用于阵列天线校准的系统和方法与流程

文档序号:11179607
用于阵列天线校准的系统和方法与流程
用于阵列天线校准的系统和方法

背景技术:
天线阵列可以通过允许控制与天线阵列中不同天线元件相关联的信号的相位和振幅来提供改进的天线性能。通过调节单独的天线元件的信号相位或信号振幅,在关联于不同天线元件的不同信号中的信息冗余可以被用于形成期望的波束信号。具体地,可以通过使用耦连至天线阵列中各自的天线元件的可变移相器来操纵天线阵列使天线对准指向角。移相器可以是配置为响应于一组指令引起与不同天线元件相关联的信号的相移的可变移相器。在关联于不同的天线元件的信号之间设置相对相位允许天线指向或适应于适当的指向角,而无需物理移动该天线元件。在主动电子扫描阵列(AESA)的辐射元件振幅和相激发以及远场辐射图样之间存在通过傅里叶变换关系的数学制图。因此光阑幅度和相位误差直接恶化远场辐射性能。AESA校准的目的是最小化这些误差,并且理想地将它们推动到零。现有技术完成了在AESA子组件内的校准不同级别:a)射频集成电路(RFIC)发射/接收模块(TRM),AESA馈送集成层,只是缺乏辐射光阑层,以及c)在辐射近场内部。辐射近场校准是最有力的,因为它考虑了所有有助于辐射振幅和相位误差的机制,然而,现有技术只依靠昂贵的近场天线测量技术来完成它。由于复杂性和测试设备支出,近场辐射测量只在实验室或生产线环境内完成。这导致了仅仅是一次性的“静态”AESA校准。所述“静态”校准不解释场AESA系统的运行参数,例如原位车辆平台诱发的AESA性能扭曲、电子装置老化和灾难性故障的不间断的预报监控/诊断监控、或环境诱发的压力。此外,现有技术在非平台校准中另外的不足是没有执行“自我修复”的能力,即由于TRM性能衰退和/或灾难性故障,全体AESATRM被实时监控和调节以保持规定的全部的AESA性能水平。系统“自我修复”可以最大化系统平均故障间隔时间(MTBF)、调度能力和可用性。

技术实现要素:
一方面,此处公开的发明构思针对包括天线元件阵列、至少一个配置为支持双极化并布置在所述天线元件附近的近场探针(NFP)、以及耦连至所述天线元件阵列和所述NFP的处理器的天线阵列系统。所述处理器可以配置为当被部署在操作平台上时动态地将所述天线阵列系统从操作模式转换到校准模式并根据接收(RX)校准子模式和发射(TX)校准子模式中的至少一个来校准所述天线元件阵列。在RX校准子模式中,处理器可以使得至少一个NFP发射第一校准信号,以及响应于所述第一校准信号,处理器可以从所述天线元件阵列接收第一接收(RX)信号。处理器可以比较所述第一RX信号与第一参考信号,并根据所述第一RX信号与第一参考信号的比较来调节关联于所述天线元件阵列的至少一个天线元件的至少一个信号接收参数。在TX校准子模式中,处理器可以配置为使得所述天线元件阵列中的一个或多个天线元件发射第二校准信号。响应于所述第二校准信号,所述处理器可以从所述至少一个NFP接收至少一个其他RX信号。所述至少一个其他RX信号的每一个都与各自的NFP相关联。处理器可以将所述至少一个其他RX信号的每一个与所述第二参考信号进行比较,并根据此比较来调节与一个或多个所述天线元件的至少一个天线元件相关联的至少一个信号发射参数。在一些实施例中,所述至少一个NFP可以包括双极化的NFP。在一些实施例中,所述天线阵列系统可以包括地平面和布置在所述地平面和所述至少一个NFP之一之间的至少一个人造磁导体、布置在所述地平面和所述天线元件阵列之间的人造磁导体、布置在所述地平面和所述至少一个NFP之一之间的扼流圈以及布置在所述地平面和所述天线元件阵列之间的扼流圈。在一些实施例中,所述天线阵列系统还可以包括耦连至所述天线元件阵列的一个或多个射频(RF)放大器和移相器的网络。在一些实施例中,所述天线阵列系统可以包括耦连至所述天线元件阵列的一个或多个射频放大器和延时器的网络。在一些实施例中,所述处理器可以配置为根据所述RX校准子模式和所述TX校准子模式顺序校准所述天线元件阵列。调节所述至少一个信号接收参数可以包括(i)调节耦连至所述至少一个天线元件的至少一个RF放大器的至少一个信号振幅参数,(ii)调节耦连至所述至少一个天线元件的至少一个移相器的至少一个信号相位参数,或(iii)调节耦连至所述至少一个天线元件的至少一个延时单元的至少一个信号延时参数。调节所述至少一个信号发射参数可以包括(i)调节耦连至发射所述第二校准信号的天线元件的子集的至少一个射频(RF)放大器的至少一个信号振幅参数,(ii)调节耦连至发射所述第二校准信号的天线元件的子集的至少一个移相器的至少一个信号相位参数,或(iii)调节耦连至发射所述第二校准信号的天线元件的子集的至少一个延时单元的至少一个信号延时参数。在一些实施例中,针对天线元件阵列中的天线元件的多个子集中的每个子集,所述处理器可以在所述RX校准子模式中被配置为激活所述天线元件的该子集,而停用天线元件的其他子集中的天线元件,并使得至少一个NFP发射第一校准信号。响应于所述第一校准信号,所述处理器可以接收与天线元件的被激活子集相关联的各自的RX信号。所述处理器可以将关联于天线元件的被激活子集的RX信号与第一参考信号进行比较,并可以根据所述关联于天线元件的被激活子集的RX信号与第一参考信号的比较来调节关联于天线元件的被激活子集的一个或多个信号接收参数。处理器可以针对天线元件的不同子集重复这些步骤。在一些实现方式中,每个子集可以包括单个天线元件。在一些实施例中,当在TX校准子模式中时,处理器可以配置为针对天线元件阵列中的天线元件的多个子集的每个子集使得天线元件的所述子集发射第二校准信号。响应于所述天线元件的所述子集所发射的第二校准信号,处理器可以从至少一个NFP接收至少一个其他RX信号。所述至少一个其他RX信号中的每一个与各自的NFP相关联。处理器可以将所述至少一个其他RX信号中的每一个与第二参考信号进行比较,并根据该比较调节与天线元件的所述子集相关联的至少一个信号发射参数。另一方面,此处公开的发明构思针对一种用于校准天线阵列系统的方法。本方法可以包括,当部署在操作平台上时,由处理器动态地从操作模式切换到校准模式,并根据接收(RX)校准子模式和发射(TX)校准子模式中的至少一个来校准所述天线元件阵列。在所述RX校准子模式中,处理器可以使得至少一个NFP发射第一校准信号以及响应于所述第一校准信号,处理器可以从所述天线元件阵列接收第一接收(RX)信号。处理器可以将第一RX信号与第一参考信号进行比较,并根据第一RX信号与第一参考信号的比较来调节关联于天线元件阵列中的至少一个天线元件的至少一个信号接收参数。在TX校准子模式中,处理器可以配置为使得天线元件阵列中的一个或多个天线元件发射第二校准信号。响应于所述第二校准信号,处理器可以从至少一个NFP接收至少一个其他RX信号。所述至少一个其他RX信号中的每一个与各自的NFP相关联。处理器可以将所述至少一个其他RX信号与第二参考信号进行比较,并根据该比较调节与一个或多个天线元件中的至少一个天线元件相关联的至少一个信号发射参数。另一方面,此处公开的发明构思针对包括天线元件阵列、布置在天线元件附近的近场探针(NFP)、以及耦连至所述天线元件阵列和NFP的处理器的天线阵列系统。所述处理器可配置为当部署在操作平台上时,将所述天线阵列系统动态地从操作模式切换到校准模式,并根据接收(RX)校准子模式和发射(TX)校准子模式中的至少一个来校准天线元件阵列。当在RX校准子模式中时,针对天线元件阵列中的天线元件的多个子集中的每个子集,处理器可以激活天线元件的所述子集,而停用天线元件阵列中的天线元件的其他子集,使得NFP发射第一校准信号,以及响应于所述第一校准信号,从天线元件阵列接收接收(RX)信号。所述RX信号与天线元件的被激活子集相关联。处理器可以根据天线元件的被激活子集的至少一个辐射图样参数、NFP的至少一个辐射图样参数、以及天线元件的被激活子集和NFP之间的至少一个传播路径长度来调节关联于天线元件的被激活子集的RX信号。处理器还可以将关联于天线元件的被激活子集的经调节的RX信号与第一参考信号进行比较,并根据该比较调节关联于天线元件的被激活子集的至少一个信号接收参数。在TX校准子模式中,针对天线元件阵列中的天线元件的多个子集,处理器可以使得天线元件的该子集发射第二校准信号,以及响应于所述第二校准信号,从NFP中接收第二RX信号。处理器可以根据天线元件的该子集的至少一个辐射图样参数、NFP的至少一个辐射图样参数、以及在天线元件的该子集和NFP之间的至少一个传播路径长度来调节第二RX信号。处理器可以将经调节的第二RX信号与第二参考信号进行比较,并根据经调节的第二RX信号与第二参考信号的比较来调节关联于天线元件的该子集的至少一个信号发射参数。在一些实施例中,NFP可以是双极化的NFP。在一些实施例中,天线阵列系统可以进一步地包括至少一个扼流圈或至少一个人造磁导体。在一些实施例中,天线阵列系统可以进一步地包括耦连至天线元件阵列的一个或多个放大器和移相器的网络。在一些实施例中,天线阵列系统可以进一步地包括耦连至天线元件阵列的一个或多个放大器和延时器单元的网络。在一些实施例中,天线元件的被激活子集的至少一个辐射图样参数可以包括关联于查找角的辐射振幅的至少一个、关联于查找角的辐射相和关联于查找的辐射延时。在一些实施例中,NFP的至少一个辐射图样参数可以包括关联于查找角的辐射振幅的至少一个、关联于查找角的辐射相和关联于查找的辐射延时。在一些实施例中,调节至少一个信号接收参数可以包括(i)调节耦连至天线元件的被激活子集的至少一个RF放大器的至少一个信号振幅参数,(ii)调节耦连至天线元件的被激活子集的至少一个移相器的至少一个信号相位参数,或(iii)调节耦连至天线元件的被激活子集的至少一个延时单元的至少一个信号延时参数。调节至少一个信号发射参数可以包括(i)调节耦连至发射第二校准信号的天线元件的子集的至少一个射频(RF)放大器的至少一个信号振幅参数,(ii)调节耦连至发射第二校准信号的天线元件的子集的至少一个移相器的至少一个信号相位参数,或(iii)调节耦连至发射第二校准信号的天线元件的子集的至少一个延时单元的至少一个信号延时参数。另一方面,此处公开的发明构思针对一种用于校准天线阵列系统的方法。该方法可以包括,当被部署在操作平台上时,由处理器将所述天线阵列系统动态地从操作模式切换到校准模式,并根据接收(RX)校准子模式和发射(TX)校准子模式中的至少一个来校准天线元件阵列。在RX校准子模式中,该方法可以包括,针对天线元件阵列中的天线元件的多个子集的每个子集,处理器激活天线元件的该子集,而停用天线元件阵列中的天线元件的其他子集,使得NFP发射第一校准信号,以及响应于所述第一校准信号,从天线元件阵列接收接收(RX)信号。所述RX信号与天线元件的被激活子集相关联。该方法还可以包括处理器根据天线元件的被激活子集的至少一个辐射图样参数、NFP的至少一个辐射图样参数以及在天线元件的被激活子集和NFP之间的至少一个传播路径长度来调节与天线元件的被激活子集相关联的所述RX信号。该方法还可以包括处理器将关联于天线元件的被激活子集的经调节的RX信号与第一参考信号进行比较,并根据该比较来调节关联于天线元件的被激活子集的至少一个信号接收参数。在TX校准子模式中,该方法可以包括,针对天线元件阵列中的天线元件的多个子集中的每个子集,处理器使得天线元件的子集发射第二校准信号,以及响应于所述第二校准信号,从NFP接收第二RX信号。该方法还可以包括处理器根据天线元件的子集的至少一个辐射图样参数、NFP的至少一个辐射图样参数以及在天线元件的子集和NFP之间的至少一个传播路径长度来调节第二RX信号。该方法还可以包括处理器将经调节的第二RX信号与第二参考信号进行比较,并根据经调节的第二RX信号与第二参考信号的比较来调节关联于天线元件的子集的至少一个信号发射参数。在一些实施例中,调节至少一个信号接收参数可以包括(i)调节耦连至天线元件的被激活子集的至少一个RF放大器的至少一个信号振幅参数,(ii)调节耦连至天线元件的被激活子集的至少一个移相器的至少一个信号相位参数,或(iii)调节耦连至天线元件的被激活子集的至少一个延时单元的至少一个信号延时参数。调节至少一个信号发射参数可以包括(i)调节耦连至发射第二校准信号的天线元件的子集的至少一个射频(RF)放大器的至少一个信号振幅参数,(ii)调节耦连至发射第二校准信号的天线元件的子集的至少一个移相器的至少一个信号相位参数,或(iii)调节耦连至发射第二校准信号的天线元件的子集的至少一个延时单元的至少一个信号延时参数。附图说明结合附图,此处公开的发明构思的实施例将从下列详细描述中变得更完全理解,其中同样的参考数字指代相同的元件,其中:图1是根据此处公开的发明构思的一些实施例的、能够执行原位校准的阵列天线系统的框图;图2示出了根据此处公开的发明构思的实施例的、用于天线阵列系统的人造磁导体的示意图;图3示出了光阑激发和相应的远场辐射图样的实施例的方案;图4是例示了可操纵阵列中天线元件的相互耦合参数和各自的复杂的光阑激发之间的关系的一个实施例的示意图;图5是根据此处公开的发明构思的一些实施例的、例示了接收模式中校准可操纵阵列的方法的流程图;图6是例示了在天线阵列系统中NFP和天线元件之间电磁波传播的一个实施例的示意图;图7是根据此处公开的发明构思的某些实施例的、例示了发射模式中校准可操纵阵列的方法的流程图。具体实施方式在详细描述此处公开的发明构思的实施例之前,应该注意的是,此处公开的发明构思包括但不限于部件和电路的新颖结构的组合,也不限于其具体的详细配置。因此,为了不因对本领域的技术人员来说显而易见的结构细节而模糊本公开,部件和电路的结构、方法、功能、控制和布置大部分已经在附图中通过具有此处描述的好处的易于理解的框图表示和原理图进行了阐述,以便不会模糊具有结构细节的本公开,所述结构细节对本领域技术人员来说是容易显而易见的。进一步地,此处公开的发明构思不限于原理图中描绘的具体的实施例,而应该根据权利要求中的语言来解释。天线阵列可以采用可操纵的阵列(或可操纵的天线元件的阵列)来提高天线接收或发射性能。特别是,天线阵列系统可以采用关联于不同的天线元件的信号或波的相长或相消干扰来生成期望的信号或波、波束。示例性地,相长或相消干扰可以例如通过调节关联于不同天线元件的相位或振幅参数来获得。天线阵列系统可以包括,而不限于相控阵列天线系统或电子扫描阵列(ESA)天线系统,诸如有源电子扫描阵列(AESA)天线系统。天线阵列系统可以被用作独立的天线系统或可以是更大的天线系统的一部分。天线阵列系统可以被用于通信系统、卫星通信系统、(卫星通信)传感和/或雷达系统,诸如军事雷达系统或气象雷达系统、电子情报(ELINT)系统、电子计数器测量(ECM)系统、电子支援测量(ESM)系统、目标系统、生物或医学微波成像系统或其他系统。系统中的AESA可以采用平面光阑(aperture)或非平面光阑,诸如圆柱形的、球形的、圆锥的或任意单一的或双曲面以允许到运载平台表面,例如飞行器机身等的保角附接。天线阵列系统一般在部署到操作平台,例如飞行器、船只、车辆或任意其他平台之前被校准。校准过程可以包括设置阵列天线的一个或多个参数值,诸如天线元件关于彼此的相对相位和相对振幅值,例如,以获得在天线阵列表面上的期望的相位和/或振幅分配。在部署之前的天线阵列的校准可以包括调节各自的参数以优化校准环境中的天线阵列系统性能。然而,部署环境条件可能明显不同于校准环境条件,或可能随时间而显著变化。例如,校准可能被执行于室温,而与操作平台,例如飞行器相关联的温度可能随时间而显著变化。例如,在高海拔中,空气温度明显低于室温。而且,在部署环境中的其他的环境条件,例如湿度、大气压力、光照条件和/或振动相对校准环境也可以变化。环境条件中的变化可以不同的方式影响天线阵列系统中的电气和/或机械部件。例如,天线元件(或阵列天线的其他部件)的阻抗或介电常数可以响应于一个或多个环境条件的变化而改变。而且,环境条件的改变可改变元件内互耦参数。阻抗、介电常数、互耦参数、或其他关联于天线阵列系统中一个或多个部件的参数可补偿不足以提供期望的天线性能的被校准的参数(例如相对相位或相对振幅值)。进一步地,发展振幅、相位和延时的元件内关系的TRM中的有源电路也可被环境条件中的改变不利地影响。当天线阵列系统被部署在操作平台上时,各自的天线元件可经受“软”或“硬”故障(failure)。“软”故障的天线元件仍然可以操作(或运行)但不根据预定义的或期望的规格。“软”故障可能作为老化、环境诱发的压力或其他因素的结果发生。“硬”故障的天线元件可以是完全地或灾难性地故障的天线元件,例如由于机械变形或电气连接中的缺陷。该故障无论是“软”的或“硬”的都会降低天线阵列系统的整体性能。为了减轻性能退化岗位部署,例如,由于环境条件或部分或全部部件故障,天线阵列系统可以配置为执行实时原位(即当部署时)校准。天线阵列系统可以定期地或响应于特定事件或条件而执行原位校准。在原位校准期间,天线阵列可以调节一个或多个各自的参数,诸如关联于各自的天线元件的相位或振幅参数,以消除或减轻任何潜在的性能退化。在当前的公开中,公开了任意光阑形状的、配置为执行原位校准和各自原位校准方法的天线阵列系统。该天线阵列系统和校准方法可允许天线阵列性能退化的诊断或预兆的补救。例如,该天线阵列系统可以监控接收或发射性能并响应于被检测到的性能的退化执行校准。在一些实施例中,天线阵列系统可基于例如表明环境条件的实质性变化的传感器数据或基于天线元件的监控数据而预料(或预测)性能退化,并响应于该预测校准天线阵列系统。此处公开的发明构思使能考虑场AESA系统,例如原位运载平台诱发的AESA性能失真、电子装置老化和灾难性故障的持续预兆/诊断的监控、环境诱发的应力的操作参数的动态校准。此外,本发明使能“自我修复”,其中AESATRM被实时监控和调节TRM性能退化和/或灾难性的故障。这一优点对最大化系统平均故障间隔时间(MTBF)、派遣能力和可用性来说至关重要。参考图1,天线阵列系统10包括可操纵阵列12、收发器14、阵列控制模块16和一个或多个近场探针(NFP)18。可操纵阵列12包括多个天线元件20、多个移相器22、多个射频(RF)放大器24(诸如可变增益放大器(VGA)),和/或多个功率分离器26。收发器14包括块上/下转换器30、和数模/数模转换器(ADC/DAC)32、和/或处理器34。阵列控制模块16包括监控模块40、操作控制模块42、和/或校准控制模块44。在更一般的实施例中,均匀激发的无源ESA(PESA)可以省略可变的振幅或被固定的或可切换的数字...
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