專利名稱：超增益陣列天線系統及控制超增益陣列天線的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超增益陣列天線系統及控制超增益陣列天線的方法，尤其是涉及結構緊湊并能提供高的方向增益的超增益陣列天線系統和控制這種超增益陣列天線的方法。
圖9(a)示出一個陣列天線的結構。圖9(a)所示陣列天線具有4個天線單元A-1至A-4。4個天線單元A-1至A-4所收到的信號經RF(射頻)合成后輸出。
圖9(b)示出陣列天線的方向增益與方向的關系圖(稱作方向性圖)。
如果通常的同相合成被用于具有窄的單元間距(例如，大約為波長λ的四分之一，以下它被縮寫為λ/4)的如圖9(a)所示的陣列天線，方向增益隨單元間隔的減小而降低。這就是說，如果通常的同相合成被用于具有窄的單元間距的陣列天線，如

圖10中虛線所示出的那樣當單元間隔減小時方向增益下降。在此情況下的方向性圖和回損(S11)分別如圖9(b)和9(c)所示。
另一方面，如圖11(a)所示，提出一種超增益天線，其中天線單元A-1至A-4被加上交替反相的相位的功率。如已知的那樣，如果這種超增益天線包含N個天線單元(N為2或大于2的整數)并且這些天線單元以接近于零的間距被放置，則得到N2大小的方向增益。即如圖10中實線所示，兩個單元提供等于22＝4的方向增益，三個單元提供等于32＝9的方向增益，而4個單元提供大小為42＝16的方向增益。此情況下的方向性圖和回損(S11)分別如圖11(b)和圖11(c)所示。圖11(b)和圖11(c)說明，超增益天線的波束寬度和頻帶寬度減小了。
然而，因為超增益天線對一個不可見的區(qū)域有增大的功率輻射，以補償其高增益，它具有一個增大的Q值。所以，包括功率供給單元的天線中的導體損耗被增大，且天線的效率降低。此時，Q值被表示為Q＝D/F，其中符號D表示方向增益，符號F表示效率系數。
為避免天線的效率降低，天線和功率供給電路被冷卻，以減小導體損耗。這就是說，在圖11(a)中，N個天線單元被裝在一個恒溫箱中，并且提供一個冷卻設備。
此外，超增益天線在其附近有比輻射功率高得多的無功功率。所以它有非常窄的頻帶。
而且，為提供超增益所需的天線單元間的相位和幅度關系是十分敏感的，甚至一個小的相移可能破壞超增益條件。例如一個天線單元僅1度的相移會導至失去超增益。敏感的相位和幅度的產生，或RF合成難以用一個諸如微帶線這樣的功率供給電路，這是因為其物理上的限制(加工精度，穩(wěn)定性)。當天線單元的數量增加時困難程度變得更高。
采用兩單元螺旋天線的超增益天線的一個例子已被發(fā)表。然而它本質上需要精細地調整RF合成所要求的匹配電路，因而在超增益天線中采用大量的單元是困難的。這被描述于K.Itoh，O.Ishi，Y.Nagai，N.Suzuki，Y.Kimachi和O.Michikami所發(fā)表的“High-TcSuperconducting Small Antennas”(IEEE Trans.AppliedSuperconductivity，vol.3，NO.1，March 1993)中。所以，沒有發(fā)表過提供超增益的多單元陣列的例子。
此外，如果固定的相位和幅度由功率供給電路(RF合成)給出，整個天線系統會有窄的頻帶，并且包含一個接收機在內的系統也將有一個窄的頻帶。結果是產生了以下問題天線不能應用于寬帶通信系統。
而且存在一個關于方向性合成的重要問題。因為超增益陣列天線具有以非常窄的間距安裝的天線單元，單元相互間有強電磁耦合，所以有非均勻的方向性。相反，在具有大約λ/2或更大的單元間距的陣列天線中，不位于兩端的單元具有基本上均勻的方向性，并且可以無障礙地實現方向性合成。因為超增益合成需要如此的相位關系相鄰單元有反相的相位，每個單元的方向性是一個重要的設計要素。這就是說，為提供實現超增益的相位和幅度，每個單元的方向性在工作中是需要的。
數學上，通過假設一個非定向天線，可以找出實現超增益的相位和幅度。然而實際中單元相互之間有電磁耦合，所以，如果所找出的值被用于定向天線，不能實現超增益。
按照傳統的采用功率供給電路的合成方法(RF合成)，連接到給出各單元的工作條件即相位和幅度的功率供給電路的安裝單元的方向性不能被測量，所以，超增益合成考慮單元方向性是困難的。
如上所述，考慮到所有設計要素，設計多單元、高精度和寬帶的超增益天線系統硬件在技術上是困難的。
本發(fā)明解決了前面所述現有技術的問題。本發(fā)明的目的是為多單元陣列天線提供一個超方向增益，實現具有考慮到單元的方向性的更高精度的超增益合成，并且提供一個能保證整個天線系統有一個寬頻帶的超增益陣列天線系統，以及控制一個超增益陣列天線的方法。
本發(fā)明權利要求1所述的一種超增益陣列天線系統是具有一個陣列天線的超益陣列天線系統，陣列天線包含多個天線單元并且具有提供超增益的單元間距，該系統的特征在于，超增益陣列天線系統包括用于按照陣列天線的多個無線單元的每個方向性數據產生權重數據的權重產生器；以及用由權重產生器產生的權重數據對陣列天線的多個天線單元進行加權的加權裝置。
本發(fā)明權利要求2所述的一種超增益陣列天線系統是如權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，提供超增益的單元間距等于或小于被接收和/或被發(fā)送的信號的波長的四分之一。
本發(fā)明的權利要求3所述的超增益陣列天線系統是權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，權重產生器產生使信噪比最大的權重數據。
本發(fā)明權利要求4所述的超增益陣列天線系統是權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，權重產生器對多個天線單元進行校準，存儲由校準得到的方向性數據，并且進行權重計算，其中權重數據通過參考存儲的方向性數據而被計算出。
本發(fā)明權利要求5所述的超增益陣列天線系統是權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，用于陣列天線的一個信號系統被分成多個子系統，并且為多個信號子系統中的每一個提供權重產生器。
本發(fā)明權利要求6所述的超增益陣列天線系統是權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，用于陣列天線的一個信號系統被分成一個發(fā)送信號子系統和一個接收信號子系統，并且權重產生器被分開的發(fā)送信號子系統和接收信號子系統共享。
本發(fā)明權利要求7所述的超增益陣列天線系統是權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，陣列天線被提供給發(fā)送和接收中的每一個，并且由被陣列天線共享的權重產生器所產生的權重數據被用于對陣列天線的多個天線單元進行加權。
本發(fā)明權利要求8所述的控制超增益陣列天線的方法是用于控制一個包含多個天線單且具有提供超增益的單元間距的陣列天線的方法，其中。此方法包括一個權重產生步驟，按照陣列天線的多個天線單元的每個方向性數據產生權重數據；以及一個加權步驟，用在權重產生步驟中產生的權重數據對陣列天線的多個天線單元進行加權。
本發(fā)明權利要求9所述的控制超增益陣列天線的方法是權利要求8所述的控制超增益天線的方法，其中，提供超增益的單元間距等于或小于被接收和/或被發(fā)送的信號的波長的四分之一。
本發(fā)明權利要求10所述的控制超增益陣列天線的方法是權利要求8或9所述的控制超增益天線的方法，其中，在權重產生步驟中產生使信噪比最大的權重數據。
本發(fā)明權利要求11所述的控制超增益陣列天線的方法是權利要求8至10中任一項所述的控制超增益天線的方法，其中，在權重產生步驟中對多個天線單元進行校準，存儲由校準得到的方向性數據，并且進行權重計算，其中權重數據通過參考存儲的方向性數據而被計算出。
簡言之，在本發(fā)明系統中實現了一種多單元和寬帶的超增益陣列天線，它通過數字波束合成提供一個超增益，并且它包括一個具有以提供超增益的單元間距安裝的多個單元的陣列天線；連接于相應單元的多個接收機；用于為每個單元記錄和存儲單元方向性數據的裝置；以及一個超增益合成電路。
圖4示出各個天線單元的方向性數據實例；圖5示出用于在單元之間校準的一種結構；圖6(a)所示方框圖給出本發(fā)明超增益陣列天線系統的第二個實施例，圖6(b)示出其方向性圖，圖6(c)示出其回損特性；圖7所示方框圖給出本發(fā)明超增益陣列天線系統的第三個實施例；圖8所示方框圖給出本發(fā)明超增益陣列天線系統的第四個實施例；圖9(a)所示方框圖示出陣列天線的一般結構，圖9(b)示出其方向性圖，圖9(c)示出其回損特性；圖10所示曲線示出超增益陣列天線中單元間距與方向增益之間的關系；以及圖11(a)所示方框圖給出超增益合成天線的一種結構，圖11(b)示出其方向性圖，圖11(c)示出其回損特性。
天線單元數據被傳送到超增益權重產生器電路10并被處理和存儲作為校準和單元方向性數據。超增益權重產生器電路10基于方向性數據為要求的輻射方向產生權重數據。產生的權重數據被送到加權單元30，在那里接收機R-1至R-4的輸出被分別乘以權重數據。相乘后的基帶信號被合成，然后輸出。
這里，超增益權重產生器電路10如此工作，以給出最大的天線信噪比(下文簡寫為SNR)。下面借助圖2說明超增益權重產生器電路10的結構。如圖2所示，超增益權重產生器電路10包含一個單元方向性數據存儲器11和一個超增益權重發(fā)生器單元12。超增益權重發(fā)生器10接收單元向性數據并輸出天線權重數據。
在超增益權重產生器電路10中超增益合成的過程將借助圖3加以說明。如圖3所示，超增益合成的過程包括階段O和階段1，階段O又包含單元間校準S1以及單元方向性數據采集和存儲S2，階段1又包含單元方向性數據參考S3，超增益權重計算S4和超增益合成S5。
首先，在階段O中進行單元間校準S1以及單元方向性數據采集和存儲S2。為了在基帶(數字波束形成)合成陣列天線，需要各天線單元在將天線單元接收的輸入變換為基帶的通路中采用同樣的傳遞函數。當接收一個無線電波時，出現在天線單元之間的相位差和幅度差仍保留在基帶中是困難的。所以天線單元之間的相位差和幅度差被測量(S1)和存儲(S2)。存儲的數據被用于在工作中進行校正。
存儲在單元方向性數據存儲器11中的數據是陣列天線中天線單元A-1至A-4的方向性圖的數據(數字數據)，如圖4所示。在圖4中橫軸表示角度(天線的正前方為零度)，縱軸表示方向增益。
圖5所示的一種結構被用于測量和存儲天線單元A-1至A-4之間的相位差和幅度差。接收機R-1至R-N分別被提供給天線單元A-1至A-N。濾波器f-1至f-N分別被設置在天線單元A-1至A-N與接收機R-1至R-N之間。在此結構中，天線單元A-1至A-N所接收的模擬信號分別通過濾波器f-1至f-N、放大器g-1至g-N和接收機R-1至R-N被變換為基帶信號，以提供天線單元方向性數據。此數據被存儲在單元方向性數據存儲器11中。
如上所述，在單元間校準S1和單元方向性數據采集和存儲S2中，即在階段O中，如上所述方向性圖預先被測量并存儲在單元方向性數據存儲器11中。
下面說明在圖2所示超增益權重產生器單元12中所進行的處理，即，圖3中的單元方向性數據參考S3，超增益權重計算S4和超增益合成S5。在此處理中，即在階段1中，存儲在單元方向性數據存儲器11中的單元方向性數據被參考，以產生提供陣列天線最大SNR的權重數據。
在本發(fā)明系統中作為提供陣列天線最大SNR的一種方法，采用了一種描述在Robert J.Dinger，Donald R.Bowling和Anna M.Martin所發(fā)表的“高溫超導體的可能的無源天線應用綜述”(IEEETransactions on microwave theory and techniques，Vol.39，NO.9，P.1503，Sept.1991)一文中的方法。在此文章中用于計算提供最大SNR的權重數據的方法說明如下。
首先，作為角度θ的函數的方向性函數f(θ)由以下公式(1)表示。公式1f(θ)=Σn=1NWnejk(n-1)dsinθ······(1)]]>在此式中，Wn＝Anejθ且K＝2π/λ(符號λ表示波長)。式(1)中權重Wn可表示為下式(2)中的矢量Wn。公式2W＝[W1W2……Wn]T……(2)式(2)中符號T表示一個轉置矩陣。假設單元方向性數據被表示為An(θ)，一個信號矢量被表示成以下公式(3)。公式3S＝[A1(θ)A2(θ)ejkdsinθA3(θ)ej2kdsinθ...AN(θ)ej(N-1)kdsinθ]T…(3)化簡式(1)得以下公式(4)。公式4f(θ)＝WTS……(4)信號輸出功率—它是角度θ的函數—被表示成以下公式(5)。公式5P(θ)＝|WTS|2＝WxTPW……(5)其中式(5)右側的符號P表示一個交叉頻譜密度矩陣，它是一個張量乘積，表示為P＝SSx。
另一方面，噪聲輸出功率被表示為以下公式(6)。公式6Pn＝WTRW ……(6)其中，式(6)右側的符號R表示一個噪聲協方差矩陣，它被表示為以下公式(7)。公式7Rij＝∫nix(t)nj(t)dt……(7)式(7)中，項ni(t)表示單元i的噪聲，它是時間(t)的函數。組合式(5)和(6)，SNR(θ)—它是角度θ的函數—被表示為以下公式(8)。公式8SNR(θ)=W*TPWW*TRW······(8)]]>使式(8)給出的SNR(θ)最大化的權重W被表示為以下公式(9)。公式9Wopt＝R-1SOx……(9)權重數據Wopt被表示為以下公式(10)。公式10Wopt＝[R+ε1]-1SOx……(10)天線的Q值被表示為以下公式(11)。公式11Q=Wopt*TWoptWopt*TRWopt······(11)]]>上面描述的這個過程等效于圖3中的單元方向性數據參考S3和超增益權重計算S4。上述公式(10)給出的權重數據Wopt被用來實現圖3中的超增益合成S5。
如上所述，用本發(fā)明系統，具有窄的單元間距的陣列天線(單元間距能提供一個超增益)、超增益權重產生器和基帶接收及合成系統可以提供具有圖1(b)所示方向性圖和圖1(c)所示回損特性的超增益天線。
雖然圖1(a)至1(c)示出陣列天線的一個線性排列，這個實施例顯然能應用于任何排列方式，例如一個環(huán)狀排列和一個平面排列。(第二個實施例)圖6(a)示出本發(fā)明超增益陣列天線系統的第二個實施例的結構。在此實施例中同樣采用單元間距等于或小于λ/4的陣列天線。此實施例與第一個實施例(參見圖1)的不同在于單元的基帶數字信號被分配給多個處理器系統。在此實施例中，信號被分配給N個系統#1-#N。這些系統具有其自己的超增益權重產生器電路10-1至10-N和自己的加權單元30-1至30-N。超增益權重產生器電路10-1至10-N和加權單元30-1至30-N所進行的處理與上面在第一個實施例中說明的相同。
采用這樣一種安排，天線單元或接收機的一個可能的頻帶可被分成多個子頻帶，這些子頻帶可被指配給多個處理器。
簡言之，按照這個實施例，超增益合成電路本身被設置作為一個窄帶濾波器。這種安排實現如圖6b和bc所示的整個系統的寬頻帶。(第三個實施例)圖7示出本發(fā)明超增益陣列天線系統的第三個實施例的結構。在此實施例中也采用單元間距等于或小于λ/4的陣列天線。此實施例與第一個實施例(參見圖1)的不同在于系統增加了一個雙工器(DUP)20和一個由發(fā)射機(Tx)T-1至T-4和加權單元30-T組成的發(fā)射機系統。這就是說，由天線單元A-1至A-4組成的天線被接收機系統和發(fā)射機系統共享。超增益權重產生器電路10和加權單元30-T和30-R所進行的處理與上面在第一實施例中說明的相同。
此安排允許發(fā)射中的超增益合成。因為在此實施例中天線被共享，具有接收機系統和發(fā)射機系統的整個系統可減小體積而不增加天線單元數。(第四個實施例)圖8示出本發(fā)明超增益陣列天線系統的第四個實施例的結構。在此實施例中也采用單元間距等于或小于λ/4的陣列天線。該實施例與第一個實施例(參見圖1)的不同在于具有天線單元A-1R至A-4R的接收機系統和具有天線單元A-1T至A-4T的發(fā)射機系統是分開的，且超增益權重產生器電路10被系統共享。超增益權重產生器電路10和加權單元30-T和30-R所進行的處理與上面在第一個實施例中說明的相同。
這種安排允許發(fā)射中的超增益合成。因為在此實施例中超增益權重產生器電路被共享，具有接收機系統和發(fā)射機系統的整個系統可以減小體積而不增加同樣電路的數量。
上述超增益陣列天線系統采用如下所述的控制超增益陣列天線的方法。即，該方法控制一個包含多個天線單元且具有提供超增益的單元間距的陣列天線，并且該方法包括按照陣列天線的多個天線單元的每個方向性數據產生權重數據的權重產生步驟；以及用在權重產生步驟中所產生的權重數據對陣列天線的多個天線單元進行加權的加權步驟。這里，提供超增益的單元間距等于或小于被接收和/或被發(fā)送的信號的波長的四分之一。
在權重產生步驟中，產生使信噪比最大的權重數據。在權重產生步驟中進行多個天線單元的校準、存儲由校準得到的方向性數據并且進行權重計算，在其中權重數據通過參考存儲的方向性數據而被計算出。
如果該控制方法被采用，可通過數字波束合成得到一個多單元且寬頻帶的超增益陣列天線。
除了在權利要求中所描述的以外，本發(fā)明包括以下幾方面(1)通過數字波束合成提供超增益的天線裝置，它包含一個具有以提供超增益的單元間距安裝的多個天線單元的陣列天線；連接于相應天線單元的接收機；一個記錄和存儲每個天線單元的單元方向性數據的設備；以及一個超增益合成電路。
(2)通過數字波束合成提供超增益的天線裝置，它包含一個具有以提供超增益的單元間距安裝的多個天線單元的陣列天線；一個用于分配天線輸出的分配器；連接于相應單元的接收機；一個記錄和存儲每個天線單元的單元方向性數據的設備；以及一個超增益合成電路。
(3)如(1)中所述的天線裝置，對每個天線單元還包含一個雙工器和一個連接到雙工器的發(fā)射機。
(4)如(1)中所述的天線裝置，它還包含一個專用于發(fā)送且具有以提供超增益的單元間距安裝的多個天線單元的陣列天線和連接它的一個發(fā)射機。
如上所述，按照本發(fā)明，權重數據根據多個以提供超增益的單元間距安裝的天線單元之間的相位差和幅度差以及它們的方向性數據而產生，并且所產生的權重數據被用于對每個天線單元進行加權，從而可以有利地得到一個多單元的超增益陣列天線，它是以傳統方法不可能得到的。此外，如果此結構的多個系統被配置給多個天線單元，可有利地得到能應用于寬帶通信系統的天線系統。而且，如果集成了用于發(fā)送的天線和用于接收的天線，或者如果權重數據的產生和加權在一個公用結構中進行，整個系統可被有利地減小體積。
權利要求
1.具有一個陣列天線的一種超增益陣列天線系統，該陣列天線包含多個天線單元并具有提供超增益的單元間距，所述超增益陣列天線系統包括用于按照所述陣列天線的多個天線單元的每個方向性數據產生權重數據的權重產生器裝置；以及用由權重產生器裝置產生的權重數據對所述陣列天線的多個天線單元進行加權的加權裝置。
2.權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，所述提供超增益的單元間距等于或小于被接收和/或被發(fā)送的信號的波長的四分之一。
3.如權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，所述權重產生器裝置產生使信噪比最大的權重數據。
4.如權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，所述權重產生器裝置對多個天線單元進行校準，存儲由校準得到的方向性數據，并且進行權重計算，其中所述權重數據通過參考所存儲的方向性數據而被計算出。
5.如權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，用于所述陣列天線的一個信號系統被分成多個子系統，并且為多個信號子系統中的每一個提供所述權重產生器裝置。
6.如權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，用于所述陣列天線的一個信號系統被分成一個發(fā)送信號子系統和一個接收信號子系統，并且所述權重產生器裝置被分開的發(fā)送信號子系統和接收信號子系統共享。
7.如權利要求1所述的超增益陣列天線系統，其中，所述陣列天線被提供給發(fā)送和接收中的每一個，并且由被陣列天線共享的權重產生器裝置所產生的權重數據被用于對陣列天線的多個天線單元進行加權。
8.用于控制一個包含多個天線單元且具有提供超增益的單元間距的超增益陣列天線的方法，此方法包括權重產生步驟，按照所述陣列天線的多個天線單元的每個方向性數據產生權重數據；以及加權步驟，用在權重產生步驟中產生的權重數據對所述陣列天線的多個天線單元進行加權。
9.如權利要求8所述的控制超增益陣列天線的方法，其中，所述提供超增益的單元間距等于或小于被接收和/或被發(fā)送的信號的波長的四分之一。
10.如權利要求8或9所述的控制超增益陣列天線的方法，其中，在所述權重產生步驟中產生使信噪比最大的權重數據。
11.如權利要求8至10中任一項所述的控制超增益陣列天線的方法，其中，在所述權重產生步驟中，對多個天線單元進行校準，存儲由校準得到的方向性數據，并且進行權重計算，其中所述權重數據通過參考所存儲的方向性數據而被計算出。
全文摘要
本發(fā)明提供多單元陣列天線的超方向增益。所用陣列天線包含以提供超增益的間距(等于或小于波長的四分之一)安裝的多個天線單元A－1至A－4。一個權重產生器電路按照天線單元A－1至A－4間的相位差和幅度差以及每個天線單元A－1至A－4的方向性數據產生權重數據。所產生的權重數據被用于對每個天線單元A－1至A－4進行加權。
文檔編號H01Q3/26GK1426131SQ02155989
公開日2003年6月25日 申請日期2002年12月12日 優(yōu)先權日2001年12月12日
發(fā)明者山口良, 寺田矩芳, 野島俊雄 申請人:株式會社Ntt都科摩