使用相控阵天线搜索信号的方法和相控阵天线系统技术方案

本申请涉及使用相控阵天线搜索信号的方法和相控阵天线系统。用于在相控阵天线的视场内快速找到能检测的信号的系统和方法。通过使用基于树的信号检测方法生成从粗到精的角度波束图案，随时间修改发射波束图案，从而通过典型的时延操纵提高信号空间搜索性能。采用基于树的波束搜索来选择具有较窄波束宽度的波束，以便以与视轴成一定角度的角度发射，该角度位于先前已检测到信号的角度空间中。

【技术实现步骤摘要】
使用相控阵天线搜索信号的方法和相控阵天线系统
本文公开的技术通常涉及相控阵天线。具体而言，本文公开的技术涉及用于使用相控阵天线搜索信号的方法。
技术介绍
现代相控阵天线是一种技术支持，可支持经由卫星、飞机、轮船和陆地车辆进行的移动宽带通信。具体而言，需要先进的数字波束成形，以通过改进的旁瓣性能和光栅波瓣抑制、更快的陷波速度、更快的扫描速度和更快的波束切换来提供动态、高通量的鲁棒通信和与更大的相控阵天线的联网，以增强网络性能。因此，波束搜索有许多不同的应用，无论是用于连接移动网络、寻找新雷达、在切换卫星或蜂窝塔时提供可靠的切换等。如本文所用，术语“波束搜索”是指使用波束搜索信号(不搜索波束)。波束搜索的核心是波束成形的过程。波束成形是一种在天线阵列中用于定向信号发射或接收的信号处理技术。这是通过组合天线阵列中的信号元素以使特定角度的信号遭受相长干扰而其他角度遭受相消干扰的方式实现的。这些通常称为相控阵天线。与全向接收和/或发射相比的改进被称为阵列的方向性，并且是天线性能的重要度量。波束成形可用于射频(RF)或声波，并在雷达、声纳、地震、无线通信、射电天文学、声学和生物医学中有许多应用。传统的时延波束操纵采用指向方向(在本文中交替称为“视轴角度”或“指向角度”)并在天线阵列上产生设置，从而使朝向指向方向的信号发射或接收最大化，并且窄波束形成。用于实现波束成形的机制是分别调整每个元素的相位(或时间延迟)和幅度(或权重)，以强制相长或相消信号求和以生成所需的波束。现有的使用相控阵进行波束搜索的解决方案在其搜索信号的方法中都模仿了机械碟形天线。因此，这些解决方案在阵列的视场F上扫过单个窄波束。这意味着扫掠时间会随着阵列的大小(元素总数)线性增加，因为波束最终必须指向视场中的每个角度区域。要看到这一点，请注意具有N个元素的线性阵列的第一个零波束宽度，其波长为λ，d＝λ/2元素间距，以弧度为单位约为4/N。类似的近似结果表明，对于大小为N1×N2的平面阵列，角度区域约是线性阵列波束宽度的乘积，例如以弧度为单位的16/(N1N2)。因此，对于线性阵列，完全搜索F的时间约为span(F)*N/4，对于平面阵列，约为area(F)*N1N2/16。在此，span()表示以弧度为单位的角度范围，area()表示以弧度为单位的二维立体角度范围。解决如何在相控阵天线的视场内快速找到所有能检测的信号的问题的解决方案将是有益的。
技术实现思路
以下详细公开的主题涉及用于在相控阵天线的视场内快速找到能检测的信号的系统和方法。通过使用基于树的信号检测方法生成从粗到精的角度波束图案，可随时间修改发射波束图案，从而通过典型的时延操纵提高信号空间搜索性能。采用基于树的波束搜索来选择具有较窄波束宽度的波束，以便以与视轴成一定角度的角度发射，该角度位于先前已检测到信号的角度空间中。根据一个实施方式，设计了具有多个级别的互补波束集。组成每个级别的子集中的波束数量随着级别的增加而增加。然后将互补波束的级别加载到波束操纵控制器中，该控制器控制相控阵天线产生的波束。当检测到的信号的参数值超过阈值时发生信号检测。例如，检测到的参数可以是信号中能量的总和。许多其他检测方案也是可能的。随着级别增加，每个波束滤波器的增益增加，波束宽度减小。因此，信号将通过更多的空间滤波器，从而缩小可能的信号方向，同时增加接收信号的功率。这具有在(2)较窄的角度区域中(1)找到更多信号的双重效应。如上所述，典型的相控天线阵列在其搜索信号的方法中模仿了机械天线。因此，使用相控阵天线为每个指令角度产生相应的窄波束。相反，本文公开的波束搜索方法允许随着时间修改波束图案，以通过典型的时延操纵增加信号空间搜索性能。与通常用于波束搜索的方法相比，此方法使用相控阵的功能更多。维度论据清楚地表明了这一点。如果使用单个波束的简单角度搜索扫过具有N个元素的相控阵天线的视场，则相位和幅度控制仅在线性(平面)阵列的一维(二维)空间内变化，对波束具有方位角(和仰角)角度控制。因此，在搜索过程中将仅使用N-1(N-2)维来创建窄波束。相反，由于波束的宽度以及指向角度增加，因此本文提出的系统使用更多尺寸进行搜索。因此，本文提出的系统使用多达两倍的阵列尺寸进行搜索。这允许以有效的方式在方向性和搜索时间之间进行权衡。本文提出的波束搜索方法(以下称为“树波束搜索”)具有以下值得注意的特征：(1)使用相控阵天线执行树波束搜索可在与Dlog2(N)/2成比例的时间内发现视场(平均)内的所有信号，其中D是检测单个信号的时间。这比传统方法要快得多，在传统方法中，时间平均与DN/2成正比。(2)通过更快地搜索信号空间，增加了瞬态信号检测的可能性。具体而言，该系统能够更可靠地检测持续时间较短的信号。例如，尽管标准搜索技术检测到具有持续时间DN的所有信号，但是本文提出的方法能够检测出具有持续时间Dlog2(N)的大多数信号。前一段所述的功能通过提高搜索性能而不增加天线尺寸或数量以及不提高RF接收器性能，从而为相控阵天线系统带来了好处，这种选择非常昂贵且存在很多问题。与典型的相控天线阵列采用的相比，本文采用的方法采用了更鲁棒的波束成形和波束操纵，并且可使用市售的现场可编程门阵列(FPGA)和电子设备来实现。尽管下面将详细描述用于在相控阵天线的视场内快速查找能检测的信号的系统和方法的各种实施方式，但是这些实施方式中的一个或多个可通过以下一个或多个方面来表征。下面更详细公开的主题的一个方面是一种使用相控阵天线搜索信号的方法，该方法包括：(a)发射第一波束，该第一波束具有第一波束宽度和与视轴的第一角度；(b)在发射所述第一波束之后接收第一信号；(c)检测所述第一信号的参数值超过第一阈值；(d)发射第二波束，该第二波束具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度，以及设置在所述第一波束的角度范围内的与视轴的第二角度；和(e)发射第三波束，该第三波束具有第二波束宽度和与视轴的第三角度，该第三角度设置在所述第一波束的角度范围内，其中，与视轴的第一角度设置在与视轴的第二角度和第三角度之间。根据一些实施方式，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半，并且所述第二和第三波束的总角度范围与所述第一波束的角度范围有同等范围。紧接前一段描述的方法还可包括：(f)在发射所述第二波束之后接收第二信号；(g)检测所述第二信号的参数值超过第二阈值；(h)发射第四波束，该第四波束具有小于所述第二波束宽度的第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第四角度；和(i)发射第五波束，该第五波束具有所述第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第五角度，其中，与视轴的第二角度设置在与视轴的第四角度和第五角度之间。所述第一至第五波束选自互补波束集，该互补波束集具有L个级别，所述L个级别包括：具有M个波束并包括第一波束的第一级别，具有2M个波束并包括第二和第三波束的第二级别，具有4M个波束并包括第四和第五波束的第三级别和具有2L-1M个波束的第L个级别，其中M和L是整数。下面更详细公开的主题的另本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用相控阵天线(4)搜索信号的方法，所述方法包括：/na发射第一波束，所述第一波束具有第一波束宽度和与视轴的第一角度；/nb在发射所述第一波束之后接收第一信号；/nc检测所述第一信号的参数值超过第一阈值；/nd发射第二波束，所述第二波束具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度，以及设置在所述第一波束的角度范围内的与视轴的第二角度；和/ne发射第三波束，所述第三波束具有第二波束宽度和与视轴的第三角度，所述第三角度设置在所述第一波束的角度范围内，/n其中，与视轴的所述第一角度设置在与视轴的所述第二角度和所述第三角度之间。/n

【技术特征摘要】
20190625 US 16/451,5901.一种使用相控阵天线(4)搜索信号的方法，所述方法包括：
a发射第一波束，所述第一波束具有第一波束宽度和与视轴的第一角度；
b在发射所述第一波束之后接收第一信号；
c检测所述第一信号的参数值超过第一阈值；
d发射第二波束，所述第二波束具有小于所述第一波束宽度的第二波束宽度，以及设置在所述第一波束的角度范围内的与视轴的第二角度；和
e发射第三波束，所述第三波束具有第二波束宽度和与视轴的第三角度，所述第三角度设置在所述第一波束的角度范围内，
其中，与视轴的所述第一角度设置在与视轴的所述第二角度和所述第三角度之间。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二波束和所述第三波束的总角度范围与所述第一波束的角度范围有同等范围。


4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
f在发射所述第二波束之后接收第二信号；
g检测所述第二信号的参数值超过第二阈值；
h发射第四波束，所述第四波束具有小于所述第二波束宽度的第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第四角度；和
i发射第五波束，所述第五波束具有所述第三波束宽度和设置在所述第二波束的角度范围内的与视轴的第五角度，
其中，与视轴的所述第二角度设置在与视轴的所述第四角度和所述第五角度之间。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二波束宽度等于所述第一波束宽度的一半，并且所述第三波束宽度等于所述第二波束宽度的一半，并且其中，所述第四波束和所述第五波束的总角度范围为与所述第二波束的角度范围有同等范围。


6.一种相控阵天线系统(2)，包括：
相控阵天线(4)；
发射器(14)；
接收器(16)；
发射模块(12)，在发射模式中将所述发射器(14)连接到所述相控阵天线(4)，并在接收模式中将所述接收器(16)连接到所述相控阵天线(4)；
波束操纵控制器(10)，被配置为控制所述相控阵天线(4)以发射具有通过基于树的波束搜索确定的波束宽度和...

【专利技术属性】
技术研发人员：加里·A·雷，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US