CN111541052A - 超超宽带aesa的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一个方面，本发明公开的发明构思涉及采用电流板阵列(CSA)波长缩放孔径的天线阵列系统。CSA波长缩放孔径可以包括与第一工作频带相关联的第一频率区域和与第二工作频带相关联的第二频率区域。第一工作频带可以包括具有被缩放以支持第一工作频带的相应多个第一单位单元的一个或多个电流板子阵列。第二工作频带可以包括具有被缩放以支持第二工作频带的相应多个第二单位单元的一个或多个电流板子阵列。CSA波长缩放孔径可以包括一个或多个电容器，每个电容器耦合到第一频率区域的相应第一单位单元和第二频率区域的相应第二单位单元。

Description

超超宽带AESA的系统和方法
背景技术
有源电子扫描阵列(AESA)系统在工作频率的相应超宽带(UWBs)上提供可靠的性能。AESA系统常用在通信系统、军事和气象雷达系统、电子情报系统，或生物或医学微波成像系统中。AESA系统经由相应的发射/接收模块(TRMs)组，利用可操作的辐射元件(或天线元件)阵列。通过独立地转向其每个天线元件，AESA系统通过与多个天线元件相关联信号的构造性累积来提供相对高的接收/传输性能。另外，由于同时使用并独立地转向相应的多个天线元件的固有能力，AESA系统内的一个或几个天线元件的单个故障对AESA系统整体的操作几乎没有影响。而且，由于它们在相应UWB内从一个操作频率跳到另一个操作频率的能力，AESA系统难以干扰。
然而，现有的ESA系统受到各种限制。例如，许多AESA系统的特征在于具有厚的孔径。例如，在典型的Vivaldi孔径中，天线元件的长度大约是在最高支持频率的波长的四倍。这种厚度对在部署平台上安装Vivaldi AESA系统所需的空间施加了约束。另外，在构建许多AESA孔径中所采用的印刷电路板(PCB)技术对可实现的最大瞬时带宽(IBW)施加了限制。而且，现有的AESA孔径拓扑可能不能提供足够的拓扑灵活性，以符合弯曲的部署平台表面。特别地，大多数现有的AESA孔径具有平面构造。此外，大多数现有的AESA孔径结构不容易扩展。这种扩展性上的缺陷增加了构造大型AESA孔径的复杂性和成本。
现有AESA系统的局限性可能阻碍在需要比现有AESA系统支持的典型UWB更宽频带的，或需要大的和/或非平面孔径的，新的通信、军事或传感系统中扩展AESA系统的使用的可能性。克服这种限制将支持这样的新系统，并且可以允许降低成本的AESA孔径。
发明内容
在一个方面，本发明公开的发明构思涉及包括高频子阵列的天线阵列系统，该高频子阵列包括被缩放以支持具有相应最大工作频率f1的第一工作频带的多个第一单位单元。第一工作频带表示天线阵列系统的全工作频带。天线阵列系统还可以包括围绕高频子阵列布置的多个中频子阵列。每个中频子阵列可以包括被缩放以支持具有小于f1的相应最大工作频率f2的第二工作频率的多个第二单位单元。天线阵列系统还可以包括一个或多个第一电容器，每个第一电容器耦合到高频子阵列的相应第一单位单元和多个中频子阵列的相应第二单位单元。天线阵列系统还可以包括围绕多个中频子阵列布置的多个低频子阵列。每个低频子阵列可以包括被缩放以支持具有小于f2的相应最高频率f3的第三工作频率的多个第三单位单元。天线阵列系统还可以包括一个或多个第二电容器，每个第二电容器耦合到多个中频子阵列中的相应第二单位单元和多个低频子阵列中的相应第三单位单元。天线阵列系统还可以包括处理器，用于控制与多个第一单位单元、多个第二单位单元和多个第三单位单元相关联的操作参数。
在一些实施例中，天线阵列系统还可以包括多个发射/接收模块(TRMs)。每个TRM可以与相应第一单位单元、相应第二单位单元或相应第三单位单元相关联。在一些实施例中，天线阵列系统还可以包括多个时间延迟单元，其中每个时间延迟单元可以与相应第一单位单元、相应第二单位单元或相应第三单位单元相关联。在一些实施例中，高频子阵列、多个中频子阵列中的每一个以及多个低频子阵列中的每一个可以与单独的印刷电路板(PCB)相关联。在一些实施例中，处理器可以被配置为激活高频子阵列、多个中频子阵列和多个低频子阵列中的至少一个，用于接收或发送无线电信号。
在一些实施例中，可以根据非平面配置来布置高频子阵列、多个中频子阵列和多个低频子阵列。在一些实施例中，一个或多个第一电容器和一个或多个第二电容器可以是非平面电容器。在一些实施例中，一个或多个第一电容器或一个或多个第二电容器可以是叉指电容器。在一些实施例中，一个或多个第一电容器或一个或多个第二电容器可以是有源电子可变电容器。
在一些实施例中，一个或多个第一电容器包括冶金地耦合到相应第一单位单元和相应第二单位单元的集总无源电容器。在一些实施例中，一个或多个第二电容器包括冶金地耦合到相应第二单位单元和相应第三单位单元的集总无源电容器。在一些实施例中，多个第一单位单元、多个第二单位单元和多个第三单位单元包括交叉偶极子。
在另一方面，本发明所公开的发明构思涉及包括高频子阵列的电流板阵列(CSA)波长缩放天线孔径，该高频子阵列包括被缩放以支持具有相应最大工作频率f1的第一工作频带的多个第一单位单元。第一工作频带表示CSA波长缩放天线孔径的全工作频带。CSA波长缩放天线孔径还可以包括围绕高频子阵列布置的多个中频子阵列。每个中频子阵列可以包括被缩放以支持具有小于f1的相应最大工作频率f2的第二工作频率的多个第二单位单元。CSA波长缩放天线孔径还可以包括一个或多个第一电容器，每个第一电容器耦合到高频子阵列的相应第一单位单元和多个中频子阵列的相应第二单位单元。CSA波长缩放天线孔径还可以包括围绕多个中频子阵列布置的多个低频子阵列。每个低频子阵列可以包括多个第三单位单元，其被缩放以支持具有小于f2的相应最高频率f3的第三工作频率。CSA波长缩放天线孔径还可以包括一个或多个第二电容器，每个第二电容器耦合到多个中频子阵列中的相应第二单位单元和多个低频子阵列中的相应第三单位单元。
在一些实施例中，可以根据非平面配置来布置高频子阵列，多个中频子阵列和多个低频子阵列。在一些实施例中，一个或多个第一电容器和一个或多个第二电容器可以是非平面电容器。在一些实施例中，一个或多个第一电容器或一个或多个第二电容器可以是叉指电容器。在一些实施例中，一个或多个第一电容器或一个或多个第二电容器可以是有源电子可变电容器。
在一些实施例中，一个或多个第一电容器包括冶金地耦合到相应第一单位单元和相应第二单位单元的集总无源电容器。在一些实施例中，一个或多个第二电容器包括冶金地耦合到相应第二单位单元和相应第三单位单元的集总无源电容器。在一些实施例中，多个第一单位单元、多个第二单位单元和多个第三单位单元包括交叉偶极子。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，将更全面地理解本发明公开的发明构思的实施例，其中类似的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明公开的发明构思的一些实施例的电流板阵列(CSA)波长缩放孔径的框图；
图2示出了根据本发明公开的发明构思的实施例的采用交叉偶极子的CSA波长缩放孔径的图；
图3示出了根据本发明公开的发明构思的实施例的CSA波长缩放孔径的非平面配置的图；和
图4示出了根据本发明公开的发明构思的实施例的采用CSA波长缩放孔径的有源电子扫描阵列(AESA)系统的图。
具体实施方式
在详细描述本发明公开的发明构思的实施例之前，应当注意，本发明公开的发明构思包括但不限于部件和电路的新颖结构组合，也不限于其特定的详细构造。因此，部件和电路的结构、方法、功能、控制和布置在很大程度上已经在附图中通过容易理解的框图表示和示意图示出，以便不会使具有结构细节的本公开模糊，这对于本领域技术人员来说是显而易见的，具有本发明描述的好处。进一步地，本发明公开的发明构思不限于示意图中所描绘的特定实施例，而应当根据权利要求中的语言来解释。
有源电子扫描阵列(AESA)天线系统用于通信系统、卫星通信(SatCom)系统、传感和/或雷达系统(例如军用雷达系统或气象雷达系统)、电子情报(ELINT)接收器，电子对抗测量(ECM)系统、电子支持测量(ESM)系统、瞄准系统或生物或医学微波成像系统。AESA天线系统在许多应用中提供可靠的超宽带(UWB)性能。然而，最近需要更先进的AESA天线系统。例如，下一代军事/情报多模式系统对当代UWB AESA技术提出了巨大的挑战和要求。这些军事/情报多模块系统需要低轮廓的超超宽带(U2WB)技术，其支持任意极化和在从200MHz延伸到60GHz的感兴趣的频率范围内的大于或等于20：1的瞬时带宽(IBW)。新一代军用/情报多模式系统还需要不存在栅瓣的可以扩展到任意大AESA孔径的孔径结构。另外，孔径配置符合任意曲面，允许容易地安装AESA孔径飞行器机身或相应的机翼前缘、导弹机身或相应的前锥体、地面车辆和/或其他平台。
现有的UWB孔径不能满足如所上述的期望特征。例如，典型的Vivaldi孔通常是厚的，因此不满足低轮廓特性。另外，这种孔径通常在基底间平面内遭受高交叉极化。关于平衡对侧Vivaldi天线(BAVA)，相应的IBW被限制为10:1，并且满足大于或等于20:1的IBW的特性。此外，基于遗传算法的分段阵列技术涉及使用过分复杂的馈送歧管/时间延迟束形成器架构。
电流板阵列(CSA)技术允许低轮廓孔径拓扑。典型的CSA孔径包括紧密耦合的相同单位单元(或元件)的阵列，例如紧密耦合的偶极子阵列(TCDA)。CSA孔径的单位单元的尺寸通常限定了由阵列支持的最短波长或最高频率。另外，典型CSA孔径中的孔径网格间距(例如，相邻单位单元之间的间距)通常被设定为最短支持波长的一半，以防止在穿过IBW的可见空间内引入栅瓣。这种配置导致过度的冗余和不必要的大量天线元件和发射/接收模块，这又增加了基于CSA的AESA系统的成本和复杂性。另外，大量的天线元件和发射/接收模块可能导致高射频(RF)互连密度和由此降低的可靠性。而且，典型的CSA孔径遭受IBW的某些子区域内的低效率，及由如印刷电路板(PCB)制造工艺施加的频带约束。
本发明描述的发明构思引入用于AESA系统的低轮廓超超宽带(U2WB)电流板阵列(CSA)波长缩放孔径。CSA波长缩放孔径采用模块化子阵列结构。具体地，CSA波长缩放孔径包括两个或多个频率区域。每个频率区域可以与相应频带相关联，并且可以包括被缩放以支持与该频率区域相关联的频带的天线元件的一个或多个子阵列。给定子阵列内的或穿过不同子阵列的天线元件可以经由电容器彼此耦合。模块化子阵列架构允许将CSA波长缩放孔径缩放到期望的AESA孔径。另外，各种子阵列或各种频率区域可根据非平面配置来进行布置，以允许表面/轮廓适形附接到诸如飞行器机身的车辆平台表面。
CSA波长缩放孔径允许增加的IBW和宽的扫描体积，而没有栅瓣。另外，CSA波长缩放孔径允许频谱效率和动态频谱分配以增强在商业系统和军事系统中的模糊攻击或威胁的抗扰性。本发明描述的CSA波长缩放孔径可以用于军事应用以及商业应用，诸如卫星通信、气象雷达、数据链路、商用飞机的航空电子RF传感器套件、用于低重量和空气动力阻力的通用孔径(例如，飞机燃料节省和改进的可调度性)。
参考图1，电流板阵列(CSA)波长缩放孔径(WSA)100包括高频子阵列110、多个中频子阵列120和多个低频子阵列130。高频子阵列110包括多个相应高频单位单元(或高频天线元件)115。每个中频子阵列120包括多个相应中频单位单元(或中频天线元件)125。每个低频子阵列130包括多个相应低频单位单元(或低频天线元件)135。虽然图1的CSA波长缩放孔径100包括单个高频子阵列110，在更一般的实施例中，CSA波长缩放孔径100可以包括任何数量的高频子阵列110。
CSA波长缩放孔径100包括单位单元的三个同心区域；高频区域、中频区域和低频区域。每个阵列区域与相应的支持带宽相关联。高频区域可以包括至少一个电流板高频子阵列110。每个高频电流板子阵列110包括多个高频单位单元(或高频天线元件)115。高频区域的高频单位单元115可以具有相同的尺寸或是相同的。例如，高频单位单元115的尺寸(例如，宽度、长度或其他尺寸)可以等于(或略大于)
Figure BDA0002354215460000061
参数λhigh表示由高频区域和CSA波长缩放孔径100作为整体支持的最短波长。波长λhigh对应于由高频区域支持的最高频率fhigh。因此，最高频率区域(或高频子阵列110)支持频率带宽[f0,fhigh]，其中f0表示由高频区域和由CSA波长缩放孔径100支持的最低频率。每个高频电流板子阵列110内的相邻高频单位单元115之间的间隔或距离可以是恒定的，例如等于
Figure BDA0002354215460000062
中频区域可以包括围绕高频子阵列110布置的多个中频电流板阵列120。每个中频子阵列120包括相应的多个中频单位单元125。例如，各种中频子阵列120的中频单位单元125可以相对于彼此相同。例如，中频单位单元125可以共享共同的形状和共同的尺寸。中频单位单元125的尺寸(例如，宽度、长度或其他尺寸)可以等于(或略大于)
Figure BDA0002354215460000063
参数λmed表示中频区域支持的最短波长。波长λmed对应于由中频区域支持的最高频率fmed。因此，中频区域(或中频子阵列120)支持频率带宽[f0,fmed]，其中fmed<fhigh。因此，中频区域所支持的带宽[f0,fmed]是高频区域所支持的带宽[f0,fhigh]的子集。每个中频电流板子阵列120内的相邻中频单位单元125之间的间隔或距离可以是恒定的，例如等于
Figure BDA0002354215460000064
低频区域包括布置在中频区域周围的多个低频电流板子阵列130。每个低频电流板子阵列130包括相应的多个低频单位单元135。各种低频子阵列130的低频单位单元135可以彼此相同。例如，低频单位单元135可以共享共同的形状和共同的尺寸。低频单位单元135的尺寸(例如，宽度、长度或其他尺寸)可以等于(或略大于)
Figure BDA0002354215460000065
参数λlow表示由低频区域支持的最短波长。波长λlow对应于中频区域所支持的最高频率flow。因此，低频区域(或低频电流板子阵列130)支持频率带宽[f0,flow]，其中flow<fmed。因此，低频区域所支持的带宽[f0,flow]是中频区域所支持的带宽[f0,fmed]的子集。每个高频电流板子阵列130内的相邻低频单位单元135之间的间隔或距离可以是恒定的，例如等于
Figure BDA0002354215460000071
CSA波长缩放孔径100可以一起使用低、中和高频率区域作为完整的UWB孔径，以在非常大的IBW上实现恒定的束宽度。高、中和低频单位单元115、125和135可以一起转向以实现与期望的查找角度相关联的信号束。在一些实施例中，高、中和低频单位单元115、125和135可以是独立可转向的(例如，指向单独的查找角度)以形成多个信号束。例如，每个子阵列(例如高频子阵列110、中频子阵列120或低频子阵列130)中的单位单元可以被转向以形成相应的发射/接收信号波束。在一些情况下，与每个区域(诸如高频区域、中频区域或低频区域)相关联的子阵列可以被转向以形成相应的发射/接收信号波束。CSA波长缩放孔径100可以被视为模块化结构。特别地，CSA波长缩放孔径100的模块化结构允许用于大型IBW的大规模AESA孔径的有效且相对简化的构造，因为可以单独地设计或构造各种频率区域或各种频率子阵列。
在CSA波长缩放孔径100中，高、中和低频单位单元115、125和135可以都具有相同的形状，例如交叉偶极形状、方形偶极形状、线性偶极形状、八边形环形、六边形环形、或其他形状。线性偶极子可以是水平或垂直布置的平行偶极子。虽然交叉偶极子可以允许双极化，但是线性偶极子仅支持线性极化。在一些实施例中，与不同频率区域相关联的单位单元可具有不同的形状。
CSA波长缩放孔径100可以有效且可靠地支持超超宽带。由CSA波长缩放孔径100支持的频率带宽[f0,fhigh]可以在200MHz和60GHz之间，或者甚至可以延伸至超过60GHz的频率范围内的任何地方实现大的IBW。CSA波长缩放孔径100可以支持具有等于或超过20:1的相应比率的瞬时带宽(IBW)。各种频率区域排除了过度的晶格间隔密度。具体地，中频区域和低频区域的相邻单位单元之间的间隔可以实质上大于高频区域的相邻单位单元之间的间隔。而且，各种频率区域的使用可以帮助避免相对低频率信号的过采样。例如，与仅与高频区域相关联的信号相比，与低频或中频区域相关联的信号可以以相对低的采样率被采样。
现有的CSA通常遭受栅瓣，除非整个孔径在最高工作频率下被半波采样(例如，相邻单位单元之间的间隔等于在最高操作频率下的波长的一半)。使用在相邻单位单元之间具有明显间隔的多个频率区域(或不同频率子阵列)的CSA缩放的波长孔径100，可以导致在至少±60°锥形扫描体积上没有栅瓣的天线性能，而不对孔径进行过采样(例如，不必强制所有相邻单位单元之间的间隔等于在最高操作频率下的波长的一半)。特别地，当累积与各个频率区域(或各种频率子阵列)相关联的波束时，从一个频率区域到另一个频率区域的相邻单位单元之间的间隔变化可以导致相对宽的锥形扫描体积(例如，具有±60°角度或甚至更宽)。在设计CSA波长缩放孔径100(例如，作为构造AESA天线的一部分)时，可以选择诸如频率区域的数量、各种几何区域的几何形状和相对放置、在每个频率区域中的子阵列的数量和尺寸、每个频率电流板子阵列中的单位单元的数量和尺寸以及每个频率电流板子阵列中相邻单位单元之间的间隔的参数，以实现期望的频带或期望的无栅瓣锥形扫描体积。
图1中所示的CSA波长缩放孔径100仅表示单个说明性实现方式。本公开预期CSA波长缩放孔径100的其它实现方式。例如，CSA波长缩放孔径100可以包括多于(或少于)三个频率区域。另外，每个频率区域可以包括任何数量的电流板子阵列。而且，可以根据各种配置来布置频率区域。例如，各种频率区域可以彼此相邻地布置，而不是以同心配置。此外，每个频率板电流子阵列(例如子阵列110、120和130)可以包括任何数量的相应单位单元。在一些实施例中，每个频率板电流子阵列可以在单独的印刷电路板(PCB)上实现。根据其他实施例，每个频率区域可以在单独的PCB上实现。在其他实施例中，多个频率区域或整个CSA波长缩放孔径100可以在单个PCB上实现。
参考图2，示出了采用交叉偶极子的CSA波长缩放孔径200(或其一部分)。CSA波长缩放孔径200包括具有高频电流板子阵列210的高频区域和具有多个中频电流板子阵列220的中频区域。高频电流板子阵列210包括通过相应电容器216彼此耦合的多个交叉偶极子215。每个中频电流板子阵列220包括通过相应电容器226彼此紧密耦合的多个交叉偶极子225。CSA波长缩放孔径200还包括从分离的中频电流板子阵列220耦合相邻偶极子的电容器229，以及从分离的频率区域耦合相邻偶极子的电容器250。
各种电流板子阵列(例如子阵列210和220)可以包括被配置为充当辐射元件(或天线元件)的交叉偶极子(诸如交叉偶极子215和225)。每个交叉偶极子包括垂直偶极子元件和水平偶极子元件。垂直和水平元件允许支持(例如，发射或接收)双线性或圆偏振波。高频电流板子阵列210中的水平和垂直偶极子元件的尺寸可以基本上小于中频电流板子阵列210中的水平和垂直偶极子元件的尺寸。CSA波长缩放孔径200可以包括具有布置在中频电流板子阵列220周围的多个低频电流板子阵列(图2中未示出)的低频区域。每个低频电流板子阵列可以包括相应的多个低频交叉偶极子(例如，类似于交叉偶极子215和225，但是具有更大的元件尺寸)。
在高频电流板子阵列中，与单独的偶极子215相关联的相邻垂直元件可以经由电容器216彼此耦合，并且与单独的偶极子215相关联的相邻水平元件通过电容器216彼此耦合。另外，在中频电流板子阵列220中，与相邻偶极子225相关联的相邻垂直偶极子元件和相邻水平偶极子元件可以经由电容器226彼此耦合。电容器216可以在嵌入高频电流板子阵列210的PCB内实现为叉指电容器。电容器226可以在嵌入相应的中频电流板子阵列220的PCB内实现为叉指电容器。与叉指电容器相关联的电容可以通过增加相应指状物的长度来增加。在给定的低频电流板子阵列(图2中未示出)内的低频交叉偶极子的相邻水平元件和相邻垂直元件可以经由类似于电容器216和226的电容器耦合。
与位于单独的中频电流板子阵列220内的偶极子225相关联的相邻(垂直或水平)偶极子元件通过电容器229彼此耦合。类似的电容器可以连接与位于单独的高频电流板子阵列210(如果存在多于一个)中的交叉偶极子相关联的相邻(垂直或水平)偶极子元件，或与位于单独的低频电流板子阵列中的交叉偶极子相关联的相邻(垂直或水平)偶极子元件(图2中未示出)。如果在单个PCB上实现给定频率区域内的子阵列，则在给定频率区域的单独子阵列中连接交叉偶极子的电容器229(和类似电容器)可以在PCB内实现为印刷电容器(例如，叉指电容器)。在给定频率区域的单独子阵列中连接交叉偶极子的电容器229(和类似电容器)可以是与PCB分离的任何类型的电容器。
与不同频率区域相关联的相邻(水平或垂直)偶极子元件经由电容器250耦合。例如，电容器250将高频电流板子阵列210中的偶极子元件连接到相邻的中频电流板子阵列220中的偶极子元件。类似的电容器(图2中未示出)可以将中频电流板子阵列220中的偶极子元件连接到相邻的低频电流板子阵列(图2中未示出)中的偶极子元件。电容器250(以及通常穿过不同频率区域，耦合交叉偶极子的电容器)可以交叉并且与偶极子印刷在相同的(PCB)层上。例如，如果CSA缩放的波长孔径200在单个PCB上实现，则电容器250可以印刷在该PCB上。另外，即使在分离的PCB上实现不同的频率区域(或不同的子阵列)，跨一对PCB耦合偶极子的电容器250也可以印刷在该一对PCB上。
电容器250可以是有源电子可变电容器(例如，使用二极管或晶体管),以允许相应电容的电子调谐。因此，电容器250可以在与印刷有交叉偶极子(或通常的辐射元件)的层相同的PCB层或不同的PCB层上被实现。电容器250可以是冶金地连接到交叉偶极子(或辐射元件)的集总无源电容器。电容器250还可以实现为嵌入在一个或多个PCB层的无源电容器，该一个或多个PCB层位于实现有辐射元件的层之下。电容器250可以实现为电子电容结构，作为包括发送/接收模块(TRM)的定制射频集成电路(RFIC)的一部分。
虽然CSA波长缩放孔径200的辐射元件被图示为交叉偶极子，但是这种图示仅表示一种可能的实现方式。例如，其中辐射元件包括线性偶极、方形偶极、八边形环形、六边形环形或与CSA波长缩放阵列架构兼容的其他形状的元件的其它实施方式也由本公开所预期。关于图2讨论的电容耦合，还可以应用于其他辐射元件(除了交叉偶极子)，而不管它们各自的形状。
参照图3，示出了CSA波长缩放孔径300的非平面构造。CSA波长缩放孔径300包括至少一个高频电流板子阵列310、多个中频电流板子阵列320和多个低频电流板子阵列330。在一些实施例中，所有子阵列310、320和330可以具有相同的频带。这样的实施例将导致典型的、均匀的但是以非平面(保形)方式的晶格密度CSA。
高频电流板子阵列310包括相应的多个高频电流板辐射元件315，每个中频电流板子阵列320包括相应的多个中频电流板辐射元件325，并且每个低频电流板子阵列330包括相应的多个低频电流板辐射元件335。中频电流板子阵列320可以相对于相邻的高频电流板子阵列310以一定角度布置。另外，低频电流板子阵列330可以相对于相邻的中频电流板子阵列320以一定角度布置。在一些实现方式中，给定频率区域内的甚至相邻子阵列可以相对于彼此以一定角度布置。电流板子阵列的非平面布置允许CSA波长缩放孔径300的非平面配置。具体地，可以设计(或选择)每个频率区域中的电流板子阵列的数量和尺寸以及各个相邻的电流板子阵列之间的倾斜角度，以适应要安装CSA波长缩放孔径300的给定的弯曲或非平面部署平台表面。子阵列的倾斜也可以是三维的，使得CSA波长缩放孔径300可以符合任意的双曲表面(例如，球形表面)。
高频电流板辐射元件315经由电容器350耦合到相邻的中频电流板辐射元件325。另外，中频电流板辐射元件325经由电容器360耦合到相邻的低频电流板辐射元件335。电容器350和360可以是非平面电容器。在给定频率区域内从分离的子阵列耦合辐射元件的电容器(例如图2的电容器229)在图3中未示出。这种电容器也可以是非平面电容器。
参考图4，示出了采用CSA波长缩放孔径的有源电子扫描阵列(AESA)系统400。AESA系统400包括具有至少一个高频电流板子阵列410、多个中频电流板子阵列420和多个低频电流板子阵列430的CSA波长缩放孔径。AESA系统400还包括多个放大器471a-c、多个有源分离器射频集成电路(RFIC)472a-c和476、多个有源组合器RFIC 474a-c和478，以及收发器480。
AESA系统400可以根据(RX)接收模式或发送(TX)模式进行操作。在RX模式中，AESA系统400采用有源组合器RFIC 474a-c和478，而在TX模式中，AESA系统400采用有源分离器RFIC 472a-c和476。在图4中，仅示出与RX模式(耦合到有源组合器RFIC 474a-c)相关联的RF放大器。AESA系统400包括将辐射元件415、425和435耦合到有源分离器RFIC 472a-c的第二组RF放大器(图4中未示出)。在一些实施例中，有源分离器RFIC 472a-c可以是双向的，例如，既作为切割器又作为组合器。在这样的实施例中，有源分离器/组合器RFIC的数量将减少二分之一。在一些实施例中，可以通过在AESA孔径的每个辐射元件端口附近的相应发射/接收开关将RFIC配置为半双工。在一些实施例中，RFIC可以被配置为具有与每个辐射元件相关联的微型双工器的全双工操作。或者，AESA系统400可包括两个单独的CSA波长缩放孔径，例如RX孔径和TX孔径。
每个高频电流板子阵列410中的高频电流板辐射元件415可以经由相应的RF放大器471a耦合到一个或多个有源分离器RFIC 472a和/或一个或多个有源组合器RFIC 474a。每个有源组合器RFIC 474a可以包括多个时间延迟单元。每个有源组合器RFIC 474a还可以包括相应的RF放大器(或者可以与放大增益相关联)。每个高频电流板辐射元件415可以与相应的一对时间延迟单元(在有源组合器RFIC 474a中)和RF放大器471a相关联。经由高频电流板辐射元件415接收的信号可(由RF放大器471a)被放大，由有源组合器RFIC 474a中的时间延迟单元进行时间延迟，并由相同的有源组合器RFIC 474a累积。因此，有源组合器RFIC 474a可以基于由高频电流板辐射元件415接收的多个RF信号生成单个输出信号。AESA系统400可以包括单个有源组合器RFIC 474a或多个有源组合器RFIC 474a(例如，每个有源组合器RFIC 474a与相应的高频电流板子阵列410相关联或者与高频电流板辐射元件415的相应子集相关联)。
有源分离器RFIC 472a可以接收要由高频电流板辐射元件415发送的信号，并将接收的信号分离成多个信号。每个高频电流板辐射元件415可以与相应的一对时间延迟单元(在有源组合器RFIC 474a中)和将高频电流板辐射元件415耦合到有源分离器RFIC 472a的RF放大器(在图4中未示出)相关联。然后，在将每个分离信号发送到相应的高频电流板辐射元件415之前，多个分离信号可以由有源分离器RFIC 472a中的时间延迟单元进行时间延迟，并且通过将有源分离器RFIC 472a耦合到高频电流板辐射元件415的RF放大器(图4中未示出)被放大。AESA系统400可以包括单个有源分离器RFIC 472a，或多个有源分离器RFIC472a(例如，与相应高频电流板子阵列410相关联或者与高频电流板辐射元件415的相应子集相关联的每个有源分离器RFIC 474a)。
与中频电流板子阵列420相关联的RF放大器471b、有源分离器RFIC 472b和有源组合器RFIC 472b在功能上分别类似于RF放大器471a、有源分离器RFIC 472a和有源组合器RFIC 472a。特别地，以与RF放大器471a、将有源分离器RFIC 472a耦合到高频电流板辐射元件415(图4中未示出)的放大器、有源分离器RFIC 472a和有源组合器RFIC 472a对与高频电流板辐射元件415相关联的信号进行操作类似的方式，RF放大器471b、将有源分离器RFIC472b耦合到中频电流板辐射元件425(图4中未示出)的放大器、有源分离器RFIC 472b以及有源组合器RFIC 472b对与中频电流板辐射元件425相关联的信号进行操作。AESA系统400可以包括单个有源组合器RFIC 474b，或多个有源组合器RFIC 474b(例如，与相应中频电流板子阵列420相关联或者与中频电流板辐射元件425的相应子集相关联的每个有源组合器RFIC 474b)。AESA系统400可以包括单个有源分离器RFIC 472b，或多个有源分离器RFIC472b(例如，与相应的中频电流板子阵列420相关联或者与中频电流板辐射元件425的相应子集相关联的每个有源分离器RFIC 472b)。
RF放大器471c、将有源分离器RFIC 472c耦合到低频电流板辐射元件435(图4中未示出)的放大器、有源分离器RFIC 472c以及与低频电流板子阵列430相关联的有源组合器RFIC 472c在功能上分别类似于RF放大器471a、将有源分离器RFIC 472a耦合到高频电流板辐射元件415(图4中未示出)的放大器、有源分离器RFIC 472a以及有源组合器RFIC 472a。特别地，以与RF放大器471a、放大器、将有源分离器RFIC 472a耦合到高频电流板辐射元件415(图4中未示出)的放大器、有源分离器RFIC 472a以及有源组合器RFIC 472c对与高频电流板辐射元件415相关联的信号进行操作类似的方式，RF放大器471c、将有源分离器RFIC472c耦合到低频电流板辐射元件435(图4中未示出)的放大器、有源分离器RFIC 472c以及有源组合器RFIC 472c对与低频电流板辐射元件435相关联的信号进行操作。
AESA系统400可以包括单个有源组合器RFIC 474c，或多个有源组合器RFIC 474c(例如，与相应的低频电流板子阵列430相关联或者与低频电流板辐射元件435的相应子集相关联的每个有源组合器RFIC 474c)。AESA系统400可以包括单个有源分离器RFIC 472c，或多个有源分离器RFIC 472c(例如，与相应的低频电流片子阵列430相关联或者与低频电流板辐射元件435的相应子集相关联的每个有源分离器RFIC 472c)。在一些实施例中，有源组合器RFIC 427a-c和/或有源分割器RFIC 427a-c中的任一个可以与跨不同子阵列(或跨不同频率区域)的辐射元件相关联(或耦合到)。
在TX模式中，有源分离器RFIC 476可以被配置为从收发器480接收信号，并将接收的信号分成多个分离信号，并且通过有源分离器RFIC 476中的时间延迟单元对分离信号进行时间延迟。有源分离器RFIC 476可以将每个时间延迟的分离信号发送到有源分离器RFIC472a-c中的一个。在RX模式中，有源组合器RFIC 478可以被配置为从有源组合器RFIC474a-c接收多个信号，对每个接收信号进行时间延迟，并将时间延迟的信号累积为传送到收发器480的单个输出信号。AESA系统400可以包括多于一个有源组合器RFIC 478和/或多于一个有源分离器RFIC 476。当采用多个有源组合器RFIC 478和/或多个有源分离器RFIC476时，AESA系统400可以被配置为创建多个独立转向的AESA束。有源组合器/分离器网络的使用消除了对物理上大的和笨重的无源传输线馈送歧管的需要。由于平行组的馈送歧管通常用于独立转向的多束操作，所以无源传输线馈送方法随着辐射束的数量增加并超过几个而变得不切实际。RF分离器/组合器的急剧馈送歧管微型化使得多个独立地转向的UWBAESA辐射束成为可能。
收发器480可以包括块上/下转换器482、模数转换器/数模转换器(ADC/DAC)484和处理器486。块上/下转换器482可以将去往CSA波长缩放孔径的信号向上变频到较高频带，并将从有源组合器RFIC 478接收的RF信号向下变频到基带。ADC/DAC 484可以将块上/下转换器482输出的模拟基本信号转换为相应的数字信号，或者可以将从处理器486接收的数字信号转换为相应的模拟信号。处理器486可以被配置成控制CSA波长缩放孔径，例如通过在不同模式(例如，接收或发射模式)之间切换CSA波长可缩放孔径。处理器482还可以被配置为调整RF放大器471a-c的放大参数和与有源分离器RFIC 472a-c和476以及有源组合器RFIC 474a-c和478相关联的时间延迟单元的时移参数。具体地，依赖于CSA波长缩放孔径被转向的方向，处理器486可以确定一个或多个RF放大器471a-c的放大系数，并且确定与有源分离器RFIC 472a-c和476(或有源组合器RFIC 474a-c和478)相关联的一个或多个时间延迟单元的时移参数。图4中所示的有源分离器/组合器还可以被实现为结合可变增益以在阵列上对低旁瓣辐射图案设置功率渐变，并且针对抗干扰操作进行零陷形成。处理器486可以控制有源分离器/组合器RFIC内的增益调节。然后，处理器486可以使得一个或多个RF放大器根据所确定的放大系数来调整它们各自的放大参数。处理器486还可以使得一个或多个时间延迟单元(或相应的有源分离器/组合器RFIC)根据所确定的时间偏移系数来调整相应的时间偏移参数。
处理器486可以被配置为在发送或接收RF信号时确定哪个电流板子阵列是有源的(例如，有源发送或接收信号)。例如，如果RF信号的频带位于由低频电流板子阵列430支持的频带内，则CSA波长缩放孔径中的所有辐射元件都是有源的。如果RF信号的频带不位于由低频电流板子阵列430支持的频带内，而是位于由中频电流板子阵列420支持的频带内，则中频电流板子阵列420和高频电流板子阵列410(而不是低频电流板子阵列430)是有源的。如果RF信号的频带不位于由中频电流板子阵列420所支持的频带内，而是位于由高频电流板子阵列410支持的频带内，则只有高频电流板子阵列410是有源的，而其他子阵列420和430不接收或发射RF信号。
图4中所示的AESA架构在AESA馈送网络内创建子带信号组合。可选地，有源分割器/组合器RIFC可以被制成宽带，使得例如高频、中频和/或低频子阵列，可以共享共同的RFIC分离器网络。
与每个电流板辐射元件相关联的RF放大器和时间延迟单元可以被视为形成与该电流板辐射元件相关联的发射/接收模块。在一些实施例中，与单独的电流板辐射元件相关联的单独的TERM可以实现为单独的电子部件。图4中所示的有源电子扫描阵列(AESA)系统400表示一种可能的(但非限制性的)实现方式，并且本公开预期了其他实现方式。例如，可以使用移相器来代替时间延迟单元。
如各种示例性实施例中所示的系统和方法的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化，参数值，安装布置，材料的使用，方向等)。例如，元件的位置可以颠倒或以其它方式改变，并且离散元件或位置的性质或数量可以改变或变化。因此，所有这样的修改旨在包括在本发明公开的发明构思的范围内。根据替代实施例，任何操作流程或方法操作的顺序或次序可以改变或重新排序。在不脱离本发明公开的发明构思的广泛范围的情况下，可以对示例性实施例的设计、操作条件和布置进行其他替换、修改、改变和省略。
本公开考虑了用于完成各种操作的任何机器可读媒介上的方法、系统和程序产品。这里公开的发明构思的实施例可以使用现有的计算机操作流程来实现，或者通过用于合适系统的专用计算机操作流程来实现，用于该目的或另一目的，或者通过硬连线系统。本发明公开的发明构思范围内的实施例包括了包括用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读媒介的程序产品。这样的机器可读媒介可以是由专用计算机或具有操作流程的其他机器访问的任何可用媒介。作为示例，这样的机器可读媒介可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储设备，或者可以用于携带或存储机器可执行指令或数据结构形式的期望程序代码，并且可以由通用或专用计算机或具有操作流程的其他机器访问。当通过网络或另一通信连接(硬连线、无线、或硬连线或无线的组合)向机器传送或提供信息时，机器适当地将该连接视为机器可读媒介。因此，任何这种连接被适当地称为机器可读媒介。上述的组合也包括在机器可读媒介的范围内。机器可执行指令包括例如使专用计算机或专用操作流动机器执行某一功能或一组功能的指令和数据。
可以根据以下的条款描述本申请的实施例的示例：
条款1.一种天线阵列系统，包括：
高频子阵列，包括被缩放以支持具有相应的最大工作频率f1的第一工作频带的多个第一单位单元，所述第一工作频带表示所述天线阵列系统的全工作频带；
围绕所述高频子阵列布置的多个中频子阵列，每个中频子阵列包括被缩放以支持具有小于f1的相应最大工作频率f2的第二工作频率的多个第二单位单元；
一个或多个第一电容器，每个耦合到所述高频子阵列的相应第一单位单元和所述多个中频子阵列的相应第二单位单元；
围绕所述多个中频子阵列布置的多个低频子阵列，每个低频子阵列包括被缩放以支持具有小于f2的相应最高频率f3的第三工作频率的多个第三单位单元；
一个或多个第二电容器，每个耦合到所述多个中频子阵列的相应第二单位单元和所述多个低频子阵列的相应第三单位单元；和
处理器，用于控制与所述多个第一单位单元、多个第二单位单元和所述多个第三单位单元相关联的操作参数。
条款2.根据条款1所述的天线阵列系统，还包括多个发射/接收模块(TRMs)，每个TRM与相应第一单位单元、相应第二单位单元或相应第三单位单元相关联。
条款3.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，还包括多个时间延迟单元，每个时间延迟单元与相应第一单位单元、相应第二单位单元或相应第三单位单元相关联。
条款4.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中，所述高频子阵列、所述多个中频子阵列和所述多个低频子阵列根据非平面配置进行布置。
条款5.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中所述一个或多个第一电容器和所述一个或多个第二电容器包括非平面电容器。
条款6.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中所述一个或多个第一电容器或所述一个或多个第二电容包括叉指电容器。
条款7.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中所述一个或多个第一电容器或所述一个或多个第二电容器包括有源电子可变电容器。
条款8.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中所述一个或多个第一电容器包括冶金地耦合到相应第一单位单元和相应第二单位单元的集总无源电容器。
条款9.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中所述一个或多个第二电容器包括冶金地耦合到相应第二单位单元和相应第三单位单元的集总无源电容器。
条款10.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中，所述多个第一单位单元、所述多个第二单位单元和所述多个第三单位单元包括交叉偶极子。
条款11.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中所述处理器被配置为激活所述高频子阵列、所述多个中频子阵列和所述多个低频子阵列中的至少一个，用于接收或发送无线电信号。
条款12.根据上述任一条款所述的天线阵列系统，其中所述高频子阵列、所述多个中频子阵列中的每一个以及所述多个低频子阵列中的每一个与单独的印刷电路板(PCB)相关联。
条款13.一种电流板阵列波长缩放天线孔径，包括：
高频子阵列，包括被缩放以支持具有相应的最大工作频率f1的第一工作频带的多个第一单位单元，所述第一工作频带表示所述电流板阵列波长缩放天线孔径的全工作频带；
围绕所述高频子阵列布置的多个中频子阵列，每个中频子阵列包括被缩放以支持具有小于f1的相应最大工作频率f2的第二工作频率的多个第二单位单元；
一个或多个第一电容器，每个第一电容器耦合到所述高频子阵列的相应第一单位单元以及所述多个中频子阵列中的相应第二单位单元；
围绕所述多个中频子阵列布置的多个低频子阵列，每个低频子阵列包括被缩放以支持具有小于f2的相应最高频率f3的第三工作频率的多个第三单位单元；和
一个或多个第二电容器，每个第二电容器耦合到所述多个中频子阵列中的相应第二单位单元和所述多个低频子阵列中的相应第三单位单元。
条款14.根据条款13所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述高频子阵列、所述多个中频子阵列和所述多个低频子阵列根据非平面配置进行布置。
条款15.根据上述任一条款所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述一个或多个第一电容器和所述一个或多个第二电容器包括非平面电容器。
条款16.根据上述任一条款所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述一个或多个第一电容器或所述一个或多个第二电容器包括叉指电容器。
条款17.根据上述任一条款所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述一个或多个第一电容器或所述一个或多个第二电容器包括有源电子可变电容器。
条款18.根据上述任一条款所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中
所述一个或多个第一电容器包括冶金地耦合到相应第一单位单元和相应第二单位单元的集总无源电容器，或者
所述一个或多个第二电容器包括冶金地耦合到相应第二单位单元和相应第三单位单元的集总无源电容器。
条款19.根据上述任一条款所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述多个第一单位单元、所述多个第二单位单元和所述多个第三单位单元包括交叉偶极子。
条款20.一种提供天线阵列的方法，所述方法包括：
提供高频子阵列，所述高频子阵列包括被缩放以支持具有相应的最大工作频率f1的第一工作频带的多个第一单位单元，所述第一工作频带表示所述天线阵列的全工作频带；
在所述高频子阵列周围布置多个中频子阵列，每个中频子阵列包括被缩放以支持具有小于f1的相应最大工作频率f2的第二工作频率的多个第二单位单元；
将一个或多个第一电容器中的每一个耦合到所述高频子阵列的相应第一单位单元和所述多个中频子阵列中的相应第二单位单元；
在所述多个中频子阵列周围布置多个低频子阵列，每个低频子阵列包括被缩放以支持具有小于f2的相应最高频率f3的第三工作频率的多个第三单位单元；
将一个或多个第二电容器中的每一个耦合到所述多个中频子阵列中的相应第二单位单元和所述多个低频子阵列中的相应第三单位单元；和
使用处理器控制与所述多个第一单位单元、多个第二单位单元和所述多个第三单位单元相关联的操作参数。

Claims (20)

1.一种天线阵列系统，包括：
高频子阵列，包括被缩放以支持具有相应最大工作频率f1的第一工作频带的多个第一单位单元，所述第一工作频带表示所述天线阵列系统的全工作频带；
临近所述高频子阵列布置的一个或者更多个低频子阵列，每个低频子阵列包括被缩放以支持具有小于f1的相应最大工作频率f2的第二工作频带的相应多个第二单位单元；
一个或更多个电容器，每个电容器耦合到所述高频子阵列的相应第一单位单元和所述一个或更多个低频子阵列的相应第二单位单元；以及
处理器，用于控制与所述多个第一单位单元和所述一个或更多个复数的第二单位单元相关联的操作参数。
2.根据权利要求1所述的天线阵列系统，还包括多个发射/接收模块(TRMs)，每个TRM与相应第一单位单元或相应第二单位单元相关联。
3.根据权利要求1所述的天线阵列系统，还包括多个时间延迟单元，每个时间延迟单元与相应第一单位单元或相应第二单位单元相关联。
4.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述高频子阵列和所述一个或更多个低频子阵列根据非平面配置进行布置。
5.根据权利要求4所述的天线阵列系统，其中所述一个或更多个电容器包括非平面电容器。
6.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中所述一个或更多个电容器包括叉指电容器。
7.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中所述一个或更多个电容器包括有源电子可变电容器。
8.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中所述一个或更多个电容器包括冶金地耦合到所述相应第一单位单元和所述相应第二单位单元的集总无源电容器。
9.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述多个第一单位单元和所述一个或更多个复数的第二单位单元包括交叉偶极子。
10.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中所述处理器被配置为激活所述高频子阵列或所述一个或更多个低频子阵列中的至少一个，用于接收或发送无线电信号。
11.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中所述高频子阵列与单独的对应的印刷电路板(PCB)相关联。
12.根据权利要求1所述的天线阵列系统，所述一个或更多个低频子阵列中的每一个与单独的对应的印刷电路板(PCB)相关联。
13.一种电流板阵列波长缩放天线孔径，包括：
高频子阵列，包括被缩放以支持具有相应最大工作频率f1的第一工作频带的多个第一单位单元，所述第一工作频带表示所述电流板阵列波长缩放天线孔径的全工作频带；
临近所述高频子阵列布置的一个或更多个低频子阵列，每个低频子阵列包括被缩放以支持具有小于f1的相应最大工作频率f2的第二工作频带的相应多个第二单位单元；
一个或更多个电容器，每个电容器耦合到所述高频子阵列的相应第一单位单元以及所述一个或更多个低频子阵列的相应第二单位单元。
14.根据权利要求13所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述高频子阵列和所述一个或更多个低频子阵列根据非平面配置进行布置。
15.根据权利要求14所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述一个或更多个电容器包括非平面电容器。
16.根据权利要求13所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述一个或更多个电容器包括叉指电容器。
17.根据权利要求13所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述一个或更多个电容器包括有源电子可变电容器。
18.根据权利要求13所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述一个或更多个电容器包括冶金地耦合到所述相应第一单位单元和所述相应第二单位单元的集总无源电容器。
19.根据权利要求13所述的电流板阵列波长缩放天线孔径，其中所述多个第一单位单元和所述一个或更多个复数的第二单位单元包括交叉偶极子。
20.一种提供天线阵列的方法，所述方法包括：
提供高频子阵列，所述高频子阵列包括被缩放以支持具有相应最大工作频率f1的第一工作频带的多个第一单位单元，所述第一工作频带表示所述天线阵列系统的全工作频带；
临近所述高频子阵列布置多个低频子阵列，每个低频子阵列包括被缩放以支持具有小于f1的相应最大工作频率f2的第二工作频带的相应多个第二单位单元；以及
将一个或更多个第一电容器中的每一个耦合到所述高频子阵列的相应第一单位单元和所述一个或更多个低频子阵列的相应第二单位单元。
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