多元天线系统和阵列信号处理方法技术方案

提供一种多元天线馈送方法与系统，它具有比先前电子扫描波束的方法更好的侧瓣特性。多元天线馈送系统一般包括一个多元天线，一个天线阵列处理器，一个接收器，一个用于目标的自动跟踪的信号处理器，和一个天线转向控制机构。通过选择的单元波束的幅度加权组合，该方法可控制扫描偏离波束平面和正交平面中的天线系统的侧瓣。这导致性能的改进，减少两个正交跟踪波道之间的交调失真，相对于频率的偏离波束控制，以及一个宽频的带宽。（图１）（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天线系统设计领域，更具体地说，涉及一个天线系统和天线单元阵列信号处理的方法，其中，对从构成一个阵列的多个天线单元来的信号进行处理，大大地改善侧瓣的性能。几十年以来，技术界已对目标的角度自动跟踪感兴趣了。目前在空中飞行器接收遥测数据的过程中，自动跟踪是主要考虑的问题之一，该飞行器可以是一个极轨道卫星，一个地球同步卫星，一架飞机或者一个自旋稳定的火箭，等等。有很多种反射器天线是已知的，它们一般用于角度跟踪。对于反射器天线，产生偏离波束的很多技术如顺序扫掠，园锥形扫描和单波道单脉冲已证明是可以接受的，是目标自动跟踪的经济有效的方法。过去所用的方法总结如下：顺序扫掠：顺序扫掠的基本特点是能够围绕一个反射器天线的瞄准轴（瞄准线）产生偏离波束。一般是利用围绕一个焦轴，即图8中的反射器天线瞄准轴的周围放置的四个环行馈送单元实现的。馈送相移中心从该焦轴的实际偏移产生一个波束，该波束偏离正比于这个偏移的总量，见图9。这四个离散的偏离波束以顺序的方法进行取样，并且在两个正交平面中进行比较以便得到一个误差信号，这个误差信号用来给一个天线定位系统的机动轴，即瞄准轴的伺服系统产生成比例-->的驱动信号。这个方法的局限性是在交叉区（crossover）增益量降低和由于波束过大的偏离产生的高侧瓣。由于这些局限性，这种技术目前已很少使用。园锥形扫描：园锥形扫描包含使用单个馈送单元在焦轴（跟踪轴）周围产生一个偏离波束的原理，该单个馈送单元是偏离的，并且围绕焦轴旋转。旋转是由一个电动机驱动，以机械方式实现的。有很多不同的园锥形扫描。这些扫描包括早期的第二次世界大战的老式自旋偶极子到最近的利用具有偏离自旋副反射器的固定馈送器的光学结构。园锥形扫描的主要优点是实施费用低。园锥形扫描还提供比传统的顺序扫掠更好的增益性能，这种方法中波束偏离可被控制在规定的交叉区电平。低交叉区电平还使得第一侧瓣彗形效应减至最小。园锥形扫描跟踪的特点为很多遥测应用提供一种有吸收力的可用的方法。园锥形扫描的固有缺点是扫描速度低，机械旋转器的可靠性和频率带宽的限制。另外，园锥形扫描不允许选择未调制的数据波道，在自动跟踪自旋稳定的目标时，因为它是固定的、低频扫描率，所以不是有效的。单波道单脉冲和其它最近的发展。需要经济有效的技术跟踪自旋稳定的飞行器，导致在六十年代未开发了单波道单脉冲跟踪系统。单波道单脉冲（SCM）使用三波道单脉冲馈送（一般是四或五单元结构）和一个组合网络来产生一个基准信号和方位角以及单脉冲馈送的仰角偏差信号。（图10表示一个四单元阵列系统，图11表示一个五单元阵列系统。）该方位角与仰角偏差信号被双相调制，顺序地耦合到该基准信号（图12表示图11-->的单扫描变换器的方框图。）其合成信号是与园锥形扫描信号一样的格式，其中组合的基准与偏差信号产生一个相对于焦轴的偏离波束。该方位角与仰角误差信号是适用于时间顺序的方法的。SCM使用用于选择偏离波束位置的非常快速的电子开关，克服了园锥形扫描跟踪结构的固定低频扫描率的缺陷。此外，SCM允许该信号组合电路这样构成，使数据波道可以与跟踪波道相互独立，因而免除了由该扫描波束产生的调制。SCM的适应性使它在最近二十年来遥测跟踪应用成为主要的选择。通常认为，增加天线系统中使用的单元的数目，能够大大地改善天线的性能。但是，由于单元数目的增加，处理从这些单元得到的数据的复杂性也增加了。美国专利4772893涉及一种开关可控制的多波束天线系统，其中该天线系统包括一个五单元的交叉阵列。在五个波导中对角四分之一波长板使极化从园极化变为正交线性极化，提供了发射机/接收机隔离。用于该馈送天线功率的阵列的五个分支的每个分支包括可转换的延时单元。希望增加的时延可转换地引入每个分支，其后，信号被重新组合以形成每个波束。在美国专利4096482号，Walters公开了一种具有复合单元阵列结构的单脉冲天线，通过从该单元对的和差数据处理得到仰角差，复合单元阵列结构可被缩减为四脊（quad-ridge）阵列，在混合电路的输出端输出总和保护与方位角偏差。在1988年10月IEE  Proceedings杂志第135卷Pt.F第5期G.J.Hawkins等人的文章“卫星通信的跟踪系统”中，概括地介绍了现有技术的自动跟踪天线系统。在公开自动跟踪系统的一篇文章中，Rude  Skov  II卫星接收器设置在荷兰，使用包含中心偶极子单元的波束-->偏离技术，在中心偶极子单元周围设置四个等距离的无源偶极振子。使各个无源偶极振子空闲（不工作）或短路（工作）以形成一个偏离的波束。在这里引用Edwards等人的美国专利4704611仅供参考。该专利公开了微波天线的电子跟踪系统，使用接收模式变换技术来检测跟踪的误差，接着校正该波束的转向。该技术使用模式发生器来改变轴外天线单元的激励模式，这种模式可以在方位角或仰角平面内。离轴信号耦合到轴上天线单元信号上，通过波束偏离得到天线波束瞄准。这些已知的系统都没有取消对比较器的要求。另外，从阵列处理测量的侧瓣性能的任何改善将反映在天线系统跟踪精度的改善。因此，当这些已知的系统通过使多元阵列的应用增加到最大时，通常显示出改进的单脉冲性能，而在该技术中仍然存在着为得到侧瓣的进一步减少而要改进用于侧瓣控制的孔径分布的问题。还有，正如Walters所介绍的，使用比较器可能引入波道之间交调失真问题，这是由于误差信号的交叉耦合产生的。因此，在已知的天线系统中还有改善波道之间交调失真隔离的可能。在1986年以电气工程师协会名义出版的“天线设计手册”第六章中，公开了产生多元天线阵列平滑扫描波束的一种方法。第六章的作者Leon  J.Ricardi用数字算法导出一种方法，这种方法使相邻单元可变幅度激励去瞄准空间中的波束。另外，每个单元激励的相关相位被调整以增加该阵列的定向增益。这个技术被用于使卫星的传送波束转向天线阵列的视野内，该作者还建议，这种技术可以用于该卫星的信号接收。-->SCM结构的缺点和对这种结构部分的改进涉及所要求的馈送单元的数目。四单元单脉冲阵列馈送产生一个主基准波束，这种基准波束仅适用于大聚焦长度/直径（F/D）比。这个四单元馈送也和园锥形扫描相似存在着带宽的限制。对于四单元馈送来说，侧瓣性能一般是完全可接受的，偏离副波束相对于主波峰具有大于20dB的侧瓣抑制。但是，四单元馈送的限制是它的有限的带宽和孔径照射效率。五单元馈送结构克服了四单元馈送的上述两个限制，但是带来了一个新的缺点，就是在扫描副波束中的高侧瓣。跟踪波束的峰侧瓣一般低于主波峰15dB至17dB。侧瓣的15dB至17dB减少几乎是不随频率变化的。高侧瓣的产生是可以理解的，当人们考虑到，偏离波束是由空间的三个波束叠加形成的，每个波束是从偏离波束平面中馈送阵列的三个单元中来的。必须指出，在一个无调制的数据波道的侧瓣中没有这些高侧瓣三波束是由下列相位及幅度系数组合的（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是图12中组合网络的耦合系数。参照图13A，中心波束的第一侧瓣在大约相同的角位置上与左波束主瓣同相。再参见图13B，左波束和中心波束同相相加，在瞄准轴的右侧产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天线阵列处理器装置，包括多元天线馈送的多个天线单元，一个信号开关装置，该开关装置接到多个天线单元用于从多个天线单元的多个信号中进行选择，和一个信号耦合器，用于将多个天线单元中一个单元的选择信号与多个天线馈送的另一个信号进行耦合。

【技术特征摘要】
US 1989-6-2 360,8231、一种天线阵列处理器装置，包括多元天线馈送的多个天线单元，一个信号开关装置，该开关装置接到多个天线单元用于从多个天线单元的多个信号中进行选择，和一个信号耦合器，用于将多个天线单元中一个单元的选择信号与多个天线馈送的另一个信号进行耦合。2、根据权利要求1的天线阵列处理器装置，其中耦合信号是与它所耦合的另一个信号同相的。3、根据权利要求2的天线阵列处理器装置，其中上述耦合产生一个用于天线波束转向的幅度加权信号。4、根据权利要求2的天线阵列处理器装置，其中上述多个天线单元包括四个这样的单元，这四个单元安排成与沿垂直轴放置的最上单元和最下单元以及沿水平轴放置的最右单元和最左单元成交叉的形式。5、根据权利要求4的天线阵列处理器装置，其中在信号耦合器的输出提供四个选择的波束，每个波束是选择的单元信号与选择的单元信号对的和信号的组合。6、根据权利要求4的天线阵列处理器装置，其中该多天线单元还包括第五中心单元。7、根据权利要求6的天线阵列处理器装置，其中四个选择的波束的结果是，每个波束是从与第五中心单元的信号交叉的四个单元之一中选择的信号的幅度加权组合的。8、根据权利要求6所述的天线阵列处理器装置，还包括一个第二信号耦合器，信号耦合器的耦合系数可按感兴趣的不同频带进行选-->择。9、根据权利要求2的天线阵列处理器装置，其中上述多个天线单元包括五个这样的单元，两个单元对的每一对是水平安排的，第五单元安排在水平安排的单元对的中心，安排的信号开关装置和信号耦合器以提供与中心的第五单元信号和选择的四个其它单元对的幅度加权求和信号的和相关的四个转向波束。10、一种提供转向信号的方法，该方法用在包括一个多个天线单元阵列和一个信号组合电路的天线系统中，该方法包括步骤：从多个天线单元阵列输出的信号中选择至少一个信号;幅度加权该选择的至少一个信号;把幅度加权信号与多个天线单元阵列输出的信号中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：小詹姆斯H库克，
申请(专利权)人：亚特兰大科研公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]