CN108234008B - 使用波束增益编码的相控阵列波束追踪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用波束增益编码的相控阵列波束追踪。用于相控阵列信号波束追踪的系统包括相控阵列发射器，其可被配置成以来自多个不同发射波束角的选定发射波束角发射信号波束。该系统还包括被配置成调制信号波束的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓的波束增益角编码组件。所得的增益轮廓包括指示在接收天线处的信号波束的偏移入射角的偏移角编码。

Description

使用波束增益编码的相控阵列波束追踪
技术领域
本公开涉及通信、追踪信号波束，并且更具体地涉及使用波束增益编码的相控阵列波束追踪。
背景技术
相控阵列天线用于发射和接收射频(RF)通信信号。相控阵列天线可发射到基于常规天线的接收器，反之亦然。当相控阵列天线用于通信链路的两端时，发射器和接收器均创建具有在适当方向上(相互指向)的增益的波束，并且然后在发射器和/或接收器移动或改变方向时修改该方向(使波束偏转)。这种使方向改变或移动可为发射器和/或接收器平台运动或振动、大气效应、多路径效应或其它移动的结果。相似的情况存在于当相控阵列天线只用于发射时，不同之处在于，接收器天线的偏转实际上可以机械方式完成，或者如果天线是固定天线，则天线可根本不偏转。在该后者的情况下，所有波束偏转将由与发射器相关联的相控阵列天线完成。典型示例可为具有相控阵列天线的飞行器，该相控阵列天线向卫星发射或从卫星接收传输数据并且必须通过飞行器的所有机动追踪卫星。也可为在它们都在它们各自路径上飞行时相互通信的两架直升机，其中每个具有其自身的相控阵列天线。
用于接收器来追踪进入接收器的所发射信号以改进通信性能的标准方法使用信号功率，并且试图通过使相控阵列接收波束偏转或通过使天线机械地偏转来不断地最大化信号功率。当前基于功率的接收器追踪方法的缺点是，在一次只有一个信号功率测量值可用的情况下，任何损失或增益都可指示必须校正波束的方向。然而，没有波束应该偏转到哪个方向的指示。因此，典型波束偏转算法必须在其它方向上偏转，以便在这些方向上对信号功率采样，从而更新偏转矢量并且因而更新波束方向。通常，这些算法本质上将以比正确指向的波束可用的平均信号功率低的平均信号功率来追踪信号。例如，通过在3dB电平下追踪实际最大功率方向附近的两个、三个或四个点，追踪可发生在3分贝(dB)电平(一半功率)。这进而又产生“指向损失”和“增益波动”。这些波动控制着由不是通过波束指向不准确引起的传播效应、闪烁效应和多路效应引起的正常信号功率波动。增益损失和波动直接影响信号质量，因而必须在任何系统中加以考虑。因此，需要不经受这些缺点的波束追踪或偏转。
发明内容
根据示例，用于相控阵列信号波束追踪的系统包括相控阵列发射器，该相控阵列发射器可配置成以来自多个不同发射波束角的选定发射波束角发射信号波束。系统还包括波束增益角编码组件，该波束增益角编码组件被配置为调制信号波束的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓或波形。所得的增益轮廓包括指示在接收天线处的信号波束的偏移入射角的偏移角编码。
根据另一个示例，用于相控阵列信号波束追踪的系统包括在第一交通工具上的相控阵列发射器。相控阵列发射器可被配置成以来自多个不同发射波束角的选定发射波束角发射信号波束。系统还包括波束增益角编码组件，该波束增益角编码组件被配置成调制信号波束的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓或波形。所得的增益轮廓包括指示在接收天线处的信号波束的偏移入射角的偏移角编码。系统还包括在第二交通工具上的第一接收器。第一接收器以实际入射角接收信号波束。系统还包括相关器，该相关器用于将接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形与多个角编码的波形互相关，以确定接收的信号波束的偏移入射角。每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个。接收的信号波束的偏移入射角对应于与接收的信号波束的波形具有最高相关性的多个角编码的波形中的角编码的波形。
根据另一个示例，用于相控阵列波束追踪的方法包括调制信号波束的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓或波形。所得的增益轮廓包括指示在接收天线处的信号波束的偏移入射角的偏移角编码。方法还包括由相控阵列发射器发射信号波束并且由第一接收器接收信号波束。方法还包括将接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形与多个角编码的波形互相关。每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个。接收的信号波束的偏移入射角对应于与接收的信号波束的波形具有最高相关性的多个角编码的波形中的角编码的波形。
根据另一个示例或前述示例中的任何一个，系统包括用于接收信号波束的接收器以及相关器，该相关器用于将接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形与多个角编码的波形互相关，以确定接收的信号波束的偏移入射角。每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个。接收的信号波束的偏移入射角对应于与接收的信号波束的波形具有最高相关性的多个角编码的波形中的角编码的波形。
根据另一个示例或前述示例中的任一个，系统包括被配置为确定角误差的模块。角误差为接收的信号波束的实际入射角与接收的信号波束的偏移入射角之间的差。系统另外包括发射器，其用于将角误差发射到与相控阵列发射器相关联的第二接收器。角误差用于使相控阵列发射器偏转。
根据另一个示例或前述示例中的任一个，角误差被添加到由发射器发送到第二接收器的信息。
根据另一个示例或前述示例中的任一个，系统另外包括波束追踪装置，该波束追踪装置被配置成根据角误差来确定相控阵列发射器的指向误差。指向误差用于使相控阵列发射器的选定发射波束角偏转以追踪第一接收器。
根据另一个示例或前述示例中的任一个，系统包括射频(RF)源，并且相控阵列发射器包括从RF源接收RF信号的功率分配器。相控阵列发射器还包括多个发射器信号路径和多个天线元件。每个发射器信号路径将功率分配器通信地耦合到多个天线元件中的相关天线元件。每个发射器信号路径可被配置成以多个不同发射波束角的选定发射波束角从多个天线元件发射信号波束。
根据另一个示例以及前述示例中的任一个，波束增益角编码组件在多个发射器信号路径的每个发射器信号路径中包括波束增益角编码模块和波束增益可调衰减器。波束增益角编码模块电连接到在每个发射器信号路径中的波束增益可调衰减器，以便调制每个发射器信号路径中的RF信号部分的增益，以产生信号波束的所得的增益轮廓。
根据另一个示例或前述示例中的任一个，系统还包括波束振幅控制模块和波束相位控制模块。每个发射器信号路径包括波束振幅可调衰减器。波束振幅控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的波束振幅可调衰减器。每个发射器信号路径还包括可调移相器。波束相位控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的可调移相器。波束振幅控制模块控制每个发射器信号路径中的RF信号部分的振幅，并且波束相位控制模块控制每个发射器信号路径中的RF信号部分的相位以便以选定的发射波束角从多个天线元件发射信号波束。
根据另一个示例或前述示例中的任一个，波束增益角编码模块结合到波束振幅控制模块中，以便调制每个发射器信号路径中的RF信号部分的增益，以产生信号波束的所得的增益轮廓。
根据另一个示例或前述示例中的任一个，偏移角编码使用直接序列扩频(DSSS)类型编码或码分多址(CDMA)类型编码。
根据另一个示例或前述示例中的任一个，信号波束的偏移入射角相对于接收天线的视准轴或与接收天线的接地平面垂直的线来确定。
已经讨论的特征、功能和优点可在各种示例中独立实现，或者可在其它示例中组合，特征、功能和优点的进一步细节可参考以下描述和附图而知晓。
附图说明
图1是根据本公开的示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的系统的示例的示意性框图。
图2是根据本公开的示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的相控阵列发射器的示例的示意性框图。
图3是根据本公开的另一个示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的相控阵列发射器的示例的示意性框图。
图4是根据本公开的示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的相控阵列接收器的示例的示意性框图。
图5A是根据本公开的示例的接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形与多个角编码的波形的互相关以确定接收的信号波束的偏移入射角的示例。
图5B是图5A中的接收的信号波形的互相关的侧视图。
图6是根据本公开的示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的方法的示例的流程图。
具体实施方式
示例的以下详细描述参考示出本公开具体示例的附图。具有不同结构和操作的其它示例不脱离本公开的范围。在不同附图中，相同的附图标记可表示相同元件或组件。
图1是根据本公开的示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的系统100的示例的示意性框图。系统100包括相控阵列发射器102，其可被配置成以由围绕图1中的相控阵列发射器102的天线阵列107的半圆形虚线表示的多个不同发射波束角108中的选定发射波束角106发射信号波束104。相控阵列发射器102是用于经由信号波束104发射RF信号的相控阵列射频(RF)发射器。相控阵列发射器102从RF源110接收包含信息或内容的信息信号或RF信号109，该信息信号或RF信号109由相控阵列发射器102使用天线阵列107来发射。将参考图2更详细地描述可用于相控阵列发射器102的相控阵列RF发射器200的示例。将参考图3更详细地描述可用于相控阵列发射器102的相控阵列RF发射器300的另一个示例。
系统100还包括波束增益角编码组件111，其被配置成调制信号波束104的增益以产生信号波束104的所得的增益轮廓112。信号波束104的所得的增益轮廓112包括偏移角编码114，其指示在接收天线118处的信号波束104的偏移入射角116。因此，通过将变化精细结构(texture)的时间和角提供到信号波束形状或波形来编码信号波束104的所得的增益轮廓112。所得的增益轮廓112低于接收的信号的噪声电平，以利用波束偏移角信息来编码主波束轮廓。信号波束104的偏移入射角116相对于接收天线118的视准轴119或与接收天线118的接地平面121垂直的线来确定。
用于偏移角编码的编码的示例包括但不一定限于直接序列扩频(DSSS)类型编码、码分多址(CDMA)类型编码或用于借助指示在接收器或接收器天线处的信号波束104的偏移入射角116的信息对发射信号波束104的增益轮廓112进行编码的任何其它可应用编码。如在本文中更详细地描述的，信号波束104的所得的增益轮廓112限定信号波束104的特定成形的波形或角编码的波形(angle coded waveform)。因此，信号波束104的不同增益轮廓112或不同成形的波形或角编码的波形指示或对应于在接收天线118处的信号波束104的不同偏移入射角116。
系统100还包括用于接收所接收到的信号波束104的第一接收器120、和相关器122。该相关器122被配置成将接收的信号波束104的所得的增益轮廓112或角编码的波形与多个角编码的波形124互相关，以确定接收的信号波束104的偏移入射角128。角编码的波形124可存储在数据库126上。每个角编码的波形124对应于到接收天线118的入射信号波束的多个不同偏移入射角116中的相应一个。接收的信号波束104的偏移入射角128对应于多个角编码的波形124中的角编码的波形，其具有与接收的信号波束104的波形(所得的增益轮廓112)的最高相关性。
通过将所得的增益轮廓112或角编码的波形与在数据库126中的多个所存储角编码的波形124中的每一个相比较，接收的信号波束104的所得的增益轮廓112或角编码波形与多个存储的角编码的波形124互相关，从而找到与接收的到的信号波束104的所得的增益轮廓112(或角编码的波形)最接近地匹配或相关的一个。以离散形式的角编码的波形124与接收的信号波束104之间的互相关是针对角编码的波形124与接收的信号波束104之间的所有可能的延迟计算的两个序列的内积。与所有可能的角编码的波形124或角编码的波形序列中的最大互相关值对应的角误差132对应于在接收器120处的波束指向中有多大误差的估计。需注意，互相关可在乘积的直接总和(straight forward sum)中完成，或者可使用傅里叶变换来计算，这取决于哪个可被最有效地计算。根据示例，为了使每个最大互相关值更加准确，在互相关计算中使用插值。插值可按不同方式完成。插值的示例包括但不限于在计算互相关之前对每个信号进行上采样，以及使用二次峰值模型对互相关峰值进行内插。
根据示例，接收天线118和第一接收器120限定相控阵列接收器。将参考图4更详细地描述相控阵列接收器400的示例。然而，在其它示例中，接收天线118为非相控阵列天线的一类天线或天线系统，并且第一接收器120为不是相控阵列接收器的一类接收器。本文所描述的系统和方法独立于接收器或接收天线的类型。
系统100还包括被配置成确定角误差132的模块130。角误差132是在接收天线118处的接收的信号波束104的实际入射角134与通过接收的信号波束104的所得的增益轮廓112或角编码的波形确定的接收的信号波束104的偏移入射角128之间的差。根据示例，角误差132被添加到待发射的来自信息源136的信息。模块138被配置成从信息源接收信息并且将角误差132添加到信息以便发射。
根据示例性示例，相关器122、确定角误差132的模块130以及将角误差添加到来自信息源136的信息的模块138体现在处理器139或处理器装置上。
发射器(transmitter)140将角误差132或角误差信息发射到与相控阵列发射器102相关联的第二接收器142。或者在另一个示例中，角误差132或角误差信息被添加到来自信息源136的信息中，并且由发射器140发射到第二接收器142。角误差132或角误差信息用于使相控阵列发射器102偏转(steer)。角误差132在被配置成从接收信息144中剥离角误差132的装置146中从接收信息144中被剥离(strip off)或去除。通常，通过将角误差132数字信息插入在从发射器140发射到第二接收器142的消息内的已知位置中的任何合理标准化通信协议来完成这种角误差132的剥离。
角误差132或角误差信息由波束追踪装置148或波束追踪算法接收。波束追踪装置148被配置成根据角误差132确定相控阵列发射器102的指向误差(pointing error)150。指向误差150用于使相控阵列发射器102的选定的发射波束角106偏转以便追踪第一接收器。根据示例性示例，波束追踪装置148包括基于相控回路追踪算法的任何标准角追踪算法。相控回路追踪算法的示例在Xiu-Zhi Cheng，Da Rong Zhu，Shen Zhang和Ping He的“Tracking Positioning Algorithm for Direction of Arrival Based on DirectionLock Loop”(用于基于方向锁定回路的到达方向的跟踪定位算法)，Future Internet(未来互联网期刊)，2015年7卷第3期，第214-224页中有所描述，该文献以引入方式并入本文。
指向误差150由发射波束角方向控制器152接收。发射波束角方向控制器152调整或修改多个天线元件208(图2)的相位和振幅以控制发射波束角106的选择以追踪第一接收器120。
信号处理器154还接收来自第一接收器120的接收的信号波束104。信号处理器154对接收的信号波束104进行解调和解码以提取由接收的信号波束104携带的接收的信息156。装置158呈现接收的信息。装置158可包括用于接收的信息156的音频呈现、视频呈现或音频呈现和视觉呈现两者的扬声器和/或显示器。
根据示例，如图1中的示例性示例所示的相控阵列发射器102和相关联的元件在第一交通工具160上，并且第一接收器120和相关联的元件在第二交通工具162上。第一交通工具160和第二交通工具162相对于彼此移动，或者交通工具中的任一个可在任何给定时间静止。第一交通工具160和/或第二交通工具162的示例包括但不一定限于航天器诸如卫星、飞行器、陆地交通工具、船只或其它交通工具。根据另一个示例，如在图1中的示例性示例中所示的相控阵列发射器102和相关联的元件或图1中的第一接收器120和相关联元件中的任一个位于固定地理位置处，而不是在交通工具上，而相控阵列发射器102或第一接收器120中的另一个和相应的相关联元件在移动的交通工具上。
根据示例，借助低于接收的信号的噪声水平的偏移角信息对增益轮廓112进行编码，以消除在涉及使相控阵列在其它方向偏转的追踪信号波束的先前系统和方法中的固有的增益损失和波动，以便在那些方向上对信号功率进行采样以更新偏转矢量以及从而更新相控阵列发射器的波束方向。具有偏移角编码114的增益轮廓112的低噪声调制传送到入射信号波束实际上指向的第一接收器120。这允许接收器120将角误差132信息发送回相控阵列发射器102，使得相控阵列发射器102可如上所述调整其波束指向。可使用本文所描述的波束角编码来设计精确校正波束指向方向，该波束角编码在与相控阵列发射器102/接收器120对的动态匹配的更新速率下可用。相控阵列发射器102/接收器120对的动态是指在来自相控阵列发射器102的所发射波束方向与来自第一接收器120的接收器波束方向之间的任何移动。此移动可由任何数量的事物引起，包括与相控阵列发射器102或第一接收器120相关联的任一平台的运动和旋转。此移动还可意指引起明显运动的任何天线运动(有意或无意)。
系统100还允许在波束指向和波束波动减少以及相控阵列调制/互相关复杂度之间的取舍。例如，通过如本文所述的启用波束指向误差检测，可完成波束追踪波动的减少。这种取舍可以多种方式完成。例如，可增加天线元件(图2中的208)的数量，并且可提供密集的角编码或者角编码的波形124(并且因此接收器中的许多相关性必须被完成)，使得波动可减少到几乎没有。或者天线元件的数量可略微增加，并且仅具有数个角编码，使得需要较少相关性，并且波动比先前方法减少得少。
另外参考图2，图2是根据本公开的示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的相控阵列RF发射器200的示例的示意性框图。根据示例性示例，相控阵列RF发射器200用于图1中的相控阵列发射器102。相控阵列RF发射器200包括功率分配器202，其从RF源110接收包含信息的RF信号204。相控阵列RF发射器200还包括多个发射器信号路径206和多个天线元件208。每个发射器信号路径206将功率分配器202通信地耦合到多个天线元件208中的相关联的天线元件208。每个发射器信号路径206可被配置成以多个不同发射波束角108中的选定发射波束角106从多个天线元件208发射信号波束104。多个天线元件208限定天线阵列107。图2中示例性天线阵列107被示出为线性的，然而，天线阵列107可具有任何配置并且本文所描述的系统和方法可应用于任何天线阵列配置。
多个天线元件208安装在导电材料的接地平面209或半导体材料上。根据示例性实施例，接地平面209为航天器的板或面板，飞行器的机身，或与交通工具或固定地理位置相关联的其它平台。
根据图2中的示例性示例，波束增益角编码组件111包括在多个发射器信号路径206中的每个发射器信号路径206中的波束增益角编码模块210和波束增益可调衰减器212。波束增益角编码模块210电连接到在每个发射器信号路径206中的波束增益可调衰减器212，以便调制每个发射器信号路径206中的RF信号部分214的增益，以产生信号波束104的所得的增益轮廓112(图1)。每个波束增益可调衰减器212单独地连接到波束增益角编码模块210，该波束增益角编码模块210以同步方式同时调制所有波束增益可调衰减器212。根据示例，波束增益角编码组件111为相控阵列RF发射器200的组件。在另一个示例中，波束增益角编码模块210可为与相控阵列RF发射器200分开的组件，而波束增益可调衰减器212为每个发射器信号路径206的组件。
系统100或相控阵列RF发射器200还包括波束振幅控制模块216和波束相位控制模块218。每个发射器信号路径206包括波束振幅可调衰减器220和可调移相器222。波束振幅控制模块216电连接到在每个发射器信号路径206中的波束振幅可调衰减器220。根据示例，每个波束振幅可调衰减器220单独连接到波束振幅控制模块216，或者以一方式同步地控制波束振幅可调衰减器220的每个波束振幅可调衰减器220。波束相位控制模块218电连接到在每个发射器信号路径206中的可调移相器222。根据示例，每个可调移相器222单独地连接到同步地控制可调移相器222的波束相位控制模块218。波束振幅控制模块216控制每个发射器信号路径206中的RF信号部分214的振幅，并且波束相位控制模块218控制每个发射器信号路径206中的RF信号部分214的相位，以便以选定发射波束角106从多个天线元件208发射信号波束104。
每个RF信号部分214的振幅进一步由每个发射器信号路径206中的波束增益可调衰减器212调制，以提供用于每个天线元件208的随时间变化的不同发射波束波形，以编码信号波束104的所得的增益轮廓或角编码的波形中的偏移角114。这些不同发射波束波形可按例如从纯随机序列到专用通信代码组的不同方式设计。然而，需要设计或形成不同发射波束波形，使得与相对于天线视准轴的不同偏移角对应的所得的增益轮廓112以第一接收器120可根据接收的波形来确定哪个偏移角被接收的方式调制。如前所述，接收的信号波束104与每一个对应于每个角偏移的可能的接收的波形或可能的角编码的波形124互相关。为了最佳性能，发射波束波形被设计成具有良好互相关特性以满足最高性能。另外，作为设计过程的一部分，发射波束波形具有符号周期P、重复间隔R、振幅A、调制符号集{Si}(S-下标-i)和符号序列{sj}(s-下标–j)。这些参数经选择以满足具体系统要求。因为这些参数是相互关联的，所以这些参数在系统100的设计过程加以考虑。重复间隔R确定通过系统设计可维持波束偏移角的更新速率有多快。符号周期P确定编码信号波束104的频率带宽。另外，R/P确定相关长度，其控制编码增益且确定相关器122或相关电路或软件的复杂度。振幅A确定此角编码对主波束、旁波瓣和信息内容的影响程度，并且根据接收的信号的噪声水平(包括模数转换器(ADC)的任何贡献)来设计该振幅A以便可靠地确定校正角偏移。调制符号集Si(S-下标-i)和符号序列Ij(I-下标-j)，其中
Figure GDA0001612252400000101
以及
Figure GDA0001612252400000102
并且其中
NI＝R/P有助于确定编码增益(并且因而确定接收的信号编码的可靠性)，并且基于通信理论考虑和角编码以及解码复杂度而被选择。
参考3，图3是根据本公开的另一个示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的相控阵列RF发射器300的示例的示意性框图。根据示例性示例，相控阵列RF发射器300用于图1中的相控阵列发射器102。相控阵列RF发射器300类似于图2中的相控阵列RF发射器200，不同之处在于波束增益角编码模块210结合到波束振幅控制模块216中以便调制每个发射器信号路径206中的RF信号部分214的增益以产生信号波束104的所得的增益轮廓112。在图3中的示例性示例中，每个发射器信号路径206中的波束振幅可调衰减器220还被配置为执行在每个发射器信号路径206中的图2的波束增益可调衰减器212的功能，从而消除每个发射器信号路径206中的波束增益可调衰减器212。
图4是根据本公开的示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的相控阵列接收器400的示例的示意性框图。根据示例性示例，相控阵列接收器400用于图1中的第一接收器120。在一些示例性示例中，相控阵列接收器400还用于第二接收器142。相控阵列接收器400包括多个天线元件402。多个天线元件402限定天线阵列403或相控阵列。图4中的示例性天线阵列被示出为线性的，但是任何天线阵列均是可适用的。如前所述，在其它示例中，使用非天线阵列的天线或天线系统。多个天线元件402或天线阵列403安装在导电材料的接地平面404或半导体材料上。根据示例性示例，接地平面404是航天器的板或面板，航天器的机身或与交通工具或固定地理位置相关联的其它平台。
每个天线元件402可通信地连接到接收信号路径406。每个接收信号路径406包括波束振幅可调衰减器408和可调波束移相器410。波束振幅控制模块412电连接到每个波束振幅可调衰减器408并且波束相位控制模块414电连接到每个可调波束移相器410。波束相位控制模块414调节或编程每个可调波束移相器410的相位，并且波束振幅控制模块412调节或编程每个波束振幅可调衰减器408的振幅，以便以图4中半圆形虚线所示的多个入射角420中的选定入射角418形成接收信号波束416。因此，多个天线元件402或天线元件402的相控阵列至少通过在每个接收信号路径406中的波束相位控制模块414和可调波束移相器410偏转，以便接收由处于选定入射角418的接收信号波束416限定的方向上的信号。选定入射角418相对于天线元件402的相控阵列的视准轴422或垂直于接地平面404的线确定。
每个接收信号路径406中的接收的信号分量424与其它信号路径406中每个中的接收的信号分量424组合，以形成接收的信号426。接收信号分量424可在相应对中以迭代的方式组合，直到所有接收的信号分量424经组合以提供来自每个天线单元402的接收的信号426或经组合的接收信号。接收的信号426被发射到如参考图1所描述的相关器122以及信号处理器154。
图5A是根据本公开的示例的将接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形500与多个角编码的波形互相关以确定接收的信号波束的偏移入射角的示例。图5B是图5A中的接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形500的互相关的侧视图。纵轴是互相关振幅，而横轴是互相关样本。如前所述，接收的信号波束104、416(图1和图4)的所得的增益轮廓112(图1)或波形与多个角编码的波形124互相关以确定接收的信号波束104、416的偏移入射角128。每个角编码的波形124对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个。接收的信号波束104、416的偏移入射角128对应于多个角编码的波形124中的角编码的波形，其与接收的信号波束104、416的所得的增益轮廓112或波形具有最高相关性。接收的信号波束104、416的偏移入射角128相对于接收天线118或天线阵列403的视准轴119、422或垂直于接收天线118或天线阵列403的接地平面121、404的线来确定，类似于图4所示的那样。
图6是根据本公开的示例的用于使用波束增益编码的相控阵列波束追踪的方法600的示例的流程图。根据示例，方法600体现在图1中的系统100中并由该系统来实施。在方框602中，信号波束的增益被调制以产生信号波束的所得的增益轮廓。所得的增益轮廓包括指示在接收天线处的信号波束的偏移入射角的偏移角编码。如前所述，来自RF源的射频(RF)信号由功率分配器分成多个RF信号部分并且每个RF信号部分分别被馈送到相控阵列发射器(诸如图2中的相控阵列RF发射器200或图3中的相控阵列RF发射器300)中的多个发射信号路径中的每个。通过调整相控阵列发射器的每个发射信号路径中的RF信号部分的增益来调制信号波束的增益。
在方框604中，信号波束由相控阵列发射器发射。相控阵列发射器包括多个天线元件，每个天线元件分别在由信号波束限定的方向上发射RF单个部分中的一个。多个天线元件限定用于以多个发射波束角中的选定发射波束角发射信号波束的相控阵列。
在方框606中，信号束由第一接收器接收。根据示例，如前所述，第一接收器是包括限定相控阵列的多个天线元件的相控阵列接收器。根据另一个示例，第一接收器是任何类型的接收器或天线，而本文所描述方法不取决于接收器或天线的架构或类型。
在方框608中，接收的信号波束的所得的增益轮廓或角编码的波形与多个存储的角编码的波形互相关。每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个。接收的信号波束的偏移入射角对应于与接收的信号波束的角编码的波形具有最高相关性的在多个存储的角编码的波形中的角编码的波形。
在方框610中，选择与接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形具有最高相关性的角编码的波形。接收的信号波束的偏移入射角对应于选定角编码的波形。
在方框612中，确定接收的信号波束的角误差。角误差为在接收的信号波束的实际入射角与根据互相关确定的接收的信号波束的偏移入射角之间的差。
在方框614中，角误差被发射到与相控阵列发射器相关联的第二接收器。根据示例，角误差被添加到发射到第二接收器的信息。然后，将添加到信息的角误差发射到与相控阵列发射器相关联的第二接收器。
在方框616中，角误差或角误差以及其它信息由第二接收器接收。然后，角误差用于如参考方框618到方框622所描述使相控阵列发射器偏转。在方框618中，如果角误差与其它信息一起被发射，则将角误差从其它信息中去除或剥离。然后，角误差用于使相控阵列发射器偏转。
在方框620中，根据角误差确定相控阵列发射器的指向误差。在方框622中，响应于指向误差，通过调整发射波束的角来使相控阵列发射器偏转。
附图中的流程图和框图示出根据本公开的各种示例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个方框可表示指令的模块、片段或部分，其包括用于实现一种或多种所指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实现方式中，在方框中指出的功能可不按附图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个方框实际上可基本上同时执行，或者方框有时可按照相反顺序执行。还应注意，框图和/或流程图中的每个方框，以及框图和/或流程图中的方框的组合可由基于专用硬件的系统实现，该系统执行特定功能或动作或进行专用硬件指令和计算机指令的组合。
本文所使用的术语仅用于描述具体示例的目的，而不旨在限制本公开的示例。如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个/一种(a)”，“一个/一种(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式。还应理解，当在本说明书中使用时，术语“包括了”和/或“包括的”指定所陈述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。
在以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其它要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的呈现本示例的描述，但并不旨在穷举或者限于处于所公开形式的示例。在不脱离示例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。
此外，本公开包括根据以下条款的示例：
条款1.一种用于相控阵列信号波束追踪的系统(100)，该系统(100)包括：
相控阵列发射器(102)，其可配置成以来自多个不同发射波束角(108)的选定发射波束角(106)发射信号波束(104)；以及
波束增益角编码组件(111)，其被配置成调制信号波束的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓(112)，所得的增益轮廓包括指示在接收天线(118)处的信号波束的偏移入射角(116)的偏移角编码(114)。
条款2.根据条款1所述的系统，还包括：
第一接收器(120)，其用于接收信号波束；以及
相关器(122)，其用于将接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形与多个角编码的波形(124)互相关以确定接收的信号波束的偏移入射角(128)，每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角(116)中的相应一个，其中接收的信号波束的偏移入射角对应于与接收的信号波束的波形具有最高相关性的多个角编码的波形(124)中的角编码的波形(124)。
条款3.根据条款2所述的系统，还包括：
模块(130)，其被配置成确定角误差(132)，其中角误差为接收的信号波束的实际入射角(134)与接收的信号波束的偏移入射角(128)之间的差；以及
发射器(140)，其用于将角误差发射到与相控阵列发射器相关联的第二接收器(142)，角误差用于使相控阵列发射器偏转。
条款4.根据条款3所述的系统，其中角误差被添加到由发射器发送到第二接收器的信息。
条款5.根据条款3所述的系统，还包括波束追踪装置(148)，波束追踪装置(148)被配置成根据角误差来确定相控阵列发射器的指向误差(150)，其中指向误差用于使相控阵列发射器的选定的发射波束角偏转以便追踪第一接收器。
条款6.根据条款1所述的系统，还包括射频(RF)源(110)，并且其中相控阵列发射器包括：
功率分配器(202)，其从RF源接收RF信号(109)；
多个发射器信号路径(206)；以及
多个天线元件(208)，每个发射器信号路径将功率分配器通信地耦合到多个天线元件的相关联天线元件(208)，其中每个发射器信号路径可被配置成从多个天线元件以多个不同发射波束角的选定的发射波束角发射信号波束。
条款7.根据条款6所述的系统，其中波束增益角编码组件包括：
波束增益角编码模块(210)；以及
在多个发射器信号路径中的每个发射器信号路径中的波束增益可调衰减器(212)，其中波束增益角编码模块电连接到在每个发射器信号路径中的波束增益可调衰减器，以便调制在每个发射器信号路径中的RF信号部分(214)的增益，以产生信号波束的所得的增益轮廓。
条款8.根据条款6所述的系统，还包括：
波束振幅控制模块(216)；以及
波束相位控制模块(218)，其中每个发射器信号路径包括：
波束振幅可调衰减器(220)，波束振幅控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的波束振幅可调衰减器；以及
可调移相器(222)，波束相位控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的可调移相器，其中波束振幅控制模块控制每个发射器信号路径中的RF信号部分(214)的振幅，并且波束相位控制模块控制每个发射器信号路径中的RF信号部分的相位，以便以选定的发射波束角从多个天线元件发射信号波束。
条款9.根据条款8所述的系统，其中波束增益角编码组件包括波束增益角编码模块(210)，并且其中波束增益角编码模块结合到波束振幅控制模块中，以便调制在每个发射器信号路径中的RF信号部分的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓。
条款10.根据条款8所述的系统，其中波束增益角编码组件包括波束增益角编码模块(210)，并且每个发射器信号路径还包括波束增益可调衰减器(212)，其中波束增益角编码模块电连接到在每个发射器信号路径中的波束增益可调衰减器，以便调制每个发射器信号路径中的RF信号部分的增益，以产生信号波束的所得的增益轮廓。
条款11.根据条款1所述的系统，其中偏移角编码使用直接序列扩频(DSSS)类型编码或码分多址(CDMA)类型编码中的一种。
条款12.根据条款1所述的系统，其中信号波束的偏移入射角相对于接收天线(118)的视准轴(119)或与接收天线的接地平面垂直的线来确定。
条款13.一种用于相控阵列信号波束追踪的系统(100)，系统(100)包括：
在第一交通工具(160)上的相控阵列发射器(102)，相控阵列发射器可被配置成以来自多个不同发射波束角(108)的选定发射波束角(106)发射信号波束(104)；
波束增益角编码组件(111)，其被配置成调制信号波束的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓(112)，所得的增益轮廓包括指示在接收天线(118)处的信号波束的偏移入射角(116)的偏移角编码(114)；
在第二交通工具(162)上的第一接收器(120)，第一接收器接收处于实际入射角(134)的信号波束；以及
相关器(122)，其用于将接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形与多个角编码的波形(124)互相关以确定接收的信号波束的偏移入射角(128)，每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个，其中接收的信号波束的偏移入射角对应于与接收的信号波束的波形具有最高相关性的多个角编码的波形(124)中的角编码的波形(124)。
条款14.根据条款13所述的系统，还包括：
模块(130)，其被配置成确定角误差(132)，其中角误差为接收的信号波束的实际入射角(134)与接收的信号波束的偏移入射角(128)之间的差；以及
发射器(140)，其用于将角误差发射到在第一交通工具上的第二接收器(142)，角误差用于使相控阵列发射器偏转。
条款15.根据条款13所述的系统，其中相控阵列发射器包括：
射频(RF)源(110)；
功率分配器(202)，其从RF源接收RF信号(109、204)；
多个发射器信号路径(206)；以及
多个天线元件(208)，每个发射器信号路径将功率分配器通信地耦合到多个天线元件的相关联的天线元件(208)，其中每个发射器信号路径可配置成以多个不同发射波束角的选定的发射波束角从多个天线元件发射信号波束。
条款16.根据条款15所述的系统，还包括：
波束振幅控制模块(216)；以及
波束相位控制模块(218)，其中每个发射器信号路径包括：
波束振幅可调衰减器(220)，波束振幅控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的波束振幅可调衰减器；以及
可调移相器(222)，波束相位控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的可调移相器，其中波束振幅控制模块控制每个发射器信号路径中的RF信号部分(214)的振幅，并且波束相位控制模块控制每个发射器信号路径中的RF信号部分的相位，以便以选定的发射波束角从多个天线元件发射信号波束；以及
波束增益可调衰减器(212)，其中波束增益角编码组件包括波束增益角编码模块(210)，波束增益角编码模块电连接到在每个发射器信号路径中的波束增益可调衰减器，以便调制在每个发射器信号路径中的RF信号部分的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓。
条款17.一种用于相控阵列波束追踪的方法(600)，所述方法包括：
调制(602)信号波束的增益以产生信号波束的所得的增益轮廓，所得的增益轮廓包括指示信号波束在接收天线处的偏移入射角的偏移角编码；
由相控阵列发射器发射(604)信号波束；
由第一接收器接收(606)信号波束；以及
将接收的信号波束的所得的增益轮廓或波形与多个角编码的波形互相关(608)，每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个，其中接收的信号波束的偏移入射角对应于与接收的信号波束的波形具有最高相关性的多个角编码的波形中的角编码的波形。
条款18.根据条款17所述的方法，还包括：
确定(612)接收的信号波束的角误差，其中角误差为接收的信号波束的实际入射角与接收的信号波束的偏移入射角之间的差；以及
将角误差发射(614)到与相控阵列发射器相关联的第二接收器；以及
使用(616)角误差来使相控阵列发射器偏转。
条款19.根据条款18所述的方法，其中发射角误差包括：
将角误差添加(614)到发射到第二接收器的信息；以及
将角误差与信息一起发射(614)到第二接收器。
条款20.根据条款19所述的方法，还包括：
从信息中去除(618)角误差；
通过角误差确定(620)相控阵列发射器的指向误差；以及
通过响应于指向误差来调整发射波束的角来使相控阵列发射器偏转(622)。
虽然本文已经说明和描述了具体示例，但是本领域的普通技术人员应理解，可将被计算为实现相同目的的任何布置代替所示具体示例，并且该示例在其它环境中具有其它应用。此申请旨在涵盖任何变型或变化。以下权利要求决不旨在将本公开的示例的范围限制到本文所描述的具体示例。

Claims (20)

1.一种用于相控阵列信号波束追踪的系统，所述系统包括：
相控阵列发射器，其可配置成以来自多个不同发射波束角的选定的发射波束角发射信号波束；
波束增益角编码组件，其被配置成调制所述信号波束的增益以产生所述信号波束的所得的增益轮廓或增益波形，所述所得的增益轮廓或增益波形包括指示将由接收天线接收的所述信号波束的偏移入射角的偏移角编码，其中所述相控阵列发射器与所述接收天线位于不同的位置，其中所述所得的增益轮廓或增益波形与多个角编码的波形互相关以确定所述接收天线处的所述偏移入射角；以及
模块，其被配置成确定角误差，其中所述角误差为接收的信号波束的实际入射角与所述接收的信号波束的所述偏移入射角之间的差，其中所述角误差用于确定所述相控阵列发射器的指向误差，并且所述指向误差用于使所述选定的发射波束角偏转。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
第一接收器，其用于接收所述信号波束；以及
相关器，其用于将所述接收的信号波束的所述所得的增益轮廓或增益波形与所述多个角编码的波形互相关以确定所述接收的信号波束的所述偏移入射角，每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个，其中所述接收的信号波束的所述偏移入射角对应于具有与所述接收的信号波束的所述波形的最高相关性的所述多个角编码的波形中的角编码的波形。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括：
发射器，其用于将所述角误差发射到与所述相控阵列发射器相关联的第二接收器，所述角误差用于使所述相控阵列发射器偏转。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述角误差被添加到由所述发射器发送到所述第二接收器的信息。
5.根据权利要求3所述的系统，还包括波束追踪装置，所述波束追踪装置被配置成根据所述角误差来确定所述相控阵列发射器的指向误差，其中所述指向误差用于使所述相控阵列发射器的所述选定的发射波束角偏转以便追踪所述第一接收器。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括射频源即RF源，并且其中所述相控阵列发射器包括：
功率分配器，其从所述RF源接收RF信号；
多个发射器信号路径；以及
多个天线元件，每个发射器信号路径将所述功率分配器通信地耦合到所述多个天线元件的相关联天线元件，其中每个发射器信号路径可被配置成从所述多个天线元件以所述多个不同发射波束角的所述选定的发射波束角发射所述信号波束。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述波束增益角编码组件包括：
波束增益角编码模块；以及
在所述多个发射器信号路径中的每个发射器信号路径中的波束增益可调衰减器，其中所述波束增益角编码模块电连接到在每个发射器信号路径中的所述波束增益可调衰减器，以便调制在每个发射器信号路径中的RF信号部分的所述增益，以产生所述信号波束的所述所得的增益轮廓或增益波形。
8.根据权利要求6所述的系统，还包括：
波束振幅控制模块；以及
波束相位控制模块，其中每个发射器信号路径包括：
波束振幅可调衰减器，所述波束振幅控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的所述波束振幅可调衰减器；以及
可调移相器，所述波束相位控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的所述可调移相器，其中所述波束振幅控制模块控制每个发射器信号路径中的RF信号部分的振幅，并且所述波束相位控制模块控制每个发射器信号路径中的所述RF信号部分的相位，以便以所述选定的发射波束角从所述多个天线元件发射所述信号波束。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述波束增益角编码组件包括波束增益角编码模块，并且其中所述波束增益角编码模块结合到所述波束振幅控制模块中，以便调制在每个发射器信号路径中的所述RF信号部分的所述增益以产生所述信号波束的所述所得的增益轮廓或增益波形。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述波束增益角编码组件包括波束增益角编码模块，并且每个发射器信号路径还包括波束增益可调衰减器，其中所述波束增益角编码模块电连接到在每个发射器信号路径中的所述波束增益可调衰减器，以便调制每个发射器信号路径中的所述RF信号部分的所述增益，以产生所述信号波束的所述所得的增益轮廓或增益波形。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述偏移角编码使用直接序列扩频即DSSS类型编码或码分多址即CDMA类型编码中的一种。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号波束的所述偏移入射角相对于所述接收天线的视准轴或与所述接收天线的接地平面垂直的线来确定。
13.一种用于相控阵列信号波束追踪的系统，所述系统包括：
在第一交通工具上的相控阵列发射器，所述相控阵列发射器可被配置成以来自多个不同发射波束角的选定的发射波束角发射信号波束；
波束增益角编码组件，其被配置成调制所述信号波束的增益以产生所述信号波束的所得的增益轮廓或增益波形，所述所得的增益轮廓或增益波形包括指示将由接收天线接收的所述信号波束的偏移入射角的偏移角编码；
在第二交通工具上的第一接收器，所述第一接收器接收处于实际入射角的所述信号波束；
相关器，其用于将接收的信号波束的所述所得的增益轮廓或增益波形与多个角编码的波形互相关以确定所述接收的信号波束的偏移入射角，每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个，其中所述接收的信号波束的所述偏移入射角对应于与所述接收的信号波束的所述波形具有最高相关性的所述多个角编码的波形中的角编码的波形；以及
模块，其被配置成确定角误差，其中所述角误差为所述接收的信号波束的所述实际入射角与所述接收的信号波束的所述偏移入射角之间的差，其中所述角误差用于确定所述相控阵列发射器的指向误差，并且所述指向误差用于使所述选定的发射波束角偏转。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括：
发射器，其用于将所述角误差发射到在所述第一交通工具上的第二接收器，所述角误差用于使所述相控阵列发射器偏转。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述相控阵列发射器包括：
射频源即RF源；
功率分配器，其从所述RF源接收RF信号；
多个发射器信号路径；以及
多个天线元件，每个发射器信号路径将所述功率分配器通信地耦合到所述多个天线元件的相关联的天线元件，其中每个发射器信号路径可配置成以所述多个不同发射波束角的所述选定的发射波束角从所述多个天线元件发射所述信号波束。
16.根据权利要求15所述的系统，还包括：
波束振幅控制模块；以及
波束相位控制模块，其中每个发射器信号路径包括：
波束振幅可调衰减器，所述波束振幅控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的所述波束振幅可调衰减器；
可调移相器，所述波束相位控制模块电连接到在每个发射器信号路径中的所述可调移相器，其中所述波束振幅控制模块控制每个发射器信号路径中的RF信号部分的振幅，并且所述波束相位控制模块控制每个发射器信号路径中的所述RF信号部分的相位，以便以所述选定的发射波束角从所述多个天线元件发射所述信号波束；以及
波束增益可调衰减器，其中所述波束增益角编码组件包括波束增益角编码模块，所述波束增益角编码模块电连接到在每个发射器信号路径中的所述波束增益可调衰减器，以便调制在每个发射器信号路径中的所述RF信号部分的所述增益以产生所述信号波束的所述所得的增益轮廓或增益波形。
17.一种用于相控阵列波束追踪的方法，所述方法包括：
调制信号波束的增益以产生所述信号波束的所得的增益轮廓或增益波形，所述所得的增益轮廓或增益波形包括指示将在接收天线处接收的所述信号波束的偏移入射角的偏移角编码；
由相控阵列发射器发射所述信号波束；
由第一接收器接收所述信号波束；
将接收的信号波束的所述所得的增益轮廓或增益波形与多个角编码的波形互相关，每个角编码的波形对应于入射信号波束的多个不同偏移入射角中的相应一个，其中所述接收的信号波束的所述偏移入射角对应于与所述接收的信号波束的所述波形具有最高相关性的所述多个角编码的波形中的角编码的波形；以及
确定所述接收的信号波束的角误差，其中所述角误差为所述接收的信号波束的实际入射角与所述接收的信号波束的所述偏移入射角之间的差，其中所述角误差用于确定所述相控阵列发射器的指向误差，并且所述指向误差用于使所述信号波束偏转。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
将所述角误差发射到与所述相控阵列发射器相关联的第二接收器；以及
使用所述角误差来使所述相控阵列发射器偏转。
19.根据权利要求18所述的方法，其中发射所述角误差包括：
将所述角误差添加到被发射到所述第二接收器的信息；以及
将所述角误差与所述信息一起发射到所述第二接收器。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
从所述信息中去除所述角误差；
通过所述角误差确定所述相控阵列发射器的指向误差；以及
通过响应于所述指向误差来调整发射波束的角度来使所述相控阵列发射器偏转。
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