CN109964368A - 用于多模式有源电子扫描阵列的系统和方法 - Google Patents

用于多模式有源电子扫描阵列的系统和方法 Download PDF

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Abstract

在本文中所描述的系统和方法涉及能够执行频分双工(FDD)操作和时分双工(TDD)操作的有源电子扫描阵列(AESA)。AESA包括开关网络，所述开关网络具有耦合在收发机与一个或多个阵列元件之间的一个或多个切换级，以将AESA在FDD操作与TDD操作之间切换，修改AESA中的阵列元件中的一个或多个阵列元件的功能，并且将AESA的部分在不同功能之间交换。开关网络可以被设置在AESA的馈送部分中。因此，AESA中的阵列元件中的每个或者多个阵列元件的子阵列的功能可以在AESA的馈送部分处被修改。阵列元件可以被配置用于TDD操作和FDD操作，并且可以被配置为发送元件、接收元件、或隔离元件。

Description

用于多模式有源电子扫描阵列的系统和方法
背景技术
如在本领域中公知的，频分双工(FDD)系统通常使用窄带双工器或多路复用器以通过单个天线同时并且在不同频率下执行发送和接收操作。时分双工(TDD)系统通过同一天线在不同时间并且以相同频率在发送和接收之间交替。为了使灵活的宽带调谐器能够支持宽泛的FDD以及TDD通信协议和信道，必须使用一系列不同的窄带滤波器、双工器、和天线。
发明内容
在本文中所描述的系统和方法涉及可以执行频分双工(FDD)操作和时分双工(TDD)操作两者的有源电子扫描阵列(AESA)。AESA包括开关网络，其具有耦合在收发机与一个或多个阵列元件之间的一个或多个切换级，以将AESA在FDD操作和TDD操作之间切换，修改AESA中的一个或多个阵列元件的功能、和/或将AESA的部分在不同的功能之间交换。在实施例中，开关网络可以被设置在AESA的馈送部分中。因此，AESA中的阵列元件中的每个或者多个阵列元件的子阵列的功能可以在AESA的馈送部分处被修改，与在个体阵列元件等级不同。
例如，阵列元件可以被配置为通过改变AESA的开关网络中的一个或多个耦合来执行发送功能、接收功能、或隔离功能。可以改变阵列元件中的每个阵列元件的功能以适应AESA的特定应用。因此，通过修改馈送部分中的耦合，每个阵列元件可以被配置为相同AESA内的发送阵列元件、接收阵列元件或隔离阵列元件。应当理解的是，如在本文中所使用的馈送部分可以指代AESA中的收发机与的阵列元件之间的组件。
开关网络可以包括一个或多个模式切换级、滤波器切换级、和交叉切换级。模式切换级包括多个射频(RF)开关，并且可以修改AESA内的一个或多个信号路径，以将AESA的操作模式在FDD操作与TDD操作之间改变。在一些实施例中，模式切换级可以被设置在滤波器切换级的两侧上。滤波器切换级可以包括一个或多个滤波器组，其用于过滤通过AESA内的信号路径传输的信号。
交叉切换级可以将阵列元件的部分在不同功能之间交换。例如，阵列元件可以在发送功能与接收功能之间被交换，以改进在宽波束引导(steering)角度上的隔离。在一些实施例中，可以通过将阵列元件在不同功能之间交换来减少泄漏因子。交叉切换级可以包括多个RF开关，这些RF开关被布置以使得RF开关可以交换AESA内的信号路径，以配置阵列元件并且将阵列元件在发送功能、接收功能、或隔离功能之间交换。因此，AESA可以提供单个阵列内的发送、接收、和/或隔离阵列元件的灵活分配。
所述阵列元件中的每个阵列元件可以是单位单元的一部分或耦合至单位单元。单位单元可以被配置为控制在相应阵列元件处接收或从相应阵列元件处发送的信号的相位和/或幅度属性。单位单元可以包括一个或多个RF开关，其用于将相应阵列元件的馈送端口和/或天线端口与AESA内的信号路径连接或断开。因此，单位单元可以被配置为将相应的阵列元件从有源元件修改为无源元件，并且反之亦然，以及改变相应阵列元件的功能。
在一些实施例中，在TDD模式中，AESA中的阵列元件中的每个阵列元件可以被配置用于发送功能或接收功能以提供最大可用增益。在FDD模式中，阵列元件可以形成为多个子阵列，以执行发送功能、接收功能、隔离功能、或它们的组合。可以对自阵列中的每个子阵列进行移动或调整其大小以平衡阵列性能，包括增益、有效全向辐射功率(EIRP)、和隔离。在一些实施例中，子阵列功能可以从阵列的一侧交换到阵列的另一侧，以最大化在全波束引导上的隔离。
在本文中所描述的系统和方法可独立地或与另一特征组合地包括以下特征中的一个或多个。
在第一方面中，AESA包括：多个阵列元件，所述多个阵列元件中的每个阵列元件被配置用于TDD操作和FDD操作；以及开关网络，其耦合至所述多个阵列元件。所述开关网络包括多个级，以将所述多个阵列元件中的一个或多个阵列元件在TDD模式与FDD模式之间切换。所述开关网络包括第一模式切换级和第二模式切换级以及交叉切换级。
在一些实施例中，开关网络包括滤波器组(filter bank)切换级，其被设置在第一模式切换级与第二模式切换级之间的信号路径上。多个阵列元件中的每个阵列元件可以被配置为作为发送元件、接收元件、或隔离元件中的至少一个来操作。例如，在TDD模式中，多个阵列元件中的每个阵列元件可以被配置为作为发送元件或接收元件来操作。在FDD模式中，多个阵列元件的第一部分可以被配置为作为发送元件来操作，多个阵列元件的第二部分可以被配置为作为接收元件来操作，并且多个阵列元件的第三部分可以被配置为作为隔离元件来操作。开关网络可以耦合至多个阵列元件，以使得隔离元件被设置在发送元件与接收元件之间。
第一模式切换级和第二模式切换级包括设置在通过AESA的至少两个信号路径上的一个或多个射频(RF)开关。滤波器组切换级可以包括耦合至第一模式级和第二模式级中的一个或多个RF开关的FDD发送滤波器组、FDD接收滤波器组、和TDD滤波器组。交叉切换级可以包括两个或更多个射频(RF)开关，其被布置以使得通过AESA的两个信号路径交叉。
多个阵列元件中的每个阵列元件可以包括馈送端口、天线端口、一个或多个幅度单元、一个或多个相位单元、以及一个或多个负载单元。所述馈送端口和所述天线端口可以耦合至所述一个或多个负载单元，以将相应的阵列元件转换成隔离元件。
在另一方面中，提供了一种用于将AESA在TDD模式与FDD之间切换的方法。该方法包括：提供多个阵列元件，所述多个阵列元件中的每个阵列元件被配置用于TDD操作和FDD操作，将多个阵列元件在TDD模式与FDD模式之间切换，以及响应于切换到TDD模式或FDD模式而将多个阵列元件中的一个或多个阵列元件转换成发送元件、接收元件、或隔离元件中的至少一个。
可以提供具有多个级的开关网络，所述多个级用于将多个阵列元件在TDD模式和FDD模式之间切换。开关网络可以包括第一模式切换级和第二模式切换级、交叉切换级和滤波器组切换级。
该方法还可以包括：在TDD模式中，转换被配置为作为发送元件或接收元件操作的所述多个阵列元件中的每个阵列元件。在FDD模式中，该方法还可以包括：转换被配置为作为发送元件操作的多个阵列元件的第一部分、被配置为作为接收元件操作的多个阵列元件的第二部分、以及被配置为作为隔离元件操作的多个阵列元件的第三部分。可以转换多个阵列元件，以使得隔离元件被设置在发送元件与接收元件之间。
在一些实施例中，可以修改第一模式级和第二模式级内的耦合以将多个阵列元件从TDD操作改变为FDD操作并且从FDD操作改变为TDD操作。可以修改交叉切换级内的耦合，以将所述多个阵列元件的第一分组从发送元件转换成接收元件，以及将所述多个阵列元件的第二分组从接收元件转换成发送元件。
多个阵列元件中的每个阵列元件包括馈送端口、天线端口、一个或多个幅度单元、一个或多个相位单元、以及一个或多个负载单元。该方法还可以包括将所述馈送端口和所述天线端口耦合至所述一个或多个负载单元，以将相应的阵列元件转换成隔离元件。
应当理解的是，可以组合在本文中所描述的不同实施例的元件以形成上文没有具体阐述的其他实施例。在单个实施例的上下文中描述的各种元件也可以单独提供或者以合适的组合来提供。在本文中没有具体描述的其他实施例也在以下权利要求的范围内。
附图说明
从以下对附图的描述中可以更全面地理解前述特征，其中：
图1是有源电子扫描阵列(AESA)的电路框图；
图1A是有源电子扫描阵列(AESA)的第二实施例的电路框图；
图2是图1的AESA的开关网络的滤波器切换级以及第一模式切换级和第二模式切换级的框图；
图2A是在AESA内具有不同大小的阵列元件的子阵列的框图；
图2B是图1的AESA的具有多个滤波器的滤波器切换级的框图；
图3是图1的AESA的开关网络的交叉切换的框图；
图3A是示出了在AESA内被交换的阵列元件的子阵列的框图；
图4是图1的AESA中的阵列元件的单位单元的第一实施例的框图；
图4A是图1的AESA中的阵列元件的单位单元的第二实施例的框图；
图4B是图1的AESA中的阵列元件的单位单元的第三实施例的框图；并且
图5是用于将AESA在时分双工(TDD)与频分双工(FDD)之间切换的方法的流程图。
具体实施方式
从以下对附图的描述中可以更全面地理解前述概念和特征。附图有助于解释和理解所公开的技术。由于说明和描述每个可能的实施例通常是不切实际或不可能的，因此所提供的附图描绘了一个或多个说明性实施例。由此，附图不旨在限制在本文中所描述的概念、系统、和技术的范围。图中相同的数字表示相同的元素。
现在参考图1，有源电子扫描阵列(AESA)100包括开关网络104，开关网络104具有耦合在收发机110与多个阵列元件180a-180n之间的多个切换级，其用于在大带宽上将AESA在时分双工(TDD)操作与频分双工(FDD)操作之间切换。例如，在一些实施例中，AESA可以在多倍频程(multiple octaves)上在TDD操作与FDD操作之间切换。在一些实施例中，收发机110与阵列元件180a-180n之间的部件在本文中可称为馈送部分。
如图1中所示，收发机110耦合至一个或多个放大器112、114。在一些实施例中，第一放大器112可以被配置用于发送操作，第二放大器114可以被配置用于接收操作。应当理解的是，在一些实施例中，AESA 100可以不包括放大器112、114。在其他实施例中，AESA 100可以包括耦合在收发机110与第一模式切换级120之间的单个放大器。
放大器112、114耦合至第一模式切换级120中的至少一个射频(RF)开关122、124。第一放大器112耦合至第一RF开关122，第二放大器114耦合至第二RF开关124。第一RF开关和第二RF开关122、124可以被配置为形成模式切换布置的第一部分(具有第二模式切换级140)，以将AESA100在TDD模式与FDD模式之间切换，并且反之亦然，如将参考图2更详细地讨论的。
第一RF开关和第二RF开关122、124可以耦合至滤波器切换级130中的第三RF开关132或者多个滤波器134、135、136中的一个。例如，在TDD模式中，第一放大器和第二放大器122、124中的每一个可以耦合至第三RF开关132。第三RF开关132可以耦合至第三滤波器135或者多个滤波器中的一个滤波器。第三滤波器135可以被配置为对TDD模式的信号进行滤波。第三滤波器135可以耦合至分路器-组合器电路138，其针对发送操作被配置为将来自第三滤波器135的输出分成两个或更多个信号，以将所述两个或更多个信号提供至第二模式切换级140中的RF开关142、144。可替代地，针对接收操作，分路器-组合器电路138可以被配置为组合来自第二模式切换级140的信号并将它们提供至第三滤波器135。
在FDD模式中，第一RF开关122可以耦合至第一滤波器134，并且第二RF开关124可以耦合至第二滤波器136。在一个实施例中，第一滤波器134可以被配置为发送滤波器，并且第二滤波器136可以配置为接收滤波器。例如，在FDD模式中，第一RF开关122可以通过第一滤波器134建立用于发送功能的信号路径，并且第二RF开关124可以通过第二滤波器136建立用于接收功能的信号路径。应当理解的是，在一些实施例中，可以至少部分地基于交叉切换级150和/或分路器-组合器级160的布置来交换发送路径和接收路径，这将在下文参考图2更加详细地讨论。
仍然参考FDD模式，第一滤波器和第二滤波器134、136可以耦合至第二模式切换级140中的RF开关142、144。例如，第一滤波器134可以耦合至第四RF开关142，并且第二滤波器136可以耦合至第五RF开关144。如上所述，在TDD模式中，分路器-组合器电路138可以耦合至第四RF开关和第五RF开关142、144。
在TDD和FDD模式两者中，第二模式切换级140耦合至交叉切换级150。例如，第四RF开关142耦合至第六RF开关152，并且第五RF开关144耦合至第七RF开关154。
交叉切换级150可以被配置为将阵列元件180a-180n的一部分从一个功能交换到另一个功能，并且因此将AESA 100内的一个或多个信号路径从一个功能交换到第二、不同的功能。例如，交叉切换级150可以被配置为将阵列元件180a-180n的第一部分从执行发送功能交换到执行接收功能，和/或将阵列元件180a-180n的第二、不同的部分从接收功能交换到发送功能。交叉切换级150包括多个RF开关152、154、156、158，以交换AESA 100内的一个或多个信号路径。
在交叉切换级150中，第六RF开关152耦合至第八RF开关156和第九RF开关158。第七RF开关154耦合至第八RF开关156和第九RF开关158。在一些实施例中，第八RF开关156和第九RF开关158可以被设置在AESA 100内的不同的信号路径上。因此，第六RF开关和第七RF开关152、154可以从第八RF开关156和第九RF开关158中的每一个接收和/或发送至第八RF开关156和第九RF开关158中的每一个，从而改变信号在AESA 100内被接收和/或发送的路径。将在下文参考图3更详细地描述交叉切换级150。
交叉切换级150耦合至分路器-组合器级160。分路器-组合器级160可以包括一个或多个分路器-组合器电路162、164、168a-168n，其用于分开和/或组合由阵列元件180a-180n发送和/或在阵列元件180a-180n处接收的信号。
例如，第八RF开关156耦合至第二分路器-组合器电路162，并且第九RF开关158耦合至第三分路器-组合器电路164。第二分路器-组合器电路162可以针对发送操作而被配置为将来自第八RF开关156的输出分成两个或更多个信号，从而将所述两个或更多个信号提供至一个或多个分路器-组合器电路168a-168n。可替代地，针对接收操作，第二分路器-组合器电路162可以被配置为组合从一个或多个分路器-组合器电路168a-168n接收的信号，并将所述信号提供至第八RF开关156。
第三分路器-组合器电路164可以针对发送操作而被配置为将来自第九RF开关158的输出分成两个或更多个信号，从而将所述两个或更多个信号提供至一个或多个分路器-组合器电路168a-168n。可替代地，针对接收操作，第三分路器-组合器电路164可以被配置为组合从一个或多个分路器-组合器电路168a-168n接收的信号，并将所述信号提供至第九RF开关158。
针对发送操作，分路器-组合器电路168a-168n可以将信号分成两个或更多个信号，从而将所述两个或更多个信号提供至阵列元件180a-180n的一个或多个子阵列172a-172n。针对接收操作，第二分路器-组合器电路和第三分路器-组合器电路162、164中的每一个可以从一个或多个分路器-组合器电路168a-168n接收信号。分路器-组合器电路168a-168n可以组合从阵列元件180a-180n的一个或多个子阵列172a-172n接收的信号，并且将它们提供至第二分路器-组合器电路和第三分路器-组合器电路162、164。
阵列元件180a-180n可以组织成一个或多个子阵列172a-172n。尽管图1示出了组织成四个子阵列172a-172n的阵列元件180a-180n，但是应当理解的是，阵列元件180a-180n可以至少部分地基于AESA 100的特定应用而被组织成任何数量的子阵列(例如，两个或更多个子阵列)。
例如，AESA 100可以包括两个或更多个子阵列172a-172n。在一些实施例中，AESA100可以包括两个子阵列。在其他实施例中，AESA 100可以包括两个或更多个子阵列172a-172n。每个子阵列172a-172n可以包括一个或多个阵列元件180a-180n。在一些实施例中，每个子阵列172a-172n可以包括两个或更多个阵列元件180a-180n。在一个实施例中，每个子阵列172a-172n可以包括单个阵列元件180。在一些实施例中，每个子阵列172a-172n可以包括相同数量的阵列元件180a-180n。在其他实施例中，不同的子阵列172a-172n可以包括不同数量的阵列元件180a-180n。
在一些实施例中，阵列元件180a-180n可以包括多个有源元件(例如，辐射天线元件)或多组有源元件。在其他实施例中，阵列元件180a-180n可以包括多个无源元件或多组无源元件。在其他实施例中，阵列元件180a-180n可以包括有源和无源元件的组合或者具有有源和无源元件的组合的多组元件。
应当理解的是，阵列元件180a-180n并且因此AESA 100可以被配置用于多个极化。例如，阵列元件180a-180n并且因此AESA 100可以被配置用于竖直和/或水平偏振。在一些实施例中，开关网络104可以被配置为改变AESA 100的极化。例如，在一些实施例中，AESA100的元件可以至少部分地基于开关网络104内的耦合而被配置用于第一极化或第二不同极化(例如，水平极化、竖直极化)。在另一个实施例中，可以复制AESA 100以同时操作多个极化。
应当理解的是，AESA 100的组件之间的耦合中的每个耦合可以被配置为输出和/或输入。例如，根据操作模式(例如，发送操作、接收操作)，所述耦合中的每个耦合可以被配置为将信号接收至或者将信号发送至AESA 100中的另一个组件。
在一些实施例中，AESA 100可以不包括交叉切换级150。例如，并且简要地参考图1A，AESA 100'包括耦合至第一放大器112'和第二放大器114'的收发机110'。第一放大器112'和第二放大器114'可以耦合至第一模式切换级120'，第一模式切换级120'可以耦合至滤波器切换级130'，滤波器切换级130'可以耦合至第二模式切换级140'，第二模式切换级140'可以耦合至分路器-组合器级160'，分路器-组合器级160'可以耦合至阵列元件180a-180n'。第一模式切换级120'、滤波器切换级130'、第二模式切换级140'、和分路器-组合器级160'的组件中的每个组件可以与图1的AESA 100的第一模式切换级120、滤波器切换级130、第二模式切换级140、和分路器-组合器级160的组件相同或大体相似。
现在参考图2-4，更加详细地讨论了AESA 100的切换级中的每个切换级，因此提供了具有如上文关于图1所描述的相同参考标记的相同元件。
现在参考图2，滤波器切换级130以及第一模式切换级和第二模式切换级120、140可以被配置为将AESA 100在TDD模式与FDD模式之间切换，并且反之亦然，并因此将阵列元件180a-180n在TDD操作与FDD操作之间切换。在一些实施例中，滤波器切换级130以及第一模式切换级和第二模式切换级120、140可以被配置为将阵列元件180a-180n在发送功能与接收功能之间切换，并且反之亦然。
在TDD模式中，滤波器切换级130以及第一模式切换级和第二模式切换级120、140可以被配置为将AESA 100在发送功能与接收功能之间切换，并因此将阵列元件180a-180n在发送功能与接收功能之间切换，并且反之亦然。例如，在TDD模式中，阵列元件180a-180n中的每个阵列元件可以被配置用于TDD操作。然而，阵列元件180a-180n可以根据特定时间段而在执行发送功能和/或接收功能之间被切换。例如，在TDD模式中，在第一时间段，阵列元件180a-180n可以被配置为用于发送功能的发送阵列元件，并且在第二不同时间段，阵列元件180a-180n可以被配置为用于接收功能的接收阵列元件。因此，在一个实施例中，在TDD模式中，阵列元件180a-180n的完整阵列可以用于发送功能或接收功能。
在FDD模式中，阵列元件180a-180n的子阵列可以被配置为发送阵列元件、接收阵列元件、或隔离阵列元件。滤波器切换级130以及第一模式切换级和第二模式切换级120、140可以相耦合，以使得阵列元件180a-180n的部分(例如，子阵列)被配置用于不同的功能。因此，在FDD模式中，AESA 100可以同时执行发送功能、接收功能、和/或隔离功能。
例如，并简要参考图2A，第一子阵列210可以被配置为发送阵列元件，第二子阵列220可以被配置为隔离阵列元件，第三子阵列230可以被配置为接收阵列元件。
可以至少部分地基于AESA 100的特定应用来对子阵列210、220、230中的每一个中的阵列元件180a-180n的子阵列大小并且因此对数量进行选择、形成、和/或调整大小。例如，每个子阵列210、220、230可以具有相同的大小并且具有相同数量的阵列元件180a-180n。在一些实施例中，具有发送阵列元件的子阵列210可以大于子阵列220或子阵列230以优化波束发送特性。在其他实施例中，具有接收阵列元件的子阵列230可以大于子阵列210和/或子阵列220以优化接收特性。在其他实施例中，具有隔离阵列元件的子阵列220可以大于子阵列210或子阵列230。例如，可以修改子阵列220以增加或减少发送阵列元件与接收阵列元件之间的隔离。
参考回图2，第一模式切换级120包括第一RF开关和第二RF开关122、124。第一RF开关和第二RF开关122、124中的每一个可以包括多路开关。例如，在图2的说明性实施例中，第一RF开关和第二RF开关122、124中的每一个可以包括具有三个端子的单刀双掷(SP2T)开关，以使得第一端子可以根据AESA 200的操作模式(例如，TDD，FDA)而耦合至第二端子或第三端子之一。
例如，第一RF开关122可以包括三个端子，以使得第二端子122b可以在FDD模式期间将第一端子122a耦合至第一滤波器组134，并且第三端子122c可以在TDD模式期间将第一端子122a耦合至第三RF开关132的第二端子132b。
第二RF开关124可以包括三个端子，以使得第二端子124b可以在TDD模式期间将第一端子124a耦合至第三RF开关132的第三端子132c，并且第三端子124c可以在FDD模式期间将第一端子124a耦合至第二滤波器组136。
第三RF开关132可以是具有三个端子的三路开关(例如，单刀双掷(SP2T)开关)，其使得第一端子132a可以根据在TDD模式期间阵列元件180a-180n的期望功能(例如，发送，接收)而耦合至第二端子132b或第三端子132c之一。例如，第三RF开关132可以在TDD模式期间交换AESA 100内的信号路径以将阵列元件180a-180n在发送功能与接收功能之间转换。在一些实施例中，第一端子132a可以将第二端子132b耦合至第三滤波器135，以将阵列元件180a-180n配置用于发送功能。为了将阵列元件180a-180n配置为用于接收功能，第一端子132a可以将第三端子132c耦合至第三滤波器135。
第三滤波器135可以耦合至分路器-组合器电路138。分路器-组合器电路138可以针对发送操作而被配置为将来自第三滤波器135的输出分成两个或更多个信号，以将所述两个或更多个信号提供至第二模式切换级140中的RF开关142，144。可替代地，针对接收操作，分路器-组合器电路138可以被配置为组合来自第二模式切换级140的信号并且将它们提供至第三滤波器135。
第三滤波器135耦合至分路器-组合器电路138以基于操作模式来接收信号或发送信号。例如，在TDD模式中并且针对转换操作中，第三滤波器135可以将从收发机110接收(经由第一模式切换级120)的信号发送至分路器-组合器电路138。分路器-组合器电路138可以将来自收发机110的信号提供至第四RF开关和第五RF开关142、144。针对接收操作，分路器-组合器电路138可以从第四RF开关和第五RF开关142、144中的一者或两者接收信号，并将它们发送至第三滤波器135。
第二模式切换级140耦合至滤波器切换级130。第二模式切换级140包括第四RF开关和第五RF开关142、144。第四RF开关和第五RF开关142、144可以包括多路开关，例如单刀双掷(SP2T)开关。例如，在图2的说明性实施例中，第四RF开关和第五RF开关142、144中的每一个可以包括具有三个端子的三路开关，其使得第一端子可以根据AESA 100的操作模式(例如，TDD，FDD)而将第二端子或第三端子耦合至交叉切换级150中的另一个RF开关。
例如，第四RF开关142可以包括三个端子，其使得第一端子142a可以在FDD模式期间将第二端子142b耦合至第六RF开关152的第一端子152a，并且第一端子142a可以在TDD模式期间将第三端子142c耦合至第六RF开关152的第一端子152a。
第五RF开关144可以包括三个端子，其使得第一端子144a可以在TDD模式期间将第二端子144b耦合至第七RF开关154的第一端子154a，并且第一端子144a可以在FDD模式期间将第三端子144c耦合至第七RF开关154的第一端子154a。
应当理解的是，在一些实施例中，滤波器134、135、和/或136中的每个可以包括多个滤波器。例如并且简要参考图2B，在一些实施例中，滤波器130'可以包括被设置在两个RF开关133、139之间的多个滤波器137a-137n(例如，滤波器组)。例如，滤波器137a-137n可以包括与RF开关133、139并联设置的滤波器组。RF开关133、139可以包括多路开关，例如，单刀多掷开关(SPMT)。RF开关133、139中的每一个可以包括第一端子，该第一端子可以耦合至多个其他端子(N个端子)中的一个，以将相应的RF开关耦合至滤波器137a-137n的至少一个滤波器。在一些实施例中，滤波器137a-137n可以包括一个或多个可调滤波器。
现在参考图3，交叉切换级150包括多个RF开关，其用于将阵列元件180a-180n的一个或多个子阵列在发送操作和/或接收操作之间切换。所述子阵列可以在不同功能之间被交换以降低耦合并降低泄漏因子。在一些实施例中，交叉切换级150可以提供较大的灵活性并且允许在全波束引导上优化隔离。
例如并且简要参考图3A，第一AESA配置302可以包括具有发送阵列元件的第一子阵列310、具有隔离阵列元件的第二子阵列320、以及具有接收阵列元件的第三子阵列330。在实施例中，可以修改交叉切换级150中的一个或多个RF开关中的耦合布置以交换第一子阵列310和第三子阵列330从而形成第二AESA配置304。例如，由于由相应的AESA生成的波束从一侧转向到另一侧，子阵列310、320、330可以交换以改善发送阵列元件与接收阵列元件之间的隔离和/或减少可能在大的波束转向角处发生的泄漏因子。
在一些实施例中，可以交换子阵列310、320、330的部分以调整相应子阵列的大小。例如，子阵列320的一部分可以交换到子阵列310和/或子阵列330以减小子阵列320的大小。在其他实施例中，子阵列310和/或子阵列330的一部分可以交换到子阵列320以增加子阵列320的大小。在一些实施例中，可以在相应AESA的有效操作期间交换子阵列。
返回参考图3，交叉切换级150包括第六RF开关152、第七RF开关154、第八RF开关156和第九RF开关158。RF开关152、154、156、158中的每一个可以包括多路开关。例如，在图3的说明性实施例中，RF开关152、154、156、158中的每一个可以包括具有三个端子的三路开关，例如单刀双掷(SP2T)开关。每个RF开关152、154、156、158的端子可以耦合，使得信号路径在它们之间交叉。
例如，第六RF开关152包括三个端子。在一些实施例中，所述端子可以相耦合以使得第一端子152a耦合至第二模式切换级140中的第四RF开关142，第二端子152b耦合至第八RF开关156，并且第三端子152c耦合至第九RF开关158。第六RF开关152可以被配置为根据第一端子152a的位置来在第八RF开关和第九RF开关156、158之间的连接之间交换，以将阵列元件180a-180n的一个或多个子阵列172a-172n在发送操作与接收操作之间交换。例如，当第一端子152a耦合至第二端子152b时，第六RF开关152耦合至第八RF开关156以发送或接收信号。当第一端子152a耦合至第三端子152c时，第六RF开关152耦合至第九RF开关158以发送或接收信号。因此，取决于第一端子152a是耦合至第二端子152b还是第三端子152c，第六RF开关152可以被配置为从第八RF开关156还是第九RF开关158发送或接收信号。
第七RF开关154包括三个端子。在一些实施例中，端子可以相耦合以使得第一端子154a耦合至第二模式切换级140中的第五RF开关144，第二端子154b耦合至第八RF开关156，并且第三端子154c耦合至第九RF开关158。第七RF开关154可以被配置为根据第一端子154a的位置来在第八RF开关和第九RF开关156、158之间的连接之间交换，以将阵列元件180a-180n的一个或多个子阵列172a-172n在发送操作与接收操作之间交换。例如，当第一端子154a耦合至第二端子154b时，第七RF开关154耦合至第八RF开关156以发送或接收信号。当第一端子154a耦合至第三端子154c时，第七RF开关154耦合至第九RF开关158以发送或接收信号。因此，取决于第一端子154a是耦合至第二端子154b还是第三端子154c，第七RF开关154可以被配置为从第八RF开关156还是第九RF开关158发送或接收信号。
第八RF开关156耦合至第二分路器-组合器电路162，第九RF开关164耦合至第三分路器-组合器电路164。针对发送操作，第八RF开关156和第九RF开关158可以分别将信号发送至第二分路器-组合器电路162和第三分路器-组合器电路164。针对接收操作，第八RF开关156和第九RF开关158可以分别将信号接收至第二分路器-组合器电路162和第三分路器-组合器电路164。
现在参考图4，阵列元件480可以是单位单元400的一部分。单位单元400可以包括信号路径402，其具有耦合至衰减器420的馈送端口415，衰减器420耦合至调相器(phasor)430，调相器430耦合至天线端口435，并且天线端口435耦合至阵列元件480。应当理解的是，阵列元件480可以与上文参考图1-3描述的阵列元件180a-180n相同或大体上相似。因此，阵列元件180a-180n中的每个可以耦合至或者包括诸如单位单元400之类的单位单元，以执行与下文将描述的功能相同的功能。
馈送端口415和天线端口435可以包括用于控制操作和/或将相应阵列元件480的功能在发送操作、接收操作、或隔离操作之间改变的组件。例如并且在图4的说明性实施例中，馈送端口415包括耦合至衰减器420和第一负载412的RF开关410(下文称为第十RF开关410)，并且天线端口435包括耦合至第二负载442和阵列元件480的RF开关440(下文中称为第十一RF开关440)。
馈送端口415和天线端口435的第十RF开关和第十一RF开关410、440可以被配置为将耦合至信号路径402的阵列元件480的功能从发送功能或接收功能改变为隔离功能。在实施例中，在隔离中，相应的阵列元件480可以被配置为无源元件，并因此不执行发送功能或接收功能。第十RF开关和第十一RF开关410、440可以分别将馈送部分和/或阵列元件480与信号路径402断开，以有效地隔离馈送部分和/或阵列元件480。因此，在馈送部分和/或阵列元件480处接收的信号被提供至第一负载或第二负载412、442而不被提供至信号路径402。
例如，第十RF开关和第十一RF开关410、440可以包括具有多个端子的多路开关。在实施例中，基于第十RF开关和第十一RF开关410、440中的端子的布置，单位单元400的馈送部分和/或阵列元件480可以耦合至信号路径402或者从信号路径402断开。
在图4的说明性实施例中，第十RF开关和第十一RF开关410、440可以包括具有三个端子的三路开关，例如，单刀双掷(SP2T)开关。第十RF开关410的第一端子可以耦合至分路器/组合器电路(例如，图1的组合器电路168)以将馈送耦合至信号路径402。第十RF开关410的第一端子可以从分路器/组合器电路接收信号以进行发送操作，或将信号发送至分离器/组合器电路以进行接收操作。第一端子可以在到第二端子或第三端子的连接之间被切换以改变阵列元件480的功能。针对发送功能或接收功能，第一端子可以耦合至第二端子以将馈送端口415耦合至信号路径402。针对隔离功能，第一端子可以耦合至第一负载412以将馈送端口415与信号路径402断开。
第十一RF开关440的第一端子可以耦合至调相器430以将信号发送至调相器430以用于接收操作，或者从调相器430接收信号以用于发送操作。第一端子可以在到第二端子或第三端子的连接之间被切换以改变阵列元件480的功能。针对发送功能或接收功能，第一端子可以耦合至第二端子以将天线端口435耦合至信号路径402。针对隔离功能，第一端子可以耦合至第二负载442以将天线端口435与信号路径402断开。
因此，第十RF开关和第十一RF开关410、440中的每一个的第一端子可以耦合至负载412、442，以将阵列元件480配置为阵列元件的子阵列内的隔离单元。在实施例中，馈送端口415或天线端口435中的至少一个可以耦合至第一负载或第二负载412、442，以将阵列元件480配置为隔离单元。在一些实施例中，馈送端口415和天线端口442两者都可以耦合至第一负载和第二负载412、442，以将阵列元件480配置为隔离单元。在一些实施例中，隔离功能可用于增加被配置为发送功能的阵列元件与被配置用于接收功能的阵列元件之间的隔离。
衰减器420和调相器430可以被设置在馈送端口415与天线端口435之间的信号路径402上，以修改在阵列元件480处接收或发送的信号的属性。例如，衰减器420可以被配置为修改或以其他方式减小通过信号路径402传输的信号的幅度或功率。衰减器420可以包括任何已知的衰减器设备。在一些实施例中，衰减器420可以包括一个或多个电阻元件。调相器430可以被配置为修改通过信号路径402发送的信号的相位属性。调相器430可以包括任何已知的相移或时延设备。在一些实施例中，调相器430可以与衰减器420结合使用，以调制由阵列元件480发送的本地载波信号。
第一负载和第二负载412、442可以包括终端连接或端子负载连接(例如，50Ω负载)。因此，第一负载和第二负载412、442可以提供电端子并将阵列元件480配置为隔离阵列元件。在实施例中，当相应的阵列元件480耦合至第一负载和第二负载412、442时，阵列元件可以被配置为无源元件。
应当理解的是，单位单元400可以包括发送增益级和/或接收增益级和/或用于在发送功能和接收功能之间切换的一个或多个RF开关。例如，图4A和4B示出了用于实现单位单元400的不同的实施例。图4A提供了一个单位单元400'，图4B提供了单位单元400”。单位单元400'、400”中的每个可以包括与图4的单位单元400类似的元件。因此，具有类似数字参考标记的单位单元400'、400”中的元件(例如，天线端口415、415'，415”)可以是相同或大体上相似的，并且执行与参考图4描述的单位单元400的相关元件相同或相似的功能。
现在参考图4A，阵列元件480'耦合至单位单元400'。单位单元400'包括信号路径402'，其具有耦合至衰减器420'的馈送端口415'。馈送端口415'可以包括RF开关410'，其具有耦合至信号路径402'的第一端子、耦合至衰减器420'的第二端子、和耦合至负载412'的第三端子。衰减器420'耦合至调相器430'，调相器430'耦合至RF开关450'的第一端子。RF开关450'的第二端子可以耦合至第一放大器452'的输入端，并且RF开关450'的第三端子可以耦合至第二放大器454'的输出端。第一放大器452'的输出端可以耦合至RF开关456'的第二端子，第二放大器454'的输入端可以耦合至RF开关456'的第三端子。RF开关456'的第一端子可以耦合至天线端口435'，并且天线端口435'耦合至阵列元件480'。天线端口435包括RF开关440'，其具有耦合至RF开关456'的第一端子的第二端子，耦合至负载442'的第三端子、以及耦合至阵列元件480'的第一端子。
应当理解的是，阵列元件480'可以与上文参考图1-3描述的阵列元件180a-180n相同或大体上相似。因此，阵列元件180a-180n中的每一个可以耦合至或包括诸如单位单元400'之类的单位单元，以执行与下文将描述的功能相同的功能。
现在参考图4B，阵列元件480”耦合至单位单元400”。单位单元400”包括信号路径402”，其具有耦合至衰减器420”的馈送端口415”。馈送端口415”可以包括RF开关410”，其具有耦合至信号路径402”的第一端子，耦合至衰减器420”的第二端子、和耦合至负载412”的第三端子。衰减器420”耦合至调相器430”，调相器430”耦合至RF开关450”的第一端子。RF开关450”的第二端子可以耦合至第一放大器452”的输入端，并且RF开关450”的第三端子可以耦合至第二放大器454”的输出端。第一放大器452”的输出端可以耦合至天线端口435”，第二放大器454”的输入端可以耦合至天线端口435”。天线端口435”包括RF开关440”，其具有耦合至第一放大器452”的输出端的第二端子、耦合至负载442”的第三端子、耦合至第二放大器454”的输入端的第四端子、以及耦合至阵列元件480”的第一端子。
应当理解的是，阵列元件480”可以与上文参考图1-3描述的阵列元件180a-180n相同或大体上相似。因此，阵列元件180a-180n中的每一个可以耦合至或包括诸如单位单元400”之类的单位单元，以执行与下文将描述的功能相同的功能。
现在参考图5，用于将AESA在TDD模式与FDD模式之间切换的方法500通过提供被配置为操作用于TDD操作和FDD操作的多个阵列元件以框502开始。AESA可以包括两个或更多个阵列元件。所述阵列元件可以组织成两个或更多个子阵列。在一些实施例中，子阵列可以包括多个阵列元件。在其他实施例中，子阵列可以包括单个阵列元件。
阵列元件中的每个阵列元件可以至少部分地基于设置在阵列元件与AESA的收发机之间的开关网络中的开关的配置而被配置用于TDD操作或FDD操作。开关网络可以包括一个或多个交换级，其用于改变阵列元件的操作模式，将子阵列从第一功能交换到第二不同功能，和/或将特定阵列元件的功能在发送功能、接收功能、或隔离功能之间改变。开关网络可以包括一个或多个模式切换级、滤波器切换级、和交叉切换级，其中每个都被设置在收发机与阵列元件之间的一个或多个信号路径上。
在一些实施例中，滤波器切换级可以被设置在第一模式切换级和第二模式切换级之间。第一模式切换级和第二模式切换级可以包括具有多个端子的一个或多个RF开关。RF开关中的每个RF开关可以被配置为改变相应RF开关的端子之间的耦合以改变AESA内的信号路径。
在框504处，多个阵列元件可以从TDD模式切换到FDD模式和/或从FDD模式切换到TDD模式。在一个实施例中，可以改变第一模式切换级和/或第二模式切换级以及滤波器切换级中的端子耦合，以将阵列元件从TDD模式切换到FDD模式和/或从FDD模式切换到TDD模式。例如，第一模式切换级和第二模式切换级中的RF开关可以具有用于TDD模式的第一耦合布置和用于FDD模式的第二耦合布置。因此，为了将阵列元件从TDD模式转换到FDD模式或反之亦然，可以改变第一模式切换级和/或第二模式切换级的RF开关中的耦合布置。
滤波器切换级可以包括RF开关、多个滤波器组、和分路器-组合器电路。在TDD模式中，RF开关可以具有用于发送功能的第一耦合布置和用于接收功能的第二耦合布置。在TDD模式期间，RF开关可以耦合至第一模式切换级中的至少两个RF开关。可以在TDD模式期间改变RF开关中的耦合布置，以将阵列元件的功能从发送功能改变为接收功能和/或从接收功能改变为发送功能。
RF开关可以耦合至滤波器组，并且滤波器组可以耦合至分路器-组合器电路。在TDD模式和发送功能期间，RF开关可以将信号提供至滤波器组，并且滤波器组可以将所述信号提供至分路器-组合器电路。在TDD模式和接收功能期间，分路器-组合器电路将信号提供至滤波器组，并且滤波器组可以将所述信号提供至RF开关。
在FDD模式中，滤波器切换级中的滤波器组中的两个可以各自耦合至第一模式切换级中的RF开关和第二模式切换级中的RF开关。第一滤波器组可以被设置在AESA内的发送信号路径上，第二滤波器组可以被设置在AESA内的接收信号路径上。因此，在FDD模式中，部分阵列元件可以执行发送功能，并且部分阵列元件可以同时执行接收功能。
在框506处，转换多个阵列元件中的一个或多个可以从发送元件、接收元件、或隔离元件中的至少一个转换。在开关网络中，第二模式切换级可以耦合至交叉切换级。交叉切换级可以包括多个RF开关，其具有耦合至AESA内的交叉信号路径的端子。
交叉切换级的每个RF开关可以包括多个耦合布置，其用于交换AESA内的信号路径，并且因此将阵列元件的部分从第一功能交换到第二不同功能(例如，发送功能，接收功能)。例如，在一些实施例中，交叉切换级可以包括四个RF开关。第一RF开关和第二RF开关可以耦合至第二模式切换级中的开关。第一RF开关和第二RF开关中的每一个可以基于相应RF开关内的耦合布置而耦合至交叉切换级中的第三RF开关和第四RF开关。第三RF开关和第四RF开关可以耦合至至少一个分路器-组合器电路。
在实施例中，交叉切换级中的RF开关中的每个可以具有第一耦合布置，其用于配置阵列元件的第一子阵列用于第一功能以及配置阵列元件的第二子阵列用于第二功能。交叉切换级中的RF开关中的每个可以具有第二耦合布置，其用于配置阵列元件的第一子阵列用于第二功能以及阵列元件的第二子阵列用于第二功能。因此，为了将阵列元件的子阵列从第一功能转换到第二功能和/或反之亦然，可以改变交叉切换级的RF开关中的耦合布置。
在一些实施例中，可以修改各个阵列元件以改变相应阵列元件的功能。例如，阵列元件中的每个阵列元件可以是单位单元的一部分或者包括单位单元。单位单元可以包括信号路径，该信号路径具有耦合至幅度单元(例如，衰减器)的馈送端口，幅度单元耦合至相位单元(例如，调相器)，相位单元耦合至天线端口，并且天线端口耦合至相应的阵列元件。在一些实施例中，单位单元可以被配置为将阵列元件从有源元件(例如，发送功能，接收功能)改变为无源元件(例如，隔离功能)，并且从无源元件改变为有源元件。
馈送端口和天线端口可以包括诸如RF开关和负载单元之类的组件，以控制操作和/或将相应阵列元件的功能在发送功能、接收功能、或隔离功能之间改变。馈送端口中的RF开关可以具有第一耦合布置，其用于将馈送端口耦合至单位单元内的信号路径；以及第二耦合布置，其用于将馈送端口耦合至负载单元，从而将馈送端口与信号路径断开。天线端口中的RF开关可以具有第一耦合布置，其用于将天线端口耦合至单位单元内的信号路径；以及第二耦合布置，其用于将天线端口耦合至负载单元，从而将天线端口与信号路径断开。
在一些实施例中，馈送端口和天线端口两者中的RF开关都可以耦合至负载单元，以将相应的阵列元件从有源元件转换成无源元件。在其他实施例中，馈送端口或天线端口之一中的RF开关可以耦合至负载单元，以将相应的阵列元件从有源元件转换成无源元件。
馈送端口和天线端口两者中的RF开关都可以耦合至信号路径，以将相应的阵列元件从无源元件转换成有源元件。应当理解的是，在一些实施例中，当阵列元件被转换成无源元件时，它可以执行隔离功能，并因此在本文中被称为隔离阵列元件。例如，隔离阵列元件可用于提供AESA中的发送阵列元件与接收元件之间的隔离。
在一些实施例中，可以修改在相应阵列元件处接收或由相应阵列元件发送的信号的幅度和/或相位属性。例如，馈送端口和天线端口中的RF开关可以耦合至信号路径，并且信号可以在收发机与相应的阵列元件之间传递。信号路径可以包括幅度单元、相位单元或两者。幅度单元可以被配置为调整信号的幅度属性，例如，以执行幅度逐渐缩小。相位单元可以被配置为调整相位属性，例如，用于波束引导。
针对发送功能，信号可以由收发机生成，通过AESA的开关网络传递、并且被提供至馈送端口。馈送端口可以将所述信号提供至幅度单元。所述幅度单元可以修改(例如，增加，减小)信号的幅度属性，并将幅度经修改的信号提供至相位单元。相位单元可以修改(例如，增加，减少)信号的相位属性并将所述信号提供至天线端口。天线端口可以将所述信号提供至相应阵列元件以供发送。
针对接收功能，可以通过天线端口将在阵列元件处接收的信号提供至信号路径。信号路径上的相位单元可以被配置为修改相应信号的相位属性并将信号提供至幅度单元。幅度单元可以修改信号的幅度属性，并将幅度经修改的信号提供至馈送端口。馈送端口可以将所述信号提供至开关网络的组件以将所述信号发送至收发机。
在一些实施例中，信号路径可以仅包括幅度单元或相位单元。在其他实施例中，信号路径可以包括用于修改信号的属性的其他单元或元件，例如但不限于放大器单元。
在已经描述了用于说明作为本专利的主题的各种概念、结构、和技术的优选实施例之后，现在将变得显而易见的是，可以使用包含这些概念、结构、和技术的其他实施例。由此，认为该专利的范围不应限于所描述的实施例，而是应仅由所附权利要求的精神和范围来限制。

Claims (20)

1.一种有源电子扫描阵列(AESA)，包括：
多个阵列元件，所述多个阵列元件中的每个阵列元件被配置用于时分双工(TDD)操作和频分双工(FDD)操作；以及
开关网络，其耦合至所述多个阵列元件，所述开关网络具有多个级以将所述多个阵列元件中的一个或多个阵列元件在TDD模式与FDD模式之间切换，其中，所述开关网络包括第一模式切换级和第二模式切换级以及交叉切换级。
2.如权利要求1所述的阵列，其中，所述开关网络还包括滤波器组切换级，所述滤波器组切换级被设置在所述第一模式切换级与所述第二模式切换级之间的信号路径上。
3.如权利要求1所述的阵列，还包括：所述多个阵列元件中的每个阵列元件被配置为作为发送元件、接收元件、或隔离元件中的至少一个来操作。
4.如权利要求1所述的阵列，还包括：在所述TDD模式中，所述多个阵列元件中的每个阵列元件被配置为作为发送元件和接收元件来操作。
5.如权利要求1所述的阵列，还包括：在所述FDD模式中，所述多个阵列元件的第一部分被配置为作为发送元件来操作，所述多个阵列元件的第二部分被配置为作为接收元件来操作，以及所述多个阵列元件的第三部分被配置为作为隔离元件来操作。
6.如权利要求5所述的阵列，还包括：所述开关网络耦合至所述多个阵列元件以使得所述隔离元件被设置在所述发送元件与所述接收元件之间。
7.如权利要求1所述的阵列，其中，所述第一模式切换级和所述第二模式切换级包括被设置在通过所述AESA的至少两个信号路径上的一个或多个射频(RF)开关。
8.如权利要求7所述的阵列，其中，所述滤波器组切换级包括耦合至在所述第一模式切换级和所述第二模式切换级中的所述一个或多个RF开关的FDD发送滤波器组、FDD接收滤波器组以及TDD滤波器组。
9.如权利要求1所述的阵列，其中，所述交叉切换级包括两个或更多个射频(RF)开关，所述两个或更多个RF开关被布置成使得通过所述AESA的两个信号路径交叉。
10.如权利要求1所述的阵列，还包括：所述多个阵列元件中的每个阵列元件具有馈送端口、天线端口、幅度单元、相位单元以及一个或多个负载单元。
11.如权利要求10所述的阵列，还包括：所述馈送端口和所述天线端口耦合至所述一个或多个负载单元以将相应的阵列元件转换成隔离元件。
12.一种用于将有源电子扫描阵列(AESA)在时分双工(TDD)模式与频分双工(FDD)模式之间切换的方法，所述方法包括：
提供多个阵列元件，所述多个阵列元件中的每个阵列元件被配置用于时分双工(TDD)操作和频分双工(FDD)操作；
将所述多个阵列元件在TDD模式与FDD模式之间切换；以及
响应于切换到所述TDD模式或所述FDD模式，将所述多个阵列元件中的一个或多个阵列元件转换成发送元件、接收元件或隔离元件中的至少一个。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：开关网络具有多个级以将所述多个阵列元件在所述TDD模式与所述FDD模式之间切换，其中，所述开关网络包括第一模式切换级和第二模式切换级、交叉切换级以及滤波器组切换级。
14.如权利要求12所述的方法，还包括：在所述TDD模式中，对所述多个阵列元件中的、被配置为作为发送元件和接收元件来操作的每个阵列元件进行转换。
15.如权利要求12所述的方法，还包括：在所述FDD模式中，对所述多个阵列元件的、被配置为作为发送元件来操作的第一部分，所述多个阵列元件的、被配置为作为接收元件来操作的第二部分，以及所述多个阵列元件的、被配置为作为隔离元件来操作的第三部分进行转换。
16.如权利要求14所述的方法，还转换所述多个阵列元件以使得所述隔离元件被设置在所述发送元件与所述接收元件之间。
17.如权利要求12所述的方法，还包括：修改所述第一模式切换级和所述第二模式切换级内的耦合，以将所述多个阵列元件从TDD操作改变为FDD操作，以及从FDD操作改变为TDD操作。
18.如权利要求12所述的方法，还包括：修改所述交叉切换级内的耦合，以将所述多个阵列元件的第一分组从发送元件转换成接收元件，以及将所述多个阵列元件的第二分组从接收元件转换成发送元件。
19.如权利要求12所述的方法，还包括：所述多个阵列元件中的每个阵列元件包括馈送端口、天线端口、幅度单元、相位单元以及一个或多个负载单元。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：将所述馈送端口和所述天线端口耦合至所述一个或多个负载单元，以将相应的阵列元件转换成所述隔离元件。
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