RU2796329C2 - Phased antenna array system - Google Patents
Phased antenna array system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796329C2 RU2796329C2 RU2020138318A RU2020138318A RU2796329C2 RU 2796329 C2 RU2796329 C2 RU 2796329C2 RU 2020138318 A RU2020138318 A RU 2020138318A RU 2020138318 A RU2020138318 A RU 2020138318A RU 2796329 C2 RU2796329 C2 RU 2796329C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- impedance
- amplifiers
- array
- phased
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 15
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010187 selection method Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее описание в основном относится к области связи и, более конкретно, к фазированной антенной решетке.The present description mainly relates to the field of communication and, more specifically, to a phased array antenna.
Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for the creation of the invention
Фазированная решетка или решетка с электронным сканированием представляет собой управляемую антенную решетку, выполненную с возможностью создания луча радиоволн, который может быть направлен электронным способом для наведения в разных направлениях без перемещения антенн. В антенной решетке радиочастотный ток от передатчика подают на отдельные антенны с соответствующим фазовым соотношением таким образом, что радиоволны от отдельных антенн суммируются друг с другом с увеличением излучения в требуемом направлении при одновременной нейтрализации с подавлением излучения в нежелательных направлениях. Направленные области с высоким коэффициентом усиления, называемые «лучами», образуют путем сдвига фазы сигнала, излучаемого каждым излучающим элементом, для обеспечения усиливающей и ослабляющей интерференции для направления лучей в требуемом направлении. Относительные амплитуды сигналов, излучаемых отдельными антеннами, определяют диаграмму эффективного излучения решетки. Фазированную решетку можно использовать для наведения фиксированной диаграммы излучения или для быстрого сканирования по азимуту или углу места.A phased array or electronically scanned array is a steerable antenna array capable of producing a beam of radio waves that can be electronically directed to point in different directions without moving the antennas. In an antenna array, radio frequency current from the transmitter is fed to individual antennas with an appropriate phase relationship in such a way that the radio waves from the individual antennas are summed with each other with an increase in radiation in the desired direction while simultaneously neutralizing with suppression of radiation in unwanted directions. High gain directional regions, called "beams", are formed by shifting the phase of the signal emitted by each radiating element to provide amplifying and attenuating interference to guide the beams in the desired direction. The relative amplitudes of the signals emitted by the individual antennas determine the effective radiation pattern of the array. Phased array can be used to point a fixed radiation pattern or to quickly scan in azimuth or elevation.
Изложение сущности изобретенияStatement of the Invention
В соответствии с одним примером предложена фазированная антенная решетка, которая представляет собой решетку из антенных элементов, создающих луч в направлении электрической оси антенны. Множество фазовращателей реагируют на команды регулировки фаз из множества радиочастотных (РЧ) сигналов, передаваемых на решетку из антенных элементов. Контроллер передает команды на множество фазовращателей. Переданные команды используют в множестве фазовращателей для направления луча в пределах диапазона углов сканирования относительно направления электрической оси антенны. Множество сигналов усиливается множеством усилителей. Каждый из множества усилителей подключен к порту антенны решетки из антенных элементов и имеет рабочую характеристику, которая зависит от импеданса порта антенны у порта антенны. Импеданс антенны изменяется в зависимости от угла сканирования луча в пределах диапазона углов сканирования, а усилители выполнены таким образом, что максимальной рабочей характеристики достигают при значении импеданса порта антенны, которое соответствует конкретному углу сканирования в пределах диапазона углов сканирования, который отличается от направления электрической оси антенны.In accordance with one example, a phased array antenna is provided, which is an array of antenna elements that produce a beam in the direction of the electrical axis of the antenna. A plurality of phase shifters are responsive to phase adjustment commands from a plurality of radio frequency (RF) signals transmitted to the array of antenna elements. The controller sends commands to a plurality of phase shifters. The transmitted commands are used in a plurality of phase shifters to direct the beam within a range of scan angles relative to the direction of the electrical axis of the antenna. A plurality of signals are amplified by a plurality of amplifiers. Each of the plurality of amplifiers is connected to an antenna port of the array of antenna elements and has an operating characteristic that depends on the impedance of the antenna port at the antenna port. The antenna impedance varies with the scan angle of the beam within a range of scan angles, and the amplifiers are designed to achieve maximum performance at an antenna port impedance value that corresponds to a particular scan angle within a range of scan angles that is different from the direction of the electrical axis of the antenna .
В соответствии с другим примером предложен способ реализации фазированной антенной решетки, имеющей направление электрической оси антенны. Угол сканирования в пределах определенного диапазона углов сканирования для фазированной антенной решетки выбирают таким образом, чтобы выбранный угол сканирования отличался от угла сканирования, связанного с направлением электрической оси антенны. Импеданс порта антенны для каждого из множества антенных элементов, составляющих фазированную антенную решетку, изменяется в зависимости от угла сканирования фазированной антенной решетки. Каждый из множества усилителей подключен к порту антенны одного из множества антенных элементов. Каждый из множества усилителей выполнен таким образом, что максимальное значение рабочей характеристики множества усилителей достигается, когда импеданс у порта антенны соответствует выбранному углу сканирования.According to another example, a method is provided for implementing a phased array antenna having an electrical axis direction of the antenna. The scan angle within a certain range of scan angles for a phased array antenna is chosen so that the selected scan angle is different from the scan angle associated with the direction of the electrical axis of the antenna. The antenna port impedance for each of the plurality of antenna elements constituting the phased array antenna varies depending on the scanning angle of the phased array antenna. Each of the plurality of amplifiers is connected to an antenna port of one of the plurality of antenna elements. Each of the plurality of amplifiers is designed such that the maximum performance value of the plurality of amplifiers is achieved when the impedance at the antenna port matches the selected scan angle.
В соответствии еще с одним примером фазированная антенная решетка представляет собой решетку из антенных элементов, создающих луч в направлении электрической оси антенны. Первый набор фазовращателей реагирует на команды регулировки фаз из радиочастотных (РЧ) сигналов, принимаемых в решетке из антенных элементов. Второй набор фазовращателей выполнен с возможностью реагирования на команды регулировки фаз передаваемых сигналов для выполнения передачи с помощью решетки из антенных элементов. Контроллер передает команды для первого набора фазовращателей и второго набора фазовращателей. Переданные команды используют для направления луча в пределах диапазона углов сканирования относительно направления электрической оси антенны. Первый набор усилителей усиливает сигналы, принимаемые в решетке из антенных элементов. Каждый из первого набора усилителей подключен к порту антенны решетки из антенных элементов и имеет первую рабочую характеристику, которая зависит от импеданса порта антенны у порта антенны. Импеданс антенны изменяется в зависимости от угла сканирования луча в пределах диапазона углов сканирования, причем максимальная первая рабочая характеристика достигается при первом значении импеданса порта антенны, которое соответствует первому углу сканирования, который отличается от направления электрической оси антенны. Второй набор усилителей усиливает передаваемые сигналы, подлежащие передаче с помощью решетки из антенных элементов. Каждый из второго набора усилителей подключен к порту антенны решетки из антенных элементов и имеет вторую рабочую характеристику, которая зависит от импеданса порта антенны у порта антенны, причем максимальная вторая рабочая характеристика достигается при втором значении импеданса порта антенны, которое соответствует второму углу сканирования, который отличается от каждого из направления электрической оси антенны и первого угла сканирования.In accordance with another example, a phased array antenna is an array of antenna elements that create a beam in the direction of the electrical axis of the antenna. The first set of phase shifters is responsive to phase adjustment commands from radio frequency (RF) signals received in the array of antenna elements. The second set of phase shifters is configured to respond to commands to adjust the phases of the transmitted signals to perform transmission using an array of antenna elements. The controller transmits commands for the first set of phasers and the second set of phasers. The transmitted commands are used to direct the beam within a range of scan angles relative to the direction of the electrical axis of the antenna. The first set of amplifiers amplifies the signals received in the array of antenna elements. Each of the first set of amplifiers is connected to an antenna port of the array of antenna elements and has a first performance that depends on the impedance of the antenna port at the antenna port. The antenna impedance varies with the scan angle of the beam within a range of scan angles, with the maximum first performance being achieved at a first antenna port impedance value that corresponds to a first scan angle that is different from the direction of the electrical axis of the antenna. The second set of amplifiers amplifies the transmitted signals to be transmitted using an array of antenna elements. Each of the second set of amplifiers is connected to an antenna port of the array of antenna elements and has a second performance that depends on the antenna port impedance at the antenna port, the maximum second performance being achieved at a second antenna port impedance value that corresponds to a second scanning angle that is different from each of the electrical axis direction of the antenna and the first scanning angle.
Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials
Вышеизложенные и другие признаки настоящего изобретения будут очевидны для специалистов в данной области, к которой относится настоящее изобретение, после ознакомления с нижеследующим описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:The foregoing and other features of the present invention will become apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains upon reading the following description with reference to the accompanying drawings, in which:
на фиг. 1 представлен график, иллюстрирующий один пример снижения коэффициента усиления антенны;in fig. 1 is a graph illustrating one example of antenna gain reduction;
на фиг. 2 представлен график, иллюстрирующий рабочую характеристику одного примера усилителя, настроенного в соответствии с системой и способами, представленными в настоящем документе;in fig. 2 is a graph illustrating the performance of one example of an amplifier configured in accordance with the system and methods presented herein;
на фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий уменьшение изменения характеристики антенной системы в диапазоне углов сканирования для данной системы;in fig. 3 is a graph illustrating the decrease in antenna system performance over a range of scan angles for a given system;
на фиг. 4 представлен пример фазированной антенной решетки;in fig. 4 shows an example of a phased array antenna;
на фиг. 5 представлена принципиальная схема антенного тракта с антенным элементом и малошумящим усилителем, соединенными посредством контура согласования импеданса;in fig. 5 is a schematic diagram of an antenna path with an antenna element and a low noise amplifier connected via an impedance matching loop;
на фиг. 6 представлена диаграмма Смита, иллюстрирующая один пример преобразования импеданса, обеспечиваемого с помощью контура согласования импеданса, изображенного на фиг. 2;in fig. 6 is a Smith chart illustrating one example of the impedance conversion provided by the impedance matching loop shown in FIG. 2;
на фиг. 7 представлена диаграмма Смита, иллюстрирующая еще один пример преобразования импеданса, обеспечиваемого с помощью контура согласования импеданса, изображенного на фиг. 2;in fig. 7 is a Smith chart illustrating yet another example of the impedance conversion provided by the impedance matching loop shown in FIG. 2;
на фиг. 8 представлен один вариант реализации фазированной антенной решетки с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны;in fig. 8 shows one embodiment of a phased array antenna using amplifiers configured to provide maximum performance at a scan angle different from the direction of the electrical axis of the antenna;
на фиг. 9 представлен еще один вариант реализации фазированной антенной решетки с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны;in fig. 9 shows another implementation of a phased array antenna using amplifiers designed to provide maximum performance at a scanning angle different from the direction of the electrical axis of the antenna;
на фиг. 10 представлен еще один вариант реализации фазированной антенной решетки с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны; иin fig. 10 shows another implementation of a phased array antenna using amplifiers configured to provide maximum performance at a scan angle different from the direction of the electrical axis of the antenna; And
на фиг. 11 представлен пример способа реализации фазированной антенной решетки, имеющей направление электрической оси антенны.in fig. 11 shows an example of a method for implementing a phased array antenna having an electrical axis direction of the antenna.
Подробное описаниеDetailed description
В фазированной антенной решетке коэффициент усиления антенного луча уменьшается по мере того, как угол сканирования изменяется от направления электрической оси антенны, в котором антенна обеспечивает максимальный коэффициент усиления. Это называют потерями на сканирование. Угол сканирования находится в системе координат антенны и может изменяться вдоль множества осей (например, азимута и угла места). На фиг. 1 представлен график 10, иллюстрирующий один пример снижения коэффициента усиления антенны решетки из антенных элементов фазированной антенной решетки, представленного в децибелах коэффициента усиления относительно изотропного излучателя (dBi) по вертикальной оси 12 в зависимости от угла (угла места в данном примере), представленного в градусах, по отношению к направлению электрической оси антенны по горизонтальной оси 14. Как можно видеть из графика 16, коэффициент усиления антенны значительно снижается в диапазоне углов 18 сканирования для данной системы по мере того, как угол места отклоняется от направления электрической оси антенны.In a phased array antenna, the gain of the antenna beam decreases as the scan angle changes from the direction of the electrical axis of the antenna, in which the antenna provides maximum gain. This is called scan loss. The scan angle is in the antenna coordinate system and may vary along multiple axes (eg, azimuth and elevation). In FIG. 1 is a
Характеристики усилителей, подключенных к решетке из антенных элементов фазированной антенной решетки, также могут зависеть от импеданса антенны антенных элементов в решетке, который изменяется в зависимости от угла сканирования. Импеданс антенны может варьироваться от варианта осуществления к варианту осуществления в зависимости от различных факторов и может, например, быть определен эмпирически и/или аналитически. Оптимизация характеристики усилителя в отношении импеданса антенны в направлении электрической оси антенны приводит к ухудшению характеристики усилителя при углах сканирования, удаленных от направления электрической оси антенны. Один из подходов к снижению чувствительности усилителя к изменению импеданса антенны представляет собой размещение между ними изолятора. Однако в больших решетках это может предполагать чрезмерно большие затраты. Кроме того, РЧ-потери в изоляторе влияют на характеристику антенны.The performance of amplifiers connected to an array of phased array antenna elements may also depend on the antenna impedance of the antenna elements in the array, which varies depending on the scan angle. Antenna impedance may vary from embodiment to embodiment depending on various factors and may, for example, be determined empirically and/or analytically. Optimizing the amplifier performance with respect to the antenna impedance in the direction of the electrical axis of the antenna results in degradation of the amplifier performance at scan angles away from the direction of the electrical axis of the antenna. One approach to reduce the sensitivity of the amplifier to changes in the impedance of the antenna is to place an insulator between them. However, in large arrays, this can be prohibitively expensive. In addition, RF losses in the isolator affect the performance of the antenna.
Комбинация потерь на сканирование и ухудшения характеристики усилителя при углах сканирования, отличных от направления электрической оси антенны, вместе приводят к значительному ухудшению общей характеристики антенной системы. Соответственно, системы и способы, описанные в настоящем документе, уменьшают влияние потери усиления при больших углах сканирования за счет конфигурирования усилителей таким образом, чтобы максимальная рабочая характеристика усилителей соответствовала импедансу антенны при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны с максимальным коэффициентом усиления антенны. Используемый в настоящем документе термин «максимальная рабочая характеристика» обозначает относительное максимальное значение в диапазоне углов сканирования, для работы в котором фазированную антенную решетку конфигурируют с помощью команд, подаваемых на фазовращатели. Рабочая характеристика может изменяться от варианта осуществления к варианту осуществления и может зависеть от того, используется ли фазированная антенная решетка для передачи и/или приема. Используемый в настоящем документе термин «рабочая характеристика» усилителя по существу относится к любому показателю усилителя, более высокое значение которого указывает на лучшую характеристику усилителя. В некоторых вариантах осуществления максимальную «рабочую характеристику» усилителя достигают путем минимизации параметра, более низкое значение которого указывает на лучшую характеристику. Например, в некоторых вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, максимального отношения сигнал/шум (SNR) на выходе к SNR на входе усилителя достигают путем минимизации уровня шума, поскольку уровень шума представляет собой отношение SNR на входе к отношению SNR на выходе в дБ.The combination of scan loss and degradation of amplifier performance at scan angles other than the direction of the electrical axis of the antenna together lead to a significant degradation in the overall performance of the antenna system. Accordingly, the systems and methods described herein reduce the effect of gain loss at high scan angles by configuring the amplifiers so that the maximum performance of the amplifiers matches the antenna impedance at a scan angle other than the axis of the antenna with the maximum antenna gain. As used herein, the term "maximum performance" refers to the relative maximum value over the range of scan angles for which a phased array antenna is configured to operate by commands given to the phase shifters. Performance may vary from embodiment to embodiment and may depend on whether a phased array antenna is used for transmission and/or reception. As used herein, the term "performance" of an amplifier essentially refers to any measure of an amplifier whose higher value indicates better amplifier performance. In some embodiments, the maximum "performance" of an amplifier is achieved by minimizing a parameter whose lower value indicates better performance. For example, in some embodiments described herein, the maximum output signal-to-noise ratio (SNR) to the amplifier input SNR is achieved by minimizing the noise floor, since the noise floor is the ratio of the input SNR to the output SNR in dB.
На фиг. 2 представлен график 30, иллюстрирующий рабочую характеристику одного примера усилителя, сконфигурированного в соответствии с системой и способами, представленными в настоящем документе. В частности, усилитель выполнен таким образом, что максимальная рабочая характеристика соответствует импедансу антенны при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны. Характеристика усилителя представлена вертикальной осью 32, причем более высокое значение указывает на лучшую характеристику, а угол места представлен в градусах относительно направления электрической оси антенны на горизонтальной оси 34. Как видно из графика 36, характеристика усилителя достигает максимального значения 38 при угле сканирования, близком к центру диапазона углов 40 сканирования для системы, по сравнению с направлением электрической оси антенны.In FIG. 2 is a
Как будет подробно описано в настоящем документе, это приводит к уменьшению изменения показателя характеристики антенной системы, например отношения коэффициента усиления антенны к шумовой температуре (G/T) для принимаемого сигнала или эффективной мощности изотропного излучения (EIRP) для передаваемого сигнала при угле сканирования, обеспечивающем лучшую характеристику при больших углах сканирования. На фиг. 3 представлен график 50, иллюстрирующий уменьшение изменения показателя характеристики антенной системы в диапазоне углов 52 сканирования, для работы в котором сконфигурирована фазированная антенная решетка. Показатель характеристики антенной системы представлен вертикальной осью 54, причем более высокое значение указывает на лучшую характеристику, а угол места представлен в градусах по отношению к направлению электрической оси антенны на горизонтальной оси 56. Первый график 58 отражает характеристику системы, в которой отсутствуют улучшения, описанные в настоящем документе. Как видно из графика 58, показатель характеристики антенны в такой системе достигает максимума в направлении электрической оси антенны и резко снижается по мере изменения угла места от направления электрической оси антенны.As will be described in detail herein, this results in a reduction in the variation of the antenna system performance metric, such as the antenna gain to noise temperature (G/T) ratio for the received signal or the effective isotropic radiated power (EIRP) for the transmitted signal, at a scan angle providing better performance at large scanning angles. In FIG. 3 is a
Второй график 60 отражает характеристику системы, в которой используют усилители, сконфигурированные, как описано в данном документе, таким образом, что максимальная рабочая характеристика усилителей соответствует импедансу антенны при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны (в данном примере 0 градусов), как показано, например, на фиг. 2. В направлении электрической оси антенны коэффициент усиления антенны является максимальным, в то время как характеристика усилителя снижается относительно его максимальной характеристики. Соответственно, общая характеристика системы в направлении электрической оси антенны незначительно ухудшается по сравнению с характеристикой системы, представленной на первом графике 58. При больших углах сканирования коэффициент усиления антенны ниже, но характеристика усилителя ухудшается в меньшей степени по сравнению с максимальной характеристикой, соответствующей электрической оси антенны. В результате характеристика антенны действительно улучшается по мере отклонения угла места от направления электрической оси антенны до точки, в которой достигают максимальной характеристики антенны. Следует понимать, что максимальная характеристика, как правило, будет обеспечена для угла сканирования из диапазона между углом сканирования, для которого был настроен импеданс антенны, и направлением электрической оси антенны. Затем характеристика антенны постепенно ухудшается по мере того, как угол места отклоняется дальше, чем электрическая ось антенны, но значительно медленнее, чем в системе, представленной на первом графике 58, что позволяет обеспечить превосходную характеристику в большей части диапазона углов 52 сканирования. В результате характеристики антенны в совокупности достигают максимума в диапазоне углов 52 сканирования.The second plot 60 depicts the performance of a system using amplifiers configured as described herein such that the maximum performance of the amplifiers corresponds to the antenna impedance at a scanning angle other than the direction of the electrical axis of the antenna (0 degrees in this example), as shown, for example, in Fig. 2. In the direction of the electrical axis of the antenna, the gain of the antenna is at its maximum, while the amplifier characteristic is reduced from its maximum characteristic. Accordingly, the overall system performance in the direction of the electrical axis of the antenna is slightly degraded compared to the system performance shown in the
На фиг. 4 показан пример фазированной антенной решетки 100. Следует понимать, что фазированная антенная решетка 100 является упрощенным представлением, показанным для примера, и что антенна может содержать дополнительные компоненты, которые не показаны в настоящем документе. Фазированная антенная решетка представляет собой решетку из антенных элементов 102, которая обеспечивает луч в направлении электрической оси антенны. Множество фазовращателей 104 реагируют на команды для регулировки фаз из множества радиочастотных (РЧ) сигналов, передаваемых с помощью решетки из антенных элементов 102. Контроллер 106 передает команды на множество фазовращателей 104. Контроллер 106 может быть реализован в виде аппаратного обеспечения, например, в виде одной или более специализированных интегральных схем (ASIC), программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA), в виде программного обеспечения, в виде исполняемых с помощью машины команд, хранимых на энергонезависимом носителе и исполняемых соответствующим процессором, или в виде комбинации аппаратного и программного обеспечения. Множество фазовращателей 104 используют переданные команды для сканирования луча в пределах диапазона углов сканирования относительно направления электрической оси антенны.In FIG. 4 shows an example of a phased
Множество сигналов усиливается множеством усилителей 108. В показанном варианте реализации усилители 108 усиливают принятый сигнал, и, таким образом, они могут быть реализованы в виде малошумящих усилителей, хотя следует понимать, что характеристики усилителей могут варьироваться. Каждый из множества усилителей 108 соединен с портом антенны решетки из антенных элементов 102 и, таким образом, имеет рабочую характеристику, которая зависит от импеданса порта антенны у порта антенны. Импеданс антенны изменяется в зависимости от угла сканирования луча в пределах диапазона углов сканирования, а усилители 108 выполнены таким образом, что максимальной рабочей характеристики, такой как отношение SNR на выходе к отношению SNR на входе, достигают при значении импеданса порта антенны, которое соответствует конкретному углу сканирования в пределах диапазона углов сканирования, который отличается от направления электрической оси антенны. Как указано выше, максимизация отношения SNR на выходе к отношению SNR на входе усилителей 108 эквивалентна минимизации уровня шума усилителей 108, и, таким образом, в настоящем документе для удобства описана минимизация уровня шума (также называемая «согласованием шума»). В вариантах реализации способ, с помощью которого усилители 108 способны согласовывать шум с конкретным значением импеданса порта антенны, которое соответствует конкретному углу сканирования, может варьироваться. Например, входной контур согласования усилителя может быть выполнен с возможностью обеспечения соответствующего преобразования импеданса, причем может быть выбран ток смещения усилителя, который позволит обеспечить согласование шума, можно использовать дегенерацию или можно использовать любой другой подходящий способ выбора импеданса.The plurality of signals are amplified by a plurality of
На фиг. 5 представлена принципиальная схема антенного тракта 150 с антенным элементом 152 и малошумящим усилителем (МШУ) 154, соединенными контуром 160 согласования импеданса. Контур 160 согласования импеданса и МШУ 154 могут, например, в совокупности представлять собой один из L последовательно расположенных контуров усилителей с катушкой 162 индуктивности, подключенной последовательно между антенным элементом 152 и малошумящим усилителем 154, а также шунтирующим конденсатором 164. Величины индуктивности катушки 162 индуктивности и емкости конденсатора 164 могут быть выбраны таким образом, чтобы отрегулировать импеданс источника на входе малошумящего усилителя 154 до требуемого значения, Zопт, от известного значения импеданса, ZA, у порта антенного элемента 152.In FIG. 5 is a schematic diagram of an
На фиг. 6 представлена диаграмма 180 Смита, иллюстрирующая один пример преобразования импеданса, обеспечиваемого с помощью контура согласования импеданса, изображенного на фиг. 5. В проиллюстрированном примере угол сканирования фазовой решетки находится на электрической оси антенны, а импеданс, наблюдаемый у порта антенны, обозначен как ZA. Первым этапом преобразования является установка индуктивности (катушки 162 индуктивности) последовательно с выходом антенны. Это приводит к перемещению импеданса в точку, обозначенную как Z1 на диаграмме Смита. Величина индуктивности определяется величиной реактивного сопротивления, требуемого для перемещения из точки ZA к точке Z1 вдоль единичной окружности. Второй этап заключается в установке шунтирующего конденсатора для обеспечения оптимального импеданса Zопт источника. Величина емкости определяется реактивной проводимостью, требуемой для перемещения из точки Z1 в точку Zопт.In FIG. 6 is a
На фиг. 7 представлена диаграмма 190 Смита, иллюстрирующая еще один пример преобразования импеданса, обеспечиваемого с помощью контура согласования импеданса, изображенного на фиг. 5. В показанном примере угол сканирования фазовой решетки представляет собой угол сканирования, отличный от электрической оси антенны, а импеданс у порта антенны, соответственно, отличается от показанного на фиг. 3. В примере по фиг. 4 также можно использовать контур согласования импеданса, показанный на фиг. 2, но величины индуктивности катушки 162 индуктивности и емкости конденсатора 164 изменяют для корректировки изменения импеданса у порта антенны. В конкретном примере, показанном на фиг. 4, импеданс и емкость увеличились по сравнению с их величинами, показанными на фиг. 3.In FIG. 7 is a
Как показано на фиг. 4, во время работы показанная фазированная антенная решетка 100 выполнена с возможностью приема сигнала с требуемого направления угла сканирования относительно направления электрической оси антенны. Каждый из множества антенных элементов 102 принимает сигнал элемента (также называемый в настоящем документе «приемными сигналами»), который затем усиливают с помощью соответствующего одного из множества усилителей 108. Затем усиленные сигналы элемента подают на множество фазовращателей 104, которые применяют соответствующие сдвиги фазы к сигналам элемента в зависимости от требуемого угла сканирования луча, как указано сигналами управления (также называемыми в настоящем документе «командами») от контроллера 106. Затем сигналы элемента со сдвигом по фазе передают в контур 110 формирования луча, объединяющий сигналы элемента для создания сигнала луча, соответствующего требуемому углу сканирования. В показанном варианте осуществления требуемый угол сканирования обеспечивают путем регулирования фазы сигналов элемента с помощью фазовращателей 104. В некоторых вариантах осуществления фазированная антенная решетка 100 дополнительно содержит схемы регулирования амплитуды (например, усилители с изменяемым коэффициентом усиления) для дополнительной регулировки амплитуды сигналов элемента в ответ на сигналы управления.As shown in FIG. 4, during operation, the phased
Одним из параметров, определяющих уровень шума малошумящего усилителя, является импеданс на входе источника, Zисточника. В идеальном случае Zисточника представляет собой фиксированное значение, которое обеспечивает самый низкий уровень шума (называемый согласованным шумом). Однако в фазированной антенной решетке импеданс порта антенны, ZA, называемый активным импедансом или импедансом сканирования, изменяется в зависимости от угла сканирования, и, таким образом, импеданс источника не является постоянным.One parameter that determines the noise level of a low noise amplifier is the impedance at the source input, Z source . Ideally, the source Z is a fixed value that produces the lowest noise level (called the matched noise). However, in a phased array antenna, the antenna port impedance, Z A , called the active impedance or scan impedance, varies with the scan angle, and thus the source impedance is not constant.
Принцип оптимизации шума, используемой в настоящем документе, можно лучше понять из ур. (1):The principle of noise optimization used in this paper can be better understood from Eq. (1):
где Ys = Gs + jBs представляет собой полную проводимость источника, переданную в активную схему усилителя, Yопт представляет собой оптимальную полную проводимость источника, которая обеспечивает минимальный уровень шума, Fмин представляет собой минимальный уровень шума активной схемы усилителя, достигаемый, если Ys = Yопт, RN представляет собой эквивалентное шумовое сопротивление активной схемы усилителя, Gs представляет собой действительную часть полной проводимости источника, а F представляет собой коэффициент шума.where Y s = G s + jB s is the source impedance transferred to the active amplifier circuit, Y opt is the optimal source impedance that provides the noise floor, F min is the noise floor of the active amplifier circuit achievable if Y s = Y opt , R N is the equivalent noise resistance of the active amplifier circuit, G s is the real part of the source admittance, and F is the noise figure.
Из ур. (1) видно, что в случае, если действительная полная проводимость источника, Ys, передаваемая на усилитель, равна оптимальному импедансу источника, Yопт, второй член в ур. (1) становится равным нулю. В этом случае уровень шума примет минимально достижимое значение. Соответственно, для улучшения общей характеристики антенной системы 100 при больших углах сканирования за счет немного худших характеристик на электрической оси антенны малошумящие усилители выполнены с возможностью согласования шума с конкретным значением импеданса порта антенны, ZA, которое соответствует конкретному углу сканирования, который отличается от направления электрической оси антенны. Если антенную систему используют для приема сигнала в некотором диапазоне частот, конкретное значение импеданса порта антенны, ZA, может быть выбрано для одной из частот в диапазоне частот, включая максимальную частоту, минимальную частоту, центральную частоту или другую репрезентативную частоту в пределах диапазона.From ur. (1) it can be seen that if the actual source impedance, Y s , transmitted to the amplifier, is equal to the optimal source impedance, Y opt , the second term in eq. (1) becomes zero. In this case, the noise level will take the minimum achievable value. Accordingly, in order to improve the overall performance of the
В некоторых вариантах реализации конкретный угол сканирования выбирают на основании полученных значений показателя характеристики антенной системы при одном или более углах сканирования. При использовании примера отношения коэффициента усиления антенны к шумовой температуре для показателя характеристики следует понимать, что максимальный коэффициент усиления фазированной антенной решетки 100, G(θ), зависит от угла сканирования, θ, с максимальным коэффициентом усиления, обеспечиваемым на электрической оси антенны. Аналогичным образом коэффициент шума и, следовательно, шумовая температура зависят от несоответствия полной проводимости источника, передаваемой на усилитель, с оптимальной полной проводимостью источника для усилителя, как описано в отношении ур. 1. Импеданс порта антенны и, таким образом, полная проводимость изменяются в зависимости от угла сканирования, θ, и, таким образом, коэффициент шума, F, зависит от каждого из угла сканирования и выбранной оптимальной полной проводимости источника для усилителя, который в настоящем документе представлен как конкретный угол сканирования, θопт, для которого оптимальный импеданс источника соответствует полной проводимости у порта антенны.In some embodiments, a particular scan angle is selected based on the obtained antenna system performance index values at one or more scan angles. When using the antenna gain-to-noise temperature example for a performance measure, it should be understood that the maximum gain of a 100 phased array antenna, G(θ), depends on the scan angle, θ, with the maximum gain provided at the electrical axis of the antenna. Similarly, the noise figure, and hence the noise temperature, depends on the mismatch between the source impedance delivered to the amplifier and the optimum source impedance for the amplifier, as described in relation to Eq. 1. The antenna port impedance, and thus the admittance, varies with the scan angle, θ, and thus the noise figure, F, depends on each of the scan angle and the selected optimal source impedance for the amplifier, which in this paper represented as a particular scan angle, θ opt , for which the optimum source impedance corresponds to the admittance at the antenna port.
В одном примере конкретный угол сканирования можно выбрать таким образом, чтобы обеспечить заданное минимальное значение показателя характеристики антенной системы в наибольшем возможном диапазоне углов сканирования. Следует понимать, что несоответствие импеданса для углов, удаленных от направления электрической оси антенны, будет уменьшаться при изменении конкретного угла сканирования в сторону от направления электрической оси антенны. Соответственно, в одном варианте реализации конкретный угол сканирования можно изменять в диапазоне углов сканирования в сторону от направления электрической оси антенны до тех пор, пока показатель характеристики антенной системы не уменьшится ниже заданного минимума для по меньшей мере одного угла сканирования в пределах диапазона, причем при наибольшем отклонении конкретного угла сканирования от направления электрической оси антенны обеспечиваются минимальные характеристики в пределах выбранного заданного диапазона.In one example, a particular scan angle may be chosen to provide a predetermined minimum value for the antenna system performance index over the largest possible range of scan angles. It should be understood that the impedance mismatch for angles away from the direction of the electrical axis of the antenna will decrease as the particular scan angle is changed away from the direction of the electrical axis of the antenna. Accordingly, in one embodiment, a particular scan angle may be varied over a range of scan angles away from the direction of the electrical axis of the antenna until the antenna system performance index falls below a predetermined minimum for at least one scan angle within the range, with the greatest deviation of a specific scanning angle from the direction of the electrical axis of the antenna provides the minimum performance within the selected specified range.
В другом варианте реализации значение конкретного угла сканирования выбирают таким образом, чтобы максимизировать минимальное значение отношения коэффициента усиления антенны к шумовой температуре в заданном диапазоне углов сканирования. В этом случае проблема оптимизации заключается в выборе значения полной проводимости источника для усилителя, которое позволит максимизировать значение:In another implementation, the value of a particular scan angle is chosen so as to maximize the minimum value of the ratio of antenna gain to noise temperature in a given range of scan angles. In this case, the optimization problem is to choose a source admittance value for the amplifier that will maximize the value:
где θi·изменяется в пределах заданного диапазона углов сканирования, [θi, θN], а T0 равно 273 K.where θ i varies within a given range of scan angles, [θi, θN], and T 0 is equal to 273 K.
Следует понимать, что изменение коэффициента усиления в зависимости от угла сканирования и изменение шумового угла в зависимости от угла сканирования может быть смоделировано на основании конструкции фазированной антенной решетки 100, и, таким образом, оптимальное значение для θопт может быть определено с помощью соответствующего алгоритма оптимизации, такого как градиентный поиск. Альтернативно можно использовать подход «с перебором возможных вариантов», в котором оценивают каждое из множества предварительно выбранных значений для конкретного угла сканирования, θопт, и выбирают максимальное значение.It should be understood that gain vs. scan angle change and noise angle vs. scan angle can be modeled based on the design of the phased
В одном варианте реализации в соответствии с данным примером выбирают угол сканирования для поддержания по меньшей мере минимального значения показателя характеристики антенны при максимальном угле сканирования из рабочего диапазона углов сканирования таким образом, чтобы определенный диапазон углов сканирования охватывал весь рабочий диапазон фазированной антенной решетки 100. Альтернативно конкретный угол сканирования может быть выбран для обеспечения заданного минимального значения показателя характеристики антенной системы в выбранном собственном подмножестве углов сканирования в пределах диапазона углов сканирования. Следует понимать, что из выбранного подмножества углов сканирования может быть исключено направление электрической оси антенны.In one embodiment, in accordance with this example, the scan angle is selected to maintain at least the minimum value of the antenna performance index at the maximum scan angle from the operating range of scan angles such that the determined range of scan angles covers the entire operating range of the phased
Еще в одном варианте осуществления конкретный угол сканирования выбирают на основании максимального угла сканирования таким образом, чтобы выбранный угол сканирования находился в заданном местоположении между направлением электрической оси антенны и максимальным углом сканирования, например, посередине между направлением электрической оси антенны и максимальным углом сканирования. Например, если максимальный угол сканирования равен шестидесяти градусам по высоте от направления электрической оси антенны, усилители 108 могут быть согласованы в отношении шума с импедансом порта антенны, соответствующим тридцати градусам по высоте.In yet another embodiment, a particular scan angle is selected based on the maximum scan angle such that the selected scan angle is at a predetermined location between the antenna's electrical axis direction and the maximum scan angle, e.g., midway between the antenna's electrical axis direction and the maximum scan angle. For example, if the maximum scan angle is sixty degrees in height from the direction of the electrical axis of the antenna,
В дополнительном примере конкретный угол сканирования выбирают таким образом, чтобы максимизировать общую сумму показателя характеристики для всех углов сканирования в пределах диапазона углов сканирования или собственного подмножества диапазона углов сканирования. При использовании отношения коэффициента усиления антенны к шумовой температуре проблему оптимизации также можно выразить как выбор конкретного угла сканирования, θопт, который максимизирует значение в заданном диапазоне углов сканирования, [θi, θN]:In a further example, a particular scan angle is chosen to maximize the total sum of the performance score for all scan angles within the scan angle range or a native subset of the scan angle range. When using the ratio of antenna gain to noise temperature, the optimization problem can also be expressed as choosing a particular scan angle, θ opt , that maximizes the value over a given range of scan angles, [θi, θN]:
На фиг. 8 представлен один вариант реализации фазированной антенной решетки 200 с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны. В показанном варианте реализации фазированная антенная решетка 200 выполнена с возможностью передачи сигнала в требуемом направлении угла сканирования относительно направления электрической оси антенны. Контур 202 формирования луча принимает сигнал луча, который предназначен для передачи в требуемом направлении угла сканирования. Контур 202 формирования луча делит сигнал луча на сигналы элемента (также называемые в настоящем документе «передаваемыми сигналами»), которые передают на множество фазовращателей 204. Каждый из множества фазовращателей 204 реагирует на сигналы управления от контроллера 206 для обеспечения соответствующих сдвигов фазы для сигналов на основании требуемого угла сканирования луча. Затем сигналы со сдвигом по фазе усиливают с помощью множества усилителей 208 мощности и передают на антенные элементы 210 для передачи с формированием передающего луча в требуемом направлении угла сканирования. В показанном варианте осуществления требуемый угол сканирования обеспечивают путем регулирования фазы сигналов элемента с помощью фазовращателей 204. В некоторых вариантах осуществления фазированная антенная решетка 100 дополнительно содержит схемы регулирования амплитуды (например, усилители с изменяемым коэффициентом усиления) для дополнительной регулировки амплитуды сигналов элемента в ответ на сигналы управления.In FIG. 8 shows one embodiment of a phased
Усилители мощности рассчитаны на заданный уровень выходной мощности. Одним из параметров, определяющих уровень выходной мощности, является импеданс нагрузки, Zнагрузки, определенный на выходе. В идеальном случае Zнагрузки представляет собой фиксированное значение, которое позволяет усилителю мощности обеспечить заданный уровень выходной мощности. Однако в фазированной антенной решетке импеданс порта антенны, ZA, изменяется в зависимости от угла сканирования, и, таким образом, импеданс нагрузки, Zнагрузки, не является постоянным. Для улучшения показателя характеристики антенны, такого как эквивалентная мощность излучения или эквивалентная мощность изотропного излучения антенны, при больших углах сканирования за счет немного худших характеристик на электрической оси антенны усилители 208 мощности выполнены с возможностью обеспечения максимальной выходной мощности при конкретном значении импеданса порта антенны, ZA, которое соответствует конкретному углу сканирования, отличающемуся от направления электрической оси антенны. В показанном варианте реализации между антеннами 210 и усилителями 208 реализовано множество контуров 212 согласования импеданса. Контуры 212 согласования импеданса регулируют импеданс антенны до достижения требуемого импеданса нагрузки. В одном варианте реализации, включающем конструкцию интегральной схемы, контуры согласования импеданса могут быть выполнены с использованием дискретных компонентов, таких как индуктивные катушки и конденсатор.Power amplifiers are designed for a given level of output power. One of the parameters that determines the output power level is the load impedance, Zload , defined at the output. Ideally, the load Z is a fixed value that allows the power amplifier to provide a given level of output power. However, in a phased array antenna, the antenna port impedance, Z A , varies with the scan angle, and thus the load impedance, Z load , is not constant. In order to improve the performance of an antenna, such as equivalent radiated power or equivalent isotropic radiation power of an antenna, at large scan angles at the expense of slightly worse characteristics at the electrical axis of the antenna, the
При использовании примера эффективной мощности изотропного излучения (EIRP) для показателя характеристики следует понимать, что максимальная мощность фазированной антенной решетки 100, G(θ), зависит от угла сканирования, θ, с максимальным коэффициентом усиления, обеспечиваемым на электрической оси антенны. Часть мощности может быть потеряна вследствие несоответствия импеданса на усилителе мощности и импеданса у порта антенны. Импеданс порта антенны и, таким образом, полная проводимость изменяется в зависимости от угла сканирования, θ, и, таким образом, отраженная мощность, R, зависит от каждого из угла сканирования и выбранного оптимального импеданса источника для усилителя, который в настоящем документе представлен как конкретный угол сканирования, θопт, для которого оптимальный импеданс источника соответствует полной проводимости у порта антенны.When using the example of effective isotropic radiated power (EIRP) for the performance index, it should be understood that the maximum power of the phased
В одном примере конкретный угол сканирования можно выбрать таким образом, чтобы обеспечить заданное минимальное значение показателя характеристики антенной системы в наибольшем возможном диапазоне углов сканирования. Следует понимать, что несоответствие импеданса для углов, удаленных от угла электрической оси антенны, будет уменьшаться при изменении конкретного угла сканирования в сторону от направления электрической оси антенны. Соответственно, в одном варианте реализации конкретный угол сканирования можно изменять в диапазоне углов сканирования в сторону от направления электрической оси антенны до тех пор, пока показатель характеристики антенной системы не уменьшится ниже заданного минимума для по меньшей мере одного угла сканирования в пределах диапазона, причем при наибольшем отклонении конкретного угла сканирования от направления электрической оси антенны обеспечиваются минимальные характеристики в пределах выбранного заданного диапазона.In one example, a particular scan angle may be chosen to provide a predetermined minimum value for the antenna system performance index over the largest possible range of scan angles. It should be understood that the impedance mismatch for angles away from the antenna's electrical axis angle will decrease as the particular scanning angle is changed away from the antenna's electrical axis direction. Accordingly, in one embodiment, a particular scan angle may be varied over a range of scan angles away from the direction of the electrical axis of the antenna until the antenna system performance index falls below a predetermined minimum for at least one scan angle within the range, with the greatest deviation of a specific scanning angle from the direction of the electrical axis of the antenna provides the minimum performance within the selected specified range.
Еще в одном варианте реализации значение конкретного угла сканирования выбирают таким образом, чтобы максимизировать минимальное значение эквивалентной мощности изотропного излучения (EIRP) в заданном диапазоне углов сканирования. В этом случае проблема оптимизации заключается в выборе значения полной проводимости источника для усилителя, которое позволит максимизировать значение:In yet another implementation, the value of a particular scan angle is chosen so as to maximize the minimum value of the equivalent isotropic radiation power (EIRP) in a given range of scan angles. In this case, the optimization problem is to choose a source admittance value for the amplifier that will maximize the value:
где θi изменяется в пределах заданного диапазона углов сканирования, [θ1, θN], Pвх представляет собой подводимую к системе мощность, а Iизо представляет собой мощность, излучаемую в направлении угла сканирования гипотетической изотропной антенной, не имеющей потерь.where θ i varies within a given range of scan angles, [θ 1 , θ N ], P in is the power delivered to the system, and I iso is the power radiated in the direction of the scan angle by a hypothetical lossless isotropic antenna.
Следует понимать, что изменение коэффициента усиления в зависимости от угла сканирования и изменение отраженной мощности в зависимости от угла сканирования может быть смоделировано на основании конструкции фазированной антенной решетки 100, и, таким образом, оптимальное значение для θопт может быть определено с помощью соответствующего алгоритма оптимизации, такого как градиентный поиск. Альтернативно можно использовать подход «с перебором возможных вариантов», в котором оценивают каждое из множества предварительно выбранных значений для конкретного угла сканирования, θопт, и выбирают максимальное значение.It should be understood that gain vs. scan angle change and reflected power vs. scan angle can be modeled based on the design of the phased
В одном варианте реализации в соответствии с данным примером выбирают угол сканирования для поддержания по меньшей мере минимального значения EIRP при максимальном угле сканирования из рабочего диапазона углов сканирования таким образом, чтобы определенный диапазон углов сканирования охватывал весь рабочий диапазон фазированной антенной решетки 100. Альтернативно конкретный угол сканирования может быть выбран для обеспечения заданного минимального значения EIRP или другого показателя характеристики в выбранном собственном подмножестве углов сканирования в пределах диапазона углов сканирования. Следует понимать, что из выбранного подмножества углов сканирования может быть исключен угол электрической оси антенны.In one implementation according to this example, a scan angle is selected to maintain at least the minimum EIRP value at the maximum scan angle from the operating range of scan angles such that the defined range of scan angles covers the entire operating range of the phased
Еще в одном варианте осуществления конкретный угол сканирования выбирают на основании максимального угла сканирования таким образом, чтобы выбранный угол сканирования находился в заданном местоположении между направлением электрической оси антенны и максимальным углом сканирования, например, посередине между направлением электрической оси антенны и максимальным углом сканирования. Например, если максимальный угол сканирования равен шестидесяти градусам по высоте от направления электрической оси антенны, усилители 208 мощности могут быть согласованы в отношении шума с импедансом порта антенны, соответствующим тридцати градусам по высоте.In yet another embodiment, a particular scan angle is selected based on the maximum scan angle such that the selected scan angle is at a predetermined location between the antenna's electrical axis direction and the maximum scan angle, e.g., midway between the antenna's electrical axis direction and the maximum scan angle. For example, if the maximum scan angle is sixty degrees in height from the direction of the electrical axis of the antenna,
В дополнительном примере конкретный угол сканирования выбирают таким образом, чтобы максимизировать общую сумму EIRP или другого показателя характеристики для всех углов сканирования в пределах диапазона углов сканирования или собственного подмножества диапазона углов сканирования. Проблема оптимизации может быть выражена как выбор конкретного угла сканирования, θопт, значение которого максимизируют в заданном диапазоне углов сканирования, [θ1, θN]:In a further example, a particular scan angle is chosen to maximize the total sum of the EIRP or other performance metric for all scan angles within the scan angle range, or a subset of the scan angle range itself. The optimization problem can be expressed as choosing a particular scan angle, θ opt , whose value is maximized over a given range of scan angles, [θ 1 , θ N ]:
На фиг. 9 представлен еще один вариант реализации фазированной антенной решетки 300 с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны. В показанном варианте осуществления фазированная антенная решетка 300 выполнена в полудуплексной конфигурации с возможностью осуществления передачи и приема радиочастотных сигналов в требуемом направлении угла сканирования относительно направления электрической оси антенны. В полудуплексной конфигурации для переключения антенны 300 между трактом передачи и трактом приема для каждого из множества антенных элементов 304 используют два набора переключателей 302 и 303 передачи/приема (Tx-Rx). В ходе передачи контур 306 формирования луча принимает сигнал луча, который предназначен для передачи в требуемом направлении угла сканирования. Контур 306 формирования луча делит сигнал луча на сигналы элемента, которые подают на множество фазовращателей 308. Каждый из множества фазовращателей 308 реагирует на сигналы управления от контроллера 309 для обеспечения соответствующих сдвигов фазы для сигналов на основании требуемого угла сканирования луча. Затем сигналы со сдвигом по фазе усиливают с помощью множества усилителей (УМ) 310–312 мощности и передают на антенные элементы 304 для передачи для создания передающего луча в требуемом направлении угла сканирования.In FIG. 9 shows another embodiment of a phased
Во время приема каждый из множества антенных элементов 304 принимает сигнал элемента, который затем усиливают с помощью соответствующего одного из множества малошумящих усилителей (МШУ) 314–316. Затем усиленные сигналы передают на множество фазовращателей 308, которые применяют соответствующие сдвиги фазы к сигналам в зависимости от требуемого угла сканирования луча, обеспечиваемого контроллером 309. Затем сигналы со сдвигом по фазе передают в контур 306 формирования луча, объединяющий сигналы для создания сигнала луча, соответствующего требуемому углу сканирования.During reception, each of the plurality of
Благодаря эффекту взаимности импеданс порта антенны, ZA, антенных элементов как функция угла сканирования является одинаковым для передачи и приема, при условии использования одних и тех же частот. Однако изменение характеристики малошумящих усилителей с изменениями импеданса порта антенны может отличаться от изменения характеристики усилителей мощности при изменении импеданса порта антенны. Эти различия в изменении характеристики усилителя могут привести к тому, что будут выбраны различные значения импеданса порта антенны и, таким образом, различные конкретные углы сканирования для малошумящих усилителей 314–316 и усилителей 310–312 мощности соответственно. Показатель характеристики приема, такой как отношение коэффициента усиления антенны к шумовой температуре, может зависеть от изменения характеристики малошумящих усилителей 314–316 иначе, чем в способе, в котором показатель характеристики передачи, такой как эквивалентная мощность изотропного излучения, зависит от изменения характеристики усилителей 310–312 мощности. Соответственно, в некоторых вариантах реализации малошумящие усилители выполнены с возможностью согласования шума при первом значении импеданса порта антенны, которое соответствует первому углу сканирования, при этом усилители мощности выполнены с возможностью обеспечения максимальной выходной мощности при втором значении импеданса порта антенны, которое соответствует второму углу сканирования, отличному от первого угла сканирования.Due to the reciprocity effect, the antenna port impedance, Z A , of the antenna elements as a function of scan angle is the same for transmit and receive, assuming the same frequencies are used. However, the response of low-noise amplifiers with changes in the antenna port impedance may differ from the response of power amplifiers with changes in the antenna port impedance. These differences in amplifier response may result in different antenna port impedances and thus different specific scan angles being chosen for the low noise amplifiers 314-316 and power amplifiers 310-312, respectively. The reception performance measure, such as the ratio of antenna gain to noise temperature, may depend on the change in the characteristic of the low-noise amplifiers 314-316 differently than in the way in which the measure of the transmission performance, such as the equivalent isotropic radiation power, depends on the change in the characteristic of the amplifiers 310-310- 312 power. Accordingly, in some implementations, the low noise amplifiers are configured to match noise at a first antenna port impedance value that corresponds to the first scan angle, while the power amplifiers are configured to provide maximum output power at a second antenna port impedance value that corresponds to the second scan angle, different from the first scan angle.
На фиг. 10 представлен еще один вариант реализации фазированной антенной решетки 400 с использованием усилителей, выполненных с возможностью обеспечения максимальной характеристики при угле сканирования, отличном от направления электрической оси антенны. В показанном варианте осуществления фазированная антенная решетка 400 выполнена в конфигурации дуплексной передачи с частотным разделением каналов для осуществления передачи и приема радиочастотных сигналов в требуемом направлении угла сканирования относительно направления электрической оси антенны. Конфигурация дуплексной передачи с частотным разделением каналов включает два набора диплексоров 402–404 и 406–408, которые позволяют использовать множество антенных элементов 410 как для передачи, так и для приема. В ходе передачи контур 412 формирования луча принимает сигнал луча, который предназначен для передачи в требуемом направлении угла сканирования. Контур 412 формирования луча делит сигнал луча на сигналы элемента, которые подают на множество фазовращателей 414. Каждый из множества фазовращателей 414 реагирует на сигналы управления от контроллера 416 для обеспечения соответствующих сдвигов фазы для сигналов на основании требуемого угла сканирования луча. Затем сигналы со сдвигом по фазе усиливают с помощью множества усилителей (УМ) 420-422 мощности и передают на антенные элементы 410 для передачи для создания передающего луча в требуемом направлении угла сканирования.In FIG. 10 shows yet another embodiment of a phased array antenna 400 using amplifiers configured to maximize performance at a scan angle that is different from the direction of the electrical axis of the antenna. In the illustrated embodiment, the phased array antenna 400 is configured in a frequency division duplex transmission configuration to transmit and receive RF signals in a desired scan angle direction with respect to the electrical axis direction of the antenna. The frequency division duplex transmission configuration includes two sets of diplexers 402-404 and 406-408, which allow
Во время приема каждый из множества антенных элементов 410 принимает сигнал элемента, который затем усиливают с помощью соответствующего одного из множества малошумящих усилителей (МШУ) 424-426. Затем усиленные сигналы передают на множество фазовращателей 414, которые применяют соответствующие сдвиги фазы к сигналам в зависимости от требуемого угла сканирования луча, обеспечиваемого контроллером 416. Затем сигналы со сдвигом по фазе передают в контур 412 формирования луча, объединяющий сигналы для создания сигнала луча, соответствующего требуемому углу сканирования.During reception, each of the plurality of
Поскольку для передачи и приема используют разные частоты, изменение импеданса порта антенны антенных элементов при разных углах сканирования может отличаться для передачи и приема. В результате для малошумящих усилителей и усилителей мощности соответственно могут быть выбраны различные значения импеданса порта антенны. Соответственно, в некоторых вариантах реализации малошумящие усилители выполнены с возможностью согласования шума при первом значении импеданса порта антенны, которое соответствует первому углу сканирования, при этом усилители мощности выполнены с возможностью обеспечения максимальной выходной мощности при втором значении импеданса порта антенны, которое соответствует второму углу сканирования, отличному от первого угла сканирования.Since different frequencies are used for transmission and reception, the change in the impedance of the antenna port of the antenna elements at different scanning angles may be different for transmission and reception. As a result, different antenna port impedance values can be chosen for the low noise amplifiers and power amplifiers, respectively. Accordingly, in some implementations, the low noise amplifiers are configured to match noise at a first antenna port impedance value that corresponds to the first scan angle, while the power amplifiers are configured to provide maximum output power at a second antenna port impedance value that corresponds to the second scan angle, different from the first scan angle.
С учетом вышеуказанных структурных и функциональных элементов, описанных выше, приведенный в качестве примера способ можно лучше понять со ссылкой на фиг. 11. Хотя в целях упрощения объяснения приведенный в качестве примера способ по фиг. 11 показан и описан как исполняемый последовательно, следует понимать, что настоящие примеры не ограничены показанным порядком, поскольку некоторые действия в других примерах могут происходить в другом порядке, многократно и/или одновременно с действиями, показанными и описанными в настоящем документе. Кроме того, для реализации способа необязательно выполнять все описанные действия.In view of the above structural and functional elements described above, the exemplary method can be better understood with reference to FIG. 11. Although, for the sake of simplicity of explanation, the exemplary method of FIG. 11 is shown and described as being executed sequentially, it should be understood that the present examples are not limited to the order shown, as some of the actions in other examples may occur in a different order, multiple times, and/or simultaneously with the actions shown and described herein. In addition, to implement the method, it is not necessary to perform all the described steps.
На фиг. 11 представлен пример способа 500 реализации фазированной антенной решетки, имеющей направление электрической оси антенны. На этапе 502 угол сканирования в пределах заданного диапазона углов сканирования для фазированной антенной решетки выбирают таким образом, чтобы выбранный угол сканирования отличался от угла сканирования, связанного с направлением электрической оси антенны. На этапе 504 множество усилителей, каждый из которых подключен к порту антенны одного из множества антенных элементов, выполнены таким образом, что максимального значения рабочей характеристики для множества усилителей достигают, когда импеданс у порта антенны соответствует выбранному углу сканирования. В одном варианте реализации усилители конфигурируют путем обеспечения контура согласования импеданса для каждого из множества усилителей с возможностью регулировки импеданса у порта антенны, к которому подключен усилитель.In FIG. 11 shows an example of a
Следует понимать, что угол сканирования может быть выбран таким образом, чтобы максимизировать показатель характеристики фазированной антенной решетки в диапазоне углов сканирования, которые могут включать все углы сканирования в рабочем диапазоне фазированной антенной решетки или собственном подмножестве рабочего диапазона. Соответствующие показатели характеристики для фазированной антенной решетки могут включать, например, отношение коэффициента усиления антенны к шумовой температуре, эффективную мощность излучения и эффективную мощность изотропного излучения. В одном варианте осуществления угол сканирования выбирают таким образом, чтобы обеспечить экстремум для функции параметра характеристики фазированной антенной решетки для всех углов сканирования в пределах всего заданного диапазона или его подмножества. Например, угол сканирования может быть выбран таким образом, чтобы максимизировать общую сумму показателя характеристики для всех углов сканирования в пределах всего заданного диапазона или его подмножества. Альтернативно угол сканирования может быть выбран таким образом, чтобы максимизировать минимальное значение показателя характеристики для всех углов сканирования в пределах всего заданного диапазона или его подмножества.It should be understood that the scan angle may be chosen to maximize the phased array performance over a range of scan angles, which may include all scan angles in the phased array operating range or a subset of the operating range itself. Relevant performance metrics for a phased array antenna may include, for example, the ratio of antenna gain to noise temperature, effective radiated power, and effective isotropic radiated power. In one embodiment, the scan angle is chosen to provide an extremum for the phased array response parameter function for all scan angles within the entire specified range, or a subset thereof. For example, the scan angle may be chosen to maximize the total sum of the performance score for all scan angles within the entire specified range, or a subset thereof. Alternatively, the scan angle may be chosen to maximize the minimum performance index value for all scan angles within the entire specified range, or a subset thereof.
Требуемые свойства антенной решетки могут отличаться для приемной и передающей антенны. В результате в одном варианте осуществления может быть выбран каждый из первого угла сканирования, отличного от угла сканирования, связанного с направлением электрической оси антенны, и второго угла сканирования, отличного как от угла сканирования, связанного с направлением электрической оси антенны, так и первого угла сканирования. Первый набор усилителей, усиливающих принимаемые сигналы, таких как малошумящие усилители, может быть сконфигурирован таким образом, чтобы максимальное значение первой рабочей характеристики достигалось, когда импеданс у порта антенны соответствует первому углу сканирования, а второй набор усилителей, усиливающих передаваемые сигналы, таких как усилители мощности, может быть выполнен таким образом, чтобы максимальное значение второй рабочей характеристики достигалось, когда импеданс у порта антенны соответствует второму углу сканирования. Соответственно, антенная решетка может быть оптимизирована как для функции передачи, так и для функции приема.The required properties of the antenna array may differ for the receiving and transmitting antennas. As a result, in one embodiment, each of a first scan angle different from the scan angle associated with the direction of the electrical axis of the antenna and a second scan angle different from both the scan angle associated with the direction of the electrical axis of the antenna and the first scan angle . The first set of amplifiers that amplify the received signals, such as low noise amplifiers, can be configured so that the first performance is maximized when the impedance at the antenna port corresponds to the first scan angle, and the second set of amplifiers that amplify the transmitted signals, such as power amplifiers , may be configured such that the maximum value of the second performance characteristic is reached when the impedance at the antenna port corresponds to the second scan angle. Accordingly, the antenna array can be optimized for both the transmit function and the receive function.
Выше были описаны примеры. Конечно, невозможно описать каждую возможную комбинацию компонентов или способов, но для специалиста в данной области будет очевидно, что возможны и многие дополнительные комбинации и перестановки. Соответственно, настоящее описание охватывает все такие изменения, модификации и вариации, которые входят в объем данной заявки, включая прилагаемую формулу изобретения. Используемый в настоящем документе термин «включает» означает «включает, без ограничений», а термин «включающий» означает «включающий, без ограничений». Термин «основанный на» означает «по меньшей мере частично основанный на». Кроме того, если в описании или формуле изобретения упоминается термин, соответствующий грамматической форме единственного числа для элемента, термин «первый» или «еще один» элемент, или их эквивалент, его следует интерпретировать как включающий один или более таких элементов, не требующих и не исключающих два и более таких элементов.Examples have been described above. Of course, it is not possible to describe every possible combination of components or methods, but one of ordinary skill in the art will appreciate that many additional combinations and permutations are possible. Accordingly, the present description covers all such changes, modifications and variations that are included in the scope of this application, including the attached claims. As used herein, the term "comprises" means "includes, without limitation", and the term "including" means "including, without limitation". The term "based on" means "at least partially based on". In addition, if a term corresponding to the grammatical singular form for an element, the term "first" or "another" element, or their equivalent, is mentioned in the description or claims, it should be interpreted as including one or more such elements, not requiring and not excluding two or more such elements.
Claims (31)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15/978,909 | 2018-05-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020138318A RU2020138318A (en) | 2022-05-23 |
| RU2796329C2 true RU2796329C2 (en) | 2023-05-22 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4682176A (en) * | 1986-03-12 | 1987-07-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Active matching transmit/receive module |
| US6686885B1 (en) * | 2002-08-09 | 2004-02-03 | Northrop Grumman Corporation | Phased array antenna for space based radar |
| US9813231B1 (en) * | 2016-08-09 | 2017-11-07 | Movandi Corporation | Wireless phased array receiver using low resolution analog-to-digital converters |
| EP3300173A2 (en) * | 2016-09-02 | 2018-03-28 | MOVANDI Corporation | Transceiver with phased array antenna panel for concurrently transmitting and receiving wireless signals and for use in multi-beam and relay with 5g applications |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4682176A (en) * | 1986-03-12 | 1987-07-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Active matching transmit/receive module |
| US6686885B1 (en) * | 2002-08-09 | 2004-02-03 | Northrop Grumman Corporation | Phased array antenna for space based radar |
| US9813231B1 (en) * | 2016-08-09 | 2017-11-07 | Movandi Corporation | Wireless phased array receiver using low resolution analog-to-digital converters |
| EP3300173A2 (en) * | 2016-09-02 | 2018-03-28 | MOVANDI Corporation | Transceiver with phased array antenna panel for concurrently transmitting and receiving wireless signals and for use in multi-beam and relay with 5g applications |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12074383B2 (en) | Phased array antenna system | |
| EP2638640B1 (en) | Method and appartus for tuning antennas in a communication device | |
| US8948702B2 (en) | Antenna system and method for optimizing an RF signal | |
| US20150155623A1 (en) | Antenna system for interference supression | |
| US11189911B2 (en) | Compact combiner for phased-array antenna beamformer | |
| US11942684B2 (en) | Repeater with multimode antenna | |
| IL238962A (en) | Embedded element electronically steerable antenna for improved operating bandwidth | |
| RU2796329C2 (en) | Phased antenna array system | |
| CN112886995B (en) | Control device, antenna control method, and receiver | |
| US11664872B2 (en) | Beam detection method and device, beam adjusting method and device, antenna module selection method and device, and computer readable storage media | |
| US11177840B1 (en) | Smart multiband antenna system | |
| WO2024133305A1 (en) | Coverage enhancing device with variable gain | |
| RU2020138318A (en) | PHASED ARRAY SYSTEM |