平面多波束混合机电卫星通信终端的制作方法

背景技术：

1、旨在用于以微波和毫米波(mm wave)vsat频带(大约从大约6ghz到100ghz)与卫星进行通信的天线通常采用电气转向的相控阵列(electrically-steered phased array)、或机械万向架或转向的抛物面反射器天线(a mechanically gimballed or steeredparabolic reflector antenna)的形式。电气转向的相控阵列是外形小巧的，并且可以在视野范围内独立扫描一个或更多个高增益波束，因此允许随时间保持和跟踪多个同时进行的卫星链路，但由于构建该阵列所需的电路的数目多，因此通常需要非常高的成本和功耗。包括反射器天线以及万向架平板阵列天线的机械转向天线在物理上被限制为每孔径单波束，但可以减少部件数量和功耗。存在混合方法，其中单轴电气波束形成与单轴机械转向相结合，以减少电路数量，并且因此降低成本，同时保持较小的物理外形，但这些混合继承了机械致动的产品的限制，即只能形成单个天线波束。

2、对于卫星通信来说，可行的终端必须能够与多个完全独立的卫星进行通信才被认为是真正的多波束天线。不同的卫星可以位于不同的轨道上，具有不同的轨道周期，并且相对于天线或终端沿不同的方向行进，这意味着不同波束的指向角之间的任何固定分离或限制都不能够使得多波束satcom天线进行正常运行。随着新的leo(低地球轨道)、meo(中地球轨道)和其他ngso(非地球静止轨道)卫星星座进入市场，对多链路的需求更加突出。这些网络在空中具有许多卫星，并且需要快速切换，对此，机械控制的单波束系统不足够快，无法运行。同时连接两个卫星以实现先接后断的切换对于地面终端来说非常有益。除了多次切换之外，多波束还允许与不同的卫星和/或网络建立多条链路，以增加流量和吞吐量，或者允许利用一个网络相对于另一个网络的优势来处理不同类别的流量。通过适合在移动平台上使用的小型天线来实现多卫星连接是充分利用正在发射的新卫星容量的关键要求。

技术实现思路

1、一种集成到satcom终端的天线，该天线使用透镜天线元件的相控阵构造而成，如2019年10月10日授权的美国专利第10,116,051号“lens antenna system(透镜天线系统)”中所述，并结合了从覆盖圆形焦点区(focal region)的圆圈到每个透镜下方的馈源线的有限数量的馈源，并且对整个阵列进行旋转，如2020年5月1日提交的美国专利申请公布第2020/0350681a1号“gain roll-off for hybrid mechanical-lens antenna phasedarrays(混合机械透镜天线相控阵的增益滚降)”中所述，以支持在上半球机电扫描单波束。然而，对单波束的限定限制了先前描述的技术的应用。多个独立指向的同时波束(每个波束由一个rx和tx对组成)对于维持多个同时通信链路、维持活动主链路同时将辅助链路保持在待机状态以用于故障转移或其他目的、或在两个端点之间切换数据期间维持活动链路(例如从设置到上升的卫星)是理想的。

2、根据本公开，通过添加机械致动器来扩展先前描述的天线，以使透镜在垂直于馈源线的方向上相对于馈源进行移动。以此方式，阵列中每个透镜下方的馈源所针对的焦点区的形状，以及可用作透镜阵列的元件图案的可用电子扫描体积，从单一切口变为呈现横跨上半球的一系列弯曲区域。这种添加允许将两个完全独立的波束引导到透镜阵列视野中的任何位置，实际上是将两个所需的波束位置映射到透镜天线阵列元件焦平面上的一对点，然后使整个阵列进行旋转并且使透镜相对于馈源进行移位，使得焦平面上的两个点都被馈源阵列覆盖。这样，就可以形成任意两个波束。

3、该实现可以进一步扩展以产生多波段阵列实现方式。由于仅使用单个馈源线来支持在天线的视场内形成任意两个波束，并且单个馈源线仅占据每个透镜下方区域的子集，因此可以在双、多或宽带rf(射频)透镜的焦点区内的第一个馈源线旁边添加针对不同频率调整的附加馈源线，使得两个馈源线平行且紧邻。可以通过使透镜相对于馈源进行移位来使用任一行馈源，以允许在第一频率下形成一个或两个波束，或在第二频率下形成一个或两个波束，或选择在第一频率和第二频率中的每个频率下形成一个波束。本发明的优点在于，由于使用了透镜阵列技术，并且将馈源数量从覆盖每个透镜下方的整个焦点区减少到仅覆盖每个透镜下方的一条线，从而降低了成本、功耗和电路数量，同时保持了透镜阵列技术固有的多波束能力。

4、从第一方面来看，提供了一种多波束机电致动透镜天线，所述多波束机电致动透镜天线包括：

5、a)rf透镜，所述rf透镜具有一个或更多个焦点域(focal locus)；

6、b)一个或更多个馈源模块，所述馈源模块具有馈源区域，所述馈源区域覆盖所述透镜的所述一个或更多个焦点域的子集；

7、c)第一致动器，所述第一致动器被配置成使所述透镜和所述一个或更多个馈源模块一起旋转以在至少一个方向上进行扫描；

8、d)第二致动器，所述第二致动器被配置成使所述透镜沿着所述透镜的所述一个或更多个焦点域中的一个焦点域从所述馈源区域偏移；以及

9、e)位于所述一个或更多个焦点域上的多个焦点，其中，所述第一致动器或所述第二致动器或者所述第一致动器和所述第二致动器两者被配置成相对于所述rf透镜对所述馈源区域进行定位，以使得能够在所述一个或更多个焦点域上的所述多个焦点中的两个或更多个焦点中的每个焦点处生成波束。

10、以此方式，可以对一个或更多个焦点域上的多个焦点中的任意两个焦点进行寻址，焦点中的每个焦点产生一个波束。

11、馈源区域可以与透镜的一个或更多个焦点域的子集共形。

12、第一致动器可以被配置成使透镜和一个或更多个馈源模块一起旋转以进行方位角扫描。可以替代地或另外地实施其他扫描方向，例如高度。

13、馈源区域可以包括一行或更多行馈源。

14、一行或更多行馈源可以被偏移，以使焦点与馈源区域内的最近馈源的最大距离最小化。

15、馈源模块中的一个或更多个馈源模块可以提供仅发射功能，并且馈源模块中的一个或更多个馈源模块可以提供仅接收功能。

16、替代地，一个或更多个馈源模块中的每个馈源模块可以提供全双工发射和接收功能。

17、替代地，一个或更多个馈源模块中的每个馈源模块可以提供半双工发射和接收功能。

18、在一些实施方式中，对rf透镜的多个焦点中的任意两个焦点可以被同时选择。

19、馈源区域可以是基本上线性的。

20、第二致动器可以被配置成使透镜沿着透镜的一个或更多个焦点域中的一个焦点域在垂直于馈源线的方向上从所述馈源区域偏移。

21、从第二方面来看，提供了一种多波束多波段机电致动透镜天线，所述多波束多波段机电致动透镜天线包括：

22、a)rf透镜，所述rf透镜具有一个或更多个焦点域；

23、b)一个或更多个馈源模块，所述一个或更多个馈源模块具有多个馈源区域，所述多个馈源区域中的每个馈源区域覆盖所述透镜的所述一个或更多个焦点域的不同子集；

24、c)所述多个馈源区域中的每个馈源区域在不同的频带中工作；

25、d)第一致动器，所述第一致动器被配置成使所述透镜和一个或更多个所述馈源模块一起旋转以在至少一个方向上进行扫描；

26、e)第二致动器，所述第二致动器被配置成使所述透镜沿着所述透镜的所述一个或更多个焦点域中的一个焦点域从所述多个馈源区域偏移；以及

27、f)位于所述一个或更多个焦点域上的多个焦点，其中，所述第一致动器或所述第二致动器或者所述第一致动器和所述第二致动器两者被配置成相对于所述rf透镜对所述馈源区域进行定位，以使得能够在所述一个或更多个焦点域上的所述多个焦点中的两个或更多个焦点中的每个焦点处生成独立的波束，每个波束都是双波段波束。

28、以此方式，可以对一个或更多个焦点域上的多个焦点中的任意两个焦点进行寻址，焦点中的每个焦点产生具有一个或更多个焦点域的任意组合的两个独立波束。本实施方式中的波束是双波段的。

29、馈源区域中的每个馈源区域可以与透镜的一个或更多个焦点域的相应子集共形。

30、第一致动器可以被配置成使透镜和一个或更多个馈源模块一起旋转以进行方位角扫描。可以替代地或另外地实施其他扫描方向，例如高度。

31、第一馈源区域可以覆盖ka波段，并且第二馈源区域可以覆盖ku波段。

32、第一馈源区域可以覆盖ka波段，并且第二馈源区域可以覆盖x波段。

33、第一馈源区域可以覆盖ku波段，并且第二馈源区域可以覆盖x波段。

34、第一馈源区域可以覆盖ka波段，并且第二馈源区域可以覆盖v波段。

35、在第一方面和第二方面中，一个或更多个焦点位置都可以是平面的。

36、在第一方面和第二方面中，一个或更多个焦点位置都可以是非平面的。

37、多个馈源区域可以是基本上线性的。

38、多个馈源区域可以是基本上平行的。

39、从第三方面来看，提供了一种多波束机电致动透镜阵列天线，所述多波束机电致动透镜阵列天线包括：

40、a)多个rf透镜，所述多个rf透镜形成阵列，所述多个rf透镜具有一个或更多个透镜焦点域；

41、b)所述阵列中的所述多个rf透镜中的每个rf透镜与一个或更多个相同的馈源模块相关联，所述馈源模块具有一个或更多个馈源区域，所述一个或更多个馈源区域覆盖所述一个或多个透镜焦点域的一个或更多个子集；

42、c)一个或更多个馈源模块，所述一个或更多个馈源模块相对于所述多个rf透镜基本上横跨所述阵列来进行定向和定位；

43、d)第一致动器，所述第一致动器被配置成使所述所述多个rf透镜和所述馈源区域一起旋转以在至少一个方向上进行扫描；以及

44、e)第二致动器，所述第二致动器被配置成使所述多个rf透镜沿着所述一个或更多个透镜焦点域从与每个rf透镜相关联的相应的一个或更多个所述馈源区域共同偏移。

45、一个或更多个馈源区域中的每个馈源区域可以与透镜的一个或更多个焦点域的相应子集共形。

46、第一致动器可以被配置成使多个rf透镜和馈源区域一起旋转以进行方位角扫描。可以替代地或另外地实施其他扫描方向，例如高度。

47、跨rf透镜阵列的一个或更多个馈源模块的一个或更多个馈源区域中的每个馈源区域可以在不同的频带中工作。

48、一个或更多个馈源模块相对于其各自的rf透镜的位置可以与一个或更多个馈源模块相对于跨多个rf透镜的单独rf透镜的位置偏移开，以减少扫描纹波和覆盖间隙。

49、天线可以被配置成使得热量通过使用旋转电缆托盘的液体冷却回路从一个或更多个馈源模块传导，所述热量在散热器中消散。

50、天线可以被配置成使得热量通过空气轴承从一个或更多个馈源模块传导，所述热量在散热器中消散。

51、天线可以被配置成使得热量通过薄聚合物轴承从一个或更多个馈源模块传导，所述热量在散热器中消散。

52、机电多波束透镜阵列天线可以用于卫星通信，与多波束相控阵(尤其是采用多频段天线元件的多频段多波束相控阵)相比，可以大大降低成本、功耗和复杂性，从而实现与不同轨道、甚至不同频段的不同卫星建立多条链路。