专利名称：具有用于相位和幅度校准的集成比较电路的双馈天线阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有用于相位和幅度校准的集成比较电路的双馈天线阵列。
背景技术：
由布置为阵列的多个辐射元件构成的天线用于必须以电子方式控制(steer)天线的辐射模式(辐射束)的许多应用。它们也用于如下应用，该应用通过针对给定接收信号测量每个天线元件之间的相对幅度(amplitude)和相位角获得信号来自的方向。对于这些类型的应用中的每一应用，必须知道每个元件之间的任何系统引入的相位和幅度偏移(offset)和误差，从而能够从接收信号测量结果去除这些偏移和误差并且在发送 (transmit)信号产生中补偿这些偏移和误差。确定系统引入的相位和幅度偏移和误差的过程称为系统的校准。能够在实验室中或者在安装地点作为一次测量完成校准，或者校准可以是消除由温度、海拔、湿度等的环境影响导致的随时间的变化的定期过程。当需要定期校准时，通常提供定期校准作为系统自身的内置功能并且不需要外部支持。这个过程称为自校准。在存在极端环境变化以及在使用期间对系统的高度受限的访问的航空应用中，自校准很常见。空中防撞系统(TrafficCollision Avoidance System, TCAS)是一种这样的系统，该系统使用多元件天线在发送期间控制射束以及在接收期间确定信号到达的角度。典型TCAS系统使用4元件天线，其中每个元件具有专用信号馈入点。下面是关于如何校准4 馈天线系统的简要描述。由于每个元件相互耦合到每一其它元件以及由于基于元件的物理间隔已知元件之间的电气距离，所以通过测量不同元件对之间的复传递函数(即，插入相位和幅度)并使用这些测量的结果计算系统中的所有相对偏移和/或误差，能够确定每个元件的相位和幅度偏移和/或误差。这种技术将适用于大于或等于三的任何数量的元件， 因为它依赖于一个元件和任何两个其它元件之间的相位和幅度的差分(differential)测量。正在开发将使用仅具有两个元件的天线的新系统，由此无法使用上述校准方法。例如，共同拥有的美国专利No. 7，583，223(其内容包含于此以资参考，就如同在本文对其进行了充分阐述)公开了一种系统，该系统包括沿第一轴线分隔开的位于飞机的顶表面上的第一天线和第二天线以及沿与第一轴线正交的第二轴线分隔开的位于飞机的底表面上的第三天线和第四天线。该系统还包括耦合到第一、第二、第三和第四天线的发送、接收和处理系统，其中发送、接收和处理系统配置为发送TCAS探询，接收TCAS答复并处理TCAS答复以确定第二飞机相对于第一飞机的相对方位。这种系统提供了采用两对双元件阵列的TCAS天线系统，与以前的方案相比该天线系统使用更少的布线，具体地讲，使用四个线缆(顶部两个以及底部两个)而非八个线缆(顶部四个以及底部四个)。共同拥有的美国专利No. 4，855，748公开了一种方法，根据该方法，可以对与四元件天线阵列关联的线缆进行相位校准。然而，如上所述，这种方法不能应用于上述双元件阵列的相位校准。
发明内容
在实施例中，双元件阵列天线系统包括第一天线元件和第二天线元件。发送、接收和处理(TRP)系统分别经单个第一发送元件和单个第二发送元件耦合到第一天线元件和第二天线元件。第一和第二发送元件具有各自的发送路径和接收路径功能。TRP系统配置为确定与第一和第二发送元件的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移，基于在与第一和第二发送元件的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移的确定期间获得的数据，确定与第一和第二发送元件的接收路径功能关联的幅度偏移和相位偏移。
以下参照下面的附图详细描述本发明的优选实施例和另外的实施例 图1是显示根据本发明实施例的TCAS系统的天线结构的高级方框图2是显示根据本发明实施例的双元件阵列天线结构的高级方框图； 图3是显示根据本发明的另外实施例的双元件阵列天线结构的高级方框图。
具体实施例方式本发明的实施例提供一种方案，其解决校准仅使用与两个或更多天线元件的通常同轴的两个外部信号连接(双馈)的系统的问题。实施例向双馈天线系统提供一种方法和设备，其对每个天线元件的信号采样并随后使用调零(nulling)技术确定两个发送信号路径之间的相对幅度和相位差。随后应用在调零过程期间获得的信息以允许测量接收器信号路径的偏移。以这种方法，能够正确地补偿发射束方向和到达的接收角度。根据实施例的校准技术包括对来自每个天线元件的发送信号采样(例如，以低耦合比耦合这些发送信号)，组合(combine)采样的信号，然后把得到的信号传送到幅度检测器电路。相位相干信号被同时发送给每个天线元件。每个信号耦合到组合器电路。由于这两个信号相位相干并且处于相同频率，所以它们将会以矢量方式组合，从而导致复合 (composite)射频(RF)信号，该复合RF信号的幅度是输入的矢量和。组合器随后把得到的复合信号传送到幅度检测器电路。检测器电路把复合RF信号转换成直流(DC)信号，该DC 信号的电压与复合RF信号的幅度成比例。DC信号随后耦合到一个或两个天线馈线(通常是同轴线缆)并被传送到能够读取它的幅度的发送器/接收器单元。因此，如果一个或两个输入信号的相位和幅度变化直至检测的矢量和最小化(归零)，则已知在组合器输入中，发送信号幅度相同并且相位相差180度。伴随实现零位条件 (null condition)所需的相位和幅度设置的这种条件为系统提供了发送相位和幅度校准常数。随后通过把发送信号(按照在发送路径校准期间确定的相位和幅度设置)发送给元件之一来测量接收路径校准常数，并且测量由第二元件接收的信号的相位和幅度。然后针对元件的相反组合重复这种测量。图1是示出其中可实现本发明的实施例的TCAS系统40的高级方框图。系统40 包括第一顶部天线42、第二顶部天线44、第一底部天线46和第二底部天线48。每个天线 42、44、46和48通过发送元件(诸如，线缆52)连接到发送、接收和处理(TRP)系统49，从而导致系统40的一共四个线缆52。系统49包括表示为包括发送、接收和处理部件的TPL4
5的线路可替换单元(LRU) 50。当安装在飞机上时，第一顶部天线42和第二顶部天线44位于飞机的顶表面上并且沿第一轴线分隔开，而第一底部天线46和第二底部天线48位于飞机的底表面上并且沿与第一轴线正交的第二轴线分隔开。在示例性实施例中，天线42、44、46和48是L波段刀形(blade)天线。在一个例子中，L波段刀形天线是适合应答器或DME应用的任何单元件L 波段天线，并且可以是简单的标准匹配四分之一波(matched-quarter-wave)短截线天线。现在参照图2，表示了根据本发明实施例的双元件阵列的校准方案。应该理解，由本发明的不同实施例采用的校准技术的下面讨论适用于包括不超过或少于两个天线元件的天线阵列。在示出的实施例中，天线元件42、44分别通过单个同轴线缆52a、52b耦合到 TRP系统49。如图中所示，TRP系统49可包括耦合到线缆52a、52b的一个或多个LRU 50a、 50b。实施例还包括采样元件(诸如，RF探针耦合器20 、限幅器(Iimiter)电路204、 检测器电路206 (检测器电路206包括将会更详细解释的信号转换功能)和DC耦合/RF隔离电路208。这些元件中的每个元件可位于飞机安装表面210上，飞机安装表面210可被封闭在飞机外部的壳体(未示出)内。探针耦合器202可包括由于其接近辐射天线元件42、44而以电磁方式耦合到天线元件的任何结构。短线材、印刷偶极子或贴片和环是能够用于探针耦合器202的结构的类型的例子。检测器电路206可包括整流结，诸如后面跟着低通滤波器的二极管(未示出)。该二极管可以是肖特基势垒二极管，该低通滤波器可以是串联电阻器和并联电容器。DC耦合 /RF隔离电路208可包括至少一个低通滤波器。在操作中，当希望进行线缆52a、52b的发送路径校准时，TRP系统49配置为把至少一个第一校准信号发送给天线元件42并且把至少一个第二校准信号发送给天线元件44。 这些校准信号可以分别由LRU 50a、50b产生或者由LRU 50a、50b之一产生。第一和第二校准信号相位相干并且具有相同频率。然而，如上所述，第一和第二校准信号之一在幅度和相位方面不同于另一校准信号。探针耦合器202对基于第一和第二校准信号并分别由天线元件42、44产生的第一和第二发送信号采样。在图2示出的实施例中，探针耦合器202配置为把采样的第一和第二发送信号组合成复合RF信号。探针耦合器202组合采样信号的这种能力可以是它同时电磁耦合到天线元件42、44的结果。该复合信号由限幅器电路204传送给检测器电路206，限幅器电路204用于在正常系统操作期间保护检测器电路免受由于高信号电平导致的损害。 检测器电路206配置为把复合信号的幅度转换成DC输出信号并把这个输出信号传送给电路 208。该输出信号由电路208耦合回到线缆52b。另一方面，该输出信号可以耦合回到两个线缆52a、52b。这个耦合的输出信号经线缆52b行进到达TRP系统49。TRP系统49可测量与该输出信号关联的幅度和/或电压信息。TRP系统49能够随后基于该输出信号确定产生该输出信号的零电压(即，检测的校准信号的矢量和最小化)的发送信号的第一幅度设置和第一相位设置。随后，TRP系统 49能够基于第一幅度和相位设置确定与线缆52a、52b的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移。现在参照图3，表示了根据本发明另一实施例的双元件阵列的校准方案。在图3 中，在图2中表示并参照图2讨论的相似元件由相似标号指示。在示出的实施例中，天线元件42、44分别通过单个同轴线缆52a、52b耦合到TRP系统49。如图中所示，TRP系统49可包括耦合到线缆52a、52b的一个或多个LRU 50a、50b。实施例还包括采样元件(诸如，定向耦合器3(^a、302b)、一对限幅器电路2(Ma、 204b、组合电路304、检测器电路206 (检测器电路206包括信号转换功能)和DC耦合/RF 隔离电路208。另一方面，就在元件馈入点前面的天线元件42、44的馈线中的功率分配器 (未示出)可用于替代定向耦合器30h、302b。这些元件中的每个元件可位于飞机安装表面210上，飞机安装表面210可被封闭在飞机外部的壳体(未示出)内。定向耦合器30h、302b可实现为各种介质(诸如，印刷微带或带状线)以及实现为以电磁方式耦合到天线元件42、44的同轴和波导发送线。组合电路304可实现为任何方便的发送介质中的Wilkinson组合器或其它隔离矢量组合器。在操作中，当希望进行线缆52a、52b的发送路径校准时，TRP系统49配置为把至少一个第一校准信号发送给天线元件42并且把至少一个第二校准信号发送给天线元件44。 这些校准信号可以分别由LRU 50a、50b产生或者由LRU 50a、50b之一产生。定向耦合器30h、302b对基于第一和第二校准信号并分别由天线元件42、44产生的第一和第二发送信号采样。在图3示出的实施例中，组合电路304配置为把采样的第一和第二发送信号组合成复合RF信号。该复合信号随后被传送给检测器电路206。检测器电路206配置为把复合信号转换成DC输出信号并把这个输出信号传送给电路208。该输出信号由电路208耦合回到线缆52b。另一方面，该输出信号可以耦合回到两个线缆52a、52b。这个耦合的输出信号经线缆52b行进到达TRP系统49。TRP系统49可测量与该输出信号关联的相位、幅度和/或电压信息。TRP系统49能够随后基于该输出信号确定产生该输出信号的零电压(即，检测的校准信号的矢量和最小化)的天线元件42、44的第一幅度设置和第一相位设置(即，发送相位和幅度校准常数)。随后，TRP系统49能够基于发送相位和幅度校准常数确定与线缆 52a、52b的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移。不管采用图2和图3中示出的实施例中的哪一个，TRP系统49能够随后确定与线缆52a、52b的接收路径功能关联的幅度偏移和相位偏移。具体地讲，例如，TRP系统49向天线元件42发送按照发送相位和幅度校准常数设置的第三校准信号。TRP系统49从天线元件44接收基于第三校准信号的第二输出信号。随后，TRP系统49向天线元件44发送按照发送相位和幅度校准常数设置的第四校准信号。TRP系统49从天线元件42接收基于第四校准信号的第三输出信号。因此，通过测量第二和第三输出信号的各自相位和幅度，TRP系统49 能够确定与第一和第二发送元件52a、5^的接收路径功能关联的幅度偏移和相位偏移。在一个实施例中，替代于使用L波段刀形天线，能够在一些实施例中使用集成在飞机的蒙皮表面中的L波段天线。另外，在一些实施例中使用顶部双元件天线和底部双元件天线，其中第一天线由顶部双元件天线的第一元件替代，第二天线由顶部双元件天线的第二元件替代，第三天线由底部双元件天线的第一元件替代，第四天线由底部双元件天线的第二元件替代。
权利要求
1.一种双元件阵列天线系统，包括第一天线元件G2)和第二天线元件04)；以及发送、接收和处理(TRP)系统(49)，耦合到第一和第二天线元件，该TRP系统经单个第一发送元件耦合到第一天线元件，该TRP系统经单个第二发送元件耦合到第二天线元件， 第一和第二发送元件具有各自的发送路径和接收路径功能，TRP系统配置为确定与第一和第二发送元件的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移，以及基于在与第一和第二发送元件的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移的确定期间获得的数据，确定与第一和第二发送元件的接收路径功能关联的幅度偏移和相位偏移。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述TRP系统还配置为把至少一个第一校准信号发送给第一天线元件并且把至少一个第二校准信号发送给第二天线元件；经第一和第二发送元件中的至少一个接收基于所述至少一个第一和第二校准信号的第一输出信号；基于第一输出信号确定产生第一输出信号的零电压的第一和第二天线元件的第一幅度设置和第一相位设置；以及基于第一幅度和相位设置确定与第一和第二发送元件的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移， 其中所述至少一个第一校准信号处于第一频率、第一幅度和第一相位；以及所述至少一个第二校准信号处于第一频率、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.根据权利要求2所述的系统，其中所述TRP系统还配置为向第一天线元件发送处于第一幅度设置和第一相位设置的第三校准信号； 从第二天线元件接收基于第三校准信号的第二输出信号； 向第二天线元件发送处于第一幅度设置和第一相位设置的第四校准信号； 从第一天线元件接收基于第四校准信号的第三输出信号；以及基于第二和第三输出信号确定与第一和第二发送元件的接收路径功能关联的幅度偏移和相位偏移，其中一次一个地发送第三和第四校准信号。
4.根据权利要求2所述的系统，还包括耦合到第一和第二天线元件中的至少一个天线元件的第一电路，第一电路配置为产生第一输出信号，其中第一电路包括采样元件，配置为对基于所述至少一个第一校准信号并由第一天线元件产生的第一发送信号采样，并且对基于所述至少一个第二校准信号并由第二天线元件产生的第二发送信号采样；组合元件，配置为把采样的第一和第二发送信号组合成复合RF信号；转换器元件，配置为把所述复合信号转换成DC信号，其中所述第一输出信号包括该DC信号。
5.根据权利要求2所述的系统，还包括耦合到第一和第二天线元件中的至少一个天线元件的第一电路，第一电路配置为产生第一输出信号，其中第一电路包括采样元件，配置为对基于所述至少一个第一校准信号并由第一天线元件产生的第一发送信号采样，对基于所述至少一个第二校准信号并由第二天线元件产生的第二发送信号采样，并把采样的第一和第二发送信号组合成复合RF信号；转换器元件(206)，配置为把所述复合信号转换成DC信号，其中所述第一输出信号包括该DC信号，其中所述采样元件包括以电磁方式耦合到第一和第二天线元件的探针元件(202)。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述采样元件包括以电磁方式耦合到第一和第二发送元件的一个或多个定向耦合器，其中所述组合元件包括至少一个Wilkinson组合器，其中所述转换器元件包括二极管和低通滤波器。
7.—种双元件阵列天线系统中的确定信号偏移的方法，该天线系统包括第一天线元件、第二天线元件以及耦合到第一和第二天线元件的发送、接收和处理(TRP)系统，TRP系统经单个第一发送元件耦合到第一天线元件，TRP系统经单个第二发送元件耦合到第二天线元件，第一和第二发送元件具有各自的发送路径和接收路径功能，该方法包括把至少一个第一校准信号发送给第一天线元件并且把至少一个第二校准信号发送给第二天线元件；经第一和第二发送元件中的至少一个接收基于所述至少一个第一和第二校准信号的第一输出信号；基于第一输出信号确定产生第一输出信号的零电压的第一和第二天线元件的第一幅度设置和第一相位设置；基于第一幅度和相位设置确定与第一和第二发送元件的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括向第一天线元件发送处于第一幅度设置和第一相位设置的第三校准信号； 从第二天线元件接收基于第三校准信号的第二输出信号； 向第二天线元件发送处于第一幅度设置和第一相位设置的第四校准信号； 从第一天线元件接收基于第四校准信号的第三输出信号；以及基于第二和第三输出信号确定与第一和第二发送元件的接收路径功能关联的幅度偏移和相位偏移，其中一次一个地发送第三和第四校准信号。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括对基于所述至少一个第一校准信号并由第一天线元件产生的第一发送信号采样； 对基于所述至少一个第二校准信号并由第二天线元件产生的第二发送信号采样； 把采样的第一和第二发送信号组合成复合RF信号；以及把所述复合信号转换成DC信号，其中所述第一输出信号包括该DC信号。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述至少一个第一校准信号处于第一频率、第一幅度和第一相位；以及所述至少一个第二校准信号处于第一频率、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
本发明涉及具有用于相位和幅度校准的集成比较电路的双馈天线阵列。一种双元件阵列天线系统包括第一天线元件(42)和第二天线元件(44)。发送、接收和处理(TRP)系统(49)分别经单个第一发送元件和单个第二发送元件耦合到第一和第二天线元件。第一和第二发送元件具有各自的发送路径和接收路径功能。TRP系统配置为确定与第一和第二发送元件的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移，以及，基于在与第一和第二发送元件的发送路径功能关联的幅度偏移和相位偏移的确定期间获得的数据，确定与第一和第二发送元件的接收路径功能关联的幅度偏移和相位偏移。
文档编号H01Q21/00GK102347532SQ201110211699
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月27日 优先权日2010年7月28日
发明者谢斯塔克 E., B. 琼斯 J., 赖利 J., 维尔特 M., 梅亚潘 P., 费尔古森 P., C. 布兰道 R. 申请人:霍尼韦尔国际公司