[发明专利]低成本卫星用户终端天线

说明书

提供了在用户终端中用于卫星通信的波束操纵天线。波束操纵天线包括：具有多个馈电元件的天线馈电结构，所述多个馈电元件被配置为开启或关闭以形成初始波束；以及与天线馈电结构相邻以形成聚焦波束的聚焦透镜。天线馈电结构可以包括多个有源波导馈电元件以生成圆极化的初始波束。聚焦透镜可以是用于形成圆极化的聚焦波束的球面透镜。

技术领域

概括地说，本文所描述的各个方面涉及卫星通信，具体地说，本文所描述的各个方面涉及非对地同步卫星通信系统中的卫星用户终端。

背景技术

传统的基于卫星的通信系统包括网关和用于在网关与一个或多个用户终端之间对通信信号进行中继的一个或多个卫星。网关是具有用于向通信卫星发送信号和从通信卫星接收信号的天线的地面站。网关提供使用卫星的通信链路，用于将用户终端连接到其它用户终端或者其它通信系统(例如公用交换电话网、互联网和各种公共网络和/或专用网络)的用户。卫星是轨道接收机和用于对信息进行中继的中继器。

假如用户终端在卫星的“覆盖区(footprint)”内，卫星可以从该用户终端接收信号和向该用户终端发送信号。卫星的覆盖区是在地球的表面上位于该卫星的信号范围之内的地理区域。通常，通过波束成形天线的使用，将覆盖区在地理上划分为“波束”。每一个波束覆盖在覆盖区中的特定地理区域。波束可以是定向的，以便来自同一卫星的一个以上波束覆盖相同的地理区域。

对地同步卫星已经长期以来用于通信。对地同步卫星相对于地球上的给定位置而言是静止的，以及因此在地球上的通信收发机和对地同步卫星之间的无线信号传播中，存在很小的时序偏移和多普勒频率偏移。但是，由于对地同步卫星受限于对地同步轨道(GSO)，其中GSO是在地球赤道的正上方与地球中心具有大约42,164公里的半径的圆，因此可以放置在GSO中的卫星的数量是有限的。作为对地同步卫星的替代方案，使用非对地同步轨道(例如，低地球轨道(LEO))中的卫星的星座的通信系统，已被设计为向整个地球或者地球的至少大部分提供通信覆盖。

因为卫星并不位于相对于UT的固定位置，所以与基于GSO卫星的通信系统和地面通信系统相比，基于非对地同步卫星的系统(例如，基于LEO卫星的系统)可能呈现出用户终端(UT)与卫星相通信的挑战。非对地同步轨道中的通信卫星可能以相对于地球上的UT，在方位角和仰角上以显著地角速度进行移动。为了保持与给定卫星的通信或者与非对地同步卫星通信系统中的不同卫星切换通信，UT可能要求在方位角和/或仰角上在广泛发散的角度之间执行快速波束操纵。

期望为UT提供低成本、低复杂度、高性能和可靠的天线，以用于卫星通信系统中的语音、数据、视频或者其它类型的通信。期望的是，针对用户终端的无线电天线具有波束操纵能力，使得波束可以指向给定视场范围内的角度位置。已经设计出各种方案来为卫星地面站提供具有波束操纵能力的天线。

例如，已经设计具有机械马达的碟形或者透镜天线，以机械地操纵固定天线波束以朝向服务卫星的角度来指向。但是，机械波束扫描通常比电子波束扫描要慢得多。此外，卫星用户终端中的机械波束扫描通常要求两个独立的天线单元或者具有两个独立的机械地可移动馈电的一个天线，以在两个卫星之间实现足够的切换时间，而不会丢失服务或者降低在用户终端处的吞吐量。

已经还设计了针对卫星用户终端的电子可操纵的相控阵天线，以便实现更快的扫描，但是相控阵天线通常要比机械地操纵的天线更昂贵。此外，当将由典型的相控阵天线产生的波束电子地操纵为较大的偏离瞄准线角度时，相控阵天线的有效孔径尺寸更大，从而导致更宽的波束宽度和更低的有效天线增益。因此，电子地可操纵相位阵天线可能不能满足针对用户终端的低成本、快速波束操纵和足够的天线增益的要求。

发明内容

本公开内容的方面针对用于在卫星通信系统中由用户终端进行波束操纵的系统和方法。