技術(shù)領(lǐng)域

本公開基本涉及天線與電磁輻射改性，特別地，涉及一種用于簡(jiǎn)單二維(2D)相位模式使能的波束轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

波束轉(zhuǎn)向是對(duì)輻射方向圖的主瓣進(jìn)行角定位，這允許對(duì)來(lái)自天線遠(yuǎn)場(chǎng)中點(diǎn)狀源的期望信號(hào)具有更高的識(shí)別力，從而進(jìn)行感測(cè)或信息傳輸和接收。當(dāng)需要在兩個(gè)維度內(nèi)圍繞陣列的軸(其垂直于陣列平面)在有限范圍內(nèi)對(duì)平面陣列天線的波束進(jìn)行控制時(shí)，很難使每個(gè)元件與可變移相器和收發(fā)器模塊(TR)相適應(yīng)，并將它們與傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的饋電結(jié)構(gòu)融合。當(dāng)所涉及的波長(zhǎng)較小時(shí)，上述問(wèn)題尤為突出，這是因?yàn)殛嚵性烷g距與波長(zhǎng)成比例(必須在半波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí))，而饋線和移相器占用了額外的空間，且不與波長(zhǎng)成比例(尤其是TR)。不管怎樣，對(duì)于較短的波長(zhǎng)(如毫米波)，移相器和TR變得非常昂貴，所以期望使用盡可能少的上述元件，以實(shí)現(xiàn)必要的波束控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的示例性實(shí)施例提供了一種用于簡(jiǎn)單二維(2D)相位模式使能的波束轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)和方法。

根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種用于操作波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方法。該方法包括接收要跟蹤的信號(hào)，從所述接收的信號(hào)生成第一相位模式信號(hào)、第二相位模式信號(hào)和第三相位模式信號(hào)；根據(jù)所述相位模式信號(hào)生成第一中間輔助信號(hào)、第二中間輔助信號(hào)和第一中間主信號(hào)。該方法還包括：從該第一中間主信號(hào)及該第一輔助信號(hào)獲得與所述接收的信號(hào)的周向轉(zhuǎn)向角成比例的第一轉(zhuǎn)向信號(hào)；以及從該第二中間輔助信號(hào)和該第一中間主信號(hào)獲得與所述接收的信號(hào)的徑向轉(zhuǎn)向角成比例的第二轉(zhuǎn)向信號(hào)。

根據(jù)本公開的另一示例性實(shí)施例，提供了一種操作波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方法。該方法包括：波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)1階相位模式信號(hào)，生成第一輔助中間信號(hào)和第二輔助中間信號(hào)；波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)0階相位模式信號(hào)，生成第一中間主信號(hào)。該方法還包括波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)第一輔助中間信號(hào)和第一中間主信號(hào)，產(chǎn)生第一轉(zhuǎn)向信號(hào)，以在周向維度上將天線元件陣列導(dǎo)向至該相位模式信號(hào)的源；以及，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)第一中間主信號(hào)和第二中間輔助信號(hào)，產(chǎn)生第三中間輔助信號(hào)和第二中間主信號(hào)。該方法進(jìn)一步包括：波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)第三中間輔助信號(hào)和第二中間主信號(hào)，產(chǎn)生第二轉(zhuǎn)向信號(hào)，以在徑向維度上將該天線元件陣列導(dǎo)向至該相位模式信號(hào)的源；以及，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)該第一中間輔助信號(hào)、該第一中間主信號(hào)及該第二轉(zhuǎn)向信號(hào)，產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于該天線元件陣列接收的信號(hào)的最大強(qiáng)度。

根據(jù)本公開的另一示例性實(shí)施例，提供了一種波束轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。該波束轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括：可變相位組合器、相移分配器、可操作地耦接至第一輔助中間信號(hào)和第一中間主信號(hào)的第一轉(zhuǎn)向信號(hào)單元、可操作地耦接至第一中間主信號(hào)和第二中間輔助信號(hào)的第二可變比例組合器、可操作地耦接至第三中間輔助信號(hào)和第二中間主信號(hào)的第二轉(zhuǎn)向信號(hào)單元，以及可操作地耦接至第一中間輔助信號(hào)、第一中間主信號(hào)和第二轉(zhuǎn)向信號(hào)的第一可變比例組合器?？勺兿辔唤M合器根據(jù)與接收的信號(hào)相關(guān)的1階相位模式信號(hào)和-1階相位模式信號(hào)中的至少一個(gè)相位模式信號(hào)，生成第一輔助中間信號(hào)和第二輔助中間信號(hào)。相移分配器根據(jù)與所述接收的信號(hào)相關(guān)的0階相位模式信號(hào)，生成第一中間主信號(hào)。第一轉(zhuǎn)向信號(hào)單元產(chǎn)生第一轉(zhuǎn)向信號(hào)，以在周向維度上將天線元件陣列導(dǎo)向至所述接收的信號(hào)的源。第二可變比例組合器產(chǎn)生第三中間輔助信號(hào)和第二中間主信號(hào)。第二轉(zhuǎn)向信號(hào)單元產(chǎn)生第二轉(zhuǎn)向信號(hào)，以在徑向維上將該天線元件陣列導(dǎo)向至所述接收的信號(hào)的源。第一可變比例組合器產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于該天線元件陣列接收的信號(hào)的最大強(qiáng)度。

根據(jù)本公開的另一示例性實(shí)施例，提供了一種波束轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。該波束轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)包括天線元件陣列，可操作地耦接至該天線元件陣列的相位模式生成單元，可操作地耦接至相位模式生成單元的可變相位組合器/分配器(VPC)，可操作地耦接至VPC的第一轉(zhuǎn)向信號(hào)單元，可操作地耦接至VPC的第二轉(zhuǎn)向信號(hào)單元。天線元件陣列接收要跟蹤的信號(hào)。相位模式生成單元從接收的信號(hào)生成第一相位模式信號(hào)、第二相位模式信號(hào)以及第三相位模式信號(hào)。VPC根據(jù)相位模式信號(hào)，生成第一中間輔助信號(hào)、第二中間輔助信號(hào)以及第一中間主信號(hào)。第一轉(zhuǎn)向信號(hào)單元從第一中間主信號(hào)和第一中間輔助信號(hào)獲得與所接收的信號(hào)的周向轉(zhuǎn)向角成比例的第一轉(zhuǎn)向信號(hào)。第二轉(zhuǎn)向信號(hào)單元從第二中間輔助信號(hào)和第一中間主信號(hào)獲得與所接收的信號(hào)的徑向轉(zhuǎn)向角成比例的第二轉(zhuǎn)向信號(hào)。

附圖說(shuō)明

為了更完整的理解本公開及其優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合附圖，對(duì)下文的描述做出引用，其中：

圖1根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了具有16個(gè)元件、間距為λ/2的圓環(huán)形陣列的0階相位模式P₀的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一個(gè)示例；

圖2根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了具有16個(gè)元件、間距為λ/2的圓環(huán)形陣列的-1階相位模式P_-1的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一個(gè)示例；

圖3根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了具有16個(gè)元件、間距為λ/2的圓環(huán)形陣列的1階相位模式P₁的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的一個(gè)示例；

圖4根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了具有可變比例組合器的示例性波束轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的一部分，其中通過(guò)設(shè)置相移對(duì)該可變比例組合器進(jìn)行控制，并在輸入B施加相移θ；

圖5根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了所得的被轉(zhuǎn)向波束的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖的一個(gè)示例的圖；

圖6根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了使用-1階及+1階相位模式信號(hào)得到的被轉(zhuǎn)向波束的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖的示例的圖；

圖7根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了一示例性波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

圖8根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了圓環(huán)形陣列的示例性坐標(biāo)和相位模式及其遠(yuǎn)場(chǎng)的示意圖；

圖9根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了圓環(huán)形陣列的示例性幾何形狀；

圖10根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了示例性貝塞爾(Bessel)函數(shù)J₀，J₁及當(dāng)q＝3/4時(shí)J₀，J₁的近似值的圖；

圖11根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了第一示例性波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其包括圖7所示的波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并具有附加的模擬控制電路，其中“外部”90°相移明確顯示為因子±j；

圖12a和圖12b根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了示例性收斂軌跡的圖；

圖13根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了第二示例性的相位模式使能的2D波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

圖14根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了一個(gè)示例性的可變比例組合器(VRC)；

圖15根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了一個(gè)示例性的零滯后相關(guān)器(ZLC)；

圖16根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了了一個(gè)示例性的可變相位組合器(VPC)；

圖17根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了第一示例性簡(jiǎn)化波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

圖18根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了第二示例性簡(jiǎn)化波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

圖19根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)生的示例性高級(jí)操作的流程圖；

圖20a根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)的時(shí)侯，在其生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)生的第一示例性操作的流程圖；

圖20b根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)的時(shí)候，在其生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)生的第二示例性操作的流程圖；以及

圖21根據(jù)本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例，示出了當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)的時(shí)候，在其生成第二轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)生的示例性操作2100的流程圖。

具體實(shí)施方式

下文詳細(xì)討論了對(duì)當(dāng)前示例性實(shí)施例的操作及其結(jié)構(gòu)。但是，應(yīng)該理解，本公開提供的多個(gè)可應(yīng)用的創(chuàng)新概念可體現(xiàn)在多種具體環(huán)境中。所討論的具體實(shí)施例僅僅說(shuō)明本公開的具體結(jié)構(gòu)及對(duì)本公開進(jìn)行操作的方式，并不限制本公開的范圍。

本發(fā)明公開了一種二維(2D)相位模式波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其使用固定數(shù)量的可變移相器、混合分配器/組合器、混頻器和積分器，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)具有任意數(shù)量的天線元件的圓形或多邊形環(huán)形陣列的電磁(EM)輻射波束的2D轉(zhuǎn)向。固定數(shù)量的相位模式在天線環(huán)形陣列的饋電結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。不同的相位模式中的每一個(gè)可使用單獨(dú)的同心環(huán)形天線陣列，或者對(duì)于任意或所有相位模式它們可使用共同的環(huán)形天線陣列?？勺円葡嗥?、混合分配器/組合器、混頻器和積分器的數(shù)量獨(dú)立于圓形或多邊形環(huán)形陣列中使用的天線元件數(shù)量。所公開的2D相位模式波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和方法可與相位模式饋電網(wǎng)絡(luò)連接。其他關(guān)于相位模式饋電網(wǎng)絡(luò)和混合分配器/組合器的信息可參閱Davies，D.E.N.和Rizk，M.S.A.S.，“環(huán)形陣列的多空值電子轉(zhuǎn)向(Electronic Steering of Multiple Nulls for Circular Arrays)，”電子信件(Electronics Letters)，第13卷，第22期，669-670頁(yè)，1977年10月27日，并以完全引用方式將其納入本文。

在一實(shí)施例中，所公開的2D相位模式波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅僅使用6個(gè)(或可選地，5個(gè))可變移相器和6個(gè)混合分配器/組合器實(shí)現(xiàn)了具有任意個(gè)天線元件的圓環(huán)形陣列波束的二維轉(zhuǎn)向。圓環(huán)形陣列的饋電結(jié)構(gòu)中僅要求實(shí)施3種(或可選地，2種)相位模式。對(duì)于任意或所有的相位模式，它們中的每一個(gè)均可使用單獨(dú)的同心環(huán)形陣列或共同的一個(gè)同心環(huán)形陣列。0階相位模式還可使用填充的平面多邊形陣列，+1階和-1階相位模式可在該陣列周邊使用多邊形的元件環(huán)；這些幾何形狀的變形應(yīng)理解為，暗含于本說(shuō)明書使用的術(shù)語(yǔ)“圓環(huán)形陣列”。

因此所公開的系統(tǒng)和裝置可大幅降低電子可控毫米波陣列天線的設(shè)計(jì)、制造和校準(zhǔn)的復(fù)雜性和成本。例如，小型小區(qū)的回程無(wú)線電中需要此類天線，以使點(diǎn)到點(diǎn)鏈路可自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，從而大大縮短鏈路部署時(shí)間并降低成本。

在一實(shí)施例中，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括與輻射(或接收)元件的圓環(huán)形陣列連接的模擬射頻(RF)波束轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)，其中該輻射(或接收)元件的圓環(huán)形陣列連接至具有0、1和-1階相位模式(分別為P₀、P₁和P_-1)輸出端口的相位模式饋電網(wǎng)絡(luò)，并在其輸出端口處連接至收發(fā)機(jī)(可選地，具有一個(gè)額外的接收機(jī)輸入)。至波束轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)的相位模式輸入可從具有任意數(shù)量元件的多個(gè)單獨(dú)的同心環(huán)形陣列、或單個(gè)共同的環(huán)陣列生成。所公開的波束轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)移相器，這兩個(gè)移相器與P₁和P_-1相位模式連接，且被分別控制在相反方向θ和-θ上。這些繼而連接至混合分配器/組合器，該分配器/組合器在一個(gè)輸出處生成它們的和，即C＝P₁e^jθ+P_-1e^-jθ，并在另一個(gè)輸出處生成它們的差，即D＝P₁e^jθ-P_-1e^-jθ。模式P₀的輸出被輸入到補(bǔ)償性90°移相網(wǎng)絡(luò)，該補(bǔ)償性90°移相網(wǎng)絡(luò)具有與其他兩種相位模式的移相器及混合相同的插入延遲、損耗和相位(當(dāng)設(shè)為零可變相位時(shí))。之后，輸出D和補(bǔ)償后的P₀模式被輸入到另一和/差混合，該混合的輸出C和D分別與另外兩個(gè)可反向調(diào)節(jié)的移相器和連接。這些輸出隨后連接至第三混合的輸入，其中第三混合的和輸出端口C給出被轉(zhuǎn)向主波束，以便在主收發(fā)機(jī)中使用，差輸出D給出被轉(zhuǎn)向輔助波束，以便在輔助接收機(jī)中使用。第一混合的和端口輸出C給出另一獨(dú)立的輔助波束，以便在控制電路中使用，該控制電路生成轉(zhuǎn)向信號(hào)，以控制主波束的周向(θ)方向。

在一實(shí)施例中，通過(guò)將相位設(shè)置為實(shí)現(xiàn)在徑向方向環(huán)繞陣列軸線(垂直于陣列平面的方向)在限定范圍內(nèi)的主波束轉(zhuǎn)向，并獨(dú)立提供了通過(guò)設(shè)置θ，在周向方向的轉(zhuǎn)向。對(duì)于具有任意數(shù)量元件的環(huán)形陣列，可使用相同結(jié)構(gòu)的波束轉(zhuǎn)向器。

本文以可控毫米波陣列天線為例對(duì)所公開的波束轉(zhuǎn)向器的操作原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。特別地，在一實(shí)施例中，該天線包括完全相同的輻射(或接收)元件構(gòu)成的平面環(huán)，該輻射(或接收)元件與相位模式波束形成網(wǎng)絡(luò)連接，并標(biāo)稱地(nominally)沿與陣列平面正交的方向(沿陣列軸線)輻射。

對(duì)于電磁天線，陣列元件可為線性或圓形極化的。在第二種情況下，它們可以被設(shè)置使其饋點(diǎn)圍繞中心對(duì)稱，從而相位會(huì)環(huán)繞圓周線性前移(progress)一個(gè)周期，產(chǎn)生一個(gè)1階相位模式。在一實(shí)施例中，對(duì)該相位前移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南辔徽{(diào)整設(shè)置將形成0階相位模式?？蔀榫€性極化的元件設(shè)計(jì)其他的相位模式饋電設(shè)置，如由一個(gè)巴特勒矩陣(Butler matrix)或多個(gè)羅特曼透鏡(Rotman lens)構(gòu)成的各部分、空間或?qū)蚰Ｊ降酿侂?、以及本領(lǐng)域技術(shù)人員采用的其他設(shè)置。在一實(shí)施例中，最終產(chǎn)生的是具有對(duì)應(yīng)于0、+1和-1階相位模式的輸出端口的圓形或多邊形環(huán)形陣列的相位模式饋電結(jié)構(gòu)。

為了助于理解本發(fā)明的操作，圖1～3中示出了相關(guān)相位模式的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。圖1，即圖100，示出了具有16個(gè)元件、間距為λ/2的圓環(huán)形陣列的0階相位模式P₀的示例性遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。圖2，即圖200，示出了具有16個(gè)元件、間距為λ/2的圓環(huán)形陣列的-1階相位模式P_-1的示例性遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。圖3，即圖300，為具有16個(gè)元件、間距為λ/2的圓環(huán)形陣列的1階相位模式P₁的示例性遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

在一實(shí)施例中，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)所有天線元件在陣列平面所界定的半球內(nèi)基本上是全向的，且被線性極化。對(duì)于0階相位模式P₀，元件激勵(lì)環(huán)繞圓環(huán)形陣列沒(méi)有相位前移(所有元件都被同相饋電)，因此，在環(huán)繞陣列(z)軸線的周向方向上沒(méi)有相位前移。從而，所有場(chǎng)都在該陣列軸線上同相增加并在遠(yuǎn)場(chǎng)中形成主波束。其歸一化的圖顯示在圖1中，針對(duì)16個(gè)元件的環(huán)形陣列，其中各個(gè)元件環(huán)繞圓周方向間距為半波長(zhǎng)。不同陰影表示相位，其中較深陰影表示-π，較淺陰影表示0，中度陰影表示相對(duì)于P₀激勵(lì)的+π弧度。圖2和圖3顯示了相同環(huán)形陣列其他相位模式的相似圖像。

P₁及P_-1模式遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖中的相位前移為弧度為2π的一個(gè)完整的周期，但在相反方向上環(huán)繞z軸，其與它們的元件激勵(lì)相位前移相同。

現(xiàn)在，如果將一定比例的例如P₁相位模式添加到P₀相位模式，結(jié)果將是主瓣指向兩種模式具有相同相位(例如，上述繪圖中較淺的陰影)的方向，這個(gè)結(jié)果是顯而易見(jiàn)的。主瓣將偏離陣列軸線，偏離量與所添加的P₁模式的比例成比例。還可改變P₁的相位θ，這會(huì)改變圓上其與原主波束P₀同相的位置，從而使產(chǎn)生的主瓣指向那個(gè)方向。

圖4示出了具有可變比例組合器的示例性波束轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)400的一部分，其中通過(guò)設(shè)置移相對(duì)該可變比例組合器加以控制，移相θ施加到輸入B。圖4中所示的系統(tǒng)400的部分為可變比例組合器。系統(tǒng)400包括兩個(gè)混合分配器/組合器402、404和兩個(gè)反向調(diào)節(jié)的移相器406和408?；旌戏峙淦?組合器402和404均具有兩個(gè)輸入A和B，和兩個(gè)輸出D和C。混合分配器/組合器402的輸入A是來(lái)自天線(未顯示)陣列遠(yuǎn)場(chǎng)的P₀相位模式?；旌戏峙淦?組合器402的輸入B是來(lái)自天線陣列遠(yuǎn)場(chǎng)的P₁相位模式，并且由移相器409移相?；旌戏峙淦?組合器402的輸出D是移相器406的輸入，混合分配器/組合器402的輸出C是移相器408的輸入。來(lái)自移相器406的輸出是混合分配器/組合器404的輸入B，來(lái)自移相器408的輸出是混合分配器/組合器404的輸入A。來(lái)自混合分配器/組合器404的輸出D為輔助輸出。來(lái)自混合分配器/組合器404的輸出C是實(shí)現(xiàn)被轉(zhuǎn)向主波束的主(M)輸出。

在一實(shí)施例中，雖然很容易使用可變移相器409來(lái)控制兩個(gè)相位模式的相對(duì)相移，但它們添加的相對(duì)比例使用系統(tǒng)400的可變比例組合器而實(shí)現(xiàn)。在該實(shí)施例中，使用兩個(gè)混合分配器/組合器402和404以及兩個(gè)反向調(diào)節(jié)的移相器406和408，以實(shí)現(xiàn)公式410所描述的功能。主輸出M使用下列公式進(jìn)行描述

其中為被轉(zhuǎn)向波束在徑向方向上圍繞陣列軸線的角度，θ為被轉(zhuǎn)向波束在周向方向上的角度。

公式410的數(shù)學(xué)運(yùn)算要求將B輸入至混合分配器/組合器402，并對(duì)其進(jìn)行固定的90°的改變，混合分配器/組合器404的(輔助)輸出D還具有固定的90°移相，這二者均不具有實(shí)際后果，因?yàn)樵趯?shí)施中其取決于混合分配器/組合器的選擇。作為一示例，圖14示出了一種較為方便的分組，其在本發(fā)明所述的示例性實(shí)施例中的數(shù)個(gè)實(shí)例中是相同的。圖5示出了混合分配器/組合器404的主(M)輸出C所產(chǎn)生的被轉(zhuǎn)向波束遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖500的一個(gè)示例，其中θ＝2π*0.5，弧度。

可通過(guò)還使用另外的一階相位模式P_-1，利用如下所示的簡(jiǎn)單三角恒等式，獲得被轉(zhuǎn)向波束的較大的轉(zhuǎn)向角及較低的旁瓣。

假設(shè)相位模式P₁在主錐圓周上某個(gè)角度的固有相位為α，其幅值為ρ。則P_-1將具有相同的幅值，但其相位為-α。對(duì)它們分別施加移相θ和-θ，得到：

P₁e^jθ＝ρe^j(α+θ)＝ρ cos(α+θ)+jρ sin(α+θ)

以及

P_-1e^-jθ＝ρe^j(-α-θ)＝ρ cos(-α-θ)+jρ sin(-α-θ)＝ρ cos(α+θ)-jρ sin(α+θ)。

現(xiàn)在，組合的反向調(diào)相的一階相位模式產(chǎn)生：

P₁e^jθ-P_-1e^-jθ＝j(luò)2ρ sin(α+θ)

其中，對(duì)于任意給定的θ，當(dāng)α+θ＝π/2時(shí)，上式取得最大值j2，當(dāng)α使α+θ＝-π/2時(shí)，上式取得最小值-j2，當(dāng)α+θ＝π或0時(shí)，上式為0。請(qǐng)注意，如果通過(guò)將P0乘以j對(duì)P₀進(jìn)行補(bǔ)償，則P₀將總與上述組合并移相的相位模式同相(in phase)。通過(guò)將它們?cè)诳勺儽壤M合器中相加到一起，將會(huì)在組合的各模式具有波峰之處產(chǎn)生波峰，在它們具有最小值之處產(chǎn)生最小值，而當(dāng)它們?yōu)?時(shí)，沒(méi)有影響，從而影響原P₀主瓣在周向方向的轉(zhuǎn)向，量為僅具有一種1階相位模式的大致兩倍，而在正交于轉(zhuǎn)向方向的方向上主波束沒(méi)有“變胖”。

該效果可見(jiàn)于圖6，圖6與圖5具有相同的轉(zhuǎn)向參數(shù)。注意：對(duì)應(yīng)于使用進(jìn)行控制，被轉(zhuǎn)向波束的形狀更為尖銳，徑向方向上的傾斜度(tilt)更大。其公式為：

注意，圖6中被轉(zhuǎn)向主波束沒(méi)有相位變化，與原主波束沒(méi)有因P₀發(fā)生相位變化一樣。這意味著，與圖5所示的情況不同，當(dāng)波束被轉(zhuǎn)向時(shí)，調(diào)制解調(diào)器不需要跟蹤載波相位變化。

圖7示出了一示例性波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700使用P₀、P₁、及P_-1。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700包括環(huán)形天線元件陣列718，相位模式饋電網(wǎng)絡(luò)720，四個(gè)移相器708、710、712、714，三個(gè)混合分配器/組合器702、704、706，以及延遲增益補(bǔ)償模塊716。圖730為陣列718所接收的遠(yuǎn)場(chǎng)波束相位模式方向圖的P₁和P_-1分量的截面圖。圖740為陣列718接收的遠(yuǎn)場(chǎng)波束相位模式方向圖的P₀分量的截面圖。圖750為混合分配器/組合器706產(chǎn)生的主輸出C，即波束轉(zhuǎn)向器700的輸出M，的被轉(zhuǎn)向的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

2013年4月25日提交的名稱為“簡(jiǎn)單2D相位模式使能的波束轉(zhuǎn)向裝置”的共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)No.13/870,309中提供了波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700及其變形的更為詳盡的描述，該申請(qǐng)以引用方式納入本文。

根據(jù)一示例性實(shí)施例，可對(duì)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700的可變移相器進(jìn)行控制，使波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)?？商砑觽€(gè)數(shù)相對(duì)較少的附加電路，包括復(fù)制的可變比例組合器，其獨(dú)立于天線陣列中元件的數(shù)量。此外，提供了輔助波束輸出，其可作為對(duì)空間干擾消除子系統(tǒng)的輸入。

波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700的輸出信號(hào)可表示為：

以及

其中是轉(zhuǎn)向角設(shè)置，P₀，P₁及P_-1是相位模式輸出信號(hào)，這些信號(hào)是源的角位置的函數(shù)并包含隨時(shí)間變化的因子m(t)e^jωt，其中m(t)為調(diào)制，ω為在圓環(huán)形陣列遠(yuǎn)場(chǎng)中點(diǎn)P處從源接收的RF信號(hào)的角載波頻率。圖8示出了圓環(huán)形陣列的示例性坐標(biāo)及相位模式及其遠(yuǎn)場(chǎng)的示意圖。

作為遠(yuǎn)場(chǎng)角坐標(biāo)的函數(shù)(即輻射方向圖圖)，相位模式輸出可用第一類貝塞爾函數(shù)表征為：

以及

其中R為圓環(huán)形陣列的半徑，相對(duì)于垂直于圓環(huán)形陣列平面的軸線(陣列軸線)，源處于方向上，并利用貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)，即J_-n(x)＝(-1)ⁿJ_n(x)。在圖9所示的更寬泛的環(huán)境中，公式(4)-(6)的推導(dǎo)可得到更好的理解，其中圖9示出了圓環(huán)形陣列的一種示例性幾何形狀。

沿著包含波長(zhǎng)λ的傳播線測(cè)量相對(duì)于圓心的物理長(zhǎng)度。其決定了圓環(huán)形陣列第n個(gè)天線元件的電移相，其相對(duì)于波長(zhǎng)λ的比例與電移相ψ相對(duì)于弧度為2π的整個(gè)圓周的比例相同。因此，對(duì)于第n個(gè)元件，

其中L為從圓環(huán)形陣列中心至其遠(yuǎn)場(chǎng)中P點(diǎn)的傳播路徑長(zhǎng)度。注意：其效果對(duì)圓環(huán)形陣列中的所有元件均相同，因此忽略不計(jì)。假設(shè)每個(gè)元件在視場(chǎng)內(nèi)具有全向方向圖，以及電移相β_n，P處源自所有元件的場(chǎng)的和與下式成比例

其中K吸收了共同的傳播常數(shù)?？偟膱?chǎng)為角坐標(biāo)的函數(shù)，當(dāng)在這些坐標(biāo)中作圖時(shí)，其形成天線輻射方向圖。更具體表示為

在圓環(huán)形陣列的k階相位模式激勵(lì)中，β_n＝kθ_n，因此遠(yuǎn)場(chǎng)可表示為

現(xiàn)在，使α_n＝θ-θ_n-π/2，從而，cos(θ-θ_n)＝-sin α_n且可將公式(10)重新書寫為

注意：θ為遠(yuǎn)場(chǎng)中及圓環(huán)形陣列處的角方位坐標(biāo)(angular azimuth coordinate)(同樣適用于仰角坐標(biāo)(elevation angular coordinate))，電相位的方位角前移在遠(yuǎn)場(chǎng)中與在圓環(huán)形陣列處(元件激勵(lì))相同。如果使用增量角前移Δα_n＝Δα對(duì)求和進(jìn)行加權(quán)，并使用它們的和對(duì)該求和進(jìn)行歸一化(對(duì)于任意相位模式，它們的和都是2π)，然后可將遠(yuǎn)場(chǎng)表示為

當(dāng)元件數(shù)量N足夠大時(shí)，用積分代替離散求和，從而遠(yuǎn)場(chǎng)可表述為

該公式為階數(shù)為k的第一類貝塞爾函數(shù)。因此

其中k的范圍為0到N。由于在-N/2＜k＜N/2的情況下可能具有負(fù)的相位前移，可利用J_-k(x)＝(-1)^kJ_k(x)這一事實(shí)。特別是，將該事實(shí)應(yīng)用于公式(14)，對(duì)于三種興趣相位模式可使用下列近似：

以及

利用相位模式代換，當(dāng)時(shí)，圖11和圖13中的可變比例組合器的RF輸出M和A₁(K包含隨時(shí)間的變化量m(t)e^jωt)變?yōu)?/p>

以及

假設(shè)在圖7中外加對(duì)應(yīng)于“j”的90°移相。單獨(dú)相位模式組合器的另一有用的輸出為

現(xiàn)在，為了通過(guò)對(duì)懲罰函數(shù)最小化來(lái)制定一種隨時(shí)間收斂至解θ_s＝-θ_p和的自適應(yīng)算法，根據(jù)一階線性微分公式定義懲罰函數(shù)∏，懲罰函數(shù)∏的梯度在θ_s，方面是線性的，一階線性微分公式可為

其中，矢量A的項(xiàng)為自適應(yīng)變量，即移相器的設(shè)置θ_s，p為將可變比例組合器的電相位與波束的徑向傾斜角度相關(guān)聯(lián)的常量，電相位θ_s與波束的周向物理角度相同，μ為自適應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。被適應(yīng)性地控制的波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700如圖7所示。

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際中需明確查找∏；可直接尋找所述輸出M、A₁、A₂的某個(gè)函數(shù)，其至少在波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700運(yùn)行的較小角度內(nèi)與移相參數(shù)呈線性。為此，簡(jiǎn)化貝塞爾函數(shù)的參數(shù)是有幫助的。首先，進(jìn)行通常的半波長(zhǎng)元件間隔操作，N個(gè)元件的周長(zhǎng)為2πR＝Nλ/2，從而貝塞爾函數(shù)的參數(shù)變?yōu)槠浣茷檫M(jìn)一步，假設(shè)這些參數(shù)非常小，足以使下列每個(gè)關(guān)系式均被截短為一項(xiàng)

cos x＝J₀(x)-2J₂(x)+2J₄(x)-2J₆(x)…(19)

sin x＝2J₁(x)-2J₃(x)+2J₅(x)…(20)

其后，可使用q＝3/4對(duì)獨(dú)立變量進(jìn)行縮放，以改善產(chǎn)生的近似值，由于為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)前目的，需要因此其特性只需在x等于0至x大約等于3時(shí)與原貝塞爾函數(shù)的特性相同。如圖10中的比較圖所示，甚至當(dāng)x＝6時(shí)也能實(shí)現(xiàn)近似值，其中圖10示出了q＝3/4時(shí)示例性貝塞爾函數(shù)J₀，J₁及其近似值的繪圖。

代換

并應(yīng)用一些常見(jiàn)三角恒等式，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700的輸出信號(hào)可表示為

以及

接下來(lái)，生成前兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間平均結(jié)果，即零延遲的互相關(guān)MA₁^*，其可表示為

注意：這對(duì)于調(diào)整θ_s似乎是有益的，原因是對(duì)于小角度θ_s和θ_P而言，公因子sin(θ_p+θ_s)是線性的。但是，其他該類因子出現(xiàn)于上述各項(xiàng)中的一項(xiàng)，因此，如果將更為理想。幸運(yùn)的是，這不是必需，因?yàn)檫@種情況有效存在于表示為M₀和A₀₁的對(duì)可變比例組合器(包括在外部的90°移相器的外部)的輸入處，因此

當(dāng)這用在自適應(yīng)梯度下降算法的一個(gè)分量中時(shí)，非常明顯地，只要|θ_p+θ_s|＜π/2且(以及)，該公式將收斂(即)至θ_p+θ_s＝0。如果|θ_p+θ_s|＞π/2，梯度下降算法將從不穩(wěn)定平衡點(diǎn)|θ_p+θ_s|＝π發(fā)散，直至到達(dá)饋電為負(fù)值的穩(wěn)定收斂區(qū)域。還要注意的是，這種適應(yīng)性獨(dú)立于如果剛好出現(xiàn)也會(huì)有效收斂。因此，算法的第一部分可表示為

為調(diào)整可能需要相似的處理，其中涉及A₂，以避免因子sin(θ_p+θ_s)，并有望獨(dú)立于(θ_p+θ_s)。該處理即為，一個(gè)附加的用于A₂和M₀的可變比例組合器，其移相器由波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700的主信號(hào)路徑中的原始可變比例組合器的移相器控制。圖11示出了一示例性波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1100，其包括具有附加模擬控制電路的波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700，其中“外部”90°相移明確顯示為因子±j。主可變比例組合器1105示于圖11中，類似于圖14中明確示出的一個(gè)具有外部90°相移的波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700。

附加的可變比例組合器1110與其外部90°相移從波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)700中可用的輸入M₀，A₂產(chǎn)生標(biāo)記為M₂，A_2s的輸出，M₂和A_2s可表示為

代換及兩個(gè)輸出——它們被相關(guān)以形成梯度估計(jì)——可表示為

由于這些信號(hào)形成于對(duì)θ_s進(jìn)行調(diào)節(jié)的方位角轉(zhuǎn)向階段之后，該操作并不獨(dú)立于該階段。但是，如果方位角階段與跟蹤模式一樣是近似收斂的，則|θ_p+θ_s|＜＜1，那么上述信號(hào)可簡(jiǎn)化為

現(xiàn)在，零延遲互相關(guān)M₂A_2S^*可表示為

或根拆

由于假設(shè)方位角階段近似收斂，梯度下降算法中該階段的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該小得多，即ε＜＜μ，以使該結(jié)論成立。由于上述相關(guān)也是負(fù)值，算法中的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該沒(méi)有負(fù)號(hào)，對(duì)于此仰角階段，其變?yōu)?/p>

只要該公式將收斂(即)至注意，不必像方位角那樣跨越2π弧度，原因是轉(zhuǎn)向只在相對(duì)較窄的仰角角度范圍內(nèi)工作，因此收斂條件更容易滿足。根據(jù)一示例性實(shí)施例，所有仰角均為正值，并小于π/2弧度。如本文所討論的，它們均小于π/8弧度，且一般情況下必須＜＜1弧度，從而可使用小角度近似值。如果所有相位模式使用同一圓環(huán)形陣列，貝塞爾函數(shù)的近似值將被滿足至x＝π，則對(duì)于N個(gè)元件，仰角范圍一般須滿足或者說(shuō)

其隨圓環(huán)形陣列尺寸減小。圖12a和圖12b中示出了q＝1時(shí)從所有起始條件到達(dá)給定目標(biāo)狀態(tài)的算法收斂軌跡。由于電相位θ_s對(duì)應(yīng)于物理周向角度θ_p，梯度圖的極坐標(biāo)形式為，從陣列軸線觀看，波束的峰所指方向上物理前移的縮放版本。箭頭表示對(duì)于給定的所需波束所指方向，算法的可能起始點(diǎn)。可以看出，相位從任意起始點(diǎn)(圖12b中示例性軌跡點(diǎn)線上的黑圈)收斂于一個(gè)點(diǎn)，其方式是相位跟隨箭頭直至到達(dá)箭頭消失的一點(diǎn)(圖12b中，示例性軌跡點(diǎn)線上的終止箭頭處，長(zhǎng)度為零，且無(wú)鄰近箭頭指向遠(yuǎn)離該點(diǎn))。

圖13示出了使用第二示例性相位模式使能的2D波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1300。這種情況下只要求兩個(gè)相位模式輸出，該兩個(gè)相位模式輸出由公式(4)和(5)給出，并形成到主可變比例組合器1305的兩個(gè)輸入，即得到的主可變比例組合器1305的輸出(詳示于圖14)與公式(15)和(16)類似，但更加簡(jiǎn)潔，即

對(duì)公式(36)右側(cè)的矢量進(jìn)行代換和矩陣乘法之后，輸出可表示為

該公式對(duì)應(yīng)于第二實(shí)施例的公式(15)和(16)。在相同的貝塞爾函數(shù)近似以及環(huán)繞圓環(huán)形陣列外周元件間隔半波長(zhǎng)的情況下，與公式(23)和(24)對(duì)應(yīng)的輸出可表示為

預(yù)期與得到第二實(shí)施例的公式(26)-(28)的處理過(guò)程相同的處理過(guò)程，可設(shè)置以有效獲取主可變比例組合器1305的輸入處以及表示控制θ_s的算法部分的附加電路的輸入處的相位模式信號(hào)。在將這些輸入相乘之前，它們?yōu)?/p>

在波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1300的該示例性實(shí)施例中，這部分算法與第二示例性實(shí)施例中的對(duì)應(yīng)算法部分的不同之處在于，僅僅使用上述公式(39)右側(cè)的數(shù)值乘積的實(shí)部(第二實(shí)施例中只存在實(shí)部，因此第二實(shí)施例中不需要該步驟)：

顯然，周向轉(zhuǎn)向算法與第一實(shí)施例中相同，除了需要明確采用第一實(shí)施例中公式(40)左側(cè)的實(shí)部。無(wú)論第一實(shí)施例還是第二實(shí)施例，系數(shù)為μ的積分器的輸入信號(hào)是實(shí)數(shù)，因此兩個(gè)實(shí)施例的共用算法可表示為

應(yīng)用類似的推理，以獲得用于調(diào)整徑向轉(zhuǎn)向相位的算法的對(duì)應(yīng)部分。圖13中，第二輔助輸出由給出，因此附加的可變比例組合器1310根據(jù)公式(29)生成輸出，其表示為

該公式可近似為

從這里開始，應(yīng)用與第二實(shí)施例的算法的對(duì)應(yīng)部分相同的信號(hào)處理操作，因?yàn)闂l件|θ_p+θ_s|＜＜1具有相同的效果，即因此

該公式與第二實(shí)施例中的公式(31)相同。因此，兩個(gè)實(shí)施例中用于對(duì)徑向轉(zhuǎn)向相位進(jìn)行調(diào)整的算法是相同的，即

該公式適用于及與前文相同的條件。(雖然在調(diào)整的初始階段可能不滿足|θ_p+θ_s|＜＜1，但由于相關(guān)乘法器通常為復(fù)數(shù)乘法器，其可輸出一個(gè)非零的虛部，從而可在實(shí)現(xiàn)中用于修正線段長(zhǎng)度(line-lengths)，直至在該情況下虛部為零。通過(guò)僅僅采用實(shí)部的方式，強(qiáng)制虛部為零，以驅(qū)動(dòng)算法實(shí)現(xiàn)中的積分器，該操作明確示于圖13中)。

為了方便對(duì)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1100和1300展開討論，對(duì)電路的分組進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。圖14示出了一示例性可變比例組合器(VRC)1400。可變比例組合器1400包括兩個(gè)混合分配器/組合器1405、1407和兩個(gè)反向調(diào)節(jié)的可變移相器1410、1412以及固定式90°移相器1408、固定式90°移相器1409。每個(gè)混合分配器/組合器1405、1407均具有兩個(gè)輸入A和B，以及兩個(gè)輸出D和C。在使用上述裝置的一示例性實(shí)施例中，混合分配器/組合器1405的輸入A是信號(hào)M₀，混合分配器/組合器1405的輸入B是信號(hào)A₂，其相位隨后被移相器1408移動(dòng)90°。混合分配器/組合器1405的輸出D為移相器1410的輸入，混合分配器/組合器1405的輸出C為移相器1412的輸入。移相器1410的輸出為混合分配器/組合器1407的輸入B，移相器1412的輸出為混合分配器/組合器1407的輸入A?；旌戏峙淦?組合器1407的輸出D為被移相器1409移相90°，即信號(hào)A_2s。混合分配器/組合器1407的輸出C為信號(hào)M₂。注意，使用附加的可變比例組合器，如附加的可變比例組合器1110和1310的信號(hào)，對(duì)可變比例組合器1400進(jìn)行討論?？勺儽壤M合器1400還可用做主可變比例組合器1105和1305。符號(hào)1420是可變比例組合器1400的符號(hào)表示。符號(hào)1420具有輸入信號(hào)W₁和W₂以及輸出Z₁和Z₂。

圖15示出了一示例性零滯后相關(guān)器(ZLC)1500。零滯后相關(guān)器1500包括混合器(mixer)1505和積分器1510?；旌掀?505將輸入A_2s的共軛與輸入M₂混合，積分器1510對(duì)混合器1505的輸出進(jìn)行積分以產(chǎn)生可變比例組合器的控制信號(hào)。符號(hào)1515為零滯后相關(guān)器1500的符號(hào)表示。符號(hào)1515具有輸入信號(hào)M、A以及輸出P，并用于示例性實(shí)施例中的若干實(shí)例，以產(chǎn)生徑向和周向控制信號(hào)。應(yīng)該注意的是，這表示ZLC 1500的數(shù)學(xué)功能。ZLC 1500的實(shí)際實(shí)現(xiàn)可包括輸入處的方向耦合器、濾波器和放大器，以及乘法器和積分器周邊的輔助電路，包括模擬-數(shù)字和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，離散時(shí)間控制和/或數(shù)字信號(hào)，因?yàn)樵撍惴ㄟ€可在離散時(shí)間中構(gòu)造。

圖16示出了一示例性可變相位組合器(VPC)1600?？勺兿辔唤M合器1600的第一輸入為來(lái)自圓環(huán)形陣列且隨后被可變移相器1605移相的相位模式P₁?？勺兿辔唤M合器1600的第二輸入為來(lái)自圓環(huán)形陣列且隨后被可變移相器1607反向移相的相位模式P_-1。移相器1605的輸出為混合分配器/組合器1610的輸入A，移相器1607的輸出為混合分配器/組合器1610的輸入B?；旌戏峙淦?組合器1610的輸出C為A₂信號(hào)，混合分配器/組合器1610的輸出D被固定式移相器1612移相90°，即信號(hào)A₀₁。符號(hào)1620為可變相位組合器1600的符號(hào)表示，并具有輸入X₁、X₂以及輸出Y₁、Y₂。

圖17示出了第一示例性簡(jiǎn)化波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1700。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1700為波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1300的簡(jiǎn)化表示，使用了圖14-16中討論的電路符號(hào)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1700包括主可變比例組合器1705和附加的可變比例組合器1707。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1700還包括耦合至圓環(huán)形陣列的可變相位組合器1710，該圓環(huán)形陣列具有稀疏的相位模式饋電網(wǎng)絡(luò)1702。零滯后相關(guān)器1715生成用于主可變比例組合器1705及附加的可變比例組合器1707(由縮放器(scaler)1720縮放-1倍，從而將提供給附加的可變比例組合器1707的控制信號(hào)反轉(zhuǎn))的控制信號(hào)。零滯后相關(guān)器1717生成用于可變相位組合器1710的控制信號(hào)。一旦這些控制信號(hào)收斂，零滯后相關(guān)器1715和1717可保持固定在這些控制信號(hào)?？s放器1725將可變相位組合器1710的輸出Y1縮放2倍。分配器1730對(duì)來(lái)自圓環(huán)形陣列1702的相位模式P₀進(jìn)行分配和縮放。

相位模式信號(hào)P₁為可變相位組合器1710的輸入，產(chǎn)生信號(hào)A₀₁和A₂。縮放器1725可將可變相位組合器1710的輸出乘以2，以產(chǎn)生信號(hào)A₂。相位模式信號(hào)P₀被改變-90°，并被分配器1730分成兩路M₀信號(hào)。一路M₀信號(hào)被提供給主可變比例組合器1705和零滯后相關(guān)器1717，而信號(hào)A₀₁被提供給主可變比例組合器1705和零滯后相關(guān)器1715。零滯后相關(guān)器1717根據(jù)公式(28)和(41)在P處形成輸出信號(hào)，其時(shí)間導(dǎo)數(shù)與周向轉(zhuǎn)向角θ_S的比例系數(shù)為μ，并被傳送至可變相位組合器1710的輸入P。

另一路M₀信號(hào)及信號(hào)A₂被提供給附加的可變比例組合器1707。附加的可變比例組合器1707從其輸入信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)M₂、A_2s并將其提供給零滯后相關(guān)器1715的輸入。零滯后相關(guān)器1715生成主可變比例組合器1705的控制信號(hào)，反轉(zhuǎn)版本(乘以縮放器1720)被提供給附加的可變比例組合器1707。根據(jù)公式(34)、(45)，其時(shí)間導(dǎo)數(shù)與波束徑向轉(zhuǎn)向角的比例系數(shù)為ε，其中ε優(yōu)選為比μ小得多的標(biāo)量，以保證適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向信號(hào)收斂序列。

主可變比例組合器1705形成輸出信號(hào)M和A₁。信號(hào)M表示被轉(zhuǎn)向波束的輸出，在遠(yuǎn)場(chǎng)中P處其在所需信號(hào)上具有其波峰。由于是雙向的，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1700還會(huì)在M處接受輸入信號(hào)，并使用同一波束將該輸入信號(hào)傳輸至點(diǎn)P。

圖18示出了第二示例性簡(jiǎn)化波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1800。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1800為波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1100的簡(jiǎn)化表示，其中波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1100使用圖14-16中所討論的電路符號(hào)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1800包括主可變比例組合器1805和附加的可變比例組合器1807。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1800還包括與圓環(huán)形陣列耦合的可變相位組合器1810，其中該圓環(huán)形陣列具有稀疏的相位模式饋電網(wǎng)絡(luò)1802。零滯后相關(guān)器1815生成主可變比例組合器1805及附加的可變比例組合器1807(由縮放器1820縮放-1倍，從而將提供給附加的可變比例組合器1807的控制信號(hào)反轉(zhuǎn))的控制信號(hào)。零滯后相關(guān)器1817生成可變相位組合器1810的控制信號(hào)。一旦這些控制信號(hào)收斂，零滯后相關(guān)器1815和1817可保持固定在這些控制信號(hào)。分配器1830對(duì)來(lái)自圓環(huán)形陣列1802的相位模式P₀進(jìn)行分配和縮放。

相位模式信號(hào)P₁和P_-1為可變相位組合器1810的輸入，并產(chǎn)生信號(hào)A₀₁和A₂。相位模式信號(hào)P₀被變換-90°并被分配器1830分成兩路M₀信號(hào)。一路M₀信號(hào)被提供給主可變比例組合器1805和零滯后相關(guān)器1817，A₀₁信號(hào)被提供給主可變比例組合器1805和零滯后相關(guān)器1817。零滯后相關(guān)器1817根據(jù)公式(28)和(41)在P處形成輸出信號(hào)，其時(shí)間導(dǎo)數(shù)與周向轉(zhuǎn)向角θ_S的比例系數(shù)是μ，并被輸送至可變相位組合器1810的輸入P。

另一路M0信號(hào)和信號(hào)A₂被提供給附加的可變比例組合器1807。附加的可變比例組合器1807從其輸入信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)M₂、A_2s并將它們提供給零滯后相關(guān)器1815的輸入。零滯后相關(guān)器1815生成主可變比例組合器1805的控制信號(hào)，反轉(zhuǎn)版本(乘以縮放器1820)被提供給附加的可變比例組合器1807。根據(jù)公式(34)和(45)，其時(shí)間導(dǎo)數(shù)與波束徑向轉(zhuǎn)向角的比例系數(shù)為ε，其中ε優(yōu)選比μ小得多的標(biāo)量，以確保適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向信號(hào)收斂序列。

主可變比例組合器1805形成輸出信號(hào)M和A₁。信號(hào)M表示被轉(zhuǎn)向波束的輸出，在遠(yuǎn)場(chǎng)中的P處其在所需信號(hào)上具有波峰。由于是雙向的，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1800還會(huì)在M處接受輸入信號(hào)，并使用同一波束將該輸入信號(hào)輸送至點(diǎn)P。

圖19示出了當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中進(jìn)行的示例性高級(jí)操作1900的流程圖。操作1900可表示當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跟蹤興趣信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1700和波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1800，中進(jìn)行的操作。

操作1900可始于波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在其圓環(huán)形天線陣列處接收信號(hào)(塊1905)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可利用自身的稀疏相位模式饋電網(wǎng)絡(luò)生成相位模式信號(hào)(塊1910)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可從相位模式信號(hào)和中間信號(hào)生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)(塊1915)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可從相位模式信號(hào)和中間信號(hào)生成第二轉(zhuǎn)向信號(hào)(塊1920)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可生成被波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的輸出信號(hào)，以跟蹤接收的信號(hào)(塊1925)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可將輸出信號(hào)發(fā)送至主接收機(jī)，以及輔助接收機(jī)(塊1930)。

圖20a示出了當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)的時(shí)侯，在其生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)生的第一組示例性操作2000的流程圖。操作2000可表示當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跟蹤興趣信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1800中進(jìn)行的操作。圖20所示的步驟應(yīng)理解為用以表示在波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一實(shí)施例中圖19中步驟1915可如何被實(shí)現(xiàn)的一個(gè)示例性實(shí)施例。因此，該方法始于圖19中步驟1910的完結(jié)處。

操作2000可始于波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用VPC從相位模式信號(hào)P₁及P_-1生成中間信號(hào)A₂和A₀₁(塊2005)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使用第一轉(zhuǎn)向信號(hào)對(duì)VPC的移相器進(jìn)行調(diào)節(jié)(塊2007)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使用VPC來(lái)更新中間信號(hào)A₂及A₀₁(塊2009)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可從相位模式信號(hào)P₀生成中間信號(hào)M₀(塊2011)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可將中間信號(hào)M₀及A₀₁提供給第一VRC，并將中間信號(hào)M₀及A₂提供給第二VRC(塊2013)。塊2013完成后，一示例性過(guò)程可返回至圖19中的塊1920。如下文所討論的，圖21提供了一種執(zhí)行圖19中塊1920的方法的示例性實(shí)施例，在一些部分實(shí)施例中，塊2013之后，該方法可繼續(xù)執(zhí)行圖21中的步驟2105。

波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可更新第一轉(zhuǎn)向信號(hào)。第一轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新可包括將中間信號(hào)M₀與中間信號(hào)A₀₁的共軛相關(guān)(塊2015)，并進(jìn)行檢查以確定相關(guān)積是否等于零(塊2017)。第一轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新還可包括，如果相關(guān)積不等于零(或基本不等于零)，更新第一轉(zhuǎn)向信號(hào)，例如，通過(guò)-μ*相關(guān)積來(lái)增大第一轉(zhuǎn)向信號(hào)(塊2019)，并返回至塊2007以繼續(xù)生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)。第一轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新可進(jìn)一步包括，當(dāng)相關(guān)積等于零(或基本等于零)時(shí)，確定第一轉(zhuǎn)向信號(hào)已收斂，且第一轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新可以波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持(或保持固定在)第一轉(zhuǎn)向信號(hào)(塊2021)而結(jié)束。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可保持第一轉(zhuǎn)向信號(hào)固定在其收斂值處。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可保持第一轉(zhuǎn)向信號(hào)固定不變，直至波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被重置、切斷電源，或新的興趣信號(hào)即將被跟蹤。塊2021完成之后，一示例性過(guò)程可繼續(xù)至圖19中的塊1920，該示例性實(shí)施例示于圖21。

圖20b示出了當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)的時(shí)侯，在其生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，該波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)生的第二示例性操作2050的流程圖。操作2050可表示當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跟蹤興趣信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1700中發(fā)生的操作。操作2050為波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)，即圖19中塊1915的一個(gè)示例性實(shí)施例。

操作2000可始于波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從VPC的第一輸入(VPC的第二輸入終止)處的相位模式信號(hào)P₁或P_-1生成中間信號(hào)A₂和A₀₁(塊2055)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使用第一轉(zhuǎn)向信號(hào)調(diào)節(jié)VPC的移相器(塊2057)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使用VPC來(lái)更新中間信號(hào)A₂和A₀₁(塊2059)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可對(duì)中間信號(hào)A₂進(jìn)行縮放(塊2061)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可從相位模式信號(hào)P₀生成中間信號(hào)M₀(塊2063)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可將中間信號(hào)M₀及A₀₁提供給第一VRC，并將中間信號(hào)M₀和A₂(縮放的)提供給第二VRC(塊2065)。如參照?qǐng)D20a所討論的，圖20b中的方法完成，該過(guò)程是步驟1915的一個(gè)實(shí)施例，可返回至圖19中的步驟1920，并在在一些實(shí)施例中，將作為塊2105中圖21所示方法的起始點(diǎn)。

波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可更新第一轉(zhuǎn)向信號(hào)。第一轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新可包括將中間信號(hào)M₀與中間信號(hào)A₀₁的共軛相關(guān)(塊2067)，并進(jìn)行檢查以確定相關(guān)積是否等于零(塊2069)。第一轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新還可包括，如果關(guān)聯(lián)積不等于零(或基本等于零)，則更新第一轉(zhuǎn)向信號(hào)，例如，通過(guò)-μ*相關(guān)積增大第一轉(zhuǎn)向信號(hào)(塊2071)，并返回至塊2057以繼續(xù)生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)。第一轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新可進(jìn)一步包括，如果相關(guān)積等于零(或基本等于零)，確定第一轉(zhuǎn)向信號(hào)已收斂，且第一轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新可以波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持(或保持固定在)第一轉(zhuǎn)向信號(hào)而結(jié)束(塊2073)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可保持第一轉(zhuǎn)向信號(hào)固定在其收斂值處。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可保持第一轉(zhuǎn)向信號(hào)固定不變，直至波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被重置、切斷電源，或新的興趣信號(hào)即將被跟蹤。塊2073完成后，一示例性過(guò)程可繼續(xù)至圖19中的塊1920，該示例性實(shí)施例示于圖21。

注意，操作2050的終止可意味著波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已生成第一轉(zhuǎn)向信號(hào)，例如，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已完成圖19中的塊1915，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可繼續(xù)生成第二轉(zhuǎn)向信號(hào)，例如，圖19的塊1920。

圖21示出了當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤興趣信號(hào)的時(shí)候，在其生成第二轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中發(fā)生的示例性操作2100的流程圖。操作2100可表示，當(dāng)波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跟蹤興趣信號(hào)時(shí)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1700或波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1800中發(fā)生的操作。操作2100為波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)生成第二波束轉(zhuǎn)向信號(hào)，即圖19中塊1920的一個(gè)示例性實(shí)施例。

操作2100可始于波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用第二轉(zhuǎn)向信號(hào)調(diào)節(jié)第一VRC的移相器(塊2105)。操作2100可終止。

波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使用第二轉(zhuǎn)向信號(hào)(塊2107)的負(fù)值對(duì)第二VRC的移相器進(jìn)行調(diào)節(jié)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可生成中間信號(hào)M₂和A_2S(塊2109)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可將中間信號(hào)M₂與中間信號(hào)A_2S(塊2111)的共軛相關(guān)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可進(jìn)行檢查以確定相關(guān)積是否等于零(塊2113)。如果相關(guān)積不是等于零(或基本等于零)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可更新第二轉(zhuǎn)向信號(hào)(塊2115)。作為一說(shuō)明性示例，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可使用-ε*相關(guān)積來(lái)增大第二轉(zhuǎn)向信號(hào)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可保證ε＜＜μ。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可返回至塊2105和塊2107。如果相關(guān)積等于零(或基本等于零)，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可確定第二轉(zhuǎn)向信號(hào)已收斂，且第二轉(zhuǎn)向信號(hào)的更新可以波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持(或保持固定在)第二轉(zhuǎn)向信號(hào)而結(jié)束(塊2117)。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可保持第二轉(zhuǎn)向信號(hào)固定在其收斂值處。波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可保持第二轉(zhuǎn)向信號(hào)固定不變，直至波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被重置、切斷電源，或新的興趣信號(hào)即將被跟蹤。操作2100可終止。

注意，操作2100的終止可意味著波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已生成第二轉(zhuǎn)向信號(hào)，例如，波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已完成圖19中的塊1920，且波束轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可繼續(xù)生成輸出信號(hào)，例如，圖19的塊1925。

雖然對(duì)本公開及其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)描述，應(yīng)該理解，可在不偏離所附權(quán)利要求定義的本公開的精神和范圍的情況下，對(duì)本公開進(jìn)行多種改變、替換和修改。