CN114902581A - 具有不相交子阵列组的多波束相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种多波束相控阵天线系统，其包括响应于控制信号而在多个子阵列信号与多个波束信号之间进行转换的波束形成器。该系统还包括传送对应于该多个波束信号的多个波束的多个子阵列。每个子阵列包括多个辐射元件。每个子阵列还包括子阵列波束形成电路，该子阵列波束形成电路响应于相应波束权重而调节与该辐射元件传送的RF信号，并在经调节的RF信号与一个相应子阵列信号之间进行转换。该系统还包括确定两个或更多个波束的控制器，其中该两个或更多个波束属同一通信类型。该波束形成器将不相交子阵列子组分配给所确定的两个或更多个波束中的每个波束。该控制器还对该多个子阵列中的每个子阵列提供该波束权重，并将该控制信号提供给该波束形成器。

Description

具有不相交子阵列组的多波束相控阵天线
相关申请
本申请要求2020年1月9日提交的名称为“Reconfigurable Multi-Beam PhasedArray Antenna”的美国临时申请号62/959,146的优先权权益，该临时申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及天线系统。更特别地，本公开涉及一种具有相控阵天线的天线系统，该相控阵天线具有用于同时传送多个波束的多个子阵列。
背景技术
天线阵列(或阵列天线)是作为单个天线一起工作以发射或接收无线电波的一组多个辐射元件。单独辐射元件(通常简称为“元件”)可由电路连接到接收器和/或发射器，该电路施加由辐射元件接收和/或发射的信号的适当振幅和/或相位调节。当用于发射时，由每个单独辐射元件辐射的无线电波彼此组合和叠加，从而(相长干涉地)相加在一起以增强在期望方向上辐射的功率，并且(相消干涉地)消除以减少在其他方向上辐射的功率。类似地，当用于接收时，来自单独辐射元件的单独接收的信号以适当的振幅和/或相位关系组合，以增强从期望方向接收到的信号并消除来自不期望方向的信号。
天线阵列可用比单个天线可实现的无线电波波束更窄的无线电波波束来实现提高的增益(方向性)。一般来讲，所使用的较大数量个单独辐射元件将使增益提高并使波束变窄。一些天线阵列(诸如，相控阵雷达)可由数千个单独天线组成。阵列可用于实现更大的增益(这增加了通信可靠性)、消除来自特定方向的干扰、以电子方式控制无线电波束指向不同方向和/或用于无线电测向。
发明内容
一个示例涉及一种多波束相控阵天线系统。该多波束相控阵天线系统可包括响应于控制信号在多个子阵列信号与多个波束信号之间进行转换的波束形成器。该多波束相控阵天线系统还可包括传送对应于多个波束信号的多个波束的多个子阵列。多个子阵列中的每个子阵列可包括多个辐射元件。每个子阵列还可包括子阵列波束形成电路，该子阵列波束形成电路响应于相应波束权重而调节与多个辐射元件传送的RF信号并在经调节的RF信号与多个子阵列信号中的一个相应子阵列信号之间进行转换，其中相应子阵列信号对应于多个波束中的一个特定波束。多波束相控阵天线系统还可包括控制器，该控制器确定多个波束中的两个或更多个波束，其中两个或更多个波束属同一通信类型。该控制器可以向所选择的两个或更多个波束中的每个波束分配多个子阵列中的不相交子阵列子组，使得多个子阵列中的每个子阵列仅被分配给多个波束中的一个特定波束。该控制器还可以基于分配对多个子阵列中的每个子阵列提供相应波束权重，并基于分配向波束形成器提供控制信号。
附图说明
图1示出了多波束相控阵天线系统的框图。
图2示出了相控阵天线系统的子阵列的框图。
图3示出了具有包括多个波束形成网络(BFN)的波束形成器的多波束相控阵天线系统的框图。
图4示出了具有包括数字电路的波束形成器的多波束相控阵天线系统的框图。
图5示出了具有包括位于波束转换电路中的系统的波束形成器的多波束相控阵天线系统的框图。
图6示出了同时在两个波束上进行通信的相控阵天线的第一示例。
图7示出了同时与两个波束通信的相控阵天线的第二示例。
图8示出了同时在两个波束上进行通信的相控阵天线的第三示例。
图9示出了向相控阵天线的两个波束分配的不同数量的子阵列的视轴增益-噪声温度的示例性图表。
图10示出了具有两个相控阵天线的天线系统的第一示例，每个相控阵天线同时传送两个或更多个不同波束。
图11示出了具有两个相控阵天线的天线系统的第二示例，每个相控阵天线同时传送两个或更多个不同波束。
图12示出了具有两个相控阵天线的天线系统的第一示例，每个相控阵天线同时在两个或更多个不同波束上进行通信。
图13示出了在接收模式下操作的相控阵天线的子阵列的示例。
图14示出了在发射模式下操作的相控阵天线的子阵列的示例。
图15示出了在半双工模式下操作的相控阵天线的子阵列的示例。
图16示出了在频分双工模式下操作的相控阵天线的子阵列的示例。
图17示出了在极化双工模式下操作的相控阵天线的子阵列的示例。
具体实施方式
本公开描述了一种多波束相控阵天线系统，其可同时传送多个波束。该多波束相控阵天线系统可以安装在实体(例如，飞行器或地面车辆)上，并且用于与外部实体或多个外部实体(例如，一个或多个卫星)通信。多个波束中的每个波束可以表示相长地和/或相消地干扰以提供期望特性的多个射频(RF)信号。该多波束相控阵天线系统包括可以由多个子阵列形成的相控阵天线。在一些示例中，子阵列被布置为瓦片形式。多个子阵列中的每个子阵列包括用于通过自由空间与另一实体传送多个波束的多个辐射元件。
多波束相控阵天线系统可包括在多个子阵列信号与多个波束信号之间进行转换的波束形成器，其中波束信号中的每个波束信号对应于多个波束中的一个波束。此外，多个子阵列信号中的每个子阵列信号被提供给相控阵天线的子阵列中的一个且仅一个子阵列。该波束形成器可以由数字逻辑部件、模拟电路或它们的组合构成。
多个子阵列中的每个子阵列都可包括子阵列波束形成电路，该子阵列波束形成电路基于波束权重调节与多个相应辐射元件传送的RF信号。此外，该子阵列波束形成电路可以被配置为在经调节的RF信号与多个子阵列信号中的一个相应子阵列信号之间进行转换。在一些示例中，波束形成电路可包括耦接到波束形成器的子阵列波束形成网络(BFN)和耦接到相应辐射元件的多个射频集成电路(RFIC)芯片。
该多波束相控阵天线系统可包括控制器，该控制器动态地控制多个子阵列和波束形成器中的每一者的操作。更特别地，该控制器可以被配置/编程为从多个波束确定两个或更多个波束。所确定的两个或更多个波束包括属同一通信类型的两个波束。如本文所用，“通信类型”是指通信(诸如发射或接收)的方向，使得所确定的两个或更多个波束包括至少两个接收波束或至少两个发射波束。如果属同一通信类型的两个波束的频率、极化和指向方向中的至少一者不同，则这两个波束不同。响应于确定两个或更多个波束，该控制器向所确定的两个或更多个波束中的每个波束分配多个子阵列中的不相交子阵列子组。这样，多个子阵列中的每个子阵列被分配给多个波束中的一个且仅一个特定波束。该控制器可以基于分配对多个子阵列中的每个子阵列提供相应波束权重并向波束形成器提供控制信号。
该控制器可以被配置为随时间推移改变对两个或更多个波束的确定。例如，随着多波束相控阵天线系统被安装到其的实体的移动并且/或者多波束相控阵天线系统与其通信的实体(或多个实体)的移动，该控制器可以动态地确定用于传输数据和/或从不同卫星(或其他实体)接收数据的波束，并重新分配相控阵天线的不相交子阵列。这样，可以采用多波束相控阵天线系统来实现与两个卫星同时进行的先通后断通信。例如，考虑多波束相控阵天线系统安装在实体上的情况，并且可以采用多波束相控阵天线系统来使用相控阵天线提供与第一卫星的双向通信。随着与第一卫星的通信开始劣化(例如，由于实体的位置的变化)，多波束相控阵天线系统可以在丢失与第一卫星的通信之前使用同一相控阵天线来建立与第二卫星的双向通信。
图1示出了多波束相控阵天线系统100的示例。多波束相控阵天线系统100同时传送多个波束。如本文所用，参考信号的术语“通信”(及其派生词)是指信号的发射和/或接收，既不需要同时是发射和接收两者，也不排除发射或接收。多波束相控阵天线系统100包括利用J个子阵列108形成的相控阵天线104，其中J是大于一的整数。在一些示例中，相控阵天线104可以表示多个天线(例如，发射天线和接收天线)。在其他示例中，相控阵天线104表示单个天线。
在本示例中，存在14个子阵列108，标记为SA-1、…、SA-14。在其他示例中，可存在更多或更少的子阵列108。每个子阵列108包括将射频(RF)信号传送到自由空间中的多个辐射元件。J个子阵列108中的每个子阵列包括在RF信号与子阵列信号之间进行转换的子阵列波束形成电路。更特别地，该子阵列波束形成电路可包括用于组合和/或分频用于转换的RF信号的信号路径。另外，J个子阵列108中的每个子阵列的子阵列波束形成电路可包括电路部件，诸如可以基于波束权重对RF信号进行放大和/或相移的射频集成电路(RFIC)芯片。
在一些示例中，J个子阵列108中的每个子阵列可具有同一形状(例如，具有形状相同的顶表面)。形状a的示例可包括六边形(如图1所示)、正方形、菱形、三角形等。在其他示例中，相控阵天线104可包括具有不同形状的不同子阵列108子组，诸如具有第一形状的第一组一个或多个子阵列108、具有第二形状的第二组一个或多个子阵列108等。在其他示例中，J个子阵列108中的每个子阵列可具有不同形状。在一些示例中，子阵列108可以布置成规则(例如，三角形、正方形等)网格。呈此类布置的网格的子阵列108可以例如布置成边缘到边缘(例如，形成连续孔)。在其他示例中，子阵列108可以布置成不规则图案。
相控阵天线104被配置为使得不相交子阵列108子组被分配为传送多个波束中的特定波束，并且可以与另一实体(诸如卫星或地面站)传送多个波束中的每个波束。如本文所用，“不相交子组”是指一组(例如，一组14个子阵列)中的子组，其中每个单独不相交子组没有与另一个不相交子组共有的成员。例如，如果第一至第七子阵列108(SA-1、…、SA-7)被分配给第一波束，并且第八至第十四子阵列108(SA-8、…、SA-14)被分配给第二波束，则第一至第七子阵列108(SA-1、…、SA-7)是第一不相交子阵列108子组，并且第八至第十四子阵列108(SA-8、…、SA-14)是第二不相交子阵列子组。在这种情况下，第一波束和第二波束可以在相同或不同的方向上，并且可以同时传送。这样，相控阵天线104可以被采用来在相同方向上发射和接收发射到同一实体和从同一实体发射的不同波束，或者相控阵天线104可用于同时与两个不同实体通信。
J个子阵列108中的每个子阵列都与波束形成器112传送子阵列信号，使得存在J个子阵列信号。波束形成器112可以被实现为多个波束形成网络(BFN)或数字逻辑部件(例如，现场可编程门阵列(FPGA))。在任一情况下，波束形成器112可以在J个子阵列信号与K个波束信号之间进行转换，其中K是大于或等于一的整数。每个波束信号对应于一个且仅一个(恰好一个)波束。
K个波束信号中的每个波束信号都可以是包括嵌入式数据的发射信号或接收信号。可以与K个调制解调器116传送K个波束信号中的每个波束信号。可以采用K个调制解调器116来在K个波束信号中的对应波束信号上编码或解码数据。
多波束相控阵天线系统100可包括控制器120，该控制器可以控制波束形成器112以及相控阵天线104的J个子阵列108的操作。在一些示例中，控制器120可以被实现为例如具有嵌入式指令的一个或多个处理器内核。在其他示例中，控制器120可以被实现为计算平台，诸如具有存储机器可读指令的非暂态机器可读介质(例如，存储器)和执行机器可读指令的一个或多个处理器内核的系统。
如所述，多波束相控阵天线系统100同时传送多个波束。相控阵天线系统100所传送的每个波束作为发射波束或接收波束中的任一者进行操作。在给定波束是给定接收波束的示例中，在子阵列108的辐射元件处接收能量并将其转换为RF信号。如下文所详述，一个或多个子阵列108的子组由控制器120分配给给定接收波束。该子组中的每个子阵列108的子阵列波束形成电路响应于来自控制器120的波束权重而对其RF信号进行调节和组合，以形成与给定接收波束相关联的相应子阵列信号。然后将来自该子组中的每个子阵列108的子阵列信号提供给波束形成器112。响应于来自控制器120的控制信号，波束形成器112对来自该子组的子阵列信号进行调节和组合，以形成对应于给定接收波束的给定接收波束信号(例如，波束信号1)。子阵列的一个或多个其他子组由控制器120类似地分配给其他接收波束中的每个接收波束，并且提供波束权重以形成与其他分配的接收波束相关联的相应子阵列信号。波束形成器112类似地对与其他相应接收波束中的每个接收波束相关联的相应一组一个或多个子阵列信号进行调节和组合，以形成其他接收波束信号。然后将K个接收波束信号中的每个接收波束信号提供给K个调制解调器116中的一个给定调制解调器。响应于波束信号，给定调制解调器116解码波束信号上的数据以用于在外部系统处使用。
相反地，在给定波束是给定发射波束的示例中，K个调制解调器116中的给定调制解调器116从外部系统接收用于发射的数据。响应于该数据，给定调制解调器116编码K个波束信号中的给定波束信号上数据，该给定波束信号被提供给波束形成器112。响应于控制信号，波束形成器112将给定波束信号转换为与给定发射波束相关联的给定一组一个或多个子阵列信号。然后，波束形成器112将该给定一组中的每个相应子阵列信号提供给已经由控制器120确定用于给定发射波束的子阵列的子组中的相应对应子阵列108。响应于波束权重，该子组中的每个子阵列108的子阵列波束形成电路将相应子阵列信号转换为一组RF信号。这些RF信号中的每个RF信号作为给定波束由子阵列108的子组中的每个相应子阵列108的辐射元件传播到自由空间中，从而形成给定发射波束。多波束相控阵天线系统100类似地形成其他发射波束(如果有的话)。
J个子阵列108的波束形成电路可以被实现为接收波束形成电路和/或发射波束形成电路。接收波束形成电路被分配给接收波束(诸如上文所描述的给定接收波束)，并且发射波束形成电路被分配给发射波束(诸如上文所描述的给定发射波束)。波束形成电路的每个实例包括被配置为在一个方向上调节特定类型的信号的有源部件(例如，相移器和/或放大器)。更特别地，接收波束形成电路被配置为对RF信号进行调节和组合以形成与随后被提供给波束形成器112的接收波束相关联的子阵列信号。相反地，发射波束形成电路被配置为获得与来自波束形成器的发射波束相关联的子阵列信号，并将子阵列信号分频并调节成用于发射到自由空间中的RF信号。
控制器120可以向波束形成器112提供控制信号，该控制信号使波束形成器112将单独子阵列108分配给特定波束。换句话说，响应于从控制器120提供的控制信号，波束形成器112将单独子阵列108分配给特定波束。另外，控制器120可以将波束权重提供给J个子阵列108的子阵列波束形成电路。响应于波束权重，J个子阵列108中的每个子阵列的子阵列波束形成电路调节用于在相应辐射元件上传递的相应RF信号。
从控制器120提供的波束权重可以被实现为控制J个子阵列108中的每个相应子阵列的操作的控制信号。波束权重可以控制子阵列波束形成电路的相移器、放大器、滤波器、切换装置等的操作。
提供给子阵列108的波束权重和从控制器120向波束形成器112提供的控制信号对要由子阵列108的辐射元件经由聚集在特定方向上传送的能量的相长和相消干涉来传送(传输或接收)的波束进行限定。更特别地，由子阵列108中的每个子阵列应用的波束权重对由每个相应子阵列108传送的RF信号以及由波束形成器使用来调节与每个波束相关联的子阵列信号的控制信号进行调节(例如，放大和/或相移)，使得波束转而聚集在特定方向上传送的能量。
在操作中，控制器120可以从多个波束确定用于通信的两个或更多个波束。可以例如基于多波束相控阵天线系统100的位置和与多波束相控阵天线系统100无线地通信的外部实体的位置来确定两个或更多个波束。确定两个或更多个波束包括：由控制器120执行以确定要形成的波束的数量以及两个或更多个波束中的每个波束的期望特性(例如，波束宽度、增益、旁瓣电平、交叉极化等)的操作。更特别地，控制器120可以被配置为权衡多个因素以确定两个或更多个束中的波束的数量和特性。这些因素可包括但不限于：要与其通信的实体(例如，卫星)的识别、与每个实体的通信的方向性(例如，通信是单向的(发射或接收)还是双向的(发射和接收))、每个实体相对于相控阵天线104的取向的位置、以及相控阵天线104、实体和/或在其他方向上的可能的干扰电平之间的期望链路性能。此外，在一些示例中，控制器120可以仅考虑这些因素的子组来确定两个或更多个波束。在其他示例中，控制器120可以考虑这些因素的超组来确定两个或更多个波束。
由控制器120确定的多个波束中的两个或更多个波束包括属同一通信类型的至少两个波束。即，两个或更多个波束包括至少两个发射波束或至少两个接收波束。属同一通信类型的两个波束在它们的频率、极化和指向方向中的至少一方面存在不同。
在一些示例中，控制器120可以同时确定用于从第一实体(例如，第一卫星)接收数据的第一接收波束和用于从第二实体(例如，第二卫星)接收数据的第二接收波束，使得多波束相控阵天线系统100具有两个接收波束。附加地或另选地，在一些示例中，控制器120可以确定用于将数据发射到第一实体的第一发射波束和用于将数据发射到第二实体的第二发射波束。在此类情况下，多波束相控阵天线系统100可同时执行与两个不同外部实体(诸如两个不同卫星)的双向通信。例如，一个卫星可以是低轨道卫星，并且另一个卫星可以是地球同步轨道卫星。另选地，这两个卫星都可以是低轨道卫星，或者这两个卫星都可以是地球同步轨道卫星。在任一此类情况下，控制器120可以同时确定用于将数据发射到第一卫星的第一波束、用于从第一卫星接收数据的第二波束、用于将数据发射到第二卫星的第三波束和用于从第二卫星接收数据的第四波束。在该示例中，第一波束和第二波束可具有相同的方向，并且第三波束和第四波束也可具有相同的方向。这允许多波束相控阵天线系统100实现与两个卫星的先通后断通信。更特别地，控制器120可以确定用于与第一卫星通信的第一波束和第二波束，并且随后在丢失与第一卫星的通信之前确定用于与第二卫星通信的第三波束和第四波束。
在其他示例中，多波束相控阵天线系统100可同时与三个或更多个实体通信。另外，在其他示例中，控制器120可以被配置为仅使用一个波束(例如，发射波束或接收波束)与特定实体通信，使得多波束相控阵天线系统100仅与特定实体发射或接收数据以提供单向通信。
响应于从多个波束确定两个或更多个波束，控制器120可以分配相控阵天线104的J个不相交子阵列子组。例如，如图所示，控制器120可以将子阵列1-3、6-8和11作为第一不相交子阵列108子组分配给第一波束，并将子阵列4-5、9-10和13-14作为第二不相交子阵列108子组分配给第二波束。在例示的示例中，为了进行示意性的说明，第二不相交子阵列108子组已经附有阴影。
不相交子阵列108子组的分配可以基于例如与外部实体传送的波束的特性。给定波束的此类特性可包括例如给定波束的孔大小和形状。例如，可以确定某些子阵列108以考虑与外部实体通信所需的波束宽度和/或信号强度。
控制器120可以基于分配来计算每个单独子阵列108所需的波束权重。波束权重可以表征特定波束的特性(例如，孔大小和形状)所需的RF信号的相移和/或放大。在本示例中，同一不相交子组内的不同子阵列108可具有不同的波束权重。另外，不同不相交子组中的不同子阵列108也可以具有不同的波束权重。即，可以针对向其分配相应子阵列108的特定波束来调谐每个单独子阵列108的波束权重。控制器120可以将波束权重提供给相控阵天线104中的J个子阵列108中的每个子阵列。每个子阵列108的相应子阵列波束形成电路可以响应于从控制器120提供的波束权重来调节与相应辐射元件传送的RF信号。换句话说，响应于波束权重，每个子阵列的相应子阵列波束形成电路可以相应地调节与辐射元件传送的RF信号。
可以由控制器120动态地改变子阵列108向特定波束的分配和/或波束权重的分配。例如，控制器120可以将子阵列108中的一些(或全部)子阵列重新分配给新波束和/或重新计算波束权重以：补偿容纳多波束相控阵天线系统100的实体的位置变化和/或与多波束相控阵天线系统100(例如，卫星)通信的外部实体的位置变化；或者符合规则要求。
另外，响应于分配(或重新分配)，控制器120向波束形成器112提供控制信号。响应于控制信号，波束形成器112将每个子阵列信号耦合到K个波束信号中的一个对应波束信号，使得每个子阵列信号是一个且仅一个波束信号的组成分量。例如，在存在两个波束信号(即第一波束信号和第二波束信号)的情况下，与第一不相交子组中的子阵列108相关联的子阵列信号可以耦合到针对第一波束信号的信号路径。因此，波束形成器112可以在与第一不相交子组中的子阵列108相关联的子阵列信号与第一波束信号之间进行转换。类似地，在这种情况下，波束形成器112将与第二不相交子组相关联的子阵列信号耦合到与第二波束形成信号相关联的信号路径。因此，波束形成器112可以在与第二不相交子组中的子阵列108相关联的子阵列信号与第二波束信号之间进行转换。
随着多波束相控阵天线系统100的位置改变和/或外部实体的位置改变，控制器120可以确定K个波束中的不同波束，并将不相交子阵列108子组动态地分配给所确定的波束。这样，可以采用由J个子阵列108形成的同一相控阵天线104来同时传送不同波束。因此，多波束相控阵天线系统100可以通过所确定的波束建立与一个或多个实体的通信。
常规多波束天线可包括允许所有辐射元件促成每个波束的电路。然而，此类常规多波束天线是高度复杂的，因为其需要大量的电路部件，并且因此相应地增加了成本。相比之下，J个子阵列108中的每个子阵列包括子阵列波束形成电路系统，该子阵列波束形成电路系统能够用于促成特定通信类型的一个且仅一个波束(即，一个且仅一个发射波束和/或一个且仅一个接收波束)。即，J个子阵列108中的每个子阵列包括特定通信类型的波束形成子阵列电路的单个实例(例如，实现为组合器/分频器网络)，其是1:G端口设备(其中“1”对应于子阵列信号，并且G是波束形成子阵列电路所处理的RF信号的数量)，并且存在一组G个调节电路，这使得子阵列辐射元件促成特定通信类型的一个波束。在其中给定子阵列108包括用于进行发射和接收两者的辐射元件的实施方案中，给定子阵列108的波束形成电路可包括接收波束形成电路(能够用于促成一个且仅一个接收波束)以及发射波束形成电路(能够用于促成一个且仅一个发射波束)。虽然与常规多波束天线相比，多相控阵天线100可能在一些应用中具有较低性能度量，但是与常规多波束天线相比，多相控阵天线100具有更低的成本和复杂性。更特别地，图1的多相控阵天线100仅通过将J个子阵列108中的每个子阵列用于一个波束来牺牲性能，以换取通过具有许多较小的电路元件来显著节约成本/降低复杂性。
图2示出了可以在相控阵天线中采用的子阵列200的示例的框图。子阵列200可用于实现图1的相控阵天线104的J个子阵列108中的一个子阵列。
子阵列200包括G个辐射元件204，其中G是大于一的整数。G个辐射元件204中的每个辐射元件可以实现为例如贴片天线、隙缝天线或它们的组合。可以采用G个辐射元件204中的每个辐射元件来传送RF信号206。在其中子阵列200被分配给发射波束的示例中，G个辐射元件204中的每个辐射元件将RF信号206发射到自由空间中。由G个辐射元件204传送的RF信号206可以是水平极化的、垂直极化的、圆极化的等。在子阵列200被分配给接收波束的示例，G个辐射元件204中的每个辐射元件从自由空间接收RF信号206。
G个辐射元件204中的每个辐射元件与子阵列波束形成电路208通信。子阵列波束形成电路208可包括波束形成电路、相移器、放大器、组合器/分频器电路等，以在G个RF信号206与子阵列信号218之间进行转换。可以与波束形成器(诸如图1的波束形成器112)传送子阵列信号218。子阵列波束形成电路208可包括用于子阵列信号218的端口214。在其中子阵列200用于促成一个特定通信类型的给定波束(例如，发射波束或接收波束)的例示的示例中，子阵列200包括用于子阵列信号218的一个且仅一个端口，使得子阵列波束形成电路每次传送与给定波束相关联的一个且仅一个子阵列信号218。在其中子阵列200用于促成一个接收波束和一个发射波束的示例中，子阵列200包括两个端口：用于与接收波束相关联的接收子阵列信号的一个且仅一个端口以及用于与发射波束相关联的发射子阵列信号的一个且仅一个端口(参见，例如图16)。
在例示的示例中，子阵列波束形成电路208包括子阵列BFN 212。子阵列BFN 212可包括子阵列波束形成电路208的子阵列信号端口214。子阵列波束形成电路208还包括与对应辐射元件204传送相应RF信号206的G个调节电路216。G个调节电路216可以各自被实现为离散电路部件、IC芯片(或多个IC芯片)(诸如射频集成电路(RFIC)芯片)或它们的组合。例如，在一些示例中，可利用RFIC芯片来实现每个调节电路216，使得RFIC芯片和辐射元件204可以存在一对一的对应关系。在其他示例中，可存在RFIC芯片与辐射元件204的其他比率，包括其中多个辐射元件204连接到单个RFIC芯片的示例。在例示的示例中，每个调节电路216将RF信号206传送到相应辐射元件204。在这种情况下，可以使与相应辐射元件204传送的一个RF信号206垂直极化，并且可以使与相应辐射元件204传送的另一个信号水平极化。在其他示例中，每个调节电路216可以与相应辐射元件204传送单个RF信号216。
另外，子阵列BFN 212与调节电路216中的每个调节电路传送子阵列分量信号218。子阵列BFN 212被配置为在子阵列信号218与RF信号206之间进行转换。G个调节电路216中的每个调节电路对与相应辐射元件204传送的相应RF信号206进行调节(例如，放大和/或相移)。因此，子阵列BFN 212和G个调节电路216协同地在子阵列信号218和与G个辐射元件204传送的RF信号206之间进行转换。
子阵列200可以促成发射波束的一部分和/或促成接收波束的一部分。在其中子阵列200促成接收收束的一部分的示例中，在G个辐射元件204处接收能量并将其转换为RF信号206。子阵列波束形成电路208对RF信号206进行调节和组合并且形成提供给波束形成器的子阵列信号218。更特别地，响应于波束权重，G个调节电路216中的每个调节电路调节RF信号206并将对应经调节的RF信号206提供给子阵列BFN 212。响应于经调节的RF信号206，子阵列BFN 212对经调节的RF信号206进行组合以通过端口214提供子阵列信号218。
在其中子阵列200促成发射波束的一部分的示例中，子阵列波束形成电路208从波束形成器接收与发射波束相关联的子阵列信号218。响应于子阵列信号，波束形成电路208将子阵列信号转换为G个RF信号204。更特别地，子阵列BFN 212在端口214处接收从波束形成器提供的子阵列信号218。子阵列BFN 212将子阵列信号218转换为提供给相应调节电路216的G个RF信号206。调节电路216响应于波束权重而调节相应RF信号206，并将相应RF信号206提供给对应辐射元件204，其中RF信号206中的每个RF信号被传播到自由空间中以促成发射波束。
波束形成电路208可以被实现为接收波束形成电路和/或发射波束形成电路。在其中波束形成电路208被实现为接收波束形成电路的示例中，波束形成电路可以被分配给接收波束(诸如上文所描述的接收波束)。相反地，在其中波束形成电路208被实现为发射波束形成电路的示例中，波束形成电路208可以被分配给发射波束(诸如上文所描述的发射波束)。波束形成电路208的G个调节电路216包括被配置为在一个方向上调节RF信号206的有源部件(例如，相移器和/或放大器)。更特别地，接收波束形成电路208被配置为对RF信号206进行调节和组合以形成与接收波束相关联的子阵列信号218。相反地，发射波束形成电路被配置为将与发射波束相关联的子阵列信号218分频和调节成为用于发射到自由空间中的RF信号216，以促成发射波束。
子阵列波束形成电路208可以基于从控制器(诸如图1的控制器120)提供的波束权重220来调节RF信号206。更特别地，可以将波束权重220提供给G个调节电路216中的每个调节电路。G个调节电路216中的每个调节电路可包括可以调节RF信号206的有源部件和/或其他电路。例如，每个调节电路216可包括放大器和/或相移器，该放大器和/或相移器可用于分别对与相应辐射元件204传送的RF信号206进行放大和/或相移。放大和/或相移的量由波束权重220控制。换句话说，响应于波束权重220，每个调节电路216对与相应辐射元件204传送的RF信号206进行放大和/或相移。
在一些示例中，子阵列BFN 212是无源1:G电路，其包括对子阵列信号218进行组合或分频中的一者成为用于供G个调节电路216调节的RF信号206的组合器/分频器。更特别地，在一个示例中，可以采用组合器/分频器来将从调节电路216提供的RF信号206组合成子阵列信号218。在其他示例中，子阵列BFN 212的组合器/分频器可将子阵列信号218分频成提供给调节电路216的RF信号206。尽管子阵列200被示出为与子阵列BFN 212分开的调节电路216，但在一些示例中，调节电路216可以与子阵列BFN 212集成。
如图所示，可以确定从控制器提供的波束权重220以单独地调谐由G个辐射元件204传送的RF信号206。即，响应于波束权重220，子阵列波束形成电路208相应地调节RF信号206，使得子阵列200可以与其他子阵列(例如，不相交子组中针对特定波束确定的其他子阵列)协同操作以在自由空间中传送波束。
如图所示，子阵列200(其表示图1的J个子阵列108中的任一个子阵列)刚好具有特定通信类型的波束形成电路208的一个实例。此外，子阵列波束形成电路208是1:G端口设备。更特别地，端口214对应于“1”，并且G对应于由G个调节电路216传送的RF信号206的数量G。此外，如图所示，子阵列波束形成电路208包括刚好一组G个调节电路216，使得子阵列208的部件促成特定通信类型的一个且仅一个波束。相比之下，将每个辐射元件用于M个波束中的每个波束的常规多波束相控阵天线具有2*M个1:X端口设备(其中X是阵列中的辐射元件的总数)和总共M*X个调节电路(每个波束一组X个调节电路)。虽然在每个波束中使用一个辐射元件可以提供良好的性能(由于使用整个天线孔)，但是由于所需的附加电路元件，常规多波束天线也具有比图1的多波束相控阵天线100(其采用J个子阵列200)更高的成本和复杂性。因此，与常规多波束天线相比，使用J个子阵列200的图1的多相控阵天线100可能具有较低的性能度量，但是图1的多相控阵天线100具有更低的成本和复杂性。更特别地，通过提供作为1:G端口设备的子阵列200和促成一个且仅一个波束的G调节电路216，采用J个子阵列200的图1的多相控阵天线100可以(通过具有许多较小的电路元件)实现与常规相控阵天线相比显著地节约了成本/降低了复杂性。
图3示出了包括利用模拟电路实现的波束形成器302的多波束相控阵天线系统300的示例。可以采用该多波束相控阵天线系统300来实现图1的多波束相控阵天线系统100。因此，多波束相控阵天线系统300同时传送多个波束。波束形成器302可用于实现图1的波束形成器112。此外，多波束相控阵天线系统300包括可采用来实现图1的相控阵天线104的相控阵天线304。因此，可以利用J个子阵列308(诸如图1的J个子阵列108)来形成相控阵天线304。此外，可以利用图2的子阵列200的实例来实现相控阵天线304的J个子阵列308中的每个子阵列。在一些示例中，相控阵天线304可以表示多个天线(例如，发射天线和接收天线)。更特别地，在一些示例中，相控阵天线304可以表示形成单独天线的J个子阵列308的多个连续分隔部分。形成单独天线的J个子阵列308的此类连续分隔部分可以彼此间隔开。另外，J个子阵列308的这些连续分隔部分可用于独立地进行操作(例如，一个相控阵天线用于接收波束并且另一个相控阵天线用于发射波束)。在其他示例中，相控阵天线304表示单个天线。在这种情况下，可以将J个子阵列308布置成连续图案，并且可以将J个子阵列308的不同子阵列308分配给不同波束。
J个子阵列308中的每个子阵列包括在RF信号与子阵列信号之间进行转换的子阵列波束形成电路，使得相控阵天线304将J个子阵列信号与波束形成器302传送。如所述，利用模拟电路来实现波束形成器302。更特别地，波束形成器302可包括K个BFN 312。K个BFN312中的每个BFN可以在J个子阵列信号的子组与K个波束信号中的一个且仅一个特定波束信号之间进行转换。每个波束信号对应于一个且仅一个波束。
K个波束信号中的每个波束信号可以是发射信号或接收信号中的任一者，该发射信号或接收信号在多波束相控阵天线系统300的操作期间的给定时间包括嵌入式数据。更特别地，多波束相控阵天线系统300可以被配置为在发射信号或接收信号之间切换波束信号的分配。可以与K个调制解调器316中的调制解调器116传送K个波束信号中的每个波束信号。可以采用K个调制解调器316来编码或解码K个波束信号中的对应波束信号上的数据。
波束形成器302可包括J个切换装置320。J个切换装置320中的每个切换装置可以耦接到J个子阵列308中的一个且仅一个子阵列。J个切换装置320中的每个切换装置可以被实现为单刀多掷切换装置，该单刀多掷切换装置被配置为将J个子阵列308中的一个相应子阵列与K个BFN 312中的所确定的一个BFN电耦接。即，在任何给定时间点，J个切换装置320中的每个切换装置可以耦接到相应子阵列308并耦接到K个BFN 312中的任一个BFN。J个切换装置320中的每个切换装置都可以实现为晶体管基固态切换装置或机电切换装置。
多波束相控阵天线系统300可包括控制器324，该控制器可以控制波束形成器302以及相控阵天线304的J个子阵列308的操作。在一些示例中，可以采用控制器324来实现图1的控制器120。控制器324可以向波束形成器提供控制信号，该控制信号使波束形成器302将单独子阵列308分配给特定波束。另外，控制器324可以将波束权重提供给J个子阵列308的子阵列波束形成电路。响应于波束权重，J个子阵列108中的每个子阵列的子阵列波束形成电路可以调节用于在相应辐射元件上传递的相应RF信号。
另外，由控制器324提供的控制信号可以控制J个切换装置320的状态。换句话说，J个切换装置320中的每个切换装置的状态响应于从控制器324提供的控制信号。因此，响应于控制信号，J个切换装置中的每个切换装置320将J个子阵列308中的相应子阵列308与K个BFN 312中的所确定的BFN 312耦接。这样，J个子阵列308中的每个子阵列电耦接到一个且仅一个BFN 312。
在操作中，控制器324可以从多个波束确定两个或更多个波束。所确定的两个或更多个波束包括同一通信类型的两个波束(例如，至少两个接收波束或至少两个发射波束)。可以例如基于多波束相控阵天线系统300的位置和与多波束相控阵天线系统300无线地通信的外部实体的位置来确定两个或更多个波束。附加地或另选地，在一些示例中，控制器120可以从多个波束确定四(4)个波束以建立与两个不同实体(例如，两个不同卫星)的双向通信。这允许多波束相控阵天线系统300实现与两个卫星的先通后断通信。
在其他示例中，多波束相控阵天线系统300可同时与三个或更多个卫星通信。另外，在其他示例中，控制器324可以被配置为仅使用一个波束与特定卫星通信，使得多波束相控阵天线系统300仅与特定卫星发射或接收数据(单向通信)。
响应于从多个波束确定两个或更多个波束，控制器324可以将相控阵天线304的J个不相交子阵列308子组分配给所确定两个或更多个波束。不相交子阵列308子组的分配可以基于例如与外部实体传送的波束的特性(孔大小和形状)。
控制器324可以基于分配来计算每个单独子阵列308所需的波束权重。波束权重可以表征特定波束的特性(例如，孔大小和形状)所需的RF信号的相移和/或放大。由子阵列308中的每个子阵列应用的波束权重对由每个相应子阵列308传送的RF信号以及由波束形成器302使用来调节与每个波束相关联的子阵列信号的控制信号进行调节(例如，放大和/或相移)，使得波束转而聚集在特定方向上传送的能量。可以由控制器324动态地改变子阵列308向特定波束的分配和/或波束权重的分配。例如，控制器324可以将子阵列308中的一些(或全部)子阵列重新分配给新波束和/或重新计算波束权重以：补偿容纳多波束相控阵天线系统300的实体的位置变化和/或与多波束相控阵天线系统300(例如，卫星)通信的外部实体的位置变化；或者符合规则要求。
另外，响应于分配，控制器324向波束形成器302提供控制信号。更特别地，控制器向J个切换装置320中的每个切换装置提供控制信号。响应于控制信号，切换装置320中的每个切换装置将J个子阵列308中的一个相应子阵列与K个BFN 312中的特定BFN 312电耦接。
在一些示例中，K个BFN 312(或其某个子组)中的每个BFN可包括相移器328。每个相移器328可以调节与耦接到其的切换装置320的子组传送的每个子阵列信号的相位。例如，如果第一BFN 312(BFN 1)耦接到第一切换装置和第J切换装置320(切换装置1和切换装置J)，则第一BFN312的相移器328可以对与第一子阵列308传送的第一子阵列信号和与第J子阵列308传送的第J子阵列信号进行相移。
K个BFN 312中的每个相移器328可以施加基于控制信号的相移。换句话说，响应于从控制器324提供的控制信号，每个相移器328对J个子阵列信号的子组的相位进行移位。这样，从控制器324提供的控制信号可以控制J个切换装置320以及BFN 312中的每个BFN的相移器328中的每一者的状态。
通过将波束形成器302实现为具有模拟电路(即J个切换装置和K个BFN 312)，可以提供相对简单且低功率的多波束相控阵天线系统300。此外，如图所示，K个BFN 312与J个切换装置协同操作以促进至少两个波束上的同时通信。
图4示出了包括具有数字电路的波束形成器402的多波束相控阵天线系统400的示例。可以采用该多波束相控阵天线系统400来实现图1的多波束相控阵天线系统100。因此，多波束相控阵天线系统400同时传送多个波束信号。波束形成器402可用于实现图1的波束形成器112。此外，多波束相控阵天线系统300包括可采用来实现图1的相控阵天线104的相控阵天线404。因此，可以利用J个子阵列408(诸如图1的J个子阵列108)来形成相控阵天线504。此外，可以利用图2的子阵列200的实例来实现相控阵天线404的J个子阵列408中的每个子阵列。在一些示例中，相控阵天线404可以表示多个天线(例如，发射天线和接收天线)。在其他示例中，相控阵天线404表示单个天线。
J个子阵列408中的每个子阵列包括在RF信号与子阵列信号之间进行转换的子阵列波束形成电路，使得相控阵天线404将J个子阵列信号与波束形成器402传送。如所述，利用数字电路实现波束形成器402。更特别地，波束形成器402可包括数字逻辑部件412。数字逻辑部件412可以被实现为具有例如FPGA或者实现为专用集成电路(ASIC)芯片。在其他示例中，数字逻辑部件412可以被实现为提供计算平台以实现虚拟门阵列的控制器。数字逻辑部件412可包括用于在K个波束信号与J个数字子阵列信号之间进行转换的逻辑门。
K个波束信号中的每个波束信号都可以是包括嵌入式数据的发射信号或接收信号。可以与K个调制解调器416中的调制解调器416传送K个波束信号中的每个波束信号。可以采用K个调制解调器416来编码或解码K个波束信号中的对应波束信号上的数据。
波束形成器402可包括J个数模转换器(DAC)420。J个DAC 420中的每个DAC可以耦接到J个子阵列408中的每个子阵列以及数字逻辑部件412。J个DAC 420中的每个DAC可以在数字子阵列信号与(模拟)子阵列信号之间进行转换。在一些示例中，DAC 420中的每个DAC可将相应数字子阵列信号转换为对应于被提供给相应子阵列408的子阵列信号的模拟版本的数字信号。在其他示例中，DAC 420中的每个DAC可以将从相应子阵列408提供的子阵列信号转换为数字化版本的子阵列信号，并向数字逻辑部件412提供对应的数字子阵列信号。在其他示例中，DAC 420可将相应的数字子阵列信号转换为相应的子阵列信号并将相应的子阵列信号转换为相应的数字子阵列信号。
多波束相控阵天线系统400可包括控制器424，该控制器可以控制波束形成器402以及相控阵天线404的J个子阵列408的操作。在一些示例中，可以采用控制器424来实现图1的控制器120。控制器424可以向波束形成器402提供控制信号，该控制信号使波束形成器402将单独子阵列408分配给特定波束。另外，控制器424可以将波束权重提供给J个子阵列408的子阵列波束形成电路。响应于波束权重，J个子阵列408中的每个子阵列的子阵列波束形成电路可以调节用于在相应辐射元件上传递的相应RF信号。
更特别地，由控制器424提供的控制信号可以提供给波束形成器402的数字逻辑部件412。响应于控制信号，数字逻辑部件412可以在相应波束信号与耦合到J个DAC 420中的一个DAC的相应数字子阵列信号之间设置信号路径。信号路径提供用于在相应波束信号与数字子阵列信号之间进行转换的相位延迟、组合和/或分频。类似地，J个DAC 420中的每个DAC响应于从控制器424提供的控制信号。例如，DAC 420中的每个DAC可以将波束权重(放大和/或相移)应用到与数字逻辑部件412通信的数字子阵列电路。
在操作中，控制器424可以从多个波束确定两个或更多个波束。所确定的两个或更多个波束包括同一通信类型的两个波束(例如，至少两个接收波束或至少两个发射波束)。可以例如基于多波束相控阵天线系统400的位置和与多波束相控阵天线系统400无线地通信的外部实体的位置来确定两个或更多个波束。附加地或另选地，在一些示例中，控制器424可以从多个波束确定四(4)个波束以建立与两个不同实体(例如，两个不同卫星)的双向通信。这允许多波束相控阵天线系统400实现与两个卫星的先通后断通信。
在其他示例中，多波束相控阵天线系统400可同时与三个或更多个卫星通信。另外，在其他示例中，控制器424可以被配置为仅使用一个波束与特定卫星通信，使得多波束相控阵天线系统400仅与特定卫星发射或接收数据(单向通信)。
响应于从多个波束确定两个或更多个波束，控制器424可以将相控阵天线404的J个不相交子阵列408子组分配给所确定两个或更多个波束。不相交子阵列408子组的分配可以基于例如与外部实体传送的波束的特性(孔大小和形状)。
控制器424可以基于分配来计算每个单独子阵列408所需的波束权重。波束权重可以表征特定波束的特性(例如，孔大小和形状)所需的RF信号的相移和/或放大。由子阵列408中的每个子阵列应用的波束权重对由每个相应子阵列408传送的RF信号以及由波束形成器402使用来调节与每个波束相关联的子阵列信号的控制信号进行调节(例如，放大和/或相移)，使得波束转而聚集在特定方向上传送的能量。可以由控制器424动态地改变子阵列向特定波束的分配和/或波束权重的分配。例如，控制器424可以将子阵列408中的一些(或全部)子阵列重新分配给新波束和/或重新计算波束权重以：补偿容纳多波束相控阵天线系统400的实体的位置变化和/或与多波束相控阵天线系统400(例如，卫星)通信的外部实体的位置变化；或者符合规则要求。
另外，响应于分配，控制器424向波束形成器402提供控制信号。更特别地，控制器向数字逻辑部件412和J个DAC 420中的每一者提供控制信号。响应于控制信号，数字逻辑部件412在相应的数字子阵列信号与K个波束信号中的对应波束信号之间提供信号路径。作为一个示例，数字逻辑部件412可以将第一组子阵列信号与所确定的两个或更多个波束中的第一束相关联，将子阵列信号的第二子组与多个波束中的所确定的两个或更多个波束中的第二波束相关联。另外，响应于控制信号，J个DAC 420中的每个DAC可以将波束权重应用到相应的数字子阵列信号并在相应数字子阵列信号和与相控阵天线404的相应子阵列408传送的相应子阵列信号之间进行转换。
通过将波束形成器402实现为数字电路(包括数字逻辑部件412)，提供简单且动态的多波束相控阵天线系统400。特别地，可以(例如，通过重新配置数字逻辑部件412)动态地改变数字逻辑部件412所支持的K个波束信号。这样，多波束相控阵天线系统400可以适于随时间改变操作，而不改变硬连线电路。
图5示出了包括利用多个IC芯片实现的波束形成器502的多波束相控阵天线系统500的示例。可以采用该多波束相控阵天线系统500来实现图1的多波束相控阵天线系统100。因此，多波束相控阵天线系统500同时传送多个波束信号。波束形成器502可用于实现图1的波束形成器112。此外，多波束相控阵天线系统300包括可采用来实现图1的相控阵天线104的相控阵天线504。因此，可以利用J个子阵列508(诸如图1的J个子阵列108)来形成相控阵天线504。此外，可以利用图2的子阵列200的实例来实现相控阵天线504的J个子阵列508中的每个子阵列。在一些示例中，相控阵天线504可以表示多个天线(例如，发射天线和接收天线)。在其他示例中，相控阵天线504表示单个天线。
J个子阵列508中的每个子阵列可包括子阵列波束形成电路，该子阵列波束形成电路在RF信号与子阵列信号之间进行转换，使得相控阵天线504将J个子阵列信号与波束形成器502传送。如所述，利用多个IC芯片实现波束形成器502。更特别地，波束形成器502可包括J个互连波束转换电路512，其中J个互连波束转换电路512中的每个互连波束转换电路都耦接到子阵列508中的一个且仅一个子阵列。在一些示例中，J个波束转换电路512中的每个波束转换电路都可以实现为ASIC或具有嵌入式指令的控制器。在其他示例中，可以利用分立电路部件来实现J个波束转换电路512中的每个波束转换电路。在例示的示例中，J个波束转换电路512被布置成菊花链形式以允许J个波束转换电路512中的每个波束转换电路进行通信。在其他示例中，J个波束转换电路512中的每个波束转换电路都可以在波束形成器502的通信总线上进行通信。
J个波束转换电路512中的每个波束转换电路都可以在相应子阵列信号与K个波束信号之间进行转换。K个波束信号中的每个波束信号都可以是包括嵌入式数据的发射信号或接收信号。可以与K个调制解调器516中的调制解调器516传送K个波束信号中的每个波束信号。可以采用K个调制解调器516来编码或解码K个波束信号中的对应波束信号上的数据。
在例示的示例中，K个调制解调器516中的每个调制解调器与第一波束转换电路512(波束转换电路1)通信。在这种情况下，第一波束转换电路512可以将波束信号中继到其他波束转换电路512。在其他示例中，K个调制解调器516中的每个调制解调器可通过通信总线与波束转换电路512通信。J个波束转换电路512中的每个波束转换电路可包括在K个波束信号与子阵列信号之间进行转换的内部DAC(或其他电路)。
多波束相控阵天线系统500可包括控制器524，该控制器可以控制波束形成器502以及相控阵天线504的J个子阵列508的操作。在一些示例中，可以采用控制器524来实现图1的控制器120。控制器524可以向波束形成器502提供控制信号，该控制信号使波束形成器502将单独子阵列508分配给特定波束。另外，控制器524可以将波束权重提供给J个子阵列508的子阵列波束形成电路。响应于波束权重，J个子阵列508中的每个子阵列的子阵列波束形成电路可以调节用于在相应辐射元件上传递的相应RF信号。
更特别地，由控制器524提供的控制信号可以向波束形成器502的J个波束转换电路512提供控制信号。响应于控制信号，J个波束转换电路512可以在相应波束信号与耦合到J个波束转换电路512中的一个波束转换电路的相应数字子阵列信号之间设置信号路径。信号路径可以提供用于在相应波束信号与子阵列信号之间进行转换的相位延迟、组合和/或分频。
在操作中，控制器524可以从多个波束确定两个或更多个波束。所确定的两个或更多个波束包括同一通信类型的两个波束(例如，至少两个接收波束或至少两个发射波束)。可以例如基于多波束相控阵天线系统500的位置和与多波束相控阵天线系统500无线地通信的外部实体的位置来确定两个或更多个波束。附加地或另选地，在一些示例中，控制器524可以从多个波束确定四(4)个波束以建立与两个不同实体(例如，两个不同卫星)的双向通信。这允许多波束相控阵天线系统500实现与两个卫星的先通后断通信。
在其他示例中，多波束相控阵天线系统`500可同时与三个或更多个卫星通信。另外，在其他示例中，控制器524可以被配置为仅使用一个波束与特定卫星通信，使得多波束相控阵天线系统500仅与特定卫星发射或接收数据(单向通信)。
响应于从多个波束确定两个或更多个波束，控制器524可以将相控阵天线504的J个不相交子阵列508子组分配给所确定两个或更多个波束。不相交子阵列508子组的分配可以基于例如与外部实体传送的波束的特性(孔大小和形状)。
控制器524可以基于分配来计算每个单独子阵列508所需的波束权重。波束权重可以表征特定波束的特性(例如，孔大小和形状)所需的RF信号的相移和/或放大。由子阵列508中的每个子阵列应用的波束权重对由每个相应子阵列508传送的RF信号以及由波束形成器502使用来调节与每个波束相关联的子阵列信号的控制信号进行调节(例如，放大和/或相移)，使得波束转而聚集在特定方向上传送的能量。可以由控制器524动态地改变子阵列向特定波束的分配和/或波束权重的分配。例如，控制器524可以将子阵列508中的一些(或全部)子阵列重新分配给新波束和/或重新计算波束权重以：补偿容纳多波束相控阵天线系统500的实体的位置变化和/或与多波束相控阵天线系统500(例如，卫星)通信的外部实体的位置变化；或者符合规则要求。
另外，响应于分配，控制器524向波束形成器502提供控制信号。更特别地，控制器向J个波束转换电路512提供控制信号。响应于控制信号，J个波束转换电路512中的每个波束转换电路在相应子阵列信号与K个波束信号中的对应波束信号之间提供信号路径。另外，响应于控制信号，J个波束转换电路512中的每个波束转换电路可以将波束权重应用到相应的数字子阵列信号并在相应数字子阵列信号和与相控阵天线504的相应子阵列508传送的相应子阵列信号之间进行转换。
通过将波束形成器502实现具有J个波束转换电路512，提供简单且动态的多波束相控阵天线系统500。特别地，可以(例如，通过重新配置J个波束转换电路512中的每个)动态地改变J个波束转换电路512所支持的K个波束信号。这样，多波束相控阵天线系统500可以适于随时间改变操作，而不改变硬连线电路。
图6至图8示出了同时传送两个波束的相控阵天线600的示例。可采用相控阵天线600来实现图1的相控阵天线104。相控阵天线600包括标记为SA-1、…、SA-12的十二个子阵列604。在其他示例中，可存在更多或更少的子阵列604。可利用图2的子阵列200来实现每个子阵列604。
图6示出了示例608，其中相控阵天线600通过在第一方向614的第一波束与低地球轨道(LEO)卫星610通信，并且通过在第二方向624的第二波束与地球同步地球轨道(GEO)卫星620通信。在图6中例示的示例中，子阵列8-12(SA-8、…、SA-12)被分配为在第一波束和第一方向614上进行通信，并且子阵列1-7(SA-1、…、SA-7)被分配为在第二方向624的第二波束上进行通信。在图6的示例608中，假定第一方向614和第二方向624是相对的(或几乎相对的)方向。出于例示的目的，垂直于第一方向614的第一线626被包括在内，并且垂直于第二方向624的第二线628也被包括在内。在图6中例示的示例608中，分配给第二波束以与GEO卫星620通信的子阵列604比分配给第一波束以与LEO卫星610通信的子阵列604更多。在一些示例中，可以将更多子阵列604分配给第二波束以与GEO卫星620通信以补偿比LEO卫星610更远离相控阵天线600的GEO卫星620。
图7示出了示例650，其中相控阵天线600通过在第一方向658的第一波束与LEO卫星654通信，并且通过在第二方向668的第二波束与GEO卫星662通信。在图7中例示的示例650中，子阵列9-12(SA-8、…、SA-12)被分配为在第一波束和第一方向658上进行通信，并且子阵列1-8(SA-1、…、SA-8)被分配为在第二方向624的第二波束上进行通信。出于例示的目的，垂直于第一方向658的第一线670被包括在内，并且垂直于第二方向668的第二线672也被包括在内。在图7中例示的示例650中，分配给第二波束以与GEO卫星662通信的子阵列604比分配给第一波束以与LEO卫星654通信的子阵列604更多(例如，以补偿GEO卫星662相对于LEO卫星654的距离)。
图8示出了示例680，其中相控阵天线600通过在第一方向686的第一波束与LEO卫星684通信，并且通过在第二方向690的第二波束与GEO卫星688通信。在示例680中，假定第一方向686和第二方向690几乎是同一方向。此外，如图8所示，子阵列8-12(SA-8、…、SA-12)被分配为在第一波束和第一方向686上进行通信，并且子阵列1-8(SA-1、…、SA-8)被分配为在第二方向690的第二波束上进行通信。出于例示的目的，垂直于第一方向686的第一线692被包括在内，并且垂直于第二方向690的第二线694也被包括在内。在图8中例示的示例680中，分配给第二波束以与GEO卫星688通信的子阵列604比分配给第一波束以与LEO卫星684通信的子阵列604更多(例如，以补偿GEO卫星688相对于LEO卫星684的距离)。
如图6至图8所示，相控阵天线600可以使用多个波束同时与不同卫星通信。此外，如图1至图5所示，可以动态地改变图6至图8的相控阵天线600以改变波束的方向。
图9示出了向相控阵天线(诸如图1的相控阵天线104)的两个波束分配的不同数量的子阵列的视轴增益-噪声温度(单位为分贝每开(dB/K))的示例性图表900。在图表900所例示的示例中，相控阵天线包括20个子阵列，并且每个子阵列被分配给两个波束中的一个波束。图表900表示可以通过改变分配子阵列的数量来改变波束的性能。如图表900中所示，分配给特定波束(波束1或波束2)的子阵列越多，特定波束的性能越高。
图10至图12示出了包括第一相控阵天线1004和第二相控阵天线1008的多波束相控阵天线系统1000的示例。第一相控阵天线1004可以被配置为用于将波束发射到外部实体(诸如卫星)的发射天线。第二相控阵天线1008可以被配置为用于接收从外部实体(诸如卫星)发射的波束的接收天线。因此，在一些示例中，可以采用第一相控阵天线1004来将波束发射到给定卫星，并且可以采用第二相控阵天线1008来接收来自给定卫星的波束。这样，多波束相控阵天线系统1000允许进行与给定卫星的双向通信。
相控阵天线1004和相控阵天线1008各自可被采用来实现图1的相控阵天线104。在例示的示例中，第一相控阵天线1004和第二相控阵天线1008彼此间隔开。在其他示例中，第一相控阵天线1004和第二相控阵天线1008可以彼此叠加，使得用于发射的子阵列的辐射元件位于至少部分地与含有用于接收的子阵列的辐射元件的第二区域重叠的第一区域内。
第一相控阵天线1004包括多个菱形子阵列1012，这些菱形子阵列中的仅一个菱形子阵列被标记。可采用菱形子阵列1012中的每个菱形子阵列来实现图2的子阵列200的实例。第二相控阵天线1008包括多个六边形子阵列1020和多个菱形子阵列1024，六边形子阵列和菱形子阵列各自中的仅一个子阵列被标记。也可以采用第二相控阵天线1008的六边形子阵列1020和菱形子阵列1024中的每一者来实现图2的子阵列200的实例。
第一相控阵天线1004的多个菱形不相交子阵列1012子组可以被分配为传送(接收)不同波束。类似地，第二相控阵1008的多个六边形不相交子阵列1020子组和菱形不相交子阵列1024子组可被分配为传送(发射)不同波束。
图10示出了示例1030，其中多波束相控阵天线系统1000包括各自传送两个或更多个波束的两个相控阵天线。更特别地，在示例1030中，第一相控阵天线1004的子阵列被分配给三个不同的接收波束，即波束1、波束2和波束3。另外，在示例1030中，第二相控阵天线1008的子阵列被分配给发射波束，即波束4和波束5。另选地，分配给每个波束的子阵列以及发射波束和/或接收波束的数量可以与该示例不同。图10包括标识向其分配第一相控阵天线1004的单独菱形子阵列1012以及第二相控阵天线1008的六边形子阵列1020和菱形子阵列1024的波束的图例。在图10的示例中，两个相控阵天线1004和1008被单独地布置，使得
图11示出了另一示例1050，其中伴随不相交子阵列的不同分配，多波束相控阵天线系统1000同时与五个波束通信。图12示出了又一示例1070，其中伴随不相交子阵列的不同分配，多波束相控阵天线系统1000同时与五个波束通信。
如图10至图12所示，可以采用同一多波束相控阵天线系统1000来同时在多个波束上进行通信。此外，子阵列(例如，第一相控阵天线1004的菱形子阵列1012以及第二相控阵天线1008的六边形子阵列1020和菱形子阵列1024)的分配能够动态地分配以控制由多波束相控阵天线系统1000传送的波束的指向方向、性能和孔形状。
图13示出了用于相控阵天线的子阵列1300的框图，其描绘了在接收模式下操作的图1的J个子阵列108中的一个子阵列和/或图2的子阵列200的逻辑互连。可以将子阵列1300动态地分配给多个波束中的特定波束。此外，可以采用子阵列1300将接收的子阵列信号1302提供给波束形成器。波束形成器可以利用图1的波束形成器112、图3的波束形成器302或图4的波束形成器402的架构来实现。在例示的示例中，G个辐射元件1304与子阵列波束形成电路1308通信。
子阵列波束形成电路1308可包括G个RFIC芯片1312和接收(RX)子阵列BFN电路1316。G个RFIC芯片1312中的每个RFIC芯片可以耦接到相应辐射元件1304。RFIC芯片1312中的每个RFIC芯片调节接收的RF信号1314，并将经调节的RF信号1314提供给RX子阵列BFN电路1316。可以采用RX子阵列BFN电路1316来实现子阵列BFN 212。RX子阵列BFN电路1316可以耦接到波束形成器。RX子阵列BFN电路1316可以对来自G个RFIC芯片1312的G个RF信号1314进行组合以形成接收的子阵列信号1302。接收的子阵列信号1302可以提供给波束形成器。RX子阵列BFN电路可包括耦接到波束形成器的端口1318。RX子阵列BFN电路1316可以通过端口1318将接收到的子阵列信号1302提供给波束形成器。
在例示的示例中，每个RFIC芯片1312可包括放大器1320和相移器1324。G个RFIC芯片1312可以从控制器1328接收波束权重1326，可以利用图1的控制器120来实现该控制器。波束权重1326可以由控制器1328基于向其分配子阵列1300的波束来计算。在一些示例中，波束权重1326可控制每个放大器1320的增益和/或由每个相移器1324施加的相移。因此，在一些示例中，每个放大器1320可被实现为可变增益放大器、切换衰减器电路等。
在操作中，由G个辐射元件1304(或其某个子组)中的每个辐射元件接收到的信号可转换为RF信号1314并被提供给对应RFIC芯片1312以进行调节。RFIC芯片1312的每个放大器1320放大所提供的RF信号1314，并且每个相移器1324可以将相移施加到所输出的G个经调节的RF信号1314。在图13的子阵列1300的一些示例中，相移器1324可响应于从控制器1328提供的波束权重1326而施加可变量的相位调节。附加地或另选地，放大器1320可响应于从控制器1328提供的波束权重1326而提供可变量的振幅调节。该G个RF信号1314可被提供给RX子阵列BFN电路1316。RX子阵列BFN电路1316可以对G个RF信号1314进行组合以形成接收的子阵列信号1302，该接收的子阵列信号可以被提供给波束形成器以进行进一步处理。
图14示出了用于相控阵天线的子阵列1400的框图，其描绘了在发射模式下操作的图1的J个子阵列108中的一个子阵列和/或图2的子阵列200的逻辑互连。可以将子阵列1400动态地分配给多个波束中的特定波束。此外，可以采用子阵列1400来响应于从波束形成器接收到子阵列信号1403而将RF信号1402发射到自由空间中。波束形成器可以利用图1的波束形成器112、图3的波束形成器302或图4的波束形成器402的架构来实现。在例示的示例中，G个辐射元件1404与子阵列波束形成电路1408通信。
子阵列波束形成电路1408可包括G个RFIC芯片1412和发射(TX)子阵列BFN电路。G个RFIC芯片1412中的每个RFIC芯片可以耦接到相应辐射元件1404。RFIC芯片1412中的每个RFIC芯片调节从TX子阵列BFN电路1416接收的RF信号1402，并且向相应辐射元件1404提供经调节的RF信号1402。可以采用TX子阵列BFN电路1416来实现图2的子阵列BFN 212。TX子阵列BFN电路1416可以通过端口1418耦接到波束形成器。
在例示的示例中，每个RFIC芯片1312可包括放大器1420和相移器1424。G个RFIC芯片1412可以从控制器1428接收波束权重1414，可以利用图1的控制器120来实现该控制器。波束权重1414可以由控制器1428基于向其分配子阵列1400的特定波束来计算。在一些示例中，波束权重1414可控制每个放大器1420的增益和/或由每个相移器1424施加的相移。因此，在一些示例中，每个放大器1420可被实现为可变增益放大器、切换衰减器电路等。
在操作中，可将发射波束信号1403从波束形成器提供给TX子阵列BFN电路1416。TX子阵列BFN电路1416可将发射波束信号1403分频成G个RF信号1402，该G个RF信号可被提供给G个RFIC芯片1412。G个RFIC芯片1412中的每个RFIC芯片可调节对应RF信号1402以生成经调节的RF信号1402，该经调节的RF信号可被提供给对应辐射元件1404。在图13的子阵列1400的一些示例中，相移器1424可响应于从控制器1428提供的波束权重1414而施加可变量的相位调节。附加地或另选地，放大器1420可响应于从控制器1428提供的波束权重1414而提供可变量的振幅调节。每个辐射元件1404将对应的经调节的RF信号1402传播到自由空间中。
图15示出了用于相控阵天线的子阵列1500的框图，其描绘了在半双工模式下操作的图1的J个子阵列108中的一个子阵列和/或子阵列200的逻辑互连。可以将子阵列1500动态地分配给多个波束中的特定波束。波束形成器可以利用图1的波束形成器112、图3的波束形成器302或图4的波束形成器402的架构来实现。在例示的示例中，G个辐射元件1504与子阵列波束形成电路1508通信。在半双工模式下，子阵列1500在接收模式与发射模式之间切换。
子阵列波束形成电路1508可包括G个RFIC芯片1512和子阵列BFN电路1514。G个RFIC芯片1512中的每个RFIC芯片可以耦接到相应辐射元件1504。在例示的示例中，每个RFIC芯片1512可包括接收路径1516和发射路径1520。接收路径1516可包括用于调节从对应辐射元件1504接收到的信号的接收放大器1524和接收相移器1528。类似地，发射路径1520可包括用于调节从子阵列BFN电路1514提供的对应RF信号1522的发射放大器1532和发射相移器1536。
子阵列BFN电路1514可包括耦接到波束形成器的端口1538。可以采用子阵列BFN电路1514的端口1538来从波束形成器接收发射子阵列信号1515或向波束形成器提供接收的子阵列信号1516。
每个RFIC芯片1512还可包括用于在接收模式与发射模式之间切换的一对切换装置1540(例如，晶体管切换装置)。RFIC芯片1512可以从控制器1544接收波束权重1542，可以利用图1的控制器120来实现该控制器。波束权重1542可以控制一对切换装置1540的状态以将子阵列1500从接收模式切换到发射模式，或者反过来。另外，在一些示例中，从控制器1544提供的波束权重1542可控制由每个接收放大器1524和每个发射放大器1532施加的可变量的振幅调节。因此，在一些示例中，每个接收放大器1524和每个发射放大器1532可被实现为可变增益放大器、切换衰减器电路等。类似地，在一些示例中，从控制器1544提供的波束权重1542可控制由每个接收相移器1528和每个发射相移器1536施加的可变量的相位调节。
在接收模式下的操作中，控制器1544设置RFIC芯片1512的一对切换装置1540以通过接收路径1516路由信号。此外，在接收模式下，由G个辐射元件1504(或其某个子组)中的每个辐射元件接收的RF信号1522可被提供给对应RFIC芯片1512以进行调节。RFIC芯片1512的每个接收放大器1524放大所提供的信号，并且每个接收相移器1528将相移施加到所输出的G个RF信号1522。该G个RF信号1522可被提供给子阵列BFN电路1514。子阵列BFN电路1514可以对G个RF信号1522进行组合以形成接收的子阵列信号1516，该接收的子阵列信号可以被提供给波束形成器以进行处理。
在发射模式下的操作中，控制器1544设置一对切换装置1540以切换为发射路径1520，以发射可从波束形成器提供给子阵列BFN电路1514的发射子阵列信号1515。子阵列BFN电路1514可将发射子阵列信号1515分频成G个RF信号1522，该G个RF信号可被提供给G个RFIC芯片1512。G个RFIC芯片1512中的每个RFIC芯片可基于波束权重1542调节对应RF信号1522以生成经调节的RF信号1522，该经调节的RF信号可被提供给对应辐射元件1504。在例示的示例中，调节可包括基于波束权重1542，发射相移器1536对RF信号1522进行相移以及发射放大器1532放大RF信号1522。每个辐射元件1504将对应的经调节的RF信号1522传播到自由空间中。
在半双工模式下，子阵列1500在接收模式与发射模式之间切换。这样，可以采用相同的G个辐射元件1504来进行RF信号1522的发射和接收两者。
图16示出了用于相控阵天线的子阵列1600的框图，其描绘了在频分双工模式下操作的图1的J个子阵列108中的一个子阵列和/或子阵列200的逻辑互连。可以将子阵列1600动态地分配给多个波束中的特定波束。子阵列1600可以与波束形成器通信，该波束形成器可以利用图1的波束形成器112、图3的波束形成器302或图4的波束形成器402的架构来实现。在例示的示例中，G个辐射元件1604与子阵列波束形成电路1508通信。在频分双工模式下，子阵列1600可包括用于处理在接收频带内接收到的RF信号1602以及用于在发射频带内传播RF信号1602的电路。
子阵列波束形成电路1608可包括G个RFIC芯片1612和子阵列BFN电路1614。G个RFIC芯片1612中的每个RFIC芯片可以耦接到相应辐射元件1604。在例示的示例中，每个RFIC芯片1612可包括沿着接收路径1616的接收波束形成电路和沿着发射路径1620的发射波束形成电路。接收波束形成电路可包括用于调节从对应辐射元件1604接收的信号的接收放大器1624和接收相移器1628。类似地，发射波束形成电路可包括用于调节从子阵列BFN电路1614提供的对应RF信号1602的发射放大器1632和发射相移器1636。
子阵列BFN电路1614可包括各自耦接到波束形成器的第一端口1638和第二端口1639。可以采用子阵列BFN电路1614的第一端口1638来从波束形成器接收发射子阵列信号1615。可以采用第二端口1648来将接收的子阵列信号1616提供给波束形成器。
另外，接收路径1616可包括输入接收滤波器1640和输出接收滤波器1644。输入接收滤波器1640和输出接收滤波器1644可被实现为移除频率在接收频带之外的信号的相对窄的带通滤波器。因此，输入接收滤波器1640和输出接收滤波器1644可具有设置为接收频带的通频带。类似地，发射路径1620可包括输入发射滤波器1648和输出发射滤波器1652。输入发射滤波器1648和输出发射滤波器1652可被实现为移除频率在发射频带之外的信号的相对窄的带通滤波器。因此，输入发射滤波器1648和输出发射滤波器1652可具有设置为发射频带的通频带。在其他示例中，输出接收过滤器1644和输出发射滤波器1652可以用另一部件(诸如RF环行器)替换。
RFIC芯片1612可以从控制器1660接收波束权重1658，可以利用图1的控制器120来实现该控制器。波束权重1658可以由控制器基于向其分配子阵列1600的特定波束来计算。在一些示例中，波束权重1658控制输入发射滤波器1640和输出发射滤波器1644的通频带和/或带宽。类似地，在一些示例中，从控制器1660提供的波束权重1658控制输入发射滤波器1648和输出发射滤波器1652的通频带和/或带宽。附加地或另选地，从控制器1660提供的波束权重1658可控制由每个接收放大器1624和每个发射放大器1632施加的可变量的振幅调节。因此，在一些示例中，每个接收放大器1624和每个发射放大器1632可被实现为可变增益放大器、切换衰减器电路等。类似地，在一些示例中，从控制器1660提供的波束权重1658可控制由每个接收相移器1628和每个发射相移器1636施加的可变量的相位调节。
在操作中，子阵列1600可基于遍历子阵列1600的信号的频率同时在接收模式和发射模式下操作。更具体地，RF信号1602可由G个辐射元件1604(或其某个子组)中的每个辐射元件接收，并且这些RF信号1602可被提供给对应RFIC芯片1612以进行调节。输入接收滤波器1640的通频带(接收频带)内的信号可由对应RFIC芯片1612的接收路径1616调节(例如，放大和移相)。经调节的RF信号1602可由输出接收滤波器1644进行滤波并作为RF信号1602提供给子阵列BFN电路1614。这样，子阵列BFN电路1614从G个RFIC芯片1612接收G个RF信号1602，其中所接收的G个RF信号1602中的每个RF信号位于接收频带内。子阵列BFN电路1614可以对接收的G个RF信号1602进行组合以形成接收的子阵列信号1616，该接收的子阵列信号可以被提供给波束形成器以通过第二端口1639进行进一步处理。
另外，在接收RF信号的同时，可以在第二端口1638处将发射子阵列信号1615从波束形成器提供给子阵列BFN电路1614。子阵列BFN电路1614可将发射子阵列信号1615分频成G个RF信号1602，该G个RF信号可被提供给G个RFIC芯片1612。G个RFIC芯片1612中的每个RFIC芯片的输入发射滤波器1648移除通频带(发射频带)之外的信号。另外，发射路径1620可对对应RF信号1602进行调节(相移和放大)以生成经调节的RF信号1602，该经调节的RF信号可通过输出发射滤波器1652提供给对应辐射元件1604。每个辐射元件1604将对应的经调节的RF传播到自由空间中。
在子阵列1600中，遍历信号的频率控制通过子阵列1600进行的信号路由。这样，可以采用相同的辐射元件1604来进行RF信号1602的发射和接收两者。在其他示例中，可利用不同的辐射元件1604来进行发射和接收，使得子阵列包括用于发射的第一组辐射元件1604和用于接收的第二(不同)组辐射元件。两组辐射元件可以例如叠加在每个子阵列1600内，使得用于发射的辐射元件1604位于至少部分地与含有用于接收的辐射元件1604的第二区域重叠的第一区域内。另外，在一些示例中，子阵列1600可具有在发射模式与接收模式之间间歇地切换以提供半双工的架构。
图17示出了用于相控阵天线的子阵列1700的框图，其描绘了在极化双工模式(其可以是半双工模式的特定配置)下操作的图1的J个子阵列108中的一个子阵列和/或子阵列200的逻辑互连。可以将子阵列1700动态地分配给多个波束中的特定波束。子阵列1700可以与波束形成器通信，该波束形成器可以利用图1的波束形成器112、图3的波束形成器302或图4的波束形成器402的架构来实现。在例示的示例中，G个辐射元件1704与子阵列波束形成电路1708通信。在极化双工模式下，子阵列波束形成电路1708可包括用于处理所接收的具有第一极化的RF信号1710以及用于以与第一极化正交的第二极化传播RF信号1710的电路。
子阵列波束形成电路1708可包括G个RFIC芯片1712和子阵列BFN电路1714。G个RFIC芯片1712中的每个RFIC芯片可以耦接到相应辐射元件1704。在例示的示例中，每个RFIC芯片1712可包括接收路径1716和发射路径1720。接收路径1716可包括用于调节从对应辐射元件1704接收的RF信号1710的接收放大器1724和接收相移器1732。类似地，发射路径1720可包括用于调节从子阵列BFN电路1714提供的对应RF信号1710的发射放大器1734和发射相移器1738。
子阵列BFN电路1714可包括耦接到波束形成器的端口1715。可以采用子阵列BFN电路1714的端口1715来从波束形成器接收发射子阵列信号1737或向波束形成器发射接收的子阵列信号1739。
接收路径1716可耦接到辐射元件1704的第一端口1740，并且发射路径1720可耦接到辐射元件1704的第二端口1744。辐射元件1704的第一端口1740可被配置为输出在辐射元件1704处接收到的处于第一极化的RF信号1710，并且辐射元件1704的第二端口1744可被配置为发射在辐射元件1704处接收的具有与第一极化正交的第二极化的信号。例如，第一极化可为垂直极化，并且第二极化可为水平极化，或反之亦然。另选地，第一极化可为右旋圆极化(RHCP)，并且第二极化可为左旋圆极化(LHCP)，或反之亦然。
每个RFIC芯片1712还可包括用于在接收模式与发射模式之间切换的切换装置1748(例如，晶体管切换装置)。RFIC芯片1712可以从控制器1760接收波束权重1713，可以利用图1的控制器120来实现该控制器。波束权重1713可以由控制器1760基于向其分配子阵列1700的波束来计算。波束权重1713可以控制切换装置1748的状态以将子阵列1700从接收模式切换到发射模式，或者反过来。另外，在一些示例中，从控制器1760提供的波束权重1713可控制由每个接收放大器1724和每个发射放大器1734施加的可变量的振幅调节。因此，在一些示例中，每个接收放大器1724和每个发射放大器1734可被实现为可变增益放大器、切换衰减器电路等。类似地，在一些示例中，从控制器1760提供的波束权重1713可控制由每个接收相移器1732和每个发射相移器1738施加的可变量的相位调节。
在接收模式下的操作中，控制器1760设置RFIC芯片1712的切换装置1748以通过接收路径1716路由信号。此外，在接收模式下，由G个辐射元件1704(或其某个子组)中的每个辐射元件接收的处于第一极化双工模式的RF信号1710可被提供给对应RFIC芯片1712以进行调节。RFIC芯片1712的每个接收放大器1724可放大所提供的信号，并且每个接收相移器1732可将相移施加到所输出的G个RF信号1710。该G个RF信号1710可被提供给子阵列BFN电路1714。子阵列BFN电路1714可以对G个RF信号1710进行组合以形成接收的子阵列，该接收的子阵列可以被提供给波束形成器以进行处理。
在发射模式下的操作中，控制器1760设置切换装置1748以切换为发射路径1720，以发射可从本地系统提供给子阵列BFN电路1714的发射波束信号1737。子阵列BFN电路1714可将发射波束信号1737分频成G个RF信号1710，该G个RF信号可被提供给G个RFIC芯片1712。G个RFIC芯片1712中的每个RFIC芯片可调节对应RF信号1710以将经调节的RF信号1710提供给对应辐射元件1704。在例示的示例中，调节可包括基于波束权重1713，发射相移器1738对RF信号1710进行相移以及发射放大器1734放大RF信号1710。每个辐射元件1704将对应的经调节的RF信号1710传播到自由空间中。
在极化双工模式下，子阵列1700在接收模式与发射模式之间切换。然而，通过利用G个辐射元件1704的第一端口1740处的信号和第二端口1744处的信号的正交关系，可利用单个切换装置1748来实现每个RFIC芯片1712以降低信号损耗。另外，这样，可以采用相同的辐射元件1704来进行RF信号1710的发射和接收两者。
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 (28)

1.一种多波束相控阵天线系统(100)，所述多波束相控阵天线系统包括：
波束形成器(112)，所述波束形成器响应于控制信号而在多个子阵列信号与多个波束信号之间进行转换；
多个子阵列(108)，所述多个子阵列传送对应于所述多个波束信号的多个波束，其中所述多个子阵列中的每个子阵列包括：
多个辐射元件(204)；以及
子阵列波束形成电路(208)，所述子阵列波束形成电路响应于相应波束权重(220)而调节与所述多个辐射元件(204)传送的RF信号(206)并在经调节的RF信号(206)与所述多个子阵列信号(218)中的一个相应子阵列信号(218)之间进行转换，其中所述相应子阵列信号(208)对应于所述多个波束中的一个特定波束；以及
控制器(120)，所述控制器进行以下操作：
确定所述多个波束中的两个或更多个波束，其中所述两个或更多个波束是同一通信类型；
向确定的两个或更多个波束中的每个波束分配所述多个子阵列(108)中的不相交子阵列(108)子组，使得所述多个子阵列(108)中的每个子阵列(108)仅被分配给所述多个波束中的所述一个特定波束；
基于所述分配对所述多个子阵列(108)中的每个子阵列提供所述相应波束权重；以及
基于所述分配向所述波束形成器(112)提供所述控制信号。
2.根据权利要求1所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列中的每个子阵列的所述子阵列波束形成电路(208)还包括：
一组射频集成电路(RFIC)芯片(216)，所述一组RFIC芯片耦接到所述多个辐射元件，并且所述一组RFIC芯片(216)中的每个RFIC芯片(216)响应于从所述控制器(120)提供的所述波束权重(220)而将计算的波束权重应用到所述RF信号(206)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列中的每个子阵列的所述子阵列波束形成电路(208)包括放大器和相移器，所述放大器和所述相移器响应于由所述控制器(120)提供的所述波束权重(220)而对与所述多个辐射元件(204)传送的所述RF信号进行放大和相移。
4.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列中的每个子阵列的所述子阵列波束形成电路(208)还包括：
子阵列波束形成网络(BFN)(212)，所述子阵列BFN包括提供所述相应子阵列信号(218)与所述RF信号(216)之间的转换的信号路径。
5.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述控制器(120)将所述不相交子阵列(108)子组中的第一子组分配给所述确定的两个或更多个波束中的第一确定的波束，并将所述不相交子阵列(108)子组中的第二子组分配给所述两个或更多个波束中的第二确定的波束，其中所述第一波束的方向、频率和极化中的至少一者与所述第二波束的方向、频率和极化不同。
6.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述确定的两个或更多个波束包括至少四个确定的波束，所述系统还包括：
发射天线，所述发射天线包括所述不相交子阵列(108)子组中的第一子阵列(108)子组和第二子阵列子组；以及
接收天线，所述接收天线包括所述不相交子阵列(108)子组中的第三子阵列子组和第四子阵列子组；
其中所述控制器(120)分配所述第一子阵列(108)子组以发射所述至少四个确定的波束中的第一波束，分配所述第二子阵列(108)子组以发射所述至少四个确定的波束中的第二波束，分配所述第三子阵列(108)子组以接收所述至少四个确定的波束中的第三波束，并且分配所述第四子阵列(108)子组以接收所述至少四个确定的波束中的第四波束。
7.根据权利要求6所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述发射天线和所述接收天线间隔开。
8.根据权利要求6所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述发射天线至少部分地与所述接收天线叠加。
9.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列(108)中的第一子阵列和第二子阵列具有第一形状。
10.根据权利要求9所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列(108)中的第三子阵列具有不同于所述第一形状的第二形状。
11.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列布置成规则网格。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列布置成不规则图案。
13.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述波束形成器(312)还包括：
多个波束形成网络(BFN)(312)，其中所述多个BFN(312)中的每个BFN与所述多个波束中的仅一个波束相关联；以及
多个切换装置(320)，其中每个切换装置(320)耦接到所述多个子阵列(308)中的给定子阵列(308)和所述多个BFN(312)中的给定BFN(312)，并且所述多个切换装置(320)中的每个切换装置的状态响应于来自所述控制器(324)的所述控制信号。
14.根据权利要求13所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个切换装置(320)响应于来自所述控制器(324)的所述控制信号而将所述不相交子阵列(308)子组中的第一子阵列(308)子组中的每个子阵列(308)耦接到与所述第一确定的波束相关联的所述多个BFN(312)中的第一BFN(312)，并将所述不相交子阵列子组中的第二子阵列(308)子组中的每个子阵列(308)耦接到与所述第二波束相关联的所述多个BFN(312)中的第二BFN(312)。
15.根据权利要求14所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述第一BFN(312)响应于来自所述控制器(324)的所述控制信号而将波束权重应用到与所述第一子阵列(308)子组相关联的所述子阵列信号，并且所述第二BFN(312)响应于来自所述控制器(324)的所述控制信号而将波束权重应用到与所述第二子阵列(308)子组相关联的所述子阵列信号。
16.根据权利要求1至12中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述波束形成器还包括：
数字逻辑部件(412)，所述数字逻辑部件响应于来自所述控制器(424)的所述控制信号而形成所述多个波束中的每个波束，其中所述数字逻辑部件(412)耦接到所述多个子阵列(408)中的每个子阵列，并且所述数字逻辑部件(412)响应于来自所述控制器(424)的所述控制信号而将第一组子阵列信号与所述多个波束中的所述确定的两个或更多个波束中的第一波束相关联，并将子阵列信号的第二子组与所述多个波束中的所述确定的两个或更多个波束中的第二波束相关联。
17.根据权利要求16所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述波束形成器(402)还包括在所述数字逻辑部件(412)与所述多个子阵列(408)中的每个子阵列之间耦接的一组模数转换器(ADC)(420)，其中所述一组ADC(420)中的每个ADC(420)与所述多个子阵列(408)中的每个子阵列传送相应的子阵列信号。
18.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，所述多波束相控阵天线系统还包括：
一组调制解调器(116)，其中所述一组调制解调器(116)中的每个调制解调器(116)耦接到所述波束形成器(112)，并且每个调制解调器(116)与所述波束形成器(112)传送在所述多个波束信号中的一个相应波束信号上编码的数据。
19.根据权利要求1至9或10至18中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列(408)中的每个子阵列具有带有规则瓦片形状的顶表面。
20.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列信号中的每个相应子阵列信号对应于所述多个波束中的仅一个特定波束。
21.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列中的每个子阵列的所述子阵列波束形成电路(208)响应于由所述控制器(120)提供的所述波束权重(220)而在相应经调节的RF信号与第一通信类型的仅一个相应子阵列信号(218)之间进行转换。
22.根据权利要求21所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列(108)中的每个子阵列(108)的所述子阵列波束形成电路(208)包括用于传送所述多个子阵列信号(218)中的所述一个相应子阵列信号(218)的子阵列信号端口(214)。
23.根据权利要求22所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中每个子阵列的所述子阵列波束形成电路(208)仅具有一个子阵列信号端口(214)。
24.根据权利要求22所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列(108)中的每个子阵列(108)的所述子阵列波束形成电路(208)还在相应经调节的RF信号与第二通信类型的仅一个相应子阵列信号(218)之间进行转换，并且包括用于传送所述第二通信类型的所述一个相应子阵列信号(218)的第二子阵列信号端口(214)。
25.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，所述波束形成器(502)还包括多个互连的波束转换电路(512)，其中每个波束转换电路(512)耦接到所述多个子阵列(508)中的相应子阵列(508)。
26.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述两个或更多个波束是发射波束。
27.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述两个或更多个波束是接收波束。
28.根据前述权利要求中任一项所述的多波束相控阵天线系统(100)，其中所述多个子阵列中的每个子阵列的所述子阵列波束形成电路是接收子阵列波束形成电路，并且所述多个子阵列中的每个子阵列还包括：
发射子阵列波束形成电路(208)，所述发射子阵列波束形成电路响应于相应波束权重(220)而调节与所述多个辐射元件(204)传送的RF信号(206)，并将所述多个子阵列信号(218)的一个相应子阵列信号(218)转换为所述经调节的RF信号(206)，其中所述相应子阵列信号(208)对应于所述多个波束中的特定发射波束；
其中所述控制器还进行以下操作：
确定所述多个波束中的两个或更多个发射波束；以及
将所述多个子阵列(108)中的不相交子阵列(108)子组分配给确定的两个或更多个发射波束中的每个发射波束。
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