CN107453053A - 具有用于接收天线元件的高动态范围放大器的天线系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种天线系统。该天线系统包括被配置成作为如下阵列而操作的天线元件的平面阵列，该阵列具有用于接收第一频带中的信号的多个接收(Rx)天线元件和用于发射第二频带中的信号的多个发射(Tx)天线元件。Rx天线元件和Tx天线元件相交织，交织的模式使得总Tx功率泄漏分布在多个Rx天线元件之间。此外，每个Rx天线元件设置有高动态范围放大器(HDRA)，用于放大接收信号以及在每个Rx天线元件处滤除任何Tx功率泄漏。

Description

具有用于接收天线元件的高动态范围放大器的天线系统
技术领域
本公开涉及用于卫星通信的天线，并且更具体地涉及包括被配置成作为阵列而操作的天线元件的阵列的天线组件。
背景技术
天线阵列可以用在交通工具上，尤其是飞行器上，以用于接收来自例如卫星的其他源的信号以及将信号发射至卫星。常规天线系统典型地使用双工器(diplexer)来隔离具有不同频率的接收信号和发射信号。然而，双工器的尺寸大、昂贵并且会引入信号损失。其他解决方案可以使用环行器，其同样是庞大且昂贵的。因此，使用双工器和/或环行器的常规解决方案在其中空间和重量约束是重要设计参数的如飞行器的交通工具上是不合需要的。目前致力于能够容易地用在一般交通工具上并且特别地用在飞行器上的高效天线系统。
发明内容
在一个方面，提供了一种天线系统。该天线系统包括被配置成作为如下阵列而操作的天线元件的平面阵列，该阵列具有用于接收第一频带中的信号的多个接收(Rx)天线元件和用于发射第二频带中的信号的多个发射天线元件。Rx天线元件和Tx天线元件相交织，交织的模式使得总Tx功率泄漏分布在多个Rx天线元件之间。此外，每个Rx天线元件设置有高动态范围放大器(HDRA)，以用于放大接收信号以及在每个Rx天线元件处滤除任何Tx功率泄漏。
根据以下描述，结合附图，其他方面和优点将变得明显。
附图说明
现将参照本文中公开的各个方面的附图对本公开的各个特征进行描述。在附图中，相同的部件可以具有相同的附图标记。应当注意，附图并非旨在是成比例的或者示出部件的实际数量、尺寸或相对大小。图示的方面旨在说明而非限制本公开。附图包括以下图：
图1是根据本公开的一个方面的天线系统的框图；
图2是示出根据本公开的一个方面的、图1的天线系统的交织的接收(Rx)天线元件和发射天线元件的原理图的示例；以及
图3示出根据本公开的一个方面的、通过使用图2的天线元件实现的潜在系统改进的曲线图。
具体实施方式
作为初步解释，如本文中使用的术语“部件”、“模块”、“系统”等旨在指代计算机相关的实体和/或信息处理实体，执行软件的通用或专用处理器、硬件、固件和/或以上的组合。例如，部件可以是但不限于在硬件处理器上运行的进程、硬件处理器、对象、可执行物、执行线程(thread of execution)、程序以及/或者计算机。例如，控制器或控制系统可以以软件、硬件以及/或者其组合来实现。
根据要求保护的主题，计算机可执行部件可以存储在例如非暂态的计算机可读介质中，包括但不限于，ASIC(专用集成电路)、CD(光盘)、DVD(数字视频光盘)、ROM(只读存储器)、软盘、硬盘、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、固态存储器装置或任何其他存储装置。
在一个方面，以下公开提供了一种旨在用于在例如飞行器、列车等的交通工具上使用的天线系统。该天线系统包括被配置成作为如下阵列而操作的天线元件的平面阵列，该阵列具有用于接收第一频带中的信号的多个接收(Rx)天线元件和用于发射第二频带中的信号的多个发射天线元件。Rx天线元件和Tx天线元件相交织，交织的模式使得总Tx功率泄漏分布在多个Rx天线元件之间。此外，每个Rx天线元件设置有高动态范围放大器(HDRA)，以用于放大接收信号以及在每个Rx天线元件处滤除任何Tx功率泄漏。
图1示出了根据本发明的一个方面的、具有天线系统102的系统100的示例，该天线系统102用于接收来自卫星的第一频带中的信号108以及将第二频带中的信号110发射至卫星。在一个方面，天线系统102的大小和形状可以被确定成适合至少针对宽体飞行器的、由“ARINC 791”标准指定的空间，“ARINC 791”标准定义了Ku和Ka波段卫星数据机载终端设备。作为示例，天线系统102可以被配置为用于放置在飞行器的尾部。本文中公开的各个方面不限于用于放置天线系统102的任何特定区域。此外，天线系统102可以具有其他通用部件，例如，导频发生器(pilotgenerator)、导频检测器(pilot detector)和其他部件，诸如用于操作作为相控阵列(phased array)的天线系统的移相器。为了简洁，没有对这些通用部件进行描述，这是因为其可能与本文中公开的各种适应性方面没有密切关系。
为了与Ku和/或Ka波段中的同步卫星进行通信以及向在宽体飞行器和更小的飞行器上的乘客提供满意的通信体验，天线系统102提供特定的G/T，例如9db/K。G/T是典型地用于表征天线性能的因子，其中G是接收频带中以分贝(decibel)为单位的天线增益，并且T是以开尔文(Kelvin)为单位的等效噪声温度。例如，天线系统102可以被配置成针对例如从10度到高达30度的较低仰角扫描的圆极化提供可为10db/K至10.5db/K的G/T。对于例如从至少30度到90度的较高仰角扫描，G/T可以介于11db/K到12.5db/K之间。这些G/T值仅被提供作为示例而非被解释为限制本文中描述的各种适应性方面。
对于功率使用，天线系统102是高效的并且可以被配置成使用针对飞行器的最佳功率，例如，小于300W。大部分功率可以用于传输，额定地大约为消耗的功率的60％至65％。
天线系统102包括天线控制器104，该天线控制器104可以被实现为具有用于管理可能处于不同频率的接收信号和发射信号两者的各种部件的一个或更多个集成电路。
天线系统102可以与交通工具的主控制器112接驳。在一个方面，天线系统102可以通过网络连接与主控制器112通信或者可以使用另外的互联类型直接附接。主控制器112可以包括基于来自交通工具的AC/DC电源(对于飞行器典型地为48VDC)的DC配电网络、交通工具上的调制解调器、以及可以提供用于卫星追踪的完整数据(GPS位置和交通工具定位)的天线定位系统。主控制器112负责天线组件102的总体控制，视线计算，内置测试和测试设备(BIT/BITE)管理，以及与交通工具中的诸如包括调制解调器的宽带控制器的外部控制器(未示出)和特定天线控制器通信。宽带控制器提供用于传输的L波段信号并且天线组件102向该宽带控制器提供L波段中的接收到的信号。
在一个方面，天线系统102包括布置在多个天线贴片(tile)中的天线贴片上的天线元件的阵列106。这些天线元件被配置成作为阵列而操作。天线贴片可以基本上具有相同大小，以用于减小制造和更换成本，即每个贴片可以具有基本上相同的尺寸。对于旨在用于宽体飞行器并且使用正方形贴片的天线系统，贴片大小可以在50mm x 50mm到200mmx200mm的范围中，例如100mm x 100mm。每个贴片的厚度可以不大于30mm的厚度，例如，厚度在15mm到20mm之间。较薄的贴片可以用于较轻重量和较小外形的天线组件，以用于减小阻力。本文中公开的适应性方面不限于任何特定贴片大小。
在一个方面，阵列106的天线元件具有如图2所示的交织的发射天线元件和接收(Rx)天线元件。例如，阵列106包括多个Tx元件202和Rx元件204。天线元件202和204中的每个作为辐射元件单元，即天线阵列的最小建立块或部件而操作。天线元件可以是双边缘馈电的、针式馈电的、EM耦合的或如本领域中已知的被配置成作为阵列而操作的其他接片(patch)类型。
在一个方面，天线元件彼此之间形状基本相同并且可以是矩形、正方形、多边形、平行四边形、四边形或六边形。还可以使用其他形状，诸如圆形、三角形、矩形等。一般地，能够放置在一起而元件之间不留有间隙或不交迭的形状是优选的。天线元件202和204可以具有相同大小，以用于进一步减小制造和更换成本。
在一个方面，发射信号通过多个Tx元件202发射。散布在Tx元件之间的多个Rx元件204中的每个仅吸收整个Tx信号功率的一部分。
在一个方面，不同于如笨重的常规系统那样使用重型且昂贵的双工器和/或环行器，每个Rx元件204设置有高动态范围放大器(HDRA)214，该HDRA 214被配置成滤出Tx频率信号而不使Rx噪声系数(NF)劣化或使Rx频率信号失真。如本领域中已知的术语“噪声系数”是以分贝为单位而测量的射频信号链中的信号劣化的度量。
在一个方面，HDRA 214包括阻抗匹配元件(示出为“输入匹配”)206、第一晶体管208、级间匹配元件210和第二晶体管212。输入匹配206执行第一层级阻抗匹配以滤除泄漏至Rx天线元件中的Tx信号的至少一部分，而不增加Rx波段损耗。因此，进入第一级晶体管208的Tx信号会低于泄漏至输入匹配元件206中的初始Tx信号。
在一个方面，第一晶体管208的偏置点被设定为最高安全漏极电压，即在关断时不会引起故障的最大电压。对于这样的偏置点，压缩点较高，增益可以轻微减小，但是噪声水平与额定偏置点处的NF相似，其能够实现较高的允许输入功率。
级间元件210执行阻抗匹配并且包括基本上滤除可能已经泄漏至第一晶体管208中的Tx信号的任何部分的波段阻止(band stop)。来自级间匹配元件210的输出被发送至第二晶体管212，该第二晶体管212同样被偏置在与晶体管208相似的高偏置点处，以保持低噪声和高输出功率。第二晶体管212的输出也针对功率而不是增益进行匹配。
在一个方面，图2的系统具有优于常规系统的多种优势。例如，在常规系统中，单个Rx路径必须应对Tx信号的全部泄漏。这需要Tx取样和复杂消除方案。在上述系统中，泄漏至各个Rx元件中的Tx信号功率跨越牵涉有源Rx阵列的多个Rx元件的多个Rx路径分布。因此，每个Rx元件的Tx泄漏水平相比于必须通过常规系统的单个Rx路径处理的全部Tx功率要低得多。此外，如图2中配置的每个Rx元件的HDRA消除了对常规系统的重型且昂贵的双工器的需要。
图3示出了使用天线系统102的G/T相对于HDRA 214和Rx元件之间的损耗的曲线图示例300。曲线图300示出了典型的～1dB的损耗的每0.1dB节省的影响。
因此，已经描述了具有交织的接收天线元件和发射天线元件的天线系统。注意，在本说明书通篇中，所提及的“一个方面”或“方面”意味着结合该方面所描述的具体特征、结构或特性包括在本公开的至少一个方面中。因此，要强调并且应当认识到，在本说明书的各个部分中对“方面”或“一个方面”或“可替选的方面”的两次或更多次的提及不一定全部指代同一方面。此外，如本领域的普通技术人员将认识到的，所提及的具体特征、结构或特性可以适当地组合在本公开的一个或更多个方面中。
虽然上文针对当前被视为其优选方面的内容对本公开进行了描述，但是应当理解，本公开不限于上述内容。相反，本公开旨在覆盖所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。例如，天线组件可以被设计为在除了Ku和Ka波段以外的、诸如例如C波段的其他波段中操作。可以设置不同的贴片形状，或者可以设置具有不同数量的天线元件的贴片形状的混合。

Claims (20)

1.一种天线系统，包括：
被配置成作为如下阵列而操作的天线元件的平面阵列，该阵列具有用于接收第一频带中的信号的多个接收天线元件和用于发射第二频带中的信号的多个发射天线元件，其中，所述接收天线元件和所述发射天线元件相交织，交织的模式使得总发射功率泄漏分布在所述多个接收天线元件之间；以及其中，每个接收天线元件设置有高动态范围放大器，用于放大接收信号以及在每个所述接收天线元件处滤除任何发射功率泄漏。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述高动态范围放大器包括阻抗匹配模块，以在每个所述接收天线元件处部分地滤除所述发射功率泄漏的一部分。
3.根据权利要求2所述的天线系统，其中，所述高动态范围放大器包括第一晶体管，所述第一晶体管从所述阻抗匹配模块接收输入并且使用最高安全漏极电压用于输出。
4.根据权利要求3所述的天线系统，其中，所述高动态范围放大器包括级间匹配模块，所述级间匹配模块从所述第一晶体管接收输入、执行阻抗匹配以及滤除任何剩余的发射功率泄漏。
5.根据权利要求4所述的天线系统，其中，所述高动态范围放大器包括第二晶体管，所述第二晶体管从所述级间匹配模块接收输入并且使用最高安全漏极电压用于输出。
6.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述天线系统不具有双工器和环行器。
7.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述天线系统部署在运输交通工具上以用于卫星通信。
8.根据权利要求7所述的天线系统，其中，所述运输交通工具是飞行器。
9.根据权利要求8所述的天线系统，其中，所述天线系统安装在所述飞行器的尾部。
10.一种天线系统，包括：
被配置成作为如下阵列而操作的天线元件的平面阵列，该阵列具有用于接收第一频带中的信号的多个接收天线元件和用于发射第二频带中的信号的多个发射天线元件，其中，所述接收天线元件和所述发射天线元件相交织，交织的模式使得总发射功率泄漏分布在所述多个接收天线元件之间；其中，每个接收天线元件设置有高动态范围放大器，以用于放大接收信号以及在每个所述接收天线元件处滤除任何发射功率泄漏；以及其中，所述高动态范围放大器包括阻抗匹配模块和第一晶体管，所述阻抗匹配模块在每个所述接收天线元件处部分地滤除所述发射功率泄漏的一部分，以及所述第一晶体管从所述阻抗匹配模块接收输入并且使用最高安全漏极电压用于输出。
11.根据权利要求10所述的天线系统，其中，所述高动态范围放大器包括级间匹配模块，所述级间匹配模块从所述第一晶体管接收输入、执行阻抗匹配以及滤除任何剩余的发射功率泄漏。
12.根据权利要求11所述的天线系统，其中，所述高动态范围放大器包括第二晶体管，所述第二晶体管从所述级间匹配模块接收输入并且使用最高安全漏极电压用于输出。
13.根据权利要求10所述的天线系统，其中，所述天线系统不使用双工器或环行器。
14.根据权利要求10所述的天线系统，其中，所述天线系统部署在运输交通工具上以用于卫星通信。
15.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述运输交通工具是飞行器。
16.根据权利要求15所述的天线系统，其中，所述天线系统安装在所述飞行器的尾部。
17.一种天线系统，包括：
被配置成作为如下阵列而操作的天线元件的平面阵列，该阵列具有用于接收第一频带中的信号的多个接收接收天线元件和用于发射第二频带中的信号的多个发射天线元件；
其中，所述接收天线元件和所述发射天线元件相交织，交织的模式使得总发射功率泄漏分布在所述多个接收天线元件之间；
其中，每个接收天线元件设置有高动态范围放大器，以用于放大接收信号以及在每个所述接收天线元件处滤除任何发射功率泄漏；以及
其中，所述高动态范围放大器包括：阻抗匹配模块，其用于在每个所述接收天线元件处部分地滤除所述发射功率泄漏的一部分；第一晶体管，其从所述阻抗匹配模块接收输入并且使用最高安全漏极电压用于输出；级间匹配模块，其从所述第一晶体管接收输入、执行阻抗匹配以及滤除任何剩余的发射功率泄漏；以及第二晶体管，其从所述级间匹配模块接收输入并且使用最高安全漏极电压用于输出。
18.根据权利要求17所述的天线系统，其中，所述天线系统不使用双工器或环行器。
19.根据权利要求17所述的天线系统，其中，所述天线系统部署在运输交通工具上以用于卫星通信。
20.根据权利要求19所述的天线系统，其中，所述运输交通工具是飞行器并且所述天线系统安装在所述飞行器的尾部。
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