CN112119539A - 相控阵列天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于实现具有视轴方向的相控阵列天线的系统和方法。为该相控阵列天线选择限定的扫描角度范围内的扫描角度，使得所选择的扫描角度不同于与该视轴方向相关联的扫描角度。与构成该相控阵列天线的多个天线元件中的每个天线元件相关联的天线端口阻抗随该相控阵列天线的该扫描角度而变化。多个放大器各自耦接到该多个天线元件中的一个天线元件的天线端口。该多个放大器中的每个放大器被配置为使得当天线端口处的阻抗对应于所选择的扫描角度时，实现该多个放大器的性能特性的最大值。

Description

相控阵列天线系统
技术领域
本公开整体涉及通信领域，并且更具体地讲，涉及相控阵列天线。
背景技术
相控阵列或电子扫描阵列是产生无线电波的波束的受控天线阵列，该无线电波的波束可被电子地引导以指向不同方向而不用移动天线。在阵列天线中，来自发射器的射频电流以正确相位关系馈送到各个天线，使得来自单独天线的无线电波相加在一起以增加期望方向上的辐射，同时抵消以抑制不期望方向上的辐射。通过以下方式来形成高增益的定向区域(被称为“波束”)：使从每个辐射元件发射的信号的相位偏移以提供相长干涉和相消干涉，从而在期望方向上引导波束。由各个天线辐射的信号的相对振幅确定阵列的有效辐射图案。相控阵列可用于指向固定辐射图案，或用于在方位角或俯仰角上快速扫描。
发明内容
根据一个示例，提供了相控阵列天线，该相控阵列天线包括天线元件阵列，该天线元件阵列包括具有视轴方向的波束。多个相移器响应于调整通过该天线元件阵列传送的多个射频(RF)信号的相位的命令。控制器向该多个相移器提供该命令。所提供的命令由该多个相移器使用以在相对于该视轴方向的扫描角度范围内引导该波束。多个放大器用于放大该多个信号。该多个放大器中的每个放大器耦接到该天线元件阵列的天线端口并且具有取决于该天线端口处的天线端口阻抗的性能特性。该天线阻抗随该扫描角度范围内的该波束的扫描角度而变化，并且该放大器被配置为使得在该天线端口阻抗的与不同于该视轴方向的该扫描角度范围内的特定扫描角度相对应的值下实现了该性能特性的最大值。
根据另一个示例，提供了一种用于实现具有视轴方向的相控阵列天线的方法。为该相控阵列天线选择限定的扫描角度范围内的扫描角度，使得所选择的扫描角度不同于与该视轴方向相关联的扫描角度。与构成该相控阵列天线的多个天线元件中的每个天线元件相关联的天线端口阻抗随该相控阵列天线的该扫描角度而变化。多个放大器各自耦接到该多个天线元件中的一个天线元件的天线端口。该多个放大器中的每个放大器被配置为使得当天线端口处的阻抗对应于所选择的扫描角度时，实现该多个放大器的性能特性的最大值。
根据又一个示例，相控阵列天线包括天线元件阵列，该天线元件阵列包括具有视轴方向的波束。第一组相移器响应于调整在该天线元件阵列处接收的射频(RF)信号的相位的命令。第二组相移器响应于调整发射信号的相位以供该天线元件阵列进行发射的命令。控制器向该第一组相移器和该第二组相移器提供该命令。所提供的命令用于在相对于该视轴方向的扫描角度范围内引导该波束。第一组放大器放大在该天线元件阵列处接收的信号。该第一组放大器中的每个放大器耦接到该天线元件阵列的天线端口并且具有取决于该天线端口处的天线端口阻抗的第一性能特性。该天线阻抗随着该扫描角度范围内的该波束的扫描角度而变化，其中在该天线端口阻抗的与不同于该视轴方向的第一扫描角度相对应的第一值下实现该第一性能特性的最大值。第二组放大器放大将由该天线元件阵列发射的发射信号。该第二组放大器中的每个放大器耦接到该天线元件阵列的天线端口，并且具有取决于该天线端口处的天线端口阻抗的第二性能特性，其中在该天线端口阻抗的与不同于该视轴方向和该第一扫描角度中的每一者的第二扫描角度相对应的第二值下实现该第二性能特性的最大值。
附图说明
对于本发明所涉及的领域的技术人员而言，通过参考附图阅读以下描述，本发明的上述和其他特征将变得显而易见，其中：
图1是示出天线增益下降的一个示例的图表；
图2是示出根据本文提出的系统和方法调谐的放大器的一个示例的性能的图表；
图3是示出在与系统相关联的扫描角度范围内的天线系统性能的变化减小的图表；
图4示出了相控阵列天线的示例；
图5示出了具有通过阻抗匹配网络连接的天线元件和低噪声放大器的天线路径的示意图；
图6是示出经由图2的阻抗匹配网络提供的阻抗变换的一个示例的史密斯圆图；
图7是示出经由图2的阻抗匹配网络提供的阻抗变换的另一个示例的史密斯圆图；
图8示出了利用被配置用于在除视轴方向之外的扫描角度下实现最大性能的放大器的相控阵列天线的一个具体实施；
图9示出了利用被配置用于在除视轴方向之外的扫描角度下实现最大性能的放大器的相控阵列天线的另一个具体实施；
图10示出了利用被配置用于在除视轴方向之外的扫描角度下实现最大性能的放大器的相控阵列天线的又一个具体实施；以及
图11示出了用于实现具有视轴方向的相控阵列天线的方法的示例。
具体实施方式
在相控阵列天线中，波束的天线增益随着扫描角度从视轴方向变化而减小，在视轴方向上天线提供最大增益。这被称为扫描损耗。扫描角度在天线的坐标系中并且可沿多个轴(例如，方位角和俯仰角)变化。图1是示出相控阵列天线的天线元件阵列相对于在竖直轴12上具有角度(在该示例中为俯仰角)的各向同性辐射体的天线增益(dBi)的减小的一个示例的图表10，该天线增益以增益的分贝表示，该角度以相对于水平轴14上的视轴方向的度数表示。从曲线16可以看出，随着俯仰角偏离视轴方向，天线增益在与系统相关联的扫描角度范围18内显著下降。
耦接到相控阵列天线的天线元件阵列的放大器的性能还可取决于阵列的天线元件的天线阻抗，该天线阻抗随扫描角度而改变。天线阻抗可基于各种因素因实施方案而异，并且可例如凭经验和/或经分析来确定。在视轴方向上优化针对天线阻抗的放大器性能导致在远离视轴方向的扫描角度下的放大器性能减小。用于减轻放大器对天线阻抗的灵敏度的一种方法是在它们之间放置隔离器。然而，在大阵列中，这样做可能过于昂贵。此外，隔离器的RF损耗影响天线性能。
扫描损耗以及在不同于视轴方向的扫描角度下减小的放大器性能的组合共同导致天线系统的总体性能的显著劣化。因此，本文所述的系统和方法通过以下方式来减轻在较高扫描角度下的增益损失的影响：将放大器配置为使得放大器的性能特性的最大值对应于在不同于最大天线增益的视轴方向的扫描角度下的天线阻抗。如本文所用，性能特性的最大值表示在相控阵列天线被配置为经由提供给相移器的命令操作的扫描角度范围内的相对最大值。性能特性可因实施方案而异并且可取决于相控阵列天线是否用于发射和/或接收。如本文所用，放大器的“性能特性”通常是指放大器的针对其的较高值指示较好放大器性能的任何量度。在一些实施方案中，放大器的“性能特性”的最大值通过最小化针对其的较低值指示较好性能的参数来实现。例如，在本文所述的一些实施方案中，放大器的输出信噪比(SNR)与输入SNR的最大值通过最小化其噪声系数来实现，因为噪声系数是以dB为单位的输入SNR与输出SNR的比率。
图2是示出根据本文提出的系统和方法配置的放大器的一个示例的性能的图表30。具体地讲，放大器被配置为使得性能特性的最大值对应于在不同于视轴方向的扫描角度下的天线阻抗。放大器性能由竖直轴32表示，其中较高值指示较好性能，并且俯仰角在水平轴34上以相对于视轴方向的度数表示。从曲线36可以看出，与视轴方向对照，放大器性能在朝向与系统相关联的扫描角度范围40的中心的扫描角度下达到最大化的最大值38。
如本文将详细描述的，这减小天线系统性能度量(例如，接收信号的增益与噪声温度比(G/T)或发射信号的等效各向同性辐射功率(EIRP))在扫描角度上的变化，从而在高扫描角度下提供改善的性能。图3是示出在相控阵列天线被配置为操作的扫描角度范围52内的天线系统性能度量的变化减小的图表50。天线系统性能度量由竖直轴54表示，其中较高值指示较好性能，并且俯仰角在水平轴56上以相对于视轴方向的度数表示。第一曲线58表示缺少本文所述的改善的系统的性能。如从曲线58可以看出，此类系统的天线性能度量在视轴方向上处于其最大值并且随着俯仰角从视轴方向变化而急剧下降。
第二曲线60表示利用如本文所述的那样配置的放大器的系统的性能，使得放大器的性能特性的最大值对应于在不同于视轴方向(在该示例中为0度)的扫描角度下的天线阻抗，如例如图2所示。在视轴处，天线增益处于最大值，而放大器性能相对于其最大性能减小。因此，相对于第一曲线58中表示的系统，系统在视轴方向上的总体性能略微劣化。在较大扫描角度下，天线增益较低，但与对应于视轴的最大性能相比，放大器性能较少地劣化。因此，天线性能实际上随着俯仰角偏离视轴方向而改善，直到到达天线性能被最大化的点。应当理解，对于天线阻抗已针对其进行调谐的扫描角度与视轴方向之间的扫描角度，通常将提供最大性能。然后，随着俯仰角更远地偏离视轴，天线性能逐渐劣化，但与由第一曲线58表示的系统相比更缓慢地劣化，从而在扫描角度范围52的大部分内提供优异的性能。因此，天线性能在扫描角度范围52内被共同最大化。
图4示出了相控阵列天线100的示例。应当理解，相控阵列天线100是出于示例目的而提供的简化表示，并且天线可包括本文中未示出的附加部件。相控阵列天线包括向波束提供视轴方向的天线元件102的阵列。多个相移器104响应于调整通过天线元件102的阵列传送的多个射频(RF)信号的相位的命令。控制器106向多个相移器104提供命令。控制器106可能以硬件实现，例如，实现为一个或多个专用集成电路(ASIC)、定制现场可编程门阵列(FPGA)芯片，以软件实现为存储在非暂态介质上并由相关联的处理器执行的机器可执行指令，或者实现为硬件和软件的组合。所提供的命令由多个相移器104使用以在相对于视轴方向的扫描角度范围内扫描波束。
多个放大器108放大多个信号。在所示的具体实施中，放大器108放大接收信号并且因此可被实现为低噪声放大器，但应当理解，放大器的特性可变化。多个放大器108中的每个放大器耦接到天线元件102的阵列的天线端口，并且因此具有取决于天线端口处的天线端口阻抗的性能特性。天线阻抗随扫描角度范围内的波束的扫描角度而变化，并且放大器108被配置为使得在天线端口阻抗的与不同于视轴方向的扫描角度范围内的特定扫描角度相对应的值下，实现了性能特性(诸如输出SNR与输入SNR)的最大值。如上所述，最大化放大器108的输出SNR与输入SNR等同于最小化放大器108的噪声系数，并且因此为了方便起见，在下文中描述了最小化噪声系数(也称为“噪声匹配”)。放大器108被配置为与对应于特定扫描角度的特定天线端口阻抗值进行噪声匹配的方式可在具体实施之间变化。例如，可将放大器的输入匹配网络设计成提供适当的阻抗变换，可选择实现噪声匹配的放大器偏置电流，可使用劣化，或者可采用用于选择阻抗的任何其他适当的方法。
图5示出了具有通过阻抗匹配网络160连接的天线元件152和低噪声放大器(LNA)154的天线路径150的示意图。阻抗匹配网络160和LNA 154可以例如共同实现放大器串联L网络中的一者，其具有串联在天线元件152和低噪声放大器154之间的电感器162以及并联电容器164。可选择电感器162的电感值和电容器164的电容值以将低噪声放大器154的输入处所见的源阻抗从天线元件152的端口处的阻抗ZA的已知值调整至期望值Zopt。
图6是示出经由图5的阻抗匹配网络提供的阻抗变换的一个示例的史密斯圆图180。在所示的示例中，相位阵列的扫描角度处于视轴，并且在天线端口处所见的阻抗被标记为ZA。变换中的第一步骤是将来自电感器162的电感放置成与天线输出串联。这将阻抗移动到史密斯圆图中标记为Z1的点。电感值由沿着单位圆从ZA移动到点Z1所需的电抗的值确定。第二步骤是放置并联电容器以达到最佳源阻抗Zopt。电容器的值由从点Z1移动到Zopt所需的电纳确定。
图7是示出经由图5的阻抗匹配网络提供的阻抗变换的另一个示例的史密斯圆图190。在所示的示例中，相位阵列的扫描角度处于不同于视轴的扫描角度，并且在天线端口处所见的阻抗因此不同于图3中描绘的阻抗。图4的示例还可利用图2所示的阻抗匹配网络，但改变电感器162的电感值和电容器164的电容值以调整天线端口处的阻抗变化。在图4的具体示例中，阻抗和电容中的每一者从图3中使用的值增加。
返回图4，在操作期间，所示的相控阵列天线100被配置为从相对于视轴方向的期望扫描角度方向接收信号。多个天线元件102中的每个天线元件接收元件信号(在本文中也称为“接收信号”)，该元件信号然后由多个放大器108中的对应放大器放大。然后将放大的元件信号提供给多个相移器104，该多个相移器基于波束的期望扫描角度将适当相移应用于元件信号，如来自控制器106的控制信号(在本文中也称为“命令”)所指示的。然后将相移的元件信号提供给波束形成网络110，该波束形成网络组合元件信号以产生对应于期望扫描角度的波束信号。在所示的实施方案中，通过经由相移器104调整元件信号的相位来实现期望扫描角度。在一些实施方案中，相控阵列天线100还包括振幅调整电路(例如，可变增益放大器)以响应于控制信号而进一步调整元件信号的振幅。
确定低噪声放大器的噪声系数的一个参数是在其输入处呈现的源阻抗Zsource。理想的是，Zsource是提供最低噪声系数(称为噪声匹配)的固定值。然而，在相控阵列天线中，天线端口阻抗ZA(称为有源阻抗或扫描阻抗)随扫描角度而变化，并且因此源阻抗不是恒定的。
通过等式(1)可更好地理解本文所采用的噪声优化：
Figure BDA0002779437710000071
其中Ys＝Gs+jBs是呈现给放大器的有源电路的源导纳，Yopt是导致最小噪声系数的最佳源导纳，Fmin是在Ys＝Yopl时获取的放大器的有源电路的最小噪声系数，RN是放大器的有源电路的等效噪声电阻，Gs是源导纳的实部，并且F是噪声因子。
从等式(1)可以看出，如果呈现给放大器的实际源导纳Ys等于最佳源阻抗Yopt，则等式(1)中的第二项变为零。在这种情况下，噪声系数将假定最小值为可实现的。因此，为了以在视轴处稍微更低的性能为代价来改善天线系统100在较高扫描角度下的总体性能，低噪声放大器被配置为与天线端口阻抗ZA的特定值噪声匹配，该特定值对应于不同于视轴方向的特定扫描角度。在天线系统用于接收具有频率范围的信号的情况下，可针对频率范围内的频率中的一者(包括最大频率、最小频率、中心频率、或该范围内的其他代表性频率)选择天线端口阻抗ZA的特定值。
在一些具体实施中，基于天线系统性能度量在一个或多个扫描角度下的所得值来选择特定扫描角度。针对性能度量使用增益与噪声温度比的示例，应当理解，相控阵列天线100的最大增益G(θ)是扫描角度θ的函数，其中在视轴处提供最大增益。类似地，噪声因子以及因此噪声温度是呈现给放大器的源导纳与放大器的最佳源导纳的失配的函数，如等式1中讨论的。天线端口阻抗以及因此导纳随扫描角度θ而变化，并且因此噪声因子F是扫描角度和所选择的放大器的最佳源导纳中的每一者的函数，我们在此将其表示为特定扫描角度θopt，针对该特定扫描角度，最佳源阻抗与天线端口处的导纳匹配。
在一个示例中，可选择特定扫描角度以提供天线系统性能度量在扫描角度的最大可能范围内的预定最小值。应当理解，随着特定扫描角度远离视轴方向变化，在远离视轴方向的角度下的阻抗失配将减少。因此，在一个具体实施中，特定扫描角度可在远离视轴方向的扫描角度的范围内变化，直到天线系统性能度量下降到低于该范围内的至少一个扫描角度的预定最小值，其中特定扫描角度与视轴方向的最大偏差在所选择的预定范围内保持最小性能。
在另一个具体实施中，选择特定扫描角度的值以最大化预定扫描角度范围内的增益与噪声温度比的最小值。在这种情况下，优化问题是为放大器选择使值最大化的源导纳：
Figure BDA0002779437710000081
其中θi在限定的扫描角度范围[θi，θN]内变化，并且T0为273K。
应当理解，增益随扫描角度的变化以及噪声角度随扫描角度的变化可基于相控阵列天线100的设计来建模，并且因此可经由适当优化算法(诸如梯度搜索)来确定θopt的最佳值。另选地，可采用“蛮力”方法，其中评估特定扫描角度θopt的多个预选值中的每一者并且选择最大值。
在与该示例一致的一个具体实施中，选择扫描角度以在扫描角度的操作范围的最大扫描角度下至少保持天线性能度量的最小值，使得所限定的扫描角度范围涵盖相控天线阵列100的整个操作范围。另选地，可选择特定扫描角度以在扫描角度范围内的所选择的扫描角度的适当子集上提供天线系统性能度量的预定最小值。应当理解，所选择的扫描角度的子集可排除视轴方向。
在另一个具体实施中，基于最大扫描角度来选择特定扫描角度，使得所选择的扫描角度处于视轴方向和最大扫描角度之间的预定位置，诸如在视轴方向和最大扫描角度之间的中途。例如，如果最大扫描角度是距视轴方向的六十度俯仰角，则放大器108可与对应于三十度俯仰角的天线端口阻抗进行噪声匹配。
在另外的示例中，选择特定扫描角度以使得性能度量在扫描角度范围或扫描角度范围的适当子集内的所有扫描角度上的总和被最大化。再次使用增益与噪声温度比，优化问题可被表示为选择所限定的扫描角度范围[θi，θN]内的最大化该值的特定扫描角度θopt：
Figure BDA0002779437710000091
图8示出了利用被配置用于在除视轴方向之外的扫描角度下实现最大性能的放大器的相控阵列天线200的一个具体实施。在所示的具体实施中，相位阵列天线200被配置为在相对于视轴方向的期望扫描角度方向上发射信号。波束形成网络202接收旨在沿期望扫描角度方向发射的波束信号。波束形成网络202将波束信号分成元件信号(在本文中也称为“发射信号”)，该元件信号被提供给多个相移器204。多个相移器204中的每个相移器响应于来自控制器206的控制信号以基于波束的期望扫描角度向信号提供适当相移。然后，相移的信号由多个功率放大器208放大并提供给天线元件210以用于发射，从而产生在期望扫描角度方向上的发射波束。在所示的实施方案中，通过经由相移器204调整元件信号的相位来实现期望扫描角度。在一些实施方案中，相控阵列天线100还包括振幅调整电路(例如，可变增益放大器)以响应于控制信号而进一步调整元件信号的振幅。
功率放大器被设计用于给定的输出功率电平。确定输出功率电平的一个参数是在其输出处呈现的负载阻抗ZLoad。理想的是，ZLoad是允许功率放大器产生给定输出功率电平的固定值。然而，在相控阵列天线中，天线端口阻抗ZA随扫描角度而变化，并且因此负载阻抗ZLoad不是恒定的。为了以在视轴处稍微更低的性能为代价来改善在较高扫描角度下的天线性能度量(诸如天线的等效辐射功率或等效各向同性辐射功率)，功率放大器208被配置为在天线端口阻抗ZA的特定值下提供最大输出功率，该特定值对应于不同于视轴方向的特定扫描角度。在所示的具体实施中，在天线210和放大器208之间实现多个阻抗匹配网络212。阻抗匹配网络212将天线阻抗调整为期望的负载阻抗。在包括集成电路设计的一个具体实施中，可使用集总部件(诸如电感器和电容器)来设计阻抗匹配网络。
针对性能度量使用有效各向同性辐射功率(EIRP)的示例，应当理解，相控阵列天线100的最大功率G(θ)是扫描角度θ的函数，其中在视轴处提供最大增益。一些功率可由于功率放大器处的阻抗与天线端口处的阻抗的失配而损失。天线端口阻抗以及因此导纳随扫描角度θ而变化，并且因此反射功率R是扫描角度和所选择的放大器的最佳源阻抗中的每一者的函数，我们在此将其表示为特定扫描角度θopt，针对该特定扫描角度，最佳源阻抗与天线端口处的导纳匹配。
在一个示例中，可选择特定扫描角度以提供天线系统性能度量在扫描角度的最大可能范围内的预定最小值。应当理解，随着特定扫描角度远离视轴方向变化，在远离视轴角度的角度下的阻抗失配将减少。因此，在一个具体实施中，特定扫描角度可在远离视轴方向的扫描角度的范围内变化，直到天线系统性能度量下降到低于该范围内的至少一个扫描角度的预定最小值，其中特定扫描角度与视轴方向的最大偏差在所选择的预定范围内保持最小性能。
在另一个具体实施中，选择特定扫描角度的值以最大化预定扫描角度范围内的ERIP的最小值。在这种情况下，优化问题是为放大器选择使值最大化的源导纳：
Figure BDA0002779437710000101
其中θi在限定的扫描角度范围[θ1，θN]内变化，Pin是系统的功率输入，并且Iiso是由假设的无损各向同性天线在扫描角度的方向上辐射的功率。
应当理解，增益随扫描角度的变化以及反射功率随扫描角度的变化可基于相控阵列天线100的设计来建模，并且因此可经由适当优化算法(诸如梯度搜索)来确定θopt的最佳值。另选地，可采用“蛮力”方法，其中评估特定扫描角度θopt的多个预选值中的每一者并且选择最大值。
在与该示例一致的一个具体实施中，选择扫描角度以在扫描角度的操作范围的最大扫描角度下至少保持EIRP的最小值，使得所限定的扫描角度范围涵盖相控天线阵列100的整个操作范围。另选地，可选择特定扫描角度以在扫描角度范围内的所选择的扫描角度的适当子集上提供EIRP或其他性能度量的预定最小值。应当理解，所选择的扫描角度的子集可排除视轴角度。
在另一个具体实施中，基于最大扫描角度来选择特定扫描角度，使得所选择的扫描角度处于视轴方向和最大扫描角度之间的预定位置，诸如在视轴方向和最大扫描角度之间的中途。例如，如果最大扫描角度是距视轴方向的六十度俯仰角，则功率放大器208可与对应于三十度俯仰角的天线端口阻抗进行噪声匹配。
在另外的示例中，选择特定扫描角度以使得EIRP或其他性能度量在扫描角度范围或扫描角度范围的适当子集内的所有扫描角度上的总和被最大化。优化问题可被表示为选择所限定的扫描角度范围[θ1，θN]内的最大化该值的特定扫描角度θopt：
Figure BDA0002779437710000111
图9示出了利用被配置用于在除视轴方向之外的扫描角度下实现最大性能的放大器的相控阵列天线300的另一个具体实施。在所示的具体实施中，相位阵列天线300被配置为半双工布置，以在相对于视轴方向的期望扫描角度方向上发射和接收射频信号。在半双工布置中，使用两组发射/接收(Tx-Rx)开关302和303以使天线300在多个天线元件304中的每个天线元件的发射路径和接收路径之间切换。在发射期间，波束形成网络306接收旨在沿期望扫描角度方向发射的波束信号。波束形成网络306将波束信号分成元件信号，该元件信号被提供给多个相移器308。多个相移器308中的每个相移器响应于来自控制器309的控制信号以基于波束的期望扫描角度向信号提供适当相移。然后，相移的信号由多个功率放大器(PA)310-312放大并提供给天线元件304以用于发射，从而产生在期望扫描角度方向上的发射波束。
在接收期间，多个天线元件304中的每个天线元件接收元件信号，该元件信号然后由多个低噪声放大器(LNA)314-316中的对应低噪声放大器放大。然后将放大的信号提供给多个相移器308，该多个相移器基于波束的期望扫描角度将适当相移应用于信号，如由控制器309提供的。然后将相移的信号提供给波束形成网络306，该波束形成网络组合信号以产生对应于期望扫描角度的波束信号。
由于相互性，假设使用相同的频率，天线元件的天线端口阻抗ZA与扫描角度对于发射和接收是相同的。然而，低噪声放大器随天线端口阻抗变化的性能变化可不同于功率放大器针对变化的天线端口阻抗的性能变化。放大器性能变化的这些差异可导致分别为低噪声放大器314-316和功率放大器310-312选择不同的天线端口阻抗值，并因此选择不同的特定扫描角度。针对接收的接收性能度量(诸如增益与噪声温度比)可取决于低噪声放大器314-316的性能变化，其方式不同于针对发射的性能度量(诸如等效各向同性辐射功率)取决于功率放大器310-312的性能变化的方式。因此，在一些具体实施中，低噪声放大器被配置为在对应于第一扫描角度的天线端口阻抗的第一值下进行噪声匹配，而功率放大器被配置用于在对应于不同于第一扫描角度的第二扫描角度的天线端口阻抗的第二值下获得最大输出功率。
图10示出了利用被配置用于在除视轴方向之外的扫描角度下实现最大性能的放大器的相控阵列天线400的又一个具体实施。在所示的具体实施中，相位阵列天线400被配置为频分双工布置，以在相对于视轴方向的期望扫描角度方向上发射和接收射频信号。在频分双工布置中，两组双工器402-404和406-408允许多个天线元件410用于发射和接收两者。在发射期间，波束形成网络412接收旨在沿期望扫描角度方向发射的波束信号。波束形成网络412将波束信号分成元件信号，该元件信号被提供给多个相移器414。多个相移器414中的每个相移器响应于来自控制器416的控制信号以基于波束的期望扫描角度向信号提供适当相移。然后，相移的信号由多个功率放大器(PA)420-422放大并提供给天线元件410以用于发射，从而产生在期望扫描角度方向上的发射波束。
在接收期间，多个天线元件410中的每个天线元件接收元件信号，该元件信号然后由多个低噪声放大器(LNA)424-426中的对应低噪声放大器放大。然后将放大的信号提供给多个相移器414，该多个相移器基于波束的期望扫描角度将适当相移应用于信号，如由控制器416提供的。然后将相移的信号提供给波束形成网络412，该波束形成网络组合信号以产生对应于期望扫描角度的波束信号。
由于针对发射和接收使用不同的频率，因此天线元件的天线端口阻抗在扫描角度上的变化针对发射和接收可以是不同的。因此，可分别为低噪声放大器和功率放大器选择天线端口阻抗的不同值。因此，在一些具体实施中，低噪声放大器被配置为在对应于第一扫描角度的天线端口阻抗的第一值下进行噪声匹配，而功率放大器被配置用于在对应于不同于第一扫描角度的第二扫描角度的天线端口阻抗的第二值下获得最大输出功率。
鉴于上述结构和功能特征，将参考图11更好地理解示例性方法。虽然出于解释简单的目的，图11的示例性方法被示出和描述为顺序地执行，但应当理解和认识到，本示例不受所示顺序的限制，因为一些动作在其他示例中可能以与本文所示和所述顺序不同的顺序多次和/或同时发生。此外，不需要执行所有描述的动作来实现方法。
图11示出了用于实现具有视轴方向的相控阵列天线的方法500的示例。在502处，选择相控阵列天线的限定的扫描角度范围内的扫描角度，使得所选择的扫描角度不同于与视轴方向相关联的扫描角度。在504处，配置多个放大器(其各自耦接到多个天线元件中的一个天线元件的天线端口)，使得当天线端口处的阻抗对应于所选择的扫描角度时，实现多个放大器的性能特性的最大值。在一个具体实施中，放大器通过以下方式来配置：为多个放大器中的每个放大器提供阻抗匹配网络以调整放大器所连接到的天线端口处的阻抗。
应当理解，可选择扫描角度以最大化在扫描角度范围内的相控阵列天线的性能度量，该扫描角度范围可包括相控阵列天线的操作范围或操作范围的适当子集中的所有扫描角度。相控阵列天线的适当性能度量可包括例如增益与噪声温度比、有效辐射功率和有效各向同性辐射功率。在一个具体实施中，扫描角度被选择为提供相控阵列天线的性能度量的函数在所限定范围的全部或子集内的所有扫描角度上的极值。例如，可选择扫描角度以最大化性能度量在所限定范围的全部或子集内的所有扫描角度上的总和。另选地，可选择扫描角度以最大化性能度量在所限定范围的全部或子集内的所有扫描角度上的最小值。
天线阵列的期望特性针对天线的接收和发射可不同。因此，在一个具体实施中，可以选择不同于与视轴方向相关联的扫描角度的第一扫描角度以及不同于与视轴方向相关联的扫描角度和第一扫描角度两者的第二扫描角度中的每一者。放大接收信号的第一组放大器(诸如低噪声放大器)可被配置为使得当天线端口处的阻抗对应于第一扫描角度时实现第一性能特性的最大值，并且放大发射信号的第二组放大器(诸如功率放大器)可被配置为使得当天线端口处的阻抗对应于第二扫描角度时实现第二性能特性的最大值。因此，天线阵列可针对其发射和接收功能两者进行优化。
上文已描述的内容是示例。当然，不可能描述部件或方法的每种可设想组合，但本领域的普通技术人员将认识到，许多另外的组合和排列是可能的。因此，本公开旨在涵盖落入本申请(包括所附权利要求书)的范围内的所有此类改变、修改和变型。如本文所用，术语“包括”意指包括但不限于，术语“包含”意指包含但不限于。术语“基于”意指至少部分地基于。另外，在本公开或权利要求陈述“一个”、“一种”、“第一”或“另一个”元件或其等同形式的情况下，其应被解释为包括一个或多于一个此类元件，既不需要也不排除两个或更多个此类元件。

Claims (27)

1.一种相控阵列天线，所述相控阵列天线包括：
天线元件阵列，所述天线元件阵列包括具有视轴方向的波束；
多个相移器，所述多个相移器响应于调整通过所述天线元件阵列传送的多个信号的相位的命令；
控制器，所述控制器用于向所述多个相移器提供所述命令，其中所提供的命令由所述多个相移器使用以在相对于所述视轴方向的扫描角度范围内引导所述波束；以及
多个放大器，所述多个放大器用于放大所述多个信号，其中所述多个放大器中的每个放大器耦接到所述天线元件阵列的天线端口并且具有取决于所述天线端口处的天线端口阻抗的性能特性，其中所述天线阻抗随所述扫描角度范围内的所述波束的扫描角度而变化，并且在所述天线端口阻抗的与不同于所述视轴方向的所述扫描角度范围内的特定扫描角度相对应的值下实现所述性能特性的最大值。
2.根据权利要求1所述的相控阵列天线，所述多个天线元件中的每个天线元件具有对应的阻抗匹配网络以调整所述天线端口处的所述阻抗，使得当所述天线端口阻抗对应于所选择的扫描角度时，实现所述性能特性的所述最大值。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的相控阵列天线，其中选择所述扫描角度范围内的所述特定扫描角度以最大化所述相控阵列天线的性能度量。
4.根据权利要求3所述的相控阵列天线，其中所述多个放大器包括第一多个放大器，所述第一多个放大器各自被配置为放大在相关联的天线元件处接收的所述多个信号中的一个信号，所述性能度量包括所述相控阵列天线的增益与噪声温度比。
5.根据权利要求4所述的相控阵列天线，其中所述性能度量是第一性能特性并且所述特定扫描角度是第一特定扫描角度，所述多个放大器包括第二多个放大器，所述第二多个放大器各自被配置为放大所述多个信号中的信号以用于在相关联的天线元件处发射，使得当所述天线端口阻抗对应于不同于所述视轴方向和所述第一特定扫描角度的第二特定扫描角度时，实现所述相控阵列天线的第二性能度量的最大值，所述第二性能度量包括所述相控阵列天线的有效辐射功率和所述相控阵列天线的有效各向同性辐射功率中的一者。
6.根据权利要求3所述的相控阵列天线，其中所述多个放大器各自被配置为放大所述多个信号中的信号以用于在相关联的天线元件处发射，所述性能度量包括所述相控阵列天线的有效辐射功率和所述相控阵列天线的有效各向同性辐射功率中的一者。
7.根据权利要求3所述的相控阵列天线，其中选择所述特定扫描角度以使得所述性能度量在所述扫描角度范围内的所有扫描角度上的最小值被最大化。
8.根据权利要求3所述的相控阵列天线，其中选择所述特定扫描角度以使得所述性能度量在所述扫描角度范围内的所有扫描角度上的总和被最大化。
9.根据权利要求3所述的相控阵列天线，其中所述扫描角度范围限定最大扫描角度，并且所述特定扫描角度被选择为所述视轴方向与所述最大扫描角度之间的中途。
10.根据权利要求3所述的相控阵列天线，选择所述特定扫描角度以使所述性能度量的函数在所限定的扫描角度范围的适当子集内的所有扫描角度上最大化。
11.根据权利要求10所述的相控阵列天线，其中所限定的扫描角度范围的所述适当子集不包括所述视轴方向。
12.一种用于实现具有视轴方向的相控阵列天线的方法，所述方法包括：
选择所述相控阵列天线的限定的扫描角度范围内的扫描角度，使得所选择的扫描角度不同于与所述视轴方向相关联的扫描角度，与构成所述相控阵列天线的多个天线元件中的每个天线元件相关联的天线端口阻抗随所述相控阵列天线的所述扫描角度而变化；以及
配置各自耦接到所述多个天线元件中的一个天线元件的天线端口的多个放大器，使得当所述天线端口处的阻抗对应于所选择的扫描角度时，实现所述多个放大器的性能特性的最大值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中选择所述相控阵列天线的限定的扫描角度范围内的扫描角度包括选择所述扫描角度以提供所述相控阵列天线的性能度量的函数在所述限定范围的子集内的所有扫描角度上的极值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述性能度量是所述相控阵列天线的增益与噪声温度比、所述相控阵列天线的有效辐射功率和所述相控阵列天线的有效各向同性辐射功率中的一者。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的方法，其中选择所述扫描角度以提供所述性能度量的所述函数在所限定范围的所述子集内的所有扫描角度上的所述极值包括选择所述扫描角度以最大化所述性能度量在所限定范围的所述子集内的所有扫描角度上的总和。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中选择所述扫描角度以提供所述性能度量的所述函数在所限定范围的所述子集内的所有扫描角度上的所述极值包括选择所述扫描角度以最大化所述性能度量在所限定范围的所述子集内的所有扫描角度上的最小值。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中所限定范围的所述子集是所限定范围的适当子集。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中选择所述相控阵列天线的所限定的扫描角度范围内的扫描角度包括选择不同于与所述视轴方向相关联的所述扫描角度的第一扫描角度以及不同于与所述视轴方向相关联的所述扫描角度和所述第一扫描角度中的每一者的第二扫描角度，并且配置所述多个放大器包括：
配置放大接收信号的第一组放大器，使得当所述天线端口处的所述阻抗对应于所述第一扫描角度时，实现与所述相控阵列天线相关联的第一性能特性的最大值；以及
配置放大发射信号的第二组放大器，使得当所述天线端口处的所述阻抗对应于所述第二扫描角度时，实现与所述相控阵列天线相关联的第二性能特性的最大值。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其中配置所述多个放大器包括为所述多个放大器中的每个放大器提供阻抗匹配网络以调整所述放大器所连接到的所述天线端口处的所述阻抗。
20.一种相控阵列天线，所述相控阵列天线包括：
天线元件阵列，所述天线元件阵列包括具有视轴方向的波束；
第一组相移器，所述第一组相移器响应于调整由所述天线元件阵列接收的接收信号的相位的命令；
第二组相移器，所述第二组相移器响应于调整发射信号的相位以供所述天线元件阵列进行发射的命令；
控制器，所述控制器用于向所述第一组相移器和所述第二组相移器提供所述命令，其中所提供的命令用于在相对于所述视轴方向的扫描角度范围内引导所述波束；以及
第一组放大器和第二组放大器，所述第一组放大器用于放大所述接收信号，所述第二组放大器用于放大所述发射信号，所述第一组放大器中的每个放大器和所述第二组放大器中的每个放大器耦接到所述天线元件阵列的天线端口，其中：
所述第一组放大器中的每个放大器具有取决于所述天线端口处的天线端口阻抗的第一性能特性，所述天线阻抗随着所述扫描角度范围内的所述波束的扫描角度而变化，其中在所述天线端口阻抗的与不同于所述视轴方向的第一扫描角度相对应的第一值下实现所述第一性能特性的最大值；以及
所述第二组放大器中的每个放大器具有取决于所述天线端口处的所述天线端口阻抗的第二性能特性，其中在所述天线端口阻抗的与不同于所述视轴方向和所述第一扫描角度中的每一者的第二扫描角度相对应的第二值下实现所述第二性能特性的最大值。
21.根据权利要求20中任一项所述的相控阵列天线，其中选择所述第一扫描角度以最大化所述相控阵列天线的第一性能度量，并且选择所述第二扫描角度以最大化所述相控阵列天线的第二性能度量。
22.根据权利要求21所述的相控阵列天线，其中所述第一性能度量包括所述相控阵列天线的增益与噪声温度比，并且所述第二性能度量包括所述相控阵列天线的有效辐射功率和所述相控阵列天线的有效各向同性辐射功率中的一者。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的相控阵列天线，其中选择所述第一扫描角度以使得所述第一性能度量在所述扫描角度范围内的所有扫描角度上的最小值被最大化，并且选择所述第二扫描角度以使得所述第二性能度量在所述扫描角度范围内的所有扫描角度上的最小值被最大化。
24.根据权利要求20至22中任一项所述的相控阵列天线，其中选择所述第一扫描角度以使得所述第一性能度量在所述扫描角度范围内的所有扫描角度上的总和被最大化。
25.根据权利要求20至22中任一项所述的相控阵列天线，其中所述扫描角度范围限定最大扫描角度，并且所述第一扫描角度被选择为所述视轴方向与所述最大扫描角度之间的中途。
26.根据权利要求20至22中任一项所述的相控阵列天线，其中选择所述第一扫描角度以使所述第一性能度量的函数在所选定的扫描角度范围的适当子集内的所有扫描角度上最大化。
27.根据权利要求26所述的相控阵列天线，其中所限定的扫描角度范围的所述适当子集不包括所述视轴方向。
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