波束形成网络制造技术

用于产生或接收角分散辐射波束的阵列的通信站，包括：确定阵列天线（１）的辐射元件阵列（１００）；以及，波束形成器（１２０），该波束形成器包括具有第一边和第二边（Ｙ）的无源网络，该第一边具有用于与波束对应的电信号的多个波束端口，且该第二边具有多个对应于辐射元件的天线端口，各个波束端口经过功率分配器（５２）和移相器（５３）部件组成的网络（５０）而与多个天线端口相连，该移相器的相移是一个预定常数的整数倍，从而产生出波束阵列；其中阵列天线（１）具有三角或六角对称性，且波束阵列具有三角或六角对称性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是专利技术名称为“天线系统申请日为1995年3月30日，申请号为95193168.7的申请的分案申请。本专利技术涉及一种天线系统，具体地但不是排他地说，是涉及一种用于卫星移动通信系统的多波束形成器。这种系统在诸如WO93/09029、WO93/09577、WO93/09578、WO93/09613、WO93/09614、WO93/09624、EP-A-0510789、EP-A-035885、EP-A-421722中得到了一般的描述。所提出的Inmarsat(TM)(国际航海卫星(地面站))P21系统由若干个地面站组成，这些站可以是移动站，并具有用于与一组按一定方式布局的通信卫星进行通信的天线。各个卫星带有用于发送和接收多波束阵列的天线系统，每一个波束都指向地球表面上的一部分，这些波束一起覆盖了地球的整个表面。各个波束携带若干频分多路信道；例如，各个束的带宽可以是5MHz，使得每个波束能够承载大量的用户信道(通常承载语音通信)。卫星通常还携带有用于与固定的地面站进行联络的天线，与例如公共通信网络进行通信。为了合成远场波束形式中的多个波束，如果发送和接收天线是由辐射元件的大型阵列组成的直接辐射天线(即没有反射器)，传统的波束形成网络在原理上对于每一个辐射元件和每一个波束位置都要求一个移相器，且对于每一个波束都要求一个功率分配器。因此，对于一百个元件和一百个波束，需要10,000个移相器和100个功率分配器，且对于大量的波束和元件，部件的数目大体成指数增加。这使RF(射频)部件的重量很大，且供电系统的功率损失也变高。重量和电力消耗在卫星中都是非常重要的。另一种用于阵列天线的波束形成器，是US3255450(Butler)中描述的“Butler矩阵”，它由四端口功率分配器与有关的移相器的碟形级联设置组成，用于接收N个输入RF信号并向N个分开的元件组成的线性阵列提供输入。每一个分配器都接收两个输入的模拟RF信号，其中一个得到移相，并输出带有90度相差的三个RF信号。该分配器和移相器阵列的效果，是以相移逐步递增的形式，把提供给每一个输入端的RF信号馈送给阵列的每一个元件。因此，该阵列起着相阵列的作用，以取决于相移增量(它取决于辐射元件的数目)和元件间隔，产生出波束。通过有选择地依次激发各个输入端，可以产生增量扫描的波束，该波束可被用于雷达应用。或者，该波束形成器可被用来从一个公共孔径产生多个固定的网格式波束。通过提供排列成行和列的若干个这种线性矩阵，可以沿着两个正交方向之一进行波束扫描，其中行矩阵的输出供给列矩阵的输入端，而列矩阵的输出供给辐射器的二维阵列。Butler矩阵几乎是无损耗的，这就是一般采用它们的理由。JP-A-59-44105公开了一种二维波束形成网络，它包括Butler矩阵组成的两个正交排列，以形成沿着矩形阵列的角对准的波束。EP-A-0056205公布了一种大型Butler矩阵，它是由Butler矩阵的两个正交组组成的。WO88/04837公开了用在通信卫星上的可调整波束反射器天线，其中Butler矩阵被用于波束调整。EP-A-0468662公开了一种天线(它可以是直接辐射天线)，其中Butler矩阵被用作功率分配器，以在天线阵列元件之间分配功率，以形成单个的单向复合波束，矩阵提供的逐步递增的相移被移相器元件所抵消。线性Butler矩阵阵列天线的一个特征，是相邻波束之间的交叉点被降低了3dB以上，从而使波束之间的功率降低到最大波束电平的一半。对于正方形阵列，4个相邻波束之间的功率最小值低8dB，这本身将使传统的正方形Butler矩阵不适合于形成多重卫星通信波束，因为所希望的是提供对地球表面的均匀覆盖。根据本专利技术，提供了一种天线系统，它利用无源功率分配矩阵(例如Butler矩阵)作为六角形阵列天线的波束形成器，以产生六角的波束方向阵列。六角形阵列的采用，给地球表面提供了比相应的正方形阵列所能够提供的更好的覆盖，因为其相邻波束之间的功率没有降低那么多。阵列周围的孔径最好是平滑的，这样在远场分布中减小了相邻波束之间的功率降低。矩阵最好是冗余的，且只有某些输出端口与辐射元件相连；其他的输出端口是终接的。本专利技术的这一方面使Butler矩阵不再实现通常的无损耗的优点。然而，我们发现这种损失对于交叉点处的功率降低的改进来说，是可以允许的。在一个最佳实施例中，至辐射元件的通路中的放大或损失，在阵列的整个孔径上，是有所不同的，以提供馈送到阵列的边缘的功率的平缓渐减。本专利技术的这一方面提高了波束之间的交叉电平，并减小了远场辐射分布的旁瓣电平。该矩阵最好包括两个正交连接的功率分配器矩阵组。在另一方面，本专利技术提供了用于阵列天线系统的波束形成网络，该阵列天线系统包括第一和第二正交连接的功率分配器矩阵组，其中至少一个组的矩阵的数目少于该组中的矩阵的阶。因此，“过大”的矩阵可被用来形成非矩形的天线阵列，而不需要使矩阵的数目为各个矩阵的阶的两倍。在另一方面，本专利技术提供了一种天线系统，其中提供了几种不同的功率分配器矩阵，且各个矩阵的相应输出端口与阵列天线的元件共同相连，从而使单个的阵列天线能够产生多个波束栅。通过使矩阵的输出具有不同的相位，不同的栅能够调整到抵消位置，从而使一个栅能够在另一个的波束的最小值处得到插值。在另一个方面，本专利技术提供了一种通信收发器站(例如卫星)，它具有用于进行信道化(即多路调制和去多路调制)的数字处理器，该数字处理器经过一个包括无源功率分配网络(例如Butler矩阵)的模拟波束形成器而连接。这使得处理装置的负载得到了大大的降低，而又不用采用高度复杂的波束形成结构，并因而减小了信号处理系统的质量、功率消耗和体积，并使得它更适合于在卫星中使用。在另一个方面，本专利技术提供了一种天线系统，其中若干不同的Butler矩阵装置与同一阵列天线并联，每一个装置都得到适当的设置以产生一个波束方向阵列，这些阵列彼此抵消以产生具有较小的角分布的组合波束方向阵列。因此，可用单个的天线产生大量的波束，与可以用单个的Butler矩阵装置产生的波束阵列相比，波束的覆盖得到改进且波束之间的下降得到了减小。在以下的说明和权利要求书中，描述了本专利技术的其他方面和实施例。现在结合附图并仅作为例子，描述本专利技术的最佳实施例。在附图中附图说明图1示意显示了一个卫星移动通信系统；图2是根据本专利技术的一个实施例的空间飞行器的透视图；图3是框图，显示了图1的空间飞行器的通信系统的电部件；图4是框图，示意显示显示了图3的实施例中采用的Butler矩阵；图5是示意透视图，显示图4的Butler矩阵的设置，用于提供根据图3的实施例的波束形成器；图6a显示了图2至5的实施例的接收天线的辐射分布；图6b是根据该实施例的发送天线的辐射分布的相应绘制图；图7a显示了接收天线中的阵列元件的物理设置，并表示了与各个元件相连的放大器的相对增益；图7b显示了该发送天线中的阵列元件的物理设置，并表示了与各个元件相连的放大器的相对增益；图8显示了图5所示的相应波束形成器的发送和接收波束端口的连接；图9a显示了接收天线与图5的波束形成器的元件之间的相应连接；图9b显示了图5的波束形成器与发送天线的元件之间的相应连接；图10显示了根据本专利技术的另一实施例的波束形成器和天线设置；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波束形成网络，用于从一个阵列天线产生在波束方向的角阵列的至少一个方向上产生至少一个辐射波束，该网络包括：由Ｎ↓［１］－输入、Ｎ↓［１］－输出无源功率分配器矩阵装置组成的第一组；以及，由Ｎ↓［２］－输入、Ｎ↓［２］－输出无源功率分配器矩阵装置组成的第二组；矩阵装置的总数小于Ｎ↓［１］＋Ｎ↓［２］；其中第一组的装置少于Ｎ↓［１］↑［２］个的第一端口被设置为波束端口，且第二组装置少于Ｎ↓［２］↑［２］个的第二端口被设置为天线端口；且其中第二组的装置的各个第一端口与第一组的不同装置的第二端口相连，从而使各个波束端口与所有天线端口相连。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：萨缪尔莫农加西亚，野本进一，彼德波斯凯特，丹尼斯穆林，本哈琴森，帕特里克科莫，
申请(专利权)人：英马尔塞特有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]