CN102113172B - 相控阵天线及其单元、交通工具和操作相控阵天线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种相控阵天线单元。该单元包括相位跟踪电路，该相位跟踪电路被配置来将本地输出信号的同相分量(In)乘以外部输出信号的正交相位分量(Qout)，以产生相位控制信号(535)，并且/或者将本地输出信号的正交分量(Qn)乘以外部输出信号的同相分量(Iout)，以产生相位控制信号(535)。

Description

相控阵天线及其单元、交通工具和操作相控阵天线的方法
技术领域
本发明涉及一种相控阵天线和一种用于操作相控阵天线的方法，具体地但非排他地，涉及在电信系统中使用的相控阵天线系统/板。
背景技术
诸如碟形卫星天线的反射器天线用在电信系统中，并且简单易于理解。反射器天线构成高增益天线系统的大多数。为了操纵反射器天线，通常需要整个反射器的机械移动，虽然也已知诸如机械或电子移动馈源的替代方式。
反射器天线可以控制波束的速度受限于加速反射器或天线的其他可移动部分的质量的机械限制。移动机构的机械精度也限制天线波束的定点精度。而且，在其上安装了反射器的结构的任何不精确都可能降低反射器天线的增益，因为反射器天线的物理位置和/或方向可以受到其上安装了天线的结构的不良影响。而且，反射器的结构变形(诸如应力和热膨胀)可以降低反射器天线的结构精度，特别是大反射器天线的结构精度。
反射器天线体积庞大，并且可能不适合于在诸如火车的高速交通工具上使用，因为它们容易损坏。例如，风造成的损坏或来自可能刮到火车的树枝的损坏可能移动和/或损坏反射器天线。
反射器天线的一种替代是相控阵天线，该相控阵天线由以网格模式排列以形成阵列的多个天线单元构成。
相控阵天线可以是平面的，它们相对于反射器天线的优势在于安装相控阵天线只需要非常小的物理深度。然而，相控阵天线通常构造和安装起来更昂贵，这是由于在制造期间为提供可靠的天线阵所需的精度。需要独立的相控阵天线单元相对于彼此的真实物理位置的精确数据以便充分地控制相控阵天线的方向和焦点，由此充分地发送和接收数据。
US 2002/0135513(Dean Alan Paschen等)公开了一种用于包括相控阵的多孔径天线的分布式自适应组合系统，其中，天线设备内的每一个单元具有相关联的相位/时间调整电路。
已知其他相控阵天线系统中，使用可移动板支撑天线单元，并且当与卫星进行通信时利用该板的移动。这样的板被配置为使用时是倾斜的且旋转的。
发明内容
考虑到上述情况而设计本发明的方面和实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种相控阵天线，包括第一天线单元和多个第二天线单元，它们被配置为接收通信信号。所述第一天线单元包括可控振荡器，所述可控振荡器被配置为提供输出信号，用于频率转换接收的通信信号以形成第一单元输出信号。所述可控振荡器的输出信号的相位能够响应于相位控制信号而被调整，所述相位控制信号表示所述第一单元输出信号和所述多个第二天线单元的经频率转换的输出信号之间的比较。所述第一输出信号可以与所述第二单元的所述输出信号相长地(constructively)组合。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于设置相控阵天线的第一天线单元的可控振荡器的相位的方法，其中，所述可控振荡器的输出信号用于频率转换接收的通信信号以形成第一单元输出信号，所述方法包括：将所述第一单元输出信号与多个第二天线单元的经频率转换的输出信号作比较；产生表示所述比较的相位控制信号；响应于所述相位控制信号来调整由与所述第一天线单元相关联的所述可控振荡器产生的输出信号的相位，使得所述第一天线单元输出信号与所述第二单元的所述输出信号相长地组合。
使用在多个第二单元接收的信号来产生所述相位控制信号可以减少噪声的影响，并且允许产生更精确的相位控制信号，因为与在多个天线单元接收的信号相关联的噪声可以小于与表示在单个天线单元接收的信号相关联的噪声。
本发明的实施例可以提供改善的通信系统，特别是当通信装置的用户在交通工具中运动时可以使用的通信系统，例如向在火车上的用户提供因特网接入。
可以相对于在所述第一天线单元接收的所述通信信号的相位来调整所述可控振荡器的输出信号的相位。
如果输出信号相同或者代表相同的值，那么输出信号可以相长地组合。
在一些实施例中，所述第一和第二天线单元可以被配置来产生基带信号。
相位控制信号可以表示第一单元输出信号和多个第二天线单元的输出信号的复合/均值(mean)/算术平均值(average)或者特性之间的比较的结果。使用在多个第二单元接收的信号的复合使得在每个所述第二单元接收的信号能够影响所述相位控制信号，并且在一些实施例中等同地影响所述相位控制信号。
所述相位控制信号可以表示由所述第一单元输出信号表示的数据码元和由所述第二单元输出信号表示的数据码元之间的比较结果。这可以使得在所述单元接收的所述通信信号之间的任何时间和相位差被看作在统计上无关紧要，因为在所述通信信号被频率转换到数据码元域时，可以减小和/或去除属性在所述接收的通信信号的载波频率的任何差别。
所述单元输出信号可以是表示数据码元的中频(IF)信号或可以是基带信号。
所述相位控制信号可以表示由所述第一单元输出信号表示的数据码元和用于表示由大多数所述第二单元输出信号的数据码元的数据码元之间的比较结果。以这种方式，可以使得所述第一单元的所述输出信号与大多数所述第二单元的所述输出信号一致。
所述第一和第二天线单元可以被配置来接收QPSK通信信号，并且，所述相位控制信号可以包括所述第一和第二天线单元的同相和正交相位分量输出信号之间的交叉相关程度的表示。当确定是否应当调整所述可控振荡器输出的相对相位时，QPSK信号的内置相位特性或任何其他相移键控信号可以是有益的。
所述相位控制信号可以表示所述第一天线单元的QPSK输出信号的同相分量和所述多个第二天线单元的输出信号的正交相位分量之间的相关程度；并且/或者，所述相位控制信号可以表示所述第一天线单元的QPSK输出信号的正交相位分量和所述多个第二天线单元的输出信号的同相分量之间的相关程度。
在所述相位控制信号表示如上所述的两种比较的实施例中，所述相位控制信号可以用于更精确地调整所述可控振荡器的相对相位，因为它表示两组比较数据。
所述相位控制信号可以表示所确定的相关程度之间的差，并且可以表示所述差的时间平均值。这可减少同相和正交相位分量信号中存在的任何不希望出现的信号。时间平均所述差信号可以减少和/或最小化在所述同相和正交相位信号之间的任何叠合相关，所述叠合相关可以导致错误的相移被施加到所述可控振荡器。
所述第一单元输出信号和由所述多个第二天线单元产生的输出信号之间的比较可以包括在所述输出信号中嵌入的代码的比较。可以根据在所述单元处从数据源接收的通信信号确定在输出信号中嵌入的代码，并且在所述输出信号中嵌入的代码可以允许识别来自期望的数据源的通信信号，排除从以同一频率发送的其他数据源接收的通信信号，在一些实施例中，即便是从所述其他数据源接收的通信信号比从所述期望的数据源接收的信号更强也可以进行排除。所述数据源可以是卫星。
第一天线单元可以进一步包括相位比较器部件，所述相位比较器部件被配置为将所述第一单元输出信号的相位与所述多个第二天线单元的输出信号的相位作比较，以产生所述相位控制信号。适当地，可以从科斯塔斯环得到所述相位比较器部件。
所述相位控制信号可以表示所述第一单元输出信号和所述第二单元输出信号的平均值之间的任何差别。所述相位控制信号可以提供所述可控振荡器与在所述第一天线单元接收的通信信号异相程度的指示。
所述相控阵天线可以进一步包括与所述第一或第二天线单元的一个或多个单元相关联的延迟部件，其中，所述一个或多个延迟部件被配置来在时间上调整所述第一和第二天线单元的输出信号。在时间上调整所述第一和第二单元的输出信号可以使得所述输出信号在时域上得到调整，这样，与由数据源在时间“t”发送的信号相关的经频率转换的输出信号可以和与在同一时间“t”发送的同一信号相关的对应的经频率转换输出信号相长地组合。这可以提供组合信号，所述组合信号具有改善的信噪比和/或较高的服务质量(QoS)，诸如较低的比特误码率。
所述多个第二天线单元可以被配置为使得响应于满足标准的功率电平控制信号为所述第二单元的一个或多个单元的独立输出信号赋予权重并且/或者将其禁止。所述标准可以是阈值，例如，如果所述功率电平控制信号大于或小于所述阈值，则可以满足所述标准。
第二天线单元的功率电平控制信号可以表示在该第二天线单元的输出信号和其他第二天线单元的输出信号之间的比较。禁止和/或调整与所述第二单元的一个或多个单元的输出信号相关联的权重使得所述相位控制信号成为可以配置的，因此提高了对于如何产生相位控制信号的控制程度，从而可以更精确地调整所述可控振荡器的相对相位。例如，产生所述相位控制信号时，可以从输出信号的比较排除任何有故障或遮蔽的天线单元的输出信号。
所述相控阵天线可以进一步包括存储器，所述存储器被配置为存储与所述第一和第二单元的每一个单元相关联的坐标。所述坐标可以标识单元在相控阵天线中的物理位置。
最初，可以根据所述相控阵天线的物理属性来设置与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的坐标，这使得所述相控阵天线能够更快地将所述可控振荡器的相对相位调整为期望的值，由此更快地将所述相控阵天线聚焦在诸如卫星的期望的数据源。
可以响应于所述相位控制信号来调整与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的坐标。
所述相控阵天线可以进一步包括处理器，所述处理器被配置为计算所述坐标的最佳适配平面。所述相位控制信号可以包括被配置为设置所述可控振荡器的相位以使得它与所述最佳适配平面一致的信号。
所述相控阵天线可以包括一个或多个相控阵天线板。可以提供包括所述相控阵天线的、诸如火车的交通工具。
可以提供计算机程序，所述计算机程序包括机器或计算机可读的程序元素，用于配置相控阵天线以产生用于实现根据本发明的一个方面的方法的控制信号，并且/或者，配置本发明的一个方面的相控阵天线。
可以提供承载计算机程序的载体介质。所述载体介质可以是下面之一：固态存储器；磁存储器；CD-ROM；数字通用盘(DVD)；HD-DVD；读写CD；蓝光盘；电子信号；射频载波或光学载波。
可以提供一种相控阵天线板，所述相控阵天线板包括多个天线单元，所述多个天线单元包括可控振荡器和科斯塔斯环，其中，所述可控振荡器被配置使得响应于由科斯塔斯环产生的控制信号来设置所述可控振荡器的相位。
根据本发明的另一个方面，提供了一种相控阵天线的单元，所述单元包括科斯塔斯环，其中，所述科斯塔斯环被配置为将本地输出信号的同相分量乘以外部输出信号的正交相位分量，以产生相位控制信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种相控阵天线的单元，所述单元包括科斯塔斯环，其中，所述科斯塔斯环被配置为将本地输出信号的正交分量乘以外部输出信号的同相相位分量，以产生相位控制信号。
使用外部输出信号可以通过减小在所述单元接收的噪声的影响来使得所述科斯塔斯环提供改善的相位控制数据。所述相位控制信号可以使得更快和/或更精确地调整所述本地振荡器的相位，以便锁定所述科斯塔斯环。
所述外部输出信号可以是由所述相控阵天线的一个或多个另外的单元产生的一致输出信号/复合输出信号。使用一致输出信号可以降低在各个单元接收的噪声的全部影响。
与单元相关联的科斯塔斯环中可以有中断，其中，与其他单元相关联的科斯塔斯环的一致输出信号/复合输出信号用于导出所述单元的所述本地振荡器的相位调整。
附图说明
现在参考附图仅通过示例来描述根据本发明的特定实施例，在附图中：
图1示出根据本发明的一个实施例的通信系统；
图2示出根据本发明的另一个实施例的通信系统；
图3示出根据本发明的另一个实施例的相控阵板的部件图；
图4示出根据本发明的另一个实施例的与相控阵单元相关联的电路图；
图5示出根据本发明的另一个实施例的与相控阵单元相关联的电路图；
图6示出根据本发明的另一个实施例的与相控阵单元相关联的电路图；
图7示出根据本发明的另一个实施例的与相控阵单元相关联的电路图；
图8示出根据本发明的另一个实施例的通信系统；
图9示出根据本发明的另一个实施例的与相控阵单元相关联的电路图；
图10示意地示出根据本发明的另一个实施例的相控阵板的截面图；
图11示意地示出根据本发明的另一个实施例的相控阵板的顶视图；
图12示出根据本发明的另一个实施例的与相控阵单元相关联的电路图；以及
图13和14以图形示出根据本发明的一个实施例的接收机的仿真结果。
具体实施方式
本发明的一个或多个实施例涉及相控阵天线，特别是在发送和接收电磁通信信号时可用于提供改善的增益和信噪比的相控阵天线系统/板。该相控阵天线系统可以包括一个或多个相控阵天线板，该一个或多个相控阵天线板将它们的最大增益波束自动地聚焦到诸如卫星的电磁通信信号的发射机或接收机。
聚焦该相控阵天线系统降低了作为接收机的相控阵天线的带宽。接收机承受的噪声与系统的带宽成正比。例如，如果带宽减小10倍，则信噪比改善10dB。
天线系统的带宽可以被看作天线特性(诸如波束宽度、输入阻抗、方向图、极化、旁瓣电平、增益、波束方向、辐射效率)在可接受值内的频率范围。
通过产生相位反馈信号来聚焦波束，该相位反馈信号用于设置被应用到本地可控振荡器的相对相移，该本地可控振荡器与每一个用作对在电信中使用的通信信号的调制/解调操作的一部分的单元相关联。
可以通过下述方式产生所述相位反馈信号：将独立单元的输出信号与“一致输出信号”(consensus output signal)作比较，该“一致输出信号”表示多个其他单元的输出信号。相位反馈信号调整与该独立单元相关联的本地振荡器的相对相位，直到该独立单元的输出信号与多个其他单元的输出信号相同，或表示与所述多个其他单元的输出信号相同的值。当独立单元提供与其他单元相同的输出信号时，本地振荡器可以被认为与其接收的通信信号经过充分的相位调整。
一致输出信号的使用使得能够产生更精确的相位反馈信号，因为与一致信号相关联的全部噪声小于在独立单元接收的独立信号的噪声。
图1示出根据本发明的一个实施例的相控阵天线系统100。相控阵天线系统100包括6个相控阵天线板102a、102b、102c、102d、102e、102f。每一个相控阵天线板102具有多个相控阵天线单元，其中两个被图示为108和110。当系统100用于发送数据时，单元108、110经由中央控制器104耦合到公共源(未示出)，或当系统100用于接收数据时，单元108、110经由中央控制器104耦合到公共负载(未示出)。
相控阵天线板102可以相对于彼此以任何适当方位被配置，并且在这个实施例中，图示了适于安装到火车车箱顶部的6个相控阵天线板102的布置。
每个相控阵天线板102通过光缆106连接到中央控制器104。中央控制器104包括光纤收发器105，光纤收发器105被配置来向相控阵天线板102发送信号/从相控阵天线板102接收信号。在使用中，控制器104位于安装相控阵天线板102的火车车箱内部。
相控阵天线系统100被配置来在使用时向卫星116发送电磁信号/从卫星116接收电磁信号。在这个实施例中，与卫星116的双向通信提供了通过火车上的网络可接入的电信链路，诸如因特网接入。例如，火车上的乘客能够使用他们的膝上型计算机来连接到与火车相关联的网络，以便使用相控阵天线系统100作为通信链路的一部分来接入因特网。
例如，示出了两个分量信号112、114，它们对应于由相控阵天线系统100的单元108、110接收的、由卫星116发射的同一电磁辐射113。可以明白，相控阵的其他单元的每一个接收由卫星116发射的电磁辐射113的类似分量信号，并且，在图1中未示出所有这些信号，以便有助于清楚。
如图1中所示，由于从卫星116到各个单元108、110的不同路径长度，在不同的单元108、110接收的分量信号112、114之间存在相位差。所接收的分量信号112、114之间的相位差取决于从卫星116到相控阵天线系统100的单元108、110的路径长度和电磁辐射113的波长。
在其他实施例中，相控阵天线系统100可以包括任何数量的相控阵天线板102，并且在一些实施例中，包括单个相控阵天线板102。
每一个相控阵单元108、110被配置为接收相移控制信号，使得可以自动地调整与每一个单元108、110相关联的本地可控振荡器的相位，以便将由相控阵天线板102产生的总体波束聚焦到卫星116上。
相控阵天线系统100的示例可以包括10至20个板102，每一个板102具有大约0.6x0.45米的尺寸。每一个板102可以包括大约2000个单元108、110。
图2示出用于对在多个天线单元214a-n接收的信号进行相位调整的、根据本发明的另一个实施例的相控阵天线板200的示意图。
每一个天线单元214包括天线202和可控可变本地振荡器204，可控可变本地振荡器204被配置使得可响应于相位数据控制信号206来偏移本地振荡器204的相位。
相位数据控制信号206可以被每一个单元214本地的硬件或软件产生，或可以例如由在图1中所示的中央控制器104在中央位置产生。
天线202和可变本地振荡器204被配置为使得可变本地振荡器204的输出信号与在对应的天线202接收的输出信号混合，以便产生由数据信号加噪声构成的基带信号。在这个实施例中，使用一步调制，虽然可以明白，在其他实施例中，可以作为解调过程的一部分产生中频信号，并且，可以将相位数据控制信号206应用到控制振荡器204，该控制振荡器204被配置为将接收的通信信号下变频为中频信号。
由天线单元214产生的基带信号被提供到作为公共负载的求和部件208。
求和部件208用于把基带信号相加，并且结果产生的输出信号提供比独立的分量信号更强的数据信号，这是因为减少了各个单元214接收的信号中可能存在的噪声分量的影响。在每一个单元接收的信号的噪声分量可以不相同，因此将不被求和部件208加强。
为了提供最大的总增益，每一个单元214的本地振荡器204应当与在其相关联的天线202接收的分量信号经相位调整，或至少经充分的相位调整，使得单元214提供正确的输出信号。如果一个单元的输出信号与其他单元的输出信号相同，则可以认为该单元的输出信号是“正确的”。如上参考图1所述，因为在数据源(卫星)和相控阵天线单元214之间的不同路径长度，所接收的分量信号的相对相位对于不同的天线单元214可以不同。
为了让每一个天线单元214输出正确的输出信号，根据控制信号206偏移每一个本地振荡器204的相对相位，直到该天线单元输出与其他单元214相同的输出信号。
可以根据控制信号206独立于其他本地振荡器204调整每一个本地振荡器204的相位。
可以明白，在数据源(卫星)和相控阵天线单元214之间的不同路径长度也在每一个单元214处接收的信号之间引入时延。在这个实施例中，该时延不显著地影响如下所述的相控阵天线板200的性能，虽然在其他实施例中，时延分量可以用于在时间上调整所接收的信号。
基带信号表示“+1”和“-1”的数字序列。在这个示例中，所接收的信号的码片速率/数据码元速率是27.5Mcps(每秒兆码片)。使用电磁辐射的速度近似3×108ms-1，这表示每一个码片具有大约11m(3×108÷27.5×106)的信号长度。这至少比板200的尺寸大一个数量级，板的尺寸例如可以是0.6m×0.4m。因此，对于大多数时间，在相控阵天线板中的每个单元接收的信号涉及同一码片/数据码元。
在这个实施例中，对同时接收的信号求和及解码时，由于信号表示不同的码片/数据码元的时间的小比例，在经不同的单元接收的信号表示的码片/数据码元之间的任何不一致被认为无关紧要。
类似地，当向给定目标(例如，卫星)发送信号时，向与单元214相关联的每一个可变本地振荡器204施加的相移被设置为与对于对应的接收机确定的那些值相同的值，以提供具有改善的增益和信噪比的波束。
可以明白，通过独立地控制向与相控阵天线板200相关联的多个单元214的每一个的本地振荡器施加的相移，可以将最大增益(因此，最大信噪比)的波束聚焦在期望的方向上。阵列的有效辐射方向图可以在期望的方向上被加强，并且在不期望的方向上被抑制。
在这个实施例中，所接收的信号在它们被提供到求和部件208之前，被与每一个单元214相关联的专用集成电路(ASIC)独立地解码。在这样的实施例中，相控阵板上的信号传送是在基带频率进行的。在其他实施例中，所接收的信号被与每一个单元214相关联的ASIC下变频为中频，并且在求和部件208下游的接收机部件(未示出)集中地执行中频信号下变频到基带频率的解码。在这样的实施例中，相控阵板上的信号传输在微波频率进行，具有衰减和不精确。
图3示出正交相移键控(QPSK)相控阵天线系统300，该系统包括多个单元302，其中每一个单元302接收通信信号301，并且耦接到差分同相输出总线304和差分正交相位输出总线306。在差分同相和正交相位输出总线304、306上的信号表示单元302的同相和正交相位输出信号的复合，并且被每一个单元302使用来产生在图2中所示的相位数据控制信号206。
每一个单元302的同相输出基带信号Iout308和正交相位输出基带信号Qout310分别耦合到差分输出基带总线∑I304和∑Q306，使得在差分同相基带总线304上的信号提供表示所有同相基带信号308的复合信号，并且在差分正交相位基带总线306上的信号提供表示全部正交相位基带信号310的复合信号。
表示在差分同相基带总线304上的同相分量的复合值的信号作为输入信号Iin312被提供到每一个单元302，并且表示在差分正交相位基带总线306上的正交相位分量的相加值的信号被作为输入信号Qin314提供到每一个单元302。然后，每一个单元302使用复合基带信号Iin和Qin及其各自的输出信号Iout和Qout来内部产生其本身的相位控制信号。
输出总线304、306上的信号包括由单元302输出的电流信号的叠加。
在输出总线上的信号表示基带信号的实施例中，基带信号的叠加可以提供输出的基带信号的平均值的指示，其极性提供了大多数独立的单元的是否正在产生作为输出的+V或-V的指示。
在输出总线上的信号表示相位调制的中频(IF)信号的实施例中，IF信号的叠加可以提供由大多数IF信号表示的码元的指示。例如，IF信号可以包括用于表示正或负基带码元(例如，+1和-1)的正或负正弦波(彼此相位差180度的正弦波)，并且复合IF信号可以提供大多数独立的单元是否正在产生正或负正弦波的指示。
例如，如果100个单元耦合到输出总线，并且这些单元中的80个提供具有正电流的基带输出信号，并且剩余的20个单元提供具有负电流的基带输出信号，则100个基带电流信号在输出总线上的叠加将提供表示正电流的复合信号。这个复合信号可以被每一个单元用作该单元的基带输出应当是什么的指示。输出总线上的信号可以被看作相位控制天线整体在那个时间的最普通输出信号的指示。
在差分同相和正交相位输出总线304、306上的信号可以被当做“一致信号”(consensus signal)，因为它们提供由多个单元302输出的信号的指示，以便使得各个单元的输出与相控阵天线中的其他单元一致/协调。
在这个实施例中，作为由单元302执行的处理的结果，产生向与每一个单元302相关联的相应本地振荡器提供的相位数据控制信号，单元302执行的处理将在数据总线304、306上的同相和正交相位输出信号的值与单元的正交相位和同相输出信号作比较，并且产生表示该比较的模拟反馈信号。
当应用模拟反馈信号以设置应当被应用到单元1302a的相对相位时，单元1302a被当作第一天线单元，并且单元2302b至单元N302n的每一个单元被当作第二天线单元。当确定向第一天线单元施加的相移时，使用在第二天线单元接收的信号。
类似地，当向单元2302b应用模拟反馈时，单元2302b被当作第一天线单元，并且所有的其他单元被当作第二天线单元，等等。可以明白，当根据在其他的第二天线单元的每一个接收的信号来确定应当向某个天线单元302施加的相移时，可以把该天线单元302当作第一天线单元。
根据本发明的另一个实施例，图4示出了与相控阵天线系统中的单元416相关联的电路400的示意图。电路400被配置来基于在同一相控阵天线系统中的一个或多个其他单元处接收的信号来自动地调整本地振荡器404的相移。
为了有助于清楚，在图4中仅示出一个单元的电路，然而，可以明白，具有类似电路的其他单元也以与在图4中所示的电路400相同的方式通过它们本身的输出放大器和输入放大器连接到输出总线412。
电路400包括混频器404、输出放大器408、输入放大器410、相位反馈部件414和可变相位本地振荡器406。电路400被配置来接收输入信号402，并且通过输出放大器408和输入放大器410连接到输出总线412。
输入信号402被从与单元416相关联的天线直接地或间接地获得，并且像可变相位本地振荡器406的输出一样提供给混频器404。根据被相控阵天线系统接收/发送的信号的已知频率来设置本地振荡器406的频率。在这个实施例中，每一个本地振荡器406的相位被初始设置为任意值。
混频器404的输出通过输出放大器408耦合到公共负载/输出总线412。也耦合到负载/输出总线412的是与同一相控阵天线系统中的其他单元相关联的对应混频器的输出。公共负载输出总线412执行与结合图3所述的公共同相和正交相位基带总线304、306相同的功能，以提供表示由所有的单元产生的信号的信号。
公共负载/输出总线412上的信号通过输入放大器410耦合回相位反馈部件414，在此，将该信号与那个特定单元416各自的输出信号418作比较。相位反馈部件414的输出信号420被用作相位控制信号420，以控制本地振荡器406的相位，以相对于其各自的输入通信信号402偏移本地振荡器406的相位，以便改善相控阵天线系统的增益。
如果输出总线412上的信号与各自的输出信号418不同，或表示不同的值/数据码元，则这提供了本地振荡器404的相位不正确并且应当调整本地振荡器404的相对相位的指示。如果在输出总线412上的信号与各自的输出信号418相同，或表示相同的值/数据码元，则这提供了本地振荡器404的相位正确并且不必被调整的指示。
以这种方式，可以调整一个本地振荡器406相对于其他本地振荡器406的相位以改善同一相控阵天线系统中各个单元相对于其他单元的相位调整，以改善相控阵天线系统的总信噪比。
对于给定的频率，相控阵天线系统的这个实施例自动地偏移与每一个单元416相关联的振荡器的相对相位，直到它们产生相同的输出信号(或表示相同输出信号的中间信号)，以考虑到在数据源(诸如卫星)和各个单元416之间的不同路径长度，由此自动地将相位控制信号聚焦于在给定频率具有最强信号的源。以这种方式，相控阵天线系统自动地锁定到在给定频率具有最强信号的源，因为每一个单元的相移被调整以提供聚焦在来自提供在相控阵天线系统接收的最强信号的源的信号。当随着时间调整与独立的单元相关联的本地振荡器的相移时，相控阵天线变得聚焦在该源上，并且相控阵天线的总增益提高，信噪比改善。
可以明白，位于相同和/或不同相控阵天线板上的单元可以是同一相控阵天线系统的一部分，因此，可以耦合到相同的公共负载/输出总线412。
在这个实施例中，通过在与每一个单元416相关联的专用集成电路(ASIC)上本地执行的处理来产生相位控制信号420。
图5示意地示出了根据本发明的另一个实施例的、与相控阵天线系统的单元相关联的接收机500的电路图。在图5中所示的接收机被配置来接收正交相移键控(QPSK)通信信号。
电路500包括同相混频器504和正交相位混频器506、可变正交相位本地振荡器508、同相基带滤波器510和正交相位基带滤波器512、同相输出放大器520和正交相位输出放大器522、同相输入放大器524和正交相位输入放大器526以及部件的相位反馈布置536。在这个实施例中，相位反馈布置536基于科斯塔斯环，并且包括两个比较混频器514、516、相减部件518、放大器532和低通控制环滤波器534。
部件的相位反馈布置536是锁相环的示例，其中，由控制环滤波器输出的相移控制信号535被用作压控本地振荡器508的控制信号，以使得单元500的基带输出信号In、Qn与输出总线528、530上的复合输出信号Iout、Qout一致。复合输出信号Iout、Qout提供外部基准信号作为反馈路径的一部分。
所接收的通信信号502被提供为“输入”，从与单元相关联的天线(未示出)直接或间接地提供该输入。电路包括单元接收机电路500的输出所耦合到的同相和正交相位输出总线528、530。
可以明白，相控阵天线系统包括多个单元，例如如图3中所示，每一个单元具有对应的接收机电路。多个接收机电路的每一个以与在图5所示的接收机电路500相同的方式耦合到同相和正交相位输出总线528、530，并且在图5中未示出另外的接收机电路以有助于清楚。
输入信号502被提供到同相混频器504和正交相位混频器506。在这个实施例中，混频器504、506是吉尔伯特单元。也作为每一个混频器504、506的输入提供的是正交相位本地振荡器508的输出信号。
正交相位本地振荡器508被配置来提供具有相同的频率和振幅的两个信号：其中一个与另一个信号在相位上相差90°。来自本地振荡器508的同相输出信号被提供到同相混频器504，并且，来自本地振荡器508的正交相位输出信号被提供到正交相位混频器506。同相混频器504的输出应当是输入信号502的同相分量，并且正交相位混频器506的输出应当是输入信号502的正交相位分量。
如果本地振荡器508的相对相位与所接收的输入信号502的相位未经充分地调整，则由正交相位混频器506产生的输出信号中有同相分量信号的元素，并且反之亦然。本发明的这个实施例的目标是控制本地振荡器508的相位，以减小和/或最小化同相和正交相位分量的交叉影响，由此改善相关联的相控阵天线系统的效率。
同相分量和正交相位分量信号的每一个分别被提供到同相和正交相位低通基带滤波器510、512。基带滤波器510、512被配置来从信号去除任何不需要的频率分量，诸如由混频器504、506产生的“和频率”分量，并且也通过去除基带频率之外的信号来降低噪声。
同相基带滤波器410的输出信号是单元的同相基带信号，并且被标识为In。In被同相输出放大器520耦合到被标识为Iout的差分同相输出总线528。在这个实施例中，同相输出放大器520是电流驱动放大器。
类似地，正交相位基带滤波器512的输出信号是单元的正交相位基带信号，并且被标识为Qn。Qn通过正交相位输出放大器522耦合到被标识为Qout的差分正交相位输出总线530。在这个实施例中，正交相位输出放大器522也是电流驱动放大器。
电流驱动放大器520、522向输出总线528、530提供在一对电阻器上的开关电流源。在这个实施例中，基带输出信号表示一系列+1和-1，因此，电流驱动放大器520、522将正或负电流提供到输出总线528、530上。
形成相控阵天线的一部分的N个单元的每一个通过对应的放大器520、532连接到输出总线528、530，使得在输出总线528、530上提供的所得电压是作为来自各个单元的输出提供的所有电流与并联的所有耦合电阻的乘积的和：
v ( t ) = Σ n = 1 N ( i n ( t ) ) * / ( R / N )
其中，N是耦合到输出总线的单元的数量，并且，R是将单元耦合到输出总线的一对电阻器的电阻。
把同相基带信号In连同正交相位基带信号Qout的复合值提供到第一比较混频器514。Qout提供了正交相位基带信号的极性的表示，该正交相位基带信号是相控阵天线系统中的所有单元的输出的复合。
当输入信号502被下变频为基带分量信号时，同相和正交相位分量应当完全独立于彼此，因为它们任意地不同。已经进行了大量的工作来保证同相和正交相位分量独立于彼此，例如通过使用里得-所罗门编码。即，如果本地振荡器508被配置为具有正确的相位调整，则当将同相和正交相位分量信号作比较时，在它们之间不应当有任何相关。如果在同相和正交相位分量之间有某种程度的相关，则这提供了下述指示：存在同相分量影响正交相位分量并且/或者反之亦然。
在本实施例中，同相和正交相位基带信号包括QPSK码元(码片)，该QPSK码元(码片)具有(1，1)、(1，-1)、(-1，1)或(-1，1)的(同相，正交)值。因此，同相和正交相位分量的瞬时乘积可以是1或-1。输出是1或-1的机会在统计上相同。
如果同相和正交相位分量不相关，则由第一比较混频器514随着时间产生的两个分量的乘积的和将是0，因为有相等数量的“1”和“-1”。由如下所述的控制环滤波器534来计算两个分量的乘积的时间平均。即，如果两个分量不相关，则同相和正交相位分量的时间平均的乘积将是0。
如果同相和正交相位分量的时间平均的乘积不是0，则这提供了在同相和正交相位分量之间有交叉影响的指示，因此，对于所接收的输入信号502而言，本地振荡器508的相对相移未正确地调整。
第二比较混频器516被以与第一比较混频器514类似的方式配置，但是被配置来将单元正交相位分量信号Qn与复合同相分量信号Iout相乘。再一次，第二比较混频器516的非零时间平均输出提供了在同相和正交相位分量之间存在交叉影响的指示，因此提供了本地振荡器508未正确地调整相位的指示。
在一些实施例中，不要求使用第二比较混频器，因为由第一比较混频器514提供的反馈可以提供关于在同相和正交相位分量信号之间的相关度的足够精确的信息。在这个实施例中，第二比较混频器506用于提供同相和正交相位分量相关的程度的另外度量。
来自两个比较混频器514、516的输出信号被提供到相减部件518，其中，产生信号之间的差并作为相减部件518的输出来提供该差。
相减部件518的使用使得能够减小在同相和正交相位分量中存在的任何不需要的信号对于结果产生的相移控制信号535的影响，因为当比较混频器514、516的两个输出信号相减时可以彼此抵消不需要的信号。这可以帮助减小由电路500引起的任何失真。
例如，在所接收的同相和正交信号中的任何偏移信号可能趋向于在极性和电压上处于相反方向上，因此当被比较混频器514、516混合在一起并且随后被相减部件518相减时抵消。这样的偏移信号可以由电路500的物理环境引起，并且在这个实施例中，如果比较混频器514、516是相同的部件并且它们物理地彼此接近，则可以特别地减小偏移信号。
在相减单元518的输出的信号被提供到放大器532，放大器532的输出被提供到低通控制环滤波器534。低通控制环滤波器534通过下述方式来有效地时间平均/整合由相减单元518产生的信号：去除短期振荡，并且留下长期(低频)趋势。在由相减单元518中产生的信号的短期振荡可能由在每一个单元接收的信号与不同的数据码元相关的、在统计上短的时间段引起。
低通控制环滤波器534的非零输出提供了本地振荡器508的相位调整不是最佳的指示，这是因为在同相和正交相位分量信号之间有交叉影响。
在低通控制环滤波器534输出处的信号被用作相移控制信号535，相移控制信号535被配置来控制正交相位本地振荡器408的相移。相移控制信号535的非零值使得在本地振荡器508的相对相位被调整，以便如果可能的话进一步减小相移控制信号535的值。如果相移控制信号535是0，则不调整本地振荡器508的相对相位。
从科斯塔斯环得出这种相位反馈布置536，并且这种相位反馈布置536被配置为相位调整工具。当整体看相控阵天线板时，相控阵系统可以被当作并联使用的多个科斯塔斯环。
可选地，在输出总线Iout和Qout上提供的信号可以是相控阵天线系统中的单元的全部输出信号的子集的复合信号，相控阵天线系统中的单元例如是在特定相控阵天线板中的单元或相控阵天线板的区域。
在其他实施例中，可以为多个单元提供单个低通控制环滤波器534，例如，可以为相控阵天线板上的所有单元提供单个低通控制环滤波器534。即，由与单元500的每一个相关联的放大器532输出的信号作为输入被提供到低通控制环滤波器534。在这样的实施例中，减小了系统中的噪声，因为由各个单元的每一个经历的噪声分量信号在使用在其他单元接收的信号处理时具有减小的影响。在其他实施例中，低通控制环滤波器534可以是用于单元500的每一个的独立滤波器。
在其他实施例中，相位反馈布置536可以包括下述部件，该部件被配置来将In信号与Iout信号作比较，并且/或者将Qn信号与Qout信号作比较，以把信号之间的任何不相关识别为输入信号502的同相和正交相位信号之间的交叉影响的指示。即，如果单元输出信号与所有单元的复合输出信号不相同或不足够接近，则在那个单元接收的通信信号的解调可以被确定为次佳的。
一旦调整了每一个单元，则可以保持本地振荡器508和所接收的通信输入信号502之间所需要的相位关系，该相位关系是将其本地星座与输出总线528、530上的一致星座调整所需要的。假定相控阵天线相对于光/数据码元周期的速度是较小的。
可以明白，在其他实施例中，本地振荡器的频率可以被设定，以将输入信号502下变频为中频信号。在这样的实施例中，耦合到输出总线528、530的信号是表示数据码元的中频信号。例如，基带的+1和-1数据码元可以分别表示成中频的+正弦波和-正弦波。直流(dc)等价的实施例可以被当作具有0频率的正弦波。
在工作在中频的实施例中，在图5中图示的电路通过下述方式以相同的方式工作：调整本地振荡器508的相位使得由单元产生的中频信号表示与由在输出总线528、530上提供的其他单元产生的中频信号相同的数据码元。
第一单元的本地振荡器508可以被锁定到与其他第二单元相关联的本地振荡器508。例如，可以用一个信号发生器和信号分配器替代下变频器中的本地振荡器508。每一个单元可以具有与其相关联的中频/解调集成电路。该集成电路之一可以具有晶体振荡器，并且其他集成电路可以从属于该晶体振荡器。
图6示意地示出了根据本发明的一个实施例的、与相控阵天线系统的单元相关联的接收机600的另一个实施例。
在这个实施例中，该单元包括两个接收机：X接收机602，用于接收X方向的极化信号；以及，Y接收机604，用于接收Y方向的极化信号，Y方向与X方向垂直。
接收机602、604的每一个可以类似于图4或图5所述的接收机，并且为有助于清楚，在图6中未示出相位反馈单元。
如下详细所述，处理两个垂直分量/维度的信号可以提供对相控阵天线系统的更大控制，特别是当发送数据时。
在这个实施例中，输入和输出端口的每一个是差分端口。
图7示意地示出了本发明的一个实施例的接收机700，接收机700被配置来接收X方向的极化信号。在图7中未示出被配置来接收Y方向的极化信号的对应接收机。接收机700类似于图4的接收机400，并且在此不再描述已经结合图4描述的公共部件。
象在图4中那样，正交相位本地振荡器702的两个输出信号被提供到X接收机700中的混频器704、706。另外，这两个输出信号也被提供到由箭头707所示的对应的Y接收机，该Y接收机被配置来接收Y方向的极化信号。
在这个实施例中，耦合单元的输出信号的同相In和正交相位Qn相位分量的电流驱动放大器708、710具有禁止功能。该禁止功能由控制通信部件720控制，并且可以用于控制采用哪个独立单元和/或X和Y方向接收机中的哪一个来产生输出差分总线上的复合输出信号。
如果如下所述地根据功率电平控制信号确定由单元产生的输出信号为伪信号，则该单元的电流驱动放大器708、710可以被控制通信部件720禁止。如果与单元相关联的天线被损坏、遮蔽或阻止接收和处理来自来源(例如，卫星)的电磁信号，则可能产生伪输出信号。
而且，如果确定在某个极性(X或Y方向)一个单元接收的信号低于阈值，则可以禁止该单元的电流驱动放大器708、710。如果单元700碰巧与卫星经调整使得在单元700接收的大多数信号与单元700为线性极化，则可能是这种情况。
除了与在图5中所示者类似的相位反馈布置730之外，也提供了部件的信号电平反馈布置732。
信号电平反馈布置732包括第一信号电平混频器712、第二信号电平混频器714、求和部件716和放大器718，并且被配置来提供表示在单元处接收的信号的信号强度/电平的反馈信号。
第一信号电平混频器712被配置为将单元输出信号的正交相位分量Qn乘以相控阵天线系统中的所有单元的输出信号的正交相位分量的复合Qout。信号Qn和Qout应当是经相位调整的(或近乎经相位调整的)的，这意味着当相乘在一起时，它们彼此相长地干扰，因此，结果产生的信号提供了Qn的信号强度的指示。
类似地，第二信号电平混频器714被配置来将单元输出信号的同相分量In乘以相控阵天线系统中的所有单元的输出信号的同相分量的复合Iout。
两个信号电平混频器712、714的输出被作为输入提供到求和部件716，求和部件716的输出作为功率电平控制信号经由放大器718被提供到控制通信部件820。
控制通信部件720被配置来接收来自相位反馈布置730的相减部件726的与相位相关的反馈信号并经由放大器718接收来自信号电平反馈布置732的求和部件716的输出的与功率/信号电平有关的反馈信号。控制通信部件720被配置来处理所接收的信号的一个或多个，以便产生表示要被应用到本地振荡器702的相移的信号。
在这个实施例中，控制通信部件720位于相控阵板上，并且具有串行数据输入和输出端口728，串行数据输入和输出端口728被配置来与中央控制器和/或其他相控阵天线板和/或用户界面进行通信。
在一些实施例中，控制通信部件720可以被配置来从各自的功率电平控制信号分析在单元接收的信号的强度相对于在其他单元接收的信号的强度，以便向在该单元接收的信号应用加权。可以通过控制电流驱动放大器708、710的增益来应用加权。
应用加权可以用于保证在所有单元接收的信号被以相同的电流提供到差分输出总线Iout、Qout，因此，具有相等的效果。在其他实施例中，可以通过控制通信部件720来设置电流驱动放大器708、710的增益，以便有意地向由单元产生的信号提供偏移加权，使得在一些单元接收的信号比在其他单元接收的信号对输出总线上的复合信号具有更大的影响。
在这个实施例中，被应用到本地振荡器702的相移的更新速度比单元相对于与该单元通信的卫星显著地改变方位的速度更快，例如通过所关联的相控阵天线板所附着的火车的转弯、震动等，来改变该单元相对于与其通信的卫星的方位。应用到本地振荡器702的相移信号可每秒更新1,000,000次(即，每微秒一次)。
图8示出根据本发明的另一个实施例的通信系统800。
通信系统包括彼此经由光缆816彼此进行通信的相控阵天线板802和中央控制器806。中央控制器806也连接到全球定位系统(GPS)808、指南针810、存储器812和视觉显示单元(CPU)814。
相控阵天线板802包括控制通信部件804，控制通信部件804被配置来向与板802的单元相关联的电路应用控制信号。在这个实施例中，中央控制器806执行产生控制信号所需要的处理如下所述。
当安装或初始配置系统800时，产生相控阵天线板802的单元的位置的地图并存储在存储器812中。该地图由三维坐标的数据库构成，该三维坐标用于识别每一个单元相对于基准点的位置，该基准点例如是相控阵板802的角。另外，板802的三维坐标被存储在存储器812中，以使得能够确定板802的位置和方位。例如，板802的三个角的坐标可以存储在存储器812中，因为这可以允许通过使用线性插值来确定板802上的任何单元的位置。
根据由例如使用尺子、量角器等的对板802进行的机械测量和/或板802的设计规范来设置单存储在存储器812中的单元位置的初始值。因为这个原因，地图的初始版本可以被称为“机械地图”。
如上所述，如果板的实际瞬时机械属性与在存储器812中初始存储的理论/测量属性不同，则仅使用板的机械测量可以导致不精确。例如由于热膨胀和收缩，板的实际机械属性可以随着时间改变。
中央控制器806在存储器812中存储了同步卫星的位置和向卫星发送和从卫星接收的电磁信号的频率，中央控制器806被配置来与该同步卫星进行通信。
中央控制器806被配置来使用关于卫星位置的信息以及从GPS部件808和指南针810确定的关于相控阵天线板800位置的位置信息来确定在不同单元接收的电磁信号的相位理论差。可以使用简单数学方法来计算相位差，该简单数学包括在图1中所示的基本三角学。
在存储器812中也存储了应当向与相控阵天线板802的每一个单元相关联的本地振荡器应用的理论相移。当第一次接通或复位通信系统800时，中央控制器806向通信部件804提供信号以向每一个单元应用理论相移。
随着时间，当从相控阵天线板802向中央控制器806返回相移控制信号时，更新在存储器812中存储的单元的位置的原始机械地图，以更精确地反映从相位控制信号确定的单元位置。
例如，如果确定由与单元相关联的本地振荡器产生的信号应当比从机械地图确定的理论相移大5°，则这可以指示单元的实际位置实际上距离理论值333微米远，并且使用那个单元的正确坐标来更新机械地图。然后，根据单元的校正的位置来确定相移控制信号。
自动地更新单元位置的初始“机械地图”可以被称为产生单元位置的“电子地图”，“电子地图”反映从线程操作结果确定的实际情况。
使用可以在安装时设置的机械地图使得系统能够明确识别和锁定到期望的卫星。这是因为机械地图使得能够初始设置向每一个本地振荡器应用的相移，以便聚焦相控阵天线系统，使得在某频率接收的最强信号来自期望的卫星，排除掉以同一频率发射的其他卫星。
由诸如上述的科斯塔斯环的相位反馈布置维护的电子地图的随后使用使得能够改善与识别的卫星的通信的增益和信噪比，因为板的任何机械不精确或在机械属性随时间的改变被自动地包含到电子地图内。
在这个实施例中，可以在VDU 814上向用户图形显示单元位置的地图。这使得用户能够识别在所接收的数据中的任何可能的不一致，例如，如果单元被示出位于与其他单元的位置明显地不一致的位置，这可以指示该单元有故障或该单元相对于由卫星接收的信号被遮蔽的情况。在这个实施例中，用户可以使用与VDU 814相关联的用户界面(未示出)，以和参考图7所述相同的方式手动禁止被识别为提供错误的结果的单元。作为补充或替代，如果所接收的信号强度太低，例如低于阈值，则中央控制器806可以自动地确定单元正在提供错误结果，并且可以响应于该确定来自动地禁止该单元。
在其他实施例中，补充或替代单元位置的坐标地图，可以在存储器812中存储应用到每个单元的相对相移的地图。
在一些实施例中，从各个单元接收的信号可能特别易受噪声影响。为了最小化噪声的影响，中央控制器806被配置来通过单元的每一个位置的坐标来产生最佳适配平面，并且基于就好像位于最佳适配平面上的单元位置来产生相位控制信号。在这样的实施例中，当产生最佳适配平面时不能考虑已经手动或自动禁止的任何单元，因为这些单元可能使得结果出错。
和独立地考虑每一个单元时的噪声的影响作比较，根据从多个单元的坐标产生的方向图来产生相位控制信号可以减小噪声的影响。
图9示意地示出与相控阵天线系统的单元相关联的发射机900的一个实施例。可以明白，本发明实施例的发射机可以使用对应的接收机电路的部件，但是信号的方向相反。在这个实施例中，发射机电路900可以使用与图7的接收机电路700相同的部件。
分别向低通滤波器902、904提供同相分量(Idata)和正交相位(Qdata)分量数据以进行数据脉冲整形。然后，低通滤波器902、904的输出分别在混频器906、908与正交相位本地振荡器910的输出混频。根据从控制通信部件916接收的相位控制信号来设置被应用到本地振荡器910的相移。从与根据在此所述的本发明的任何实施例的相控阵天线系统的同一单元相关联的接收机确定由控制通信部件916提供的相位值。
同相和正交相位分量信号在被发送之前被提供到可变放大器912、914。也可以根据从控制通信部件916接收的信号电平控制信号(例如，参考图7所述的信号电平控制信号)来设置可变放大器912、914的功率电平和极性。
在这个实施例中，产生“功率电平和极性”信号时，可以考虑相控阵天线单元900相对于卫星的方位，具体来说，通过用控制通信部件720、916来分析X方向和Y方向的相应接收到的信号来实现。替代地，可以通过使用位置确定部件(诸如，结合图8更详细地描述的指南针和GPS)来确定相控阵天线单元900的方位。
控制通信部件916被配置来确定什么比例的从卫星接收的信号在X方向上，并且什么比例的从卫星接收的信号在Y方向上。极端情况下，相控阵天线单元可能与所接收的信号经精确调整，使得在X方向上接收到信号的100％，并且在Y方向上接收到信号的0％。另一种极端情况下，在X方向上接收到信号的0％，并且在Y方向上接收到信号的100％。
如果确定所接收的信号的100％(或大于预定阈值)在X方向上，则可以在发送期间禁止Y输出放大器914，反之亦然，以便节省功率，因为在Y方向上发送信号可以看作是不必要的。
图10示出了根据本发明的另一个实施例的相控阵天线板1000的截面图。相控阵天线板1000包括多个相控阵天线单元1001。
板1000由两个板构成：上板1008和下板1010。每一个单元1001被设置在上板1008上，并且由在上板1008的上侧印刷的交叉折叠偶极子天线1004、1006和在上板1008的下侧安装的专用集成电路(ASIC)1002构成。交叉折叠偶极子天线具有四个天线1004a、1004b、1006a、1006b。ASIC1002经由上板1008上的镀金通孔连接到天线1004a、1004b、1006a、1006b。
每一个单元1001具有四个天线：两个同质心天线1004a、1004b，用于接收数据；以及，两个同质心天线1006a、1006b，用于发送在X和Y上极化的数据。X和Y是板1000的平面中的正交轴。由X和Y接收机检测的相对幅度和极性指示极化方向。
上板1008是多层的，并且包括在地平面上侧安装的具有高介电常数的聚四氟乙烯材料构成的上层1008a；以及，由玻璃纤维加强的聚四氟乙烯电介质构成的下层1008b。
单元1001在10mm的六边形网格上相间，单元1001相距小于工作波长的一半，以便减小由光栅效应产生的伪旁瓣的影响。六边形阵列是用于减小光栅效应的特别有益的实施例。另外，与已知板相比，六边形阵列的几何形状能够提高板上的单元的密度，同时保持可接受的工作参数，诸如足够低的光栅效应。已知的相控阵天线板使用正方形和矩形单元，因为其更方便将波导与单元相关联。然而，使用单元的六边形阵列的本发明的实施例可以保留将波导与单元相关联的方便性，如图11中所示，同时还改善了相控阵天线板的单元密度，由此使得能够更好地限定最大增益的波束。
在这个实施例中，六边形阵列可以使得能够有效地确定和应用每一个本地振荡器所需要的相移。
如图11中所示，ASIC1002通过上板1008下侧的数据总线1114成行地电连接在一起。
数据总线1114被配置来传输下面的信号：
●基准频率；
●相加的接收数据，I和Q；
●要发送的数据，I和Q；
●串行命令数据总线；以及
●电源
基准频率信号被配置来向本地振荡器(合成器)提供相位控制范围，相位控制范围为在乘法器类型的鉴相器的特性的线性部分内的发送和接收频率为+/-2π。这个频率范围是在聚四氟乙烯衬底底层1108b上的差分传输线的高频在天线上板1008周围的时间精度和传输损耗之间的折中。在这个实施例中，基准频率是fTX/64和fRX/64，虽然在其他实施例中，参考频率可以是fTX/8和fRX/8或任何其他适当的值。
相加的同相和正交相位的接收的数据信号I和Q对应于在图5中图示的差分数据总线528、530上的复合信号Iout和Qout。
要发送的数据I和Q对应于在图9中图示的Idata和Qdata信号的同相和正交相位分量。
上板1008上的数据总线1114继而通过一系列多极连接器1012连接到下板1010，该一系列多极连接器1012沿着板100的侧壁下行。
下板1010承载信号处理1018、功率调节1020、频率合成1026和接口1024电路，这些电路被配置来在数据总线1114和1012上发送和/或接收数据。频率合成电路1026根据由诸如在图1中图示的中央控制器104的中央处理单元(CPU)产生的信号而产生基准频率信号。在如图1中图示的相控阵天线经由光纤系统106而连接到中央控制器104的实施例中，当产生基准频率信号时，频率合成电路1026可以使用光纤系统和/或中央控制器104的时钟频率作为基准。
上板1008的上侧和下板1010的下侧之上可以不安装部件并且没有通孔。这使得相控阵天线板1010能够被外围框架1016密封，并且向相控阵板1000提供机械硬度。每一个板1000可以具有用于将板1000紧固地固定到火车车箱顶部的部件。
板1000具有到CPU的独立的数据连接器(未示出)，该数据连接器在图1中所示的实施例中为光纤，该光纤可以具有相等的长度，并且通过板1000的外围框架1016密封。板1000具有电力导线和尾纤(未示出)，电力导线和尾纤也通过外围框架1016密封。
在图10和11中所示的实施例中，ASIC1002是硅锗(SiGe)ASIC。这优于现有技术中使用的已知砷化镓(GaAs)。现有技术中的GaAs ASIC的使用需要独立的硅基芯片来执行实现相控阵天线板1000所需要的逻辑处理。
根据本发明的实施例使用SiGe ASIC使得单个ASIC能够用于每一个单元，由此改善相控阵天线系统的效率。
在其他实施例中，可以为单个单元提供两个ASIC：一个被配置来在接收数据时进行处理，另一个被配置在发送数据时执行处理。提供独立的ASIC就封装上板1008上的部件的布局而言提供实用的优点。
图12示意地示出根据本发明的一个实施例的与相控阵天线系统的单元相关联的接收机120的另一个实施例。在此不详细描述与图7所示同的那些特征。
在这个实施例中，相位反馈部件1202被配置来通过将接收的信号与预定代码作比较来提供表示在同相和正交相位分量之间是否存在交叉影响的信号。
相控阵天线单元1200可以与其进行通信的卫星被配置来发送对于该卫星唯一的、规则地重复的代码。该唯一代码包括同相和正交相位分量。唯一代码可以被相控阵天线使用来识别并且锁定到期望的卫星。以这种方式，相控阵天线系统可以聚焦在期望的卫星上，排除以同一频率发射的所有其他卫星，即使从那些其他卫星接收的信号比从期望的卫星接收的信号更强。
在接收包括规则重复的唯一代码的信号的实施例中，可以不必使用机械地图或电子地图来锁定到期望的频率，虽然如此做可以提高相控阵天线系统锁定到期望的卫星的速度。
控制通信部件1204被配置来从存储器检索与期望的卫星相关联的唯一的同相和正交相位代码1206、1208，并且将这些代码1206、1208应用到相位反馈部件1202。
相位反馈部件1202类似于图7所示的反馈布置730，除了图12的相位反馈部件1202被配置来向与相位反馈部件1202的每一个分支相关联的相关器应用唯一代码1206、1208，以确定在单元1200接收的信号XInput的同相和正交相位分量之间是否存在任何交叉相关。
同相唯一代码1206被横向滤波器1210应用到所接收的信号的复合同相分量Iout，并且也被横向滤波器1212应用到所接收的信号的正交相位分量Q。这两个横向滤波器1210、1212的输出被提供到乘法器部件1218，在此，乘法器1218的非零输出信号以与图5的乘法器部件516相同的方式来识别任何相关。
类似地，正交相位唯一代码1208分别被横向滤波器1214、1216应用到所接收的信号的复合正交相位分量Qout和所接收的信号的同相分量In。
在这个实施例中，唯一代码128比特长，并且可以明白，也可以使用其他比特长度的代码。
图13和图14图示当执行如图5中图示的64个单元/接收机500的计算机仿真时获得的结果。仅示出64个接收机中的8个的结果，以便有助于清楚。
开始，仿真从单元振荡器之间的零相移开始，并且期望的信号在单元之间被相移π/5弧度。
图13示出八个单元的相位控制信号的电压随时间的曲线图。由于在时间上平均所接收的信号，并且相位控制反馈信号被反馈到与各个单元相关联的本地振荡器，所以各个相位控制信号分开，以显示在单元接收的信号之间的π/5弧度移位。可以从图13看出，各个相位控制信号在170微秒后已经分开。
图14示出期望的QPSK波形的星座调整随时间的变化。开始，期望的QPSK波形被噪声和干扰遮蔽，并且随着时间变化为清楚的图案，因为通过相位控制信号调整了单元。信噪比随着时间改善为由星座点的大小测量的10:1。
用于与一致星座得到调整的单元星座的旋转是由单元本地振荡器相位的调整引起的。本地振荡器相位的调整是行为，由例如从科斯塔斯环得来的相位反馈布置测量的本地解调的同相和正交相位信号(星座)的相关是结果。
在一些实施例中，根据本发明实施例的相控阵天线系统可以被配置来发射和接收具有多个频率的信号，例如提供宽带因特网接入。在这样的实施例中，由作为接收机的相控阵天线板的单元接收的信号和由作为发射机的相控阵天线板发送的信号可以都如上详细所述是经相位调整的的，并且通过向与每一个单元相关联的电路内引入时延分量而是在时间上是经调整的。在来自多个单元的信号被相加在一起之前，例如在图2中的求和部件208之前，可以引入时延分量。
在本发明的一些实施例中，与相控阵天线板的单元相关联的电路应当尽可能无声。即，在可能时，应当由软件和/或固件集中地执行处理，因为修改集中存储的任何算法都比修改存储在与每个单元相关联的ASIC上的算法更方便。
本发明的实施例使得能够使用不太精确地制造的相控阵天线板来提供可接受的性能质量。因为对于在单元之间的理论或测量的距离的依靠程度被减小，所以可以使用不太精确地制造的相控阵天线板。根据本发明的实施例的相控阵天线板可以以迭代方式基于在单元接收的信号的参数来自动将最大增益的波束聚焦在期望的数据源/目标。
本发明的实施例可以使用诸如科斯塔斯环、锁相环或n阶功率环的多个相位跟踪电路来提供相控阵天线系统中的多个单元的一致调整。可以产生作为多个解调信号的复合的信号，并且多个相位跟踪电路可以被配置来基于在单元接收的信号和解调信号的复合之间的比较来调整与该单元相关联的本地振荡器的输出信号的相位，使得单元的输出信号彼此一致。这可以包括：将本地振荡器的输出信号的相位与在那些单元接收的通信信号的相位调整。
可以明白，本发明不限于QPSK系统，并且本发明的实施例可以用于其他调制和复用技术。例如，通过同时测量在每一个单元接收的子载波之间的相位差，本发明可以用于使用正交频分复用(OFDM)的通信系统。
在能够至少部分地使用诸如通用处理器或专用处理器、数字信号处理器、微处理器或其他处理装置、数据处理设备或计算机系统的软件控制的可编程处理装置来实施如上所述的本发明的实施例的情况下，可以明白，用于配置可编程装置、设备或系统以实现上述方法、设备和系统的计算机程序被设想为本发明的一个方面。该计算机程序可以被实现为任何适当类型的代码，诸如源代码、目标代码、编译代码、翻译代码、可执行代码、静态代码和动态代码等。可以使用下述语言来实现指令：任何适当的高级、低级、面向对象、可视、编译和/或翻译的编程语言，诸如C、C++、Java、BASIC、Perl、Matlab、Pascal、Visual BASIC、JAVA、ActiveX、汇编语言和机器码等。技术人员容易明白，术语“计算机”在其最一般的意义上涵盖可编程装置，诸如如上所述者和数据处理设备和计算机系统。
适当地，计算机程序被以机器可读形式存储在载体介质上，例如，该载体介质可以包括存储器、可装卸或不可装卸介质、可擦除或不可存储介质、可写入或可重写介质、数字或模拟介质、硬盘、软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、可记录致密盘(CD-R)、可重写致密盘(CD-RW)、光盘、磁介质、磁光介质、可装卸存储卡或盘、各种类型的数字通用盘(DVD)用户身份模块、带子、盒式固态存储器。可以从在诸如电子信号、射频载波或光学载波的通信介质中包含的远程来源提供计算机程序。这样的载体介质也被设想为本发明的方面。

Claims (24)

1.一种相控阵天线的单元，所述单元包括相位跟踪电路，所述相位跟踪电路被配置为将所述单元的输出信号的同相分量与所述相控阵天线的多个单元的输出信号的正交分量的复合进行比较，以产生相位控制信号，该相位控制信号表示在所述同相分量与所述正交分量的复合之间的相关程度，用于使得所述单元的输出信号与所述多个单元的输出信号的复合一致。
2.一种相控阵天线的单元，所述单元包括相位跟踪电路，所述相位跟踪电路被配置为将所述单元的输出信号的正交分量与所述相控阵天线的多个单元的输出信号的同相分量的复合进行比较，以产生相位控制信号，该相位控制信号表示在所述正交分量与所述同相分量的复合之间的相关程度，用于使得所述单元的输出信号与所述多个单元的输出信号的复合一致。
3.一种相控阵天线的单元，其中相位控制信号是由根据权利要求1配置的相位跟踪电路产生的相位控制信号和根据权利要求2配置的相位跟踪电路产生的相位控制信号之间的差产生的。
4.根据权利要求1所述的单元，其中，所述相位跟踪电路包括科斯塔斯环。
5.一种相控阵天线，包括第一天线单元和多个第二天线单元，它们被配置为接收通信信号，所述第一天线单元包括可控振荡器，所述可控振荡器被配置为提供输出信号，用于频率转换通信信号以形成第一天线单元输出信号，并且其中，所述可控振荡器的输出信号的相位能够响应于由根据权利要求1至4中的任何一项所述的单元产生的相位控制信号而进行调整。
6.根据权利要求5所述的相控阵天线，进一步包括与所述第一或第二天线单元的一个或多个单元相关联的延迟部件，其中，所述一个或多个延迟部件被配置来在时间上调整所述第一和第二天线单元的输出信号。
7.根据权利要求5所述的相控阵天线，其中，所述多个第二天线单元的一个或多个进一步被配置使得响应于功率电平控制信号为所述第二天线单元的各个输出信号分配权重。
8.根据权利要求7所述的相控阵天线，其中，第二天线单元的功率电平控制信号表示该第二天线单元的输出信号和其他第二天线单元的输出信号之间的比较。
9.根据权利要求7所述的相控阵天线，其中，所述第二天线单元的一个或多个单元的输出信号被配置为响应于满足标准的所述功率电平控制信号而被禁止。
10.根据权利要求5-9中任意一项所述的相控阵天线，进一步包括存储器，所述存储器被配置为存储与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的坐标。
11.根据权利要求10所述的相控阵天线，其中，根据所述相控阵天线的物理位置来初始设置与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的坐标。
12.根据权利要求10所述的相控阵天线，其中，响应于所述相位控制信号来调整与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的坐标。
13.根据权利要求10所述的相控阵天线，进一步包括处理器，所述处理器被配置为通过与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的坐标来计算最佳适配平面，以便最小化噪声的影响，并且其中，所述相位控制信号包括被配置为设置所述可控振荡器的相位使得其与所述最佳适配平面一致的信号。
14.根据权利要求5所述的相控阵天线，包括一个或多个相控阵天线板。
15.一种交通工具，包括根据权利要求5所述的相控阵天线。
16.一种用于设置相控阵天线的第一天线单元的可控振荡器的相位的方法，其中，所述可控振荡器的输出信号用于频率转换接收的通信信号以形成第一天线单元输出信号，所述方法包括：
由所述第一天线单元的相位跟踪电路通过下述方式来产生用于表示在所述第一天线单元的输出信号的同相分量与所述相控阵天线的多个天线单元的输出信号的正交分量的复合之间的相关程度的相位控制信号：将所述同相分量与所述正交分量的复合进行比较，并且/或者，通过下述方式来产生用于表示在所述第一天线单元的输出信号的正交分量与所述相控阵天线的多个天线单元的输出信号的同相分量的复合之间的相关程度的相位控制信号：将所述正交分量与所述同相分量的复合进行比较；
响应于所述相位控制信号来调整由与所述第一天线单元相关联的所述可控振荡器产生的输出信号的相位。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：延迟第二天线单元或所述第一天线单元中的一个或多个天线单元的输出信号，以便在时间上调整所述第一和第二天线单元的所述输出信号。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：产生表示一个第二天线单元的输出信号和其他第二天线单元的输出信号之间的相关程度的功率电平控制信号。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：响应于所述功率电平控制信号来为权利要求16中的下述操作设置要应用到所述第二天线单元的所述输出信号的权重：
将所述同相分量与所述正交分量的复合进行比较，并且/或者，将所述正交分量与所述同相分量的复合进行比较。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：响应于满足标准的所述功率电平控制信号来禁止所述第二天线单元。
21.根据权利要求16至20的任何一项所述的方法，进一步包括：在存储器中存储与第二天线单元和所述第一天线单元中的每一个天线单元相关联的坐标。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：根据相控阵天线的物理位置来初始设置与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的坐标。
23.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：响应于所述相位控制信号来调整与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的所述坐标。
24.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：
通过与所述第一和第二天线单元的每一个单元相关联的坐标来计算最佳适配平面，以便最小化噪声的影响；以及
使用相位控制信号来调整由所述可控振荡器产生的所述输出信号的相对相位，以使得它与所述最佳适配平面一致；
其中，所述相位控制信号包括被配置为设置所述可控振荡器的相位以使得它与所述最佳适配平面一致的信号。
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