[发明专利]用于使通讯卫星的相控阵天线内的可重新配置波束形成网络处理简化的系统

说明书

技术领域

本发明总体涉及通讯空间飞行器的相控阵天线的波束形成，具体涉及通信卫星的相控阵天线内的可重新配置波束形成网络处理的简化。 

背景技术

卫星通信的明显趋势倾向于使用多个点波束覆盖，以便提供高增益(以降低功率并以小终端来操作)并支持空间频率重用(以提高带宽受限的系统内的吞吐量)。明确地已知通过数字波束形成技术利用多元天线系统来定义这种窄点波束，该数字波束形成技术包括向针对每个通信频率信道的单元分派复信号权重以控制点波束参数：参见A.M.Bishop等的“The INMARSAT 4Digital Processor and Next GenerationDevelopments”，23rd AIAA ICSSC，Rome，Italy，September 2005。问题在于，尽管在启用数字处理器技术方面不断改进，然而与在更宽的带宽上提供更多的更窄点波束的需求相关联的波束形成和相关处理方面的要求也不断提高。 

可以提供这种覆盖的重要的天线类别是直接辐射阵列(DRA)形式或成像辐射阵列(IRA)形式的相控阵天线。关于DRA，天线可以包括由典型地但不必须相同的天线单元组成的二维阵列，每个天线单元具有相应的单元信号(工作在发射或接收模式下)。在IRA中，利用天线“光学器件”(例如，抛物面反射器)来扩大主DRA的孔径直径。出于本说明的目的，术语“相控阵天线”包括DRA、IRA和其他阵列，其具有多个天线单元，每个天线单元提供天线单元信号，这些天线单元信号与其他天线单元信号具有相位关系和幅度关系。由于对波束形成网络内的单元尺寸和相位权重的控制，相控阵天线提供了在灵活性 和可重新配置性方面的高性能。然而还公知的是，相控阵是复杂的、巨大的并且昂贵的。与备选的天线类型(例如，阵馈反射器天线(AFR))相比，相控阵天线典型地需要更多的辐射单元，并从而需要更高的波束形成复杂度和成本。 

波束形成网络为每个天线单元(并且潜在地基于独立的频率信道)提供幅度和相位控制(等同于数字域的复权重)，使得波束形成复杂度随着单元的数目而缩放。甚至下一代板上数字处理器也不能支持为以下相控阵提供完全灵活的波束形成所需的复杂性：所述相控阵设计用于产生(例如)在带宽500MHz频率20GHz下覆盖欧洲的、直径为0.5的100个波束，这是当前商业需要。 

已知以多种方式来简化相控阵天线结构。具体地，已知将相控阵天线分成子阵，这可以提供在结构和信号处理上的简化。在Jeffrey S.Herd等的“Design considerations and Results for an OverlappedSub-array Radar Antenna”，2005IEEE Aerospace Conference，pp.1087-1092中描述了重叠子阵。 

发明内容

第一方面，本发明提供了一种针对通讯空间飞行器的天线进行波束形成的方法，所述天线包括相控阵天线，所述天线在预定的地理区域内提供多个通信波束，所述方法包括： 

以多个天线单元的形式提供相控阵天线，每个天线单元具有天线单元信号，所述天线单元信号与其他单元信号具有相位关系和幅度关系；以及将所述天线单元分成多个重叠子阵，每个子阵包括相控阵的所有天线单元的子集以及参与多于一个子阵的至少一些或全部天线单元， 

向每个子阵的单元分配相应的子阵波束形成权重，以及向每个子阵针对所述多个波束分配相应的主波束形成权重，使得天线的复合辐射方向图在所述区域内提供所述多个波束。 

第二方面，本发明提供了一种通讯空间飞行器的相控阵天线，用于在预定的地理区域上提供覆盖，所述天线在所述区域内提供多个通 信波束，并且所述天线包括： 

多个天线单元，每个天线单元具有天线单元信号，所述天线单元信号与其他单元信号具有相位关系和幅度关系，所述天线单元被分成多个重叠子阵，每个子阵包括相控阵的所有天线单元的子集以及参与多于一个子阵的天线单元的至少一些， 

子阵波束形成网络，向每个子阵的单元分配相应的子阵波束形成权重，以及 

主波束形成网络，向每个子阵针对所述多个通信波束中每一个通信波束分配主波束形成权重，以便在所述区域内产生所述多个通信波束。 

出于本本说明的目的，术语“子集”指的是由一些但不是全部天线单元组成的组。

在一般情况下，除了在天线边缘处的一些天线单元以外，所有天线单元都将参与多于一个子阵。