CN110582892B - 透镜天线*** - Google Patents

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Abstract

一种天线***，包括多个透镜组。每个透镜组包括透镜和至少一个馈电元件。至少一个馈电元件与透镜对准，并被配置成以期望的方向引导信号通过透镜。

Description

透镜天线***
相关申请
本申请要求2017年3月17日提交的美国临时申请No.62/472,991的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种多波束相控阵天线***。更具体地，本发明涉及一种具有减少的组件数量的宽带广角多波束相控阵天线***，其使用广角梯度折射率透镜，每个透镜具有多个可扫描波束。
背景技术
相控阵是用于电磁波的孔径天线的形式，其可以被构造成低轮廓、相对轻质，并且可以使用电气控制装置使所产生的高方向性无线电能量束转向以指向期望方向而不是移动部件。常规的相控阵是紧密间隔(半波长)的单独辐射天线或元件的集合，其中相同的输入信号被提供给经受指定幅度和时间或相位偏移的每个独立辐射元件。然后，从辐射元件中的每个发射的能量将在由每个元件的时间/相位偏移配置确定的方向(或多个方向)上相长相加。用于这种相控阵的各个天线或辐射元件被设计成使得来自阵列互耦环境中的每个馈源的辐射能量角分布或图案(有时称为嵌入元件或扫描元件增益图案)尽可能均匀地分布，受到在很宽的空间角度范围内的投影阵列孔径的物理限制，能够在波束扫描角度上实现最大的天线增益。常规相控阵的示例描述于美国专利No.4,845,507，美国专利No.5,283,587和美国专利No.5,457,465。
与实现高方向性无线电波束的其他常见方法诸如反射器天线(抛物线或其他)和基于波导的喇叭天线相比，相控阵提供许多益处。然而，有源相控阵的成本和功耗，即在用于接收和/或发射功能的元件处包含放大器的成本和功耗，与阵列中的有源馈电的数量成比例。因此，大的、高方向性的相控阵消耗相对大量的功率并且制造起来非常昂贵。
相控阵通常要求整个孔径填充有紧密间隔的馈源，以保持使用常规方法时在波束转向范围内的性能。需要密集地装填馈源(在最高操作频率下间隔大约一半波长)以保持孔径效率并消除栅瓣。除辐射元件和电路的带宽限制之外，宽带相控阵还受到元件间隔、孔径填充分数要求以及用于相位或时间偏移控制的电路类型的约束。
例如，需要将其波束从正常或视轴阵列转向约70度所需的近似方形的65cm14.5GHz Ku波段相控阵需要超过4000个元件，每个元件具有独立的发射(Tx)-和/或接收(Rx)模块、相位移位器或时间延迟电路，以及附加电路。每当终端操作时，所有元件都必须通电，这引入了大量的稳态DC电流要求。
必须启用有源相控阵中的每个元件或馈电以使阵列操作，从而导致高耗用功率，例如，对于4000元件阵列，耗用功率为800W或更高，这取决于有源模块的效率。无法在不显著影响阵列性能的情况下禁用某些元件以降低功耗。
已经开发了各种技术来支持稀疏阵列，其中元件间隔可以与几个波长一样大。具有大元件间隔的周期性阵列产生栅瓣，但是适当地选择元件的随机位置会破坏周期性并且可以减小栅瓣。然而，这些阵列的使用受到限制，因为元件的稀疏性质导致孔径效率降低，从而需要比通常期望的更大的阵列占用面积。参见Gregory，MD，Namin，FA和Werner，D.H，2013年。“Exploiting rotational symmetry for the design of ultra-widebandplanar phased array layouts(利用旋转对称性设计超宽带平面相控阵布局)。”IEEETransactions on Antennas and Propagation，61(1)，pp.176-184，通过引用并入本文。
限制栅瓣效应的另一种方法是使用高方向性阵列元件，因为总阵列图案是阵列因子(即各向同性元件阵列的图案)和元件增益图案的乘积。如果元件图案非常有方向性，则该产品会抑制主波束区域外的大多数栅瓣。示例是甚大阵(Very Large Array)(VLA)。VLA由许多大型万向节反射器天线组成，从而形成非常稀疏的高度方向性元件阵列(反射器)，每个元件具有一个窄元件笔形波束，它可以显著减小来自阵列的总辐射图案中旁瓣的大小。参见P.J.Napier，A.R.Thompson和R.D.Ekers，“(The very large array:Design andperformance of a modern synthesis radio telescope)甚大阵：现代合成无线电望远镜的设计和性能)。”IEEE会议记录，第71卷，第11号，pp.1295-1320，1983年11月；以及www.vla.nrao.edu/，通过引用并入本文。
发明内容
本发明提供了一系列相控阵天线，与常规的相控阵相比，所述一系列相控阵天线由相对少量的元件和组件构成。该阵列使用相对少量的辐射元件，每个辐射元件是相对电大的例如5个波长的GRadient INdex(GRIN)透镜，特别优化的，其中在其聚焦区域中具有至少一个或多个馈电元件。每个阵列元件包括GRIN透镜和在每个透镜的聚焦区域中的一个或多个馈电元件。透镜-馈电组可以具有一个或多个波束，其元件图案方向可以改变或被控制以跨越期望的波束控制范围或能视场。在一个馈源或馈源簇被激励以作为单个有效馈源进行操作的情况下，馈源或簇的位置可以相对于透镜的焦点物理地移动以实现波束转向。在没有移动部件的波束转向的情况下，可以在每个透镜的聚焦区域中放置一组多个馈电，并且有源馈源或馈源簇的选择(例如，通过切换)产生被引导到特定波束方向的元件波束。GRIN透镜的具体结构可以以合适的方式优化，诸如根据于2016年12月22日提交的申请人的共同未决的美国临时申请No.62/438,181中公开的发明，其全部内容在此通过引用并入。
在一个实施例中，通过在每个透镜的聚焦区域中具有多个馈源并选择有源馈电来使元件波束转向，阵列将使一个或多个波束在指定的角度范围或能视场上转向而没有移动部件。在另一个高度简化的实施例中，还可以通过物理地移动对应透镜的聚焦区域中的每个馈电元件来实现具有最小部件数量的阵列。在该简化的实施例中，整个阵列上的一组馈电元件可以一起移动，使得仅需要两个联接在所有透镜上的致动器，或者每个透镜具有独立的致动器以改进控制。整个阵列图案由天线电路和/或天线处理设备获得，天线电路和/或天线处理设备可以将每个透镜处的对应有源馈电元件与相位/时间延迟电路和有源或无源公司馈电网络组合。
阵列的波束扫描性能被控制在两个级别：粗略波束指向和精细波束指向。通过选择被激励的特定馈源或小馈源簇充当每个透镜的聚焦区域中的单个馈源(或馈源位置)来获得每个透镜的粗略波束指向。透镜和馈源组合产生方向性但相对宽的波束，其波长与透镜尺寸一致，并且在取决于来自透镜标称焦点的馈源的位移的方向上。通过将阵列的每个透镜中的对应馈电元件与适当的相移或时间延迟相结合，获得由于整个阵列孔径尺寸引起的波束指向和高方向性的精细控制。用于全电子束转向的每个透镜的聚焦区域中的馈源组仅占据与每个透镜相关联的区域的小部分，使得馈源和组件的数量与常规相控阵相比低得多。此外，很明显，由于功率仅需要应用于有源馈源，因此该阵列的功耗基本上小于常规相控阵的功耗，常规相控阵必须为其所有元件提供功率。与具有相同孔径尺寸的常规相控阵相比，这种专门的相控阵设计大大减少了总元件数、成本和功耗，同时保持了相当的技术性能。
此外，每个透镜及其多个馈电元件可以简单地通过用独立的RF信号启用和激励每个透镜中的单独的馈电元件来形成多个波束。因此，该技术可以与相关联的电子设备一起用于波束指向控制，以及与具有接收和发射子***的硬件和软件接口一起使用，从而允许与一个或多个卫星或其他远程通信节点同时进行单向或双向通信。与常规相控阵相比，多波束能力以及减少的部件数量和更低的功耗在期望与多于一个的卫星通信的应用中特别有价值，或者例如，当非对地静止卫星经过终端时能够实现与非对地静止卫星的“先接后断”连接。
通过使元件图案具有方向性并且能够在宽角度范围内转向而提供的相对少量的组件和灵活性提供了显著的成本节约。单独扫描天线元件(例如，透镜)允许宽的能视场，并且即使由于大元件间隔而存在栅瓣，但通过优化元件位置和取向以及波束方向和元件的方向性所提供的自由度允许最小化阵列的(一个或多个)辐射图案中的栅瓣的大小。
透镜阵列不是稀疏阵列，因为透镜填充阵列的孔径区域。每个透镜的相位中心可以略微偏移，除由可转向元件图案提供的减小之外，这还因此破坏了整个阵列的周期性并减小了栅瓣，同时对效率的影响相对低。
新的相控阵天线***具有电大、高增益天线元件阵列，每个元件包括微波透镜，该微波透镜可以是在其聚焦区域中具有一个或多个馈源的梯度折射率(GRIN)透镜。每个透镜和馈源子***可以形成多个独立的元件图案，其波束根据来自标称透镜焦点的馈源的位移而转向。此外，通过组合和定相多个这种透镜和馈源子***的对应端口，形成具有精细控制的波束方向的高增益波束。以这种方式，通过首先使元件图案转向以进行粗略指向(经由透镜组电路)来扫描天线波束，然后使用到每个馈源的相对相位或时间延迟精细指向阵列波束(经由天线电路)。天线电路可以使用数字波束形成技术，其中使用数字信号处理器、模数转换和数模转换处理往返于每个馈源的信号。电大元件孔径被成形并平铺以填充整个阵列孔径，从而获得高孔径效率和增益。此外，阵列不需要是平面的，但是透镜/馈源子***可以布置在弯曲表面上以与期望的形状诸如飞机共形。与常规的相控阵相比，扫描高方向性元件需要更少的有源元件，从而产生大量成本和功率节省。此外，可以放置透镜阵列以形成任意形状因子的阵列，诸如对称或细长阵列。
此外，每个透镜可以通过激活适当的馈电元件来同时形成多个波束。这些馈电元件可以与它们自己的定相或时间延迟网络组合，或甚至与数字波束形成电路组合，以形成来自整个阵列的多个高增益波束。由透镜和馈源组合提供的额外自由度所固有的设计灵活性以及透镜方向和位置允许栅瓣抑制以及宽视场。天线***可以是通信终端的一部分，该通信终端包括采集和跟踪子***，采集和跟踪子***产生覆盖诸如卫星通信(Satcom)移动(SOTM)、5G、宽带点-点或点-多点和其他地面或卫星通信***的宽视场的单个或多个波束。具有这种透镜的天线设计自然地支持多个同时独立可转向的波束。这些同时波束可用于许多应用，诸如：用于监视的传感器；接收多个发射源；多个发射波束；与非对地静止例如低地球轨道(LEO)或中地球轨道(MEO)卫星星座的“先接后断”链路；以及用于在不产生常规多波束相控阵的高成本的情况下减少干扰的空位置。此外，相控阵天线***可以用在航天器上，以用于单波束或多波束或成形波束卫星应用。
当结合附图参考以下描述时，本发明的这些和其他目的以及其许多预期优点将变得更加显而易见。
除相控阵化身之外，MIMO(多输入多输出)通信***还可以利用由聚光透镜和相关联的电路提供的能力。尽管与传统的相控阵相比，MIMO的信号处理不同，但是两者都可以利用转向波束来增强信号强度并改善在嘈杂或充满干扰的环境中的通信。
附图说明
图1是具有电气大型多波束元件的多波束相控阵的剖面透视图。
图2是中等增益透镜和馈电元件的侧视图，该馈电元件通过馈源选择来扫描它们的辐射图案以进行粗略图案控制；
图3是透镜馈电元件的多波束阵列的方框图，该透镜馈电元件被定相以在与所选择的天线元件成所需的扫描角度下形成多个波束；
图4是具有单波束和切换馈源选择的透镜阵列的方框图；
图5是用于栅瓣控制的扰动元件相位中心的顶视图；
图6(a)是通过机械地移动每个透镜内的单个馈电元件的位置来简化波束转向的侧视图；
图6(b)是图6(a)的简化波束转向的顶视图；
图7是用于双线性偏振透镜馈电的发射-接收电路的功能框图；
图8是用于双圆偏振透镜馈电的发射-接收电路的框图；
图9(a)是用于透镜馈电的仅接收电路的框图；
图9(b)是用于透镜馈电的仅发射电路的框图；
图10是用于选择馈电的开关电路的功能框图；
图11是用于数字波束处理的数字域中的电路实现的功能框图；
图12是卫星通信终端的***图；以及
图13是无线点对多点地面终端的图。
具体实施方式
在描述附图中所示的本发明的说明性、非限制性优选实施例时，为清楚起见，将采用特定术语。然而，本发明并非旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同物。出于说明性目的描述了本发明的若干优选实施例，应当理解，本发明可以以未在附图中具体示出的其他形式实施。
转到附图，图1示出透镜阵列100。透镜阵列100具有多个透镜组110。每个透镜组110包括透镜112、间隔物114和具有多个馈电元件152的馈电组150，如出于说明的目的由一个分解透镜组110所示。间隔物114将透镜112与馈电组150分开，以匹配透镜的适当焦距。间隔物114可以由具有低电介质常数的电介质泡沫制成。在其他示例中，间隔物114包括支撑结构，该支撑结构在透镜112和馈电组150之间产生间隙，诸如气隙。在另外的示例中，透镜组110不包括间隔物114。馈电元件152可以被构造为平面微带天线，诸如单个或多层贴片、槽或偶极子，或者作为波导或孔径天线。虽然被描绘为在多层印刷电路板(PCB)上的矩形贴片，但是馈电元件152可以具有替代配置(尺寸和/或形状)。
在每个透镜组内形成馈电组150的基座的PCB还包括信号处理和控制电路(“透镜组电路”)。馈电元件152在整个馈电组150中可以相同，或者馈电组150内的各个馈源152可以独立地设计，以基于它们在透镜112下方的位置来优化它们的性能。馈电元件152在馈电组150内的物理布置可以在六边形或直线网格上是均匀的，或者可以是不均匀的，诸如在圆形或其他网格上，以优化整个透镜阵列100的成本和辐射效率。馈电元件152本身可以是任何合适类型的馈电元件。例如，馈电元件152可以对应于印刷电路“贴片型”元件、充气或电介质负载喇叭或开放式波导、偶极子、紧耦合偶极子阵列(TCDA)(参见Vo，Henry“DEVELOPMENT OF AN ULTRA-WIDEBAND LOW-PROFILE WIDE SCAN ANGLE PHASED ARRAYANTENNA(超宽带低轮廓的宽扫描角相阵天线的开发)”论文，俄亥俄州立大学，2015)、全息孔径天线(参见M.ElSherbiny，AE Fathy，A.Rosen，G。Ayers，SM Perlow，“全息天线概念，分析和参数(Holographic antenna concept,analysis,and parameters)”，IEEETransactions on Antennas and Propagation，第3期第52卷，pp.830-839，2004)、其他波长标度天线，或其组合。在一些实施例中，每个馈电元件152都具有定向的非半球形嵌入辐射图案。
由透镜阵列100接收的信号通过相应的透镜112进入每个透镜组110，相应的透镜112将信号聚焦在用于该透镜组110的馈电组150的一个或多个馈电元件152上。然后将入射到馈电元件上的信号传递到信号处理电路(透镜组电路，接着是天线电路)，这将在下面描述。同样地，由透镜阵列100发射的信号通过相应的透镜112从特定馈电组150发射出去。
在透镜阵列100中使用的电气组件和射频组件(例如，放大器、晶体管、滤波器、开关等)的数量与馈电组150中的馈电元件152的总数成比例。例如。在每个馈电组150中，每个馈电元件152可以有一个组件。然而，每个馈电元件152可以有多于一个的组件，或者每个组件可以有多个馈电元件152。
如图所示，每个透镜组110具有六边形形状，并且在每侧处紧邻相邻透镜组110以形成六边形拼接。紧邻的透镜112可沿其边缘接触。由于透镜馈电光学器件，馈电组150的面积小于透镜112，并且可以与透镜112具有基本相同的形状或不同的形状。虽然在本文描述为六边形，但是透镜可以具有其他形状，诸如允许平铺整个阵列孔径的正方形或矩形。馈电组150彼此可以不接触，因此可以避免短路或以其他方式彼此电子干扰。由于在每个透镜处形成的元件波束的光学性质，产生扫描元件波束的馈电位移总是基本上小于从透镜中心到其边缘的焦平面中的距离。因此，“填充”所需扫描范围或能视域所需的馈电次数小于必须具有由馈电元件完全填充的总孔径区域的阵列。
在透镜阵列100的一些实施方式中，馈电组150填充每个透镜112的面积的大约25％。透镜阵列100保持类似的孔径效率并且具有类似于常规的半波长元件的相控阵的总面积，但具有明显更少的元件。在这样的实施方式中，透镜阵列100可包括常规相控阵的大约仅25％的馈电元件数量，在常规相控阵中，馈电组150填充透镜阵列100的100％的面积。由于透镜阵列100中使用的电气组件和射频组件的数量与馈电组150中的馈电元件152的总数成比例，所以馈电元件152的数量的减少也按相同的比例减少了相应的信号处理电路组件(放大器、晶体管、滤波器、开关等)的数量和复杂性。此外，由于每个透镜中仅需要为所选择的馈源供电，因此与常规的相控阵相比，总功耗显著降低。
如图所示，透镜阵列100可以位于具有基座202和覆盖件或天线罩204的壳体200中，覆盖件或天线罩204完全包围透镜组110、馈电组150和其他电子部件。在一些实施方式中，覆盖件204包括用于信号线或馈源的进入开口。壳体200相对薄并且可以形成透镜阵列100的顶表面206。顶表面206可以是基本平坦的或略微弯曲的。透镜组110也可以位于基板或基层上，诸如印刷电路板(PCB)，其具有与馈电组150的馈电元件152传递信号的电气馈源或触点。透镜组110可以布置在同一平面上，在不同高度处偏移，或者在非平面表面上共形地平铺。
图2示出具有带有多个馈电元件152的透镜112的透镜组110。为清楚起见，在此仅示出两个馈电元件152a、152b，但是典型的馈电簇可以具有例如19个、37个或更多个独立馈源。每个馈电元件152通过透镜112以特定角度产生相对宽的波束，这取决于馈电元件相对于透镜112的标称焦点的位移。在图2所示的示例中，第一馈电元件152a与透镜112的焦点直接对准，并产生基本垂直于透镜112或壳体顶表面206的波束1，并且第二馈电元件152b偏离透镜112的焦点并产生相对于透镜112法线或壳体顶表面206成一定角度的波束2。因此，选择性地激活馈电元件152a、152b中的一个使得透镜组110能够在期望的方向上产生辐射图案(即，通过馈源选择进行波束扫描)。因此，透镜组110可以在宽角度范围内操作。
图3示出具有带有多个透镜组110和馈电组150的透镜阵列的简化相控阵。每个透镜组110a、110b具有与相应的馈电组150a、150b对准的透镜112a、112b，每个馈电组150a、150b具有多个馈电元件152a、152b。每个馈电元件152包括天线302和连接到天线302的感测设备304，诸如读取器或检测器。感测设备304连接到移位器306(时间和/或相位)，移位器306连接到加法器/除法器。移位器306提供适合于相关联的馈电元件152的所需时间和/或相移。每个加法器/除法器308连接到馈电组150中的每个中的相应一个馈电元件152。即，每个透镜112的对应馈电元件152在定相或时间延迟网络中组合(或分开)。因此，第一加法器/除法器308a连接到第一馈电组150a的第一馈电元件152a1和第二馈电组150b的第一馈电元件152b1，第二加法器/除法器308b连接到第一馈电组150a的第二馈电元件152a2和第二馈电组150b的第二馈电元件152b2。每个信号在被加法器/除法器308求和或相除之前或之后通过移位器306。每个加法器/除法器电路308可(例如，通过移位器306)直接连接到每个馈电组150内的特定馈电元件152，或者可以通过开关矩阵连接，以允许从每个透镜组110动态选择特定的所需馈源152。
包括在每个馈电元件152中的感测设备304内的电路可以包括放大器、偏振控制电路、双工器或时分双工开关，以及其他组件。此外，感测设备304可以实现为分立组件或集成电路。此外，感测设备304可以包括上变频器和下变频器，使得信号处理可以在中频或甚至在基带处进行。虽然在此仅针对每个波束示出单个定相网络以防止附图过于混乱，但是应当理解，对于每个波束，可以采用发射定相网络和接收定相网络。对于一些频带，例如Ku频带，可以采用单个时间延迟网络，该网络将用于对发射和接收波束两者进行定相，使它们在整个发射和接收频带上保持在角度空间中重合。这种宽带操作也可超过其他卫星通信频段。该图示出了如何通过具有两个这样的相位网络来形成两个同时波束。从描述中可以明显看出对两个以上同时波束的扩展。
在操作中，由第一透镜112a接收的信号传递到相应的馈电组150a。该信号由用于感测设备304的天线302接收，传至第一馈电组150a的电路，并传递到移位器306。因此，第一馈电元件152a1接收信号并经由其相应的移位器306将信号传递到第一加法器/除法器308a，第二馈电元件152a2接收信号并经由其相应的移位器306将信号传递到第二加法器/除法器308b。第二透镜112b将信号传递到其相应的馈电组150b。第一馈电元件152b1接收信号并经由其相应的移位器306将信号传递到第一加法器/除法器308a，并且第二馈电元件152b2接收信号并经由其相应的移位器306将信号传递到第二加法器308b。
信号也反向发射，信号被加法器/除法器308分频，并经由移位器306和馈电组150a从透镜112传出。更具体地，第一除法器308a经由相应的移位器306将要发射的信号传递到第一馈电组150a和第二馈电组150b的第一馈电元件152a1、152b1。并且第二除法器308b2经由相应的移位器306将信号传递到第一馈电组150a和第二馈电组150b的152b第二馈电元件152a2、152b2。第一馈电组150a的馈电元件152a1、152a2经由第一透镜112a发射信号，第二馈电组150b的馈电元件152b1、152b2经由第二透镜112b发射信号。
因此，第一加法器/除法器308a处理通过每个相应馈电组150的第一馈电元件152接收/发射的所有信号，并且第二加法器/除法器308b处理通过每个相应馈电组150的第二馈电元件152接收/发射的所有信号。因此，第一加法器/除法器308a可用于形成扫描与第一馈电元件152a相关联的角度的波束，第二加法器/除法器308b可用于形成扫描与第二馈电元件152b相关联的角度的波束。
因此，图3示出基于馈电元件相对于透镜组的透镜的位置选择性地激活包括在相控阵的透镜组中的馈电元件或多个馈电元件的示例。因此，可以在没有任何移动部件并且因此不会在透镜和阵列的其他透镜之间引入间隙的情况下调整由透镜组产生的波束。
图4示出如何通过以下方法来使用一个波束定相/时间延迟电路形成单个波束，从而实现整个阵列的高方向性：在每个透镜112处结合一个或多个开关310来选择适当的馈电元件以用于粗略指向，然后对透镜馈源进行定相以用于精细波束指向。开关310耦合在检测器或感测设备304与移位器306之间，移位器306可以是例如时间延迟电路或相移电路。因此，通过第一馈电元件152a1和第二馈电元件152a2接收的信号共享移位器306。开关310选择哪个馈电元件152a1、152a2连接到移位器306，用于接收信号和/或用于发射信号。在本发明的一个示例实施例中，所有开关310可以操作以同时选择馈电组150a、150b中的每个的第一馈电元件152a1、152b1(或第二馈电元件152a2、152b2)，并在第一馈电元件152a1、152b1(或第二馈电元件152a2、152b2)与加法器/除法器308之间传递信号。因此，开关310使得一个加法器/除法器308能够支持多个馈电元件。同时还控制移位器306以为所选择的馈电元件152提供适当的移位。
在图3和图4的示例中，通过透镜组电路选择每个透镜112的聚焦区域中的特定馈电元件152(或馈源位置)来获得每个透镜112的粗略波束指向。透镜和馈源组合产生与透镜波长尺寸一致的相对宽的波束。波束的方向基于馈电元件152从透镜112的标称焦点的位移。通过将每个透镜组110中的对应馈电元件152与适当的相移或时间延迟相结合的天线电路，由于整体阵列孔径尺寸而获得波束指向的精细控制和高方向性。根据本领域公知的用于模拟或数字组件的标准，通过适当设置时间延迟或定相电路来完成整个阵列波束的精细指向。例如，对于数字时间延迟或定相电路，选择适当数量的比特以实现指定的阵列波束指向精度。
因此，图4示出基于馈电元件相对于透镜组的透镜的位置选择性地激活包括在相控阵的透镜组中的馈电元件或多个馈电元件的另一示例。因此，可以在没有任何移动部件并且因此不会在透镜和阵列的其他透镜之间引入间隙以允许透镜运动的情况下调整由透镜组产生的波束。
图5描绘每个透镜组110的相位中心的位置的优化放置，以影响阵列100的对称性/周期性，从而最小化栅瓣。每个透镜112具有几何中心(“质心”)以及相位中心。对于圆柱对称的透镜，尽管相位中心不一定与所有扫描角度的对称轴并置，但是透镜平面中特定距离和角度的对称轴的偏移将对应于相位中心相对于原始配置的相同距离和角度的偏移。以这种方式，通过改变透镜的对称轴相对于透镜质心的位置可以调整透镜的相位中心。相位中心对应于球形远场电磁波看起来发出的位置。可以独立地控制透镜的相位中心和几何中心，并且每个透镜112的相位中心而不是几何中心确定光栅瓣减小的程度。
因此，每个透镜112的相位中心24被来自几何中心20(即，未扰动的相位中心)的透镜对称轴的优化距离ri和旋转角αi扰动，该几何中心20通常已经平铺在均匀的六边形或矩形网格上。透镜对称轴的特定优化放置可以通过任何合适的技术确定，诸如在上面提到的Gregory参考文献中描述的。透镜对称轴的位置确定相位中心。根据Gregory参考文献中的方法，例如，以这种方式少量干扰阵列的周期性会抑制栅瓣。该过程起作用，因为栅瓣通过形成周期性结构形成，该周期性结构称为光栅。通过消除元件之间的周期性，不再有规则的光栅结构，并且不形成栅瓣。透镜的数量、阵列的形状或边界，馈源的数量或透镜下方馈源的位置不会改变这种缓解策略的原理。
图6描绘具有相对低的部件数量的透镜阵列100的型式，其中每个透镜组仅包括每个透镜一个馈电元件152。在图6所示的示例中，每个馈电元件在每个透镜的短焦距范围内机械地移动以实现波束转向。图6(a)描绘透镜阵列100的侧视图，而图6(b)描绘透镜阵列100的俯视图。提供了定位***，其包括馈源支撑件170和一个或多个致动器。馈源支撑件170可以是平板或类似物，其具有与壳体200相同或不同的形状并且小于壳体200，使得其可以在X和Y方向上移动并且/或者在壳体内旋转。透镜组110定位在组合的馈源支撑件170上方，使得馈电组件(即，馈源支撑件170和馈电元件152)可以独立于透镜112移动。在该实施例中，馈源支撑件170不直接连接到透镜间隔物114或透镜112，而是仅与透镜间隔物114或透镜112相邻或接触。安装到馈源支撑件170的一组馈源152相对于透镜移动以实现粗略波束扫描，并且馈源被定相/延时以产生全阵列增益和精细定位。在所示的非限制性实施例中，第一线性致动器172连接到支撑件170以使支撑件170在第一线性方向(例如X方向)上移动，并且第二线性致动器174连接到支撑件170以使支撑件170在第二线性方向上移动，诸如相对于固定透镜的Y方向。可以提供其他致动器以相对于透镜112上/下移动支撑件170(例如，在图6(a)中)，使支撑件170旋转，或使支撑件170倾斜。
可以进一步提供控制器以控制致动器172、174并相对于透镜112将馈电元件152移动到所需位置。尽管支撑件170被示出为单个板，但是它可以是多个板，它们均连接到公共致动器以同时移动或者连接到单独的致动器，使得可以单独控制各个板和透镜组110。因此，图6示出包括在透镜阵列的透镜组中的有源馈电元件相对于透镜组的透镜重新定位而不移动透镜的示例。因此，可以在不移动透镜并且不会在透镜和相控阵的其他透镜之间引入间隙的情况下调整由透镜组产生的波束。
图7示出在相同孔径中用于同时发射(Tx)和接收(Rx)的代表性电路图，包括如Ku波段对地同步的卫星通信应用所需的双线性偏振倾斜角度控制。可以为每个独立的同时波束复制底部的波束定相电路。图7示出透镜组电路内的独立信号路径和用于***的接收和发射操作的单独的移位器306。尽管未示出，但是接收和发射操作还可以具有单独的相关联的加法器/除法器308。在所示的示例中，每个馈电元件152中的检测器或感测设备304包括用于检测器或感测设备304的水平和垂直偏振馈电端口的单独的双工器702和704，以分离高功率发射和低功率接收信号。接收信号在到达移位器306之前从双工器702和704传递到低噪声放大器706、706，偏振倾斜电路710、712，附加放大器714和馈源选择开关716。来自移位器的发射信号在被分别馈入两个双工器702和704之前通过开关716，放大器714，偏振倾斜电路712、710和最终功率放大器708、706。
图8是双圆偏振元件的透镜阵列的代表性电路图，诸如可用于K/Ka频带商用卫星通信频率。图8示出与图7类似的图，除了偏振电路710、712的操作变化之外。K/Ka卫星通信操作需要圆偏振，而不是Ku处的卫星通信操作所需的倾斜线性偏振。与复幅度和相位矢量相加电路710和712以实现具有任意倾斜角的线性偏振信号相比，右手圆偏振或左手圆偏振信号可以通过用于接收的简单开关804和用于控制哪个端口在圆偏振器电路或波导组件中被激发的发射通道的简单开关806实现。该图的其余方面与图7中的相同。本领域技术人员可以理解该电路的变型。例如，使用混合耦合器或合并的波导偏振器和正交模式换能器(OMT)为馈源的两个正交线性偏振分量馈电可以提供同时的双偏振而不是切换的偏振。
图9示出用于仅接收和仅发射应用的代表性透镜组电路。图9(a)示出仅接收天线，而图9(b)示出仅发射天线。接收和发射双工器702和704对于仅接收或仅发射天线不是必需的，因为接收和发射信号不连接到相同的馈电元件并且不需要分离。图9(a)和图9(a)的其余方面保持与图7至图8基本相同。
图10示出通过结合低损耗多端口开关1002以选择适当的馈电元件来进一步简化和减少部件数量。低损耗多端口开关的使用允许多个馈电元件共享一组功率放大器、低噪声放大器、相位移位器和其他馈电电路。以这种方式，减少了所需电路组件的数量，同时在透镜后面保持相同数量的馈电元件。较大的开关矩阵允许更多的馈电元件共享相同的馈电电路，但也增加了***的***损耗，增加了接收机噪声温度，并降低了终端性能。附加的开关(通常(但不一定)为二对一开关)电平引起的附加损耗之间的平衡必须与当其被省略时所需的附加接收和发射电路的成本和电路面积相平衡。
图11描绘简化的数字波束成形(DBF)布置。检测器或感测设备304连接到下变频器1102。模数转换器(ADC)1110连接到下变频器1102。检测器或感测设备304将经由天线302接收的信号发射到下变频器1102，下变频器1102对信号进行下转换。下变频器1102将下变频的接收信号发射到ADC 1106。ADC 1106将接收的信号数字化并在数字域中形成波束，从而避免需要模拟RF相位或时间延迟设备(即，不需要提供图2至图3的移位器306)。然后将数字化信号发射到接收数字处理器1110以处理信号。
提供对应的过程以在阵列上发射信号。发射数字处理器1112将要发射的信号发送到数模转换器(DAC)1108。DAC 1108将低频(或可能是基带)比特转换为模拟中频(IF)并连接到混频器1104。混频器1104将来自DAC 1108的信号上变频为RF，放大该信号以进行发射，并以适当的(例如，由发射数字处理器1112选择的)相位将信号在所需的方向上发送到馈电元件以形成波束。可以采用本领域技术人员显而易见的许多变型，同时保持本发明的独特特征。
图12是子***的简化功能集合，子***允许将透镜阵列天线结合在用于移动中的卫星通信或用于跟踪非对地静止卫星的全功能跟踪终端中。在此，***1200包括处理设备1202诸如中央处理单元(CPU)、信标或跟踪接收器1206、射频(RF)子***1204、频率转换和调制解调器接口1208、电源子***1210、外部电源接口1212、用户界面1214和其他子***1216。RF子***1204阵列可包括如本文所述的图1至图11的阵列和馈电电路中的任一个。处理设备1202、信标或跟踪接收器1206、调制解调器接口1208、电源子***1210、外部电源接口1212、用户界面1214和其他子***1216使用与RF子***1204类似的接口和连接(如RF子***的其他实施方式所使用的)在任何标准卫星通信终端中实现，诸如万向反射器天线或常规的相控阵天线。如图所示，所有组件1202-1214可以直接或通过处理设备1202彼此通信。图12示出可以集成如本文所述的多波束相控阵天线***的环境。
图13展示在陆地环境中的多个基于透镜的天线终端的使用。基于动态、实时条件和通信需求，终端可以重新指向其波束以与多个目标建立同时通信，以形成网状或自愈网络。在这样的网络中，位于位置1302、1304和1306上的多个天线终端100a-100c(可以是建筑物、塔、山或其他安装位置)可以响应于通信请求或改变环境条件动态地在它们自身之间建立点对点高方向性通信链路1310、1312和1314(显示为宽双向箭头)。例如，如果天线100a和100b通过链路1310进行通信，但是链路被中断，则通信路径可以使用天线100-b和100-c来使用链路1312和1314进行重组。这允许在网状网络中使用高度方向性天线，与由常规全方向性元件组成的网状网络相比，这将改善信噪比、功率水平、通信范围、功耗、数据吞吐量和通信安全性。
本发明的优点
嵌入元件辐射图案是在相控阵的其他元件存在下由相控阵中的单个元件产生的辐射图案。由于元件之间的相互作用(例如，互耦)，该嵌入的辐射图案不同于元件被隔离或独立于其他元件时所具有的图案。给定相控阵的一个或多个元件的(一个或多个)嵌入辐射元件图案，可以计算整个阵列的辐射图案(例如，使用图案乘法)。在典型的相控阵中，元件图案具有固定的波束方向。根据本公开的相控阵包括可具有可转向的辐射图案的元件(例如，透镜、孔径天线)。
透镜阵列100包括与常规相控阵中使用的半波元件相比电大的元件，并且以使得每个元件的辐射图案可以被转向以在期望的波束扫描方向上宽泛地指向的方式实现。透镜阵列100的每个透镜112(例如，阵列元件)的嵌入元件辐射图案和波束方向由对应的有源馈电元件152相对于透镜112的焦点的位置确定。因此，阵列100具有柔性辐射图案。
可以在阵列100中使用任何类型的透镜，诸如均匀电介质透镜、非均匀梯度折射率电介质透镜、由超材料或人造电介质结构组成的透镜、使用一层或多层超表面或衍射光栅构造的基本上平坦的透镜、平面透镜诸如菲涅耳透镜、由超材料和常规电介质的组合构成的混合透镜，或用作透镜以将RF能量准直或聚焦到焦点或轨迹的任何其他透射设备。在一些实施例中，在没有移动部件的情况下，使用通过改变被激励的馈源152进行扫描的多个独立激励馈源152的簇来实现有源馈电元件152的位置的移动，如上面参考图3和图4所解释的。另选地，通过在每个透镜112后面仅具有单个馈源152以及致动器172和/或174使元件152相对于透镜112移动，从而改变元件图案的波束方向，可以实现相同的效果，如上面参考图6所解释的。每个透镜112可具有一对独立的致动器172、174，或者一对致动器可以将所有透镜的馈源移动到一起。
因此，使用相对电大的透镜作为相控阵的元件使得相控阵能够具有可调谐或可扫描的元件图案。此外，使用透镜作为相控阵的元件使得整个阵列孔径可以被辐射子孔径(例如，透镜)覆盖。这可以增加阵列天线的孔径效率和增益。
使用具有可转向波束的透镜作为相控阵的元件的另一个益处是，与常规的相控阵相比，包括透镜作为元件的相控阵可以包括更少的电气组件和RF组件。在说明性示例中，相控透镜阵列100包括19个透镜组110(即，元件)，每个透镜组具有13cm的直径并且以六边形平铺图案布置以有效地填充整体孔径，该孔径在性能上大致相当于65cm直径的相控阵。每个透镜112后面的区域可以仅由馈电元件152部分地覆盖或填充，而在常规的相控阵中，相控阵的孔径的整个表面可以覆盖有馈电元件。此外，馈电元件152可以不比常规的相控阵(例如，半波)更密集地封装。因此，与常规的相控阵相比，透镜组110的相控阵可包括更少的馈电元件。由于常规的或基于透镜的相控阵中的每个馈电元件包括相关联的电路(例如，检测器或感测设备304)，因此减少馈电元件的数量可以减少相控透镜阵列100中包括的电路的数量。此外，因为一次每个透镜112仅一个馈电元件152激活以产生波束，所以透镜阵列100的一些实施例允许电路诸如移位器306由多个馈电元件152共享，如参考图4所述。因此，透镜阵列100可包括进一步减少数量的电路。在示例中，4000个元件的常规相控阵中所需的4000个移位器在优选实施例中可以减少到少至19个移位器306(即，每个透镜112一个)。因此，与具有典型半波馈电元件的常规相控阵相比，该示例中的相控透镜阵列100可具有更少的电气组件和RF组件。
此外，与常规的相控阵相比，透镜阵列100可以消耗更少的功率。在说明性示例中，透镜阵列100以40W(46dBm)的发射RF功率操作。总发射功率分布在透镜阵列100的透镜模块或透镜组110(即，相控阵的元件)上，其中在透镜模块或透镜组110中的每个中，单个馈电元件152被激活以产生单个波束。如上所述，透镜阵列100的一个实施例包括19个透镜模块或透镜组110。因此，每个馈电元件152必须处理总功率40W的约1/19(即，略大于2W或者33dBm)。透镜组110中的每个中的未使用的馈电元件152可以关闭，并且不需要为接收或发射电路耗散任何静态DC功率。因此，与其中激活每个馈电元件的常规相控阵相比，透镜阵列100可以消耗更少的功率。在透镜阵列100的示例中，透镜组110的每个在透镜112后面包括20个到60个独立的馈电元件152。可以预期透镜阵列100的仅接收实施方式消耗相当的常规仅接收相控阵孔径的DC功率的不到10％。
用于透镜阵列100的波束形成***可包括馈电元件152、开关1002和716、移位器306、求和/除法器308、处理设备1202或其组合。为在期望的方向上产生波束，处理设备1202为每个透镜组110选择有源馈电元件的位置，并为每个透镜组110计算适当的相位或时间延迟。时间/相位延迟和功率组合/分割可以在RF、IF或基带的上变频/下变频步骤之前或之后执行。处理设备1202通过发送控制信号以激活透镜组110中的每个的馈电元件152中的一个，或者通过发送控制信号以使用一个或多个致动器172、174调整馈电元件152的位置来设置有源馈电元件的位置。处理设备1202还将一个或多个控制信号发送到开关1002、716，移位器306，求和/除法器308或其组合中的一个或多个，以为每个透镜组110设置时间/相位延迟和功率组合/分割。
虽然GRIN透镜为许多应用的优选实施例，但透镜112不需要是GRIN。例如，在处理有限的能视域或有限带宽的应用中，较小的均匀透镜可足够。而且，在某些情况下，由超表面或人造电介质组成的超材料透镜或平面透镜可以是最佳的。通常，根据应用序列号62/438,181的优化方法设计的非均匀透镜将在任何给定的波束转向或扫描范围内提供更好的辐射图案(特别是当扫描角度增加超过45度时)，并且焦距比均匀透镜短，并且将提供比超材料或基于超表面的透镜好的宽带频率响应。
卫星通信天线必须限制其旁瓣功率谱密度(PSD)包络以满足联邦通信委员会(FCC)和国际电信联盟(ITU)标准。这需要小心控制旁瓣。然而，对于具有如本文所述的电大透镜组110的透镜阵列，当来自所有透镜组110的旁瓣能量在不期望的方向上相长干涉时，产生栅瓣。然而，透镜组110的辐射图案的高方向性可以减少许多光栅波瓣的影响，因为与常规阵列的响应不同，透镜辐射图案的方向性(乘以阵列因子)迅速下降。
通常，使用高方向性阵列元件(例如，透镜)来减轻栅瓣的影响将导致阵列辐射图案的角宽度内的非常窄的扫描范围。然而，允许透镜组110自身在期望的视场上扫描它们的嵌入元件图案保留了原始天线的扫描性能和辐射图案轮廓两者。通过扰动相位中心的位置以破坏透镜组110的规则网格的对称性，可以获得栅瓣的附加减轻，如参考图5所述。
在两维或三维中破坏透镜组110位置的对称性(周期性)降低了能量将在任何方向上相长干涉的程度。此外，透镜组110的相位中心的位置可以布置在非均匀的非周期性栅格上，以最小化栅瓣的影响。在一维、二维或三维中的相位中心的物理位置被随机化和/或最优化以最小化栅瓣并改善辐射图案。作为终端设计过程的一部分，相位中心可以由随机优化器以任意或伪有序的方式选择。透镜组110被构造成使得它们的物理中心和相位中心(通常与透镜内的对称轴重合)在空间上分离，其中透镜组110中的每个透镜可以在相位和物理中心之间具有不同的偏移，如参考图5所述。
优化方法的许多变型可以应用于栅瓣的减少。作为示例，当在周期性平铺的相控透镜阵列100的适当位置中时，每个透镜112的对称轴相对于透镜组110的几何中心的(x，y)位置在具有可变偏移的六边形或矩形网格中被编码为常数。对于笛卡尔坐标、圆柱坐标或一些其他方便的坐标系，偏移可以被编码为两个变量。随机优化算法(诸如遗传算法、粒子群或协方差矩阵自适应进化策略等)用于选择每个透镜112元件的相位中心的特定参数化偏移，如由每个透镜112元件的对称轴所控制的，其中随机优化算法与用于从嵌入透镜辐射图案和透镜组110位置的组合预测阵列因子和产生阵列图案的软件程序耦合。对称轴位置以及相位中心位置在制造阵列时是固定的，并且在操作期间不变化。对称轴与透镜的几何中心的小偏移仅引入相邻透镜组110之间的粗略波束指向角的小差异(其可通过透镜组下方的馈源阵列150的位置的对应小变化来校正)，并且可以在相邻的透镜组110之间选择相同的馈源152，以将粗略波束指向整个阵列的所需方向。在所有这些情况下，透镜组110占据的空间不会改变，但是它们的对称轴的位置确实改变以控制相位中心。如本文所述，透镜阵列100可使透镜112的相位中心偏移而不改变透镜组110的几何中心(质心)或在透镜阵列100的孔径中引入间隙(例如，使用致动器172、174)。
优化器可以仅通过阵列因子使栅瓣最小化，或者可以将嵌入元件(例如，透镜组)辐射图案应用于阵列因子并直接优化辐射图案旁瓣。考虑到阵列模式直接需要更复杂的多目标优化策略，混合方法涉及构建阵列因子必须满足的最坏情况掩模，以保证旁瓣将满足所有角度和频率下的调节掩模。
透镜112的尺寸是成本与性能和复杂性的权衡。增加单个透镜112的尺寸减少了相控阵中的元件数量，从而使电路简化，但也增加了透镜组110-透镜组110的分离距离，栅瓣大小的问题以及每个馈电元件152的成本和复杂性。减小单个元件的尺寸增加了透镜组110的数量，但减小了栅瓣，以及每个馈电元件152和透镜组110的成本和复杂性。
如果与将填充该区域并产生类似的天线终端性能的常规相控阵元件的成本相比，对于给定孔径尺寸，元件具有低得多的成本，则使用具有单独电扫描图案的电大相控阵元件(例如，透镜组)可以是值得的。对于开关馈电扫描透镜天线，透镜本身的成本相对小，并且阵列天线的成本可与馈电元件及其电路的数量成比例。
在相控透镜阵列100的一些示例中，在每个透镜组110中仅透镜112后面的一小部分区域(25％-50％)安装有馈电元件152，并且馈电元件152可以分开超过一半的波长。出于这个原因，当考虑到可以由透镜组110覆盖的给定孔径区域时，与包括相对更多的馈电元件的等效相控阵相比，透镜组110的成本可以小得多。
给定透镜112后面的每个馈电元件152与一组特定电路相关联，这取决于整个阵列的应用。最简单的情况是仅接收或仅发射单偏振电路。用于Ku频带倾斜的水平/垂直偏振卫星通信的可控偏振电路或用于K/Ka卫星通信的圆偏振器以及双偏振馈电元件152可用于支持移动操作或与偏振无关的操作。
单个终端中的组合的接收/发射操作可以使用用于时分双工的有源发射/接收开关来执行，或者通过使用用于频分双工操作的双工器电路元件来执行，如参考图7、图8和图10所述。双工器元件增加了每个元件的成本和复杂性，但是仅使用单个组合的接收/发射孔径而不是两个单独的孔径具有显著的优点。
如参考图4所述，透镜阵列100可以在每个透镜组110中包括用于每个支持的同时波束的单个移位器306，而不是如常规相控阵中所需的每个馈电元件152一个移位器。在低损耗多端口开关1002对应于低损耗N：1开关的一些示例中，在每个透镜组110中包括单个检测器或感测设备304，并且使用低损耗多端口开关1002在透镜112后面的所有馈电元件152的组之间切换电力。在可接受的开关损耗和每个透镜的检测器或感测设备304的数量之间存在折衷，以最大化性能同时最小化成本。开关电路1002和检测器或感测设备304的性能、可用性和相对成本决定了针对给定应用切换到单个检测器或感测设备304中的适当数量的馈电元件。
由于透镜阵列100中的透镜组110的相对大的元件间距和相对少量的透镜组110，因此与标准相控阵相比，移位器306可具有相对高的离散度。例如，移位器306可以对应于8位或更高位数的时间延迟单元，而不是典型的常规相控阵的4位或6位时间延迟单元。然而，由于相控透镜阵列100中的透镜组110和相关联的移位器/时间延迟单元306的数量相对少，所以移位器306的附加减少可不代表显著的成本。
与其他大元件相控阵诸如纳皮尔(Napier)的甚大阵(27个万向节反射器天线，每个天线直径为25m)相比，本文提出的透镜组110的透镜阵列100可以在能视域内的几乎任意方向上支持同时的多个波束。这通过激励每个透镜112后面的两个或更多个单独的馈电元件152来实现，其中每个透镜组110具有独立的输入信号和时间偏移。由于单个透镜112的每个馈电元件152将辐射独立的波束，所以透镜组110的阵列可以产生独立的高方向性波束。
与常规的相控阵相比，本文的透镜112的阵列100可以支持具有最少增加电路的多个波束，而常规(模拟)相控阵将为每个波束复制整个馈电网络。由于仅激活一个馈电元件152和一个相位移位器306以产生单个波束，因此可以通过向每个透镜组110添加一层附加开关和一个附加相位移位器306来包括两个独立波束。
透镜阵列100被描述为用于卫星通信的接地终端，并且可以用于固定和移动接地终端。在这种通信模式中，潜在的安装和应用可包括学校，家庭，企业或非政府组织，私人或公共无人机，无人驾驶***(UAS)，军用、民用、客运或货运飞机，乘客、朋友、休闲或其他海上交通工具以及地面车辆诸如公共汽车、火车和汽车等。所述透镜阵列100还可以作为用于多点波束和/或成形波束的卫星上的天线应用于卫星通信***的空间部分，用于动态可重新配置的点-点地面微波链路，蜂窝基站(诸如5G)，以及需要或受益于动态多波束成形的任何其他应用。
透镜阵列天线端子可用于固定或移动应用，其中角视场需要在相对宽的空间角度上形成波束或多个波束。例如，对于飞机顶部的卫星通信终端，期望角度范围至少超过60度并且甚至70度或更多以确保天线可在相对于飞机的各个轨道位置处与对地静止卫星通信。对于非对地静止卫星***，一个或多个波束必须能够在卫星通过头顶时跟踪卫星，无论终端是静止(例如在建筑物顶部上或塔上)还是移动(例如在车辆上)。在这两种情况下，角度范围取决于卫星的数量和位置以及从终端到卫星的最小可接受仰角。因此，天线***通常必须具有宽的能视域或波束转向角范围。
还应注意，本说明书使用若干几何或关系术语，诸如薄、六边形、半球形和正交。另外，本说明书使用若干方向或定位术语等，诸如在下面。这些术语仅仅是为了方便以便于基于附图中所示的实施例进行描述。这些术语并非旨在限制本发明。因此，应该认识到，可以在没有那些几何、关系、方向或定位术语的情况下以其他方式描述本发明。另外，由于例如制造中允许的公差等，几何或关系术语可不精确。并且，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以提供其他合适的几何形状和关系。
如所描述和所示的，本发明的***和方法包括由一个或多个电路和/或处理设备(包括CPU 1202和处理器1110、1112)进行的操作。例如，***可以包括透镜组电路和/或处理设备150以调整透镜组的嵌入辐射图案，例如包括感测设备304和相关联的控制电路的组件；以及调整天线辐射图案的天线电路和/或处理设备，其可以采用波束形成电路和/或处理设备诸如306和308，或其数字替代方案的形式，如1102、1104、1106、1108、1110和1112所示，并且天线电路可以包括附加组件诸如1202、1206和1208。应当注意，处理设备可以是任何合适的设备，诸如芯片、计算机、服务器、主机、处理器、微处理器、PC、平板电脑、智能手机等。处理设备可以与其他合适的组件结合使用，诸如显示设备(监视器、LED屏幕、数字屏幕等)、存储器或存储设备、输入设备(触摸屏、键盘，指示设备诸如鼠标)、无线模块(用于RF、蓝牙、红外，Wi-Fi等)。该信息可以存储在计算机硬盘驱动器上，CD ROM盘上或可位于处理设备处或与处理设备通信的任何其他适当的数据存储设备上。整个过程由处理设备自动进行，无需任何手动交互。因此，除非另有说明，否则该过程可基本上实时发生而没有任何延迟或手动操作。
本发明的***和方法由允许从电子信息源访问数据的计算机软件实现。根据本发明的软件和信息可以在单个独立的处理设备内，或者它可以在与一组其他处理设备联网的中央处理设备中。该信息可以存储在芯片、计算机硬盘驱动器、CD ROM盘或任何其他适当的数据存储设备上。
在本说明书内，术语“基本上”和“相对”是指加或减20％，更优选加或减10％，甚至更优选加或减5％，最优选加或减2％。另外，虽然在本发明的某些实施例中可以提供具体的大小、尺寸和形状，但这些仅仅是为了说明本发明的范围而非限制。因此，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其他大小、尺寸和/或形状。上述示例性实施例中的每个可以单独实现或与其他示例性实施例组合实现。
应当认为前面的描述和附图仅是对本发明原理的说明。本发明可以以各种形状和尺寸配置，并非旨在受优选实施例的限制。本领域技术人员将容易想到本发明的许多应用。因此，不期望将本发明限制于所公开的具体示例或所示和所述的确切构造和操作。相反，可以采用落入本发明范围内的所有合适的修改和等同物。

Claims (18)

1.一种天线***，包括：
相控阵，所述相控阵具有多个透镜组，每个透镜组包括：
多个透镜，每个透镜具有标称焦点；
与所述多个透镜中相应的透镜对准的多个馈电元件，每个馈电元件被配置为根据所述馈电元件相对于所述相应的透镜的所述标称焦点的位移，以特定角度通过所述多个透镜中所述相应的透镜发射或接收信号；以及
透镜组电路，所述透镜组电路连接至所述多个馈电元件中的每一个，动态地选择所述多个馈电元件的子集，以通过所述多个透镜发射或接收所述信号。
2.如权利要求1所述的天线***，其中，所述透镜组电路组合来自所述多个馈电元件的第一子集的第一波束，以产生第一信号。
3.如权利要求2所述的天线***，其中，所述透镜组电路分离第二信号并动态地选择所述多个馈电元件的第二子集以经由所述相控阵的所述多个馈电元件的所述第二子集发射第二波束。
4.如权利要求1所述的天线***，还包括处理设备，以调整所述多个透镜组中的每个的嵌入式辐射图案。
5.如权利要求4所述的天线***，其中，所述透镜组电路和处理设备使用电气方法、机械方法或机电方法引导所述透镜组的所述嵌入式辐射图案中的一个或多个的所述信号。
6.如权利要求1所述的天线***，其中，所述多个透镜包括电介质透镜、超材料透镜，或超表面透镜。
7.如权利要求6所述的天线***，其中，所述透镜是均匀的。
8.如权利要求6所述的天线***，其中，所述透镜是非均匀的。
9.如权利要求1所述的天线***，还包括至少一个致动器，用于相对于所述多个透镜移动所述馈电元件中的每个，以实现所述特定角度。
10.如权利要求9所述的天线***，其中，所述致动器使所述馈电元件中的每个在具有相对于每个透镜的所述标称焦点的第一位移的第一位置和具有相对于每个透镜的所述标称焦点的第二位移的第二位置之间移动。
11.如权利要求1所述的天线***，其中，所述透镜组的几何形状或电介质轮廓不相同。
12.如权利要求1所述的天线***，其中，所述多个透镜组以不一致的平铺配置。
13.如权利要求12所述的天线***，其中，所述多个透镜元件的所述平铺配置在宽的能视场和/或频率范围内改善天线辐射图案。
14.如权利要求13所述的天线***，还包括被配置成调整天线辐射图案的天线电路或处理设备。
15.如权利要求1所述的天线***，其中，所述天线***被配置成以射频(RF)、中频(IF)或基带频率处理信号。
16.如权利要求14所述的天线***，还包括一个或多个相位或时间移位器，以经由通过所述多个透镜通信的相移或时间延迟信号形成模拟波束形成***。
17.如权利要求14所述的天线***，还包括数字信号处理器，所述数字信号处理器被配置为通过采样、模数转换和数模转换来执行数字波束形成。
18.如权利要求1所述的天线***，其中，所述多个馈电元件的所述子集包括来自所述多个透镜组的每个的单个相应的馈电元件。
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