СИСТЕМА ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
PHASED ANTENNA ARRAY SYSTEM

Область техники
Настоящее описание в основном относится к области связи и, более конкретно, к фазированной антенной решетке.
Предпосылки создания изобретения
Фазированная решетка или решетка с электронным сканированием представляет собой управляемую антенную решетку, выполненную с возможностью создания луча радиоволн, который может быть направлен электронным способом для наведения в разных направлениях без перемещения антенн. В антенной решетке радиочастотный ток от передатчика подают на отдельные антенны с соответствующим фазовым соотношением таким образом, что радиоволны от отдельных антенн суммируются друг с другом с увеличением излучения в требуемом направлении при одновременной нейтрализации с подавлением излучения в нежелательных направлениях. Направленные области с высоким коэффициентом усиления, называемые «лучами», образуют путем сдвига фазы сигнала, излучаемого каждым излучающим элементом, для обеспечения усиливающей и ослабляющей интерференции для направления лучей в требуемом направлении. Относительные амплитуды сигналов, излучаемых отдельными антеннами, определяют диаграмму эффективного излучения решетки. Фазированную решетку можно использовать для наведения фиксированной диаграммы излучения или для быстрого сканирования по азимуту или углу места.
Изложение сущности изобретения
В соответствии с одним примером предложена фазированная антенная решетка, которая представляет собой решетку из антенных элементов, создающих луч в направлении электрической оси антенны. Множество фазовращателей реагируют на команды регулировки фаз из множества радиочастотных (РЧ) сигналов, передаваемых на решетку из антенных элементов. Контроллер передает команды на множество фазовращателей. Переданные команды используют в множестве фазовращателей для направления луча в пределах диапазона углов сканирования относительно направления электрической оси антенны. Множество сигналов усиливается множеством усилителей. Каждый из множества усилителей подключен к порту антенны решетки из антенных элементов и имеет рабочую характеристику, которая зависит от импеданса порта антенны у порта антенны. Импеданс антенны изменяется в зависимости от угла сканирования луча в пределах диапазона углов сканирования, а усилители выполнены таким образом, что максимальной рабочей характеристики достигают при значении импеданса порта антенны, которое соответствует конкретному углу сканирования в пределах диапазона углов сканирования, который отличается от направления электрической оси антенны.
В соответствии с другим примером предложен способ реализации фазированной антенной решетки, имеющей направление электрической оси антенны. Угол сканирования в пределах определенного диапазона углов сканирования для фазированной антенной решетки выбирают таким образом, чтобы выбранный угол сканирования отличался от угла сканирования, связанного с направлением электрической оси антенны. Импеданс порта антенны для каждого из множества антенных элементов, составляющих фазированную антенную решетку, изменяется в зависимости от угла сканирования фазированной антенной решетки. Каждый из множества усилителей подключен к порту антенны одного из множества антенных элементов. Каждый из множества усилителей выполнен таким образом, что максимальное значение рабочей характеристики множества усилителей достигается, когда импеданс у порта антенны соответствует выбранному углу сканирования.
В соответствии еще с одним примером фазированная антенная решетка представляет собой решетку из антенных элементов, создающих луч в направлении электрической оси антенны. Первый набор фазовращателей реагирует на команды регулировки фаз из радиочастотных (РЧ) сигналов, принимаемых в решетке из антенных элементов. Второй набор фазовращателей выполнен с возможностью реагирования на команды регулировки фаз передаваемых сигналов для выполнения передачи с помощью решетки из антенных элементов. Контроллер передает команды для первого набора фазовращателей и второго набора фазовращателей. Переданные команды используют для направления луча в пределах диапазона углов сканирования относительно направления электрической оси антенны. Первый набор усилителей усиливает сигналы, принимаемые в решетке из антенных элементов. Каждый из первого набора усилителей подключен к порту антенны решетки из антенных элементов и имеет первую рабочую характеристику, которая зависит от импеданса порта антенны у порта антенны. Импеданс антенны изменяется в зависимости от угла сканирования луча в пределах диапазона углов сканирования, причем максимальная первая рабочая характеристика достигается при первом значении импеданса порта антенны, которое соответствует первому углу сканирования, который отличается от направления электрической оси антенны. Второй набор усилителей усиливает передаваемые сигналы, подлежащие передаче с помощью решетки из антенных элементов. Каждый из второго набора усилителей подключен к порту антенны решетки из антенных элементов и имеет вторую рабочую характеристику, которая зависит от импеданса порта антенны у порта антенны, причем максимальная вторая рабочая характеристика достигается при втором значении импеданса порта антенны, которое соответствует второму углу сканирования, который отличается от каждого из направления электрической оси антенны и первого угла сканирования.
Краткое описание графических материалов
Вышеизложенные и другие признаки настоящего изобретения будут очевидны для специалистов в данной области, к которой относится настоящее изобретение, после ознакомления с нижеследующим описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен график, иллюстрирующий один пример снижения коэффициента усиления антенны;
на фиг. 2 представлен график, иллюстрирующий рабочую характеристику одного примера усилителя, настроенного в соответствии с системой и способами, представленными в настоящем документе;
на фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий уменьшение изменения характеристики антенной системы в диапазоне углов сканирования для данной системы;
на фиг. 4 представлен пример фазированной антенной решетки;
на фиг. 5 представлена принципиальная схема антенного тракта с антенным элементом и малошумящим усилителем, соединенными посредством контура согласования импеданса;
на фиг. 6 представлена диаграмма Смита, иллюстрирующая один пример преобразования импеданса, обеспечиваемого с помощью контура согласования импеданса, изображенного на фиг. 2;
на фиг. 7 представлена диаграмма Смита, иллюстрирующая еще один пример преобразования импеданса, обеспечиваемого с помощью контура согласования импеданса, изображенного на фиг. 2;
на фиг. 8 представлен один вариант реализации фазированной антенной решетки с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны;
на фиг. 9 представлен еще один вариант реализации фазированной антенной решетки с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны;
на фиг. 10 представлен еще один вариант реализации фазированной антенной решетки с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны; и
на фиг. 11 представлен пример способа реализации фазированной антенной решетки, имеющей направление электрической оси антенны.
Подробное описание
В фазированной антенной решетке коэффициент усиления антенного луча уменьшается по мере того, как угол сканирования изменяется от направления электрической оси антенны, в котором антенна обеспечивает максимальный коэффициент усиления. Это называют потерями на сканирование. Угол сканирования находится в системе координат антенны и может изменяться вдоль множества осей (например, азимута и угла места). На фиг. 1 представлен график 10, иллюстрирующий один пример снижения коэффициента усиления антенны решетки из антенных элементов фазированной антенной решетки, представленного в децибелах коэффициента усиления относительно изотропного излучателя (dBi) по вертикальной оси 12 в зависимости от угла (угла места в данном примере), представленного в градусах, по отношению к направлению электрической оси антенны по горизонтальной оси 14. Как можно видеть из графика 16, коэффициент усиления антенны значительно снижается в диапазоне углов 18 сканирования для данной системы по мере того, как угол места отклоняется от направления электрической оси антенны.
Характеристики усилителей, подключенных к решетке из антенных элементов фазированной антенной решетки, также могут зависеть от импеданса антенны антенных элементов в решетке, который изменяется в зависимости от угла сканирования. Импеданс антенны может варьироваться от варианта осуществления к варианту осуществления в зависимости от различных факторов и может, например, быть определен эмпирически и/или аналитически. Оптимизация характеристики усилителя в отношении импеданса антенны в направлении электрической оси антенны приводит к ухудшению характеристики усилителя при углах сканирования, удаленных от направления электрической оси антенны. Один из подходов к снижению чувствительности усилителя к изменению импеданса антенны представляет собой размещение между ними изолятора. Однако в больших решетках это может предполагать чрезмерно большие затраты. Кроме того, РЧ-потери в изоляторе влияют на характеристику антенны.
Комбинация потерь на сканирование и ухудшения характеристики усилителя при углах сканирования, отличных от направления электрической оси антенны, вместе приводят к значительному ухудшению общей характеристики антенной системы. Соответственно, системы и способы, описанные в настоящем документе, уменьшают влияние потери усиления при больших углах сканирования за счет конфигурирования усилителей таким образом, чтобы максимальная рабочая характеристика усилителей соответствовала импедансу антенны при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны с максимальным коэффициентом усиления антенны. Используемый в настоящем документе термин «максимальная рабочая характеристика» обозначает относительное максимальное значение в диапазоне углов сканирования, для работы в котором фазированную антенную решетку конфигурируют с помощью команд, подаваемых на фазовращатели. Рабочая характеристика может изменяться от варианта осуществления к варианту осуществления и может зависеть от того, используется ли фазированная антенная решетка для передачи и/или приема. Используемый в настоящем документе термин «рабочая характеристика» усилителя по существу относится к любому показателю усилителя, более высокое значение которого указывает на лучшую характеристику усилителя. В некоторых вариантах осуществления максимальную «рабочую характеристику» усилителя достигают путем минимизации параметра, более низкое значение которого указывает на лучшую характеристику. Например, в некоторых вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, максимального отношения сигнал/шум (SNR) на выходе к SNR на входе усилителя достигают путем минимизации уровня шума, поскольку уровень шума представляет собой отношение SNR на входе к отношению SNR на выходе в дБ.
На фиг. 2 представлен график 30, иллюстрирующий рабочую характеристику одного примера усилителя, сконфигурированного в соответствии с системой и способами, представленными в настоящем документе. В частности, усилитель выполнен таким образом, что максимальная рабочая характеристика соответствует импедансу антенны при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны. Характеристика усилителя представлена вертикальной осью 32, причем более высокое значение указывает на лучшую характеристику, а угол места представлен в градусах относительно направления электрической оси антенны на горизонтальной оси 34. Как видно из графика 36, характеристика усилителя достигает максимального значения 38 при угле сканирования, близком к центру диапазона углов 40 сканирования для системы, по сравнению с направлением электрической оси антенны.
Как будет подробно описано в настоящем документе, это приводит к уменьшению изменения показателя характеристики антенной системы, например отношения коэффициента усиления антенны к шумовой температуре (G/T) для принимаемого сигнала или эффективной мощности изотропного излучения (EIRP) для передаваемого сигнала при угле сканирования, обеспечивающем лучшую характеристику при больших углах сканирования. На фиг. 3 представлен график 50, иллюстрирующий уменьшение изменения показателя характеристики антенной системы в диапазоне углов 52 сканирования, для работы в котором сконфигурирована фазированная антенная решетка. Показатель характеристики антенной системы представлен вертикальной осью 54, причем более высокое значение указывает на лучшую характеристику, а угол места представлен в градусах по отношению к направлению электрической оси антенны на горизонтальной оси 56. Первый график 58 отражает характеристику системы, в которой отсутствуют улучшения, описанные в настоящем документе. Как видно из графика 58, показатель характеристики антенны в такой системе достигает максимума в направлении электрической оси антенны и резко снижается по мере изменения угла места от направления электрической оси антенны.
Второй график 60 отражает характеристику системы, в которой используют усилители, сконфигурированные, как описано в данном документе, таким образом, что максимальная рабочая характеристика усилителей соответствует импедансу антенны при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны (в данном примере 0 градусов), как показано, например, на фиг. 2. В направлении электрической оси антенны коэффициент усиления антенны является максимальным, в то время как характеристика усилителя снижается относительно его максимальной характеристики. Соответственно, общая характеристика системы в направлении электрической оси антенны незначительно ухудшается по сравнению с характеристикой системы, представленной на первом графике 58. При больших углах сканирования коэффициент усиления антенны ниже, но характеристика усилителя ухудшается в меньшей степени по сравнению с максимальной характеристикой, соответствующей электрической оси антенны. В результате характеристика антенны действительно улучшается по мере отклонения угла места от направления электрической оси антенны до точки, в которой достигают максимальной характеристики антенны. Следует понимать, что максимальная характеристика, как правило, будет обеспечена для угла сканирования из диапазона между углом сканирования, для которого был настроен импеданс антенны, и направлением электрической оси антенны. Затем характеристика антенны постепенно ухудшается по мере того, как угол места отклоняется дальше, чем электрическая ось антенны, но значительно медленнее, чем в системе, представленной на первом графике 58, что позволяет обеспечить превосходную характеристику в большей части диапазона углов 52 сканирования. В результате характеристики антенны в совокупности достигают максимума в диапазоне углов 52 сканирования.
На фиг. 4 показан пример фазированной антенной решетки 100. Следует понимать, что фазированная антенная решетка 100 является упрощенным представлением, показанным для примера, и что антенна может содержать дополнительные компоненты, которые не показаны в настоящем документе. Фазированная антенная решетка представляет собой решетку из антенных элементов 102, которая обеспечивает луч в направлении электрической оси антенны. Множество фазовращателей 104 реагируют на команды для регулировки фаз из множества радиочастотных (РЧ) сигналов, передаваемых с помощью решетки из антенных элементов 102. Контроллер 106 передает команды на множество фазовращателей 104. Контроллер 106 может быть реализован в виде аппаратного обеспечения, например, в виде одной или более специализированных интегральных схем (ASIC), программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA), в виде программного обеспечения, в виде исполняемых с помощью машины команд, хранимых на энергонезависимом носителе и исполняемых соответствующим процессором, или в виде комбинации аппаратного и программного обеспечения. Множество фазовращателей 104 используют переданные команды для сканирования луча в пределах диапазона углов сканирования относительно направления электрической оси антенны.
Множество сигналов усиливается множеством усилителей 108. В показанном варианте реализации усилители 108 усиливают принятый сигнал, и, таким образом, они могут быть реализованы в виде малошумящих усилителей, хотя следует понимать, что характеристики усилителей могут варьироваться. Каждый из множества усилителей 108 соединен с портом антенны решетки из антенных элементов 102 и, таким образом, имеет рабочую характеристику, которая зависит от импеданса порта антенны у порта антенны. Импеданс антенны изменяется в зависимости от угла сканирования луча в пределах диапазона углов сканирования, а усилители 108 выполнены таким образом, что максимальной рабочей характеристики, такой как отношение SNR на выходе к отношению SNR на входе, достигают при значении импеданса порта антенны, которое соответствует конкретному углу сканирования в пределах диапазона углов сканирования, который отличается от направления электрической оси антенны. Как указано выше, максимизация отношения SNR на выходе к отношению SNR на входе усилителей 108 эквивалентна минимизации уровня шума усилителей 108, и, таким образом, в настоящем документе для удобства описана минимизация уровня шума (также называемая «согласованием шума»). В вариантах реализации способ, с помощью которого усилители 108 способны согласовывать шум с конкретным значением импеданса порта антенны, которое соответствует конкретному углу сканирования, может варьироваться. Например, входной контур согласования усилителя может быть выполнен с возможностью обеспечения соответствующего преобразования импеданса, причем может быть выбран ток смещения усилителя, который позволит обеспечить согласование шума, можно использовать дегенерацию или можно использовать любой другой подходящий способ выбора импеданса.
опт
A
На фиг. 5 представлена принципиальная схема антенного тракта 150 с антенным элементом 152 и малошумящим усилителем (МШУ) 154, соединенными контуром 160 согласования импеданса. Контур 160 согласования импеданса и МШУ 154 могут, например, в совокупности представлять собой один из L последовательно расположенных контуров усилителей с катушкой 162 индуктивности, подключенной последовательно между антенным элементом 152 и малошумящим усилителем 154, а также шунтирующим конденсатором 164. Величины индуктивности катушки 162 индуктивности и емкости конденсатора 164 могут быть выбраны таким образом, чтобы отрегулировать импеданс источника на входе малошумящего усилителя 154 до требуемого значения, Z, от известного значения импеданса, Z, у порта антенного элемента 152.
A
1
A
1
опт
1
опт
На фиг. 6 представлена диаграмма 180 Смита, иллюстрирующая один пример преобразования импеданса, обеспечиваемого с помощью контура согласования импеданса, изображенного на фиг. 5. В проиллюстрированном примере угол сканирования фазовой решетки находится на электрической оси антенны, а импеданс, наблюдаемый у порта антенны, обозначен как Z. Первым этапом преобразования является установка индуктивности (катушки 162 индуктивности) последовательно с выходом антенны. Это приводит к перемещению импеданса в точку, обозначенную как Z на диаграмме Смита. Величина индуктивности определяется величиной реактивного сопротивления, требуемого для перемещения из точки Z к точке Z вдоль единичной окружности. Второй этап заключается в установке шунтирующего конденсатора для обеспечения оптимального импеданса Z источника. Величина емкости определяется реактивной проводимостью, требуемой для перемещения из точки Z в точку Z.
На фиг. 7 представлена диаграмма 190 Смита, иллюстрирующая еще один пример преобразования импеданса, обеспечиваемого с помощью контура согласования импеданса, изображенного на фиг. 5. В показанном примере угол сканирования фазовой решетки представляет собой угол сканирования, отличный от электрической оси антенны, а импеданс у порта антенны, соответственно, отличается от показанного на фиг. 3. В примере по фиг. 4 также можно использовать контур согласования импеданса, показанный на фиг. 2, но величины индуктивности катушки 162 индуктивности и емкости конденсатора 164 изменяют для корректировки изменения импеданса у порта антенны. В конкретном примере, показанном на фиг. 4, импеданс и емкость увеличились по сравнению с их величинами, показанными на фиг. 3.
Как показано на фиг. 4, во время работы показанная фазированная антенная решетка 100 выполнена с возможностью приема сигнала с требуемого направления угла сканирования относительно направления электрической оси антенны. Каждый из множества антенных элементов 102 принимает сигнал элемента (также называемый в настоящем документе «приемными сигналами»), который затем усиливают с помощью соответствующего одного из множества усилителей 108. Затем усиленные сигналы элемента подают на множество фазовращателей 104, которые применяют соответствующие сдвиги фазы к сигналам элемента в зависимости от требуемого угла сканирования луча, как указано сигналами управления (также называемыми в настоящем документе «командами») от контроллера 106. Затем сигналы элемента со сдвигом по фазе передают в контур 110 формирования луча, объединяющий сигналы элемента для создания сигнала луча, соответствующего требуемому углу сканирования. В показанном варианте осуществления требуемый угол сканирования обеспечивают путем регулирования фазы сигналов элемента с помощью фазовращателей 104. В некоторых вариантах осуществления фазированная антенная решетка 100 дополнительно содержит схемы регулирования амплитуды (например, усилители с изменяемым коэффициентом усиления) для дополнительной регулировки амплитуды сигналов элемента в ответ на сигналы управления.
источника
источника
A
Одним из параметров, определяющих уровень шума малошумящего усилителя, является импеданс на входе источника, Z. В идеальном случае Z представляет собой фиксированное значение, которое обеспечивает самый низкий уровень шума (называемый согласованным шумом). Однако в фазированной антенной решетке импеданс порта антенны, Z, называемый активным импедансом или импедансом сканирования, изменяется в зависимости от угла сканирования, и, таким образом, импеданс источника не является постоянным.
Принцип оптимизации шума, используемой в настоящем документе, можно лучше понять из ур. (1):
ур. 1
s
s
s
опт
мин
s
опт
N
s
где Y = G + jB представляет собой полную проводимость источника, переданную в активную схему усилителя, Y представляет собой оптимальную полную проводимость источника, которая обеспечивает минимальный уровень шума, F представляет собой минимальный уровень шума активной схемы усилителя, достигаемый, если Y = Y, R представляет собой эквивалентное шумовое сопротивление активной схемы усилителя, G представляет собой действительную часть полной проводимости источника, а F представляет собой коэффициент шума.
s
опт
A
A
Из ур. (1) видно, что в случае, если действительная полная проводимость источника, Y, передаваемая на усилитель, равна оптимальному импедансу источника, Y, второй член в ур. (1) становится равным нулю. В этом случае уровень шума примет минимально достижимое значение. Соответственно, для улучшения общей характеристики антенной системы 100 при больших углах сканирования за счет немного худших характеристик на электрической оси антенны малошумящие усилители выполнены с возможностью согласования шума с конкретным значением импеданса порта антенны, Z, которое соответствует конкретному углу сканирования, который отличается от направления электрической оси антенны. Если антенную систему используют для приема сигнала в некотором диапазоне частот, конкретное значение импеданса порта антенны, Z, может быть выбрано для одной из частот в диапазоне частот, включая максимальную частоту, минимальную частоту, центральную частоту или другую репрезентативную частоту в пределах диапазона.
опт
В некоторых вариантах реализации конкретный угол сканирования выбирают на основании полученных значений показателя характеристики антенной системы при одном или более углах сканирования. При использовании примера отношения коэффициента усиления антенны к шумовой температуре для показателя характеристики следует понимать, что максимальный коэффициент усиления фазированной антенной решетки 100, G(θ), зависит от угла сканирования, θ, с максимальным коэффициентом усиления, обеспечиваемым на электрической оси антенны. Аналогичным образом коэффициент шума и, следовательно, шумовая температура зависят от несоответствия полной проводимости источника, передаваемой на усилитель, с оптимальной полной проводимостью источника для усилителя, как описано в отношении ур. 1. Импеданс порта антенны и, таким образом, полная проводимость изменяются в зависимости от угла сканирования, θ, и, таким образом, коэффициент шума, F, зависит от каждого из угла сканирования и выбранной оптимальной полной проводимости источника для усилителя, который в настоящем документе представлен как конкретный угол сканирования, θ, для которого оптимальный импеданс источника соответствует полной проводимости у порта антенны.
В одном примере конкретный угол сканирования можно выбрать таким образом, чтобы обеспечить заданное минимальное значение показателя характеристики антенной системы в наибольшем возможном диапазоне углов сканирования. Следует понимать, что несоответствие импеданса для углов, удаленных от направления электрической оси антенны, будет уменьшаться при изменении конкретного угла сканирования в сторону от направления электрической оси антенны. Соответственно, в одном варианте реализации конкретный угол сканирования можно изменять в диапазоне углов сканирования в сторону от направления электрической оси антенны до тех пор, пока показатель характеристики антенной системы не уменьшится ниже заданного минимума для по меньшей мере одного угла сканирования в пределах диапазона, причем при наибольшем отклонении конкретного угла сканирования от направления электрической оси антенны обеспечиваются минимальные характеристики в пределах выбранного заданного диапазона.
В другом варианте реализации значение конкретного угла сканирования выбирают таким образом, чтобы максимизировать минимальное значение отношения коэффициента усиления антенны к шумовой температуре в заданном диапазоне углов сканирования. В этом случае проблема оптимизации заключается в выборе значения полной проводимости источника для усилителя, которое позволит максимизировать значение:
ур. 2
i
0
где θ·изменяется в пределах заданного диапазона углов сканирования, [θi, θN], а T равно 273 K.
опт
опт
Следует понимать, что изменение коэффициента усиления в зависимости от угла сканирования и изменение шумового угла в зависимости от угла сканирования может быть смоделировано на основании конструкции фазированной антенной решетки 100, и, таким образом, оптимальное значение для θ может быть определено с помощью соответствующего алгоритма оптимизации, такого как градиентный поиск. Альтернативно можно использовать подход «с перебором возможных вариантов», в котором оценивают каждое из множества предварительно выбранных значений для конкретного угла сканирования, θ, и выбирают максимальное значение.
В одном варианте реализации в соответствии с данным примером выбирают угол сканирования для поддержания по меньшей мере минимального значения показателя характеристики антенны при максимальном угле сканирования из рабочего диапазона углов сканирования таким образом, чтобы определенный диапазон углов сканирования охватывал весь рабочий диапазон фазированной антенной решетки 100. Альтернативно конкретный угол сканирования может быть выбран для обеспечения заданного минимального значения показателя характеристики антенной системы в выбранном собственном подмножестве углов сканирования в пределах диапазона углов сканирования. Следует понимать, что из выбранного подмножества углов сканирования может быть исключено направление электрической оси антенны.
Еще в одном варианте осуществления конкретный угол сканирования выбирают на основании максимального угла сканирования таким образом, чтобы выбранный угол сканирования находился в заданном местоположении между направлением электрической оси антенны и максимальным углом сканирования, например, посередине между направлением электрической оси антенны и максимальным углом сканирования. Например, если максимальный угол сканирования равен шестидесяти градусам по высоте от направления электрической оси антенны, усилители 108 могут быть согласованы в отношении шума с импедансом порта антенны, соответствующим тридцати градусам по высоте.
опт
В дополнительном примере конкретный угол сканирования выбирают таким образом, чтобы максимизировать общую сумму показателя характеристики для всех углов сканирования в пределах диапазона углов сканирования или собственного подмножества диапазона углов сканирования. При использовании отношения коэффициента усиления антенны к шумовой температуре проблему оптимизации также можно выразить как выбор конкретного угла сканирования, θ, который максимизирует значение в заданном диапазоне углов сканирования, [θi, θN]:
ур. 3
На фиг. 8 представлен один вариант реализации фазированной антенной решетки 200 с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны. В показанном варианте реализации фазированная антенная решетка 200 выполнена с возможностью передачи сигнала в требуемом направлении угла сканирования относительно направления электрической оси антенны. Контур 202 формирования луча принимает сигнал луча, который предназначен для передачи в требуемом направлении угла сканирования. Контур 202 формирования луча делит сигнал луча на сигналы элемента (также называемые в настоящем документе «передаваемыми сигналами»), которые передают на множество фазовращателей 204. Каждый из множества фазовращателей 204 реагирует на сигналы управления от контроллера 206 для обеспечения соответствующих сдвигов фазы для сигналов на основании требуемого угла сканирования луча. Затем сигналы со сдвигом по фазе усиливают с помощью множества усилителей 208 мощности и передают на антенные элементы 210 для передачи с формированием передающего луча в требуемом направлении угла сканирования. В показанном варианте осуществления требуемый угол сканирования обеспечивают путем регулирования фазы сигналов элемента с помощью фазовращателей 204. В некоторых вариантах осуществления фазированная антенная решетка 100 дополнительно содержит схемы регулирования амплитуды (например, усилители с изменяемым коэффициентом усиления) для дополнительной регулировки амплитуды сигналов элемента в ответ на сигналы управления.
нагрузки
нагрузки
A
нагрузки
A
Усилители мощности рассчитаны на заданный уровень выходной мощности. Одним из параметров, определяющих уровень выходной мощности, является импеданс нагрузки, Z, определенный на выходе. В идеальном случае Z представляет собой фиксированное значение, которое позволяет усилителю мощности обеспечить заданный уровень выходной мощности. Однако в фазированной антенной решетке импеданс порта антенны, Z, изменяется в зависимости от угла сканирования, и, таким образом, импеданс нагрузки, Z, не является постоянным. Для улучшения показателя характеристики антенны, такого как эквивалентная мощность излучения или эквивалентная мощность изотропного излучения антенны, при больших углах сканирования за счет немного худших характеристик на электрической оси антенны усилители 208 мощности выполнены с возможностью обеспечения максимальной выходной мощности при конкретном значении импеданса порта антенны, Z, которое соответствует конкретному углу сканирования, отличающемуся от направления электрической оси антенны. В показанном варианте реализации между антеннами 210 и усилителями 208 реализовано множество контуров 212 согласования импеданса. Контуры 212 согласования импеданса регулируют импеданс антенны до достижения требуемого импеданса нагрузки. В одном варианте реализации, включающем конструкцию интегральной схемы, контуры согласования импеданса могут быть выполнены с использованием дискретных компонентов, таких как индуктивные катушки и конденсатор.
опт
При использовании примера эффективной мощности изотропного излучения (EIRP) для показателя характеристики следует понимать, что максимальная мощность фазированной антенной решетки 100, G(θ), зависит от угла сканирования, θ, с максимальным коэффициентом усиления, обеспечиваемым на электрической оси антенны. Часть мощности может быть потеряна вследствие несоответствия импеданса на усилителе мощности и импеданса у порта антенны. Импеданс порта антенны и, таким образом, полная проводимость изменяется в зависимости от угла сканирования, θ, и, таким образом, отраженная мощность, R, зависит от каждого из угла сканирования и выбранного оптимального импеданса источника для усилителя, который в настоящем документе представлен как конкретный угол сканирования, θ, для которого оптимальный импеданс источника соответствует полной проводимости у порта антенны.
В одном примере конкретный угол сканирования можно выбрать таким образом, чтобы обеспечить заданное минимальное значение показателя характеристики антенной системы в наибольшем возможном диапазоне углов сканирования. Следует понимать, что несоответствие импеданса для углов, удаленных от угла электрической оси антенны, будет уменьшаться при изменении конкретного угла сканирования в сторону от направления электрической оси антенны. Соответственно, в одном варианте реализации конкретный угол сканирования можно изменять в диапазоне углов сканирования в сторону от направления электрической оси антенны до тех пор, пока показатель характеристики антенной системы не уменьшится ниже заданного минимума для по меньшей мере одного угла сканирования в пределах диапазона, причем при наибольшем отклонении конкретного угла сканирования от направления электрической оси антенны обеспечиваются минимальные характеристики в пределах выбранного заданного диапазона.
Еще в одном варианте реализации значение конкретного угла сканирования выбирают таким образом, чтобы максимизировать минимальное значение эквивалентной мощности изотропного излучения (EIRP) в заданном диапазоне углов сканирования. В этом случае проблема оптимизации заключается в выборе значения полной проводимости источника для усилителя, которое позволит максимизировать значение:
ур. 4
i
1
N
вх
изо
где θ изменяется в пределах заданного диапазона углов сканирования, [θ, θ], P представляет собой подводимую к системе мощность, а I представляет собой мощность, излучаемую в направлении угла сканирования гипотетической изотропной антенной, не имеющей потерь.
опт
опт
Следует понимать, что изменение коэффициента усиления в зависимости от угла сканирования и изменение отраженной мощности в зависимости от угла сканирования может быть смоделировано на основании конструкции фазированной антенной решетки 100, и, таким образом, оптимальное значение для θ может быть определено с помощью соответствующего алгоритма оптимизации, такого как градиентный поиск. Альтернативно можно использовать подход «с перебором возможных вариантов», в котором оценивают каждое из множества предварительно выбранных значений для конкретного угла сканирования, θ, и выбирают максимальное значение.
В одном варианте реализации в соответствии с данным примером выбирают угол сканирования для поддержания по меньшей мере минимального значения EIRP при максимальном угле сканирования из рабочего диапазона углов сканирования таким образом, чтобы определенный диапазон углов сканирования охватывал весь рабочий диапазон фазированной антенной решетки 100. Альтернативно конкретный угол сканирования может быть выбран для обеспечения заданного минимального значения EIRP или другого показателя характеристики в выбранном собственном подмножестве углов сканирования в пределах диапазона углов сканирования. Следует понимать, что из выбранного подмножества углов сканирования может быть исключен угол электрической оси антенны.
Еще в одном варианте осуществления конкретный угол сканирования выбирают на основании максимального угла сканирования таким образом, чтобы выбранный угол сканирования находился в заданном местоположении между направлением электрической оси антенны и максимальным углом сканирования, например, посередине между направлением электрической оси антенны и максимальным углом сканирования. Например, если максимальный угол сканирования равен шестидесяти градусам по высоте от направления электрической оси антенны, усилители 208 мощности могут быть согласованы в отношении шума с импедансом порта антенны, соответствующим тридцати градусам по высоте.
опт
1
N
В дополнительном примере конкретный угол сканирования выбирают таким образом, чтобы максимизировать общую сумму EIRP или другого показателя характеристики для всех углов сканирования в пределах диапазона углов сканирования или собственного подмножества диапазона углов сканирования. Проблема оптимизации может быть выражена как выбор конкретного угла сканирования, θ, значение которого максимизируют в заданном диапазоне углов сканирования, [θ, θ]:
ур. 5
На фиг. 9 представлен еще один вариант реализации фазированной антенной решетки 300 с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны. В показанном варианте осуществления фазированная антенная решетка 300 выполнена в полудуплексной конфигурации с возможностью осуществления передачи и приема радиочастотных сигналов в требуемом направлении угла сканирования относительно направления электрической оси антенны. В полудуплексной конфигурации для переключения антенны 300 между трактом передачи и трактом приема для каждого из множества антенных элементов 304 используют два набора переключателей 302 и 303 передачи/приема (Tx-Rx). В ходе передачи контур 306 формирования луча принимает сигнал луча, который предназначен для передачи в требуемом направлении угла сканирования. Контур 306 формирования луча делит сигнал луча на сигналы элемента, которые подают на множество фазовращателей 308. Каждый из множества фазовращателей 308 реагирует на сигналы управления от контроллера 309 для обеспечения соответствующих сдвигов фазы для сигналов на основании требуемого угла сканирования луча. Затем сигналы со сдвигом по фазе усиливают с помощью множества усилителей (УМ) 310–312 мощности и передают на антенные элементы 304 для передачи для создания передающего луча в требуемом направлении угла сканирования.
Во время приема каждый из множества антенных элементов 304 принимает сигнал элемента, который затем усиливают с помощью соответствующего одного из множества малошумящих усилителей (МШУ) 314–316. Затем усиленные сигналы передают на множество фазовращателей 308, которые применяют соответствующие сдвиги фазы к сигналам в зависимости от требуемого угла сканирования луча, обеспечиваемого контроллером 309. Затем сигналы со сдвигом по фазе передают в контур 306 формирования луча, объединяющий сигналы для создания сигнала луча, соответствующего требуемому углу сканирования.
A
Благодаря эффекту взаимности импеданс порта антенны, Z, антенных элементов как функция угла сканирования является одинаковым для передачи и приема, при условии использования одних и тех же частот. Однако изменение характеристики малошумящих усилителей с изменениями импеданса порта антенны может отличаться от изменения характеристики усилителей мощности при изменении импеданса порта антенны. Эти различия в изменении характеристики усилителя могут привести к тому, что будут выбраны различные значения импеданса порта антенны и, таким образом, различные конкретные углы сканирования для малошумящих усилителей 314–316 и усилителей 310–312 мощности соответственно. Показатель характеристики приема, такой как отношение коэффициента усиления антенны к шумовой температуре, может зависеть от изменения характеристики малошумящих усилителей 314–316 иначе, чем в способе, в котором показатель характеристики передачи, такой как эквивалентная мощность изотропного излучения, зависит от изменения характеристики усилителей 310–312 мощности. Соответственно, в некоторых вариантах реализации малошумящие усилители выполнены с возможностью согласования шума при первом значении импеданса порта антенны, которое соответствует первому углу сканирования, при этом усилители мощности выполнены с возможностью обеспечения максимальной выходной мощности при втором значении импеданса порта антенны, которое соответствует второму углу сканирования, отличному от первого угла сканирования.
На фиг. 10 представлен еще один вариант реализации фазированной антенной решетки 400 с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны. В показанном варианте осуществления фазированная антенная решетка 400 выполнена в конфигурации дуплексной передачи с частотным разделением каналов для осуществления передачи и приема радиочастотных сигналов в требуемом направлении угла сканирования относительно направления электрической оси антенны. Конфигурация дуплексной передачи с частотным разделением каналов включает два набора диплексоров 402–404 и 406–408, которые позволяют использовать множество антенных элементов 410 как для передачи, так и для приема. В ходе передачи контур 412 формирования луча принимает сигнал луча, который предназначен для передачи в требуемом направлении угла сканирования. Контур 412 формирования луча делит сигнал луча на сигналы элемента, которые подают на множество фазовращателей 414. Каждый из множества фазовращателей 414 реагирует на сигналы управления от контроллера 416 для обеспечения соответствующих сдвигов фазы для сигналов на основании требуемого угла сканирования луча. Затем сигналы со сдвигом по фазе усиливают с помощью множества усилителей (УМ) 420-422 мощности и передают на антенные элементы 410 для передачи для создания передающего луча в требуемом направлении угла сканирования.
Во время приема каждый из множества антенных элементов 410 принимает сигнал элемента, который затем усиливают с помощью соответствующего одного из множества малошумящих усилителей (МШУ) 424-426. Затем усиленные сигналы передают на множество фазовращателей 414, которые применяют соответствующие сдвиги фазы к сигналам в зависимости от требуемого угла сканирования луча, обеспечиваемого контроллером 416. Затем сигналы со сдвигом по фазе передают в контур 412 формирования луча, объединяющий сигналы для создания сигнала луча, соответствующего требуемому углу сканирования.
Поскольку для передачи и приема используют разные частоты, изменение импеданса порта антенны антенных элементов при разных углах сканирования может отличаться для передачи и приема. В результате для малошумящих усилителей и усилителей мощности соответственно могут быть выбраны различные значения импеданса порта антенны. Соответственно, в некоторых вариантах реализации малошумящие усилители выполнены с возможностью согласования шума при первом значении импеданса порта антенны, которое соответствует первому углу сканирования, при этом усилители мощности выполнены с возможностью обеспечения максимальной выходной мощности при втором значении импеданса порта антенны, которое соответствует второму углу сканирования, отличному от первого угла сканирования.
С учетом вышеуказанных структурных и функциональных элементов, описанных выше, приведенный в качестве примера способ можно лучше понять со ссылкой на фиг. 11. Хотя в целях упрощения объяснения приведенный в качестве примера способ по фиг. 11 показан и описан как исполняемый последовательно, следует понимать, что настоящие примеры не ограничены показанным порядком, поскольку некоторые действия в других примерах могут происходить в другом порядке, многократно и/или одновременно с действиями, показанными и описанными в настоящем документе. Кроме того, для реализации способа необязательно выполнять все описанные действия.
На фиг. 11 представлен пример способа 500 реализации фазированной антенной решетки, имеющей направление электрической оси антенны. На этапе 502 угол сканирования в пределах заданного диапазона углов сканирования для фазированной антенной решетки выбирают таким образом, чтобы выбранный угол сканирования отличался от угла сканирования, связанного с направлением электрической оси антенны. На этапе 504 множество усилителей, каждый из которых подключен к порту антенны одного из множества антенных элементов, выполнены таким образом, что максимального значения рабочей характеристики для множества усилителей достигают, когда импеданс у порта антенны соответствует выбранному углу сканирования. В одном варианте реализации усилители конфигурируют путем обеспечения контура согласования импеданса для каждого из множества усилителей с возможностью регулировки импеданса у порта антенны, к которому подключен усилитель.
Следует понимать, что угол сканирования может быть выбран таким образом, чтобы максимизировать показатель характеристики фазированной антенной решетки в диапазоне углов сканирования, которые могут включать все углы сканирования в рабочем диапазоне фазированной антенной решетки или собственном подмножестве рабочего диапазона. Соответствующие показатели характеристики для фазированной антенной решетки могут включать, например, отношение коэффициента усиления антенны к шумовой температуре, эффективную мощность излучения и эффективную мощность изотропного излучения. В одном варианте осуществления угол сканирования выбирают таким образом, чтобы обеспечить экстремум для функции параметра характеристики фазированной антенной решетки для всех углов сканирования в пределах всего заданного диапазона или его подмножества. Например, угол сканирования может быть выбран таким образом, чтобы максимизировать общую сумму показателя характеристики для всех углов сканирования в пределах всего заданного диапазона или его подмножества. Альтернативно угол сканирования может быть выбран таким образом, чтобы максимизировать минимальное значение показателя характеристики для всех углов сканирования в пределах всего заданного диапазона или его подмножества.
Требуемые свойства антенной решетки могут отличаться для приемной и передающей антенны. В результате в одном варианте осуществления может быть выбран каждый из первого угла сканирования, отличного от угла сканирования, связанного с направлением электрической оси антенны, и второго угла сканирования, отличного как от угла сканирования, связанного с направлением электрической оси антенны, так и первого угла сканирования. Первый набор усилителей, усиливающих принимаемые сигналы, таких как малошумящие усилители, может быть сконфигурирован таким образом, чтобы максимальное значение первой рабочей характеристики достигалось, когда импеданс у порта антенны соответствует первому углу сканирования, а второй набор усилителей, усиливающих передаваемые сигналы, таких как усилители мощности, может быть выполнен таким образом, чтобы максимальное значение второй рабочей характеристики достигалось, когда импеданс у порта антенны соответствует второму углу сканирования. Соответственно, антенная решетка может быть оптимизирована как для функции передачи, так и для функции приема.
Выше были описаны примеры. Конечно, невозможно описать каждую возможную комбинацию компонентов или способов, но для специалиста в данной области будет очевидно, что возможны и многие дополнительные комбинации и перестановки. Соответственно, настоящее описание охватывает все такие изменения, модификации и вариации, которые входят в объем данной заявки, включая прилагаемую формулу изобретения. Используемый в настоящем документе термин «включает» означает «включает, без ограничений», а термин «включающий» означает «включающий, без ограничений». Термин «основанный на» означает «по меньшей мере частично основанный на». Кроме того, если в описании или формуле изобретения упоминается термин, соответствующий грамматической форме единственного числа для элемента, термин «первый» или «еще один» элемент, или их эквивалент, его следует интерпретировать как включающий один или более таких элементов, не требующих и не исключающих два и более таких элементов.