[发明专利]低成本有源天线阵列

说明书

本申请要求2010年7月1日提交的美国临时申请No.61/360,737的优先权，通过引用将其全部内容并入于此。

技术领域

本发明的实施例总体上涉及用于智能天线的有源阵列，如相控阵列。

背景技术

天线阵列用于诸如雷达和基于波束的通信系统的应用。例如，见R.Mailloux,Phased Array Antenna Handbook,2nd edition,Artech House,2005;D.Parker and D.Zimmermann,Phased Arrays-Part I:Theory and Architectures,IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques,vol.50,March2002;D.Parker and D.Zimmermann,Phased Arrays-Part II:Implementations,Applications,and Future Trends,IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques,vol.50,March2002。使用天线阵列的主要原因是它们的在没有任何机械运动的情况下产生诸如可操纵波束的特殊动态辐射方向图（radiation pattern）的能力。

通常，天线阵列的每个阵列单元包括称为天线单元或天线的无源天线和电路模块。一般来说，将天线单元放置在规则网格上。该网格的间距接近或等于天线阵列工作的波长的一半。阵列单元的电路模块可以在简单的情况下是无源相控移动器（passive phased shifter），或者在复杂的情况下是整个无线电装置，包括放大器、混频器、滤波器、数据转换器以及数字电路。如果天线阵列仅包含无源组件，那么将其称为无源天线阵列。如果天线阵列包含有源组件，那么将其称为有源天线阵列。

天线阵列可以产生许多辐射方向图。例如，它们可以接受来自某些方向的输入信号并阻挡来自其他方向的输入信号，或者可以仅发射窄波束，尽管每个天线单元很宽地辐射。在许多应用中这种辐射方向图非常有用。在使用天线阵列的雷达中，如常规系统中那样，在没有任何天线的物理移动的情况下，所发射的信号集中在特定空间方向上，并且仅有的被接受的信号反射来自同一方向。在无线通信系统中，使用发射和接收的信号的空间信道，通常称为波束操纵的技术显著增大了通信系统容量。

天线阵列产生特殊动态辐射方向图的方式是适当地组合来自接收模式的天线单元的接收信号，并且适当地激发发射模式的天线单元。取决于如何执行这些操作，将天线阵列称为模拟天线阵列或数字天线阵列。在模拟阵列中，由模拟电路形成接收和发射辐射方向图，在数字阵列中，在软件控制下通过数字处理形成接收和发射辐射方向图。

目前，最成功的模拟天线阵列是传统相控阵列。在历史上，首先开发了无源电子操纵阵列(PESA)。这种设计使用称为集体馈送器（corporate feed）的信号分发/组合网络和每个天线单元处的无源可调节移相器。这些组件存在很大的损耗，限制了系统性能。逐单个天线单元的添加性（Adding）接收/发射天线(Rx/Tx)放大器模块有助于解决该问题，得到有源电子操纵阵列或AESA，当前流行的军事雷达架构。对于PESA和EISA，集体馈送器和可编程移相器是高性能的昂贵组件。

集体馈送器是由用多个分离器/组合器互连的多个传输线部件制成的无源树形网络。集体馈送器具有连接到树干的起点的一个输入/输出（I/O）端口，和连接到树的顶端树枝的末端的许多I/O端口。网络在电气上是对称的，使得在树干端口处施加的信号同时到达所有树枝端口处。该网络是可逆的，使得在树枝端口处施加的信号经过相同的时间量到达树干端口处。换句话说，信号从树干端口到任何树枝端口以及从任何树枝端口到树干端口的飞行时间是恒定的。此外，集体馈送器是信号组合网络。当将不同输入信号同时施加到树枝端口时，树干端口处的信号是这些输入信号之和。集体馈送器的实际实现是昂贵的，因为该网络含有许多信号分离/组合操作，并且因为传输线部件的长度必须准确地匹配并且以准确的阻抗电终止。所有这些设计条件都是容易产生错误的。

尽管天线阵列技术领域的一端是传统的PESA/EISA相控阵列，其仅使用模拟方法来产生辐射方向图，但是在该领域的另一端是软件配置的数字系统。通常，这些系统使用分别连接到4－12个独立天线的4－12个独立无线电装置。这些无线电装置或这些天线之间没有物理连接。每个无线电装置含有将接收到的信号从模拟格式转换成数字格式并且将发射信号从数字格式转换成模拟格式的数据转换器。