CN108417999B - 多模相控阵天线和用于加宽其波束的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了多模相控阵天线和用于加宽其波束的方法。具体公开了一种多模相控阵天线MPAA。所述MPAA具有至少两种操作模式，其中，第一操作模式产生第一主波束，第二操作模式产生第二波束。所述MPAA包括设置成辐射元件阵列的多个辐射元件以及与多个辐射元件进行信号通信的控制器。所述控制器被配置为激励多个辐射元件，以在第一操作模式下产生具有第一主波束的第一辐射图和在第二操作模式下产生具有第二波束的第二辐射图。第二波束比第一主波束宽，并且第二辐射图相似于所述多个辐射元件中的单个辐射元件的辐射图。所述控制器还在第一操作模式和第二操作模式之间切换。

Description

多模相控阵天线和用于加宽其波束的方法
技术领域
本公开涉及天线系统，具体地，涉及相控阵天线。
背景技术
目前，用于现代通信和雷达系统的相控阵列天线(“PAA”，也被称为“相控阵列”、“阵列天线”、“电子扫描阵列天线”或者简称为“阵列”)的使用已经变得越来越普遍。通常，PAA包括大量发送或辐射(“发送/接收”或“T/R”)元件，其中，T/R元件被设计成产生彼此之间有意的电相位、幅度和时间关系。PAA产生具有通过控制从每个T/R元件发射的信号的频谱、时间、幅度和相位而形成的波束的远场辐射图，从而提供从多个T/R元件发射的信号的总数的相长叠加或相消干涉。通常，发射信号的总数的相互作用在不同方向形成并控制波束，其中，通过控制从每个T/R元件发射的信号的幅度和相移，而不是物理移动PAA，来确定波束的方向。本领域的技术人员可以理解，通过移相器和真正的时间延迟部件来执行相位控制，通过衰减器或放大器来执行幅度控制，并且时间和频谱控制由PAA控制器、收发器、PAA辐射元件的特性和传输线来管控。
相似地，在接收模式中(基于接收和发送的可逆性)，通过控制相位和幅度，PAA可以从期望的方向接收信号。对于可以包括例如可以用于不同应用的线性阵列、平面阵列、频率扫描阵列、相位增量计算阵列等的PAA，存在许多不同类型的布置。
PAA的共同特点是随着T/R元件数量的增加，PAA的方向性也增加，其中，天线的方向性描述了天线如何将能量集中在一个方向而不是在其他方向辐射。通常，如果天线具有100％的辐射效率，则天线的方向性等于天线的功率增益。在由PAA产生的所得远场辐射图中，远场辐射图通常包括在给定方向上具有最大辐射的主瓣(即，主波束或主瓣)以及在其他方向上具有较小辐射的副瓣(即，旁瓣)。本领域的技术人员应该理解，随着PAA中T/R元件数量的增加，PAA的方向性增加，结果主波束的宽度减小。
不幸的是，随着主波束宽的减小，主波束变得太窄而不能有效实现某些类型的通信或雷达应用，包括例如雷达搜索功能、零点填充、泛光模式照明和合成孔径雷达(“SAR”)。作为示例，在雷达搜索功能中，主波束会很窄以至于相比于搜索到的体积帧时间变得过长，在泛光模式照明应用中，其中，导弹在没有锁定的情况下发射或者在导弹飞行时间失去了锁定，在最后阶段，随着范围接近于零，其中，可能使用非常高的横向加速度，并且更新速率需要增加，并且其中，主波束与被照射的目标复合体相比太窄而提供宽波束以用于捕获、重新捕获或锁定在导弹的目标上。此外，应用于多波束或者波束切换的雷达或者具有正交波形的通信天线中，其中，PAA在其远场辐射波束的波瓣之间的远场辐射图中具有零值，所述远场辐射波束需要减轻以保持雷达操作或保持与其他装置的一定程度的通信。而且，在SAR应用中，通常利用较大的波束宽度来照射SAR波束线性横贯的地面上的物体或位置一段延长的时间。在所有这些示例中，需要比具有大量T/R元件的PAA通常产生的更宽(即，宽)的主波束。试图解决这些问题包括利用波束变质技术来成形和拓宽已知PAA的主波束，然而，已知的波束变质技术仍然没有为宽带系统提供足够宽的波束来解决这些问题。因此，需要改进的系统和方法来解决这些问题。
发明内容
公开了多模相控阵天线(“MPAA”)。MPAA具有至少两种操作模式，其中，第一操作模式产生第一主波束，第二操作模式产生第二波束。所述MPAA包括设置成辐射元件阵列的多个辐射元件以及与多个辐射元件进行信号通信的控制器。所述控制器被配置为激励多个辐射元件，以在第一操作模式下产生具有第一主波束的第一辐射图和在第二操作模式下产生具有第二波束的第二辐射图。第二波束比第一主波束宽，并且第二辐射图相似于所述多个辐射元件中的单个辐射元件的辐射图。所述控制器还被配置为在第一操作模式和第二操作模式之间切换。
在操作示例中，MPAA执行用于加宽第一辐射图的主波束的方法。该方法包括激励所述多个辐射元件，以产生第二辐射图，其中，所述第二辐射图相似于所述多个辐射元件中的单个辐射元件的辐射图，并且其中，所述第二辐射图具有的第二波束比所述第一辐射图的所述主波束宽。
在研究以下附图和详细描述之后，本发明的其他装置、设备、系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将会或将变得显而易见。所有这些额外的系统、方法、特征和优点旨在包括在本说明书内，在本发明的范围内，并由所附权利要求保护。
附图说明
参考以下附图，可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。在附图中，在整个不同的示图中，相似的附图标记表示相应的部分。
图1是根据本公开的多模相控阵天线(“MPAA”)的实现方式的示例的系统图；
图2是线性(即，一维)MPAA的示例的实现方式的示例的俯视图；
图3是平面(即，二维)MPAA的示例的实现方式的示例的俯视图；
图4A是具有高方向性的通用天线的远场辐射图的极坐标图的实现方式的示例的示图；
图4B是图4A中所示的远场辐射图的极坐标图的矩形图；
图5A是各向同性天线辐射器的远场辐射图的极坐标图的实施例的示图；
图5B是图5A中所示的远场辐射图的极坐标图的矩形图；
图6A是根据本公开的天线元件的远场辐射图的极坐标图的实现方式的示例的曲线图；
图6B是根据本公开的图6A中所示的远场辐射图的极坐标图的矩形图；
图7是根据本公开的参考多个辐射元件的示例观察点的图形说明；
图8是根据本公开的由MPAA执行的方法的实现方式的示例的流程图；
图9是根据本公开的图1中所示的多个辐射元件的远场辐射图的多个极坐标图的实现方式的示例的曲线图；
图10是根据本公开的图1和图9中所示的多个辐射元件的组合定向远场辐射图的极坐标图的实现方式的示例的曲线图；
图11是根据本公开的图1和图9中所示的多个辐射元件的理想组合的非定向远场辐射图的极坐标图的实现方式的示例的曲线图；
图12是根据本公开的图1和图9中所示的多个辐射元件的非理想组合的非定向远场辐射图的极坐标图的实现方式的示例的曲线图。
具体实施方式
公开了多模相控阵天线(“MPAA”)。MPAA具有至少两种操作模式，其中，第一操作模式产生第一主波束，第二操作模式产生第二波束。所述MPAA包括设置成辐射元件阵列的多个辐射元件以及与多个辐射元件进行信号通信的控制器。所述控制器被配置为激励多个辐射元件，以在第一操作模式下产生具有第一主波束的第一辐射图和在第二操作模式下产生具有第二波束的第二辐射图。第二波束比第一主波束宽，并且第二辐射图相似于所述多个辐射元件中的单个辐射元件的辐射图。所述控制器还被配置为在第一操作模式和第二操作模式之间切换。
在操作示例中，MPAA执行用于加宽第一辐射图的主波束的方法。该方法包括激励所述多个辐射元件，以产生第二辐射图，其中，所述第二辐射图相似于所述多个辐射元件中的单个辐射元件的辐射图，并且其中，所述第二辐射图具有比所述主波束宽的第二波束。
在图1中，示出了根据本公开的MPAA 100的实现方式的示例的系统图。MPAA 100包括：多个辐射元件102，其设置成辐射元件阵列，辐射元件阵列可以是线性的(即，一维的)、平面的(即，二维的)或共形的(conformal)(即，三维的)；以及控制器104，其经由信号路径106与多个辐射元件102进行信号通信。在该示例中，信号路径106可以是与多个辐射元件102的每个辐射元件108、110、112、112、114、116和118(也称为“阵列辐射元件”或“阵列元件”)分别进行信号通信的信号总线(例如，计算机总线)。可以通过控制器104在频谱、时间、幅度和相位上控制每个辐射元件108、110、112、114、116和118的输出，其中，每个辐射元件108、110、112、114、116和118分别包括例如移相器120、124、128、132、136和140和例如衰减器122、126、130、134、138和142。每个辐射元件108、110、112、114、116和118的端子144、146、148、150、152和154分别经由信号路径158、160、162、164、166和168与组合器/馈送网络156进行信号通信。在该示例，收发器170也可以经由信号路径172和174分别与组合器/馈送网络156和控制器104进行信号通信。在该示例，每个辐射元件108、110、112、114、116和118可以是发送/接收(“T/R”)模块。另外，每个辐射元件可以包括单独的辐射器176、178、180、182、184和186，其可以是例如偶极子、孔径、贴片或其他类型的单独天线辐射元件。
本领域的技术人员将了解，MPAA 100的或者与其相关联的电路、部件、模块和/或装置、辐射元件108、110、112、114、116和118以及控制器104被描述为彼此进行信号通信，其中，信号通信是指电路、部件、模块和/或装置之间的任何类型的通信和/或连接，其允许电路、部件、模块和/或装置从另一个电路、部件、模块和/或装置接收信号和/或信息或向另一个电路、部件、模块和/或装置传送收信号和/或信息。通信和/或连接可以沿着允许信号和/或信息从一个电路、部件、模块和/或装置传递到另一个电路、部件、模块和/或装置的电路、部件、模块和/或装置之间的任何信号路径，并且包括无线或有线信号路径。信号路径可以是物理的，例如，导电线、电磁波导、光纤、电缆、附接的和/或电磁或机械耦接的端子、半导电或电介质材料或装置、或其他类似的物理连接或者耦接。另外，信号路径可以是非物理的，例如，自由空间(在电磁传播的情况下)或通过数字部件的信息路径，其中，通信信息以变化的数字格式从一个电路、部件、模块和/或装置传送到另一电路、部件、模块和/或装置，而不通过直接的电磁连接。
在该示例中，多个辐射元件102具有阵列中心188，其对应于多个辐射元件102的物理中心，其中，多个辐射元件102的每个辐射元件对(即，108和110、110和112、112和114、114和116、116和118)隔开相同量(即，等距阵列)的辐射元件间距离190(在此被称为“d”190)。在该示例，阵列中心188被示出为中间距离(即，两个辐射元件112和114之间的一半)。间距d190的典型长度可以包括例如对应于MPAA 100的操作的中心频率的操作的四分之一、一半以及全波长。在该示例中，本领域的技术人员可以理解的是，为了便于说明，仅示出了多个辐射元件102中的六(6)个辐射元件108、110、112、114、116和118；然而，基于MPAA 100的设计，辐射元件的实际数量可以少于、多于或显著多于六个，此外，辐射元件不一定需要均匀分布。作为示例，MPAA 100可以在一些设计中包括多于一千个的辐射元件，其中，一些元件之间的间隔可能由于设计(例如，稀疏填充的天线阵列，例如，最小冗余线性阵列(“MRLA”))或机械限制(例如，安装支架)而不一定是相似的。本领域的技术人员还应该理解，随着多个辐射元件102的线性部分的长度的增加，对于长阵列来说，在第一零值(“BWFN”)(即，在主瓣的正侧和负侧上阵列因子首先变为零的辐射图的区域)之间的波束宽(即，主波束的宽度)大约等于操作波长的两倍(即，2倍)除以(多个辐射元件102的)辐射元件的总数和辐射元件之间的间隔d 190的乘积。写为等式，BWFN与操作波长(“λ”)、多个辐射元件102的辐射元件的数量(“N”)以及间隔d 190如下相关：
Figure GDA0003066979150000061
在图2中，示出了线性(即，一维)MPAA 200的示例的实现方式的示例的俯视图。在该示例，MPAA 200在由Y轴204和X轴208限定的XY平面206中沿着Y轴204包括六(6)个辐射元件202(1)、202(2)、202(3)、202(4)、202(5)和202(6)。如前所述，为了说明的目的，仅示出了六(6)个辐射元件202(1)、202(2)、202(3)、202(4)、202(5)和202(6)，但是本领域的技术人员可以理解的是，辐射元件的数量可以从两个变为更大数量(例如，大于1,000)。在该示例，所有辐射元件202(1)、202(2)、202(3)、202(4)、202(5)和202(6)等距离隔开元件间距离d，如关于图1所描述的。MPAA 200可以在Z轴210沿正方向在宽阔的方向将其辐射从XY平面206引导出，沿负方向引导入XY平面206，或沿着Y轴204的负方向或正方向。在该示例，假设MPAA200被配置为沿着Z轴210的正方向在宽阔的方向上引导其辐射图。在该示例中，沿着X轴208和Y轴204之间的方位角212以及沿着Y轴204和Z轴210的仰角(未示出)，扫描所得到的辐射图。
在图3中，示出了平面(即，二维)MPAA 301的示例的实现方式的示例的俯视图。与图2关于MPAA 200所示的示例不同，在该示例中，MPAA 301在由Y轴204和X轴208限定的XY平面206中沿着Y轴204包括三十六(36)个辐射元件300(1)至300(36)，此外，如前所述，为了说明的目的，仅示出了六(36)个辐射元件300(1)至300(36)，但是本领域的技术人员应该理解的是，辐射元件的数量可以从四个变成大量(例如，大于1,000)。在该示例中，所有辐射元件300(1)至300(36)沿着X轴218和Y轴214等距间隔开元件间距离d 190。可以理解的是，元件间距离也可以可选地沿着X轴218或Y轴214不相等，以实现稀疏填充的天线阵列；然而，为了简单起见，在X轴218和Y轴214方向上间隔的元件间距离已经被设定为等于d 190的相同值。在该示例，沿着X轴208和Y轴204之间的方位角212并且在球坐标中沿着Y轴204和Z轴210的极(也称为仰角)角(未示出)，扫描所得到的辐射图。
在图2和图3中的MPAA 100的示例中(分别示为MPAA 200和MPAA 301)，单独的辐射元件202(1)至202(6)或300(1)至300(36)可以是例如通常已知的天线辐射器，例如，孔径天线、微带天线、贴片天线、偶极子或其他公知的天线辐射器元件。作为示例，每个辐射元件可以是或包括天线辐射器，该天线辐射器是具有大致恒定方向性的大致各向同性辐射器，并且被配置为产生大致全向远场辐射图。与在图1中一样，在图2和图3中，每个单独的辐射元件202(1)至202(6)或300(1)至300(36)可以是T/R模块(如图1所示)或其部分，该T/R模块尤其包括移相器和功率放大器。然后，T/R模块可以与控制器(例如，控制器104)进行信号通信，该控制器可以是可以包括硬件逻辑的波束控制计算机和/或能够存储软件的计算机可读介质，该软件被配置为激励单独的辐射元件202(1)至202(6)或300(1)至300(36)，以相位锥度(taper)、幅度锥度或这两者、以期望的时间和频谱轮廓激励多个辐射元件202(1)至202(6)或300(1)，并且在第一操作模式中产生具有主波束的第一辐射图，扫描(即，操纵)第一辐射图样的主波束，在第二操作模式下产生具有第二波束的第二辐射图，并且切换MPAA200或MPAA 301，以在第一操作模式或第二操作模式下操作。在该示例中，第二波束比主波束宽，并且第二辐射图与多个辐射元件(即，202(1)至202(6)或300(1)至300(36))中的单个辐射元件的辐射图相似。此外，在该示例中，多个辐射元件202(1)至202(6)或300(1)至300(36)中的单个辐射元件可以是或者包括例如天线辐射器，该天线辐射器是大致各向同性辐射器，其具有大致恒定的方向性并被配置为产生大致全向远场辐射图。此外，辐射元件的所有单独的辐射图的总和产生第一辐射图或第二辐射图，其中，多个辐射元件中的每个辐射元件具有对应的辐射元件向量，该辐射元件向量包括辐射元件的辐射图和偏振，并且多个辐射元件具有阵列因子；然而，在该示例，第二辐射图包括具有大致恒定增益并且通常独立于仰角和方位角的阵列因子。
为了更好地说明第一和第二辐射图的特性，图4A、图4B、图5A和图5B示出了第一和第二辐射图的极坐标图和矩形图。具体地，在图4A中，示出了具有高方向性的通用天线的远场辐射图的极坐标图400的实现方式的示例的曲线图。极坐标图400包括沿着Z轴404在正方向上的主瓣402、沿着Z轴404在负方向上的后瓣406、以及沿着Y轴416的正方向和负方向的旁瓣408、410、412和414以及X轴和Y轴404和416之间的角度。在该示例中，主瓣402、后瓣406和旁瓣408、410、412和414沿着由X轴404和Y轴416限定的XY平面420沿着扫描角θ418(即，极角也称为仰角)间隔开。在该示例中，在发送模式中，因为在主瓣402内沿着Z轴404的正方向(本文称为例如从沿着Z轴404的正方向的参考0°的扫描角度418起的-30°到30°之间的扫描角度418)发送大部分辐射能量，而只有小部分的能量被后瓣406和四个旁瓣408、410和412覆盖的其他方向(即，其他角度418)辐射出，所以天线具有高方向性。可以理解，在该示例中示出的远场辐射图可以是天线的远场辐射图，该远场辐射图可以是基于天线的设计的单独的天线元件或天线阵列。作为示例，MPAA100可以可选地基于MPAA 100的预定设计参数产生具有与极坐标图400大致相似的极坐标图的远场辐射图，这些参数包括例如辐射元件的数量、辐射元件之间的间隔、辐射元件的类型以及用于激励辐射元件的幅度和相位锥度(phase taper)。在产生图4A所示的远场辐射图的MPAA 100的示例中，远场辐射图可以是MPAA 100的第一操作模式中具有主瓣402的第一辐射图。
在图4B中，示出了远场辐射图的极坐标图400的矩形图422。矩形图422是沿着XY平面420切割的二维绘图，示出了沿扫描角度418的主瓣402、后瓣406和四个旁瓣408、410、412的幅度(沿着以分贝(“dBs”)为单位的幅度轴424’)的幅度。在该示例中，本领域的技术人员将理解，主瓣402具有波束宽424，波束宽424被定义为-3db点之间的距离(沿着扫描角418的正和负方向)，其中，-3db点表示与对应于扫描角度418的点426处辐射的最大能量相关的半辐射能量点处于宽阔的(即，等于0°或弧度)。在该示例，后瓣406可以是大约-16dB，而旁瓣408、410和412可以是-30dB或更大；然而，可以理解的是，这些值仅仅是示例，并且可以基于激励锥度的任何使用以及天线的类型、结构和配置而显著变化。还可以理解，在本公开中，术语“主瓣”和“主波束”可以互换使用。
转到图5A，示出了用于各向同性天线辐射器502(也称为“各向同性辐射器”或“点源”)的远场辐射图的极坐标图500的实现方式的示例的曲线图。与图4A的极坐标图400不同，极坐标图500不包括主瓣，而是在所有方向上辐射相同的辐射强度。本领域的技术人员应该理解，各向同性天线辐射器502是不具有优选的辐射方向的电磁能的理论点源。根据定义，各向同性天线辐射器502在以各向同性天线辐射器502为中心的球体上的所有方向上均匀地辐射。因此，在天线理论中，各向同性天线辐射器用作参考辐射器，其与其他天线辐射器进行比较，例如，用于确定天线的增益。这样，在天线理论中，各向同性天线辐射器202被认为在所有方向上都具有0dB的方向性。类似于图4A的示例，极坐标图500沿着由Z轴404和Y轴416限定的XY平面420从参考0°起的扫描角度418在例如0°至360°之间旋转通过扫描角度418。
在图5B中，示出了图5A所示的远场辐射图的极坐标图500的矩形图504。在该示例中，矩形图504是沿着XY平面420切割的二维绘图，示出了极坐标图500的远场辐射图的幅度(沿着幅度轴424’)。在该示例中，本领域的技术人员可理解，极坐标图500的远场辐射图的矩形图504的幅度对于从角度0°508至-180°510和0°508到180°512的所有扫描角418是恒定的(506)。
转到图6A，示出了根据本公开的天线元件602的远场辐射图的极坐标图600的实现方式的示例的曲线图。类似于图5A中的示例，极坐标图600不包括主瓣，而是辐射心形辐射强度，其中，在扫描角θ418等于0°时，大部分辐射在正Z轴404中辐射到天线元件602的前方。然后，辐射图沿Y轴416上的负或正方向，从角度0°到-90°和0°到90°的扫描角θ418，从0dB逐渐下降到例如大约-3dB到大约-6dB的范围。然后辐射图从角度-90°到-180°并且从90°到180°的扫描角θ418快速下降，其中，在-180°时(或180°，因为是相同的扫描角θ418)，辐射图的极坐标图600下降到零值604。与图4A中所示的示例不同，并且类似于图5A中所示的示例，天线元件602的远场辐射图的极坐标图600示出了远场辐射图沿着由Z轴404和Y轴416定义的XY平面420从参考0°扫描角θ418具有低方向性。
在图6B中，示出根据本公开的图6A所示的远场辐射图的极坐标图600的矩形图606。在该示例中，矩形图606是沿XY平面420切割的二维图，示出了极坐标图600的远场辐射图的幅度(沿幅度轴424’)。在该示例中，本领域的技术人员可知，极坐标图600的远场辐射图的矩形图606的幅度大致为从角度0度608到-180度610和0度608到180度612的扫描角θ418之间的正弦波。
在该示例中，天线元件602的远场辐射图的极坐标图600可以是例如微带天线，例如，贴片天线。在贴片天线的示例情况下，贴片天线可以在大约70至100平方mm的接地平面上为大约25平方毫米(“mm”)。
在本公开中，MPAA 100可以可选地基于MPAA 100的预定设计参数产生远场辐射图，其具有与极坐标图600大致相似的极坐标图，所述预定设计参数又包括例如辐射元件的数量、辐射元件之间的间隔、辐射元件的类型以及用于激励辐射元件的幅度和相位锥度。在产生图6A所示的远场辐射图的MPAA 100的示例中，如图6A所示，在MPAA 100的第二操作模式中，远场辐射图可以是具有与极坐标图600的远场辐射图大致相似的第二波束的第二辐射图。
回到图1，除了控制器104施加在每个元件108、110、112、114上的频谱、时间、幅度和相位控制之外，在用于接收入射在MPAA 100上的射频(“RF”)能量波192的操作的示例中，由于其在空间中的位置以及RF能量波192的到达角度，所以在到达元件108、110、112、114、116和118的RF能量波192之间存在相对相移。此外，每个元件108、110、112、114、116和118的远场辐射图导致响应，其随入射平面波(即，RF能量波192)的到达角而变化。由于在该示例，假设每个元件108、110、112、114、116和118是相同的并且产生相同类型的远场辐射图，本领域的技术人员应该理解的是，方向图乘法的原理允许MPAA 100的设计者将其视为MPAA 100的总远场辐射图中的一个倍增因子。这样，远场辐射图的剩余角度依赖性被称为阵列因子，阵列因子单独由元件位置及其激励决定。本领域的技术人员也可以理解的是，在图1中，MPAA 100在本示例中被示出为接收相控阵天线；然而，接收辐射图由于互逆性与发送远场辐射图相同。因此，在本公开中，描述MPAA 100的描述和相关附图将被描述为接收或发送视点，取决于哪个更加方便。
如前所述，本公开描述了激励MPAA 100上的多个元件102，使得MPAA 100的所得辐射图径向分布为相似于单个辐射器(即，元件)的天线辐射图。这是利用执行利用电磁波方程的三维形式的方法的控制器104来执行和控制的。本领域的技术人员可以理解，电磁波方程是二阶偏微分方程，其描述电磁(“EM”)波通过介质或在真空中传播并且是从麦克斯韦方程得出的波动方程的三维形式。为了简单起见，在该示例中，该方法将每个元件108、110、112、114、116和118近似为点源，即使实际元件可能不呈现出全向辐射图。这样，在该示例，该方法假设在MPAA 100的阵列中心(例如，在X轴208和Y轴204之间的交点)处存在单个元件。单个元件也被假设为各向同性辐射器或虚拟点源，其具有恒定方向性，是宽带，并且具有全向远场辐射图。通常，该方法利用电磁波方程的麦克斯韦导数来描述在该元件(假设为各向同性辐射器或虚拟点源)周围的任何空间位置处测量的时变场。该方法然后产生MPAA100的远场辐射图，该辐射图利用多个元件108、110、112、114、116和118作为具有已知行为的离散辐射元件来模拟(即，近似)单个元件。
该方法利用阶n的第一种类型的许多贝塞尔函数来产生MPAA 100的远场辐射图。在该示例，该方法可以利用贝塞尔函数的截断正则级数展开，其可以近似于MPAA 100阵列响应。该方法然后可以针对(多个元件108、110、112、114、116和118)中的每个元件激励使用归一化常数来限制多个元件108、110、112、114、116和118中的每个元件的最大(即，MPAA100的每个设计允许的)激励幅度。在该示例中，所有多个元件108、110、112、114、116和118的净总和产生恒定增益曲线辐射图，这类似于单个元件。可以理解，该方法通常也可以将这种技术用于非各向同性辐射器的元件。
在该示例中，该方法利用元件的天线阵列的远场辐射图可以被描述为天线阵列的阵列元件向量和阵列因子的乘积的关系。通常，元件向量包括元件的辐射图和偏振，而阵列因子取决于元件空间排列，并且需要其激励的叠加。在该示例，该方法操纵MPAA 100的阵列因子，使得其表现为恒定增益。这样，如果元件相似，则所得到的远场辐射图是与单个元件相似的放大的远场辐射图。
转到图7，参考根据本公开的MPAA 712中的多个辐射元件702、704、706、708和710，示出了示例观测点700的图形说明。在该示例中，辐射元件702、704、706、708和710位于沿着X轴714、Y轴716和Z轴718的笛卡尔位置(Xi、Yi、Xi)，其中，i等于1～N，其中，N是辐射元件的总数。在该示例，MPAA 712可以是与图1中所示的MPAA 100相同类型、图2中所示的MPAA200、MPAA 300或共形相控阵列相同类型的MPAA。
为了简单起见，该方法首先假设MPAA 712具有在对应于位置向量
Figure GDA0003066979150000121
的位置(xi，yi，zi)或(ρi，θi，
Figure GDA0003066979150000122
)的空间中任意分布的无限小单位单元辐射器(即，前面描述的辐射元件)，其中，ρi，θi，
Figure GDA0003066979150000123
表示球坐标中的位置的径向距离、极角720和方位角722。在该示例，假设从具有对应于坐标(ρ0，θ0，
Figure GDA0003066979150000131
)的位置向量
Figure GDA0003066979150000132
的观察点700在参考原点706’(即，如前所述的阵列中心)处测量每个辐射元件702、704、706、708和710，则每个元件i具有远场辐射图
Figure GDA0003066979150000133
这样，这些元件的最终远场辐射图是
Figure GDA0003066979150000134
其中，
Figure GDA0003066979150000135
在该示例中，单位向量
Figure GDA0003066979150000136
和
Figure GDA0003066979150000137
分别指向增加θ720和
Figure GDA00030669791500001318
的方向，变量
Figure GDA0003066979150000138
和
Figure GDA0003066979150000139
表示远场辐射图的θ720和
Figure GDA00030669791500001310
分量，k＝2π/λ表示波数，ci表示包含路径损耗和元件增益的整体损耗、增益或这两者，ωi是表示元件的加权或激励系数的复数，
Figure GDA00030669791500001311
和运算符(.)是内部乘积。表达式
Figure GDA00030669791500001312
通常是每个辐射元件702、704、706、708和710与观测点700之间的距离。在该示例中，远场辐射图
Figure GDA00030669791500001313
的关系已经被分成了θ720和
Figure GDA00030669791500001314
角分量，以便提供一选项来应用所提出的方法，并分别在θ720和
Figure GDA00030669791500001315
中加宽场。在该示例中，假设观测点700在远场，使得到观测点700的径向距离(示为ρ0724)远大于操作波长，其可以表示为ρ0724＞＞λ和
Figure GDA00030669791500001316
其中，i从1到N变化。
为了简化这些数学推导，该方法假设对于所有辐射元件ci＝C＝cte，使得该关系可以被重写为
Figure GDA00030669791500001317
其中，
Figure GDA0003066979150000141
这是阵列因子，
Figure GDA0003066979150000142
是标量。这样，这个关系表示方向图乘法的原理，其中，整个阵列方向图可以被描述为阵列因子和元件方向图的乘积，被示出为：
Figure GDA0003066979150000143
这纯粹是元件方向图、频率和距离的函数。这也可以用下面的关系来描述
Figure GDA0003066979150000144
这可被重写为
Figure GDA0003066979150000145
这可以被再次重写，因为作为示例，MPAA可以被实现为具有辐射元件间隔d的均匀线性阵列，其中，参考原点706’位于MPAA的中间。因此，上述关系可以被重写为
Figure GDA0003066979150000146
其中，u等于sinθcosφ，M等于(N-1)/2。
在本公开中，目标是找到一组参数和假设，在该假设下，第二项
Figure GDA0003066979150000147
似乎恒定，因为整个阵列响应将模拟元件方向图响应的形状。关注i(即辐射元件的权重)，获得加权，使得上述总和恒定。
如果假设MPAA中存在大量的辐射元件并且变量“x”等于ejkdu，则该关系可以如下：
Figure GDA0003066979150000151
本领域的技术人员可以理解的是，上述等式成为劳伦级数。随着x中变量的选择(例如，z＝e-jkdu)，也可以使用其他幂级数，例如，Z变换。可以理解的是，当考虑不同的元件几何形状或者进一步操纵每个阵列的权重时，利用Z变换是有帮助的。此外，上述关系还允许使用离散时间傅里叶变换及其恒等式和特性。
在该示例，将利用单点源的电磁场的贝塞尔函数的截断正则级数展开，并将其等于阵列响应，以计算大致和最佳阵列辐射元件激励。还可以考虑每个辐射元件激励的归一化常数，以可选地限制每个辐射元件的最大(即，可允许的)激励幅度。更具体地，利用劳伦级数允许使用贝塞尔生成函数的恒等式。假设
Figure GDA0003066979150000156
其中，Ji(z)是阶i的第一种类型的贝塞尔函数(其中，i为整数)，ρ为将用于增益调整的恒定系数，上述表达式可以被重写如下
Figure GDA0003066979150000152
其中，参数z是自由度。上面的表达式允许使用贝塞尔生成函数(已知x不等于0)：
Figure GDA0003066979150000153
结合这些表达式，整个阵列方向图与每个辐射元件相比呈现出相似且成比例的响应，如以下表达式所示：
Figure GDA0003066979150000154
这个最终表达式表明，整个阵列的幅度响应是频率无关的，与对于给定拓扑结构的频率相关的普通相控阵相反。在实践中，存在有限数量的元件，因此在该示例中，总和被截断，并且
Figure GDA0003066979150000155
用来补偿任何截断误差。在该示例中，误差项是
Figure GDA0003066979150000161
和
Figure GDA0003066979150000162
换言之，通过数值分析，对于具有固定d和k的固定几何结构，通过在方位角或仰角扫描角上选择z值，可以使误差最小化。通常，对于固定的阵列几何形状和操作频率以及选定的z，误差是确定性的，因为可以通过“可管理的”增益调整来补偿。这样，针对z的大致最佳选择可以针对任何阵列拓扑结构进行数值计算并且可以被选择为减小相位变化。利用这个过程，远场辐射图的波束可以在方位角、仰角或这两者上变宽。本领域的技术人员可以理解，相同的处理可以基于方向图乘法原理用于矩形阵列、圆形阵列和具有三角形网格的平面阵列，并且可以将其扩展为三维非平面阵列拓扑。此外，在上述表达式中，变量的其他选择是可能的，从而导致离散时间傅立叶变换或允许对其他阵列几何形状进行操纵的基于Z变换的方法。此外，本领域的技术人员可以理解的是，尽管在本示例中使用了相似的辐射元件，但是通过应用EM波的叠加，所描述的方法这样适用于通过混合合成的不相似的辐射元件。另外，当元件不是等间隔的，或者阵列没有被完全填充，则可以控制对应于那些缺失元件的项，或者阶i的第一种类型的贝塞尔函数(即，Ji(z))可以被替换为对应于从参考原点706’起为波长的元件距离，然后，重新计算元件激励并类似地调整增益ρ，以减小误差。
在本公开中，波束增宽效率η可以通过以下表达式被描述为考虑新计算的激励由MPAA辐射的总功率Prad与最大可用功率Pacc之间的比率：
Figure GDA0003066979150000163
如果权重增益项ρ增加，则效率有利地增加，但是以扫描角度误差为代价。因此在效率和误差之间进行权衡。随着元件数量的增加，辐射效率降低。然而，元件的子集可以组合在一起以形成子阵列。通过将这些子集的辐射图假设为单位单元，可以应用本公开中讨论的相同的加宽方法来获得用于具有更多元件的阵列的可扩展实现方式。
基于这种方法，MPAA利用该方法来执行加宽由MPAA产生的第一辐射图的主波束的方法。通常，该方法包括激励多个辐射元件，以产生第二辐射图，其中，第二辐射图与多个辐射元件中的单个辐射元件的辐射图相似，并且其中，第二辐射图具有比主波束宽的第二波束。在该示例中，激励多个辐射元件通常包括在产生第一辐射图的第一操作模式与产生第二辐射图的第二操作模式之间切换(利用控制器)。
在该示例中，激励多个辐射元件包括确定多个辐射元件的多个激励信号，并且通过对单个辐射元件的EM场使用贝塞尔函数的截断正则级数展开并且使EM场的贝塞尔函数的截断正则级数展开式等于MPAA的阵列响应，来确定多个激励信号。
更具体地，基于上述方法，在图8中，示出了根据本公开的由MPAA执行的方法的实现方式的示例的流程图800。如前所述，该方法由在步骤804中确定多个辐射元件中的单个辐射元件的EM场来开始802。该方法然后在步骤806中分配初始单位常数变量或增益，以确保该方法的稳定性。该方法然后在步骤808中将EM场乘以增益，以获得放大的EM场。然后，在步骤810中，该方法然后在步骤806或808之后、与步骤806或808同时、或者在步骤806或808之前确定用于MPAA的参数化(即，随着称为参数的一个或多个独立变量而变化)远场辐射图，假设MPAA具有无限元件阵列。该确定导致正则级数展开(可能是劳伦级数)，其中，用于MPAA的辐射元件的激励是变量。在步骤812中，该方法然后根据阶i的第一种类型的贝塞尔函数来映射(例如，重新写入)EM场的劳伦级数，其中，i是整数。然后，该方法截断贝塞尔函数的正则级数展开并且等同(即，匹配)截断的正则级数展开，以便在步骤814中匹配MPAA中的实际有限数量的辐射元件。在该示例中，本领域的技术人员可以理解的是，一旦确定了截断正则级数展开，激励多个辐射元件以产生第二辐射图需要的所需激励信号(在幅度和相位中)是已知的。
该方法然后比较(在步骤816中)放大的EM场(在步骤808中产生)和截断的正则级数展开(在步骤814中产生)，并将比较结果(例如，所得到的差值，如果有的话)传送到步骤818。在步骤818中，该方法将截断的正则级数(例如，第一类型的截断贝塞耳函数)等同于放大的EM场，其中，放大的EM场最初可以是单位单元的倍增响应。在该示例中，结果是MPAA的辐射元件的初始或更新元件激励。该方法然后将初始或更新的元件激励传递到步骤820和822。在步骤820中，该方法确定方位角或仰角扫描角上的任何截断误差，并且在步骤822中，该方法将辐射效率确定为考虑新确定的初始或更新的元件激励时由MPAA辐射的总功率与最大可用功率的比率。将结果传递到判定步骤824，在该步骤中，方法确定截断误差(在步骤820中确定的)和/或确定的辐射效率(在步骤822中确定的)是否有利于利用所确定的初始或更新元件激励或者是否需要进一步改进初始或更新的元件激励。如果方法(在判定步骤824中)确定所确定的初始或更新元件激励对于用于激励辐射元件是可接受的，则方法结束826。
相反，如果方法在判定步骤824中确定所确定的初始或更新的元件激励对于用于激励辐射元件是不可接受的，则该方法进行到步骤828。在步骤828中，该方法替换并更新增益值(即，ρ)，来补偿任何截断误差，其中，增益大于单一(即，值1)。然后将更新增益传递到步骤808，在该步骤中，将其与EM场相乘，并且过程重复步骤816到824，直到适当的确定的初始或更新的元件激励对于用于激励辐射元件是可接受的，并且方法结束826。
在该示例方法中，假设MPAA首先在第一操作模式下操作，其中，激励MPAA的多个元件，以产生通常为相控阵列天线的第一辐射图，即，第一辐射图是具有高度指向性的非常方向性的、窄主波束和多个低级旁瓣。作为示例，第一操作模式中的多个辐射元件的激励可以利用将第一辐射图合成为指向性并具有预定的旁瓣水平性能的阵列分布锥形。阵列分布的示例可以包括例如使用Dolph-Chebyshev线性阵列方法或泰勒线源方法合成的阵列分布锥形。
当需要时，控制器被配置为将MPAA的操作切换到第二操作模式，以便产生具有比第一辐射图的主波束更宽(即，更宽)的波束的第二辐射图。在第二操作模式中，控制器可以执行步骤804至828，其导致以新的激励水平(即，确定的初始或更新元件激励)来激励多个辐射元件，以便将第一辐射图改变为第二辐射图。通常，在MPAA的操作之前或一旦控制器将MPAA的操作从第一操作模式切换到第二操作模式，可以由控制器可选地执行步骤804到828。
基于本公开中所描述的方法，注意到，该方法还解决了由与相控阵列结合使用的已知数字电路引起的潜在舍入或量化误差。具体地，许多现代相控阵系统中的相位、时间、幅度以及在一些情况下的频谱控制由数字电路执行。作为示例，可以使用数字移相器来执行相位控制，或者可以使用数字衰减器或数字控制的运算放大器来执行幅度控制。通常，由于在量化和处理中使用离散步骤，这些数字子系统可能会引入舍入或量化误差。通常，这些不连续的步骤是由于数字到模拟(反之亦然)转换中使用的有限位数所致。
这样，通过利用本公开中描述的方法，在激励计算和优化期间结合了量化效应，其中，基于量化能力的限制和界限来计算目标激励。可以选择先前描述的参数z，使得得到的元件权重
Figure GDA0003066979150000191
恰好位于或接近量化步长。
例如，当优化169个元件的激励时，其中，在表A中列出前39个激励，假设幅度控制限于4位(即，一个十六进制数字)，并且相位控制限于仅一位，(即，相移为0°或相移为180°)。可以在优化期间在相同块中结合入这种约束和限制，在该块计算截断误差(即，步骤820，确定方位角或仰角扫描角度上的任何截断误差)。
转到图9，根据本公开示出了多个辐射元件102(图1所示)的远场辐射图的多个极坐标图900、902、904、906、908和910的实现方式的示例的曲线图。在该示例中，类似于图1中的示例，仅示出了六(6)个辐射元件202(1)、202(2)、202(3)、202(4)、202(5)和202(6)，但是技术人员可以理解的是，这只是为了便于说明，并且可以可选地具有大量的辐射元件。如在关于图1所描述的示例中那样，在该示例中，六个辐射元件202(1)、202(2)、202(3)、202(4)、202(5)和202(6)被示出为对称地设置在阵列中心188周围并且以其为中心，其中，每个辐射元件对隔开元件间间隔d 190。在该示例，辐射元件可以是贴片天线，其产生心形的单独的远场辐射图(类似于在图6A中示出的极坐标图600)。
在图10中，示出了根据本公开的多个辐射元件102(图1和图9中所示)的组合定向远场辐射图的极坐标图1000的实现方式的示例的曲线图。在该示例中，组合的定向远场辐射图1000是第一操作模式(如前所述)的第一远场辐射图的示例。
另外，第一操作模式中的多个辐射元件102的激励可以利用将组合的定向远场辐射图1000合成为指向性的并具有预定的旁瓣级别性能的阵列分布锥形。此外，阵列分布的示例可以包括例如使用Dolph-Chebyshev线性阵列方法或泰勒线源方法合成的阵列分布锥形。
转到图11，示出了根据本公开的多个辐射元件(在图1和图9中示出)的理想组合的非定向远场辐射图的极坐标图1100的实现方式的示例的图。在该示例中，极坐标图1100是理想的组合的非指向性远场辐射图的原因在于，假设多个辐射元件102是被组织为线性阵列的无限或几乎无限的多个辐射元件102(尽管为了便于说明，仅示出了六个辐射元件202(1)、202(2)、202(3)、202(4)、202(5)和202(6))。在该示例中，理想的组合的非定向远场辐射图是第二操作模式(如前所述)的第二远场辐射图的示例。在该示例，类似于图6A中的示例，极坐标图1100不包括主瓣，而是辐射心形辐射强度，其中，在扫描角θ418等于0°时，大部分辐射在正Z轴404辐射到辐射元件202(1)、202(2)、202(3)、202(4)、202(5)和202(6)的前方(即，宽阔)。然后，组合的非定向远场辐射图沿Y轴416上的负或正方向，从角度0°到-90°和0°到90°的扫描角θ418，从0dB逐渐下降到例如大约-3dB到大约-6dB的范围。然后，组合的非定向远场辐射图从角度-90°到-180°并且从90°到180°的扫描角θ418快速下降，其中，在-180°时(或180°，因为是相同的扫描角θ418)，辐射图的极坐标图1100下降到零值1102。在该示例，理想的组合非定向远场辐射图是通过利用前面所述的贝塞尔函数的正则级数展开确定的多个辐射元件102的激励合成。
在图12中，根据本公开，示出了多个辐射元件102(图1和图9中所示)的非理想组合的非定向远场辐射图的极坐标图1200的实现方式的示例的曲线图。在该示例中，非理想组合的非定向远场辐射图的极坐标图1200相似于理想的组合非定向远场辐射图的极坐标图1100，除了非理想组合的非定向远场辐射图的极坐标图1200包括部分地由PAA中的有限和少量的多个辐射元件102引起的方向图误差1202。此外，在该示例中，非理想的组合的非定向远场辐射图是第二操作模式(如前所述)的第二远场辐射图的示例。可以理解，随着多个元件102中的辐射元件的数量增加，方向图误差1202的“纹波”将减小。作为实现方式的示例，下面的表格A显示了具有169个元件的矩形阵列示例中的前39个元件的相应计算的激励系数。在该示例中，第一列、第二列和第三列分别是沿着X轴、Y轴和Z轴的辐射元件坐标的x、y和z。第四列和第五列是用十六进制数字计算的幅度和以度为单位的相位角度加权值，用于利用上述方法激励多个辐射元件102。在该示例，假设有169个辐射元件，即使仅仅为了说明的目的，在图12中仅仅示出六(6)个辐射元件202(1)、202(2)、202(3)、202(4)、202(5)和202(6)。
表A
Figure GDA0003066979150000211
Figure GDA0003066979150000221
Figure GDA0003066979150000231
应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节。这并不是穷尽的，并且不会将所要求保护的发明限于所公开的确切形式。此外，前面的描述仅用于说明的目的，而不是为了限制的目的。鉴于以上描述，修改和变化是可能的，或者可以通过实施本发明而获得。权利要求及其等同物限定了本发明的范围。
在实现方式的不同描述的示例中的流程图和方框图示出了说明性示例中的设备和方法的一些可能实现方式的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或方框图中的每个方框可以表示模块、片段、功能、操作或步骤的一部分及其某种组合。
在说明性示例的一些替代实施方式中，方框中标注的一个或多个功能可以不按照附图中指出的顺序发生。例如，在一些情况下，连续示出的两个方框可以基本上同时执行，或者方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。而且，除了流程图或方框图中的所示方框以外，还可以添加其他方框。
已经出于说明和描述的目的呈现了对不同说明性示例的描述，并且不旨在穷举或限制于所公开形式的示例。对于本领域的技术人员来说，许多修改和变化将是显而易见的。此外，与其他期望的示例相比，不同的说明性示例可以提供不同的特征。为了最好地解释示例的原理和实际应用，并且使本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种示例的公开内容，选择和描述所选择的一个或多个示例。

Claims (12)

1.一种多模相控阵天线，所述多模相控阵天线具有至少两种操作模式，其中，第一操作模式产生具有主波束的第一辐射图，第二操作模式产生具有第二波束的第二辐射图，所述多模相控阵天线包括：
多个辐射元件，被布置成辐射元件阵列；以及
控制器，与所述多个辐射元件进行信号通信，
其中，所述控制器被配置为激励所述多个辐射元件以在所述第一操作模式下产生具有主波束的所述第一辐射图以及在所述第二操作模式下产生具有第二波束的所述第二辐射图，
其中，所述第二波束比所述主波束宽，并且
其中，所述第二辐射图与所述多个辐射元件中的单个辐射元件的辐射图相似，并且
其中，所述控制器还被配置为在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间切换，
其中，所述控制器被配置为通过确定所述多个辐射元件的多个激励信号来激励所述多个辐射元件，以产生第二辐射图，并且
其中，通过对单个辐射元件的电磁场利用贝塞尔函数的截断正则级数展开，并且使用于电磁场的贝塞尔函数的截断正则级数展开等于多模相控阵天线的阵列响应，来确定所述多个激励信号。
2.根据权利要求1所述的多模相控阵天线，
其中，所述辐射元件阵列具有阵列中心，并且
其中，所述第二辐射图是位于所述阵列中心处的单个辐射元件的放大辐射图。
3.根据权利要求2所述的多模相控阵天线，其中，所述单个辐射元件具有恒定的方向性和全向的远场辐射图。
4.根据权利要求3所述的多模相控阵天线，
其中，所述多个辐射元件具有阵列因子，并且
其中，所述阵列因子具有恒定的增益。
5.根据权利要求2所述的多模相控阵天线，
其中，所述多个辐射元件中的每个辐射元件具有对应的辐射元件辐射图，并且
其中，所述多个辐射元件中的各个辐射元件的所有辐射元件辐射图的总和产生所述第二辐射图。
6.根据权利要求1所述的多模相控阵天线，其中，所述多个辐射元件中的每个辐射元件是发送/接收模块。
7.根据权利要求1所述的多模相控阵天线，其中，所述多个辐射元件中的每个辐射元件具有对应的元件向量，所述对应的元件向量包括所述辐射元件的辐射图和偏振。
8.根据权利要求7所述的多模相控阵天线，
其中，所述多个辐射元件具有阵列因子，并且
其中，所述阵列因子具有恒定的增益。
9.一种用于加宽由多模相控阵天线产生的第一辐射图的主波束的方法，所述多模相控阵天线具有布置成辐射元件阵列的多个辐射元件和控制器，所述方法包括：
激励所述多个辐射元件，以产生第二辐射图，
其中，所述第二辐射图相似于所述多个辐射元件中的单个辐射元件的辐射图，并且
其中，所述第二辐射图具有比所述主波束宽的第二波束，
其中，激励所述多个辐射元件包括确定所述多个辐射元件的多个激励信号，并且
其中，通过对单个辐射元件的电磁场利用贝塞尔函数的截断正则级数展开，并且使用于电磁场的贝塞尔函数的截断正则级数展开等于多模相控阵天线的阵列响应，来确定所述多个激励信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，激励所述多个辐射元件包括利用所述控制器在产生所述第一辐射图的第一操作模式与产生所述第二辐射图的第二操作模式之间切换。
11.根据权利要求9所述的方法，
其中，所述贝塞尔函数是阶i的第一种类型的贝塞尔函数，其中，i是整数，并且
其中，所述正则级数是劳伦级数。
12.根据权利要求9所述的方法，所述方法应用于具有不等元件间隔的多模相控阵天线，其中，所述贝塞尔函数是阶i的第一种类型的贝塞尔函数，其中，i是整数，对应于从参考原点起为波长的元件距离。
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