多元天線系統和陣列信號處理方法
2023-06-12 23:38:21
專利名稱：多元天線系統和陣列信號處理方法
技術領域：
本發明涉及天線系統設計領域，更具體地說，涉及一個天線系統和天線單元陣列信號處理的方法，其中，對從構成一個陣列的多個天線單元來的信號進行處理，大大地改善側瓣的性能。
幾十年以來，技術界已對目標的角度自動跟蹤感興趣了。目前在空中飛行器接收遙測數據的過程中，自動跟蹤是主要考慮的問題之一，該飛行器可以是一個極軌道衛星，一個地球同步衛星，一架飛機或者一個自旋穩定的火箭，等等。
有很多種反射器天線是已知的，它們一般用於角度跟蹤。對於反射器天線，產生偏離波束的很多技術如順序掃掠，園錐形掃描和單波道單脈衝已證明是可以接受的，是目標自動跟蹤的經濟有效的方法。過去所用的方法總結如下順序掃掠順序掃掠的基本特點是能夠圍繞一個反射器天線的瞄準軸(瞄準線)產生偏離波束。一般是利用圍繞一個焦軸，即圖8中的反射器天線瞄準軸的周圍放置的四個環行饋送單元實現的。饋送相移中心從該焦軸的實際偏移產生一個波束，該波束偏離正比於這個偏移的總量，見圖9。這四個離散的偏離波束以順序的方法進行取樣，並且在兩個正交平面中進行比較以便得到一個誤差信號，這個誤差信號用來給一個天線定位系統的機動軸，即瞄準軸的伺服系統產生成比例的驅動信號。這個方法的局限性是在交叉區(crossover)增益量降低和由于波束過大的偏離產生的高側瓣。由於這些局限性，這種技術目前已很少使用。
園錐形掃描園錐形掃描包含使用單個饋送單元在焦軸(跟蹤軸)周圍產生一個偏離波束的原理，該單個饋送單元是偏離的，並且圍繞焦軸旋轉。旋轉是由一個電動機驅動，以機械方式實現的。有很多不同的園錐形掃描。這些掃描包括早期的第二次世界大戰的老式自旋偶極子到最近的利用具有偏離自旋副反射器的固定饋送器的光學結構。園錐形掃描的主要優點是實施費用低。園錐形掃描還提供比傳統的順序掃掠更好的增益性能，這種方法中波束偏離可被控制在規定的交叉區電平。低交叉區電平還使得第一側瓣彗形效應減至最小。園錐形掃描跟蹤的特點為很多遙測應用提供一種有吸收力的可用的方法。園錐形掃描的固有缺點是掃描速度低，機械旋轉器的可靠性和頻率帶寬的限制。另外，園錐形掃描不允許選擇未調製的數據波道，在自動跟蹤自旋穩定的目標時，因為它是固定的、低頻掃描率，所以不是有效的。
單波道單脈衝和其它最近的發展。
需要經濟有效的技術跟蹤自旋穩定的飛行器，導致在六十年代未開發了單波道單脈衝跟蹤系統。單波道單脈衝(SCM)使用三波道單脈衝饋送(一般是四或五單元結構)和一個組合網絡來產生一個基準信號和方位角以及單脈衝饋送的仰角偏差信號。(
圖10表示一個四單元陣列系統，圖11表示一個五單元陣列系統。)該方位角與仰角偏差信號被雙相調製，順序地耦合到該基準信號(圖12表示圖11的單掃描變換器的方框圖。)其合成信號是與園錐形掃描信號一樣的格式，其中組合的基準與偏差信號產生一個相對於焦軸的偏離波束。該方位角與仰角誤差信號是適用於時間順序的方法的。
SCM使用用於選擇偏離波束位置的非常快速的電子開關，克服了園錐形掃描跟蹤結構的固定低頻掃描率的缺陷。此外，SCM允許該信號組合電路這樣構成，使數據波道可以與跟蹤波道相互獨立，因而免除了由該掃描波束產生的調製。SCM的適應性使它在最近二十年來遙測跟蹤應用成為主要的選擇。
通常認為，增加天線系統中使用的單元的數目，能夠大大地改善天線的性能。但是，由於單元數目的增加，處理從這些單元得到的數據的複雜性也增加了。美國專利4772893涉及一種開關可控制的多波束天線系統，其中該天線系統包括一個五單元的交叉陣列。在五個波導中對角四分之一波長板使極化從園極化變為正交線性極化，提供了發射機/接收機隔離。用於該饋送天線功率的陣列的五個分支的每個分支包括可轉換的延時單元。希望增加的時延可轉換地引入每個分支，其後，信號被重新組合以形成每個波束。
在美國專利4096482號，Walters公開了一種具有複合單元陣列結構的單脈衝天線，通過從該單元對的和差數據處理得到仰角差，複合單元陣列結構可被縮減為四脊(quad-ridge)陣列，在混合電路的輸出端輸出總和保護與方位角偏差。
在1988年10月IEE Proceedings雜誌第135卷Pt.F第5期G.J.Hawkins等人的文章「衛星通信的跟蹤系統」中，概括地介紹了現有技術的自動跟蹤天線系統。在公開自動跟蹤系統的一篇文章中，Rude Skov II衛星接收器設置在荷蘭，使用包含中心偶極子單元的波束偏離技術，在中心偶極子單元周圍設置四個等距離的無源偶極振子。使各個無源偶極振子空閒(不工作)或短路(工作)以形成一個偏離的波束。
在這裡引用Edwards等人的美國專利4704611僅供參考。該專利公開了微波天線的電子跟蹤系統，使用接收模式變換技術來檢測跟蹤的誤差，接著校正該波束的轉向。該技術使用模式發生器來改變軸外天線單元的激勵模式，這種模式可以在方位角或仰角平面內。離軸信號耦合到軸上天線單元信號上，通過波束偏離得到天線波束瞄準。
這些已知的系統都沒有取消對比較器的要求。另外，從陣列處理測量的側瓣性能的任何改善將反映在天線系統跟蹤精度的改善。因此，當這些已知的系統通過使多元陣列的應用增加到最大時，通常顯示出改進的單脈衝性能，而在該技術中仍然存在著為得到側瓣的進一步減少而要改進用於側瓣控制的孔徑分布的問題。還有，正如Walters所介紹的，使用比較器可能引入波道之間交調失真問題，這是由於誤差信號的交叉耦合產生的。因此，在已知的天線系統中還有改善波道之間交調失真隔離的可能。
在1986年以電氣工程師協會名義出版的「天線設計手冊」第六章中，公開了產生多元天線陣列平滑掃描波束的一種方法。第六章的作者Leon J.Ricardi用數字算法導出一種方法，這種方法使相鄰單元可變幅度激勵去瞄準空間中的波束。另外，每個單元激勵的相關相位被調整以增加該陣列的定向增益。這個技術被用於使衛星的傳送波束轉向天線陣列的視野內，該作者還建議，這種技術可以用於該衛星的信號接收。
SCM結構的缺點和對這種結構部分的改進涉及所要求的饋送單元的數目。四單元單脈衝陣列饋送產生一個主基準波束，這種基準波束僅適用於大聚焦長度/直徑(F/D)比。這個四單元饋送也和園錐形掃描相似存在著帶寬的限制。對於四單元饋送來說，側瓣性能一般是完全可接受的，偏離副波束相對於主波峰具有大於20dB的側瓣抑制。但是，四單元饋送的限制是它的有限的帶寬和孔徑照射效率。
五單元饋送結構克服了四單元饋送的上述兩個限制，但是帶來了一個新的缺點，就是在掃描副波束中的高側瓣。跟蹤波束的峰側瓣一般低於主波峰15dB至17dB。側瓣的15dB至17dB減少幾乎是不隨頻率變化的。高側瓣的產生是可以理解的，當人們考慮到，偏離波束是由空間的三個波束疊加形成的，每個波束是從偏離波束平面中饋送陣列的三個單元中來的。必須指出，在一個無調製的數據波道的側瓣中沒有這些高側瓣三波束是由下列相位及幅度係數組合的(即在方位角中)右波束 中心波束 左波束幅度 K 1.0 K相位(度) 0.0 0.0 180.0表中K是圖12中組合網絡的耦合係數。參照圖13A，中心波束的第一側瓣在大約相同的角位置上與左波束主瓣同相。再參見圖13B，左波束和中心波束同相相加，在瞄準軸的右側產生一個不希望的高側瓣。同樣，瞄準軸左側不希望的高側瓣(虛線)是由中心波束和右波束組合產生的。
另一種理解SCM饋送特性的方法是分析產生偏離波束的組合饋送信號。在方位角平面中的三單元陣列圖由下式給出
E(θ，φ)＝[1+i(2＊K)Sin(π＊d＊Sin(θ))]＊EE(θ，φ)式中d是以波長表示的單元間隔;
K是偏離單元的幅度係數(由耦合係數確定);
θ是掃描平面中以度表示的角度;
φ是仰角平面中以度表示的角度;
π為3.14159;
i是-1的平方根;以及EE(θ，φ)是各單個單元圖。
該陣列電壓圖的幅度和相位由下式給出｜E(θ)｜＝[Re(E(θ))2+Im(E(θ))2]0.5＊EE(θ)＝[1.0+(2＊K＊Sin(θ))2]0.5＊EE(θ) (2)相位(θ)＝Arctg[Im(E(θ))/Re(E(θ))] (3)＝Arctg[2＊K＊Sin(θ)]等式(2)的分析表明，在從三單元來的反射器上的幅度照射與從單個單元的幅度照射沒有本質上的差別。Sin(θ)函數，最小0度，最大90度，擴大了陣列圖。等式(3)表示相位照射是與正弦函數、一個奇函數成正比的。由於從中心開始的距離增加，照射的相位在一側是正向增加，在反射器的相反的一側是反向增加。這個相位分布使該波束被轉向離軸。現有技術的圖14表示兩個正交平面的幅度圖，以表示對稱的，而圖15表示典型的五單元SCM饋送的計算的相位函數。現有技術的圖16A和圖16B分別代表在無掃描和掃描的平面中由這個饋送圖饋送的反射器天線的副波束圖。峰側瓣在無掃描平面中從主波束下降16dB，而在掃描的平面中從主波束下降15dB。
SCM的性能可以概括以下
a)電子開關電路提供掃描速率的適應性，這個特性克服了跟蹤自旋穩定的飛行器的問題;
b)數據波道可與跟蹤波道獨立構成，消除對數據的掃描調製;
c)沒有機械旋轉部件;
d)高可靠性，以及e)經濟有效。
SCM的主要缺點是，在掃描的平面它產生高側瓣，這能影響低仰角跟蹤，以及對交調失真敏感。
記住本發明的這個背景技術。因此，本發明的一個主要目的是為了更加錐形的幅度分布去照射反射器天線，提供一個改進的多元陣列和天線陣列信號處理器。
本發明的另一個目的是提供一個信號處理裝置，用於減少天線陣列的側瓣。
本發明的另一個目的是減少在掃描和無掃描平面中的天線陣列的側瓣。
本發明的另一個目的是使天線陣列的正交波道單元之間的交調失真減到最小。
本發明的另一個目的是提供比單波道單脈衝技術更優良的總的跟蹤精度，並且接近完全單脈衝技術的精度。
本發明的另一個目的是提供寬頻帶工作。
本發明的另一個目的是通過消除對比較器的任何要求，簡化天線陣列處理器。
利用本發明的原理，已知的單脈衝天線系統的問題及相關的問題都解決了。多元陣列天線系統包括一個信號處理電路，該電路響應多元陣列的信號輸出，提供轉向信號輸出，例如用於耦合到基座驅動子系統以定向天線。將該陣列的中心饋送單元與偏離單元之一組合，而不是如傳統系統中與在相位相反的結構中的兩個單元組合，從而獲得了側瓣的減小。改進的孔徑分布導致中心單元與每個偏離單元的組合。而且，本發明減少了方位角與仰角波道之間的交叉耦合。這個交叉耦合，被定義為交調失真。當在另一個正交平面中有角度移動時，在一個正交平面中產生一個誤差信號。本結構包含同相耦合正交波道單元。在相同的相位中通過耦合沒有引入偏離或誤差信號，結果波道之間的交調失真被抑制，至少改善了30dB。本發明與SCM的差別在於SCM饋送結構允許正交平面單元在反相條件下寄生耦合到有源單元，這提高了低電平交調失真分量。在SCM中存在反相條件，因為在單脈衝比較器中使用魔T裝置。
本發明使用多元陣列，類似於SCM系統目前使用的四個或五個單元的陣列。天線陣列處理器包括一個饋送組合網絡，它與已知的SCM技術的網絡不同，因為當在該孔徑上保持相似的相位特性時，將在該陣列的孔徑平面產生一個幅度尖錐。這是通過改變陣列單元的幅度加權係數實現的。因此，本發明不依賴於對稱設置在軸上的中心單元的兩個單元的反相激勵。根據本發明的饋送結構，沒有反相激勵，基本上消除了正交天線單元的交調失真。
特別是，根據本發明的一個天線陣列信號處理器包括一個多天線單元的陣列，一個信號開關網絡，該網絡接到該陣列，用於從該陣列來的多個信號輸出中進行選擇，一個信號耦合器，用於把選擇的信號與該陣列的另一個信號進行耦合。
此外，根據本發明提供天線轉向信號的一種方法包括下列步驟從多天線單元陣列至少選擇多個信號中的一個信號，對至少選擇的一個信號進行幅度加權，把幅度加權的信號與從該陣列輸出信號中的至少另一個信號相加，該合成信號是該天線系統的轉向信號。
圖1是根據本發明的多元天線陣列接收器系統的簡化方框圖。
圖2A是圖1中所示的多元天線的天線陣列處理器的一個實施例的示意方框圖。這個實施例使用一個類似於所示的五單元天線陣列結構。
圖2B是圖1中所示的天線陣列處理器的另一個實施例的示意方框圖。這個實施例用類似於所示的該五單元天線陣列結構。
圖2C是圖1中所示的天線陣列處理器的另一個實施例的示意方框圖。這個實施例用於類似所示的一個五單元天線陣列結構，而不同於圖2A和圖2B的結構。
圖2D是圖1中所示的天線陣列處理器的另一個實施例的示意方框圖。這個實施例用於類似於所示的一個四單元天線陣列結構。
圖2E是圖1中所示的天線陣列處理器的另一個實施例的示意方框圖。這個實施例用於類似於所示的一個四單元天線陣列結構。
圖3A是用曲線圖表示本發明的兩個單獨的波束。
圖3B為用曲線圖表示由圖3A的兩個波束組合成的本發明的合成掃描波束。
圖4為用圖表示簡化的兩單元陣列和用曲線表示兩單元陣列的相位中心位置，作為加權係數A的函數。
圖5是用曲線表示根據本發明表明對稱五單元饋送的兩個正交平面的幅度圖。
圖6為用曲線表示根據本發明的五單元饋送的計算的相位函數。
圖7A是用曲線表示根據本發明使用五單元饋送的120″反射器天線的無掃描平面副波束圖。
圖7B是用曲線表示根據本發明使用五單元饋送的120″反射器天線的掃描平面副波束圖。
圖8為用圖表示現有技術的反射器天線的順序掃掠饋送結構。
圖9是由現有技術的反射器天線焦軸的偏離饋送產生的一個偏離波束圖。
圖10是現有技術的單波道單脈衝四個單元陣列及饋送結構的簡化方框圖。
圖11是現有技術的單波道單脈衝五個單元陣列及饋送結構的簡化方框圖。
圖12是現有技術單波道單掃描變換器的示意方框圖。
圖13A用曲線表示現有技術的三個饋送單元的單波道單脈衝的各個副波束。
圖13B用曲線表示現有技術的三個饋送單元的單波道單脈衝系統的合成掃描副波束。
14是用曲線表示現有技術的對稱的單波道單脈衝的五單元饋送的兩個正交平面的幅度圖。
圖15是用曲線表示使用現有技術的單波道單脈衝系統的五單元饋送的計算的相位函數。
圖16A是用曲線表示使用現有技術的單波道單脈衝系統的五單元饋送的120″反射器天線的無掃描平面副波束圖。
圖16B是用曲線表示使用現有技術的單波道單脈衝系統的五單元饋送的120″反射器的掃描平面副波束圖。
參見圖1，它表示根據本發明的一個多元天線饋送與信號處理系統。多元天線陣列101包括多個單元，如A、B、C、D和S。這樣的天線陣列可以使用在Iwasaki的美國專利4772893中敘述的極化單元。本發明對極化技術沒有任何特殊選擇的限制。對於本發明的特殊應用可選擇極化裝置，但在附圖中沒有畫出。
在已知的SCM系統中，典型的外部單元A、B、C和D圍繞著中心饋送單元S，單元S接到一個信號組合電路，一個接收器103和一個信號處理器104。該天線陣列接納組合跟蹤和數據波道。如上所述，該信號被組合和處理，一個電動機驅動該天線，通過天線轉向控制機構105可以自動地跟蹤一個空中目標。
根據本發明可以使用的一種自動跟蹤技術和裝置在Peter M.Pifer的名稱為「利用編碼的掃描速率的自動跟蹤系統」的美國專利3419867中敘述了，在此僅供參考。
根據本發明，信號組合電路包括一個天線陣列處理器102，用於處理多元天線101的接收信號，該信號不同於經過SCM系統的信號。特別是，例如，最中心單元的信號與其它單元中的一個單元輸出的一個信號組合，它們合成的幅度用於使天線轉向去自動地跟蹤一個目標飛行器(圖3A和3B)。例如，預先確定的幅度加權被輸入到用於組合這些信號而具有一個幅度加權係數的定向耦合器。不需要單脈衝比較器(圖11)。
現在簡要地參見圖2A-2E，表示按照本發明原理的多個實施例，而至少兩個單元是用於產生一個幅度加權轉向信號，因而通過以信號處理器104表示的已知天線數據處理技術，該天線可以自動地跟蹤一個目標飛行器。其優點導致改善側瓣並比SCM技術減少了交調失真，以及跟蹤精度接近完全單脈衝系統。
本發明下面的原理性的數學推導之後是圖2A-2E的實施例的詳細敘述。
根據本發明，至少兩個波束在空間是疊加的。在簡單的情況下，例如在方位角平面(仰角平面)中的這兩個波束敘述如下a)在軸上的波束是由中心單元和在仰角平面(方位角平面)中的兩個單元的開關陣列的組合形成的。
b)離軸波束是由在方位角平面(仰角平面)中的兩個單元形成的。
這兩個波束的相量組合產生方位角平面的掃描波束。因此，該饋送的陣列圖以數學式表示如下E(θ，φ)＝[1+2＊K(1)＊Cos(π＊d＊Sin(θ))+K(2)＊Cos(2＊π＊d＊Sin(θ))]EE(θ，φ) (4)+i[K(2)＊Sin(2＊π＊d＊Sin(θ))]EE(θ，φ)式中K(1)是仰角平面單元B和D的幅度係數;
K(2)是方位角平面單元的幅度係數;
而EE(θ，φ)是單個單元圖。
如果我們分析方位角平面(φ＝0)，並代入ψ＝(2＊π＊d＊Sin(θ))則方程(4)簡化為E(θ)＝[1+2＊K(1)+K(2)＊Cos(ψ)+i＊K(2)＊Sin(ψ)]＊EE(θ) (6)方程(4)的幅度表示式與方程(1)中SCM的類似表示式有很大不同，即隨θ變化的正弦項已減少了兩倍，而且已加上了也隨θ變化的餘弦項。由於在θ等於0(在軸上)時餘弦函數有一個峰值，而當θ變到90度時餘弦函數減到0，陣列係數可以選擇，以便產生反射器天線所希望的幅度照射函數。
相位分布由下式給出相位(θ)＝Arctg[Im(E(θ))/Re(E(θ))]＝Arctg[(K(2)＊Sin(ψ)/(1+2＊K(1)+K(2)＊Cos(ψ))] (7)根據本發明的相位分布與前面本申請的發明部分的背景中敘述的SCM分布非常相似，因為它是與正弦函數成正比的。如上所示，正弦相位分布導致副波束被轉向離軸。
說明本發明的波束轉向能力的另一個方法是考慮如圖4所示的簡化的兩單元天線陣列。當焦軸單元和偏移該單元距離d的單元用等幅度的信號激勵時，相位中心落在該陣列平面的兩單元之間等距離位置的孔徑上。由於多個單元之一相對於另一個單元的幅度激勵是減小的，相位中心沿著孔徑平面向著圖4所示較強的激勵單元移動。因此，由於這兩單元的幅度激勵是變化的，所以該波束相位中心可以定位在兩個單元之間任何所要求的位置。如果一個單元放置在反射器天線的焦軸上，那麼兩單元陣列的饋送相位中心是離軸的，它產生轉向波束。在這裡以及整個說明書和權利要求書定義的幅度調整關係A在今後將稱為幅度加權係數。對總的幅度加權係數有影響的參數包括天線單元的幅度係數，定向耦合器的耦合係數和電路損耗。
根據本發明的五單元饋送的兩個正交平面幅度圖示於圖5。根據本發明的五單元饋送的計算的相位函數示於圖6。120″反射器天線的無掃描和掃描平面的副波束分別示於圖7A和7B。
在無掃描和掃描平面中峰側瓣比波束峰值低20dB多。
SCM呈現的交調失真一般比期望的跟蹤誤差信號低15至20dB，包括相互耦合，交叉極化耦合和失配的影響。SCM的交調失真是由正交波道單元的寄生反相激勵產生的。上面所說的反相激勵主要是由於在單脈衝比較器網絡中使用的魔T裝置引起的。根據本發明的饋送結構消除了反相條件，這樣在正交平面中有關各單元激勵的VSWR的任何相互耦合不產生偏離或轉向波束，因此，交調失真有效地減少了。
本發明的唯一缺點是它對組合網絡中的相位差敏感。饋送單元之間的相位差導致天線陣列基本圖的波束偏離。
在對特殊應用的系統進行設計的，為了符合本發明的原理，必須考慮相位差應該保持在大約小於20度。相位調整裝置(未畫出)可以在使相位差保持在容許的範圍內的情況下，在圖2A-2E的裝置中的任何方便處實現。
已經敘述了根據本發明耦合係數K與信號組合電路確定總的幅度加權係數是如何相關的。實際上，幅度加權可以以任何方便的方法確定。例如，由控制信號230-630控制的可變衰減裝置可以在圖2A-2E的裝置的任何方便的位置設置，因而可獲得天線陣列201-601的任何信號輸出的幅度加權。
根據本發明跟蹤的優點可概括如下a)電子開關電路提供掃描速率靈活性，這個特點克服了跟蹤自旋穩定的飛行器的難題;
b)數據波道與跟蹤波道獨立構成，消除了對數據的掃描調製;
c)沒有機械旋轉部件;
d)高可靠性;
e)經濟有效;
f)饋送單元的幅度加權在無掃描和掃描平面產生低的側瓣;
g)交調失真有效地減至最小;
h)總的跟蹤精度超過SCM，接近於全單脈衝;以及i)寬帶工作。
現在參見圖2A-2E，沒有違背本發明的原理而特別詳細地表示了本發明的不同實施例，其中多元天線的第一單元的輸出與該陣列的第一單元中的另一個選擇的單元偏離在幅度上可轉換地組合。合成的幅度加權信號被處理以便該天線轉向用於自動跟蹤一個目標。
先參看圖2A，以一個典型的結構來表示五單元天線，單元A和C是在方位角平面，單元B和D在仰角平面，而單元S是最中心的單元。單元陣列201在圖1的數據處理系統104輸出的控制信號230的控制下耦合到組合網絡。
單刀雙擲(SPDT)二極體開關211接到單元A，二極體開關212接到單元B，二極體開關213接到單元C，而二極體開關214接到單元D。中心單元S接到定向耦合器218，用於與二極體開關網絡211-217的選擇輸出相耦合。經過控制信號230，A、B、C或D的一個輸出被選出與中心單元一起在定向耦合器218中進行組合。因此，控制信號230可以在七條分開的線上並行地(或者在使用已知技術，但未畫出的數位訊號解碼器的三條線上)傳輸。此外，該控制信號可以以可變的數據速率傳輸來改變單元的掃描速率。
在所示的結構中，用於幅度加權的耦合係數K(1)和1-K(1)確定波束的轉向。這些耦合係數基本上確定了圖2A實施例的合成幅度加權係數，但是，在另一個實施例中可能存在著對合成幅度加權係數的其它影響。在這個用於側瓣控制的實施例中，在正交平面中沒有陣列組合。天線波束由二極體開關網絡211-217順序地掃掠。提供了四個波束位置，通過所示的七個單刀雙擲開關可以表示右方位角、左方位角、上仰角和下仰角。(開關網絡211-214也可包括一個四刀單擲內部負載開關。)這些波束表示如下右方位角，S+K(1)A;下仰角，S+K(1)B;左方位角，S+K(1)C;和上仰角，S+K(1)D。
現在看圖2B，提供一個更複雜的開關網絡，用於把多元天線陣列301的輸出進行組合。單元A接到SPDT二極體開關311，單元B接到二極體開關312，單元C接到二極體開關313，而單元D接到二極體開關314。功率組合器316和317分別用於組合SPDT二極體開關311與312的選擇輸出和二極體開關313和314的選擇輸出。功率組合器316或317的選擇輸出經過SPDT二極體開關318接到定向耦合器320。
另外，單刀四擲開關315接納二極體開關311-314的選擇輸出，它接到在定向耦合器319處的主中心單元饋送。與定向耦合器319相關的幅度常數K(1)確定波束轉向。與定向耦合器320相關的幅度常數K(2)確定無掃描波束即正交于波束平面的波束中的側瓣抑制。如圖中所示，例如，這個更複雜的實施例要求五個單刀雙擲PIN二極體開關，一個四刀單擲開關和兩個功率組合器。但是，這個更複雜的實施例可有效控制側瓣和相對於頻率的波束偏離特性。耦合係數K(1)和K(2)的選擇與頻率無關，為此，正如兩個頻帶-頻帶1和頻帶2的耦合係數K(1)和K(2)的曲線表示的-在圖2B的曲線部分中表示出，其中K(1)是頻帶1的耦合值，K(2)是頻帶2的耦合值。
現在看圖2C，表示本發明的另一個實施例，其中二極體開關網絡包含一個交叉型的四個單刀雙擲二極體開關411-414，用於產生仰角和方位角組合的對角平面信號。如上所述，常數K(1)確定波束的轉向。但是，在這個實施例中，單元A和B是在中心單元S上面的一個水平平面中，下仰角波束是以S+K(1)＊(A+B)表示的。其它的合成波束可表示如下左方位角，S+K(1)＊(A+C);右方位角，S+K(1)＊(B+D)，和上仰角，S+K(1)＊(C+D)。
在功率組合器415，A是與B或C組合的，而在功率組合器416，單元D是與單元B或C組合的。二極體開關419在A+B，A+C，B+D和C+D中進行選擇，正如上面指明的那樣，用於與耦合器420的中心單元組合。例如使用二極體開關417和418，允許信號C+D通過，和阻止組合器415輸出信號。這也提供了由二極體開關419的選擇通路輸出的一個附加隔離層。
現在看圖2D，表示一個四單元陣列，而不包含中心單元S。通過開關網絡511-519，單元A、B、C和D中的任一個單元都可以與選擇的單元對組合，功率組合器520用於組合選擇的單元對，而定向耦合器521用於將選擇的單元對與選擇的單元之一耦合。對於這個實施例，波束選擇如下。式中X等於2的平方根分之一下仰角波束X＊(A+C)+K(1)B;
上仰角波束X＊(A+C)+K(1)D;
左方位角波束X＊(B+D)+K(1)C;和右方位角波束X＊(B+D)+K(1)A。
現在看圖2E，天線單元安排成單元(A和B)與(C和D)互相成水平。這時經過雙刀雙擲開關617，這些單元對在耦合器618與其它單元對進行組合。因此，這些波束導出如下，式中X也等於2的平方根分之一下仰角X＊(A+B)+K(1)(C+D);
右方位角X＊(A+C)+K(1)(B+D);
上仰角X＊(C+D)+K(1)(A+B);和左方位角X＊(B+D)+K(1)(A+C)。
因此，根據圖2A-2E的每個實施例，這些單元信號進行組合提供根據本發明原理的用於自動跟蹤一個目標的一個幅度加權轉向波束信號。鑑於這些示範性的實施例，本領域的技術人員可想到用於不同用途的不同天線單元結構的其它開關網絡結構。例如，陣列的單元數可以增加到十二個。在本發明的原理內使開關網絡變複雜了，本發明的原理僅僅由後面的權利要求的範圍限定。
權利要求
1.一種天線陣列處理器裝置，包括多元天線饋送的多個天線單元，一個信號開關裝置，該開關裝置接到多個天線單元用於從多個天線單元的多個信號中進行選擇，和一個信號耦合器，用於將多個天線單元中一個單元的選擇信號與多個天線饋送的另一個信號進行耦合。
2.根據權利要求1的天線陣列處理器裝置，其中耦合信號是與它所耦合的另一個信號同相的。
3.根據權利要求2的天線陣列處理器裝置，其中上述耦合產生一個用於天線波束轉向的幅度加權信號。
4.根據權利要求2的天線陣列處理器裝置，其中上述多個天線單元包括四個這樣的單元，這四個單元安排成與沿垂直軸放置的最上單元和最下單元以及沿水平軸放置的最右單元和最左單元成交叉的形式。
5.根據權利要求4的天線陣列處理器裝置，其中在信號耦合器的輸出提供四個選擇的波束，每個波束是選擇的單元信號與選擇的單元信號對的和信號的組合。
6.根據權利要求4的天線陣列處理器裝置，其中該多天線單元還包括第五中心單元。
7.根據權利要求6的天線陣列處理器裝置，其中四個選擇的波束的結果是，每個波束是從與第五中心單元的信號交叉的四個單元之一中選擇的信號的幅度加權組合的。
8.根據權利要求6所述的天線陣列處理器裝置，還包括一個第二信號耦合器，信號耦合器的耦合係數可按感興趣的不同頻帶進行選擇。
9.根據權利要求2的天線陣列處理器裝置，其中上述多個天線單元包括五個這樣的單元，兩個單元對的每一對是水平安排的，第五單元安排在水平安排的單元對的中心，安排的信號開關裝置和信號耦合器以提供與中心的第五單元信號和選擇的四個其它單元對的幅度加權求和信號的和相關的四個轉向波束。
10.一種提供轉向信號的方法，該方法用在包括一個多個天線單元陣列和一個信號組合電路的天線系統中，該方法包括步驟從多個天線單元陣列輸出的信號中選擇至少一個信號;幅度加權該選擇的至少一個信號;把幅度加權信號與多個天線單元陣列輸出的信號中的至少一個其它信號進行求和，合成信號是該天線系統的轉向信號。
11.根據權利要求10的方法，其中該選擇的至少一個信號包括兩個信號，這兩個信號是在幅度加權前加在一起的。
12.根據權利要求10的方法，其中該至少一個其它信號包括兩個信號，這兩個信號是在與選擇的幅度加權信號求和之前加在一起的。
13.根據權利要求10的方法，其中選擇用於幅度加權的該至少一個信號包括兩個選擇的信號的和，而該至少一個其他信號包括兩個其他選擇的信號的和。
14.根據權利要求10的方法，其中該幅度加權步驟特別包括由選擇的第一和第二幅度加權係數加權的信號是與頻率無關的。
15.根據權利要求14的方法，還包括控制第一和第二幅度加權係數數值的步驟。
16.根據權利要求10的方法，還包括控制幅度加權步驟的幅度加權係數數值的步驟。
17.一種天線陣列處理器裝置，包括多元天線饋送的多個天線單元，一個接到多個天線單元的信號開關裝置，用於從多個天線單元的多個信號中選擇至少一個單元的至少一個信號，和一個信號耦合器，用於把該至少一個信號，和一個信號耦合器，用於把該至少一個選擇信號與另一個單元的至少一個其它信號進行耦合，該另一個單元是偏離該至少一個單元的。
18.一種提供天線係數的轉向信號的方法，天線係數包括一個多天線單元的陣列和一個信號組合電路，該信號組合電路具有相關的第一和第二幅度加權係數，該方法的特徵在於預先確定頻率相關的第一和第二幅度加權係數的步驟。
19.一種多元天線陣列使用的信號組合電路，包括一個接到多元天線陣列的信號開關網絡，用於從多元天線陣列輸出的多個信號中轉換選擇一個信號，和一個信號耦合器，用於把選擇的一個信號與多元天線陣列輸出的另一個信號進行耦合。
20.根據權利要求19的信號組合電路，其中，該信號組合電路具有一個相關的幅度加權係數，用於所選擇的一個信號或者另一個信號進行幅度加權。
21.根據權利要求20的信號組合電路，該信號組合電路響應於控制信號，控制相關的幅度加權係數的數值。
全文摘要
提供一種多元天線饋送方法與系統，它具有比先前電子掃描波束的方法更好的側瓣特性。多元天線饋送系統一般包括一個多元天線，一個天線陣列處理器，一個接收器，一個用於目標的自動跟蹤的信號處理器，和一個天線轉向控制機構。通過選擇的單元波束的幅度加權組合，該方法可控制掃描偏離波束平面和正交平面中的天線系統的側瓣。這導致性能的改進，減少兩個正交跟蹤波道之間的交調失真，相對於頻率的偏離波束控制，以及一個寬頻的帶寬。
文檔編號H01Q21/29GK1048285SQ90103389
公開日1991年1月2日 申請日期1990年5月26日 優先權日1989年6月2日
發明者小詹姆斯·H·庫克 申請人:亞特蘭大科研公司