CN113302800A - 用于校准相控阵列天线的系统和方法 - Google Patents

用于校准相控阵列天线的系统和方法 Download PDF

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CN113302800A CN202080007748.8A CN202080007748A CN113302800A CN 113302800 A CN113302800 A CN 113302800A CN 202080007748 A CN202080007748 A CN 202080007748A CN 113302800 A CN113302800 A CN 113302800A
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Abstract

本发明公开了一种具有包括至少第一相控阵列天线和第二相控阵列天线的天线阵列的天线系统以及一种用于现场校准该天线阵列的方法。在切换周期之前和之后，使用该第一天线和该第二天线两者来执行与相应第一外部卫星和第二外部卫星或其他通信系统的通信。在该切换周期之前形成第一波束。在该切换周期的第一部分期间：使用该第一天线来形成第二波束以用于与该第一卫星的通信；去激活用于外部通信的第二天线；以及校准该第二天线。在该切换周期的第二部分期间，通过使用该第二天线形成第三波束来重新激活该第二天线以用于与该第二卫星的切换通信，同时该第一天线经由该第二波束来保持其与该第一卫星的通信。

Description

用于校准相控阵列天线的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年1月18日提交于美国专利商标局的美国临时申请第62/794478号的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及相控阵列天线，并且更具体地涉及具有现场校准能力的基于相控阵列的天线系统。
相关领域的讨论
相控阵列天线可包括数百或数千个天线元件，每个天线元件连接到输送发射方向信号(“发射信号”)和/或接收方向信号(“接收信号”)的相应信号路径。在一些“有源”相控阵列的前端中，数百或数千个低噪声放大器(LNA)和/或功率放大器(PA)、可变移相器和其他集成电路部件跨信号路径中的天线阵列分布以便对路由穿过所述天线元件中的一个或多个天线元件的发射信号/接收信号进行放大和相移。为了形成准确波束，通常需要在天线系统制造和设置期间精确设定信号路径之间的相位和振幅(增益/损耗)关系。希望在现场天线操作期间保持此类相位和振幅关系以确保天线继续满足任何必要性能要求，诸如波束指向精度和旁瓣电平。
然而，随时间推移，无法避免LNA、PA和其他信号路径部件的劣化。因此，天线系统可包括内置校准电路以便通过调节移相器的相移和放大器(及可变衰减器，如果包括的话)的增益/损耗来周期性地现场校准信号路径。一种类型的校准电路仅在预定维护周期期间操作，在该预定维护周期中，去激活用于与卫星或其他外部系统的无线通信的天线系统。另一种类型的校准电路使得校准能够与这种通信同时进行，但已知当前这种类型的电路高度复杂。
发明内容
在本公开的各方面，具有相控阵列的天线系统被配置有控制和校准电路以便在切换周期期间执行至相控阵列的天线元件的信号路径的现场校准。与能够“任何时间校准”的当前系统相比，本文所讨论的控制和校准电路可不太复杂，但仍能实现相同的总体目标。
本发明所公开的技术的一个方面涉及校准包括至少第一天线和第二天线的天线阵列的天线系统的方法。在与天线系统的通信从第一通信系统切换到第二通信系统的切换周期之前，通过第一天线和第二天线来形成第一波束以用于与第一通信系统的通信。在切换周期的第一部分期间：使用第一天线来形成第二波束以用于与第一通信系统的通信；去激活用于外部通信的第二天线；以及校准该第二天线。在切换周期的第二部分期间，通过使用第二天线形成第三波束来重新激活用于与第二通信系统的切换通信的第二天线，同时第一天线经由第二波束来保持其与第一通信系统的通信。在切换周期之后，通过第一天线和第二天线两者来形成第四波束以用于与第二通信系统的通信。
在另一个方面，天线系统包括具有第一天线和第二天线的天线阵列；校准电路；耦合到第一天线和第二天线的交叉耦合开关；以及控制器。该控制器被配置为控制第一天线和第二天线、校准电路以及交叉耦合开关以执行上文概述的方法的操作。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，所公开的技术的以上和其他方面和特征将变得更加明显，在附图中，相同的附图标记指示相同的元件或特征。相同或相似类型的各种元件可通过将参考标号直接附有第二标签或附有区分相同/相似元件的破折号和第二标签(例如，-1、-2)来区分。然而，如果给定描述仅使用第一参考标签，则其适用于具有相同第一参考标签的相同/类似元件中的任一者，而与第二参考标签无关。在附图中：
图1A示意性地示出了根据本技术的一个实施方案的天线系统的示例性电路。
图1B示意性地示出了图1A的天线系统的附加示例性电路。
图1C示意性地示出了图1A的天线系统的附加示例性发射和接收电路。
图2A示意性地描绘了天线系统的示例性天线阵列。
图2B示出了与图2A的天线阵列的天线元件连接的RFIC内的示例性发射和接收路径电路。
图2C示意性地示出了可用于天线系统中的天线阵列的另选配置。
图3A示出了天线系统中的示例性接收路径校准环路和校准电路。
图3B示出了天线系统中的示例性发射路径校准环路和校准电路。
图4A是天线系统内的示例性校准电路的框图。
图4B示意性地示出了天线系统内的校准电路的另一个示例。
图4C示意性地示出了天线系统内的校准电路的另外一个示例。
图5A是现场操作和校准天线系统的示例性方法的流程图。
图5B是示出示例性方法期间波束形成和校准操作的示例性时序的时序图。
图6A描绘了分别在切换周期的第一部分之前和期间天线系统所形成的示例性第一波束和第二波束。
图6B描绘了分别在切换周期的第二部分期间和之后天线系统所形成的示例性第三波束和第四波束。
图7A示出了天线系统中的示例性交叉耦合开关以及刚好在切换周期之前的天线系统的示例性操作状态。
图7B示出了去激活用于外部通信的天线系统的第二天线的切换周期的第一部分期间具有示例性交叉耦合开关的天线系统的操作状态。
图7C示出了在断开开关内的交叉耦合并且校准第二天线的切换周期的第一部分期间具有示例性交叉耦合开关的天线系统的操作状态。
图7D示出了在天线系统的第一天线和第二天线分别与第一卫星和第二卫星通信的切换周期的第二部分期间具有示例性交叉耦合开关的天线系统的操作状态。
图7E示出了在校准天线系统的第一天线的切换周期的第三部分期间具有示例性交叉耦合开关的天线系统的操作状态。
图7F示出了重新连接开关的交叉耦合的切换周期的第三部分期间具有示例性交叉耦合开关的天线系统的操作状态。
图7G示出了刚好在切换周期之后的具有示例性交叉耦合开关的天线系统的操作状态。
图8示出了根据所公开的技术的天线系统的另选实施方案。
具体实施方式
为了进行示意性的说明，参考附图提供以下描述以帮助全面理解本文所公开的技术的某些示例性实施方案。该描述包括各种具体细节以帮助本领域的普通技术人员理解该技术，但这些细节应被视为仅是示例性的。当包括公知功能和结构的描述可能使技术人员对本技术的理解模糊时，为了清楚和简洁，可省略公知功能和结构的描述。
在本文中，术语“接收”和“发射”在用作形容词时分别意指“接收方向”和“发射方向”。例如，“接收信号”是在天线的接收方向上传播的信号。类似地，短语“接收时”意指“在接收操作期间”并且“发射时”意指“在发射操作期间”等。“波束信号”是指这样的信号，其表示从共同形成天线波束的多个天线元件接收或提供给该多个天线元件的组合信号能量。“元件信号”是指由单个天线元件在接收时提供的或在发射时馈送到单个元件信号以便辐射的信号。
图1A示意性地示出了根据本技术的一个实施方案的天线系统10的示例性电路。天线系统10包括天线阵列21、控制器30、接收交叉耦合开关(RCC)40、发射交叉耦合(TCC)开关41、发射/接收(T/R)元件18-1和18-2、可变延迟线(VDL)65-1和65-2、校准电路50、定向耦合器60-1和60-2、单刀多掷(SPMT)开关SW1和SW2(下文进一步讨论)以及单刀双掷(SPDT)开关SW3和SW4。天线阵列21包括第一天线20-1和第二天线20-2，每个天线可为在每个天线元件22后方或在小组天线元件22后方具有分布式放大器和移相器的有源相控阵列天线。在各种示例中，天线系统10可为在固定地面位置处、在基于地面的移动车辆或船舶上、或在飞机、航天器或卫星上的天线系统。
在本文中，两个实体之间的“通信”将指使用任何合适的协议在这些实体之间的RF信号(数据流量和/或控制信号)的双向通信。外部通信系统(诸如第一卫星91或第二卫星92)与天线系统10通信。在其他示例中，外部通信系统是基于地面的通信系统或基于飞机或基于航天器的通信系统。在以下描述中，与卫星的通信将作为示例来描述。
在下文中，涉及天线系统10的“正常通信操作”将指借助于天线系统10使用第一天线20-1和第二天线20-2形成笔形波束而实现的天线系统10与单个卫星之间的通信。正常通信操作可与切换周期期间的通信区分开，在该切换周期期间，与天线系统10的通信会话从第一卫星91切换到第二卫星92。例如，当天线系统10在与第一卫星91的通信会话的一侧上耦合到最终用户装备时，通信会话向第二卫星92的成功切换免去了最终用户装备尝试通过天线系统10定位合适卫星而重新启动通信会话的需要。例如，在涉及语音呼叫或直播视频流的切换期间，最终用户可能不会感知到切换周期期间质量的下降。天线系统10所处理的切换可称为从第一卫星到第二卫星的“先接后断”切换。在这种先接后断切换中，第一卫星和第二卫星可共享关于与天线系统10的当前通信会话的信息。在短切换周期(例如，约30秒或更少)期间，第一卫星和第二卫星两者可将相同信息信号(诸如视频或音频数据)冗余地传送到天线系统10，但使用不同的频率、伪随机码、调制或其他区分它们的信号的方式。该方法有时称为“软切换”。另选地，第二卫星在切换周期期间仅传送控制位，而不传送信息信号，并且在紧接切换周期之后，精确地发射旨在直接跟随第一卫星所交换的信息信号的通信会话的信息信号(有时称为“硬切换”)。控制位用于管理信息信号的后续通信，并且可传输控制信息(诸如频率、时序、协议、调制、分组结构等)以用于该通信。在用于先接后断切换的软切换或硬切换中的任一种情况下，可在中断与第一卫星的通信之后避免通信会话中的任何可辨别的不连续性以完成该切换。如下文将进一步解释，在整个切换周期中，天线系统10仅使用第一天线20-1和第二天线20-2中的一者来与第一卫星91通信，并且仅使用天线20-1和20-2中的另一者来与第二卫星92通信。
控制器30可通过在控制线CL上将控制信号发送到天线20-1、20-2、校准电路50、RCC和TCC开关40、41、开关SW1-SW4、可变延迟线65中的每一者以及在一些情况下发送到T/R元件来控制天线系统10的总体操作。控制器30所输出的控制信号可：控制RCC和TCC开关40、41内的开关的开关状态；控制天线20-1和20-2中的每一者内的放大器的偏置和通/断状态；控制天线20-1、20-2中的每一者内的移相器的相移以用于波束转向，设定VDL 65-1和65-2内的可变延迟路径以用于天线20-1和20-2之间的相位对准；并且经由校准电路50和开关SW1-SW4的控制来控制校准操作。例如，在正常通信操作期间，控制器30输出控制信号以引起第一天线20-1和第二天线20-2耦合在一起并且共同形成波束以便与卫星91、92中的仅一者通信。在切换周期的第一部分期间，控制器30可输出控制信号以通过去激活用于任何外部通信的天线20-2而仅引起天线20-1与卫星91通信，同时其他控制信号经由校准电路50的控制来启动天线20-2的校准操作。(为了进行该校准，控制器30包括随后讨论的可存储相位和振幅参考数据及校正数据的存储器31。)在切换周期的第二部分期间或在不同切换周期中，控制器30可以以类似方式启动天线20-1的校准。此处应当注意，第一天线20-1和第二天线20-2的校准包括VDL 65-1、65-2的校准，这些VDL可互换地称为“实时延迟单元”(TTDU)。VDL 65-1、65-2各自包括具有不同长度并因此具有不同介入相位的多个可选择延迟线部分。每个VDL 65中的多个开关能够由控制器30控制以便为信号路径选择延迟线中的一个或多个延迟线，从而通过相应VDL 65设定期望的介入相位。这样，可实现天线系统10的两个半部之间的目标相位关系(通常相等的介入相位，即相位对准)。在一个另选实施方案中，VDL65之一可被替换为固定延迟线，并且通过调节另一VDL 65来设定这两个半部之间的相位关系。在再其他实施方案中，用其他类型的时间移位器替换VDL 65。在另一个实施方案(下文结合图2C讨论)中，在每个天线20-1、20-2内提供多个内部VDL 65，并且它们的延迟由控制器30单独地控制。
此处应当注意，控制器30可在控制线CL上将控制信号输出到校准电路30以在除切换周期之外的天线系统10与任何外部通信系统之间的通信的所有周期期间去激活其校准操作。
利用下文详述的方法，在正常通信操作期间避免天线20-1和20-2的校准但在切换周期期间执行该校准。利用该方案，天线系统10可配备有更简单的校准电路来实现原本在被配置用于“任何时间”现场校准的常规天线系统中可用的校准，同时实现类似目标。例如，天线系统10可满足在具有不间断通信的现场操作的整个一定时间周期中信号路径的相位和振幅对准的必要容限，但常规系统仅在具有显著更复杂的校准电路的情况下才可满足此类容限。
仍然参见图1A，第一天线20-1和第二天线20-2可各自为具有N个天线元件22-1至22-N的平面相控阵列，但在其他示例中元件的数量在这两个天线之间可不同。第一天线20-1和第二天线20-2可各自具有位于其边界内、通常在所示中心位置中的相应校准元件25-1、25-2。校准元件25-1、25-2各自通过开关SW2选择性地连接到校准电路50，并且可为与天线元件22类似的辐射元件。在其他实施方案中，仅单个校准元件25用于这两个天线20-1、20-2并且安装在天线20之一的边缘附近并与另一天线20相邻。在还其他示例中，每个天线20-1、20-2包括多个校准元件25，其中每个校准元件25被分配用于相应天线内的该校准元件周围的一组M个天线元件的校准，其中M＜N。
在与第一卫星91的正常通信操作期间，在接收方向上，接收信号SR1由每个天线20-1和20-2接收，这些天线分别从接收信号SR1导出和输出“接收波束信号”SRB1和SRB2。在正常通信期间，“发射波束信号”STB1和STB2(由发射交叉耦合开关41提供)分别路由穿过T/R元件18-1和18-2到达天线20-1和20-2。发射/接收(T/R)元件是用于将发射信号与接收信号分离的元件以便允许发射信号和接收信号两者共用相同天线和其他电路部件/信号路径(例如，每个天线20-1、20-2内的组合器/分配器网络的路径)。例如，T/R元件18-1和18-2在半双工通信的情况下可为T/R开关，或在发射相比于接收时采用不同频率信道的全双工通信的情况下可为双工器。(每个天线20-1、20-2内可包括下文讨论的附加T/R元件。)此处应当注意，在发射和接收操作之间不共用天线元件22的其他实施方案中，可省略T/R元件18。发射信号STB1和STB2可从T/R元件18-1和18-2的端口p2和p3路由到天线阵列21。同时或交替地，接收信号SRB1、SRB2可从天线阵列21路由到T/R元件18-1、18-2分别的端口p1和p4。在正常通信期间，接收信号SRB1和SRB2进一步分别路由穿过耦合器60-1、60-2；VDL 65-1、65-2；和开关SW3、SW4到达RCC开关40。RCC开关40使这些信号交叉耦合，从而输出基本上相等振幅的输出信号SOUT1和SOUT2。输出信号SOUT1和SOUT2路由到随后讨论的一个或多个解调器，具体取决于天线系统10的状态。此处应当注意，在随后结合图8讨论的另选实施方案中，省略了SPDT开关SW3和SW4，并且SPMT开关SW1的输入来源于RCC开关40和TCC开关41内的耦合器。在这种情况下，接收时校准路径包括RCC开关40内的路径。
在发射方向上，可在正常通信期间输入信号SIN1或SIN2中的仅一个信号，在该正常通信中仅将发射信号ST1和ST2中的仅一个发射信号发射到第一卫星91或第二卫星92。在这种情况下，从信号SIN1和SIN2中的所输入的一个信号导出发射波束信号STB1和STB2。可在切换周期的一部分期间输入这两个信号SIN1和SIN2，在该切换周期中分别将信号ST1和ST2同时发射到第一卫星91和第二卫星92。
在与第一卫星91的正常通信操作期间，天线系统10可不处理从第二卫星92发射的任何信号，反过来在与第二卫星92的正常通信期间也是一样。例如，第一卫星91可在第一频率信道上发射/接收，而第二卫星92在与第一频率信道不同的第二频率信道上发射/接收，并且天线系统10可在与第一卫星91正常通信时滤除第一频率信道之外的信号。按照与上文针对与第一卫星91的正常通信描述的相同方式，天线系统10可在后切换周期中通过使用天线20-1和20-2两者接收/发射从/向第二卫星92发射的信号SR2/ST2来与第二卫星92正常通信，并且不处理来自/通向第一卫星91的信号。在该后切换周期中，可将从单个调制器导出的信号SIN1、SIN2之一输入到天线系统10；并且以如上所述的类似方式从天线系统10输出这两个信号SOUT1和SOUT2。
在切换周期期间，通过开关SW2将耦合器60-1、60-2中的一者或两者的耦合路径输出端子选择性地连接到校准电路50，但在正常通信操作期间可不使用通过耦合路径的耦合信号。简而言之，在根据一个实施方案的接收路径校准中，一次校准2N个可能接收路径之一，并且顺序地校准多个此类接收路径。在任何给定时间，校准从天线元件22-i(i＝1至N中的任一者)中的所选择的一个天线元件至参考点的接收信号路径。在一个示例中，如果切换周期期间有足够的时间，则可在切换周期的一部分中校准从天线20-2至参考点的所有N个接收路径。如果有进一步足够的时间，则可校准从天线20-1起的N个接收路径中的一些或所有接收路径。下文将描述示例性校准操作。
图1B示意性地示出了天线系统10的附加示例性电路和连接路径。具体地讲，描绘了耦合在发射交叉耦合(TCC)开关41、天线阵列21和校准电路50之间的示例性电路元件。TTC开关41和第一天线20-1之间的第一发射信号路径包括SPDT开关SW3’、耦合器60-1’和T/R元件18-1的串联连接(应当注意，发射信号STB1施加到端口p2)。TTC开关41和第二天线20-2之间的第二发射信号路径包括SPDT开关SW4’、耦合器60-2’和T/R元件18-2的串联连接(其中发射信号STB2施加到端口p3)。因此，在该示例中，TTC开关41和天线阵列21之间的发射信号路径省略VDL。在另选配置中，包括一个或多个VDL。此处应当注意，SPMT开关SW1具有输入端口h和四个输出端口f、g(图1A中所见)、f’和g’，并且SPMT开关SW2具有输入端口a和六个输出端口b、c、d、e(图1A)、d’和e’。在校准期间，发射校准路径由于选择性路由穿过如图1B所示的开关SW2的端口d’和e’及开关SW1的端口f’和g’而有别于图1A的接收校准路径。在图1B所示配置的另选配置中，如果希望在校准测量中包括TCC开关41内的发射路径，则可省略SPDT开关SW3’和SW4’，并且SPMT开关SW1的发射路径校准输入可来源于TCC开关41内的耦合器。
图1C示意性地示出了图1A的天线系统的示例性附加发射和接收电路。天线系统10还可包括第一低噪声块(LNB)72-1和第二低噪声块72-2、第一解调器74-1和第二解调器74-2、第一调制器78-1和第二调制器78-2以及信号处理器770。第一低噪声块72-1和第二低噪声块72-2各自提供接收信号的附加低噪声放大。在有意断开RCC开关40的交叉耦合的切换周期的一部分期间(随后结合图7A至图7G讨论)，第一解调器74-1和第二解调器74-2分别对信号SOUT1和SOUT2进行接收和解调。将解调的输出提供给信号处理器770以便进行进一步处理。例如，信号处理器770可连接到I/O接口(未示出)并且可输出最终用户数据，例如从解调的信号导出的音频/视频数据。在如上所提及的软切换期间，信号处理器770可从来源于来自不同卫星91和92的接收信号SR1、SR2的信号SOUT1和SOUT2恢复冗余信息信号。信号处理器770可基于冗余信息信号来将单个音频/视频输出数据流输出到I/O接口。
第一调制器78-1和第二调制器78-2接收输入信号以便由信号处理器770调制。例如，调制器78-1和78-2中的仅一者可被选择为单个调制器以输出调制的信号，这些调制的信号调制从信号处理器770接收到的数据流。在正常通信期间，由TCC开关41分割调制的信号以生成经由天线阵列21分别至卫星91或92的发射信号ST1或ST2。在断开TCC开关41的交叉耦合的切换周期的一部分期间，第一调制器78-1和第二调制器78-2两者以与本文针对接收方向描述的切换操作类似的方式单独地调制信号以便分别发射到第一卫星91和第二卫星92。
图2A示意性地描绘了天线系统10的示例性天线阵列21。天线阵列21可包括并排天线20-1和20-2，每个天线可为包括相对于公共表面F(例如，介电质基板的顶表面)共形地布置的多个N个天线元件22-1至22-N的相控阵列。每个天线元件22可为表面F上的印刷贴片天线。另选地，天线元件22是与表面F均匀间隔开的偶极、单极或其他天线类型。在任何情况下，可将一个或多个校准元件25类似地安装或印刷在每个天线20-1、20-2的孔径周边内。校准元件25的方便位置是相对于被指定通过使用该校准元件25来校准的天线元件22组的中心位置。每个校准元件25是可经由相应信号线55-1或55-2和开关SW2内的开关路径直接连接到校准电路50的辐射元件。每个天线20-1和20-2还可包括N：1组合器/分配器29以及分别连接在N个天线元件22-1至22-N与N：1组合器/分配器29之间的N个RF集成电路(RFIC)80。每个天线元件22可用于发射操作和接收操作两者。在其他实施方案中，发射操作和接收操作不共用天线元件22。相反，每个天线20中的多个K＜N个天线元件22专用于从天线系统10发射信号，并且其余多个P＝N-1个天线元件专用于接收从卫星发射到天线系统10的信号。K个元件可散布有P个天线元件，使得K和P个天线元件中的每个天线元件可由公共形状因数限定并且具有相同有效孔径。另选地，K个发射天线元件22的子阵列可位于P个接收天线元件22的子阵列附近。在任何上述方案中，每个天线20可采用单个组合器/分配器网络29来同时将所有接收信号组合成组合的接收波束信号并且根据具体的情况，将输入发射波束信号分成被输出到N或K个天线元件22的N或K个分配的发射信号。在另一个示例中，单独分配器网络用于发射信号。
在以下讨论中，为了简化说明，将假定每个天线元件22用于发射操作和接收操作两者。为此，发射时，天线20-1的N：1组合器/分配器29在作为分配器操作时将天线20-1的端口85-1处接收到的“发射波束信号”STB1分成N个“发射元件信号”STE-1至STE-N。后面的信号分别由RFIC 80调节并且由天线20-1的天线元件22-1至22-N辐射以形成天线阵列21所生成的发射天线波束的至少一部分。同样，分配天线20-2的端口85-2处的输入发射波束信号STB2并且由天线20-2通过其天线元件22来发射该输入发射波束信号。在接收方向上，由相应RFIC80调节天线20-1的天线元件22-1至22-N所接收到的信号以生成“接收元件信号”SRE-1至SRE-N，将这些接收元件信号施加到作为组合器操作的N：1组合器/分配器29的N个相应输入端口。组合这些信号以生成接收波束信号SRB1。由天线20-2执行类似操作以生成接收波束信号SRB2。
图2B示出了用于向/从任何给定天线元件22-i发射/接收信号的RFIC 80的示例性配置。RFIC 80可包括接收电路(“接收链”)81和发射电路(“发射链”)82，它们各自连接在T/R元件83和84之间，这些T/R元件可为T/R开关或双工器。T/R元件83具有与天线元件22-i连接的节点87处的输入端口、与接收链81的一端连接的第一输出端口以及与发射链82的一端连接的第二输出端口。接收链81和发射链82的另一端连接到T/R元件84的相应第一输出端口和第二输出端口，其中T/R元件84的输入端口连接到N：1组合器/分配器29的N个输出端口之一。如果T/R元件83和84是T/R开关，则它们可在半双工操作中的不同时隙期间为发射和接收信号提供单独路线。如果在发射和接收时使用不同频率信道，则T/R元件可为双工器并且通过去除不期望的频率来防止发射信号干扰接收链81，反之亦然。
接收链81可包括振幅调节器23、移相器24和带通滤波器(BPF)26的串联连接。在其他示例中，所示的串联连接的次序可不同。每个振幅调节器23可由仅低噪声放大器(LNA)27或与可变衰减器28串联的LNA 27构成。发射链82可包括移相器34、BPF 36和振幅调节器33的串联连接，其中后面的振幅调节器可由仅功率放大器(PA)37或与可变衰减器38串联的PA37构成。天线阵列21内的振幅调节器23、33、移相器24、34和BPF 26中的每一者可由控制器30所生成并在相应控制线CL或共享控制线CL上发送的相应或成组控制信号单独地控制。发送到移相器24或34的控制信号设定该移相器的介入相位。发送到振幅调节器23或33的第一控制信号可控制其中的LNA 27或PA 37的偏置电压，从而控制其增益，或第一控制信号可输送偏置电压自身。通向振幅调节器23或33内的LNA或PA的第一控制信号还可设定PA的该LNA的通-断状态。输出到振幅调节器23或33内的可变衰减器28或38的第二控制信号设定可变衰减器的介入损耗。输出到BPF 26或36的控制信号可设定该BPF的通带。
为了天线阵列21在发射方向上形成期望的天线波束，每个天线元件22的馈电点87处的发射信号的振幅和相位可能一般需要在预定值的一定范围内。因此，对于每个天线20-1、20-2而言，端口85(或天线系统10内的其他参考点)和每个天线元件22的馈电点87之间的信号路径的介入相位和介入损耗(后者通常称为路径增益或正向电压增益S21)应在制造期间设置天线系统10时确定的值的预定义容限内。绝大部分信号路径应满足此类容限以生成具有必要特性(例如，波束指向精度、波束宽度、天线增益、旁瓣等)的发射天线波束。这同样适用于接收路径。在制造过程期间，可能已使用校准电路50和校准元件25执行确保绝大多数信号路径(例如，90％以上或95％以上)满足此类容限的校准程序。然而，一旦已现场操作天线系统10，信号路径特性就可能已因多种因素而改变，并且校准电路50可用于周期性地重新校准信号路径。
图2C示意性地示出了天线系统10的天线阵列21的另选配置。天线阵列21a包括第一天线20a-1和第二天线20a-2，每个天线包括多个可变延迟线(VDL)，每个可变延迟线用于将由控制器30控制的可选择的可变延迟提供给每个天线内的天线元件22组。因此，每个天线20a并不包括单个N：1组合器/分配器，而是包括耦合在多个K：1组合器/分配器280和(N/K)：1组合器/分配器之间的多个(N/K个)VDL 65-1或65-2。因此，作为校准程序的一部分，与(N/K)组K个天线元件22相关联的信号路径可各自通过相应VDL 65-1或65-2有效地发生相移。例如，与第一组K个天线元件22-1至22-K相关联的信号路径由被控制为具有第一延迟的第一VDL 65-1来延迟，而与第二组K个天线元件22-(N+1-K)至22-N相关联的信号路径由被控制为具有第二延迟的不同VDL 65-1来延迟。
图3A示出了天线系统10中的示例性接收路径校准环路和校准电路。图3B示出了天线系统10中的示例性发射路径校准环路和校准电路。例如，共同参见图1A至图3B，根据本文的实施方案，在切换周期的一部分期间，天线20-2与卫星通信，同时在天线20-1上执行校准操作。如图3A所示，为了现场校准天线20-1的单独天线元件22与参考点85-1之间的接收路径，可首先进行参考路径测量。之后可相对于参考路径测量来进行接收路径测量。在参考路径测量中，首先断开天线20-1的所有LNA 27以限制该测量中的噪声。开关SW2被控制为使输入端口“a”与输出端口d连接，其中端口d连接到耦合器60-1的耦合端口。然后测试信号TSOUT路由穿过包括开关SW2、耦合器60-1、VDL 65-1、开关SW3(其中其开关路径被控制为朝向开关SW1闭合)和开关SW1(其中其开关路径在输入端口h与输出端口g之间闭合，如图1A中所见)的串联路径。因此，校准电路50的端口p5处的返回信号TSIN表示参考路径中的测试信号TSOUT的反馈部分。然后校准电路50可测量TSIN相比于TSOUT的相对振幅和相位以得出参考路径测量值(例如，参考路径的介入损耗和介入相位)。然后可启动包括天线元件22的接收路径的测量。
例如，为了测量天线元件22-1与参考点85-1之间的接收路径(假设T/R元件18-1和耦合器60-1内的路径在整个测量过程中保持恒定)，可接通连接到天线元件22-1的LNA 27，而天线20-1的其余LNA保持断开。同时，控制信号可设定开关SW2至信号线55-1的开关路径(路径a-c闭合)，而校准电路50输出相同测试信号TSOUT。应当注意，测试信号TSOUT的频率可不同于用于天线20-2与卫星之间的当前正常通信的一个或多个频率。测试信号TSOUT路由到校准元件25-1，该校准元件辐射该测试信号。辐射的信号由天线20-1的天线元件22-1捕获并且路由穿过与天线元件22-1连接的RFIC 80的接收路径，然后穿过天线20-1的N：1组合器/分配器29以及至校准电路50的端口p5的其余接收路径链，即T/R元件18-1、耦合器60-1、VDL 65-1以及开关SW3和SW1。因此，天线元件22-1所接收到的近场信号TSOUT穿过开关SW1反馈到校准电路50作为输入信号TSIN的另一个实例。然后校准电路50可再次测量TSIN相比于TSOUT的相对振幅和相位以得出测试路径测量值，并且将测试路径测量值与参考路径测量值进行比较以得出最终接收路径测量值。
随后校准电路50可将测量结果在数据线52上报告给控制器30。之后控制器30可将测量结果与预期结果(例如在天线系统10的制造设置期间获取并存储在存储器31中的相同测量的结果)进行比较。在一些示例中，控制器30或校准电路50的控制器只是将测量结果的相对相位和相对振幅彼此比较，例如通过使用这些结果之一作为参考并且将其他结果与该参考进行比较。在任一种情况下，如果该比较指示总体信号路径的振幅和/或相位已改变超过阈值或与参考结果相差超过阈值，则控制器30可实现调节。该调节可涉及调节与刚测量的天线元件22-i连接的接收路径80内的移相器24的相位偏移和/或LNA 26的增益和/或衰减器28的损耗。在该调节之后，可重复校准测试以确保该调节成功。然后如果时间允许，可在切换周期期间对其余天线元件(22-2至22-N，如果首先测量天线元件22-1的话)顺序地重复该过程。在切换周期的另一个部分中或在下一切换周期中，可执行类似校准过程以在天线20-1与卫星通信的同时校准天线20-2的接收路径。
此处应当注意，可通过以下方式实现第一天线20-1与第二天线20-2之间的相位对准：首先将这两个天线的校准中的参考路径测量值彼此比较，然后将结果报告给控制器30。之后控制器30可在VDL 65-1、65-2中的一者或两者中进行延迟调节以使通向这两个天线20-1、20-2的接收路径的相位对准。还可在与不同VDL 65连接的信号路径中进行测量之后进行对图2C的配置中的一个或多个VDL 65的延迟调节。在另一个示例性序列中，可在RFIC80中的移相器和/或放大器的校准之前校准任何上述配置中的VDL 65。
图3B示出了可执行类似校准程序以校准每个天线20-1和20-2内的发射路径。在天线20-1的发射路径校准中，例如，最初可断开天线20-1的所有功率放大器37，使得去激活用于与任何卫星的通信的天线20-1。可通过以下方式进行参考路径测量：从校准电路50的端口p5输出测试信号TSOUT，同时开关SW1和SW3’的信号路径被控制为将信号TSOUT路由到耦合器60-1’，并且开关SW2的信号路径从端口a连接到端口d’。这允许测试信号TSOUT作为返回信号TSIN往回传播到校准电路50的端口p6。然后比较信号TSIN和TSOUT以获得参考路径“S21”S-参数测量值(介入损耗和相位)。之后可通过一次接通一个PA 37来启动至天线元件22的发射路径测量。为了测量至天线元件22-1的发射路径，例如，测试信号TSOUT穿过从端口p5到连接的RFIC 80的发射路径链路由到天线元件22-1。天线元件22-1辐射测试信号，该测试信号由校准元件25-1接收并且作为返回信号TSIN路由回校准电路50。然后以与针对参考路径测量值进行的类似的方式将TSIN与TSOUT进行比较以得出测试路径测量值，将测试路径测量值与参考路径测量值进行比较以得出发射路径测量值。可将测量结果发送到控制器30，然后该控制器可如针对接收路径情况进行的那样对发射路径元件的振幅和相位进行类似调节，从而完成发射路径校准。之后可对天线元件22-2至22-N重复该过程。尽管图3B中未示出VDL，但应当理解，除了相移(通过RFIC移相器34提供)之外，还可在发射时使用时间移位(通过VDL提供)。
图4A是校准电路50a的框图，该校准电路是天线系统10的校准电路50的示例。校准电路50a包括SPDT开关SW7和SW8、RF源51、控制器55、RF接收器53以及I/O接口57。在如上所述的接收路径校准测量期间，RF源51生成测试信号TSOUT，同时开关SW7由控制器55(该控制器继而从控制器30接收校准程序的命令)控制以将其开关状态设定为位置“A”，从而将信号TSOUT路由到端口p6。开关SW8同样被控制到其位置“A”以在端口p5处接收返回信号TSIN并且将该返回信号路由到接收器53。控制器55和接收器53可一起或单独地在信号TSoUT和TSIN之间以及在参考路径信号和测试路径信号之间执行上述比较，并且通过I/O接口57将测量结果在数据线52上发送到控制器30。在如上所述的发射路径校准测量期间，在开关SW7和SW8的开关位置各自切换到位置“B”的情况下执行相同或类似操作。这样，将测试信号TSOUT路由到端口p5，同时在端口p6处接收到返回信号TSrN。
图4B示意性地示出了天线系统内的校准电路的另一个示例。该架构的一个优点是其可减少或最小化低频噪声。校准电路50b包括RF源51a、RF接收器53a和控制器55a，并且还可包括以上述相同方式控制的开关SW7、SW8和I/O接口57(但图4B中未示出)。RF源51包括第一本地振荡器(LO)402、RF功率分配器406、上变频器408和第二本地振荡器404。在一个示例中，第二LO 404是生成比第一LO 402更低噪声的LO。接收器53a包括RF功率分配器410、峰值检测器412、下变频器414和相位检测器416。控制器55a包括第一模数转换器(ADC)420-1和第二模数转换器420-2及数字信号分析仪422。
为了实现接收路径校准测量或发射路径校准测量，第一LO 402生成相对较低频率的RF信号，该RF信号由分配器406分割成第一分配LO信号和第二分配LO信号。由上变频器408使用第二LO 404所生成的第二LO信号对第一分配LO信号进行上变频，并且将上变频的信号输出为测试信号TSOUT。由分配器410将返回信号TSIN分成施加到峰值检测器412的第一分配返回信号以及施加到下变频器414的第二分配返回信号。峰值检测器412检测第一分配返回信号的信号峰值振幅并且将包络信号输出到ADC 420-1，该ADC生成包络信号的数字样本。由分析仪422分析数字样本，该分析仪由此生成第一振幅结果信号A1和第二振幅结果信号A2。结果信号A1表示样本的均值μ，而结果信号A2表示样本的标准偏差
Figure BDA0003141147420000161
该标准偏差指示振幅噪声。将结果信号A1和A2在数据线52上输出到控制器30。控制器30使用这些结果信号来对调节经测量的相关联接收路径或发射路径中的振幅作出确定。
下变频器414接收第二分配返回信号并且使用第一参考信号REF1对第二分配返回信号进行下变频，该第一参考信号是从分配器406输出的第一分配LO信号。将下变频器414的下变频的输出信号施加到相位检测器416，该相位检测器使用第二参考信号REF2(第二LO信号)来检测该信号的相位。相位检测器416输出指示所检测的相位的相位信号，并且ADC420-2使该相位信号数字化以提供相位样本流。由分析仪422分析相位样本，该分析仪由此生成表示相位样本的均值μ的第一相位结果信号以及表示相位样本的标准偏差(SD)
Figure BDA0003141147420000162
的第二相位结果信号H2。同样将这些结果信号H1、H2在数据线52上输出到控制器30。控制器30使用这些结果信号来对调节经测量的相关联接收路径或发射路径中的相位作出确定。
图4C示意性地示出了天线系统内的校准电路的另外一个示例。该架构的一个优点是其可减少或最小化成本和空间占用。校准电路50c包括控制器55b、RF源51b和RF接收器53b。控制器55b包括第一ADC 420-1和第二ADC 420-2及分析仪440。RF源51b包括单个LO402和分配器406，该分配器将来自LO 402的LO信号分成作为测试信号TSOUT的第一分配输出信号和第二分配LO信号。接收器53b包括混合耦合器450和同相/正交相(I/Q)解调器452。混合耦合器450将返回信号TSIN分成彼此相位偏移90°的第一输出信号和第二输出信号。I/Q解调器将这些输出信号解调成I和Q输出信号。ADC 420-1对I信号进行采样，而ADC 420-2对Q信号进行采样。分析仪440分析I和Q样本以由此生成第三振幅结果信号A3和第四振幅结果信号A4，这些振幅结果信号分别表示所测量的路径中的介入损耗(S21振幅)的均值和SD。分析仪440进一步分析I和Q样本以由此生成相位结果信号H3、H4，这些相位结果信号分别表示所测量的路径中的介入相位的均值和SD。将这些结果信号A3、A4、H3、H4在数据线52上输出到控制器30。控制器30使用这些结果信号来对调节经测量的相关联接收路径或发射路径中的振幅和相位作出确定。
图5A是现场操作和校准天线系统10的示例性方法500的流程图。图5B是示出方法500期间波束形成和校准操作的示例性时序的时序图。图6A示出了可由天线系统10在方法500所指定的切换周期的第一部分期间形成的示例性第一波束和第二波束。图6B示出了由天线系统10分别在切换周期的第二部分期间和之后形成的示例性第三波束和第四波束。为简单起见，图6A至图6B中仅示出了主波束(且未示出旁瓣)，并且虽然其天线图案是在单个平面中示出的，但这些波束可为在所有平面中具有大约等同特性的笔形波束。
总体参见图1至图6B，利用方法500，在切换周期之前，通过天线阵列21来形成第一波束B1(S502)以用于与第一卫星91的正常通信。在该状态(这在图5B的时间t0之前发生)下，控制器30可接通天线阵列21的天线20-1和20-2内的所有放大器，使得完全激活用于通信的这两个天线。因此，天线阵列21具有有效孔径，其中2N个天线元件跨越将每个天线20-1、20-2的N个天线元件组合的二维平面，并且由此以高增益G1形成第一笔形波束B1。移相器24的相位被控制为在需要时跨天线阵列21的有效孔径产生均匀相位或相位梯度。这样，第一波束B1的峰值以如图6A中所见的扫描角度θ0指向卫星91。扫描角度θ0是相对于预定参考轴(例如，天线阵列21的平表面F的法线)的角度。
当用于将与天线系统10的通信从第一卫星91切换到第二卫星92的切换临近时，由控制器30或外部系统设置从时间t0开始的切换周期。在从时间t0至时间t1的切换周期的第一部分期间(操作S504)，在没有来自第二天线20-2的任何贡献的情况下使用第一天线20-1来形成第二波束B2以用于与第一卫星91的通信。为了形成第二波束B2，控制器30通过断开所有其放大器(但可在如先前所解释的校准程序期间一次接通一个的除外)来去激活用于外部通信的第二天线20-2。在天线20-2因此被去激活的情况下，使用如上所述的校准电路50在时间t0和t1之间执行校准程序。由于第二波束B2是仅用天线20-1的天线元件形成的，因此天线阵列21的有效孔径减小一半，并且所得波束B2比波束B2更宽并具有更低增益G2。
在从时间t1至时间t2的切换周期的第二部分期间(操作S506)，继续由天线20-1形成波束B2以用于与第一卫星91的通信，同时重新激活第二天线20-2以用于与第二卫星92的通信以启动通信从第一卫星91到第二卫星92的无缝切换。当重新激活第二天线20-2时，其形成具有大约与第二波束B2相同的增益G2的第三波束B3。因此，在该时间周期期间，天线20-1和20-2独立地操作并且发射/接收独立信号。例如，天线20-2按照与卫星92所使用的那些不同的频率和/或协议使用信号来与第二卫星92通信，由此使每个通信中的干扰最小化。如果第二卫星92位于相对于天线阵列21的参考轴的不同方向，则形成指向第二卫星92的不同方向的第三波束B3。图6B中描绘了该场景，该图示出了以扫描角度θ1指向的第三波束B3的峰值，该扫描角度与角度θ0偏移并且可对应于至第二卫星92的视线方向。为了将第三波束B3重新指向扫描角度θ1，控制器30将控制信号施加到天线20-2的移相器24以设定这些移相器的相位，使得跨其有效孔径生成相位梯度。另外，可单独地控制与每个天线元件22连接的信号路径的振幅以通过控制LNA和PA的增益及可变衰减器的损耗来微调波束特性。以这种方式设定相位并调节振幅的过程可被称为调节天线元件22的波束权重。
如果根据预定义的操作要求，切换周期中仍有足够的时间，则可为操作S508分配图5B中的时间t2和时间t3之间的切换周期的第三部分。在该周期期间，通过断开所有其放大器(但为初始校准而连接到天线元件22的一个或多个放大器除外)来去激活用于任何外部通信的第一天线20-1。该去激活终止与第一卫星91的通信。与此同时，第二天线20-2继续与第二卫星92通信。在去激活第一天线20-1时，使用与用于在切换周期的第一部分期间校准第二天线20-2类似的校准程序来校准第一天线20-1。
另一方面，如果切换周期中的时间仍不足以完成至天线阵列21内的所有天线元件22的所有信号路径的校准，则可在下一切换周期期间执行其余天线元件22的校准。
在切换周期之后(在图5B中的时间t3之后)，使用第一天线20-1和第二天线20-2两者来形成第四波束B4以用于与第二卫星92的通信(S510)。为了形成第四波束B4，可控制天线20-1的移相器24以形成与第二天线20-2相同的相位梯度，由此如图6B所示的那样形成第四波束B4以便以角度θ1指向并且具有与第一波束B1大约相同的增益G1。
图7A示出了相对于天线系统10的其他部件示出的接收交叉耦合(RCC)开关40a的功能框图。RCC开关40a是上述RCC开关40的一个实施方案。图7A还示出了在与第一卫星91的正常通信期间(例如，在图5B的时间t0之前)天线系统10的状态。交叉耦合开关40a包括第一3dB混合耦合器70-1、第二3dB混合耦合器70-2、第三3dB混合耦合器70-3和第四3dB混合耦合器70-4；单刀双掷(SPDT)开关SW11、SW12、SW13和SW14；交叉耦合信号线701和703；以及笔直路径信号线705和707、与耦合器70和开关SW11-SW14的各种端口连接的多个终端R。天线系统10的其他所示的示例性部件包括天线阵列21、校准链(CC)790-1和790-2；第一低噪声块(LNB)72-1和第二低噪声块72-2；第一解调器74-1和第二解调器74-2；以及信号处理器770。控制器30(图7A中未示出)经由控制线CL上的控制信号来控制开关SW11-SW14的开关状态。校准链790-1包括如图1A所示的T/R元件18-1、耦合器60-1、VDL 65-1和开关SW3。CC790-2包括T/R元件18-2、耦合器60-2、VDL 65-2和开关SW4。
对于每个3dB混合耦合器70而言，施加到任何端口a、b、c或d的信号被等分，但在相对面向的输出端口之间正交相移。因此，施加到端口“a”的信号被等分成端口b处的信号和端口c处的信号，该端口c处的信号比端口b处的信号滞后90°，但端口b和c处的反射功率大部分出现于端口d处并且在连接终端R的地方终止。其他实施方案中可替换其他类型的3dB耦合器，诸如混合环(“环形波导”)耦合器或威尔金森功率分配器。
在与卫星91的正常通信期间，可接通第一天线20-1和第二天线20-2的所有放大器，并且开关SW11-SW14的开关状态被控制为使第一天线20-1和第二天线20-2分别输出的第一接收波束信号SRB1和第二接收波束信号SRB2交叉耦合。通过对RCC开关40a的两个半部以及将第一天线20-1和第二天线20-2连接到RCC开关40a的两个信号路径进行相位平衡，基本上接收信号能量作为相等振幅、相位平衡的信号SOUT1和SOUT2出现。信号线705、703、701和707的电长度以及耦合器70-1至70-4和开关SW11-SW14中的电长度可全部已在天线系统10的制造和初始设置期间精确地校准。例如，从耦合器70-1的端口“a”到耦合器70-2的端口“a”的信号路径的第一电长度可能已被设定为等于从耦合器70-3的端口“a”到耦合器70-4的端口“a”的信号路径的第二电长度。然而，从耦合器70-3的端口a到耦合器70-2的端口d的电长度可能已被设定为比第一电长度“相位超前”90°。这样，耦合器70-2的端口“a”和d处出现的两个输入信号kSRB1和kSRB2(其中k≈0.5)的信号能量可相长地增加，使得这些信号的基本上所有信号能量作为信号SOUT1出现在耦合器70-2的端口c处。信号能量的类似相长增加适用于耦合器70-4处以生成输出信号SOUT2。因此，形成波束B1以用于与第一卫星91的正常通信。可实现发射交叉耦合器41的类似配置以在发射时生成波束B1的基本上相同的天线图案。
图7B示出了在图5B的时间t0和t1之间的切换周期的上述第一部分期间具有接收交叉耦合开关40a的天线系统10的操作状态。在该状态下，通过断开所有其放大器(LNA和PA)来去激活第二天线20-2。(放大器的此类断开可能已以斜降方式实现。)从而，不在线701和707上发射/接收卫星信号。因此，在没有来自第一天线20-2的任何贡献的情况下，第一天线20-1生成第二波束B2。解调器74-1对输出信号SOUT1进行解调以提供解调的信号SOUT1’。RCC开关40a的两个半部可通过保持如图所示的开关SW11-SW14的先前开关状态来保持通过信号线701和703的交叉耦合。
图7C示出了在切换周期的第一部分期间在图7B的操作状态的时间之后具有RCC开关40a的天线系统10的操作状态。在图7C的状态下，第二天线20-2内的所有放大器保持断开并且通过交换如图所示的每个开关SW11-SW14中的切换位置来断开RCC开关40a内的交叉耦合。在断开该交叉耦合的情况下，可以以上述方式校准第二天线20-2，同时第一天线20-2通过形成第二波束B2来继续与第一卫星91通信。
图7D示出了在切换周期的第二部分期间在上述时间t1和t2之间具有RCC开关40a的天线系统10的操作状态。在该状态下，重新接通第二天线20-2内的放大器，使得重新激活第二天线20-2。另外，控制器30调节第二天线20-2内的移相器的相位以使该第二天线形成其主瓣指向卫星92的第三波束B3。与此同时，RCC开关40a中的交叉耦合保持断开，使得第一天线20-1和第二天线20-2分别单独地与第一卫星91和第二卫星92通信。因此，第一解调器74-1将第一解调的信号SOUT1’输出到信号处理器770，该第一解调的信号表示来自卫星91的解调的接收信号，并且第二解调器74-2输出第二解调的信号SOUT2’，该第二解调的信号表示来自卫星92的解调的接收信号。
图7E示出了在切换周期的第三部分期间在图5B的时间t2和t3之间具有RCC开关40a的天线系统10的操作状态。在该状态下，通过使其放大器断开来去激活第一天线20-1，从而停止与第一卫星91的通信。与此同时，RCC开关40a的交叉耦合状态保持断开连接并且第二天线20-2继续形成波束B3以用于与第二卫星92的通信。因此，至信号处理器770的解调的输出信号只是第二解调器74-2所输出的信号SOUT2’，该信号从第二卫星92的接收信号SR2导出。因此，与天线系统10的通信会话的切换被有效地切换到第二卫星92。在该状态下，如果必要切换周期中仍有时间，则可执行第一天线20-1的上述校准。
图7F示出了在切换周期的第三部分期间在如图7E中的第一天线20-1的校准之后具有RCC开关40a的天线系统10的操作状态。图7F示出了通过改变开关SW11-SW14的开关状态来重新连接RCC开关40a的交叉耦合。这在第一天线20-1保持去激活并且第二天线通过形成波束B3来与卫星92通信时发生。
图7G示出了刚好在切换周期之后具有RCC开关40a的天线系统10的示例性操作状态。在该状态下，重新激活第一天线20-1并且已调节其移相器24以继续跨第一天线20-1的有效孔径的第二天线20-2的相位梯度，使得所得波束B4继续指向第二卫星92并且再次执行正常通信操作。
图8示意性地示出了包括现场校准电路的天线系统的另选实施方案。天线系统10a由于提供在校准路径中包括交叉耦合开关的方式而有别于天线系统10。因此，天线系统10a省略了图1A至图1B的SPDT开关SW3、SW3’、SW4和SW4’(因此校准链890-1和890-2相应地不同于链790)。接收交叉耦合(RCC)开关40b由于将耦合器70-2和70-4的端口b连接到开关SW1的不同输入端口并省略这些终端而有别于RCC开关40a。在发射交叉耦合开关(未示出)中建立类似连接。因此，接收时校准路径包括RCC开关40b内的路径，并且发射时校准路径将包括发射交叉耦合开关中的类似校准路径。
因此，天线系统10a包括单刀多掷(SPMT)开关SW1，该SPMT开关具有耦合到校准电路50的输入端口p5的输出端口并且具有多个输入端口。耦合器70-2的输出端口耦合到SPMT开关SW1的第一输入端口，并且耦合器70-4的输出端口耦合到开关SW1的第二输入端口；并且控制器30控制开关SW1以闭合第一输入端口与其输出端口之间的第一开关路径来校准第一天线20-1，并且闭合第一输入端口与其输出端口之间的第二开关路径来在接收时校准第二天线20-2。实现类似操作以便校准发射路径。
如本文所用，“控制器”是可包括处理器和存储器的设备。控制器可用处理电路来体现，该处理电路可为通用或专用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、离散栅极或晶体管逻辑、离散硬件部件或它们的任何组合的形式以执行本文所述的其操作。例如，控制器30或控制器55可读取并执行从其中的存储器读取的指令以执行其操作。存储器可以是任何合适的非暂态计算机可读存储介质。如本文所用，术语“处理器”旨在包括任何处理设备，诸如包括中央处理单元(CPU)和/或其他处理电路的处理设备。此外，“处理器”包括计算硬件并且可指在计算设备中包含多个处理核的多核处理器。与处理设备相关联的各种元件可由其他处理设备共享。
虽然已经参考本文所述的技术的示例性实施方案特别示出和描述了本文所述的技术，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离由以下权利要求书及其等同物限定的受权利要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (22)

1.一种校准天线系统的方法，所述天线系统包括至少第一天线和第二天线的天线阵列，所述方法包括：
在与所述天线系统的通信从第一通信系统切换到第二通信系统的切换周期之前，通过所述第一天线和所述第二天线来形成第一波束以用于与所述第一通信系统的所述通信；
在所述切换周期的第一部分期间：使用所述第一天线来形成第二波束以用于与所述第一通信系统的所述通信，同时去激活用于外部通信的所述第二天线，并且校准所述第二天线；
在所述切换周期的第二部分期间：通过使用所述第二天线形成第三波束来激活所述第二天线以用于与所述第二通信系统的切换通信，同时所述第一天线经由所述第二波束来保持其与所述第一通信系统的通信；以及
在所述切换周期之后，通过所述第一天线和所述第二天线两者来形成第四波束以用于与所述第二通信系统的所述通信。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述切换周期的第三部分期间，去激活用于与所述第一通信系统的所述通信的所述第一天线，并且校准所述第一天线。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一通信系统和所述第二通信系统位于相对于所述天线阵列的不同方向上，并且形成所述第三波束以指向与所述第一波束不同的方向。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一通信系统和所述第二通信系统中的每一者均为卫星。
5.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一天线和所述第二天线中的每一者是相控阵列，所述相控阵列包括耦合到多个放大器和多个移相器的多个天线元件；并且
所述校准所述第一天线和所述第二天线包括校准所述移相器的相应相移和/或所述放大器的相应增益。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个天线元件进一步耦合到多个可变延迟线，并且所述校准所述第一天线和所述第二天线还包括调节所述可变延迟线的延迟。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述去激活所述第二天线包括断开所述第二天线内的所述多个放大器。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述切换周期之前以及在所述切换周期之后，将单个接收波束信号输出到单个第一解调器；以及
在所述切换周期的所述第二部分期间，将与来自所述第一通信系统的接收信号相对应的第一接收波束信号输出到所述第一解调器并且将与来自所述第二通信系统的接收信号相对应的第二接收波束信号输出到第二解调器。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：
在所述切换周期之前以及在所述切换周期之后，控制交叉耦合开关以使来自所述第一天线的第一接收信号和来自所述第二天线的第二接收信号朝向所述第一解调器交叉耦合；以及
在所述切换周期的所述第二部分期间，控制所述交叉耦合开关以防止所述第一接收信号和所述第二接收信号的交叉耦合，并且将所述第一接收信号朝向所述第一解调器路由并将所述第二接收信号朝向所述第二解调器路由。
10.一种天线系统，所述天线系统包括：
包括第一天线和第二天线的天线阵列；
校准电路；
耦合到所述第一天线和所述第二天线的交叉耦合开关；和
控制器，所述控制器被配置为：
在与所述天线系统的通信从第一通信系统切换到第二通信系统的切换周期之前：控制所述交叉耦合开关的开关状态以引起其输出信号，通过使用所述第一天线和所述第二天线两者形成的第一波束来与所述第一通信系统传送所述信号；
在所述切换周期的第一部分期间：控制所述交叉耦合开关的所述开关状态以引起其输出信号，通过使用所述第一天线形成的第二波束来在所述天线系统与所述第一通信系统之间传送所述信号，同时去激活用于外部通信的所述第二天线，并且命令所述校准电路在所述第二天线上执行校准程序；
在所述切换周期的第二部分期间：通过以下方式激活所述第二天线以用于与所述第二通信系统的切换通信：控制所述第二天线以形成第三波束，同时控制所述第一天线以经由所述第二波束来保持其与所述第一通信系统的通信；以及
在所述切换周期之后，控制所述第一天线和所述第二天线以共同形成第四波束以用于与所述第二通信系统的所述通信。
11.根据权利要求10所述的天线系统，其中所述第一通信系统和所述第二通信系统分别是第一卫星和第二卫星。
12.根据权利要求10所述的天线系统，其中在所述切换周期的第二部分期间，所述控制器进一步控制所述交叉耦合开关的所述开关以输出信号，通过使用所述第二天线形成的第三波束来在所述天线系统与所述第二通信系统之间传送所述信号，同时去激活所述第一天线，并且与所述校准电路配合以校准所述第一天线。
13.根据权利要求10所述的天线系统，其中所述控制器被进一步配置为在除切换周期之外的所述天线系统与任何外部通信系统之间的通信的所有周期期间去激活用于校准操作的所述校准电路。
14.根据权利要求10所述的天线系统，其中所述第一天线和所述第二天线中的每一者是相控阵列，所述相控阵列包括耦合到多个放大器和多个移相器的多个天线元件，并且所述控制器与所述校准电路配合以通过校准所述移相器的相应相移和/或所述放大器的相应增益来校准所述第一天线和所述第二天线。
15.根据权利要求10所述的天线系统，其中所述第一天线和所述第二天线中的至少一者进一步耦合到或包括多个可变延迟线，并且所述控制器与所述校准电路配合以通过校准所述延迟线的相应延迟来校准所述第一天线和所述第二天线。
16.根据权利要求10所述的天线系统，其中：
所述交叉耦合开关所输出的所述信号是所述天线系统从所述第一通信系统或所述第二通信系统接收到的信号；
所述天线系统还包括各自耦合到所述交叉耦合开关的第一解调器和第二解调器；
在所述切换周期之前和之后，所述控制器控制所述交叉耦合开关的开关以连接其中的交叉耦合，并且只有所述第一解调器对所述交叉耦合开关所输出的所述信号进行解调；并且
在所述切换周期的所述第二部分期间：所述控制器控制所述交叉耦合开关的开关以使其中的所述交叉耦合断开连接；只有所述第一解调器对所述交叉耦合开关所输出的所述信号进行接收和解调，所述信号对应于从所述第一通信系统接收到的信号；并且只有所述第二解调器对所述交叉耦合开关所输出的所述信号进行接收和解调，所述信号对应于从所述第二通信系统接收到的信号。
17.根据权利要求10所述的天线系统，其中所述交叉耦合开关包括：
第一定向耦合器，所述第一定向耦合器具有连接到所述第一天线的第一输入端口、第一输出端口和第二输出端口；
第二定向耦合器，所述第二定向耦合器具有耦合到所述第一定向耦合器的所述第一输出端口的第一输入端口、第二输入端口以及耦合到第一解调器的第一输出端口；
第一单刀双掷(SPDT)开关，所述第一SPDT开关具有耦合到所述第二定向耦合器的所述第二输入端口的输入端口、耦合到终端的第一输出端口以及第二输出端口；
第二SPDT开关，所述第二SPDT开关具有耦合到终端的输入端口、第一输出端口以及连接到所述第一SPDT开关的所述第二输出端口的第二输出端口；
第三定向耦合器，所述第三定向耦合器具有连接到所述第二天线的第一输入端口、第一输出端口和第二输出端口；
第四定向耦合器，所述第四定向耦合器具有耦合到所述第三定向耦合器的所述第一输出端口的第一输入端口、第二输入端口以及耦合到所述第二解调器的第一输出端口；
第三SPDT开关，所述第三SPDT开关具有耦合到所述第四定向耦合器的所述第二输入端口的输入端口、耦合到终端的第一输出端口以及第二输出端口；
第四SPDT开关，所述第四SPDT开关具有耦合到终端的输入端口、第一输出端口以及连接到所述第三SPDT开关的所述第二输出端口的第二输出端口；
其中，
所述第一SPDT开关的所述第二输出端口耦合到所述第三定向耦合器的所述第二输出端口；并且
所述第三SPDT开关的所述第二输出端口耦合到所述第一定向耦合器的所述第二输出端口。
18.根据权利要求17所述的天线系统，所述天线系统还包括单刀多掷(SPMT)开关，所述SPMT开关具有耦合到所述校准电路的输入端口的输出端口，并且具有多个输入端口，其中：
所述第一定向耦合器至所述第四定向耦合器中的每一者均为3dB混合耦合器；
所述第三定向耦合器的第二输出端口耦合到所述SPMT开关的第一输入端口，并且所述第四定向耦合器的第二输出端口耦合到所述SPMT开关的第二输入端口；并且
所述控制器控制所述SPMT开关以闭合所述第一输入端口与其所述输出端口之间的第一开关路径来校准所述第一天线，并且闭合所述第一输入端口与其所述输出端口之间的第二开关路径来校准所述第二天线。
19.根据权利要求10所述的天线系统，其中：
所述交叉耦合开关所输出的所述信号是所述天线系统发射到所述第一通信系统或所述第二通信系统的信号；
所述天线系统还包括各自耦合到所述交叉耦合开关的第一调制器和第二调制器；
在所述切换周期的所述第一部分期间，只有所述第一调制器将调制的信号发射到所述交叉耦合开关，并且所述交叉耦合开关将所述调制的信号路由到其输出端口以提供所述输出的信号；并且
在所述切换周期的所述第二部分期间，所述第一调制器和所述第二调制器两者将调制的信号发射到所述交叉耦合开关，并且所述交叉耦合开关将所述调制的信号路由到其输出端口以提供所述输出的信号。
20.根据权利要求10所述的天线系统，其中：
所述天线系统还包括单刀多掷(SPMT)开关和辐射元件，所述辐射元件耦合到所述SPMT开关的第一输出端口；
所述校准电路包括输出端口，所述输出端口耦合到所述SPMT开关的输入端口并且提供射频(RF)输出信号；
所述天线系统还包括耦合器，所述耦合器具有耦合到与所述第一天线或所述第二天线连接的接收路径的输入端口、连接到所述SPMT开关的第二输出端口的耦合端口以及耦合到所述校准电路的输入端口的发射端口，其中与所述RF输出信号相对应的返回信号从所述发射端口提供到所述校准电路的所述输入端口。
21.根据权利要求20所述的天线系统，其中所述校准电路包括功率分配器，所述功率分配器具有接收所述返回信号的输入端口、第一输出端口和第二输出端口、耦合到所述第一输出端口的峰值检测器、耦合到所述第二输出端口的下变频器、耦合到所述下变频器的相位检测器、耦合到所述峰值检测器的输出的第一模数转换器(ADC)以及耦合到所述相位检测器的输出的第二ADC。
22.根据权利要求20所述的天线系统，其中所述校准电路包括接收所述返回信号的混合耦合器、耦合到所述混合耦合器的同相/正交相(I/Q)解调器、耦合到所述I/Q解调器的I输出端口的第一模数转换器(ADC)、耦合到所述I/Q解调器的Q输出端口的第二ADC、本地振荡器以及耦合器，所述耦合器将所述LO所输出的LO信号的第一部分耦合到所述I/Q解调器并且耦合所述LO信号的第二部分以提供所述RF输出信号。
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