компанией. В данном примере сферическая диэлектрическая линза 218 может быть образована путем формования литьем под давлением или посредством некоторого иного процесса (например, 3-мерной печати или аддитивного производства). В данном примере антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности может содержать, при необходимости, обтекатель (показан на фиг. 8 ссылочным обозначением 800), размещенный возле передней поверхностью 226 сферической диэлектрической линзы 218.
Возвращаясь к апертурному блоку 200 волноводов, этот апертурный блок 200 волноводов представляет собой устройство, компонент или модуль, который имеет вогнутую внутреннюю поверхность 238, расположенную возле задней поверхностью 228 сферической диэлектрической линзы 218, и конформную апертурную антенную решетку (показана ссылочным обозначением 304 на фиг. 3А и 3В), расположенную вдоль вогнутой внутренней поверхности 238. В данном примере конформная апертурная антенная решетка 304 имеет связь посредством сигналов с задней поверхностью 228 сферической диэлектрической линзы 218 и содержит множество апертурных элементов (показаны на фиг. 3А и ЗВ ссылочными обозначениями 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7)). В данном примере задняя поверхность 228 сферической диэлектрической линзы 218 выполнена идеально ровной с вогнутой внутренней поверхностью 238 для минимизации любого пространства между задней поверхностью 228 сферической диэлектрической линзы 218 и вогнутой внутренней поверхностью 238, поскольку любое пространство между задней поверхностью 228 и вогнутой внутренней поверхностью 238 будет создавать рассогласование полного сопротивления, что в результате приведет к радиочастотным отражениям между задней поверхностью 228 и вогнутой внутренней поверхностью 238. Это рассогласование полного сопротивления в результате приведет к потерям и будет увеличивать боковые лепестки 122 диаграммы направленности антенного блока 118 с управляемой диаграммой направленности, а также будет уменьшать коэффициент передачи и коэффициент направленного действия антенного блока 118 с управляемой диаграммой направленности. Однако следует учитывать, что при использовании некоторых материалов для сферической диэлектрической линзы 218, в качестве альтернативы могут иметь место случаи, в которых конструкция содержит небольшой промежуток, образованный между задней поверхностью 228 и вогнутой внутренней поверхностью 238 и сферической диэлектрической линзой 218, для надлежащего сопряжения сферической диэлектрической линзы 218 и вогнутой внутренней поверхности 238.
В данном примере апертурный блок 200 волноводов содержит множество волноводов (показано на фиг. 3В ссылочным обозначением 312), имеющих связь посредством сигналов с конформной апертурной антенной решеткой 304, причем каждый волновод (показаны на фиг. 3В ссылочными обозначениями 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7)), из множества волноводов, имеет апертуру волновода (показаны на фиг. 3А и 3В ссылочными обозначениями 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) в качестве апертурных элементов), имеющую связь посредством сигналов с конформной апертурной антенной решеткой 304. Апертура каждого волновода из множества волноводов соответствует апертурному элементу 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) из множества апертурных элементов конформной апертурной антенной решетки 304. В качестве примера апертурный блок волноводов выполнен из металла или металлизированного пластика.
Апертурная матрица 222 переключателей представляет собой устройство, компонент, схему или модуль, который содержит множество выборочно активируемых переключателей (показаны на фиг. 10 ссылочными обозначениями 1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N)), причем каждый выборочно активируемый переключатель из множества выборочно активируемых переключателей имеет связь посредством сигналов с соответствующим волноводом из множества волноводов (показаны на фиг. 3В ссылочным обозначением 312) апертурного блока 200 волноводов и радиальным объединителем 224 апертур. В данном примере каждый выборочно активируемый переключатель выполнен с возможностью передачи или блокирования выходного сигнала волновода соответствующего выходного порта волновода в радиальный объединитель 224 апертур, если антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности работает в режиме приема. Если вместо этого антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности работает в режиме передачи, то каждый выборочно активируемый переключатель выполнен с возможностью передачи или блокировки входного радиочастотного сигнала радиального объединителя 224 апертур в каждый соответствующий входной порт волновода. В данном примере специалистам в данной области техники следует учитывать, что эти порты волновода называются выходными портами волновода, если антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности находится в режиме приема, а порты волновода создают выходные радиочастотные сигналы, соответствующие принимаемым падающим радиочастотным сигналам 230. В качестве альтернативы одни и те же порты волновода называют входными портами волновода, если антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности находится в режиме передачи, а порты волновода принимают входные радиочастотные сигналы соответственно из радиального объединителя 224 апертур. В данном примере каждый выборочно активируемый переключатель содержит переключающее устройство (не показано), которое может представлять собой, например, PIN-диод, защелкивающийся ферритовый переключатель, жидкокристаллический затвор, коаксиальный переключатель волновода, плазменный переключатель и радиочастотный изолятор.
Радиальный объединитель 224 апертур, который представляет собой устройство, компонент, схему или модуль, выполненный с возможностью приема переключенных выходных сигналов (не показаны) из апертурной матрицы 222 переключателей и возможностью их объединения, направляет их на порты 234 и 236 ввода-вывода в режиме приема. В качестве примера радиальный объединитель 224 апертур может представлять собой радиальный сумматор мощностей и разделитель, использующий волновод, коаксиальные линии передачи или твердотельные технологии (например, полосковые линии или микрополоски). В режиме передачи радиальный объединитель 224 апертур принимает входной радиочастотный сигнал (не показан) и направляет его в один или более выборочно активируемых переключателей в апертурной матрице 222 переключателей. В данном примере используют два порта 234 и 236 ввода-вывода для создания или приема поляризованных радиочастотных сигналов, которые направляют в радиочастотный модем 200 или из него посредством соответственно сигнальных каналов 212 и 214. Например, первый порт 234 ввода-вывода используют для создания первого поляризованного выходного сигнала 240, который передают из радиального объединителя 224 апертур в радиочастотный модем 200 в режиме приема и в режиме передачи для приема первого поляризованного входного сигнала 242 из радиочастотного модема 200 в радиальный объединитель 224 апертур. Аналогичным образом, второй порт 236 ввода-вывода используют для создания второго поляризованного выходного сигнала 244, который передают из радиального объединителя 224 апертур в радиочастотный модем 200 в режиме приема и в режиме передачи для приема второго поляризованного входного сигнала 246 от радиочастотного модема 200 в радиальный объединитель 224 апертур. В данном примере первая поляризация может представлять собой левую круговую поляризацию, а вторая поляризация может представлять собой правую круговую поляризацию. Специалистам в данной области техники следует учитывать, что два порта 234 и 236 ввода-вывода могут содержать одиночный порт ввода-вывода волновода, имеющий поляризатор, такой как, например, поляризатор с перегородкой.
В данном примере радиочастотный модем 200 представляет собой устройство, компонент, схему или модуль, который выполнен с возможностью приема первого поляризованного выходного сигнала 240 или второго поляризованного выходного сигнала 244 и возможностью дальнейшего демодулирования одного из этих сигналов для создания принимаемого сигнала 248 основной полосы частот, который передают на контроллер 202 посредством сигнального канала 206. Контроллер 202 в дальнейшем может принять сигнал 248 основной полосы частот для создания данных 250, которые представляют собой выходные данные, направляемые из контроллера 202 на другие устройства, компоненты, схемы или модули пользовательского терминала 100. Данные 250 могут быть также направлены в другие внешние устройства, имеющие связь посредством сигналов с пользовательским терминалом 100 посредством соединений, таких как, например, соединение по сети Интернет. В данном примере радиочастотный модем 200 также выполнен с возможностью приема входного сигнала 252 основной полосы частот от контроллера 202 и возможностью дальнейшего модулирования входного сигнала 252 основной полосы частот для создания второго поляризованного выходного сигнала 244 или второго поляризованного входного сигнала 246, которые направляют соответственно на порты 234 и 236 ввода-вывода.
Контроллер 202 представляет собой устройство, компонент, схему или модуль, который содержит процессор, цифровой сигнальный процессор, специализированную интегральную схему, программируемую в условиях эксплуатации вентильную матрицу или эквивалент. Контроллер 202 создает управляющие логические сигналы 254, которые передают и принимают от радиочастотного модема 200 и апертурной матрицы 222 переключателей. Управляющие логические сигналы 254 выдают синхронизированные управляющие сигналы на апертурную матрицу 222 переключателей и радиочастотный модем 200 для выборочного приема и демодулирования входных радиочастотных сигналов (таких как, например первый поляризованный выходной сигнал 240 или второй поляризованный выходной сигнал 244) или выборочного модулирования или передачи радиочастотных сигналов (таких как, например, второй поляризованный входной сигнал 242 или второй поляризованный входной сигнал 246) через антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности. В данном примере путем управления выборочно активируемых переключателей в апертурной матрице 222 переключателей с помощью управляющих логических сигналов 254, контроллер 202 выполнен с возможностью электронного управления лучом 114 с помощью апертурной матрицы 222 переключателей.
Источник 204 питания представляет собой устройство, компонент, схему или модуль, который выполнен с возможностью приема внешней энергии 256 питания и возможностью создания подходящих сигналов питания для апертурной матрицы 222 переключателей, контроллера 202 и радиочастотного модема 200 посредством соответственно сигнального канала 216, 208 и 210. Антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности может также содержать шаговый двигатель (показан на фиг. 12 ссылочным обозначением 1200), который выполнен с возможностью выборочного поворота апертурного блока 200 волноводов и сферической диэлектрической линзы 218 на основании управляющего сигнала (показан на фиг. 12 ссылочным обозначением 1204) из контроллера 202.
Специалистам в данной области техники следует учитывать, что схемы, компоненты, модули и/или устройства, являющиеся частью пользовательского терминала 100, антенного блока 118 с управляемой диаграммой направленности и модема 120 связи или связанные с ними описаны как имеющие связь посредством сигналов друг с другом, причем связь посредством сигналов относится к любому типу связи и/или соединения между схемами, компонентами, модулями и/или устройствами, которые позволяют схеме, компоненту, модулю и/или устройству передавать и/или принимать сигналы и/или информацию от других схемы, компонента, модуля и/или устройства. Связь и/или соединение могут осуществляться вдоль любого сигнального канала между схемами, компонентами, модулями и/или устройствами, которые позволяют передавать сигналы и/или информацию из одних схемы, компонента, модуля и/или устройства в другие схему, компонент, модуль и/или устройство и которые содержат беспроводные или проводные сигнальные каналы. Сигнальные каналы могут представлять собой физические каналы, такие как, например, проводящие провода, электромагнитные волноводы, кабели, прикрепленные и/или электромагнитные или механически присоединенные терминалы, полупроводниковые или диэлектрические материалы или устройства или иные схожие физические соединения или связи. Кроме того, сигнальные каналы могут представлять собой нефизические каналы, такие как безвоздушное пространство (в случае электромагнитного распространения) или информационные каналы через цифровые компоненты, в которые информацию связи передают из одних схемы, компонента, модуля и/или устройства в другие схему, компонент, модуль и/или устройство в изменяющихся цифровых форматах без передачи через прямое электромагнитное соединение.
В одном из примеров работы антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности выполняет способ, который включает прием множества падающих радиочастотных сигналов 230 на передней поверхности 226 сферической диэлектрической линзы 218 и фокусировку указанного принятого множества падающих радиочастотных сигналов 230 для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218, причем указанное множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218, которые соответствуют множеству углов падения 232 указанного множества падающих радиочастотных сигналов 230. Способ также включает прием множества сфокусированных радиочастотных сигналов в апертурном блоке 200 волноводов, который расположен возле задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218, и переключение между указанными множествами сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом 114 диаграммы направленности, созданной антенным блоком 118 с управляемой диаграммой направленности. Кроме того, способ включает объединение переключенного множества сфокусированных радиочастотных сигналов (не показаны) для создания принимаемого радиочастотного сигнала (то есть, левой круговой поляризации 240 и правой круговой поляризации 244) с помощью радиального объединителя 224 апертур. В данном примере переключение передает или блокирует множество выходных сигналов из соответствующего множества выходных портов волновода апертурного блока 200 волноводов в радиальный объединитель 224 апертур. Способ может также включать поворот апертурного блока 200 волноводов и сферической диэлектрической линзы 218 с помощью шагового двигателя 1200 на основании управляющего сигнала 1204 контроллера 202.
На фиг. 3А показан вид сверху примера реализации части в разрезе апертурного блока 200 волноводов в соответствии с настоящим изобретением. В данном примере апертурный блок 200 волноводов имеет вогнутую внутреннюю поверхность 238, наружную поверхность 300 апертурного блока 200 волноводов и кромку 302, расположенную между вогнутой внутренней поверхностью 238 и наружной поверхностью 300. Кромка 302 может иметь достаточно большую толщину для обеспечения крепежного выступа (не показан) для сферической диэлектрической линзы 218. При использовании крепежного выступа (не показан) кромка 302 может содержать множество отверстий для вертикальных штырей (не показаны) и резьбовых отверстий (не показаны) для стыковки и прикрепления крепежного выступа (не показан) к кромке 302. В данном примере вогнутая внутренняя поверхность 238 содержит конформную апертурную антенную решетку 304, причем конформная апертурная антенная решетка 304 содержит множество апертурных элементов 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7). В данном примере каждый апертурный элемент 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) представляет собой апертуру волновода (то есть, отверстие волновода, которое будет обеспечивать возможность приема или передачи радиочастотных сигналов в волновод и из него). В целом конформной апертурной антенной решетке 304 придана форма чашки, образованной из твердого металла и/или металлизированного пластика. Конформная апертурная антенна представляет собой взаимное устройство, выполненное с возможностью одновременной передачи и приема радиочастотных сигналов в выбранных направлениях поступления (то есть, под множеством углов 232 падения), а также будет минимизировать радиочастотную вставку и поляризационные потери.
На фиг. 3B показан вид сбоку в разрезе части 308 в разрезе апертурного блока 200 волноводов в соответствии с настоящим изобретением. В частности, на фиг.ЗВ показан вид в разрезе части 308 в разрезе апертурного блока 200 волноводов вдоль секущей плоскости А-А' 310, обращенной к апертурному блоку 200 волноводов. Как описано выше, апертурный блок 200 волноводов содержит множество волноводов 312, имеющих связь посредством сигналов с конформной апертурной антенной решеткой 304, причем каждый волновод 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7) из множества волноводов 312 имеет апертуру волновода (которая в данном примере соответствует апертурному элементу 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7)), имеющую связь посредством сигналов с конформной апертурной антенной решеткой 304. Специалистам в данной области техники следует учитывать, что в данном примере апертура 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) каждого волновода 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7) из множества волноводов 312 соответствует апертурному элементу 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) из множества апертурных элементов конформной апертурной антенной решетки 304, поскольку каждая апертура 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) волновода является по определению излучающим элементом 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7). В данном примере апертурный блок 200 волноводов и каждый волновод 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7) могут быть изготовлены из металла или металлизированного пластика.
Кроме того, как описано выше, в данном примере задняя поверхность 228 сферической диэлектрической линзы 218 выполнена идеально гладкой, и имеется вогнутая внутренняя поверхность 238 для минимизации любого пространства между задней поверхностью 228 сферической диэлектрической линзы 218 и вогнутой внутренней поверхностью 238, поскольку любое пространство между задней поверхностью 228 и вогнутой внутренней поверхностью 238 будет вызывать рассогласование полного сопротивления, что в результате приведет к радиочастотным отражениям между задней поверхностью 228 и вогнутой внутренней поверхностью 238. Следует учитывать, что любое пространство между задней поверхностью 228 и вогнутой внутренней поверхностью 238 будет функционировать как диэлектрический слой (с диэлектрической постоянной, равной приблизительно 1,00059 при температуре 25°C) между диэлектрическим материалом сферической диэлектрической линзы 218 на задней поверхности 228 и отверстием каждой апертуры волновода, что вызывает отражения в промежуточном слое (обратно в сферическую диэлектрическую линзу 218 и/или 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7)) на основании длин волн радиочастотных сигналов в пределах рабочей частоты. Кроме того, на основании длин волн радиочастотных сигналов в пределах рабочей частоты разделяющий слой может обеспечивать рассеяние энергии вдоль поверхностей задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218 и вогнутой внутренней поверхности 238, что вызывает потерю мощности и потенциальные взаимные помехи между различными апертурами 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) волновода. Эти эффекты будут вызывать рассогласование полного сопротивления, что будет в результате приводить к потерям и будет увеличивать боковые лепестки 122 диаграммы направленности антенного блока 118 с управляемой диаграммой направленности, а также будет уменьшать коэффициент передачи и коэффициент направленного действия антенного блока 118 с управляемой диаграммой направленности.
В данном примере каждый апертурный элемент 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) конформной апертурной антенной решетки 304 может представлять собой эллиптическую апертуру, причем соответственно апертура 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) каждого волновода 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7) из множества волноводов 312 представляет собой эллиптическую апертуру. В качестве альтернативы каждый апертурный элемент может быть выполнен прямоугольным, однако в случае эллиптически-поляризованных падающих радиочастотных сигналов 230 или передаваемых радиочастотных сигналов 230 результирующие фокальные точки сферической диэлектрической линзы 218 обычно имеют эллиптическую или даже круглую форму. Поскольку большинство систем связи, использующих эллиптическую поляризацию, в действительности используют левую круговую поляризацию или правую круговую поляризацию, то апертурные элементы 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) и соответствующие апертуры 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) волновода могут быть выполнены круглыми. Кроме того, для упрощения производства каждый круглый апертурный элемент 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) может быть напечатан в трехмерной форме или высверлен на вогнутой внутренней поверхности 238. В данном примере специалистам в данной области техники следует учитывать, что кругообразные апертуры волновода могут работать с доминирующей поперечной электромагнитной модой, представляющей собой моду ТE11.
В данном примере все из волноводов 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7) из множества волноводов 312 содержат первый порт и второй порт, причем каждый первый порт соответствует каждой апертуре 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) волновода, а второй порт соответствует порту 316(1), 316(2), 316(3), 316(4), 316(5), 316(6) и 316(7) ввода-вывода, который имеет связь посредством сигналов с апертурной матрицей 222 переключателей.
В случае кругообразных апертурных элементов 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7), каждый волновод 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7) должен представлять собой частично или полностью круглый волновод (то есть, кругообразный) с учетом конструкции апертурного блока 200 волноводов, апертурной матрицы 222 переключателей и радиального объединителя 224 апертур. В данном примере множество волноводов 312 содержит подмножество волноводов, которое содержит волноводы 314(1), 314(2), 314(3), 314(5), 314(6) и 314(7), причем каждый волновод 314(1), 314(2), 314(3), 314(5), 314(6) и 314(7) из подмножества волноводов имеет длину волновода (показан на фиг. 9 ссылочным обозначением 900), направленный переход волновода (показан на фиг. 9 в виде изгиба 904) и, при необходимости, переход волновода (показан на фиг.9 в виде перехода 906 от круглого к прямоугольному) от круглой апертуры 306(1), 306(2), 306(3), 306(5), 306(6) и 306(7) в прямоугольный волновод. В данном примере средний волновод 314(4), имеющий апертуру 306(4) волновода, имеет длину волновода и, при необходимости, переход волновода от круглой апертуры 306(4) в прямоугольный волновод, однако нет необходимости в направленном переходе волновода, поскольку этот волновод показан в данном примере в виде прямого волновода.
В данном примере апертурная матрица 222 переключателей и радиальный объединитель 224 апертур будут работать с прямоугольными волноводами, которые имеют доминирующую поперечную электромагнитную моду, представляющую собой моду ТЕ10. Для передачи радиочастотных сигналов из круглых апертур 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) волновода или в круглые апертуры 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) волновода или прямоугольного волновода или в прямоугольный волновод каждому волноводу 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7) необходим переход от круглого волновода к прямоугольному волноводу (обычно известный как переход моды), который в целом известен специалистам в данной области техники.
Кроме того, в данном примере каждая апертура 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) волновода выровнена с центром 604 сферической диэлектрической линзы 218, а каждый порт 316(1), 316(2), 316(3), 316(4), 316(5), 316(6) и 316(7) ввода-вывода волновода выровнен с другими выходными портами 316(1), 316(2), 316(3), 316(4), 316(5), 316(6) и 316(7) волновода вдоль плоскости выравнивания 318, в которой апертурный блок 200 волноводов соединен с апертурной матрицей 222 переключателей. Кроме того, каждый порт 316(1), 316(2), 316(3), 316(4), 316(5), 316(6) и 316(7) ввода-вывода имеет связь посредством сигналов с апертурной матрицей 222 переключателей.
В данном примере каждый волновод 314(1), 314(2), 314(3), 314(5), 314(6) и 314(7) из подмножества волноводов 312 имеет направленный переход, который изгибает (то есть, изменяет направление) волновод 314(1), 314(2), 314(3), 314(5), 314(6) и 314(7) таким образом, что каждая апертура 306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7) волновода выровнена с центром 604 сферической диэлектрической линзы 218 (то есть, направлена в этот центр), а порты 316(1), 316(2), 316(3), 316(4), 316(5), 316(6) и 316(7) ввода-вывода выровнены с плоскостью выравнивания 318. В качестве примера изгибы могут представлять собой Н-изгибы (то есть, изгиб, который искажает магнитное поле) или Е-изгибы (то есть, изгиб, который искажает электрическое поле) для прямоугольных волноводов или Е-изгибы для круглых волноводов.
В качестве примера альтернативной реализации множество волноводов 312 может содержать линии передачи различных типов, которые содержат волноводы, коаксиальные линии передачи, твердотельные волноводы, гибридные линии передачи волноводов и твердотельные волноводы, гибридные линии передачи коаксиального кабеля и волноводов, гибридные линии передачи коаксиального кабеля и твердотельных волноводов или любое друге сочетание возможностей передачи радиочастотных сигналов на рабочей частоте. В данном документе твердотельные волноводы содержат микрополосковые или полосковые схемы. В случае твердотельных волноводов апертуры волновода могут быть реализованы с использованием микрополосковых антенн, произведенных с использованием микрополосковых технологий на печатной плате. В качестве примера микрополосковая антенна может быть реализована в виде полосковой антенны.
В данном примере показаны только семь (7) апертурных элементов конформной апертурной антенной решетки 304 и волноводы 314(1), 314(2), 314(3), 314(5), 314(6) и 314(7). Это необходимо с целью упрощения иллюстрации, при этом специалисту в данной области техники следует учитывать, что конформная апертурная антенная решетка 304 может содержать большее количество излучающих элементов, которые могут быть согласованно распределены вдоль всей вогнутой внутренней поверхности 238 конформной апертурной антенной решетки 304. Аналогичным образом, множество волноводов 312 может содержать намного больше волноводов в трехмерном пространстве апертурного блока 200 волноводов, в котором каждый волновод соответствует каждым излучающим элементам конформной апертурной антенной решетки 304.
На фиг. 4 показан перспективный вид примера реализации конформной апертурной антенной решетки 304 в соответствии с настоящим изобретением. Данный пример похож на пример, показанный на фиг. 3А и 3В, за исключением того, на фиг. 3А и 3В для целей иллюстрации было показано, что конформная апертурная антенная решетка 304 имеет семь (7) апертурных элементов, а в данном примере было показано, что конформная апертурная антенная решетка 304 имеет восемьдесят пять (85) апертурных элементов. Аналогичным образом, на фиг.5 показан перспективный вид еще одного примера реализации конформной апертурной антенной решетки 304 в соответствии с настоящим изобретением, причем конформная апертурная антенная решетка 304 содержит, например, 1112 апертурных элементов.
На фиг. 6 показан системный вид примера реализации сферической диэлектрической линзы 218 в соответствии с настоящим изобретением. В данном примере падающие радиочастотные сигналы 230 показаны в виде множества отдельных падающих радиочастотных сигналов 600(1), 600(2), 600(3), 600(4), 600(5), 600(6) и 600(7), поступающих в сферическую диэлектрическую линзу 218 под различными углами 232 падения. С целью упрощения иллюстрации показаны только семь (7) отдельных падающих радиочастотных сигналов, однако следует учитывать, что может иметься и много большее количество отдельных падающих радиочастотных сигналов, которые падают на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218. В одном из примеров работы, в котором отдельные падающие радиочастотные сигналы 600(1), 600(2), 600(3), 600(4), 600(5), 600(6) и 600(7), падающие на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218, в дальнейшем проходят через диэлектрик сферической диэлектрической линзы 218 и фокусируются в соответствующих фокальных точках 602(1), 602(2), 602(3), 602(4), 602(5), 602(6) и 602(7). В данном примере для упрощения иллюстрации отдельные падающие радиочастотные сигналы 600(1), 600(2), 600(3), 600(4), 600(5), 600(6) и 600(7), показанные проходящими через центр 604 сферической диэлектрической линзы 218, будут проходить в соответствующие фокальные точки 602(1), 602(2), 602(3), 602(4), 602(5), 602(6) и 602(7), однако следует учитывать, что цель иллюстрации состоит в том, чтобы показать, что любые отдельные падающие радиочастотные сигналы 600(1), 600(2), 600(3), 600(4), 600(5), 600(6) и 600(7), падающие на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218, будут сфокусированы в фокальной точке, расположенной приблизительно на задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218, которая находится с противоположной стороны места, в котором отдельный падающий радиочастотный сигнал падает на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218. В данном примере фокальные точки 602(1), 602(2) и 602(3) соответствуют отдельным падающим радиочастотным сигналам 600(7), 600(6) и 600(5), падающим на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218 соответственно в точках 606(1), 606(2) и 606(4) падения. Фокальная точка 602(4) соответствует отдельному падающему радиочастотному сигналу 600(4), падающему на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218 в точке 606(4) падения. Кроме того, фокальные точки 602(5), 602(6) и 602(7) соответствуют отдельным падающим радиочастотным сигналам 600(3), 600(2) и 600(1), падающим на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218 соответственно в точках 606(5), 606(6) и 606(7) падения. В данном примере фокальные точки 602(1), 602(2), 602(3), 602(4), 602(5), 602(6) и 602(7) соответствуют волноводам 314(1), 314(2), 314(3), 314(5), 314(6) и 314(7). Кроме того, для целей иллюстрации передняя поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218 показана в качестве поверхности лицевой полусферы сферической диэлектрической линзы 218, а задняя поверхность 228 сферической диэлектрической линзы 218 показана в качестве поверхности задней полусферы сферической диэлектрической линзы 218, которая обозначена полусферической плоскостью 608 раздела. При использовании данного подхода сферическая диэлектрическая линза 218 выполнена с возможностью широкого сканирования (вплоть до приблизительно ±60 градусов или более) по азимуту и вертикали.
На фиг. 7А показан системный вид еще одного примера реализации сферической диэлектрической линзы 218, принимающей падающий радиочастотный сигнал 700 под первым углом, в соответствии с настоящим изобретением. В данном примере падающий радиочастотный сигнал 700 представляет собой радиочастотный сигнал из падающих радиочастотных сигналов 230, а сферическая диэлектрическая линза 218 представляет собой линзу Люнеберга, имеющую градиент показателя преломления, радиально уменьшающегося от центра 604. В данном примере сферическая диэлектрическая линза 218 имеет индекс преломления, равный единице (1) на поверхности, и индекс преломления, равный квадратному корню из двух (2) (то есть, приблизительно 1414) в центре 604.
В данном примере по мере увеличения расстояния от центра 604 сферической диэлектрической линзы 218, индекс преломления постепенно уменьшается. Геометрические размеры и свойства преломления сферической диэлектрической линзы 218 вызывают прохождение падающего радиочастотного сигнала 700 в место на противоположной стороне сферической диэлектрической линзы 218 в фокальной точке 602(6) и выход из сферической диэлектрической J линзы 218 в волновод 314(6). В данном примере падающая плоская волна падающего радиочастотного сигнала 700 может быть представлена множеством параллельных волн излучения 702(1), 702(2), 702(3), 702(4), 702(5), 702(6) и 702(7), падающих на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218. По этой причине волна 702(1), которая падает на переднюю поверхность 226 по нормали, проходит через центр 604 сферической диэлектрической линзы 218 вдоль центральной линии сферической диэлектрической линзы 218 и выходит в фокальной точке 602(6) на противоположной стороне задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218. Другие падающие параллельные волны излучения, представленные линиями 702(2), 702(3), 702(4), 702(5), 702(6) и 702(7) и падающие на сферическую диэлектрическую линзу 218 в различных местах вдоль передней поверхности 226 сферической диэлектрической линзы 218, проходят через сферическую диэлектрическую линзу 218 по траекториям, определенным геометрическими размерами и преломляющими свойствами сферической диэлектрической линзы 218 для достижения того же самого места выхода в фокальной точке 602(6). По этой причине в данном примере сферическая диэлектрическая линза 218 фокусирует большую часть энергии из падающего радиочастотного сигнала 700 в фокальную точку 602(6) и передает ее в волновод 314(6).
Аналогичным образом, на фиг. 7 В показан системный вид сферической диэлектрической линзы 218 по фиг. 7А, принимающей падающий радиочастотный сигнал 704 под вторым углом, в соответствии с настоящим изобретением. В данном примере падающая плоская волна падающего радиочастотного сигнала 704 представлена множеством параллельных волн излучения 706(1), 706(2), 706(3), 706(4), 706(5), 706(6) и 706(7), падающих на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218. По этой причине волна 706(1), которая падает на переднюю поверхность 226 по нормали, проходит через центр 604 сферической диэлектрической линзы 218 вдоль центральной линии сферической диэлектрической линзы 218 и выходит в фокальной точке 602(4) на противоположной стороне задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218. Другие падающие параллельные волны излучения, представленные линиями 706(2), 706(3), 706(4), 706(5), 706(6) и 706(7) и падающие на сферическую диэлектрическую линзу 218 в различных местах, расположенных вдоль передней поверхности 226 сферической диэлектрической линзы 218, проходят через сферическую диэлектрическую линзу 218 по траекториям, определенным геометрическими размерами и преломляющими свойствами сферической диэлектрической линзы 218 для достижения одного и того же места выхода в фокальной точке 602(4). По этой причине в данном примере сферическая диэлектрическая линза 218 фокусирует большую часть энергии из падающего радиочастотного сигнала 704 в фокальную точку 602(4) и передает ее в волновод 314(4).
На фиг. 7С показан системный вид сферической диэлектрической линзы 218 по фиг. 7А и 7В, принимающей падающий радиочастотный сигнал 708 под третьим углом, в соответствии с настоящим изобретением. Аналогично примерам, показанным на фиг. 7А и 7В, в данном примере падающая плоская волна падающего радиочастотного сигнала 708 представлена множеством параллельных волн излучения 710(1), 710(2), 710(3), 710(4), 710(5), 710(6) и 710(7), падающих на переднюю поверхность 226 сферической диэлектрической линзы 218. По этой причине волна 710(1), которая падает на переднюю поверхность 226 по нормали, проходит через центр 604 сферической диэлектрической линзы 218 вдоль центральной линии сферической диэлектрической линзы 218 и выходит в фокальной точке 602(2) на противоположной стороне задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218. Другие падающие параллельные волны излучения, представленные линиями 710(2), 710(3), 710(4), 710(5), 710(6) и 710(7) и падающие на сферическую диэлектрическую линзу 218 в различных местах вдоль передней поверхности 226 сферической диэлектрической линзы 218, проходят через сферическую диэлектрическую линзу 218 по траекториям, определенным геометрическими размерами и преломляющими свойствами сферической диэлектрической линзы 218 для достижения одного и того же места выхода в фокальной точке 602(2). По этой причине в данном примере сферическая диэлектрическая линза 218 фокусирует большую часть энергии из падающего радиочастотного сигнала 708 в фокальную точку 602(2) и передает ее в волновод 314(2). В этих примерах передаваемые сигналы в фокальных точках 602(6), 602(4) и 602(2) представляют собой сфокусированные радиочастотные сигналы из соответствующих падающих радиочастотных сигналов 700, 704 и 708.
На фиг. 8 показан перспективный вид примера реализации обтекателя 800 для использования, при необходимости, со сферической диэлектрической линзой 218 в соответствии с настоящим изобретением. Обтекатель 800 может содержать выступ 802 обтекателя, который может быть прикреплен к кромке 302 апертурного блока 200 волноводов посредством штыря и резьбовых отверстий 804, которые стыкуют и прикрепляют обтекатель 800 к кромке 302 или крепежному выступу (не показан) сферической диэлектрической линзы 218. В данном примере обтекатель 800 может быть образован из электрически прозрачного материала и может быть размещен возле сферической диэлектрической линзы 218 для защиты передней поверхности 226 сферической диэлектрической линзы 218 от повреждения и/или условий окружающей среды.
На фиг. 9 показана структурная схема примера реализации волновода из множества волноводов 312 в соответствии с настоящим изобретением. В данном примере волновод представляет собой волновод 314(1) и имеет длину 900 волновода. Волновод 314(1) содержит круглую апертуру 306(1), которая выровнена по направлению к центру 604 сферической диэлектрической линзы 218, часть 902 круглого волновода, направленный переход волновода (то есть, изгиб 904), переход волновода от круглой апертуры в прямоугольный волновод (то есть, переход 906 от круглого волновода к прямоугольному волноводу), прямоугольный волновод 908 и порт 316(1) ввода-вывода. Как было указано ранее, изгиб 904 может представлять собой Н-изгибы (то есть, изгиб, который искажает магнитное поле) или Е-изгибы (то есть, изгиб, который искажает электрическое поле) для прямоугольного волновода. Кроме того, поскольку волновод 314(1) содержит круглую апертуру 306(1) и часть 902 круглого волновода, то эта часть волновода 314(1) будет в целом работать с модой ТЕ11, которая представляет собой доминирующую моду для круглого волновода. Переход 906 от круглого волновода к прямоугольному волноводу будет изменять другую часть волновода 314(1) на прямоугольный волновод 908, который в целом будет работать с модой ТЕ10, которая представляет собой доминирующую моду для прямоугольного волновода. Порт 316(1) ввода-вывода соединяет волновод 314(1) с апертурной матрицей 222 переключателей.
На фиг. 10 показана структурная схема примера реализации апертурной матрицы 222 переключателей в соответствии с настоящим изобретением. Как описано выше, апертурная матрица 222 переключателей представляет собой устройство, компонент, схему или модуль, который содержит множество выборочно активируемых переключателей 1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N), причем каждый выборочно активируемый переключатель из множества выборочно включаемых переключателей 1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N) имеет связь посредством сигналов с соответствующим волноводом из множества волноводов 312 апертурного блока 200 волноводов и радиальным объединителем 224 апертур. В данном примере с целью упрощения иллюстрации показаны только четыре (4) выборочно активируемых переключателя 1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N), однако может иметься вплоть до N выборочно активируемых переключателей, где N соответствует количеству волноводов во множестве волноводов 312 апертурного блока 200 волноводов и количеству портов (не показаны) ввода-вывода в радиальном объединителе 224 апертур.
В данном примере каждый выборочно активируемый переключатель 1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N) выполнен с возможностью передачи или блокирования выходного сигнала волновода 1002 из соответствующего порта ввода-вывода волновода (такого как порт 316(1), 316(2), 316(3), 316(4), 316(5), 316(6) и 316(7) ввода-вывода в примере, показанном на фиг. 3В) из множества волноводов 312 в радиальный объединитель 224 апертур, если антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности работает в режиме приема. Если вместо этого антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности работает в режиме передачи, то каждый выборочно активируемый переключатель 1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N) выполнен с возможностью передачи или блокировки входного радиочастотного сигнала 1004 из радиального объединителя 224 апертур в каждый соответствующий порт ввода-вывода волновода. В данном примере выборочно активируемые переключатели 1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N) могут представлять собой переключатели волновода. Кроме того, в данном примере каждый выборочно активируемый переключатель содержит переключающее устройство (не показано), которое может представлять собой, например, PIN-диод, защелкивающийся ферритовый переключатель, жидкокристаллический затвор, коаксиальный переключатель волновода и радиочастотный изолятор.
На фиг. 11 показана структурная схема примера реализации радиального объединителя 224 апертур в соответствии с настоящим изобретением. Как описано выше, радиальный объединитель 224 апертур, представляющий собой устройство, компонент, схему или модуль, который выполнен с возможностью приема переключенных выходных сигналов 1100 из апертурной матрицы 222 переключателей и возможностью их объединения, направляет эти сигналы на порты 234 и 236 ввода-вывода в режиме приема. В качестве примера радиальный объединитель 224 апертур может представлять собой радиальный сумматор мощностей и разделитель, использующий волновод, коаксиальные линии передачи или твердотельные технологии (например, полосковые линии или микрополоски). В режиме передачи радиальный объединитель 224 апертур принимает входной радиочастотный сигнал (входные радиочастотные сигналы 242 или 246) и направляет его в один или более выборочно включаемых переключателей 1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N) в апертурной матрице 222 переключателей. В данном примере показаны два порта 234 и 236 ввода-вывода для создания или приема поляризованных радиочастотных сигналов, которые направляют в радиочастотный модем 200 или из него посредством соответственно сигнальных каналов 212 и 214. Например, первый порт 234 ввода-вывода используют для создания первого поляризованного выходного сигнала 240, который передают из радиального объединителя 224 апертур в радиочастотный модем 200 в режиме приема и в режиме передачи для приема первого поляризованного входного сигнала 242 от радиочастотного модема 200 в радиальный объединитель 224 апертур. Аналогичным образом, второй порт 236 ввода-вывода используют для создания второго поляризованного выходного сигнала 244, который передают из радиального объединителя 224 апертур на радиочастотный модем 200 в режиме приема и в режиме передачи для приема второго поляризованного входного сигнала 246 от радиочастотного модема 200 в радиальный объединитель 224 апертур. Кроме того, в данном примере первая поляризация может представлять собой левую круговую поляризацию, а вторая поляризация может представлять собой правую круговую поляризацию. Специалистам в данной области техники следует учитывать, что два порта 234 и 236 ввода-вывода могут содержать одиночный порт ввода-вывода волновода, имеющий поляризатор, такой как, например, поляризатор 1102 с перегородкой.
На фиг.12 показана системная структурная схема примера реализации шагового двигателя 1200 для использования с апертурным блоком 200 волноводов и сферической диэлектрической линзой 218 в соответствии с настоящим изобретением. Как описано выше, антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности может также содержать шаговый двигатель 1200, который выполнен с возможностью выборочного поворота апертурного блока 200 волноводов и сферической диэлектрической линзы 218 на основании управляющего сигнала 1204 от контроллера 202. В данном примере шаговый двигатель 1200 функционально соединен с апертурным блоком 200 волноводов и/или сферической диэлектрической линзой 218. Причина включения шагового двигателя 1200 в антенный блок 118 с управляемой диаграммой направленности состоит в том, что ориентация конкретного приемопередатчика относительно комбинации сферической диэлектрической линзы 218 и апертурного блока 200 волноводов является неточной или не является правильно выровненной. Для решения этой возможной проблемы, связанной с ориентацией, шаговый двигатель 1200 может быть механически связан 1206 с апертурным блоком 200 волноводов и/или сферической диэлектрической линзой 218 для поворота апертурного блока 200 волноводов или сферической диэлектрической линзы 218 по отношению к приемопередатчику, расположенному в удаленных точках и ориентированному в направлении входа 206 и направлении выхода 218. Путем поворота апертурного блока 200 волноводов различные приемопередатчики могут быть достигнуты сферической диэлектрической линзой 218, которая может и не иметь оптимального выравнивания с волноводами из апертурного блока 200 волноводов на основании фиксированного интервала от луча к лучу.
На фиг. 13 показана блок-схема 1300 примера реализации способа, осуществляемого антенным блоком 118 с управляемой диаграммой направленности в соответствии с настоящим изобретением. Способ начинается с этапа 1302, согласно которому принимают множество падающих радиочастотных сигналов 230 на передней поверхности 226 сферической диэлектрической линзы 218, и этапа 1304, согласно которому фокусируют указанное принятое множество падающих радиочастотных сигналов 230 для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218. В данном примере множество фокальных точек имеют местоположения вдоль задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218, которые соответствуют множеству углов 232 падения множества падающих радиочастотных сигналов 230. Способ дополнительно включает на этап 1306, согласно которому принимают множество сфокусированных радиочастотных сигналов в апертурном блоке 200 волноводов, расположенном возле задней поверхности 228 сферической диэлектрической линзы 218, и этап 1308, согласно которому осуществляют переключение между множествами сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом 114 диаграммы направленности, созданной антенным блоком 118 с управляемой диаграммой направленности. Способ в дальнейшем включает этап 1310, согласно которому объединяют переключенное множество сфокусированных радиочастотных сигналов для создания принимаемого радиочастотного сигнала с помощью радиального объединителя 224 апертур. В дальнейшем происходит завершение способа.
Настоящее изобретение, раскрытое в данном документе, можно рассматривать с учетом следующих пунктов.
Пункт А, антенный блок (118) с управляемой диаграммой направленности для приема множества падающих радиочастотных сигналов (230) под множеством углов (232) падения, содержащий: приблизительно сферическую диэлектрическую линзу (218), имеющую переднюю поверхность (226) и заднюю поверхность (228) и выполненную с возможностью приема и фокусировки указанного множества падающих радиочастотных сигналов для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы, причем указанное множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы, которые соответствуют указанному множеству углов падения указанного множества падающих радиочастотных сигналов, апертурный блок (200) волноводов, расположенный возле задней поверхности сферической диэлектрической линзы с возможностью связи с задней поверхностью посредством сигналов и выполненный с возможностью приема указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов, апертурную матрицу (222) переключателей, имеющую связь посредством сигналов с апертурным блоком волноводов и выполненную с возможностью электронного управления положением луча (114) диаграммы направленности, созданной антенным блоком с управляемой диаграммой направленности, причем апертурная матрица переключателей выполнена с возможностью переключения между указанным множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом, радиальный объединитель (224) апертур, имеющий связь посредством сигналов с апертурной матрицей переключателей и выполненный с возможностью создания принимаемого радиочастотного сигнала из указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов.
Пункт В, пример по пункту А, в котором сферическая диэлектрическая линза имеет форму, которая представляет собой приблизительно сферу или сплюснутый сфероид.
Пункт C, пример по пункту A, в котором сферическая диэлектрическая линза имеет сферическое отклонение, которое меньше приблизительно 0,01 длины волны рабочей радиочастоты антенного блока с управляемой диаграммой направленности.
Пункт D, пример по пункту C, в котором сферическая диэлектрическая линза имеет диаметр приблизительно 152,4 мм.
Пункт Е, пример по пункту A, в котором сферическая диэлектрическая линза имеет диэлектрическую постоянную приблизительно между 2 и 5.
Пункт F, пример по пункту Е, в котором сферическая диэлектрическая линза имеет градиент показателя преломления, радиально уменьшающегося от центра сферической диэлектрической линзы.
Пункт G, пример по пункту F, в котором сферическая диэлектрическая линза представляет собой линзу Люнеберга.
Пункт Н, пример по пункту В, в котором сферическая диэлектрическая линза состоит из материала, выбранного из группы, состоящей из следующего: термореактивная пластмасса, поликарбонат, сшитый сополимер полистирола и политетрафторэтилен.
Пункт I, пример по пункту В, в котором апертурный блок (200) волноводов имеет вогнутую внутреннюю поверхность (238), расположенную возле задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), и конформную апертурную антенную решетку (304), расположенную вдоль вогнутой внутренней поверхности (238), причем конформная апертурная антенная решетка (304) имеет связь посредством сигналов с задней поверхностью (228) сферической диэлектрической линзы (218) и содержит множество апертурных элементов (306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7)).
Пункт J, пример по пункту I, в котором апертурный блок (200) волноводов содержит множество волноводов (312), имеющих связь посредством сигналов с конформной апертурной антенной решеткой (304), причем каждый волновод (314(1)-314(7)) из указанного множества волноводов (312) имеет апертуру волновода, имеющую связь посредством сигналов с конформной апертурной антенной решеткой (304), а апертура каждого волновода (314(1)-314(7)) из указанного множества волноводов (312) соответствует апертурному элементу (306(1)-306(7)) из указанного множества апертурных элементов конформной апертурной антенной решетки (304).
Пункт K, пример по пункту J, в котором каждый апертурный элемент конформной апертурной антенной решетки представляет собой эллиптическую апертуру, а апертура каждого волновода из указанного множества волноводов представляет собой соответствующую эллиптическую апертуру.
Пункт L, пример по пункту К, в котором каждый эллиптический апертурный элемент конформной апертурной антенной решетки представляет собой круглую апертуру, а эллиптическая апертура каждого волновода из указанного множества волноводов представляет собой соответствующую круглую апертуру.
Пункт М, пример по пункту L, в котором указанное множество волноводов (312) содержит подмножество волноводов, причем каждый волновод из указанного подмножества волноводов имеет длину (900) волновода, направленный переход (904) волновода и переход (906) волновода от круглой апертуры в прямоугольный волновод.
Пункт N, пример по пункту М, в котором апертурный блок волноводов выполнен из металла или металлизированного пластика.
Пункт О, пример по пункту М, в котором сферическая диэлектрическая линза имеет центр (604), причем каждый волновод (314(1)-314(7)) из указанного множества волноводов (312) также содержит порт (316(1)-316(7)) ввода-вывода, причем каждая апертура волновода выровнена с центром сферической диэлектрической линзы, а каждый порт ввода-вывода волновода выровнен с другими портами ввода-вывода волновода и имеет связь посредством сигналов с апертурной матрицей переключателей.
Пункт Р, пример по пункту О, в котором каждый волновод представляет собой твердотельный волновод.
Пункт Q, пример по пункту Р, в котором каждая апертура волновода представляет собой патч-антенну.
Пункт R, пример по пункту О, в котором апертурная матрица переключателей содержит множество выборочно активируемых переключателей (1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N)), причем каждый выборочно активируемый переключатель (1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N)) из указанного множества выборочно активируемых переключателей (1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(1М)) имеет связь посредством сигналов с соответствующим волноводом (314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7)) из указанного множества волноводов (312) апертурного блока (200) волноводов и радиальным объединителем (224) апертур, а каждый выборочно активируемый переключатель (1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N)) выполнен с возможностью передачи или блокировки выходного сигнала волновода 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7)) соответствующего порта (316(1), 316(2), 316(3), 316(4), 316(5), 316(6) и 316(7)) ввода-вывода в радиальный объединитель (224) апертур.
Пункт S, пример по пункту R, в котором каждый выборочно активируемый переключатель содержит переключающее устройство, выбранное из группы, состоящей из следующего: PIN-диод, защелкивающийся ферритовый переключатель, жидкокристаллический затвор, коаксиальный переключатель волновода и радиочастотный изолятор.
Пункт Т, пример по пункту S, дополнительно содержащий шаговый двигатель (1200), функционально соединенный с апертурным блоком (200) волноводов и выполненный с возможностью выборочного поворота апертурного блока волноводов и сферической диэлектрической линзы на основании управляющего сигнала от контроллера (202).
Пункт U, пример по пункту Т, в котором радиальный объединитель апертур представляет собой радиальный объединитель, имеющий связь посредством сигналов с каждым выходным портом волновода, причем радиальный объединитель апертур выполнен с возможностью создания принимаемого радиочастотного сигнала с левой круговой поляризацией или правой круговой поляризацией.
Пункт V, пример по пункту А, в котором антенный блок с управляемой диаграммой направленности представляет собой взаимное устройство, причем сферическая диэлектрическая линза создает передаваемый радиочастотный сигнал на основании принимаемого входного радиочастотного сигнала в радиальном объединителе апертур, передаваемый радиочастотный сигнал содержит передаваемый луч диаграммы направленности, а апертурная матрица переключателей выполнена с возможностью электронного управления передаваемым лучом.
Пункт W, пример по пункту А, дополнительно содержащий обтекатель (800), расположенный возле передней поверхности (226) сферической диэлектрической линзы (218).
Пункт X, Пользовательский терминал (100), содержащий: антенный блок (118) с управляемой диаграммой направленности для приема множества падающих радиочастотных сигналов (230) под множеством углов (232) падения и содержащий приблизительно сферическую диэлектрическую линзу (218), имеющую переднюю поверхность (226) и заднюю поверхность (228), причем сферическая диэлектрическая линза (218) выполнена с возможностью приема и фокусировки указанного множества падающих радиочастотных сигналов (230) для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), указанное множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), которые соответствуют указанному множеству углов (232) падения указанного множества падающих радиочастотных сигналов (230), апертурный блок (200) волноводов, расположенный возле задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218) с возможностью связи с указанной задней поверхностью (228) посредством сигналов и выполненный с возможностью приема указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов, апертурную матрицу (222) переключателей, имеющую связь посредством сигналов с апертурным блоком (200) волноводов, причем апертурная матрица (222) переключателей выполнена с возможностью электронного управления лучом (114) диаграммы направленности, созданной антенным блоком (118) с управляемой диаграммой направленности, и с возможностью переключения между указанным множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом (114), радиальный объединитель (224) апертур, имеющий связь посредством сигналов с апертурной матрицей (222) переключателей и выполненный с возможностью создания принимаемого радиочастотного сигнала на основании указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов, радиочастотный модем (200), имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком (118) с управляемой диаграммой направленности и выполненный с возможностью приема радиочастотного сигнала и демодуляции принятого радиочастотного сигнала для создания принимаемого сигнала (248) основной полосы частот, и контроллер (202), имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком (118) с управляемой диаграммой направленности и радиочастотным модемом (200) и выполненный с возможностью управления радиочастотным модемом (200) и апертурной матрицей (222) переключателей для электронного управления лучом (114).
Пункт Y, способ приема множества падающих радиочастотных сигналов (230) под множеством углов падения с помощью антенного блока (118) с управляемой диаграммой направленности, включающий: прием (1302) указанного множества падающих радиочастотных сигналов (230) на передней поверхности (226) приблизительно сферической диэлектрической линзы (218), фокусировку (1304) указанного принятого множества падающих радиочастотных сигналов (230) для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), причем указанное множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), которые соответствуют указанному множеству углов (232) падения указанного множества падающих радиочастотных сигналов (230), прием (1306) указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов в апертурном блоке (200) волноводов, расположенном возле задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), переключение (1308) между указанным множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом (114) диаграммы направленности, созданной антенным блоком (118) с управляемой диаграммой направленности, и объединение (1310) множества переключенных сфокусированных радиочастотных сигналов для создания принимаемого радиочастотного сигнала с помощью радиального объединителя (224) апертур.
Пункт Z, пример по пункту Y, согласно которому переключение включает проведение или блокировку указанного множества выходных сигналов из соответствующего множества выходных портов волновода апертурного блока волноводов в радиальный объединитель апертур.
Пункт АА, пример по пункту Z, дополнительно включающий поворот апертурного блока волноводов и сферической диэлектрической линзы с помощью шагового двигателя на основании управляющего сигнала от контроллера.
Подразумевается, что различные аспекты настоящего изобретения или сведения о настоящем изобретении могут быть изменены без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Эти аспекты или сведения не являются исчерпывающими и не ограничивают заявленные изобретения конкретной формой реализации, раскрытой в данном документе. Кроме того, представленное выше описание приведено исключительно для целей иллюстрации, а не с целью ограничения. Модификации и изменения возможны с учетом приведенного выше описания или могут быть получены при практической реализации настоящего изобретения. Пункты формулы изобретения и их эквиваленты определяют объем настоящего изобретения.
В других показанных примерах реализаций структурная схема и блок-схемы иллюстрируют конструкцию, функциональные возможности и работу некоторых возможных реализаций устройств и способов в одном из показанных примеров. При этом каждый блок в структурной схеме или блок-схеме может представлять модуль, сегмент, функцию, часть операции или этапа или их некоторое сочетание.
В некоторых альтернативных реализациях одного из иллюстративных примеров функция или функции, указанные в блоках, могут осуществляться в порядке, отличном от порядка, показанного на чертежах. Например, в некоторых случаях два последовательно показанных блока могут быть осуществлены по существу одновременно или блоки иногда могут быть осуществлены в обратном порядке в зависимости от предусмотренных функциональных возможностей. Кроме того, в дополнение к блокам, показанным в структурной схеме или блок-схеме, могут быть добавлены и другие блоки.
Описание различных иллюстративных примеров было приведено для целей иллюстрации и описания и не является избыточным или ограниченным примерами в форме реализации, раскрытой в данном документе. Специалистам в данной области техники очевидны многие модификации и изменения. Кроме того, различные иллюстративные примеры могут обеспечивать признаки, отличные от других необходимых примеров. Отобранный пример или отобранные примеры выбраны и описаны для наилучшего пояснения принципов этих примеров, практического применения и обеспечения возможности понимания другими специалистами в данной области техники различных примеров с различными модификациями, подходящими для конкретного предполагаемого использования.
1. Антенный блок (118) с управляемой диаграммой направленности для приема множества падающих радиочастотных сигналов (230) под множеством углов (232) падения, содержащий:
- приблизительно сферическую диэлектрическую линзу (218), имеющую
переднюю поверхность (226) и
заднюю поверхность (228) и выполненную с возможностью приема и фокусировки указанного множества падающих радиочастотных сигналов для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль указанной задней поверхности сферической диэлектрической линзы, причем указанное множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности сферической диэлектрической линзы, которые соответствуют указанному множеству углов падения указанного множества падающих радиочастотных сигналов,
апертурный блок (220) волноводов, расположенный возле задней поверхности сферической диэлектрической линзы с возможностью связи с указанной задней поверхностью посредством сигналов и выполненный с возможностью приема указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов,
- апертурную матрицу (222) переключателей, имеющую связь посредством сигналов с апертурным блоком волноводов и выполненную с возможностью электронного управления лучом (114) диаграммы направленности, созданной антенным блоком с управляемой диаграммой направленности, причем апертурная матрица переключателей выполнена с возможностью переключения между указанным множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом, а антенный блок также содержит
- радиальный объединитель (224) апертур, имеющий связь посредством сигналов с апертурной матрицей переключателей и выполненный с возможностью создания принимаемого радиочастотного сигнала из указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов.
2. Антенный блок по п. 1, в котором сферическая диэлектрическая линза имеет по меньшей мере одно из следующего:
форму, которая представляет собой приблизительно сферу или сплюснутый сфероид,
сферическое отклонение, которое меньше приблизительно 0,01 длины волны рабочей радиочастоты антенного блока с управляемой диаграммой направленности,
диаметр приблизительно 152,4 мм,
диэлектрическую постоянную приблизительно между 2 и 5, и
градиент показателя преломления, радиально уменьшающегося от центра сферической диэлектрической линзы.
3. Антенный блок по п. 2, в котором сферическая диэлектрическая линза образована из материала, выбранного из группы, состоящей из следующего: термореактивная пластмасса, поликарбонат, сшитый сополимер полистирола и политетрафторэтилен.
4. Антенный блок по п. 2, в котором сферическая диэлектрическая линза представляет собой линзу Люнеберга.
5. Антенный блок по п. 1, в котором апертурный блок (200) волноводов содержит:
вогнутую внутреннюю поверхность (238), расположенную возле задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), и
конформную апертурную антенную решетку (304), расположенную вдоль вогнутой внутренней поверхности (238),
причем конформная апертурная антенная решетка (304) имеет связь посредством сигналов с задней поверхностью (228) сферической диэлектрической линзы (218) и содержит множество апертурных элементов (306(1), 306(2), 306(3), 306(4), 306(5), 306(6) и 306(7)).
6. Антенный блок по п. 5, в котором апертурный блок (200) волноводов содержит множество волноводов (312), имеющих связь посредством сигналов с конформной апертурной антенной решеткой (304),
причем каждый волновод (314(1)-314(7)) из указанного множества волноводов (312) имеет апертуру волновода, имеющую связь посредством сигналов с конформной апертурной антенной решеткой (304),
а апертура каждого волновода (314(1)-314(7)) из указанного множества волноводов (312) соответствует апертурному элементу (306(1)-306(7)) из указанного множества апертурных элементов конформной апертурной антенной решетки (304).
7. Антенный блок по п. 6, в котором
каждый апертурный элемент конформной апертурной антенной решетки представляет собой эллиптическую апертуру, а
апертура каждого волновода из указанного множества волноводов представляет собой соответствующую эллиптическую апертуру.
8. Антенный блок по п. 7, в котором
каждый эллиптический апертурный элемент конформной апертурной антенной решетки представляет собой круглую апертуру, а
эллиптическая апертура каждого волновода из указанного множества волноводов представляет собой соответствующую круглую апертуру.
9. Антенный блок по п. 8, в котором указанное множество волноводов (312) содержит подмножество волноводов, причем каждый волновод из указанного подмножества волноводов имеет:
длину (900) волновода,
направленный переход (904) волновода и
переход (906) волновода от круглой апертуры в прямоугольный волновод.
10. Антенный блок по п. 9, в котором сферическая диэлектрическая линза имеет центр (604),
причем каждый волновод (314(1)-314(7)) из указанного множества волноводов (312) также содержит порт (316(1)-316(7)) ввода-вывода,
каждая апертура волновода выровнена с центром сферической диэлектрической линзы, а
каждый порт ввода-вывода волновода выровнен с другими портами ввода-вывода волновода и имеет связь посредством сигналов с апертурной матрицей переключателей.
11. Антенный блок по п. 10, в котором каждый волновод представляет собой твердотельный волновод.
12. Антенный блок по п. 10, в котором апертурная матрица переключателей содержит множество выборочно активируемых переключателей (1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N)),
причем каждый выборочно активируемый переключатель (1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N)) из указанного множества выборочно активируемых переключателей (1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N)) имеет связь посредством сигналов с соответствующим волноводом (314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7)) из указанного множества волноводов (312) апертурного блока (200) волноводов и радиальным объединителем (224) апертур, а
каждый выборочно активируемый переключатель (1000(1), 1000(2), 1000(3) и 1000(N)) выполнен с возможностью передачи или блокировки выходного сигнала волновода 314(1), 314(2), 314(3), 314(4), 314(5), 314(6) и 314(7)) соответствующего порта (316(1), 316(2), 316(3), 316(4), 316(5), 316(6) и 316(7)) ввода-вывода в радиальный объединитель (224) апертур.
13. Антенный блок по п. 12, в котором каждый выборочно активируемый переключатель содержит переключающее устройство, выбранное из группы, состоящей из следующего: PIN-диод, защелкивающийся ферритовый переключатель, жидкокристаллический затвор, коаксиальный переключатель волновода и радиочастотный изолятор.
14. Антенный блок по п. 13, дополнительно содержащий шаговый двигатель (1200), функционально соединенный с апертурным блоком (200) волноводов и выполненный с возможностью выборочного поворота апертурного блока волноводов и сферической диэлектрической линзы на основании управляющего сигнала от контроллера (202).
15. Антенный блок по п. 14, в котором радиальный объединитель апертур представляет собой радиальный объединитель, имеющий связь посредством сигналов с каждым выходным портом волновода,
причем радиальный объединитель апертур выполнен с возможностью создания принимаемого радиочастотного сигнала с левой круговой поляризацией или правой круговой поляризацией.
16. Антенный блок по п. 1, в котором антенный блок с управляемой диаграммой направленности представляет собой взаимное устройство,
причем сферическая диэлектрическая линза выполнена с возможностью создания передаваемого радиочастотного сигнала из принимаемого входного радиочастотного сигнала в радиальном объединителе апертур,
передаваемый радиочастотный сигнал содержит передаваемый луч диаграммы направленности, а
апертурная матрица переключателей выполнена с возможностью электронного управления передаваемым лучом.
17. Антенный блок по п. 1, дополнительно содержащий обтекатель (800), расположенный возле передней поверхности (226) сферической диэлектрической линзы (218).
18. Пользовательский терминал (100), содержащий:
- антенный блок (118) с управляемой диаграммой направленности, выполненный с возможностью приема множества падающих радиочастотных сигналов (230) под множеством углов (232) падения и содержащий:
приблизительно сферическую диэлектрическую линзу (218), имеющую:
переднюю поверхность (226) и
заднюю поверхность (228),
причем сферическая диэлектрическая линза (218) выполнена с возможностью приема и фокусировки указанного множества падающих радиочастотных сигналов (230) для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), и
указанное множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), которые соответствуют указанному множеству углов (232) падения указанного множества падающих радиочастотных сигналов (230),
- апертурный блок (220) волноводов, расположенный возле задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218) с возможностью связи с указанной задней поверхностью посредством сигналов и выполненный с возможностью приема указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов,
- апертурную матрицу (222) переключателей, имеющую связь посредством сигналов с апертурным блоком (200) волноводов,
причем апертурная матрица (222) переключателей выполнена с возможностью электронного управления лучом (114) диаграммы направленности, созданной антенным блоком (118) с управляемой диаграммой направленности, и с возможностью переключения между указанным множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом (114),
- радиальный объединитель (224) апертур, имеющий связь посредством сигналов с апертурной матрицей (222) переключателей и выполненный с возможностью создания принимаемого радиочастотного сигнала из указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов,
- радиочастотный модем (200), имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком (118) с управляемой диаграммой направленности и выполненный с возможностью приема радиочастотного сигнала и демодуляции принятого радиочастотного сигнала для создания принимаемого сигнала (248) основной полосы частот, и
- контроллер (202), имеющий связь посредством сигналов с антенным блоком (118) с управляемой диаграммой направленности и радиочастотным модемом (200) и выполненный с возможностью управления радиочастотным модемом (200) и апертурной матрицей (222) переключателей для электронного управления лучом (114).
19. Способ приема множества падающих радиочастотных сигналов (230) под множеством углов падения с помощью антенного блока (118) с управляемой диаграммой направленности, включающий:
прием (1302) указанного множества падающих радиочастотных сигналов (230) на передней поверхности (226) приблизительно сферической диэлектрической линзы (218),
фокусировку (1304) принятого множества падающих радиочастотных сигналов (230) для создания множества сфокусированных радиочастотных сигналов на множестве фокальных точек приблизительно вдоль задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), причем указанное множество фокальных точек находятся в местах, расположенных вдоль задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218), которые соответствуют указанному множеству углов (232) падения указанного множества падающих радиочастотных сигналов (230),
прием (1306) указанного множества сфокусированных радиочастотных сигналов в апертурном блоке (220) волноводов, расположенном возле задней поверхности (228) сферической диэлектрической линзы (218),
переключение (1308) между указанным множеством сфокусированных радиочастотных сигналов на основании электронного управления лучом (114) диаграммы направленности, созданной антенным блоком (118) с управляемой диаграммой направленности, и
объединение (1310) множества переключенных сфокусированных радиочастотных сигналов для создания принимаемого радиочастотного сигнала с помощью радиального объединителя (224) апертур.
20. Способ по п. 19, согласно которому переключение включает проведение или блокировку множества выходных сигналов, проходящих от соответствующего множества выходных портов волновода апертурного блока волноводов в радиальный объединитель апертур.
