具有不规则网孔和可能的冷冗余的阵列天线

摘要

发射和/或接收阵列天线包括至少一个辐射单元(ER)和控制装置的子阵列(SR)的阵列(R)，控制装置用于控制要由每个子阵列(SR)以波的形式发射或接收的射频信号的幅度和/或相位，以使它们根据选定模式发射或接收信号。子阵列(SR)包括从阵列(R)的中心到其外围增加的平均数量的辐射单元(ER)，并被以这种方式彼此相关地进行安排，从而组成提供低强度的模式旁瓣和在感兴趣方向上的高增益的不规则网孔。

说明书

技术领域

本发明涉及阵列天线。

背景技术

这里，“阵列天线”要理解为意味着能够进行发射和/或接收操作、并包括至少一个辐射单元和控制装置的子阵列的阵列的天线，控制装置适于依靠有源链(active chain)控制要由每个子阵列发射的(或在相反方向上，以波的形式从空间接收的)射频信号的幅度和/或相位，以使它们根据选定模式发射(或接收)射频信号。从而，这将同样地充分涉及所谓的直接辐射阵列天线(direct-radiation array antenna)(经常由它们的缩写DRA来表示)、有源或非常少见的无源类、以及“反射器阵列天线(reflector-array antenna)”(或“反射阵列天线(reflectarrayantenna)”)。

正如本领域技术人员所知道的那样，例如具有正好分布在辐射单元后面的放大器的直接辐射天线的某些阵列天线可以工作于多波束模式，这是例如在Ka波段(发射时18.2GHz至20.2GHz，或接收时27.5GHz至30GHz)中的多媒体任务的架构中、或用于在飞行中例如在Ku波段(发射时10.7GHz至12.75GHz，或接收时13.75GHz至15.6GHz)中重新配置波束所需要的基本性质。

不过，这些阵列显示出两个主要缺点。一旦覆盖区域必须被分解为非常精细的波束(或“点”)，并且临近区域之间存在强的隔离限制从而能够周期性再使用一个和相同的频率子-波段时，这些阵列实际上需要大量的有源链。另外，当不在它们的最佳功率电平处使用它们时，在宽带多载波存在时它们的有源链中包括的放大器的低能量效率(确定发射中的标准)变坏。这实际上由所谓的变迹(apodization)(也被称为“锥度”)产生，当人们希望获得相当弱的(天线模式的)旁瓣时变迹是必不可少的。回想起变迹是一种技术，包括与其外围处相比、将更多能量安排在阵列的中心处。

当由于频率再使用在临近区域之间存在强的隔离限制时，在上述两个主要缺点上可加上第三个缺点。特别是，当故障率变得重要时，当少数有源链(在一次任务期间逐渐)变成故障时性能中的“平稳”衰减通常变得不可接受。为了弥补这个缺点，无可否认可以设想类型“2对1”、或“3对2”、或“10对8”的辐射单元的子阵列的传统冗余，但是这使大型阵列承担不可接受的复杂性，并显著增加质量(对于卫星载天线是特别不利的缺点)。

为了试图弥补上述缺点，在专利文件FR 2762937中已经提出了一种具有“冷冗余”的稀疏阵列天线。这种解决方案包括在阵列的选定位置处提供受限数量的替换子阵列和相关的有源控制链，只有在一个或多个有源控制链出故障的情况下才使用它们。将这些替换子阵列的位置选择成使发射和/或接收持续满足需求：对于第一近似，在某些冗余激活的前后用于能量的变迹分布定律(apodized distribution law)必须保持整体相似。

当不使用替换子阵列时，它形成阵列中的发射和/或接收空隙(void)，其在天线最优化期间要被考虑到。不过，阵列中相当数量空隙的存在降低了对于给定外部尺寸而言的天线的方向性。另外，因为在空隙定义之前阵列的规则网孔，如果人们希望获得弱的旁瓣(来防止特别是由于从有用的角域中的干扰而来的周期性导致的“阵列波瓣”)，必须使用具有小数量辐射单元的子阵列，从而能够仅略微减少子阵列的总数量。

由于没有已知的解决方案是完全满意的，因此本发明的目的是改善这种状况。

发明内容

为此目的提出一种发射和/或接收阵列天线，包括至少一个辐射单元和控制装置的子阵列的阵列，所述控制装置负责控制要由每个子阵列以波的形式发射或接收的射频信号的幅度和/或相位，以使它们根据至少一个选定模式发射或接收射频信号。

该阵列天线的特征在于它的子阵列包括从阵列的中心到其外围增加的平均数量(a mean number)的辐射单元，并被彼此相关地进行安排，从而组成不规则网孔，其提供低强度的模式旁瓣和在感兴趣的方向上的高增益。

根据本发明的阵列天线可以包括能够被分开或进行组合的其它特征，并且特别是：

-根据受约束的最优化伪随机类型的分布，例如使用“遗传”或“模拟退火”类型的算法可以将它的子阵列安排成彼此相关；

-它的阵列可以例如包括中心部分并由外围部分围绕，在中心部分中子阵列包括一个到四个(和例如一个到两个)辐射单元，在外围部分中它们优选包括一个到十六个单元，具有比中心部分中更高的平均数量；

-可以在包括一组至少两个紧凑平面辐射单元的子阵列的基础上获得不规则网孔；

在包括分别包含四、八和十六个紧凑平面辐射单元的组的第一、第二和第三子阵列的基础上获得例如不规则网孔；

紧凑平面辐射单元是例如小型金属平铺(或“贴片”)；

-安装在选定位置处被称为“替换”的某些子阵列可以被提供成仅在至少一个其它子阵列出故障的情况下被使用。在这种情况下，可以将大多数替换子阵列例如安装在阵列的外围部分中，准确地说此处天线照明(illumination of antenna)中“空隙”的存在是不利的(但是有助于与不规则网孔一起产生必要的变迹)；

-它可以采用直接辐射有源天线(通常被称为DRA)的形式。在这种情况下，它的控制装置包括可控或不可控的“波束形成器”(其缩写为BFN)和信号放大器(或有源链)，其每个与子阵列(包括那些被叫做替换的，在它们存在时)之一相关并负责根据发射时基本相同的功率进行工作；

这种连接到有源链的波束形成器对于允许在选定方向上发射和/或接收至少两个射频信号波束是特别不可缺少的；

·波束形成装置可以是可重新配置的，从而允许更改波束的选定方向和/或波束的数量；

-在变体中，它可以采用反射器阵列天线的形式。在这种情况下，波束形成器不是电路形式。从(或到)主要源在自由空间中执行发射时信号的分布(或接收时它的总和)，通过将设备集成到辐射单元中可控制波束的形状和方向。

附图说明

在研究此后的详细介绍和附图的基础上本发明的其它特征和优点将是显而易见的，其中：

-图1以非常图形化和功能化的方式示出本发明可以应用到的直接辐射阵列天线的示例性实施例；

-图2以非常图形化的方式示出处于中间最优化阶段的具有根据本发明的不规则网孔的第一示例性阵列；

-图3以非常图形化的方式示出具有根据本发明的不规则网孔的第二示例性阵列；

-图4以非常图形化的方式示出具有根据本发明的不规则网孔和冷冗余的第三示例性阵列；

-图5以非常图形化的方式示出具有根据本发明的不规则网孔的第四示例性阵列。

如果适宜的话，附图将不仅能够用于补充本发明，而且能够有助于其限定。

具体实施方式

本发明的目的是特别能够减少阵列天线的子阵列的数量，依靠基本相同功率的放大器变迹(在发射天线的最适合情况下)，以及用于减少故障的可能冗余。

在下面，通过非限制性的例子认为所述阵列天线是直接辐射(或DRA)类型的。但是本发明不限于这种类型的阵列。它还涉及反射器阵列天线。

回想起反射器阵列天线包括负责以最小损失拦截(intercepting)波、以便在选定方向(被称为指示方向)上反射它们的辐射单元，所述波包括由主要源发送的、待发射的射频信号。为了允许天线模式的重新配置性，每个辐射单元配备有相位控制设备，它利用相位控制设备构成无源或有源的相位移动单元。

为了简化介绍，在下面认为阵列天线致力于发射射频信号。但是本发明不限于这种情况。它事实上涉及致力于发射和/或接收射频信号的阵列天线。

首先参考图1来介绍能够实施本发明的直接辐射阵列天线AR。

如在图1中示意性和功能性示出的那样，直接辐射阵列天线AR包括至少一个辐射单元(未示出)的M(M>1)个子阵列的阵列R，M个有源链Cm(m＝2至M)每个都可以经由例如带通类型的滤波器Fm与M个子阵列的其中一个连接，而波束形成模块(或阵列)MFF(或“波束形成网络”BFN)包括N个输入端口Pn(n＝1至N，N>0)和M个输出端口，其每一个都连接到有源链Cm的输入端。

阵列(或辐射单元的面板)R的所有辐射单元通常是相同类型的。它们例如是平铺(tile)(或“贴片”)、角、偶极子或螺旋的。紧凑的但非常无方向性的单元的平铺(或“贴片”)优选用做子阵列，也就是说用做子设备(是更加有方向性的)，其包括由我们将回过头来进一步介绍的固定线连接的数个贴片，如图5中的情况那样。因此它们使它们自己特别适合于具有良好的间隔尺寸的可变安排(没有过多的成本)，这是本发明的目标之一。

每个有源链Cm包括例如负责给相关子阵列必须以波的形式发射的信号施加选定的相位移动的相位移动器Dm，以及负责给被相位移动的信号施加选定的放大(倍数的功率放大器Am，所述被相位移动的信号必须要由辐射单元以波(或电磁辐射)的形式发射。

放大器Am通常是SSPA类型(产生几瓦功率的“固态功率放大器”)。非常少见地，如果要提供的功率超过数十瓦，并且如果相对于质量的增大低消耗是主导的，则放大器可以是“小型管”(长期在雷达和卫星通信系统领域中使用的“行波管(或TWT)的紧凑版本”)。

波束形成模块MFF可以是模拟类型或数字类型。它负责给要被相位移动的(以便在阵列天线的载波伪运动的情况下同时再指示所有波束)、以及要被放大的(以及可能要被滤波的)信号提供不同的有源链Cm。在希望每个波束的方向都是独立可控的情况下，图1中表现出的可控相位移动器也被包含在波束形成模块MFF中：于是它们和波束与辐射单元一样多。

必须通过不同有源链Cm提供给信号的整组相位和放大电平被称为相位和/或幅度规则。该规则定义了用于AR天线的模式(这里是发射模式)。AR天线能够同时产生的不同模式的数量取决于波束形成模块MFF的输入端口Pn的数量。每个输入端口Pn事实上负责激活给定模式。每个(发射)模式对应于在给定方向上波束的发射，以便覆盖区域(或点)。

注意到AR天线能够同时发射相应于由不同输入端口Pn激活的不同模式的几个波束(于是叫做多波束工作)是重要的。另外，当模式的编程在波束形成模块MFF内被固定时，天线被称为“固定波束天线”，通常叫做“无源天线”。在相反的情况下，天线被称为可重新配置的，通常叫做“有源天线”，这是因为可控元件的存在几乎总是与在所有路径上分布的放大器有关。于是如图1中所示，它包括配置输入EC(也就是说与预编程的控制模块导线连接)。

另外将注意到致力于接收的阵列天线呈现出类似于上述致力于发射的阵列天线的安排。它们的区别是经由低噪声放大器(LNA)在相反方向上(从辐射单元到波束形成模块)发射能量的事实。

本发明适合于辐射单元ER的子阵列SR的阵列R的特殊安排。

更准确地，根据本发明并如图2至4的三个非限制性例子中示出的那样，阵列R的子阵列SR一方面包括平均数量的辐射单元ER，其从阵列R的中心PC到它的外围PP(除了图2的情况，其示出不考虑总体标准的中间配置)增加，而另一方面被安排成彼此相关，以便构成不规则网孔。

这里，要将“辐射单元ER的平均数量”理解成意味着关于位于阵列R的一个和相同区域(例如中心部分PC或外围部分PP)中的一组子阵列SR的平均数量。因此不必在阵列R的一个和相同区域中含有这种子阵列SR，即，其具有比位于进一步远离阵列R中心的阵列R的另一个区域中的子阵列SR有系统地数量更少的辐射单元ER。不过，情况经常是这样。因此，可以例如设想阵列R包括中心部分PC和围绕中心部分PC的外围部分PP，在中心部分PC中子阵列SR包括一个到三个辐射单元ER、或实际上甚至是一个到两个辐射单元ER，而在外围部分PP中子阵列SR包括一个到十四个辐射单元ER、或三个到十四个单元。

强调一下从中心到外围单元数量的平均增长、或陈述从中心到外围电源点密度的降低，可以利用相同功率的放大器获得变迹的事实是重要的。

特别是，从中心PC到外围PP的辐射单元ER的平均数量的变化可以利用连接到每个子阵列SR的功率放大器Am的功率中的最小空间变化获得照明的变迹。这可以使用功率放大器Am，其以基本相等的功率(“相等-功率”)例如以三个标准偏差(3σ)以+/-1dB进行工作。因此对这些功率放大器Am进行优化以获得最佳可能的能量效率，同时避免使用具有不同功率的数种类型放大器的昂贵情况。

依靠具有不同数量辐射单元ER和/或不同形状的子阵列SR，不规则网孔可以获得其旁瓣为低强度以及在感兴趣方向上的高增益的模式(因为避免了阵列中非常多的空隙)。网孔越不规则，“阵列旁瓣”越弱。这些“阵列旁瓣”实际上是最高的旁瓣，由传统阵列的网孔的周期性导致。

这种不规则网孔例如由受约束的伪随机类型的子阵列SR的分布导致。它作为天线旁瓣上的指标(specificaiton)、在频率再使用情况下邻近区域之间的隔离、以及子阵列的形状上的一个约束或多个约束的函数被确定。可以设想多种类型的约束，例如子阵列的形状或多种形状(易于例如利用小型角或辐射平铺来制造矩形轮廓的子阵列)、或阵列分解成对称象限。

依靠例如(基于以明智的方式组织的连续随机抽取的)遗传算法、所谓的“模拟退火”算法、或利用离散变量优化问题方面的专家所知的任何其它类型算法的专业算法进行网孔的确定。

在图2中示出在中间优化阶段中(也就是说在考虑基于几何学的变迹标准之前)具有根据本发明的不规则网孔的第一示例性阵列。在该第一例子中，通过连续的线给每个子阵列SR划界，同时通过点分开子阵列SR的辐射单元ER。

例如，如果按参考框架的X(横坐标)和Y(纵坐标)轴参考：

-在纵坐标-12和-11之间(外围部分PP)以及在横坐标-3和+3之间存在矩形形状的三个子阵列SR，每个都包括两个辐射单元ER，

-在纵坐标-11和-10之间(外围部分PP)以及在横坐标-5和+5之间存在每个都包括两个辐射单元ER的两个子阵列SR以及每个都包括四个辐射单元ER的两个子阵列SR，

-在横坐标-2和+2之间存在四列，其在纵坐标-8和+8之间延伸，每列包括具有两个辐射单元ER的八个矩形子阵列SR。这是位于阵列R的中心部分PC中的区域，

-在横坐标-4和-2之间以及在纵坐标-6和-4之间存在四个辐射单元ER的正方形子阵列SR。

这个例子对应于上述情形，其中中心部分PC基本包括其辐射单元ER的平均数量等于二并小于位于外围部分PP中的子阵列SR的(大约等于三)数量，其还包括具有小数量辐射单元(二或实际上仅为一)的子阵列SR。

在图3中示出具有根据本发明的不规则网孔的第二示例性阵列R。在该第二例子中，所有临近的相同符号都定义与有源链Cm相连的一个和相同的子阵列SR的辐射单元ER。

该例子更清楚地对应于上述标准，其中中心部分PC包括其辐射单元ER的数量处于一和二之间的子阵列SR，而中间部分PI包括其辐射单元ER的数量处于一和三之间的子阵列SR，并且外围部分PP包括其辐射单元ER的数量处于一和十四之间的子阵列SR。因此实际上存在辐射单元ER的平均数量从中心到外围显著增加的子阵列SR。

在图4中示出在一个和相同时间上具有不规则网孔和冷冗余的第三示例性阵列R。在该第三例子中，所有临近的相同符号定义与有源链Cm相连的一个和相同子阵列的辐射单元。每个阴影区域表示与具有所谓的冷冗余的有源链Cm相连的替换子阵列SR。在专利文件FR2762937中详细介绍过冷冗余。因此未在此再次介绍它。可简单回想起当只要有源链Cm不必代替已经出故障的一个或多个其它(不冗余的)有源链而保持不运行(或未受激活)时，有源链Cm被称为具有冷冗余。

具有冷冗余的有源链的使用简单需要将低电平开关集成到波束形成模块MFF中。另外，冷冗余有源链不增加任何过度消费，这是因为仅当它们用于代替至少一个出故障的有源链(它们的电源通过特殊命令、或在保险丝保护避免短路的情况下自动被切断)时才给它们供电。

在图4中示出的情形下，阵列R因此包括替换子阵列SRS和所谓的主要子阵列SRP(当它们各自的有源链Cm没有故障时使用)。

这些替换子阵列SRS被安装在选定的位置处，以使发射和/或接收可以连续地正常进行(也就是说具有一个或多个几乎不改变的模式)。替换子阵列SRS的辐射单元ER的位置、形状和数量优选在与主要子阵列SRP的那些的相同时间被确定。从而，将组成提供发射和/或接收空隙的另外的初始约束从开始就引入计算权(calculation right)。

如图4中示出的那样，优选可以将大多数替换子阵列SRS安装到阵列R的中间部分PI和外围部分PP中。在这种可选的情形下，变迹是强烈的(strong)，这是因为在中心部分中没有空隙；但是对中心部分中引起的故障的补偿不是理想的。因此，根据相对权重，关于在替换子阵列SRS位置方面安排的约束存在几个选项，其中相对权重被分配给被考虑为待设计的阵列天线的不同“质量标准”的应用。

在图5中示出具有根据本发明的不规则网孔的第四示例性阵列R。该示例性阵列非常适合(例如在无线通信应用中的)卫星载阵列天线。

在该第四例子中，每个(正方形或矩形的)几何块表示例如小型金属平铺(或贴片)的紧凑平面类型的至少两个辐射单元ER的子阵列。更准确地说，这里在三种不同子阵列类型的基础上组成不规则网孔。每个第一子阵列SR1包括一组四个紧凑平面辐射单元ER。每个第二子阵列SR2包括一组八个紧凑平面辐射单元ER。每个第三子阵列SR3包括一组十六个紧凑平面辐射单元ER。

如在其它例子中那样，一个和相同的子阵列SR1、SR2或SR3的辐射单元ER与有源链Cm相连。

正如本领域技术人员所熟知的那样，可以在堆(stack)的基础上组成每个子阵列，所述堆包括例如定义第一腔和不同激励线的管道的结构(由例如铝制成)、和定义包括分布线的“主导”平铺的电路(由例如杜劳特铬合金钢(duroid)或聚酰亚胺石英(polyimide quartz)制成)、和定义第二腔的结构(由例如铝制成)、和定义所谓的“寄生”平铺的电路(由例如杜劳特铬合金钢(duroid)或聚酰亚胺石英(polyimide quartz)制成)、以及最后辐射保护电路。

如图所示，(含有最低数量辐射单元ER的)第一子阵列SR1被放在阵列R的中心部分PC中，(含有中等数量辐射单元ER的)第二子阵列SR2被放在阵列R的中间部分PI中，而(含有最大数量辐射单元ER的)第三子阵列SR3被放在阵列R的外围部分PP中。因此实际上用于子阵列SR的辐射单元ER的平均数量从中心到外围显著增加。

当然，不同子阵列类型的紧凑平面辐射单元ER的数量可以不同于所示出的。例如，它可以具有第一SR1、第二SR2和第三SR3子阵列，分别包括2、4和8个紧凑平面辐射单元ER，或分别包括2、8和16个紧凑平面辐射单元ER，或分别包括2、8和32个紧凑平面辐射单元ER。可以设想任何其它值。

另外，可以在两种子阵列类型或实际上多于三种类型的基础上定义不规则网孔。

通过本发明的优点，与呈现出基本相同性能的传统阵列天线(也就是说规则网孔的)相比可以稍微降低阵列天线的有源链的数量以及因此它的成本。在某些不使用任何冷冗余有源链的情况下这种减少可以达到50％。利用冷冗余的工作需要增加具有冷冗余的有源链的大约10％，以使整体减少变成小于或等于40％。不过，这可以在出现主要有源链故障的情况下为阵列天线保持较好的性能。

另外，本发明可以使用基本相同功率的放大器，这再次可以减少阵列天线的成本并改善其能量效率(实际上回想起，在具有规则网孔的阵列天线中，变迹需要非常不同的功率)。

本发明不限于上述阵列天线实施例，其仅仅作为例子，但是它包括本领域技术人员在所附权利要求的框架内能够设想的任何变体。