專利名稱：用于跟蹤非同步衛星的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在使用非同步衛星的通訊系統中發送和/或接收信號的裝置。
迄今，通過衛星的商用通訊幾乎完全是通過同步衛星來完成的，這主要是得益于它們在空中相對不變的位置。然而，同步衛星顯示出主要的缺點，如相對于從同步衛星到用戶天線的距離(大約36,000公里，在Ku波段相應損耗上升到約205dB)使傳輸信號有相當大的衰減，以及使傳輸滯后(通常約250ms到280ms量級)，因而變得非常明顯，而且特別是對于實時應用的如電話，電視會議等的干擾。此外，對于高緯度地區而言，分布于赤道平面的對地靜止軌道成為顯著的問題，對于靠近兩極的區域而言，仰角變得非常小。
其它利用同步衛星的辦法是-使用傾斜橢圓軌道的衛星，這種衛星在分布于其遠地點的緯度附近幾乎是固定的，可能達到幾個小時的持續時間。
-實現圓形軌道的衛星星座，尤其是在低軌道(“低地球軌道”或LEO)或者中軌道(“中地球軌道”或者MEO)，在用戶終端的視野內依次飛過星座衛星從十幾分鐘到大約一個小時的持續時間。
在這兩種情況下，不能由一顆單獨的衛星永久地提供服務，服務的連續性要求幾顆衛星一個接一個地飛過服務區域。
本發明的目的是制造一種用于跟蹤沿預定軌道飛行的非同步衛星的天線裝置，使得能夠在該裝置的視野范圍內接收兩顆以上彼此跟隨的衛星。
為此，本發明的主題是一種利用非同步衛星的通訊系統中發射和/或接收信號的裝置，它包括多向聚焦裝置，該裝置處理由多個焦點構成的聚焦面，其特征在于，它包括
-一組連續的獨立發射機和/或接收機的發射元件或者發射元件組，所述發射元件安置在所述聚焦面的焦點附近，-與各發射元件相連的電子開關裝置，至少在與第一焦點相關的第一元件和與第二焦點相關的第二元件處操作切換到用于處理發射和/或接收的信號的電路，所述焦點與第一顆衛星和第二顆衛星在給定時刻的各自位置對應，-監視所述開關裝置的監視裝置，用于確定與第一顆衛星和第二顆衛星在所述給定時刻的各自位置對應的所述第一元件和第二元件。
術語“有源”將被描述為與同樣稱作“有源”衛星交換有用數據的主要部分的任何元件，而術語“無源”將確定與另一個同樣稱作“無源”衛星交換信令和少數有用數據的所有其它元件。
按照這種方式，本發明的裝置能夠發射和/或接收兩個以上聚焦在不同位置的波束，并且當從一顆衛星切換到另一顆衛星時不會受切換滯后的影響。
根據一種實施例，所述開關裝置包括多個切換單元，所述切換單元包括具有一個輸入端和多個NXM輸出端的第一開關，所述輸入端與用于處理發射信號的電路連接，而所述各輸出端與多個NXM發射元件連接；和/或包括第二開關，它具有多個與NXM發射元件連接的NXM輸入端和一個輸出端，該輸出端連接到用于響應接收信號而處理所述接收信號的電路；所述一組發射元件呈現N行和M列個元素的矩陣形式。
根據一種實施例，整數N是按以下方式被預先確定的，即在跟蹤衛星時，所述裝置顯示一種能夠以仰角10°到90°傾斜的輻射圖樣。
整數N是以如下方式被預先確定的，即允許方位角視野圍繞著當前方位角。所述仰角在本專利申請中將被理解為水平面與通過裝置中心的半徑R與軌道瞬時平面中衛星之間存在的夾角。也可將所述方位角定義為所述半徑R與軌道瞬時平面的橫斷面中垂直線之間的夾角。
在非同步衛星的軌道是固定的或者保持彼此靠近的特殊情況下，以如下方式選擇整數M，即以圍繞前方位角值通過波束的方位角調節來保證它們的跟蹤。
優點在于，在圍繞一個與最大值對應的給定發射方向的仰角，對于每個方位角的±0.5dB的增益改變，對每個N增加M個單位。
按照一種實施例，一組發射元件、開關裝置及用于處理發射信號和/或接收信號的電路都安排在一個基片的同一層。
所述一組發射元件被蝕刻在所述基片的第一層，在這層的下面安排第二層，它包括所述開關和用于處理發射信號和/或接收信號電路。
所述一組發射元件蝕刻在第一層，在這層的下面安排第二層和第三層，它們分別包括所述開關和用于處理發射信號和/或接收信號電路。
用于激勵這些元件的第一激勵線蝕刻在發射和/或接收第一波束的第二層，而第二激勵線蝕刻在發射和/或接收第二波束的第三層。
更為有利的是，將一些槽蝕刻在形成接地平面的第一層的下表面上，以便能夠與下層進行能量交換。
為了在第一顆衛星軌道方位角偏移時能夠跟蹤，同時期望第二顆衛星在正常的軌道中，這些裝置包括支撐鄰近聚焦面的第一和第二獨立裝置，并在這些裝置上安排連續的一組發射元件。因此，后一方案在可能具有相當大方位角變化的非同步衛星情況下是特別有利的。尤其是，使得能夠整數值M減小到1，這對應于電子仰角跟蹤，同時確保機械發射的方位角跟蹤。
更為有利的是，所述第一和第二支撐裝置連接到包括支撐第一和第二裝置的轉動裝置的致動裝置，用于以允許衛星方位角跟蹤方式來確定后者的取向，使所述裝置的[空隙]由所述裝置在跟蹤目標和/或源的過程中來支撐。
這些轉動裝置最好有一個通過楞勃(Luneberg)透鏡中心轉動軸，所述第一和第二支持裝置可繞該中心轉動。
按照一種實施例，所述裝置包括用于控制各元件的電機和致動裝置的監視裝置。
按照一種實施例，所述裝置的聚焦元件是球形楞勃透鏡。
所述裝置最好用于非同步衛星的跟蹤。
優點可在于，所述裝置包括位于該裝置聚焦面上一點附近的發射和/或接收裝置，它能夠與一個以上同步衛星通訊聯系。這個第三元件最好是固定的。
在下面參照附圖，作為非限定性舉例的優選實施例的描述中將顯現出本發明的其它特點和優點，其中
圖1.a表示本發明跟蹤裝置一種施例的垂直剖面圖；圖1.b表示圖1.a中沿A-A截面所表現的本發明裝置的圖解；圖2.a表示與圖1.a和1.b的跟蹤裝置不同的圖解；圖2.b表示圖2.a沿B-B截面所表現的本發明裝置的圖解；圖3.a是圖1.b中描繪的區域D的詳細視圖，表示通過面對輻射空間的一些貼片的第一層，用于饋送所述貼片能夠發射第一波束電路的第二層，以及用于饋送所述貼片16能夠發射第二波束電路的第三層的垂直剖面；圖3.b表示組成圖3.a的第二層的各種電路；圖3.b表示組成圖3.a的第三層的各種電路；圖4.a是圖1.b中描繪的區域D的不同的詳細視圖，表示向著輻射空間取向的發射元件的第一層，用于處理要發射信號的第二層和用于處理接收信號的第三層；圖4.b表示圖4.a中用于處理要發射信號的第二層；圖4.c表示圖4.a中用于處理要接收信號的第三層，圖5表示在包括第一層發射元件面的相對面上的一些槽。
為了描述簡單，相同的參考編號將在后面的圖中使用，用以指示完成相同功能的元件。
根據圖1.a和圖1.b中描述的實施例，所述跟蹤裝置包括一個具有公知的固有特性絕緣材料的實心球形楞勃透鏡2。在直徑4的兩端，它通過兩個調節鈕3。橫截于穿過直徑4的圖1.a截面的平面將所述透鏡2劃分為兩個半球21和22，半球21面對衛星11和衛星12所處的輻射空間，同時半球22的聚焦面5面對一組發射元件6。這組發射元件6由(聚苯乙烯泡沫塑料制成的)可以電穿透的罩61支撐，該罩抱緊所述半球22形，因而它起到后者與所述一組發射元件6之間分界面的作用。一組發射元件6與罩61的橫截面都是半-弓形的矩形形狀。各發射元件6由多個貼片7組成，后面將描述它們的布置。衛星11在有源貼片6a的可視范圍內，同時衛星12在有源貼片6p的可視范圍內，用于保持有源跟蹤。在圖1.b部分中，應該注意貼片6p使其能夠觀測到衛星12。調節旋紐3可以按照安裝調節所述裝置的方位角觀測，有如雙箭頭60所示。所述裝置連接到包括它的其余部件的內部的一個單元，這個單元就是電視解碼器(未予示出)。
所述裝置還包括一個能夠與同步衛星13通訊的發射機/接收機部件49。更為有利的是，發射機/接收機部件49是一個包括多個發射貼片的天線。作為一種變型，所述部件49是一個波導天線。
圖2.a表示雙層主信源8和9，它們分別獨立在支持點10和11上。因為兩個支持點10和11的方位角機械調節是獨立的，所以有源主信源8a可以連續地觀測到衛星11，而信源9p等待有效地去跟蹤衛星12。這并不排除這樣的事實，即信源9p跟蹤衛星12，但是分配給它用于與衛星12交換信息的頻帶相對于分配給衛星11和有源主信源8a之間交換信息的頻帶被減小。這將在下面更為清楚地描述。
對于有源信源6a，8a，對應于一個稱作有源的波束12a，而對于無源信源6p，9p，對應于一個稱作無源的波束12p。由電機100，110分別實現支撐點10，11的控制，這些電機的啟動是通過下面詳細描述的監控裝置36，46自行控制的。
圖3.a是圖1.b中所示區域D的詳細視圖，表示一個垂直剖面，該面通過面對輻射空間的多個貼片16的第一層13，用于把輻射饋送至所述貼片16能夠發射第一波束的電路的第二層14，以及用于把輻射饋送至所述貼片16能夠發射第二波束的電路的第三層15的。圖3.b表示對貼片16的饋送電路，它被安排在圖3.a的第二層上，并且能夠激勵第一波束，而圖3.c以圖解的方式說明與圖3.b相同的第二波束的激勵特性。術語“波束”用在本專利申請中，用以指定貼片16與衛星之間的任何交換，不管是發射還是接收。
第一層13的上表面顯示以形成一個N行和M列矩陣的方式安排的貼片，為描述簡單，這里N等于4，而M等于3。應予說明的是，這些值已經當作例子取過，而且N可在50量級，為的是覆蓋10°到90°的仰角。第一層13的上表面顯示一個金屬表面18，它對三個電路層形成一個公共接地平面。圖5中限定的槽19是在接地面18中被蝕刻的，允許各貼片16與第二和第三層14，15之間波的輻射。第二層14的下表面顯示用于使貼片16(有源或無源)能夠發射/接收第一波束(有源或無源)的饋送電路17，而第三層15包括用于使貼片16(分別是有源或無源)能夠發射/接收第二波束(分別是有源或無源)的饋送電路20。
在圖3.b中，饋線激勵豎直邊的貼片16。第一類線171傳送由貼片16接收的信號，并驅動開關21的端口211，開關的一個輸出端212驅動頻率變換電路22，用以把變換成衛星中頻帶(或者SIB)的信號傳送給內部的一個單元(未示出)。應予說明的是，在現場直播電視衛星通訊裝置的結構中，這種SIB被標準化。按當前的標準，對于變換到中間頻率不必要采取同樣的頻帶。
第二類線172起源于第二開關23并傳送要發射給衛星的信號。第二開關23選擇用于對準衛星的貼片16。開關23的輸入端連接到頻率變換電路24，而頻率變換電路的輸入端連接到一個內部單元。
每個頻率變換電路22，24以及接下去所述的按一種公知形式由用于頻率變換的混頻器25和本地振蕩器26來構成。在向下的電路中，所述頻率變換電路還包括低噪聲放大器27，而在向上的電路中，所述頻率變換電路還包括功率放大器28。
在圖3.c中，饋線激勵豎直邊的貼片16。第三類線291傳送由貼片16接收的信號，并驅動開關30的端口301，該開關的輸出端302驅動頻率變換電路31，用以把變換成衛星中頻帶(或者SIB)的信號傳送給內部的一個單元(未示出)。第四類線292起源于第四開關32，并傳送要發射給衛星的信號。第四開關32選擇用于對準衛星的貼片16。開關32的輸入端連接到頻率變換電路33，而頻率變換電路的輸入端連接到一個內部單元。
此外，應該強調，開關21，23由第一監控裝置34控制，使其能夠選擇貼片16，貼片16可以瞄準第一顆衛星，而開關30，32由第二監控裝置35控制，使其能夠選擇貼片16，貼片16可以瞄準第二顆衛星。例如在本實施例中，第一和第二裝置包含在微型控制器26中，該控制器包括存儲衛星軌道歷史數據信息的存儲器37，并且一個增益值還起檢測衛星閥值的作用，低于該閾值，微型控制器36必須切換到一鄰近的貼片16，以跟蹤該衛星，或者切換到對準具有第二波束的第二顆衛星的貼片16。開關21，23，30和32譬如是一些電子芯片，它們具有連接到微型控制器36的k控制標記和具有連接到各個貼片16的NxM標記，以及輸入和輸出標記。
圖4.a是圖1.b中區域D變形的詳細視圖，并表示對準輻射空間的貼片16的第一層13，表示用于處理要發射信號的第二層37和用于處理接收信號的第三層38。圖4.b表示用于處理圖4.a要發射信號的第二層37，而圖4.c表示用于處理圖4.a要接收信號的第二層38。
第二層37的下表面表現能夠發射第一和第二波束的貼片16的饋送電路38，而第三層38包括能夠接收第一和第二波束的貼片16的饋送電路39。
應能看出，圖3.a到圖3.c中的接收和發射路徑是按兩種正交極化產生的。這明顯不是必要的，但能使發射與接收之間有較好的絕緣。沿著層14上的兩種正交極化實現第一波束的發射/接收，而沿著層15上的兩個正交極化實現第二波束的發射/接收。
另一方面，通過兩個相對側面激勵貼片16，以便在層37上分別發射第一波束和第二波束，并在層38上分開接收第一波束和第二波束。
再者，可以用一種包括與一個基片層分開的兩個貼片的結構代替在第一基片層13上包括一個單個的貼片16的結構，彼此面對面并且實質共振在偏移的頻率以至于加寬頻率通帶。
在圖4.b中，饋線38激勵相對兩側上的貼片16。第一類線381根據一個極化傳送第一波束要發射的信號，而第二類線382根據同樣的極化傳送第二波束要發射的信號。這些線381，382分別連接到第一開關和第二開關40，41。每個開關40，41的輸入端接到前述類型的頻率變換器。
同樣地，圖4.c中所表示的是饋線39，它激勵相對兩側的貼片16。第一類線391按照一種極化傳送第一波束要發射的信號，而第二類線392按照同樣的極化傳送第二波束要發射的信號。這些線391，392分別連接到第一開關和第二開關42，43。每個開關42，43的輸入端接到前述類型的頻率變換器。
開關40由包含在微型控制器46中的第三監控裝置44來控制，使其能夠選擇貼片16，以便可以獲得用于發射給第一顆衛星的最佳波束；而開關41由第四監控裝置45來控制，使其能夠獲得用于發射給第二顆衛星的最佳波束。同樣地，開關42由第三監控裝置44來控制，使其能夠選擇貼片16，以便可以獲得接收第一顆衛星信號的最佳波束；而開關43由第四監控裝置45來控制，使其能夠獲得接收第二顆衛星信號的最佳波束。
圖5表示與包括第一層13貼片16的面相對的面上的多個槽19。線Pol11和Pol21通過矩形的邊激勵貼片16，這些邊對應于圖3.a到3.c的實施例情況中的饋送槽193的激勵線。在這種情況下，同一貼片16傳送由波束發射和接收的數據。借助兩個矩形邊的激勵，使接收路徑和發射路徑能夠關于兩個矩形極化分開。符號Polij對應于依據極化i的波束線j。
線Pol11和Pol21對應于圖4.a到4.c中的變量。線Pol11和Pol21通過相對的兩側激勵貼片16，并在第一線上傳送第一波束的接收路徑數據以及第二線上傳送第二波束的接收路徑數據(或者第一線上傳送第一波束的接收路徑數據和第二線上傳送第二波束的接收路徑數據)。
本發明的裝置按以下方式工作首先使第一顆衛星定位在該裝置的視野范圍之內。與有源貼片相關的有源波束在它的軌跡上跟蹤它。在第一顆衛星從該裝置的視野范圍消失之前，第二顆衛星出現。該裝置繼續通訊聯系，發射/接收第一顆衛星的有用數據，同時跟蹤第二顆衛星，并且只把發送給后一衛星的數據與監控裝置通信聯系。楞勃透鏡的直徑比如為35cm，并且本裝置在12GHz量級的頻率下工作。在發射/接收增益中的變化超過相對等效于最大值的+0.5dB，或者1dB的時候，發生從一個貼片到另一個貼片的轉換。整數N被確定為所需覆蓋方位角的函數，作為舉例，考慮對于超過3°的覆蓋方位角N的增量為一個單位的規則。M和N的選取明顯地取決于波束的帶寬、本裝置能夠承受的增益波動，以及限制它們之間最小間隙的貼片16尺寸等因素。
所述監控裝置測量對衛星的接收/發射信號的電平(有源或無源)。只要后者低于一個預定的閥值，它們激發適當的切換，目的在于為了切換到另一個貼片，并且確定允許最佳跟蹤衛星的貼片。
當然，本發明并不限于所述的實施例。因此，所述楞勃透鏡可以是圓柱形的。
最后，可以用除本發明所述工作方式以外的任何方式實現從衛星11切換到衛星12的管理。它可以包括多重訪問所述兩個以上衛星11，12的所有已知方法。
權利要求
1．一種在使用非同步衛星的通訊系統中發射和/或接收信號的裝置，它包括處理由多個焦點構成的聚焦面(5)的多向聚焦裝置(2)，其特征在于包括-一組連續的獨立的發射機和/或接收機的發射元件或者一組發射元件(6)，所述發射元件(6)安置在所述聚焦面(5)的焦點附近，-與發射元件(6)連接的電子開關裝置(21，23，30，32，40，41，42，43，)，至少在一個與第一焦點相關的第一元件(6a)和一個與第二焦點相關的第二元件(6p)處操作切換到用于處理發射和/或接收信號的電路(22，24，31，33)，所述焦點與第一顆衛星(11)和第二顆衛星(12)在給定時刻的各自位置對應，-監視開關裝置(21，23，30，32，40，41，42，43)的監控裝置(36，46)，用于確定與第一顆衛星(11)和第二顆衛星(12)在所述給定時刻的各自位置對應的所述第一元件(6a)和第二元件(6p)。
2．根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述監控裝置(36，46)包括第一和第二(34，35)，或者第三和第四(44，45)監控裝置，用以確定要其執行有用數據變換的發射元件(6a)。
3．根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述裝置的聚焦元件是一個球形楞勃透鏡(2)。
4．根據權利要求1至3任一項所述的裝置，其特征在于所述裝置包括支撐鄰近聚焦面(5)的第一獨立支撐裝置(10)和第二獨立支撐裝置(11)，并在此二裝置上安排一組發射元件(6)。
5．根據權利要求4所述的裝置，其特征在于所述第一支撐裝置(10)和第二支撐裝置(11)與連接到致動裝置(3)，它包括第一支撐裝置(10)和第二支撐裝置(11)的轉動裝置(100，110)，用于以使衛星(11，12)方位角跟蹤的方式來確定后者的取向。
6．根據權利要求5所述的裝置，其特征在于所述這些轉動裝置(100，110)有一個通過所述楞勃透鏡(2)中心的轉動軸(4)，所述第一和第二支撐裝置(10，11)能夠繞其旋轉。
7．根據權利要求1至6任一項所述的裝置，其特征在于所述開關裝置包括切換單元，該切換單元包括第一開關(23，32，40，41)和/或第二開關(21，30，42，43)；所述第一開關的一個輸入端連接到用于處理發射信號的電路，它的多個NXM輸出端連接到各NXM發射元件；所述第二開關的多個NXM輸入端連接到各NXM發射元件，它的一個輸出端連接到用于關于接收信號處理接收信號的電路；所述一組發射元件表現為具有N行和M列元素矩陣形式。
8．根據權利要求7所述的裝置，其特征在于所述整數N是按以下方式被預先確定的，即在跟蹤衛星時，所述裝置顯示一種能夠以仰角10°到90°傾斜的輻射圖樣。
9．根據權利要求1至8任一項所述的裝置，其特征在于所述一組發射元件(6)，開關裝置(21，23，30，32，40，41，42，43)和用于處理發射信號和/或接收信號的電路(25，26，28)都安排在一個基片的同一層(13)上。
10．根據權利要求1至8任一項所述的裝置，其特征在于所述一組發射元件(6)蝕刻在所述基片的第一層(13)上，該層下面安排包括所述開關和用于處理發射信號和/或接收信號電路的第二層。
11．根據權利要求1至8任一項所述的裝置，其特征在于所述一組發射元件(6)蝕刻在第一層(13)上，該層下面安排分別包括所述開關裝置(21，23，30，32，40，41，42，43)和用于處理發射信號和/或接收信號電路(25，26，28)的第二層(14，17)和第三層(15，18)。
12．根據權利要求10或11所述的裝置，其特征在于用于激勵所述元件(6)的第一激勵線蝕刻在發射和/或接收第一波束的第二層(14)，而第二激勵線蝕刻在發射和/或接收第二波束的第三層(15)。
13．根據權利要求1至12任一項所述的裝置，其特征在于所述裝置還包括發射和/或接收裝置(49)，它定位于該裝置聚焦面(5)上一點附近，用于與一個以上同步衛星(13)通訊聯系。
全文摘要
一種用于跟蹤非同步衛星的裝置。該裝置包括至少一組安置在該裝置聚焦面(5)附近的獨立發射機和/或接收機發射元件(6)。發射元件(6)與開關裝置(21,23,30,32,40,41,41,43)相連,使得能夠以操作的方式選擇與對應第一顆衛星對應的聚焦點相關的第一信源和與第二顆衛星對應的聚焦點相關的第二信源。本發明特別用于非同步衛星的跟蹤領域。
文檔編號H01Q19/06GK1297594SQ9980520
公開日2001年5月30日 申請日期1999年4月15日 優先權日1998年4月23日
發明者阿里·盧齊耶, 亨利·富爾杜科斯, 帕特里斯·伊爾茨林 申請人:湯姆森多媒體公司