專利名稱：多元天線系統(tǒng)和陣列信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一個(gè)天線系統(tǒng)和天線單元陣列信號處理的方法，其中，對從構(gòu)成一個(gè)陣列的多個(gè)天線單元來的信號進(jìn)行處理，大大地改善側(cè)瓣的性能。
幾十年以來，技術(shù)界已對目標(biāo)的角度自動(dòng)跟蹤感興趣了。目前在空中飛行器接收遙測數(shù)據(jù)的過程中，自動(dòng)跟蹤是主要考慮的問題之一，該飛行器可以是一個(gè)極軌道衛(wèi)星，一個(gè)地球同步衛(wèi)星，一架飛機(jī)或者一個(gè)自旋穩(wěn)定的火箭，等等。
有很多種反射器天線是已知的，它們一般用于角度跟蹤。對于反射器天線，產(chǎn)生偏離波束的很多技術(shù)如順序掃掠，園錐形掃描和單波道單脈沖已證明是可以接受的，是目標(biāo)自動(dòng)跟蹤的經(jīng)濟(jì)有效的方法。過去所用的方法總結(jié)如下順序掃掠順序掃掠的基本特點(diǎn)是能夠圍繞一個(gè)反射器天線的瞄準(zhǔn)軸(瞄準(zhǔn)線)產(chǎn)生偏離波束。一般是利用圍繞一個(gè)焦軸，即圖8中的反射器天線瞄準(zhǔn)軸的周圍放置的四個(gè)環(huán)行饋送單元實(shí)現(xiàn)的。饋送相移中心從該焦軸的實(shí)際偏移產(chǎn)生一個(gè)波束，該波束偏離正比于這個(gè)偏移的總量，見圖9。這四個(gè)離散的偏離波束以順序的方法進(jìn)行取樣，并且在兩個(gè)正交平面中進(jìn)行比較以便得到一個(gè)誤差信號，這個(gè)誤差信號用來給一個(gè)天線定位系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)軸，即瞄準(zhǔn)軸的伺服系統(tǒng)產(chǎn)生成比例的驅(qū)動(dòng)信號。這個(gè)方法的局限性是在交叉區(qū)(crossover)增益量降低和由于波束過大的偏離產(chǎn)生的高側(cè)瓣。由于這些局限性，這種技術(shù)目前已很少使用。
園錐形掃描園錐形掃描包含使用單個(gè)饋送單元在焦軸(跟蹤軸)周圍產(chǎn)生一個(gè)偏離波束的原理，該單個(gè)饋送單元是偏離的，并且圍繞焦軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)是由一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，以機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)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(zhàn)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(xué)結(jié)構(gòu)。園錐形掃描的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施費(fèi)用低。園錐形掃描還提供比傳統(tǒng)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(guī)定的交叉區(qū)電平。低交叉區(qū)電平還使得第一側(cè)瓣彗形效應(yīng)減至最小。園錐形掃描跟蹤的特點(diǎn)為很多遙測應(yīng)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(diǎn)是掃描速度低，機(jī)械旋轉(zhuǎn)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(diào)制的數(shù)據(jù)波道，在自動(dòng)跟蹤自旋穩(wěn)定的目標(biāo)時(shí)，因?yàn)樗枪潭ǖ?、低頻掃描率，所以不是有效的。
單波道單脈沖和其它最近的發(fā)展。
需要經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)跟蹤自旋穩(wěn)定的飛行器，導(dǎo)致在六十年代未開發(fā)了單波道單脈沖跟蹤系統(tǒng)。單波道單脈沖(SCM)使用三波道單脈沖饋送(一般是四或五單元結(jié)構(gòu))和一個(gè)組合網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)信號和方位角以及單脈沖饋送的仰角偏差信號。(

圖10表示一個(gè)四單元陣列系統(tǒng)，圖11表示一個(gè)五單元陣列系統(tǒng)。)該方位角與仰角偏差信號被雙相調(diào)制，順序地耦合到該基準(zhǔn)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(zhǔn)與偏差信號產(chǎn)生一個(gè)相對于焦軸的偏離波束。該方位角與仰角誤差信號是適用于時(shí)間順序的方法的。
SCM使用用于選擇偏離波束位置的非?？焖俚碾娮娱_關(guān)，克服了園錐形掃描跟蹤結(jié)構(gòu)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(gòu)成，使數(shù)據(jù)波道可以與跟蹤波道相互獨(dú)立，因而免除了由該掃描波束產(chǎn)生的調(diào)制。SCM的適應(yīng)性使它在最近二十年來遙測跟蹤應(yīng)用成為主要的選擇。
通常認(rèn)為，增加天線系統(tǒng)中使用的單元的數(shù)目，能夠大大地改善天線的性能。但是，由于單元數(shù)目的增加，處理從這些單元得到的數(shù)據(jù)的復(fù)雜性也增加了。美國專利4772893涉及一種開關(guān)可控制的多波束天線系統(tǒng)，其中該天線系統(tǒng)包括一個(gè)五單元的交叉陣列。在五個(gè)波導(dǎo)中對角四分之一波長板使極化從園極化變?yōu)檎痪€性極化，提供了發(fā)射機(jī)/接收機(jī)隔離。用于該饋送天線功率的陣列的五個(gè)分支的每個(gè)分支包括可轉(zhuǎn)換的延時(shí)單元。希望增加的時(shí)延可轉(zhuǎn)換地引入每個(gè)分支，其后，信號被重新組合以形成每個(gè)波束。
在美國專利4096482號，Walters公開了一種具有復(fù)合單元陣列結(jié)構(gòu)的單脈沖天線，通過從該單元對的和差數(shù)據(jù)處理得到仰角差，復(fù)合單元陣列結(jié)構(gòu)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(hù)與方位角偏差。
在1988年10月IEE Proceedings雜志第135卷Pt.F第5期G.J.Hawkins等人的文章“衛(wèi)星通信的跟蹤系統(tǒng)”中，概括地介紹了現(xiàn)有技術(shù)的自動(dòng)跟蹤天線系統(tǒng)。在公開自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的一篇文章中，Rude Skov II衛(wèi)星接收器設(shè)置在荷蘭，使用包含中心偶極子單元的波束偏離技術(shù)，在中心偶極子單元周圍設(shè)置四個(gè)等距離的無源偶極振子。使各個(gè)無源偶極振子空閑(不工作)或短路(工作)以形成一個(gè)偏離的波束。
在這里引用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(tǒng)，使用接收模式變換技術(shù)來檢測跟蹤的誤差，接著校正該波束的轉(zhuǎn)向。該技術(shù)使用模式發(fā)生器來改變軸外天線單元的激勵(lì)模式，這種模式可以在方位角或仰角平面內(nèi)。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(zhǔn)。
這些已知的系統(tǒng)都沒有取消對比較器的要求。另外，從陣列處理測量的側(cè)瓣性能的任何改善將反映在天線系統(tǒng)跟蹤精度的改善。因此，當(dāng)這些已知的系統(tǒng)通過使多元陣列的應(yīng)用增加到最大時(shí)，通常顯示出改進(jìn)的單脈沖性能，而在該技術(shù)中仍然存在著為得到側(cè)瓣的進(jìn)一步減少而要改進(jìn)用于側(cè)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(diào)失真問題，這是由于誤差信號的交叉耦合產(chǎn)生的。因此，在已知的天線系統(tǒng)中還有改善波道之間交調(diào)失真隔離的可能。
在1986年以電氣工程師協(xié)會(huì)名義出版的“天線設(shè)計(jì)手冊”第六章中，公開了產(chǎn)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(shù)字算法導(dǎo)出一種方法，這種方法使相鄰單元可變幅度激勵(lì)去瞄準(zhǔn)空間中的波束。另外，每個(gè)單元激勵(lì)的相關(guān)相位被調(diào)整以增加該陣列的定向增益。這個(gè)技術(shù)被用于使衛(wèi)星的傳送波束轉(zhuǎn)向天線陣列的視野內(nèi)，該作者還建議，這種技術(shù)可以用于該衛(wèi)星的信號接收。
SCM結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)和對這種結(jié)構(gòu)部分的改進(jìn)涉及所要求的饋送單元的數(shù)目。四單元單脈沖陣列饋送產(chǎn)生一個(gè)主基準(zhǔn)波束，這種基準(zhǔn)波束僅適用于大聚焦長度/直徑(F/D)比。這個(gè)四單元饋送也和園錐形掃描相似存在著帶寬的限制。對于四單元饋送來說，側(cè)瓣性能一般是完全可接受的，偏離副波束相對于主波峰具有大于20dB的側(cè)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(jié)構(gòu)克服了四單元饋送的上述兩個(gè)限制，但是帶來了一個(gè)新的缺點(diǎn)，就是在掃描副波束中的高側(cè)瓣。跟蹤波束的峰側(cè)瓣一般低于主波峰15dB至17dB。側(cè)瓣的15dB至17dB減少幾乎是不隨頻率變化的。高側(cè)瓣的產(chǎn)生是可以理解的，當(dāng)人們考慮到，偏離波束是由空間的三個(gè)波束疊加形成的，每個(gè)波束是從偏離波束平面中饋送陣列的三個(gè)單元中來的。必須指出，在一個(gè)無調(diào)制的數(shù)據(jù)波道的側(cè)瓣中沒有這些高側(cè)瓣三波束是由下列相位及幅度系數(shù)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(wǎng)絡(luò)的耦合系數(shù)。參照圖13A，中心波束的第一側(cè)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(zhǔn)軸的右側(cè)產(chǎn)生一個(gè)不希望的高側(cè)瓣。同樣，瞄準(zhǔn)軸左側(cè)不希望的高側(cè)瓣(虛線)是由中心波束和右波束組合產(chǎn)生的。
另一種理解SCM饋送特性的方法是分析產(chǎn)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是偏離單元的幅度系數(shù)(由耦合系數(shù)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(gè)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(gè)單元的幅度照射沒有本質(zhì)上的差別。Sin(θ)函數(shù)，最小0度，最大90度，擴(kuò)大了陣列圖。等式(3)表示相位照射是與正弦函數(shù)、一個(gè)奇函數(shù)成正比的。由于從中心開始的距離增加，照射的相位在一側(cè)是正向增加，在反射器的相反的一側(cè)是反向增加。這個(gè)相位分布使該波束被轉(zhuǎn)向離軸?，F(xiàn)有技術(shù)的圖14表示兩個(gè)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(jì)算的相位函數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)的圖16A和圖16B分別代表在無掃描和掃描的平面中由這個(gè)饋送圖饋送的反射器天線的副波束圖。峰側(cè)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(guān)電路提供掃描速率的適應(yīng)性，這個(gè)特性克服了跟蹤自旋穩(wěn)定的飛行器的問題;
b)數(shù)據(jù)波道可與跟蹤波道獨(dú)立構(gòu)成，消除對數(shù)據(jù)的掃描調(diào)制;
c)沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件;
d)高可靠性，以及e)經(jīng)濟(jì)有效。
SCM的主要缺點(diǎn)是，在掃描的平面它產(chǎn)生高側(cè)瓣，這能影響低仰角跟蹤，以及對交調(diào)失真敏感。
記住本發(fā)明的這個(gè)背景技術(shù)。因此，本發(fā)明的一個(gè)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(gè)改進(jìn)的多元陣列和天線陣列信號處理器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)信號處理裝置，用于減少天線陣列的側(cè)瓣。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是減少在掃描和無掃描平面中的天線陣列的側(cè)瓣。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是使天線陣列的正交波道單元之間的交調(diào)失真減到最小。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供比單波道單脈沖技術(shù)更優(yōu)良的總的跟蹤精度，并且接近完全單脈沖技術(shù)的精度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供寬頻帶工作。
本發(fā)明的另一個(gè)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(fā)明的原理，已知的單脈沖天線系統(tǒng)的問題及相關(guān)的問題都解決了。多元陣列天線系統(tǒng)包括一個(gè)信號處理電路，該電路響應(yīng)多元陣列的信號輸出，提供轉(zhuǎn)向信號輸出，例如用于耦合到基座驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)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(tǒng)系統(tǒng)中與在相位相反的結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)單元組合，從而獲得了側(cè)瓣的減小。改進(jìn)的孔徑分布導(dǎo)致中心單元與每個(gè)偏離單元的組合。而且，本發(fā)明減少了方位角與仰角波道之間的交叉耦合。這個(gè)交叉耦合，被定義為交調(diào)失真。當(dāng)在另一個(gè)正交平面中有角度移動(dòng)時(shí)，在一個(gè)正交平面中產(chǎn)生一個(gè)誤差信號。本結(jié)構(gòu)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(jié)果波道之間的交調(diào)失真被抑制，至少改善了30dB。本發(fā)明與SCM的差別在于SCM饋送結(jié)構(gòu)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(diào)失真分量。在SCM中存在反相條件，因?yàn)樵趩蚊}沖比較器中使用魔T裝置。
本發(fā)明使用多元陣列，類似于SCM系統(tǒng)目前使用的四個(gè)或五個(gè)單元的陣列。天線陣列處理器包括一個(gè)饋送組合網(wǎng)絡(luò)，它與已知的SCM技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)不同，因?yàn)楫?dāng)在該孔徑上保持相似的相位特性時(shí)，將在該陣列的孔徑平面產(chǎn)生一個(gè)幅度尖錐。這是通過改變陣列單元的幅度加權(quán)系數(shù)實(shí)現(xiàn)的。因此，本發(fā)明不依賴于對稱設(shè)置在軸上的中心單元的兩個(gè)單元的反相激勵(lì)。根據(jù)本發(fā)明的饋送結(jié)構(gòu)，沒有反相激勵(lì)，基本上消除了正交天線單元的交調(diào)失真。
特別是，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)天線陣列信號處理器包括一個(gè)多天線單元的陣列，一個(gè)信號開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)接到該陣列，用于從該陣列來的多個(gè)信號輸出中進(jìn)行選擇，一個(gè)信號耦合器，用于把選擇的信號與該陣列的另一個(gè)信號進(jìn)行耦合。
此外，根據(jù)本發(fā)明提供天線轉(zhuǎn)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(gè)信號中的一個(gè)信號，對至少選擇的一個(gè)信號進(jìn)行幅度加權(quán)，把幅度加權(quán)的信號與從該陣列輸出信號中的至少另一個(gè)信號相加，該合成信號是該天線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向信號。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的多元天線陣列接收器系統(tǒng)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(gè)實(shí)施例的示意方框圖。這個(gè)實(shí)施例使用一個(gè)類似于所示的五單元天線陣列結(jié)構(gòu)。
圖2B是圖1中所示的天線陣列處理器的另一個(gè)實(shí)施例的示意方框圖。這個(gè)實(shí)施例用類似于所示的該五單元天線陣列結(jié)構(gòu)。
圖2C是圖1中所示的天線陣列處理器的另一個(gè)實(shí)施例的示意方框圖。這個(gè)實(shí)施例用于類似所示的一個(gè)五單元天線陣列結(jié)構(gòu)，而不同于圖2A和圖2B的結(jié)構(gòu)。
圖2D是圖1中所示的天線陣列處理器的另一個(gè)實(shí)施例的示意方框圖。這個(gè)實(shí)施例用于類似于所示的一個(gè)四單元天線陣列結(jié)構(gòu)。
圖2E是圖1中所示的天線陣列處理器的另一個(gè)實(shí)施例的示意方框圖。這個(gè)實(shí)施例用于類似于所示的一個(gè)四單元天線陣列結(jié)構(gòu)。
圖3A是用曲線圖表示本發(fā)明的兩個(gè)單獨(dú)的波束。
圖3B為用曲線圖表示由圖3A的兩個(gè)波束組合成的本發(fā)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(quán)系數(shù)A的函數(shù)。
圖5是用曲線表示根據(jù)本發(fā)明表明對稱五單元饋送的兩個(gè)正交平面的幅度圖。
圖6為用曲線表示根據(jù)本發(fā)明的五單元饋送的計(jì)算的相位函數(shù)。
圖7A是用曲線表示根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)的反射器天線的順序掃掠饋送結(jié)構(gòu)。
圖9是由現(xiàn)有技術(shù)的反射器天線焦軸的偏離饋送產(chǎn)生的一個(gè)偏離波束圖。
圖10是現(xiàn)有技術(shù)的單波道單脈沖四個(gè)單元陣列及饋送結(jié)構(gòu)的簡化方框圖。
圖11是現(xiàn)有技術(shù)的單波道單脈沖五個(gè)單元陣列及饋送結(jié)構(gòu)的簡化方框圖。
圖12是現(xiàn)有技術(shù)單波道單掃描變換器的示意方框圖。
圖13A用曲線表示現(xiàn)有技術(shù)的三個(gè)饋送單元的單波道單脈沖的各個(gè)副波束。
圖13B用曲線表示現(xiàn)有技術(shù)的三個(gè)饋送單元的單波道單脈沖系統(tǒng)的合成掃描副波束。
14是用曲線表示現(xiàn)有技術(shù)的對稱的單波道單脈沖的五單元饋送的兩個(gè)正交平面的幅度圖。
圖15是用曲線表示使用現(xiàn)有技術(shù)的單波道單脈沖系統(tǒng)的五單元饋送的計(jì)算的相位函數(shù)。
圖16A是用曲線表示使用現(xiàn)有技術(shù)的單波道單脈沖系統(tǒng)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(xiàn)有技術(shù)的單波道單脈沖系統(tǒng)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(jù)本發(fā)明的一個(gè)多元天線饋送與信號處理系統(tǒng)。多元天線陣列101包括多個(gè)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(fā)明對極化技術(shù)沒有任何特殊選擇的限制。對于本發(fā)明的特殊應(yīng)用可選擇極化裝置，但在附圖中沒有畫出。
在已知的SCM系統(tǒng)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(gè)信號組合電路，一個(gè)接收器103和一個(gè)信號處理器104。該天線陣列接納組合跟蹤和數(shù)據(jù)波道。如上所述，該信號被組合和處理，一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)該天線，通過天線轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)105可以自動(dòng)地跟蹤一個(gè)空中目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明可以使用的一種自動(dòng)跟蹤技術(shù)和裝置在Peter M.Pifer的名稱為“利用編碼的掃描速率的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)”的美國專利3419867中敘述了，在此僅供參考。
根據(jù)本發(fā)明，信號組合電路包括一個(gè)天線陣列處理器102，用于處理多元天線101的接收信號，該信號不同于經(jīng)過SCM系統(tǒng)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(gè)單元輸出的一個(gè)信號組合，它們合成的幅度用于使天線轉(zhuǎn)向去自動(dòng)地跟蹤一個(gè)目標(biāo)飛行器(圖3A和3B)。例如，預(yù)先確定的幅度加權(quán)被輸入到用于組合這些信號而具有一個(gè)幅度加權(quán)系數(shù)的定向耦合器。不需要單脈沖比較器(圖11)。
現(xiàn)在簡要地參見圖2A-2E，表示按照本發(fā)明原理的多個(gè)實(shí)施例，而至少兩個(gè)單元是用于產(chǎn)生一個(gè)幅度加權(quán)轉(zhuǎn)向信號，因而通過以信號處理器104表示的已知天線數(shù)據(jù)處理技術(shù)，該天線可以自動(dòng)地跟蹤一個(gè)目標(biāo)飛行器。其優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致改善側(cè)瓣并比SCM技術(shù)減少了交調(diào)失真，以及跟蹤精度接近完全單脈沖系統(tǒng)。
本發(fā)明下面的原理性的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之后是圖2A-2E的實(shí)施例的詳細(xì)敘述。
根據(jù)本發(fā)明，至少兩個(gè)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(gè)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(gè)單元的開關(guān)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(gè)單元形成的。
這兩個(gè)波束的相量組合產(chǎn)生方位角平面的掃描波束。因此，該饋送的陣列圖以數(shù)學(xué)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的幅度系數(shù);
K(2)是方位角平面單元的幅度系數(shù);
而EE(θ，φ)是單個(gè)單元圖。
如果我們分析方位角平面(φ＝0)，并代入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(xiàng)已減少了兩倍，而且已加上了也隨θ變化的余弦項(xiàng)。由于在θ等于0(在軸上)時(shí)余弦函數(shù)有一個(gè)峰值，而當(dāng)θ變到90度時(shí)余弦函數(shù)減到0，陣列系數(shù)可以選擇，以便產(chǎn)生反射器天線所希望的幅度照射函數(shù)。
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(jù)本發(fā)明的相位分布與前面本申請的發(fā)明部分的背景中敘述的SCM分布非常相似，因?yàn)樗桥c正弦函數(shù)成正比的。如上所示，正弦相位分布導(dǎo)致副波束被轉(zhuǎn)向離軸。
說明本發(fā)明的波束轉(zhuǎn)向能力的另一個(gè)方法是考慮如圖4所示的簡化的兩單元天線陣列。當(dāng)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(lì)時(shí)，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。由于多個(gè)單元之一相對于另一個(gè)單元的幅度激勵(lì)是減小的，相位中心沿著孔徑平面向著圖4所示較強(qiáng)的激勵(lì)單元移動(dòng)。因此，由于這兩單元的幅度激勵(lì)是變化的，所以該波束相位中心可以定位在兩個(gè)單元之間任何所要求的位置。如果一個(gè)單元放置在反射器天線的焦軸上，那么兩單元陣列的饋送相位中心是離軸的，它產(chǎn)生轉(zhuǎn)向波束。在這里以及整個(gè)說明書和權(quán)利要求書定義的幅度調(diào)整關(guān)系A(chǔ)在今后將稱為幅度加權(quán)系數(shù)。對總的幅度加權(quán)系數(shù)有影響的參數(shù)包括天線單元的幅度系數(shù)，定向耦合器的耦合系數(shù)和電路損耗。
根據(jù)本發(fā)明的五單元饋送的兩個(gè)正交平面幅度圖示于圖5。根據(jù)本發(fā)明的五單元饋送的計(jì)算的相位函數(shù)示于圖6。120″反射器天線的無掃描和掃描平面的副波束分別示于圖7A和7B。
在無掃描和掃描平面中峰側(cè)瓣比波束峰值低20dB多。
SCM呈現(xiàn)的交調(diào)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(diào)失真是由正交波道單元的寄生反相激勵(lì)產(chǎn)生的。上面所說的反相激勵(lì)主要是由于在單脈沖比較器網(wǎng)絡(luò)中使用的魔T裝置引起的。根據(jù)本發(fā)明的饋送結(jié)構(gòu)消除了反相條件，這樣在正交平面中有關(guān)各單元激勵(lì)的VSWR的任何相互耦合不產(chǎn)生偏離或轉(zhuǎn)向波束，因此，交調(diào)失真有效地減少了。
本發(fā)明的唯一缺點(diǎn)是它對組合網(wǎng)絡(luò)中的相位差敏感。饋送單元之間的相位差導(dǎo)致天線陣列基本圖的波束偏離。
在對特殊應(yīng)用的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，為了符合本發(fā)明的原理，必須考慮相位差應(yīng)該保持在大約小于20度。相位調(diào)整裝置(未畫出)可以在使相位差保持在容許的范圍內(nèi)的情況下，在圖2A-2E的裝置中的任何方便處實(shí)現(xiàn)。
已經(jīng)敘述了根據(jù)本發(fā)明耦合系數(shù)K與信號組合電路確定總的幅度加權(quán)系數(shù)是如何相關(guān)的。實(shí)際上，幅度加權(quán)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(shè)置，因而可獲得天線陣列201-601的任何信號輸出的幅度加權(quán)。
根據(jù)本發(fā)明跟蹤的優(yōu)點(diǎn)可概括如下a)電子開關(guān)電路提供掃描速率靈活性，這個(gè)特點(diǎn)克服了跟蹤自旋穩(wěn)定的飛行器的難題;
b)數(shù)據(jù)波道與跟蹤波道獨(dú)立構(gòu)成，消除了對數(shù)據(jù)的掃描調(diào)制;
c)沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件;
d)高可靠性;
e)經(jīng)濟(jì)有效;
f)饋送單元的幅度加權(quán)在無掃描和掃描平面產(chǎn)生低的側(cè)瓣;
g)交調(diào)失真有效地減至最小;
h)總的跟蹤精度超過SCM，接近于全單脈沖;以及i)寬帶工作。
現(xiàn)在參見圖2A-2E，沒有違背本發(fā)明的原理而特別詳細(xì)地表示了本發(fā)明的不同實(shí)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(gè)選擇的單元偏離在幅度上可轉(zhuǎn)換地組合。合成的幅度加權(quán)信號被處理以便該天線轉(zhuǎn)向用于自動(dòng)跟蹤一個(gè)目標(biāo)。
先參看圖2A，以一個(gè)典型的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)104輸出的控制信號230的控制下耦合到組合網(wǎng)絡(luò)。
單刀雙擲(SPDT)二極管開關(guān)211接到單元A，二極管開關(guān)212接到單元B，二極管開關(guān)213接到單元C，而二極管開關(guān)214接到單元D。中心單元S接到定向耦合器218，用于與二極管開關(guān)網(wǎng)絡(luò)211-217的選擇輸出相耦合。經(jīng)過控制信號230，A、B、C或D的一個(gè)輸出被選出與中心單元一起在定向耦合器218中進(jìn)行組合。因此，控制信號230可以在七條分開的線上并行地(或者在使用已知技術(shù)，但未畫出的數(shù)字信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(shù)據(jù)速率傳輸來改變單元的掃描速率。
在所示的結(jié)構(gòu)中，用于幅度加權(quán)的耦合系數(shù)K(1)和1-K(1)確定波束的轉(zhuǎn)向。這些耦合系數(shù)基本上確定了圖2A實(shí)施例的合成幅度加權(quán)系數(shù)，但是，在另一個(gè)實(shí)施例中可能存在著對合成幅度加權(quán)系數(shù)的其它影響。在這個(gè)用于側(cè)瓣控制的實(shí)施例中，在正交平面中沒有陣列組合。天線波束由二極管開關(guān)網(wǎng)絡(luò)211-217順序地掃掠。提供了四個(gè)波束位置，通過所示的七個(gè)單刀雙擲開關(guān)可以表示右方位角、左方位角、上仰角和下仰角。(開關(guān)網(wǎng)絡(luò)211-214也可包括一個(gè)四刀單擲內(nèi)部負(fù)載開關(guān)。)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(xiàn)在看圖2B，提供一個(gè)更復(fù)雜的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于把多元天線陣列301的輸出進(jìn)行組合。單元A接到SPDT二極管開關(guān)311，單元B接到二極管開關(guān)312，單元C接到二極管開關(guān)313，而單元D接到二極管開關(guān)314。功率組合器316和317分別用于組合SPDT二極管開關(guān)311與312的選擇輸出和二極管開關(guān)313和314的選擇輸出。功率組合器316或317的選擇輸出經(jīng)過SPDT二極管開關(guān)318接到定向耦合器320。
另外，單刀四擲開關(guān)315接納二極管開關(guān)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(guān)的幅度常數(shù)K(1)確定波束轉(zhuǎn)向。與定向耦合器320相關(guān)的幅度常數(shù)K(2)確定無掃描波束即正交于波束平面的波束中的側(cè)瓣抑制。如圖中所示，例如，這個(gè)更復(fù)雜的實(shí)施例要求五個(gè)單刀雙擲PIN二極管開關(guān)，一個(gè)四刀單擲開關(guān)和兩個(gè)功率組合器。但是，這個(gè)更復(fù)雜的實(shí)施例可有效控制側(cè)瓣和相對于頻率的波束偏離特性。耦合系數(shù)K(1)和K(2)的選擇與頻率無關(guān)，為此，正如兩個(gè)頻帶-頻帶1和頻帶2的耦合系數(shù)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(xiàn)在看圖2C，表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中二極管開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)交叉型的四個(gè)單刀雙擲二極管開關(guān)411-414，用于產(chǎn)生仰角和方位角組合的對角平面信號。如上所述，常數(shù)K(1)確定波束的轉(zhuǎn)向。但是，在這個(gè)實(shí)施例中，單元A和B是在中心單元S上面的一個(gè)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。二極管開關(guān)419在A+B，A+C，B+D和C+D中進(jìn)行選擇，正如上面指明的那樣，用于與耦合器420的中心單元組合。例如使用二極管開關(guān)417和418，允許信號C+D通過，和阻止組合器415輸出信號。這也提供了由二極管開關(guān)419的選擇通路輸出的一個(gè)附加隔離層。
現(xiàn)在看圖2D，表示一個(gè)四單元陣列，而不包含中心單元S。通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)511-519，單元A、B、C和D中的任一個(gè)單元都可以與選擇的單元對組合，功率組合器520用于組合選擇的單元對，而定向耦合器521用于將選擇的單元對與選擇的單元之一耦合。對于這個(gè)實(shí)施例，波束選擇如下。式中X等于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(xiàn)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(shí)經(jīng)過雙刀雙擲開關(guān)617，這些單元對在耦合器618與其它單元對進(jìn)行組合。因此，這些波束導(dǎo)出如下，式中X也等于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(jù)圖2A-2E的每個(gè)實(shí)施例，這些單元信號進(jìn)行組合提供根據(jù)本發(fā)明原理的用于自動(dòng)跟蹤一個(gè)目標(biāo)的一個(gè)幅度加權(quán)轉(zhuǎn)向波束信號。鑒于這些示范性的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可想到用于不同用途的不同天線單元結(jié)構(gòu)的其它開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如，陣列的單元數(shù)可以增加到十二個(gè)。在本發(fā)明的原理內(nèi)使開關(guān)網(wǎng)絡(luò)變復(fù)雜了，本發(fā)明的原理僅僅由后面的權(quán)利要求的范圍限定。
權(quán)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(gè)天線單元，一個(gè)信號開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置接到多個(gè)天線單元用于從多個(gè)天線單元的多個(gè)信號中進(jìn)行選擇，和一個(gè)信號耦合器，用于將多個(gè)天線單元中一個(gè)單元的選擇信號與多個(gè)天線饋送的另一個(gè)信號進(jìn)行耦合。
2.根據(jù)權(quán)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(gè)信號同相的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的天線陣列處理器裝置，其中上述耦合產(chǎn)生一個(gè)用于天線波束轉(zhuǎn)向的幅度加權(quán)信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的天線陣列處理器裝置，其中上述多個(gè)天線單元包括四個(gè)這樣的單元，這四個(gè)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(jù)權(quán)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(gè)選擇的波束，每個(gè)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求6的天線陣列處理器裝置，其中四個(gè)選擇的波束的結(jié)果是，每個(gè)波束是從與第五中心單元的信號交叉的四個(gè)單元之一中選擇的信號的幅度加權(quán)組合的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線陣列處理器裝置，還包括一個(gè)第二信號耦合器，信號耦合器的耦合系數(shù)可按感興趣的不同頻帶進(jìn)行選擇。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的天線陣列處理器裝置，其中上述多個(gè)天線單元包括五個(gè)這樣的單元，兩個(gè)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(guān)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(gè)其它單元對的幅度加權(quán)求和信號的和相關(guān)的四個(gè)轉(zhuǎn)向波束。
10.一種提供轉(zhuǎn)向信號的方法，該方法用在包括一個(gè)多個(gè)天線單元陣列和一個(gè)信號組合電路的天線系統(tǒng)中，該方法包括步驟從多個(gè)天線單元陣列輸出的信號中選擇至少一個(gè)信號;幅度加權(quán)該選擇的至少一個(gè)信號;把幅度加權(quán)信號與多個(gè)天線單元陣列輸出的信號中的至少一個(gè)其它信號進(jìn)行求和，合成信號是該天線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該選擇的至少一個(gè)信號包括兩個(gè)信號，這兩個(gè)信號是在幅度加權(quán)前加在一起的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該至少一個(gè)其它信號包括兩個(gè)信號，這兩個(gè)信號是在與選擇的幅度加權(quán)信號求和之前加在一起的。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中選擇用于幅度加權(quán)的該至少一個(gè)信號包括兩個(gè)選擇的信號的和，而該至少一個(gè)其他信號包括兩個(gè)其他選擇的信號的和。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該幅度加權(quán)步驟特別包括由選擇的第一和第二幅度加權(quán)系數(shù)加權(quán)的信號是與頻率無關(guān)的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括控制第一和第二幅度加權(quán)系數(shù)數(shù)值的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括控制幅度加權(quán)步驟的幅度加權(quán)系數(shù)數(shù)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(gè)天線單元，一個(gè)接到多個(gè)天線單元的信號開關(guān)裝置，用于從多個(gè)天線單元的多個(gè)信號中選擇至少一個(gè)單元的至少一個(gè)信號，和一個(gè)信號耦合器，用于把該至少一個(gè)信號，和一個(gè)信號耦合器，用于把該至少一個(gè)選擇信號與另一個(gè)單元的至少一個(gè)其它信號進(jìn)行耦合，該另一個(gè)單元是偏離該至少一個(gè)單元的。
18.一種提供天線系數(shù)的轉(zhuǎn)向信號的方法，天線系數(shù)包括一個(gè)多天線單元的陣列和一個(gè)信號組合電路，該信號組合電路具有相關(guān)的第一和第二幅度加權(quán)系數(shù)，該方法的特征在于預(yù)先確定頻率相關(guān)的第一和第二幅度加權(quán)系數(shù)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(gè)接到多元天線陣列的信號開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于從多元天線陣列輸出的多個(gè)信號中轉(zhuǎn)換選擇一個(gè)信號，和一個(gè)信號耦合器，用于把選擇的一個(gè)信號與多元天線陣列輸出的另一個(gè)信號進(jìn)行耦合。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的信號組合電路，其中，該信號組合電路具有一個(gè)相關(guān)的幅度加權(quán)系數(shù)，用于所選擇的一個(gè)信號或者另一個(gè)信號進(jìn)行幅度加權(quán)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的信號組合電路，該信號組合電路響應(yīng)于控制信號，控制相關(guān)的幅度加權(quán)系數(shù)的數(shù)值。
全文摘要
提供一種多元天線饋送方法與系統(tǒng)，它具有比先前電子掃描波束的方法更好的側(cè)瓣特性。多元天線饋送系統(tǒng)一般包括一個(gè)多元天線，一個(gè)天線陣列處理器，一個(gè)接收器，一個(gè)用于目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤的信號處理器，和一個(gè)天線轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)。通過選擇的單元波束的幅度加權(quán)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(tǒng)的側(cè)瓣。這導(dǎo)致性能的改進(jìn)，減少兩個(gè)正交跟蹤波道之間的交調(diào)失真，相對于頻率的偏離波束控制，以及一個(gè)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(yōu)先權(quán)日1989年6月2日
發(fā)明者小詹姆斯·H·庫克 申請人:亞特蘭大科研公司