超增益阵列天线系统及控制超增益阵列天线的方法

摘要

本发明提供多单元阵列天线的超方向增益。所用阵列天线包含以提供超增益的间距(等于或小于波长的四分之一)安装的多个天线单元A－1至A－4。一个权重产生器电路按照天线单元A－1至A－4间的相位差和幅度差以及每个天线单元A－1至A－4的方向性数据产生权重数据。所产生的权重数据被用于对每个天线单元A－1至A－4进行加权。

说明书

技术领域

本发明涉及超增益阵列天线系统及控制超增益阵列天线的方法，尤其是涉及结构紧凑并能提供高的方向增益的超增益阵列天线系统和控制这种超增益阵列天线的方法。

背景技术

一般地，如果阵列天线的尺寸变小，其增益将下降，因为口径面积(口径长度)被减小了。然而，如果天线单元以窄的间距被包装在被减小的区域(长度)中，并且赋予这些单元以特定的相位关系和幅度关系，这种增益的下降能被抑制。这种增益的下降被抑制的天线被称为超增益天线。超增益天线具有比一般天线高得多的方向增益，其原理很早以前就被熟知了。例如，这种超增益天线在Bloch A，Medhursk A和Pool S所发表的“A new approach to design of Superdirective aerial arrays”(Proc.，Inst.，Electr.，Eng.，100，Part III，67，P.303(1953年9月))和Institute of Electronics，Information andCommunication Engineers 1980年所编“A ntenna EngineeringHandbood”(P.211)中有所描述。然而由于某些如下所述的物理限制等，它没有被实际应用。

图9(a)示出一个阵列天线的结构。图9(a)所示阵列天线具有4个天线单元A-1至A-4。4个天线单元A-1至A-4所收到的信号经RF(射频)合成后输出。

图9(b)示出阵列天线的方向增益与方向的关系图(称作方向性图)。

如果通常的同相合成被用于具有窄的单元间距(例如，大约为波长λ的四分之一，以下它被缩写为λ/4)的如图9(a)所示的阵列天线，方向增益随单元间隔的减小而降低。这就是说，如果通常的同相合成被用于具有窄的单元间距的阵列天线，如图10中虚线所示出的那样当单元间隔减小时方向增益下降。在此情况下的方向性图和回损(S11)分别如图9(b)和9(c)所示。

另一方面，如图11(a)所示，提出一种超增益天线，其中天线单元A-1至A-4被加上交替反相的相位的功率。如已知的那样，如果这种超增益天线包含N个天线单元(N为2或大于2的整数)并且这些天线单元以接近于零的间距被放置，则得到N²大小的方向增益。即如图10中实线所示，两个单元提供等于2²＝4的方向增益，三个单元提供等于3²＝9的方向增益，而4个单元提供大小为4²＝16的方向增益。此情况下的方向性图和回损(S11)分别如图11(b)和图11(c)所示。图11(b)和图11(c)说明，超增益天线的波束宽度和频带宽度减小了。

然而，因为超增益天线对一个不可见的区域有增大的功率辐射，以补偿其高增益，它具有一个增大的Q值。所以，包括功率供给单元的天线中的导体损耗被增大，且天线的效率降低。此时，Q值被表示为Q＝D/F，其中符号D表示方向增益，符号F表示效率系数。

为避免天线的效率降低，天线和功率供给电路被冷却，以减小导体损耗。这就是说，在图11(a)中，N个天线单元被装在一个恒温箱中，并且提供一个冷却设备。

此外，超增益天线在其附近有比辐射功率高得多的无功功率。所以它有非常窄的频带。

而且，为提供超增益所需的天线单元间的相位和幅度关系是十分敏感的，甚至一个小的相移可能破坏超增益条件。例如一个天线单元仅1度的相移会导至失去超增益。敏感的相位和幅度的产生，或RF合成难以用一个诸如微带线这样的功率供给电路，这是因为其物理上的限制(加工精度，稳定性)。当天线单元的数量增加时困难程度变得更高。

采用两单元螺旋天线的超增益天线的一个例子已被发表。然而它本质上需要精细地调整RF合成所要求的匹配电路，因而在超增益天线中采用大量的单元是困难的。这被描述于K.Itoh，O.Ishi，Y.Nagai，N.Suzuki，Y.Kimachi和O.Michikami所发表的“High-TcSuperconducting Small Antennas”(IEEE Trans.AppliedSuperconductivity，vol.3，NO.1，March 1993)中。所以，没有发表过提供超增益的多单元阵列的例子。

此外，如果固定的相位和幅度由功率供给电路(RF合成)给出，整个天线系统会有窄的频带，并且包含一个接收机在内的系统也将有一个窄的频带。结果是产生了以下问题：天线不能应用于宽带通信系统。

而且存在一个关于方向性合成的重要问题。因为超增益阵列天线具有以非常窄的间距安装的天线单元，单元相互间有强电磁耦合，所以有非均匀的方向性。相反，在具有大约λ/2或更大的单元间距的阵列天线中，不位于两端的单元具有基本上均匀的方向性，并且可以无障碍地实现方向性合成。因为超增益合成需要如此的相位关系：相邻单元有反相的相位，每个单元的方向性是一个重要的设计要素。这就是说，为提供实现超增益的相位和幅度，每个单元的方向性在工作中是需要的。

数学上，通过假设一个非定向天线，可以找出实现超增益的相位和幅度。然而实际中单元相互之间有电磁耦合，所以，如果所找出的值被用于定向天线，不能实现超增益。

按照传统的采用功率供给电路的合成方法(RF合成)，连接到给出各单元的工作条件即相位和幅度的功率供给电路的安装单元的方向性不能被测量，所以，超增益合成考虑单元方向性是困难的。

如上所述，考虑到所有设计要素，设计多单元、高精度和宽带的超增益天线系统硬件在技术上是困难的。

发明内容

本发明解决了前面所述现有技术的问题。本发明的目的是为多单元阵列天线提供一个超方向增益，实现具有考虑到单元的方向性的更高精度的超增益合成，并且提供一个能保证整个天线系统有一个宽频带的超增益阵列天线系统，以及控制一个超增益阵列天线的方法。

本发明权利要求1所述的一种超增益阵列天线系统是具有一个阵列天线的超益阵列天线系统，阵列天线包含多个天线单元并且具有提供超增益的单元间距，该系统的特征在于，超增益阵列天线系统包括用于按照阵列天线的多个无线单元的每个方向性数据产生权重数据的权重产生器；以及用由权重产生器产生的权重数据对阵列天线的多个天线单元进行加权的加权装置。

本发明权利要求2所述的一种超增益阵列天线系统是如权利要求1所述的超增益阵列天线系统，其中，提供超增益的单元间距等于或小于被接收和/或被发送的信号的波长的四分之一。

本发明的权利要求3所述的超增益阵列天线系统是权利要求1所述的超增益阵列天线系统，其中，权重产生器产生使信噪比最大的权重数据。

本发明权利要求4所述的超增益阵列天线系统是权利要求1所述的超增益阵列天线系统，其中，权重产生器对多个天线单元进行校准，存储由校准得到的方向性数据，并且进行权重计算，其中权重数据通过参考存储的方向性数据而被计算出。

本发明权利要求5所述的超增益阵列天线系统是权利要求1所述的超增益阵列天线系统，其中，用于阵列天线的一个信号系统被分成多个子系统，并且为多个信号子系统中的每一个提供权重产生器。

本发明权利要求6所述的超增益阵列天线系统是权利要求1所述的超增益阵列天线系统，其中，用于阵列天线的一个信号系统被分成一个发送信号子系统和一个接收信号子系统，并且权重产生器被分开的发送信号子系统和接收信号子系统共享。

本发明权利要求7所述的超增益阵列天线系统是权利要求1所述的超增益阵列天线系统，其中，阵列天线被提供给发送和接收中的每一个，并且由被阵列天线共享的权重产生器所产生的权重数据被用于对阵列天线的多个天线单元进行加权。

本发明权利要求8所述的控制超增益阵列天线的方法是用于控制一个包含多个天线单且具有提供超增益的单元间距的阵列天线的方法，其中。此方法包括：一个权重产生步骤，按照阵列天线的多个天线单元的每个方向性数据产生权重数据；以及一个加权步骤，用在权重产生步骤中产生的权重数据对阵列天线的多个天线单元进行加权。

本发明权利要求9所述的控制超增益阵列天线的方法是权利要求8所述的控制超增益天线的方法，其中，提供超增益的单元间距等于或小于被接收和/或被发送的信号的波长的四分之一。

本发明权利要求10所述的控制超增益阵列天线的方法是权利要求8或9所述的控制超增益天线的方法，其中，在权重产生步骤中产生使信噪比最大的权重数据。

本发明权利要求11所述的控制超增益阵列天线的方法是权利要求8至10中任一项所述的控制超增益天线的方法，其中，在权重产生步骤中对多个天线单元进行校准，存储由校准得到的方向性数据，并且进行权重计算，其中权重数据通过参考存储的方向性数据而被计算出。

简言之，在本发明系统中实现了一种多单元和宽带的超增益阵列天线，它通过数字波束合成提供一个超增益，并且它包括：一个具有以提供超增益的单元间距安装的多个单元的阵列天线；连接于相应单元的多个接收机；用于为每个单元记录和存储单元方向性数据的装置；以及一个超增益合成电路。

附图说明

图1(a)所示方框图示出本发明的一个超增益阵列天线系统的第一个实施例，图1(b)示出其方向性图，图1(c)示出其回损特性；

图2是说明图1所示超增益权重产生器电路结构的方框图；

图3指出图1所示超增益权重产生器电路所执行的过程；

图4示出各个天线单元的方向性数据实例；

图5示出用于在单元之间校准的一种结构；

图6(a)所示方框图给出本发明超增益阵列天线系统的第二个实施例，图6(b)示出其方向性图，图6(c)示出其回损特性；

图7所示方框图给出本发明超增益阵列天线系统的第三个实施例；

图8所示方框图给出本发明超增益阵列天线系统的第四个实施例；

图9(a)所示方框图示出阵列天线的一般结构，图9(b)示出其方向性图，图9(c)示出其回损特性；

图10所示曲线示出超增益阵列天线中单元间距与方向增益之间的关系；以及

图11(a)所示方框图给出超增益合成天线的一种结构，图11(b)示出其方向性图，图11(c)示出其回损特性。

具体实施方式

现在借助附图详细说明本发明的实施例。在以下说明所用附图中相同的部分被标以相同的标号。下面，本发明超增益阵列天线系统的实施例参考图1至8加以说明。(第一个实施例)

图1(a)至1(c)示出本发明超增益阵列天线系统的第一个实施例的结构。图1(a)示出一个单元间距等于或小于λ/4的阵列天线。该阵列天线有4个单元。阵列天线中的天线单元A-1至A-4分别具有与其相连接的接收机(Rx)R-1至R-4。接收机R-1至R-4变换相应天线单元所接收的RF模拟信号为基带数字信号。

天线单元数据被传送到超增益权重产生器电路10并被处理和存储作为校准和单元方向性数据。超增益权重产生器电路10基于方向性数据为要求的辐射方向产生权重数据。产生的权重数据被送到加权单元30，在那里接收机R-1至R-4的输出被分别乘以权重数据。相乘后的基带信号被合成，然后输出。

这里，超增益权重产生器电路10如此工作，以给出最大的天线信噪比(下文简写为SNR)。下面借助图2说明超增益权重产生器电路10的结构。如图2所示，超增益权重产生器电路10包含一个单元方向性数据存储器11和一个超增益权重发生器单元12。超增益权重发生器10接收单元向性数据并输出天线权重数据。

在超增益权重产生器电路10中超增益合成的过程将借助图3加以说明。如图3所示，超增益合成的过程包括阶段O和阶段1，阶段O又包含单元间校准S1以及单元方向性数据采集和存储S2，阶段1又包含单元方向性数据参考S3，超增益权重计算S4和超增益合成S5。

首先，在阶段O中进行单元间校准S1以及单元方向性数据采集和存储S2。为了在基带(数字波束形成)合成阵列天线，需要各天线单元在将天线单元接收的输入变换为基带的通路中采用同样的传递函数。当接收一个无线电波时，出现在天线单元之间的相位差和幅度差仍保留在基带中是困难的。所以天线单元之间的相位差和幅度差被测量(S1)和存储(S2)。存储的数据被用于在工作中进行校正。

存储在单元方向性数据存储器11中的数据是阵列天线中天线单元A-1至A-4的方向性图的数据(数字数据)，如图4所示。在图4中横轴表示角度(天线的正前方为零度)，纵轴表示方向增益。

图5所示的一种结构被用于测量和存储天线单元A-1至A-4之间的相位差和幅度差。接收机R-1至R-N分别被提供给天线单元A-1至A-N。滤波器f-1至f-N分别被设置在天线单元A-1至A-N与接收机R-1至R-N之间。在此结构中，天线单元A-1至A-N所接收的模拟信号分别通过滤波器f-1至f-N、放大器g-1至g-N和接收机R-1至R-N被变换为基带信号，以提供天线单元方向性数据。此数据被存储在单元方向性数据存储器11中。

如上所述，在单元间校准S1和单元方向性数据采集和存储S2中，即在阶段O中，如上所述方向性图预先被测量并存储在单元方向性数据存储器11中。

下面说明在图2所示超增益权重产生器单元12中所进行的处理，即，图3中的单元方向性数据参考S3，超增益权重计算S4和超增益合成S5。在此处理中，即在阶段1中，存储在单元方向性数据存储器11中的单元方向性数据被参考，以产生提供阵列天线最大SNR的权重数据。

在本发明系统中作为提供阵列天线最大SNR的一种方法，采用了一种描述在Robert J.Dinger，Donald R.Bowling和Anna M.Martin所发表的“高温超导体的可能的无源天线应用综述”(IEEETransactions on microwave theory and techniques，Vol.39，NO.9，P.1503，Sept.1991)一文中的方法。在此文章中用于计算提供最大SNR的权重数据的方法说明如下。

首先，作为角度θ的函数的方向性函数f(θ)由以下公式(1)表示。公式1 $>>f>>(>\theta >)>>=>>\Sigma >>n>=>1>>N>>>W>n>>>e>>jk>>(>n>->1>)>>d>sin>\theta >\; >·>·>·>·>·>·>>(>1>)>>>s>$

在此式中，W_n＝A_ne^jθ且K＝2π/λ(符号λ表示波长)。式(1)中权重W_n可表示为下式(2)中的矢量W_n。公式2

              W＝[W₁W₂……W_n]^T    ……(2)

式(2)中符号T表示一个转置矩阵。假设单元方向性数据被表示为A_n(θ)，一个信号矢量被表示成以下公式(3)。公式3

S＝[A₁(θ)A₂(θ)e^jkdsinθA₃(θ)e^j2kdsinθ...A_N(θ)e^{j(N-1)kdsinθ}]^T…(3)化简式(1)得以下公式(4)。公式4

              f(θ)＝W^TS    ……(4)信号输出功率—它是角度θ的函数—被表示成以下公式(5)。公式5

       P(θ)＝|W^TS|²＝W^xTPW    ……(5)

其中式(5)右侧的符号P表示一个交叉频谱密度矩阵，它是一个张量乘积，表示为P＝SS^x。

另一方面，噪声输出功率被表示为以下公式(6)。公式6

       P_n＝W^TRW                 ……(6)

其中，式(6)右侧的符号R表示一个噪声协方差矩阵，它被表示为以下公式(7)。公式7

       R_ij＝∫n_i^x(t)n_j(t)dt    ……(7)

式(7)中，项n_i(t)表示单元i的噪声，它是时间(t)的函数。组合式(5)和(6)，SNR(θ)—它是角度θ的函数—被表示为以下公式(8)。公式8 $>>SNR>>(>\theta >)>>=>>>>W>>*>T>\; >PW>>>>W>>*>T>\; >RW>>>·>·>·>·>·>·>>(>8>)>>>s>$

使式(8)给出的SNR(θ)最大化的权重W被表示为以下公式(9)。公式9

           W_opt＝R^-1S_O^x        ……(9)

权重数据W_opt被表示为以下公式(10)。公式10

           W_opt＝[R+ε1]^-1S_O^x  ……(10)

天线的Q值被表示为以下公式(11)。公式11 $>>Q>=>>>>W>opt>>*>T>sup>>>W>opt>>>>>W>opt>>*>T>sup>>>RW>opt>>>>·>·>·>·>·>·>>(>11>)>>>s>$

上面描述的这个过程等效于图3中的单元方向性数据参考S3和超增益权重计算S4。上述公式(10)给出的权重数据W_opt被用来实现图3中的超增益合成S5。

如上所述，用本发明系统，具有窄的单元间距的阵列天线(单元间距能提供一个超增益)、超增益权重产生器和基带接收及合成系统可以提供具有图1(b)所示方向性图和图1(c)所示回损特性的超增益天线。

虽然图1(a)至1(c)示出阵列天线的一个线性排列，这个实施例显然能应用于任何排列方式，例如一个环状排列和一个平面排列。(第二个实施例)

图6(a)示出本发明超增益阵列天线系统的第二个实施例的结构。在此实施例中同样采用单元间距等于或小于λ/4的阵列天线。此实施例与第一个实施例(参见图1)的不同在于单元的基带数字信号被分配给多个处理器系统。在此实施例中，信号被分配给N个系统#1-#N。这些系统具有其自己的超增益权重产生器电路10-1至10-N和自己的加权单元30-1至30-N。超增益权重产生器电路10-1至10-N和加权单元30-1至30-N所进行的处理与上面在第一个实施例中说明的相同。

采用这样一种安排，天线单元或接收机的一个可能的频带可被分成多个子频带，这些子频带可被指配给多个处理器。

简言之，按照这个实施例，超增益合成电路本身被设置作为一个窄带滤波器。这种安排实现如图6b和bc所示的整个系统的宽频带。(第三个实施例)

图7示出本发明超增益阵列天线系统的第三个实施例的结构。在此实施例中也采用单元间距等于或小于λ/4的阵列天线。此实施例与第一个实施例(参见图1)的不同在于系统增加了一个双工器(DUP)20和一个由发射机(Tx)T-1至T-4和加权单元30-T组成的发射机系统。这就是说，由天线单元A-1至A-4组成的天线被接收机系统和发射机系统共享。超增益权重产生器电路10和加权单元30-T和30-R所进行的处理与上面在第一实施例中说明的相同。

此安排允许发射中的超增益合成。因为在此实施例中天线被共享，具有接收机系统和发射机系统的整个系统可减小体积而不增加天线单元数。(第四个实施例)

图8示出本发明超增益阵列天线系统的第四个实施例的结构。在此实施例中也采用单元间距等于或小于λ/4的阵列天线。该实施例与第一个实施例(参见图1)的不同在于具有天线单元A-1R至A-4R的接收机系统和具有天线单元A-1T至A-4T的发射机系统是分开的，且超增益权重产生器电路10被系统共享。超增益权重产生器电路10和加权单元30-T和30-R所进行的处理与上面在第一个实施例中说明的相同。

这种安排允许发射中的超增益合成。因为在此实施例中超增益权重产生器电路被共享，具有接收机系统和发射机系统的整个系统可以减小体积而不增加同样电路的数量。

上述超增益阵列天线系统采用如下所述的控制超增益阵列天线的方法。即，该方法控制一个包含多个天线单元且具有提供超增益的单元间距的阵列天线，并且该方法包括：按照阵列天线的多个天线单元的每个方向性数据产生权重数据的权重产生步骤；以及用在权重产生步骤中所产生的权重数据对阵列天线的多个天线单元进行加权的加权步骤。这里，提供超增益的单元间距等于或小于被接收和/或被发送的信号的波长的四分之一。

在权重产生步骤中，产生使信噪比最大的权重数据。在权重产生步骤中进行多个天线单元的校准、存储由校准得到的方向性数据并且进行权重计算，在其中权重数据通过参考存储的方向性数据而被计算出。

如果该控制方法被采用，可通过数字波束合成得到一个多单元且宽频带的超增益阵列天线。

除了在权利要求中所描述的以外，本发明包括以下几方面：

(1)通过数字波束合成提供超增益的天线装置，它包含：一个具有以提供超增益的单元间距安装的多个天线单元的阵列天线；连接于相应天线单元的接收机；一个记录和存储每个天线单元的单元方向性数据的设备；以及一个超增益合成电路。

(2)通过数字波束合成提供超增益的天线装置，它包含：一个具有以提供超增益的单元间距安装的多个天线单元的阵列天线；一个用于分配天线输出的分配器；连接于相应单元的接收机；一个记录和存储每个天线单元的单元方向性数据的设备；以及一个超增益合成电路。

(3)如(1)中所述的天线装置，对每个天线单元还包含一个双工器和一个连接到双工器的发射机。

(4)如(1)中所述的天线装置，它还包含一个专用于发送且具有以提供超增益的单元间距安装的多个天线单元的阵列天线和连接它的一个发射机。

如上所述，按照本发明，权重数据根据多个以提供超增益的单元间距安装的天线单元之间的相位差和幅度差以及它们的方向性数据而产生，并且所产生的权重数据被用于对每个天线单元进行加权，从而可以有利地得到一个多单元的超增益阵列天线，它是以传统方法不可能得到的。此外，如果此结构的多个系统被配置给多个天线单元，可有利地得到能应用于宽带通信系统的天线系统。而且，如果集成了用于发送的天线和用于接收的天线，或者如果权重数据的产生和加权在一个公用结构中进行，整个系统可被有利地减小体积。