專利名稱：具有用于相位和幅度校準的集成比較電路的雙饋天線陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有用于相位和幅度校準的集成比較電路的雙饋天線陣列。
背景技術：
由布置為陣列的多個輻射元件構成的天線用于必須以電子方式控制(steer)天線的輻射模式(輻射束)的許多應用。它們也用于如下應用，該應用通過針對給定接收信號測量每個天線元件之間的相對幅度(amplitude)和相位角獲得信號來自的方向。對于這些類型的應用中的每一應用，必須知道每個元件之間的任何系統(tǒng)引入的相位和幅度偏移(offset)和誤差，從而能夠從接收信號測量結果去除這些偏移和誤差并且在發(fā)送 (transmit)信號產生中補償這些偏移和誤差。確定系統(tǒng)引入的相位和幅度偏移和誤差的過程稱為系統(tǒng)的校準。能夠在實驗室中或者在安裝地點作為一次測量完成校準，或者校準可以是消除由溫度、海拔、濕度等的環(huán)境影響導致的隨時間的變化的定期過程。當需要定期校準時，通常提供定期校準作為系統(tǒng)自身的內置功能并且不需要外部支持。這個過程稱為自校準。在存在極端環(huán)境變化以及在使用期間對系統(tǒng)的高度受限的訪問的航空應用中，自校準很常見?？罩蟹雷蚕到y(tǒng)(TrafficCollision Avoidance System, TCAS)是一種這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用多元件天線在發(fā)送期間控制射束以及在接收期間確定信號到達的角度。典型TCAS系統(tǒng)使用4元件天線，其中每個元件具有專用信號饋入點。下面是關于如何校準4 饋天線系統(tǒng)的簡要描述。由于每個元件相互耦合到每一其它元件以及由于基于元件的物理間隔已知元件之間的電氣距離，所以通過測量不同元件對之間的復傳遞函數(即，插入相位和幅度)并使用這些測量的結果計算系統(tǒng)中的所有相對偏移和/或誤差，能夠確定每個元件的相位和幅度偏移和/或誤差。這種技術將適用于大于或等于三的任何數量的元件， 因為它依賴于一個元件和任何兩個其它元件之間的相位和幅度的差分(differential)測量。正在開發(fā)將使用僅具有兩個元件的天線的新系統(tǒng)，由此無法使用上述校準方法。例如，共同擁有的美國專利No. 7，583，223(其內容包含于此以資參考，就如同在本文對其進行了充分闡述)公開了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括沿第一軸線分隔開的位于飛機的頂表面上的第一天線和第二天線以及沿與第一軸線正交的第二軸線分隔開的位于飛機的底表面上的第三天線和第四天線。該系統(tǒng)還包括耦合到第一、第二、第三和第四天線的發(fā)送、接收和處理系統(tǒng)，其中發(fā)送、接收和處理系統(tǒng)配置為發(fā)送TCAS探詢，接收TCAS答復并處理TCAS答復以確定第二飛機相對于第一飛機的相對方位。這種系統(tǒng)提供了采用兩對雙元件陣列的TCAS天線系統(tǒng)，與以前的方案相比該天線系統(tǒng)使用更少的布線，具體地講，使用四個線纜(頂部兩個以及底部兩個)而非八個線纜(頂部四個以及底部四個)。共同擁有的美國專利No. 4，855，748公開了一種方法，根據該方法，可以對與四元件天線陣列關聯的線纜進行相位校準。然而，如上所述，這種方法不能應用于上述雙元件陣列的相位校準。

發(fā)明內容
在實施例中，雙元件陣列天線系統(tǒng)包括第一天線元件和第二天線元件。發(fā)送、接收和處理(TRP)系統(tǒng)分別經單個第一發(fā)送元件和單個第二發(fā)送元件耦合到第一天線元件和第二天線元件。第一和第二發(fā)送元件具有各自的發(fā)送路徑和接收路徑功能。TRP系統(tǒng)配置為確定與第一和第二發(fā)送元件的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移，基于在與第一和第二發(fā)送元件的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移的確定期間獲得的數據，確定與第一和第二發(fā)送元件的接收路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移。


以下參照下面的附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例和另外的實施例 圖1是顯示根據本發(fā)明實施例的TCAS系統(tǒng)的天線結構的高級方框圖2是顯示根據本發(fā)明實施例的雙元件陣列天線結構的高級方框圖； 圖3是顯示根據本發(fā)明的另外實施例的雙元件陣列天線結構的高級方框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例提供一種方案，其解決校準僅使用與兩個或更多天線元件的通常同軸的兩個外部信號連接(雙饋)的系統(tǒng)的問題。實施例向雙饋天線系統(tǒng)提供一種方法和設備，其對每個天線元件的信號采樣并隨后使用調零(nulling)技術確定兩個發(fā)送信號路徑之間的相對幅度和相位差。隨后應用在調零過程期間獲得的信息以允許測量接收器信號路徑的偏移。以這種方法，能夠正確地補償發(fā)射束方向和到達的接收角度。根據實施例的校準技術包括對來自每個天線元件的發(fā)送信號采樣(例如，以低耦合比耦合這些發(fā)送信號)，組合(combine)采樣的信號，然后把得到的信號傳送到幅度檢測器電路。相位相干信號被同時發(fā)送給每個天線元件。每個信號耦合到組合器電路。由于這兩個信號相位相干并且處于相同頻率，所以它們將會以矢量方式組合，從而導致復合 (composite)射頻(RF)信號，該復合RF信號的幅度是輸入的矢量和。組合器隨后把得到的復合信號傳送到幅度檢測器電路。檢測器電路把復合RF信號轉換成直流(DC)信號，該DC 信號的電壓與復合RF信號的幅度成比例。DC信號隨后耦合到一個或兩個天線饋線(通常是同軸線纜)并被傳送到能夠讀取它的幅度的發(fā)送器/接收器單元。因此，如果一個或兩個輸入信號的相位和幅度變化直至檢測的矢量和最小化(歸零)，則已知在組合器輸入中，發(fā)送信號幅度相同并且相位相差180度。伴隨實現零位條件 (null condition)所需的相位和幅度設置的這種條件為系統(tǒng)提供了發(fā)送相位和幅度校準常數。隨后通過把發(fā)送信號(按照在發(fā)送路徑校準期間確定的相位和幅度設置)發(fā)送給元件之一來測量接收路徑校準常數，并且測量由第二元件接收的信號的相位和幅度。然后針對元件的相反組合重復這種測量。圖1是示出其中可實現本發(fā)明的實施例的TCAS系統(tǒng)40的高級方框圖。系統(tǒng)40 包括第一頂部天線42、第二頂部天線44、第一底部天線46和第二底部天線48。每個天線 42、44、46和48通過發(fā)送元件(諸如，線纜52)連接到發(fā)送、接收和處理(TRP)系統(tǒng)49，從而導致系統(tǒng)40的一共四個線纜52。系統(tǒng)49包括表示為包括發(fā)送、接收和處理部件的TPL4
5的線路可替換單元(LRU) 50。當安裝在飛機上時，第一頂部天線42和第二頂部天線44位于飛機的頂表面上并且沿第一軸線分隔開，而第一底部天線46和第二底部天線48位于飛機的底表面上并且沿與第一軸線正交的第二軸線分隔開。在示例性實施例中，天線42、44、46和48是L波段刀形(blade)天線。在一個例子中，L波段刀形天線是適合應答器或DME應用的任何單元件L 波段天線，并且可以是簡單的標準匹配四分之一波(matched-quarter-wave)短截線天線?，F在參照圖2，表示了根據本發(fā)明實施例的雙元件陣列的校準方案。應該理解，由本發(fā)明的不同實施例采用的校準技術的下面討論適用于包括不超過或少于兩個天線元件的天線陣列。在示出的實施例中，天線元件42、44分別通過單個同軸線纜52a、52b耦合到 TRP系統(tǒng)49。如圖中所示，TRP系統(tǒng)49可包括耦合到線纜52a、52b的一個或多個LRU 50a、 50b。實施例還包括采樣元件(諸如，RF探針耦合器20 、限幅器(Iimiter)電路204、 檢測器電路206 (檢測器電路206包括將會更詳細解釋的信號轉換功能)和DC耦合/RF隔離電路208。這些元件中的每個元件可位于飛機安裝表面210上，飛機安裝表面210可被封閉在飛機外部的殼體(未示出)內。探針耦合器202可包括由于其接近輻射天線元件42、44而以電磁方式耦合到天線元件的任何結構。短線材、印刷偶極子或貼片和環(huán)是能夠用于探針耦合器202的結構的類型的例子。檢測器電路206可包括整流結，諸如后面跟著低通濾波器的二極管(未示出)。該二極管可以是肖特基勢壘二極管，該低通濾波器可以是串聯電阻器和并聯電容器。DC耦合 /RF隔離電路208可包括至少一個低通濾波器。在操作中，當希望進行線纜52a、52b的發(fā)送路徑校準時，TRP系統(tǒng)49配置為把至少一個第一校準信號發(fā)送給天線元件42并且把至少一個第二校準信號發(fā)送給天線元件44。 這些校準信號可以分別由LRU 50a、50b產生或者由LRU 50a、50b之一產生。第一和第二校準信號相位相干并且具有相同頻率。然而，如上所述，第一和第二校準信號之一在幅度和相位方面不同于另一校準信號。探針耦合器202對基于第一和第二校準信號并分別由天線元件42、44產生的第一和第二發(fā)送信號采樣。在圖2示出的實施例中，探針耦合器202配置為把采樣的第一和第二發(fā)送信號組合成復合RF信號。探針耦合器202組合采樣信號的這種能力可以是它同時電磁耦合到天線元件42、44的結果。該復合信號由限幅器電路204傳送給檢測器電路206，限幅器電路204用于在正常系統(tǒng)操作期間保護檢測器電路免受由于高信號電平導致的損害。 檢測器電路206配置為把復合信號的幅度轉換成DC輸出信號并把這個輸出信號傳送給電路 208。該輸出信號由電路208耦合回到線纜52b。另一方面，該輸出信號可以耦合回到兩個線纜52a、52b。這個耦合的輸出信號經線纜52b行進到達TRP系統(tǒng)49。TRP系統(tǒng)49可測量與該輸出信號關聯的幅度和/或電壓信息。TRP系統(tǒng)49能夠隨后基于該輸出信號確定產生該輸出信號的零電壓(即，檢測的校準信號的矢量和最小化)的發(fā)送信號的第一幅度設置和第一相位設置。隨后，TRP系統(tǒng) 49能夠基于第一幅度和相位設置確定與線纜52a、52b的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移?，F在參照圖3，表示了根據本發(fā)明另一實施例的雙元件陣列的校準方案。在圖3 中，在圖2中表示并參照圖2討論的相似元件由相似標號指示。在示出的實施例中，天線元件42、44分別通過單個同軸線纜52a、52b耦合到TRP系統(tǒng)49。如圖中所示，TRP系統(tǒng)49可包括耦合到線纜52a、52b的一個或多個LRU 50a、50b。實施例還包括采樣元件(諸如，定向耦合器3(^a、302b)、一對限幅器電路2(Ma、 204b、組合電路304、檢測器電路206 (檢測器電路206包括信號轉換功能)和DC耦合/RF 隔離電路208。另一方面，就在元件饋入點前面的天線元件42、44的饋線中的功率分配器 (未示出)可用于替代定向耦合器30h、302b。這些元件中的每個元件可位于飛機安裝表面210上，飛機安裝表面210可被封閉在飛機外部的殼體(未示出)內。定向耦合器30h、302b可實現為各種介質(諸如，印刷微帶或帶狀線)以及實現為以電磁方式耦合到天線元件42、44的同軸和波導發(fā)送線。組合電路304可實現為任何方便的發(fā)送介質中的Wilkinson組合器或其它隔離矢量組合器。在操作中，當希望進行線纜52a、52b的發(fā)送路徑校準時，TRP系統(tǒng)49配置為把至少一個第一校準信號發(fā)送給天線元件42并且把至少一個第二校準信號發(fā)送給天線元件44。 這些校準信號可以分別由LRU 50a、50b產生或者由LRU 50a、50b之一產生。定向耦合器30h、302b對基于第一和第二校準信號并分別由天線元件42、44產生的第一和第二發(fā)送信號采樣。在圖3示出的實施例中，組合電路304配置為把采樣的第一和第二發(fā)送信號組合成復合RF信號。該復合信號隨后被傳送給檢測器電路206。檢測器電路206配置為把復合信號轉換成DC輸出信號并把這個輸出信號傳送給電路208。該輸出信號由電路208耦合回到線纜52b。另一方面，該輸出信號可以耦合回到兩個線纜52a、52b。這個耦合的輸出信號經線纜52b行進到達TRP系統(tǒng)49。TRP系統(tǒng)49可測量與該輸出信號關聯的相位、幅度和/或電壓信息。TRP系統(tǒng)49能夠隨后基于該輸出信號確定產生該輸出信號的零電壓(即，檢測的校準信號的矢量和最小化)的天線元件42、44的第一幅度設置和第一相位設置(即，發(fā)送相位和幅度校準常數)。隨后，TRP系統(tǒng)49能夠基于發(fā)送相位和幅度校準常數確定與線纜 52a、52b的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移。不管采用圖2和圖3中示出的實施例中的哪一個，TRP系統(tǒng)49能夠隨后確定與線纜52a、52b的接收路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移。具體地講，例如，TRP系統(tǒng)49向天線元件42發(fā)送按照發(fā)送相位和幅度校準常數設置的第三校準信號。TRP系統(tǒng)49從天線元件44接收基于第三校準信號的第二輸出信號。隨后，TRP系統(tǒng)49向天線元件44發(fā)送按照發(fā)送相位和幅度校準常數設置的第四校準信號。TRP系統(tǒng)49從天線元件42接收基于第四校準信號的第三輸出信號。因此，通過測量第二和第三輸出信號的各自相位和幅度，TRP系統(tǒng)49 能夠確定與第一和第二發(fā)送元件52a、5^的接收路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移。在一個實施例中，替代于使用L波段刀形天線，能夠在一些實施例中使用集成在飛機的蒙皮表面中的L波段天線。另外，在一些實施例中使用頂部雙元件天線和底部雙元件天線，其中第一天線由頂部雙元件天線的第一元件替代，第二天線由頂部雙元件天線的第二元件替代，第三天線由底部雙元件天線的第一元件替代，第四天線由底部雙元件天線的第二元件替代。
權利要求
1.一種雙元件陣列天線系統(tǒng)，包括第一天線元件G2)和第二天線元件04)；以及發(fā)送、接收和處理(TRP)系統(tǒng)(49)，耦合到第一和第二天線元件，該TRP系統(tǒng)經單個第一發(fā)送元件耦合到第一天線元件，該TRP系統(tǒng)經單個第二發(fā)送元件耦合到第二天線元件， 第一和第二發(fā)送元件具有各自的發(fā)送路徑和接收路徑功能，TRP系統(tǒng)配置為確定與第一和第二發(fā)送元件的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移，以及基于在與第一和第二發(fā)送元件的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移的確定期間獲得的數據，確定與第一和第二發(fā)送元件的接收路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述TRP系統(tǒng)還配置為把至少一個第一校準信號發(fā)送給第一天線元件并且把至少一個第二校準信號發(fā)送給第二天線元件；經第一和第二發(fā)送元件中的至少一個接收基于所述至少一個第一和第二校準信號的第一輸出信號；基于第一輸出信號確定產生第一輸出信號的零電壓的第一和第二天線元件的第一幅度設置和第一相位設置；以及基于第一幅度和相位設置確定與第一和第二發(fā)送元件的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移， 其中所述至少一個第一校準信號處于第一頻率、第一幅度和第一相位；以及所述至少一個第二校準信號處于第一頻率、不同于第一幅度的第二幅度和不同于第一相位的第二相位。
3.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述TRP系統(tǒng)還配置為向第一天線元件發(fā)送處于第一幅度設置和第一相位設置的第三校準信號； 從第二天線元件接收基于第三校準信號的第二輸出信號； 向第二天線元件發(fā)送處于第一幅度設置和第一相位設置的第四校準信號； 從第一天線元件接收基于第四校準信號的第三輸出信號；以及基于第二和第三輸出信號確定與第一和第二發(fā)送元件的接收路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移，其中一次一個地發(fā)送第三和第四校準信號。
4.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，還包括耦合到第一和第二天線元件中的至少一個天線元件的第一電路，第一電路配置為產生第一輸出信號，其中第一電路包括采樣元件，配置為對基于所述至少一個第一校準信號并由第一天線元件產生的第一發(fā)送信號采樣，并且對基于所述至少一個第二校準信號并由第二天線元件產生的第二發(fā)送信號采樣；組合元件，配置為把采樣的第一和第二發(fā)送信號組合成復合RF信號；轉換器元件，配置為把所述復合信號轉換成DC信號，其中所述第一輸出信號包括該DC信號。
5.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，還包括耦合到第一和第二天線元件中的至少一個天線元件的第一電路，第一電路配置為產生第一輸出信號，其中第一電路包括采樣元件，配置為對基于所述至少一個第一校準信號并由第一天線元件產生的第一發(fā)送信號采樣，對基于所述至少一個第二校準信號并由第二天線元件產生的第二發(fā)送信號采樣，并把采樣的第一和第二發(fā)送信號組合成復合RF信號；轉換器元件(206)，配置為把所述復合信號轉換成DC信號，其中所述第一輸出信號包括該DC信號，其中所述采樣元件包括以電磁方式耦合到第一和第二天線元件的探針元件(202)。
6.根據權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述采樣元件包括以電磁方式耦合到第一和第二發(fā)送元件的一個或多個定向耦合器，其中所述組合元件包括至少一個Wilkinson組合器，其中所述轉換器元件包括二極管和低通濾波器。
7.—種雙元件陣列天線系統(tǒng)中的確定信號偏移的方法，該天線系統(tǒng)包括第一天線元件、第二天線元件以及耦合到第一和第二天線元件的發(fā)送、接收和處理(TRP)系統(tǒng)，TRP系統(tǒng)經單個第一發(fā)送元件耦合到第一天線元件，TRP系統(tǒng)經單個第二發(fā)送元件耦合到第二天線元件，第一和第二發(fā)送元件具有各自的發(fā)送路徑和接收路徑功能，該方法包括把至少一個第一校準信號發(fā)送給第一天線元件并且把至少一個第二校準信號發(fā)送給第二天線元件；經第一和第二發(fā)送元件中的至少一個接收基于所述至少一個第一和第二校準信號的第一輸出信號；基于第一輸出信號確定產生第一輸出信號的零電壓的第一和第二天線元件的第一幅度設置和第一相位設置；基于第一幅度和相位設置確定與第一和第二發(fā)送元件的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移。
8.根據權利要求7所述的方法，還包括向第一天線元件發(fā)送處于第一幅度設置和第一相位設置的第三校準信號； 從第二天線元件接收基于第三校準信號的第二輸出信號； 向第二天線元件發(fā)送處于第一幅度設置和第一相位設置的第四校準信號； 從第一天線元件接收基于第四校準信號的第三輸出信號；以及基于第二和第三輸出信號確定與第一和第二發(fā)送元件的接收路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移，其中一次一個地發(fā)送第三和第四校準信號。
9.根據權利要求7所述的方法，還包括對基于所述至少一個第一校準信號并由第一天線元件產生的第一發(fā)送信號采樣； 對基于所述至少一個第二校準信號并由第二天線元件產生的第二發(fā)送信號采樣； 把采樣的第一和第二發(fā)送信號組合成復合RF信號；以及把所述復合信號轉換成DC信號，其中所述第一輸出信號包括該DC信號。
10.根據權利要求7所述的方法，其中所述至少一個第一校準信號處于第一頻率、第一幅度和第一相位；以及所述至少一個第二校準信號處于第一頻率、不同于第一幅度的第二幅度和不同于第一相位的第二相位。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有用于相位和幅度校準的集成比較電路的雙饋天線陣列。一種雙元件陣列天線系統(tǒng)包括第一天線元件(42)和第二天線元件(44)。發(fā)送、接收和處理(TRP)系統(tǒng)(49)分別經單個第一發(fā)送元件和單個第二發(fā)送元件耦合到第一和第二天線元件。第一和第二發(fā)送元件具有各自的發(fā)送路徑和接收路徑功能。TRP系統(tǒng)配置為確定與第一和第二發(fā)送元件的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移，以及，基于在與第一和第二發(fā)送元件的發(fā)送路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移的確定期間獲得的數據，確定與第一和第二發(fā)送元件的接收路徑功能關聯的幅度偏移和相位偏移。
文檔編號H01Q21/00GK102347532SQ201110211699
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權日2010年7月28日
發(fā)明者謝斯塔克 E., B. 瓊斯 J., 賴利 J., 維爾特 M., 梅亞潘 P., 費爾古森 P., C. 布蘭道 R. 申請人:霍尼韋爾國際公司