用于直接辐射相控阵列天线的模拟波束成形的系统和方法与流程

本公开总体上涉及模拟波束成形，更具体地讲，涉及用于直接辐射相控阵列天线的模拟波束成形的系统和方法。

背景技术：

诸如卫星的通信系统有时使用诸如相控阵列天线的多波束天线。相控阵列天线通常包括多个辐射元件、元件和信号控制电路、信号分配网络、电源和机械支撑结构。这些组件的集成可能是耗时的，可能是重量密集(沉重)，并且可能占据过多空间。

一些已知的多波束相控阵列天线系统包括多个RF输入(被称作元件)。各个元件具有单个输入天线以捕获或辐射RF能量，后面是放大器。所接收的输入信号在放大之后被分割成与N个所得波束对应的N个信号。在分割之后，波束成形器对各个元件的各个信道应用幅度和相位加权。对于M个元件和N个波束的阵列，存在M×N个波束成形路径。来自各个波束和各个元件的信号能量在具有N个层的功率合成器中被合成。对于M个元件和N个波束，需要数量为N,M至一个合成器。

一些已知系统中所使用的大量的移相器、求和器、乘法器以及相关的组件导致相当沉重和庞大的通信系统。此外，这些系统的复杂度常常导致复杂的组装和互连要求。

技术实现要素：

在一方面，公开了一种处理来自天线阵列的数据的方法，所述天线阵列包括分布在中心点的相对侧的多个元件。所述方法包括针对与波束和所述多个元件中的第一元件关联的第一信号确定调节。所述第一元件位于所述天线阵列的所述中心点的第一侧。所述方法包括将所确定的调节应用于所述第一信号，并且将所确定的调节应用于第二信号，所述第二信号与所述波束和所述多个元件中的第二元件关联。所述第二元件位于所述天线阵列的所述中心点的第二侧离所述中心点与所述第一元件基本上相同的距离。

在另一方面，一种处理来自包括布置在第一维度和第二维度上的多个元件的二维天线阵列的数据的方法，所述方法包括：在第一维度上处理与所述多个元件关联的一组信号；以及在第一维度上处理所述一组信号之后在第二维度上处理所述一组信号。

在另一方面，一种通信卫星包括：二维天线阵列，其包括布置在第一维度和第二维度上的多个元件；以及系统，其在通信上耦合至所述多个元件并且被配置为执行信号的波束成形。所述系统被配置为在第一维度上处理与所述多个元件关联的一组信号，并且在第一维度上处理所述一组信号之后在第二维度上处理所述一组信号。

附图说明

图1是包括通信卫星和多个通信源的示例环境的简化框图。

图2是图1的通信卫星的组件的框图。

图3是图1的卫星的相控阵列天线中的天线元件的框图。

图4是可包括在图1的通信卫星中的示例计算装置的框图。

图5是可通过图1的通信卫星实现的用于处理来自天线阵列的数据的处理的高级流程图。

图6是图3所示的天线的列以及入射在天线上的波束的平面波传播方向的示图。

图7是图1所示的卫星的一部分、用于示出根据图5的处理将加权系数应用于信号的示图。

图8是可通过图1的通信卫星实现的用于处理来自天线阵列的数据的另一处理的高级流程图。

图9A至图9C是示出可通过图1的通信卫星实现的针对带宽进行波束端口排序的处理的示图。

图10是可用在图1的通信卫星中的示例模块化波束成形器的简化图。

具体实施方式

图1是包括通信卫星102、第一通信源104、第二通信源106和第三通信源108的示例环境100的简化框图。通信卫星102在第一通信波束112内与第一通信源104交换通信数据，在第二通信波束114中与第二通信源106交换通信数据，在第三通信波束116中与第三通信源108交换通信数据。第一通信源104、第二通信源106和第三通信源108可基于地面、基于空中或者基于太空。

图2是通信卫星102的组件的框图。图2可被视为通信卫星102的侧视图。应该理解，通信卫星102可包括未描述或未示出的附加组件。通信卫星102包括相控阵列天线200。更具体地讲，相控阵列天线200可被编程或调节以选择性地从各种方向和/或源接收信号或波束/向各种方向和/或源发送信号或波束。相控阵列天线200包括阵列元件202、204、206、208、210、212、214和216。阵列元件202、204、206、208、210、212、214和216接收/发送从/向一个或更多个源(例如第一通信源104、第二通信源106和/或第三通信源108)发送的电磁辐射。移相器218、220、222、224、226、228、230和232以及对应的衰减器234、236、238、240、242、244、246和248耦合至阵列元件202、204、206、208、210、212、214和216。为了例示简单，图2所示的移相器和衰减器的数量与元件202、204、206、208、210、212、214和216的数量相同。然而，应该理解，针对每一元件202、204、206、208、210、212、214和216，卫星102包括不止一个移相器。波束成形器250(有时称作波束成形系统、被配置为执行波束成形的系统或者系统)在操作上耦合至移相器218、220、222、224、226、228、230和232以及衰减器234、236、238、240、242、244、246和248，向其发送控制信号以调节所接收的电磁辐射的相位和/或大小，并且形成一个或更多个对应波束。各个波束通常与多个元件、多个移相器和多个衰减器关联。各个波束在包括在波束成形器250中或者耦合至波束成形器250的对应波束端口252、254、256、258、260、262、264和266中被接收。在波束成形器250为模拟的实现方式中，波束端口252、254、256、258、260、262、264和266的数量受硬件限制。在波束成形器250为非模拟的实现方式中，波束端口252、254、256、258、260、262、264和266的数量不受硬件限制。本文所述的一个或更多个处理可利用模拟或非模拟(例如，数字)波束成形器250来实现。

图3是相控阵列天线200的框图。图3可被视为相控阵列天线200的正视图。除了阵列元件202、204、206、208、210、212、214和216(也示出于图2中)以外，相控阵列天线200另外包括阵列元件300-355。阵列元件300-307、315-216、202-214和308-348形成相控阵列天线200的外围。阵列元件300-307形成第一列360。阵列元件308-315形成第二列362。阵列元件316-323形成第三列364。阵列元件324-331形成第四列366。阵列元件332-339形成第五列368。阵列元件340-347形成第六列370。阵列元件348-355形成第七列372，阵列元件202-216形成第八列374。另外，阵列元件300、308、316、324、332、340、348和202形成第一行378。阵列元件301、309、317、325、333、341、349和204形成第二行380。阵列元件302、310、318、326、334、342、350和206形成第三行382。阵列元件303、311、319、327、335、343、351和208形成第四行384。阵列元件304、312、320、328、336、344、352和210形成第五行386。阵列元件305、313、321、329、337、345、353和212形成第六行388。阵列元件306、314、322、330、338、346、354和214形成第七行390，阵列元件307、315、323、331、339、347、355和216形成第八行392。在一些实现方式中，相控阵列天线200的形状不是正方形或矩形。例如，在一些实现方式中，相控阵列天线200为圆形、六边形、八边形或者任何其它合适的形状。相控阵列天线200可包括任何合适数量的阵列元件(无论是比图3所示的六十四个元件多还是少)。

图4是可包括在通信卫星102(示出于图1中)中的示例计算装置400的框图。在一些实现方式中，波束成形器250包括计算装置400。计算装置400可包括总线402、处理器404、主存储器406、只读存储器(ROM)408、存储装置410、输入装置412、输出装置414和通信接口416。总线402可包括允许计算装置400的组件之间的通信的路径。

处理器404可包括解释和执行指令的任何类型的传统处理器、微处理器或处理逻辑。主存储器406可包括随机存取存储器(RAM)或者另一类型的动态存储装置，其存储信息和指令以便于由处理器404执行。ROM 408可包括传统ROM装置或者另一类型的静态存储装置，其存储静态信息和指令以便于处理器404使用。存储装置410可包括磁和/或光学记录介质及其对应驱动器。

输入装置412可包括允许计算装置400接收命令、指令或来自用户的其它输入(包括视觉、音频、触摸、按钮按压、手写笔轻敲等)的传统机制。另外，输入装置可接收位置信息。因此，输入装置412可包括例如相机、鼠标、麦克风、一个或更多个按钮和/或触摸屏。输出装置414可包括向用户输出信息的传统机制，包括显示器(包括触摸屏)和/或扬声器。一些实现方式不包括输入装置412和/或输出装置414。通信接口416可包括使得计算装置400能够与其它装置和/或系统通信的任何类似收发器的机制。例如，通信接口416可包括用于与另一装置(例如，相控阵列天线200、通信源104、106、108)和/或其它装置(未示出)通信的机制。

如本文所用，计算装置400通过向相控阵列天线200的移相器218、220、222、224、226、228、230和232以及衰减器234、236、238、240、242、244、246和248发送指令以生成多个波束112、114和/或116来方便波束成形。响应于处理器404执行包含在计算机可读介质(例如，存储器406)中的软件指令，计算装置400可执行这些和其它操作。计算机可读介质可被定义为物理或逻辑存储器装置和/或载波。软件指令可从另一计算机可读介质(例如，数据存储装置410)或者经由通信接口416从另一装置被读取到存储器406中。包含在存储器406中的软件指令可使得处理器404执行本文所述的处理。在其它实现方式中，可代替软件指令或者与软件指令组合使用硬线电路，以实现与本文的主题一致的处理。因此，与本文所公开的主题的原理一致的实现方式不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

图5是利用诸如天线200(示出于图3中)的直接辐射相控阵列天线进行波束成形的处理500的高级流程图。处理500可用于波束成形以用于信号的发送或接收。处理500可通过例如通信卫星102(示出于图1和图2中)来实现。在其它实现方式中，处理500被实现于飞行器(未示出)、地面站(未示出)或者任何其它合适的平台中。处理500将进一步参照图6来描述。图6是天线200的列374的对称部分以及入射在天线200上的波束的平面波传播方向602的示图600。列374的对称部分关于中心点604基本上对称。

在502，针对与天线200的对称部分的第一元件(例如，元件216)关联的第一信号和波束确定调节。天线200的对称部分可以是天线200的关于中心点基本上对称的任何部分。例如，天线200的对称部分可以是天线200的一些或所有行或列。在示例实现方式中，调节是对信号应用相移。更具体地讲，调节是对信号应用加权系数以使信号相移预定量。所接收的信号相移的量基于元件216的中心605与垂直于方向602并且穿过中心点604的线606之间的路径距离D来确定。对于元件214，路径距离为距离D’。

在示例实现方式中，诸如第一信号的信号被分割成同相分量和正交分量。针对信号的各个分量确定调节。

处理500包括：将所确定的调节应用于504与第一元件关联的第一信号以及与第二元件(例如元件202)关联的第二信号以及波束。参照图6，元件202是元件216的共轭，因为它们距中心点604基本上相同的距离，但是在中心点604的相对侧。元件202与线606之间的路径距离为距离–D，与元件216与线606之间的路径距离D相比该距离–D具有相同的大小，但是方向相反。这种对称性允许相同的加权被应用于与元件202和216关联的信号。这减少了需要计算的加权系数的数量并且减少了波束成形所需的组件的数量。可横跨直接辐射相控阵列天线的对称部分中的各个共轭对的元件应用相同的处理。在图6中，例如，来自元件202和216的信号被给予相同的加权，来自元件204和214的信号被给予相同的加权，来自元件206和212的信号被给予相同的加权，来自元件208和210的信号被给予相同的加权。

图7是卫星102的一部分、用于示出根据处理500将加权系数应用于来自元件216和202的信号的示图700。与对来自各个元件的信号单独地进行计算和加权的已知系统不同，处理500允许计算单组加权系数并将其应用于来自中心点的相对侧的共轭元件(例如，元件216和202)的信号。来自元件216的第一信号被分离成同相分量I和正交分量–Q。例如通过波束成形器250针对第一信号确定期望的调节，并且计算权重W_I和W_Q以分别应用于同相分量I和正交分量–Q。来自元件202的第二信号被分离成同相分量I和正交分量Q。两个同相分量I通过求和器702求和，两个正交分量Q和–Q通过求和器704求和。经求和的同相分量在乘法器706处与确定的同相权重W_I相乘，经求和的正交分量通过乘法器708与确定的正交权重W_Q相乘。然后，经相移的同相分量和经相移的正交分量通过求和器710来求和并输出以用于波束成形。

图8是利用诸如天线200(示出于图3中)的直接辐射相控阵列天线进行波束成形的处理800的高级流程图。处理800可用于波束成形以用于信号的发送或接收。处理800可通过例如通信卫星102(示出于图1和图2中)来实现。在其它实现方式中，处理800被实现于飞行器(未示出)、地面站(未示出)或者任何其它合适的平台中。处理800可与处理500组合执行，或者可在不执行处理500的系统中执行。

处理800包括对天线元件的二维阵列的第一维度进行波束成形802。在示例实现方式中，波束成形器250对各个行378、380、382、384、386、388、390和392进行波束成形以创建一组高而瘦的列波束。用于各个行378、380、382、384、386、388、390和392中的元件的通信业务可利用方法500或者任何其它合适的波束成形方法进行波束成形。在804，对天线元件的二维阵列的第二维度进行波束成形。在示例实现方式中，波束成形器250对各个列360、362、364、366、368、370、372和374进行波束成形以将列波束转换为点波束。用于各个列360、362、364、366、368、370、372和374中的元件的通信业务可利用方法500或者任何其它合适的波束成形方法进行波束成形。

在一些实现方式中，处理800包括确定通信业务(例如，来自阵列元件的信号/到阵列元件的信号)的带宽要求。可选择性地将系数应用于波束成形的信号以根据带宽要求和特定波束端口(例如，波束端口252、254、256、258、260、262、264和266)的带宽容量来对信号进行路由。图9A至图9C示出针对带宽的波束端口排序的示例实现方式。示出通信业务的六十四个波束成形的波束902以用于连接至六十四个波束端口(类似于波束端口252、254、256、258、260、262、264和266)。各个波束902的业务量由不同的阴影来指示。阴影904指示没有业务，阴影906指示最少业务，阴影908指示第二多业务，阴影910指示最大业务。在图9A中，通信业务未排序。图9B示出在按照列容量对业务进行排序之后的结果，图9C示出在按照行对图9B中的各列进行排序之后的结果。线912和914将波束902分割成三个组。线912左侧的波束902连接至能够更大带宽传输的宽带波束端口。线914右侧的波束902没有连接至波束端口。线912和914之间的波束902连接至较低带宽波束端口。

使用处理800对一维波束成形进行级联允许模块化系统用于波束成形。行和列波束成形器可在诸如印刷布线板(PWB)的平面板上构造，而无需复杂的布线互连。例如，阵列天线200的各列可具有形成在单个PWB上的它自己的波束成形器，用于各列的各个列波束成形器可基本上相同。类似地，天线200的各行可具有在单个PWB上的它自己的行波束成形器，其与各个其它行波束成形器基本上相同。

图10是示例模块化波束成形器1000(有时称作波束成形系统、被配置为执行波束成形的系统或者系统)的简化图。模块化波束成形器1000可用作行波束成形器或列波束成形器。模块化波束成形器1000可用于发送或接收波束成形。模块化波束成形器1000包括板1002。在示例实现方式中，板1002是印刷布线板。在其它实现方式中，板1002是印刷电路板或者适合用在模块化波束成形器中的任何其它板。连接器1004用于将模块化波束成形器1000连接至相控阵列天线200的阵列元件。模块化波束成形器1000的波束成形输出通过连接器1006来输出。连接器1004和1006是同轴连接器。另选地，连接器1004可以是任何其它合适类型的连接器。模块化波束成形器1000包括用于各个连接器1004的信号分离电路1008。来自各个分离电路1008的分离的信号通过导线1010被分配给波束成形电路1012。波束成形电路1012包括求和器1014以及可编程放大器、延迟器和/或移相器1016以对所接收的信号进行波束成形。在一些实现方式中，波束成形电路1012被配置为执行处理500。波束成形的信号经由连接器1006从波束成形器电路1012和模块化波束成形器1000输出。

与一些已知的波束成形系统相比，本文所述的实现方式减少了组件的数量和波束成形系统的复杂度。对与对称地分散在中心点周围的元件关联的信号进行波束成形的实现方式使必须计算的加权因子的数量减少了一半，因为成对的馈送使用共享相同的加权因子。所需的乘法器的数量也减少了一半。组件的数量的减少通常将使波束成形系统的尺寸和/或重量减小。需要确定的不同的加权因子的数量的减少也可导致更快的系统操作和/或允许使用不太强大的组件，例如数字波束成形系统中的处理器。与每波束每元件使用一个移相器的传统波束成形器相比，使用级联的一维行波束成形以及随后的一维列波束成形的实现方式使所需的移相器的数量减少了大约一个数量级。此外，行和列波束成形器可被实现于平面PWB上以增加模块化程度并且减小系统和互连的复杂度。由于示例实现方式可消除与数字处理器关联的中频变频器，所以实现方式可使得系统中需要更少的上变频器/下变频器。示例实现方式还可通过使用系数操纵增加通信系统资源的有效使用，以基于带宽要求和可用性提供波束端口路由。

本文所述的系统和方法的技术效果包括下列中的至少一个：(a)针对与波束和多个元件中的第一元件关联的第一信号确定调节；(b)将所确定的调节应用于第一信号；(c)将所确定的调节应用于与波束和所述多个元件中的第二元件关联的第二信号；(d)在第一维度中处理与多个元件关联的一组信号；以及(e)在第一维度中处理所述一组信号之后在第二维度中处理所述一组信号。

另外，本公开包括根据以下条款的实施方式：

条款1.一种处理来自天线阵列的数据的方法，所述天线阵列包括分布在中心点的相对侧的多个元件，所述方法包括以下步骤：

针对与波束和所述多个元件中的第一元件关联的第一信号确定调节，所述第一元件位于所述天线阵列的所述中心点的第一侧；

将所确定的调节应用于所述第一信号；以及

将所确定的调节应用于与所述波束和所述多个元件中的第二元件关联的第二信号，所述第二元件位于所述天线阵列的所述中心点的第二侧离所述中心点与所述第一元件基本上相同的距离。

条款2.根据条款1所述的方法，其中，针对所述第一信号确定调节的步骤包括确定要应用于所述第一信号和所述第二信号的至少一个加权系数。

条款3.根据条款2所述的方法，其中，确定至少一个加权系数的步骤包括确定要应用于所述第一信号和所述第二信号的同相加权系数和正交加权系数。

条款4.根据条款3所述的方法，该方法还包括以下步骤：

确定所述第一信号和所述第二信号中的每一个的同相分量；以及

确定所述第一信号和所述第二信号中的每一个的正交分量。

条款5.根据条款4所述的方法，该方法还包括以下步骤：

对第一信号同相分量和第二信号同相分量求和以创建求和的同相信号；以及

对第一信号正交分量和第二信号正交分量求和以创建求和的正交信号。

条款6.根据条款5所述的方法，其中，将所确定的调节应用于所述第一信号以及将所确定的调节应用于第二信号的步骤包括利用所述同相加权系数对所述求和的同相信号加权并且利用所述正交加权系数对所述求和的正交信号加权。

条款7.根据条款6所述的方法，该方法还包括步骤：对经加权的求和的同相信号和经加权的求和的正交信号求和。

条款8.根据条款1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其中，所述天线阵列包括直接辐射阵列天线。

条款9.一种处理来自二维天线阵列的数据的方法，所述二维天线阵列包括布置在第一维度和第二维度上的多个元件，所述方法包括以下步骤：

在所述第一维度上处理与所述多个元件关联的一组信号；以及

在所述第一维度上处理所述一组信号之后在所述第二维度上处理所述一组信号。

条款10.根据条款9所述的方法，其中，在所述第一维度上处理与所述多个元件关联的所述一组信号的步骤包括在所述第一维度上对所述一组信号进行波束成形，并且在所述第二维度上处理所述一组信号的步骤包括在所述第二维度上对所述一组信号进行波束成形。

条款11.根据条款10所述的方法，其中，在所述第二维度上对所述一组信号进行波束成形的步骤包括基于在所述第一维度上波束成形的所述一组信号在所述第二维度上对所述一组信号进行波束成形。

条款12.根据条款9、10或11所述的方法，其中，所述二维天线阵列包括直接辐射天线。

条款13.根据条款9、10、11或12所述的方法，其中，所述多个元件按照多个行和多个列布置，并且其中：

在所述第一维度上处理与所述多个元件关联的所述一组信号的步骤包括按照行处理与所述多个元件关联的所述一组信号；以及

在所述第二维度上处理所述一组信号的步骤包括按照列处理所述一组信号。

条款14.一种通信卫星，该通信卫星包括：

二维天线阵列，该二维天线阵列包括布置在第一维度和第二维度上的多个元件；

系统，该系统在通信上耦合至所述多个元件并且被配置为执行信号的波束成形，所述系统被配置为：

在所述第一维度上处理与所述多个元件关联的一组信号；并且

在所述第一维度上处理所述一组信号之后在所述第二维度上处理所述一组信号。

条款15.根据条款14所述的通信卫星，其中，所述系统被配置为通过按照行对所述一组信号进行波束成形来在所述第一维度上处理所述一组信号，并且所述波束成形器被配置为通过在按照行对所述一组信号进行波束成形之后按照列对所述一组信号进行波束成形来在所述第二维度上处理所述一组信号。

条款16.根据条款15所述的通信卫星，其中，所述二维天线阵列的所述多个元件按照多个行和多个列布置，所述二维天线阵列的所述多个行中的各行包括所述多个元件中的分布在中心点的相对侧的元件，并且所述系统被配置为通过以下操作来按照行对所述一组信号进行波束成形：

针对与行中的第一元件关联的第一信号确定调节，所述第一元件位于所述行的所述中心点的第一侧；

将所确定的调节应用于所述第一信号；以及

将所确定的调节应用于与所述行中的第二元件关联的第二信号，所述第二元件位于所述行的所述中心点的第二侧离所述中心点与所述第一元件基本上相同的距离。

条款17.根据条款16所述的通信卫星，其中，所述系统被配置为通过确定要应用于所述第一信号和所述第二信号的同相加权系数和正交加权系数来针对所述第一信号确定调节。

条款18.根据条款17所述的通信卫星，其中，所述系统被配置为：

确定所述第一信号和所述第二信号中的每一个的同相分量；

对第一信号同相分量和第二信号同相分量求和以创建求和的同相信号；

确定所述第一信号和所述第二信号中的每一个的正交分量；并且

对第一信号正交分量和第二信号正交分量求和以创建求和的正交信号。

条款19.根据条款18所述的通信卫星，其中，所述系统被配置为通过利用所述同相加权系数对所述求和的同相信号加权并且利用所述正交加权系数对所述求和的正交信号加权来将所确定的调节应用于所述第一信号并且将所确定的调节应用于第二信号。

条款20.根据条款19所述的通信卫星，其中，所述系统还被配置为对经加权的求和的同相信号和经加权的求和的正交信号求和。

不同的有利实现方式的描述出于例示和描述的目的而呈现，并非意在穷尽性的或者限于所公开的形式的实现方式。对于本领域普通技术人员而言许多修改和变化将是显而易见的。另外，不同的有利实现方式与其它的有利实现方式相比可提供不同的优点。所选择的实现方式被选择并描述以便最佳说明实现方式的原理、实际应用并且使得本领域普通技术人员能够理解各种实现方式的公开以及适合于可以想到的具体应用的各种修改。所撰写的此说明书使用示例来公开各种实现方式(包括最佳模式)，以使得本领域技术人员能够实践那些实现方式(包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法)。专利范围由权利要求书来限定，可包括本领域技术人员可以想到的其它示例。这些其它示例旨在如果具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件或者如果包括与权利要求的字面语言没有实质不同的等同结构元件，则将落入权利要求书的范围内。