JPH04220003A - Expanded phased array with digital beamforming network - Google Patents
Expanded phased array with digital beamforming networkInfo
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- JPH04220003A JPH04220003A JP3067889A JP6788991A JPH04220003A JP H04220003 A JPH04220003 A JP H04220003A JP 3067889 A JP3067889 A JP 3067889A JP 6788991 A JP6788991 A JP 6788991A JP H04220003 A JPH04220003 A JP H04220003A
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
- H01Q25/007—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device
- H01Q25/008—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device lens fed multibeam arrays
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- H—ELECTRICITY
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
- H01Q3/2658—Phased-array fed focussing structure
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Radio Transmission System (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、フェイズドアレイアン
テナシステムに関するものであり、特にデジタルビーム
形成回路網を備えた拡大されたフェイズドアレイアンテ
ナシステムに関するものである。TECHNICAL FIELD This invention relates to phased array antenna systems, and more particularly to an expanded phased array antenna system with digital beamforming circuitry.
【0002】0002
【従来の技術】通常のフェイズドアレイアンテナシステ
ムは多数のアンテナ素子を備えている。多数のアンテナ
素子は一般に十分な利得を得るために必要とされる。さ
らにそのような多くの通常のフェイズドアレイアンテナ
システムは一般に再構成可能である。そのような通常の
アンテナに使用されるビームプロファイルは容易に操作
可能であり、その軽快な特性により妨害を受けない。さ
らに大きい走査ボリュームが必要な大きい開口のアレイ
アンテナでは、ビーム形成処理は一般に異なるアンテナ
素子間の時間遅延を与えるために必要な位相シフタの使
用を含んでいる。結論としてビーム形成処理は信号検出
およびビーム操作を行うために信号ベクトル簡単な係数
乗算を含んでいない。2. Description of the Related Art A typical phased array antenna system includes a large number of antenna elements. A large number of antenna elements are generally required to obtain sufficient gain. Furthermore, many such conventional phased array antenna systems are generally reconfigurable. The beam profile used in such conventional antennas is easily maneuverable and, due to its nimble nature, is not subject to interference. For large aperture array antennas where even larger scan volumes are required, the beamforming process generally includes the use of phase shifters as necessary to provide time delays between different antenna elements. In conclusion, beamforming processing does not involve simple coefficient multiplication of signal vectors to perform signal detection and beam steering.
【0003】0003
【発明が解決しようとする課題】本発明は、通常のフェ
イズドアレイアンテナシステムの限界、すなわち多数の
素子および多数の位相シフタセット並びに複雑な供給装
置を使用しなければならない欠点を克服するために、通
常のアンテナに比較してアンテナ素子の数を著しく減少
させることのできるデジタルビーム形成回路網を内蔵す
る拡大されたフェイズドアレイアンテナシステムを提供
するものである。SUMMARY OF THE INVENTION In order to overcome the limitations of conventional phased array antenna systems, namely the need to use a large number of elements and a large number of phase shifter sets as well as complex feed arrangements, the present invention provides: An enlarged phased array antenna system is provided that incorporates digital beamforming circuitry that can significantly reduce the number of antenna elements compared to conventional antennas.
【0004】0004
【課題を解決するための手段】本発明は、デジタルビー
ム形成回路網を内蔵する拡大されたフェイズドアレイア
ンテナシステムを提供するものである。デジタルビーム
形成回路網の内蔵は識別でき種々の選択された方向に操
縦することのできる多数の同時のビーム形成を可能にす
る。本発明による視野はそれ故限定されるが、システム
の利得はその拡大された部分の利用により増大される。
拡大された部分はカセグレン式望遠鏡等の望遠鏡であっ
てもよく、アンテナ素子の出力の画像が形成される中間
焦点平面を与えるために使用される転送レンズを含んで
もよい。拡大されたフェイズドアレイアンテナは転送レ
ンズの平らな放射表面に位置した焦点平面を有し、転送
された信号を遠隔位置に放射し、或いはフィードアレイ
システムによって処理されるために入来する信号の焦点
を結ばせる。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an expanded phased array antenna system that incorporates digital beamforming circuitry. The inclusion of digital beamforming circuitry allows multiple simultaneous beamforming that can be distinguished and steered in various selected directions. Although the field of view according to the invention is therefore limited, the gain of the system is increased by utilizing its enlarged portion. The magnified portion may be a telescope, such as a Cassegrain telescope, and may include a transfer lens used to provide an intermediate focal plane at which an image of the output of the antenna element is formed. The enlarged phased array antenna has a focal plane located on the flat radiating surface of the transfer lens, which radiates the transferred signal to a remote location or focuses the incoming signal to be processed by the feed array system. to tie.
【0005】視野が限定される地上のリンクとの間で通
信が行われる地球人工衛星においては、本発明は最小数
のアンテナ素子を使用して適当な利得を与える装置を提
供する。デジタルビーム形成回路網は効果的に多重ビー
ム能力をあたえる。回路網は迅速な走査スポットビーム
および再構成可能な区域カバービームを提供する。[0005] In a terrestrial satellite communicating with a terrestrial link with a limited field of view, the present invention provides an arrangement that uses a minimum number of antenna elements to provide adequate gain. Digital beamforming networks effectively provide multiple beam capability. The network provides a rapid scanning spot beam and a reconfigurable area coverage beam.
【0006】それ故本発明を従来のフェイズドアレイア
ンテナシステムと比較すると、素子の数が減少し、した
がって製造費用が減少する。従来の多重ビームアンテナ
システムと比較すると、アレイ中の冗長性によって信頼
性が改善される。通常のアンテナアレイと比較すると、
デジタルビーム形成回路網の使用は多重の、同時の、再
構成可能なビームを提供する。さらに空間的(ビーム形
成)および時間的(波形検出)処理シーケンスをダイナ
ミックに割当てることによって本発明の最適の効率が達
成される。[0006] Therefore, when the present invention is compared to conventional phased array antenna systems, the number of elements is reduced and therefore manufacturing costs are reduced. Redundancy in the array improves reliability when compared to conventional multi-beam antenna systems. Compared to a normal antenna array,
The use of digital beamforming circuitry provides multiple, simultaneous, reconfigurable beams. Furthermore, optimal efficiency of the present invention is achieved by dynamically allocating spatial (beamforming) and temporal (waveform detection) processing sequences.
【0007】特に本発明によれば、アンテナ素子のアレ
イおよびアンテナシステムの利得を増加させるそのアン
テナ素子アレイに結合された予め定められた視野を有す
る拡大部分を有する拡大されたフェイズドアレイアンテ
ナシステムが提供される。変換装置はアンテナ素子アレ
イに結合されてアンテナシステムが受信モードで動作す
るときアレイ中の各素子から導出されたアナログ出力信
号をデジタル信号に変換し、アンテナシステムが送信モ
ードで動作するときアレイ中の各素子によって送信可能
なアナログ信号にをデジタル信号を変換する。Particularly in accordance with the present invention, there is provided an enlarged phased array antenna system having an array of antenna elements and an enlarged portion having a predetermined field of view coupled to the array of antenna elements for increasing the gain of the antenna system. be done. A conversion device is coupled to the antenna element array to convert the analog output signal derived from each element in the array into a digital signal when the antenna system operates in a receive mode and converts the analog output signal derived from each element in the array into a digital signal when the antenna system operates in a transmit mode. Each element converts the digital signal into an analog signal that can be transmitted.
【0008】デジタルビーム形成回路網は変換装置に結
合されて、アンテナシステムが受信モードで動作すると
きアレイ中の各素子から導出された各デジタル信号を、
分離した方向性ベクトルと各デジタル信号とを乗算し、
各乗算されたデジタル信号を信号成分が同位相である単
一のデジタル信号に結合することによって処理する。こ
のデジタル信号はアレイによって受信された信号の方向
に形成されたビームを表している。デジタルビーム形成
回路網はまた、アンテナシステムが送信モードで動作す
るとき、発生された各デジタル信号と関連する位相ベク
トルがアレイによる送信のときビームが予め定められた
方向に生成されるような予め定められた位相関係を有す
る分離した方向性ベクトルとそれを乗算することによっ
て予め定められた方向に送信可能なビームを発生するよ
うにデジタル信号を処理する。Digital beamforming circuitry is coupled to the conversion device to convert each digital signal derived from each element in the array into a
Multiply the separated directional vector and each digital signal,
Each multiplied digital signal is processed by combining each multiplied digital signal into a single digital signal in which the signal components are in phase. This digital signal represents a beam formed in the direction of the signal received by the array. The digital beamforming network also includes a phase vector associated with each digital signal generated such that when the antenna system operates in a transmit mode, the phase vector associated with each digital signal is predetermined such that upon transmission by the array, a beam is generated in a predetermined direction. The digital signal is processed to generate a beam that can be transmitted in a predetermined direction by multiplying it by a separate directional vector having a defined phase relationship.
【0009】多重同時ビームは複数の別々のビーム係数
のセットを送信された信号と乗算することによって複数
の方向に同時に選択的に形成される。ビーム拡大部分は
任意にアンテナ素子アレイに結合され、デジタルビーム
形成回路網により与えられた各ビームを拡大する。Multiple simultaneous beams are selectively formed in multiple directions simultaneously by multiplying the transmitted signal by a plurality of separate sets of beam coefficients. A beam expanding section is optionally coupled to the antenna element array to expand each beam provided by the digital beamforming circuitry.
【0010】デジタルビーム形成回路網は多重同時ビー
ムがそれぞれ送信され受信される方向に対応する複数の
方向性ベクトルを与える回路を具備している。複数の乗
算器が使用されて複数の方向性ベクトルをアンテナ素子
アレイによって与えられた対応する信号と結合する。各
乗算器は実質上同位相の複数の出力信号をそれぞれ与え
る。加算回路は複数の乗算器に結合されて複数の出力信
号を各ビーム方向に対する単一のデジタル出力信号列に
結合させる。Digital beamforming circuitry includes circuitry that provides a plurality of directional vectors corresponding to the directions in which multiple simultaneous beams are respectively transmitted and received. Multiple multipliers are used to combine the multiple directional vectors with corresponding signals provided by the antenna element array. Each multiplier provides a plurality of output signals that are substantially in phase. A summing circuit is coupled to the plurality of multipliers to combine the plurality of output signals into a single digital output signal sequence for each beam direction.
【0011】本発明を通常のアレイと比較すると、通常
のアレイは非常に軽快であるけれども各ビームはそのよ
うな軽快性を得るために1セットの位相シフタを必要と
する。さらに説明すると、通常のアレイは大きい視野と
多数の素子を有しており、多重ビームに対しては多数の
セットの位相シフタが必要であり、システムは合理的な
利得を有する必要がある。本発明の拡大されたフェイズ
ドアレイは限定された視野を有し、適切な数の素子が位
相シフタなしにデジタルビーム形成回路網を使用して多
重ビームを形成することができ、しかも通常のアレイに
比較して高い利得を有する。Comparing the present invention to conventional arrays, although conventional arrays are very nimble, each beam requires a set of phase shifters to achieve such nimbleness. To further explain, typical arrays have large fields of view and large numbers of elements, multiple sets of phase shifters are required for multiple beams, and the system needs to have reasonable gain. The expanded phased array of the present invention has a limited field of view and an appropriate number of elements can form multiple beams using digital beamforming circuitry without phase shifters, yet still Has a high gain in comparison.
【0012】本発明の種々の特徴および利点は、以下の
添付図面を参照にした詳細な説明から明らかになるであ
ろう。Various features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
【0013】[0013]
【実施例】図1には本発明の1実施例の拡大されたフェ
イズドアレイアンテナシステム10が示されている。シ
ステム10は、転送レンズ14と、第1の反射器16と
、第2の反射器18とを備えている図1ではカセグレイ
ンアンテナとして示されている拡大システム12を備え
ている。当業者によく知られている共焦点レンズ系また
は共焦点反射器系、或いは転送レンズを有する単一反射
器を含む他の拡大システムも使用可能である。複数のア
ンテナ素子から構成されたアンテナアレイ20は転送レ
ンズ14の焦点平面上に通常の方法で配置されている。
本発明の拡大されたフェイズドアレイアンテナシステム
10においては、16以下のアンテナ素子アレイが使用
できる。アレイ20の各アンテナ素子はデジタルビーム
形成回路網(DBN)22に結合されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an enlarged phased array antenna system 10 in accordance with one embodiment of the present invention. System 10 includes a magnification system 12, shown as a Cassegrain antenna in FIG. 1, comprising a transfer lens 14, a first reflector 16, and a second reflector 18. Other magnification systems, including confocal lens systems or confocal reflector systems, or a single reflector with a transfer lens, well known to those skilled in the art can also be used. An antenna array 20 composed of a plurality of antenna elements is arranged in a conventional manner on the focal plane of the transfer lens 14. An array of 16 or fewer antenna elements can be used in the expanded phased array antenna system 10 of the present invention. Each antenna element of array 20 is coupled to a digital beamforming network (DBN) 22.
【0014】図2の(a)は受信モードにおける図1の
システムのデジタルビーム形成回路網22を示している
。
図示されているようにアレイ20のアンテナ素子は素子
20a 〜20n で示されている。各アンテナ素子2
0a 〜20n はアンテナアレイ20により受信され
た信号をデジタルビーム形成回路網22によって処理さ
れることのできる中間周波数(IF)の信号に変換する
ために使用される下方変換回路26に結合されている。FIG. 2a shows the digital beamforming circuitry 22 of the system of FIG. 1 in receive mode. As shown, the antenna elements of array 20 are designated elements 20a-20n. Each antenna element 2
0a - 20n are coupled to a down conversion circuit 26 used to convert the signals received by the antenna array 20 to intermediate frequency (IF) signals that can be processed by the digital beamforming circuitry 22. .
【0015】下方変換回路26はバッファ増幅器34a
によって周波数増倍器36a (×8で示されている
ように実施例では8倍にされている)に結合されている
局部発振器32a を具備する局部発振回路30a を
具備している。局部発振回路30a の出力は混合器4
0a の1入力に結合され、混合器40a の他方の入
力は第1のアンテナ素子20a に結合されている。混
合器40a の出力はバンドパスフィルタ(BPF)4
2a およびバッファ増幅器44a を介してアナログ
デジタル変換部分50に結合されている。The down conversion circuit 26 includes a buffer amplifier 34a.
A local oscillator circuit 30a is provided which includes a local oscillator 32a coupled to a frequency multiplier 36a (in the embodiment multiplied by eight as indicated by x8). The output of the local oscillation circuit 30a is sent to the mixer 4.
0a and the other input of mixer 40a is coupled to the first antenna element 20a. The output of the mixer 40a is a band pass filter (BPF) 4.
2a and a buffer amplifier 44a to an analog-to-digital conversion section 50.
【0016】アレイ20の各アンテナ素子20a 〜2
0n は別々の下方変換回路26によってそれぞれ変換
装置50に結合されている。変換装置50は複数のアナ
ログデジタル変換器50a 〜50n から構成され、
それぞれ別々に下方変換回路26の各部分26a 〜2
6n からの出力信号をデジタル信号に変換し、それは
デジタルビーム形成回路網22によって処理される。Each antenna element 20a to 2 of the array 20
0n are each coupled to converter 50 by a separate down converter circuit 26. The conversion device 50 is composed of a plurality of analog-to-digital converters 50a to 50n,
Each portion 26a to 2 of the downward conversion circuit 26 is separately connected to the lower conversion circuit 26.
The output signal from 6n is converted to a digital signal, which is processed by digital beamforming circuitry 22.
【0017】図2の(a)に示すようにアナログデジタ
ル変換器50a 〜50n は累算器、符号検出器等で
構成されるデジタル回路を含むデシメート/推定回路5
2a 〜52n に結合されている。この推定動作は通
常ダイナミックレンジを増加させ、処理帯域幅を減少さ
せる。As shown in FIG. 2(a), the analog-to-digital converters 50a to 50n include a decimating/estimating circuit 5 including a digital circuit including an accumulator, a sign detector, etc.
2a to 52n. This estimation operation typically increases dynamic range and reduces processing bandwidth.
【0018】デシメート/推定回路52a 〜52n
の出力はデジタルビーム形成回路網22の各入力に結合
される。デジタルビーム形成回路網22は複数のデジタ
ル乗算器60a 〜60n を備え、それらはそれぞれ
1入力が各デシメート/推定回路52a 〜52n の
出力を供給され、他方の入力はビーム方向ベクトルを計
算するビーム係数発生回路62a 〜62n に結合さ
れている。各デジタル乗算器60a 〜60n の出力
は加算回路64に結合され、この加算回路64はデジタ
ル出力信号を単一のデジタル信号に結合する。加算回路
64の出力はデジタルビーム形成回路網22の出力であ
り、それは例えば通信受信機と同様に一時的処理回路6
6によって処理され、処理回路66は復調、チャンネル
化デコード、データ記憶および送付等の処理を行う、図
2の(b)を参照すると送信モードにおける図1のシス
テム10のデジタルビーム形成回路網22が示されてい
る。図2の(b)の回路は、変換装置50が複数のデジ
タルアナログ変換器50a’〜50n’を使用し、デシ
メート/推定回路52a 〜52n を使用せず、加算
回路64が1:Nマルチプレクサ50により置換され、
また送信モードでシステム10により送信される入力信
号がマルチプレクサ70に結合されたデータバスでも良
いベースバンドデータ回路72によって供給される点を
除いては図2の(a)に示された回路と実質上同じであ
る。Decimate/estimate circuits 52a to 52n
The outputs of are coupled to respective inputs of digital beamforming network 22. The digital beamforming network 22 comprises a plurality of digital multipliers 60a-60n, each having one input fed to the output of each decimating/estimating circuit 52a-52n and the other input being a beam coefficient for calculating the beam direction vector. It is coupled to generation circuits 62a-62n. The output of each digital multiplier 60a-60n is coupled to a summing circuit 64 that combines the digital output signals into a single digital signal. The output of the summing circuit 64 is the output of the digital beamforming circuitry 22, which may be used, for example, in a communications receiver as well as the temporal processing circuit 6.
6, and processing circuitry 66 performs processing such as demodulation, channelization decoding, data storage and transmission, etc. Referring to FIG. 2B, digital beamforming circuitry 22 of system 10 of FIG. It is shown. In the circuit of FIG. 2B, the conversion device 50 uses a plurality of digital-to-analog converters 50a' to 50n', does not use the decimate/estimation circuits 52a to 52n, and the adder circuit 64 uses a 1:N multiplexer 50. replaced by
The circuit is substantially the same as that shown in FIG. Same as above.
【0019】図3を参照にして図2の(a)および(b
)に示された回路で使用されたデジタルビーム形成回路
網22の動作を説明する。デジタルビーム形成回路網2
2は複数のデジタル乗算器60a 〜60n を備え、
それらの入力は複数のアンテナ素子20a 〜20n
の出力信号およびビーム係数発生回路62からのビーム
係数を受信するように結合されている。複数のデジタル
乗算器60a 〜60n の出力は加算回路64に結合
されている。ビーム係数は例えば中央処理装置(CPU
)によって与えられる。Referring to FIG. 3, (a) and (b) of FIG.
) The operation of the digital beamforming circuitry 22 used in the circuit shown in FIG. Digital beamforming network 2
2 includes a plurality of digital multipliers 60a to 60n,
Their inputs are provided by a plurality of antenna elements 20a to 20n.
and beam coefficients from beam coefficient generation circuit 62. The outputs of the plurality of digital multipliers 60a-60n are coupled to a summing circuit 64. The beam coefficients are determined by the central processing unit (CPU), for example.
) is given by
【0020】図3に示すように、アンテナアレイ20の
視野にある単一の信号源から出力されて複数のアンテナ
素子20a 〜20n により受信された信号中の位相
差の相対量が角度回転の変化を示す矢印78で表されて
いる。アンテナ素子20a 〜20n により受信され
た各信号は互いに同位相である信号を発生するために各
信号の乗算に適合するようにビーム係数と別々に結合さ
れる。これらの信号は加算回路70によって単一の信号
に結合され、放射源の方向を向いたビーム方向ベクトル
をもつ形成されたビームを表す信号を出力する。As shown in FIG. 3, the relative amount of phase difference in the signals output from a single signal source in the field of view of the antenna array 20 and received by the plurality of antenna elements 20a to 20n changes with angular rotation. This is represented by an arrow 78 indicating. Each signal received by antenna elements 20a-20n is combined separately with a beam coefficient to accommodate the multiplication of each signal to produce signals that are in phase with each other. These signals are combined into a single signal by a summing circuit 70 to output a signal representative of the formed beam with the beam direction vector pointing in the direction of the radiation source.
【0021】再び図1を参照すると、受信モードにおい
て動作している拡大されたフェイズドアレイアンテナシ
ステム10が示されている。例えば60GHz に中心
を有する動作周波数の4×4のアンテナ素子のアレイが
使用される。アンテナアレイ20によって受信された信
号は増幅され、下方変換回路26によって下方変換され
処理中間周波数に低下される。低下された中間周波数ア
ナログ信号はそれから下方変換後変換装置50において
デジタル信号に変換される。変換装置50はこの場合に
は複数のアナログデジタル変換器50a 〜50n か
ら構成されている。典型的に下方変換は2GHz のホ
ッピング帯域幅と50MHz の瞬間帯域幅を有する6
0GHz の信号を例えば50MHz の帯域幅を有す
る1GHz の信号に変換する。
デシメート/推定回路52a 〜52n はデジタルビ
ーム形成回路網22によって処理されデジタル信号のダ
イナミックレンジを増加させ帯域幅要求を減少させるた
めに使用されることができる。Referring again to FIG. 1, expanded phased array antenna system 10 is shown operating in a receive mode. For example, a 4×4 array of antenna elements with an operating frequency centered at 60 GHz is used. The signals received by antenna array 20 are amplified and downconverted by downconversion circuit 26 to a processing intermediate frequency. The reduced intermediate frequency analog signal is then converted to a digital signal in a down-conversion post-conversion device 50. The conversion device 50 in this case consists of a plurality of analog-to-digital converters 50a to 50n. Typically the downconversion has a hopping bandwidth of 2 GHz and an instantaneous bandwidth of 50 MHz6.
For example, a 0 GHz signal is converted into a 1 GHz signal with a bandwidth of 50 MHz. Decimating/estimating circuits 52a-52n can be processed by digital beamforming circuitry 22 and used to increase the dynamic range of the digital signal and reduce bandwidth requirements.
【0022】アンテナアレイ20に入来する信号は隣接
するアンテナ素子20a 〜20n により受信された
信号の位相ベクトルが図3でさらに明瞭に示されるよう
に順次回転される。素子間隔当りの空間的回転の角度は
入力電波の到着角度に依存している。機械的ボアサイト
その他の基準信号源によって与えられた信号が処理され
たとき、その回転割合はゼロである。特定の信号の到来
角度がボアサイトから遠くなるほどその回転の割合は速
くなる。各アンテナ素子20a 〜20n は別々にサ
ンプリングされ、各信号は信号ベクトルとして表される
ことができる。デジタル信号ベクトルはそれからデジタ
ルビーム形成回路網22中において積が全て同位相にな
るようにビーム係数(方向性ベクトル)と乗算される。
これらの同位相信号はそれから加算回路64により共に
加算されて単一の出力信号が出力される。The signals entering antenna array 20 are sequentially rotated such that the phase vectors of the signals received by adjacent antenna elements 20a-20n are more clearly shown in FIG. The angle of spatial rotation per element spacing depends on the arrival angle of the input radio waves. When the signal provided by a mechanical boresight or other reference signal source is processed, its rate of rotation is zero. The farther the angle of arrival of a particular signal is from the boresight, the faster its rate of rotation. Each antenna element 20a-20n is sampled separately and each signal can be represented as a signal vector. The digital signal vector is then multiplied by the beam coefficients (directional vectors) in the digital beamforming network 22 so that the products are all in phase. These in-phase signals are then summed together by summing circuit 64 to provide a single output signal.
【0023】結論として、デジタルビーム形成処理は各
アンテナ素子20a 〜20n により受信された信号
をデジタル的に整列させる。それ故ビームは入来する信
号の方向に向いて形成される。同様に多重ビームが異な
った方向ベクトルを信号ベクトルと独立に乗算すること
によって同時に形成することができる。このようにして
多重の受信ビームは同時に処理することができ、送信多
重ビームは同時に処理されることができる。或いは送信
されたビームは適当にビーム方向係数を選択することに
よって任意の所望の方向に迅速に方向を変えることがで
きる。In conclusion, the digital beamforming process digitally aligns the signals received by each antenna element 20a-20n. The beam is therefore formed pointing in the direction of the incoming signal. Similarly, multiple beams can be formed simultaneously by independently multiplying the signal vector by different direction vectors. In this way multiple receive beams can be processed simultaneously and multiple transmit beams can be processed simultaneously. Alternatively, the transmitted beam can be quickly redirected to any desired direction by appropriately selecting the beam direction coefficient.
【0024】図1および図2を参照すると拡大されたフ
ェイズドアレイアンテナシステム10はカセグレイン反
射器12および転送レンズ14の配置の使用を含めて種
々の方法で構成することができる。転送レンズ14はカ
セグレイン反射器12の焦点平面に配置される。Referring to FIGS. 1 and 2, an enlarged phased array antenna system 10 can be constructed in a variety of ways, including the use of a Cassegrain reflector 12 and transfer lens 14 arrangement. Transfer lens 14 is placed in the focal plane of Cassegrain reflector 12 .
【0025】送信モードの動作において、アンテナアレ
イ20は放射パワーを転送レンズ14の後面で小さいス
ポットに集中させる。このスポットは遠隔区域にスポッ
トビームを発生するカセグレイン反射器12を照明する
光源の虚像として作用する。アンテナアレイ20がその
放射パワーを転送レンズ14上の異なったスポットに集
中させるとき、遠隔区域のビームは対応して移動する。
もしも2つのスポットが転送レンズ14上に生成される
ならば、遠隔区域に2つのスポットビームが同時に発生
するであろう。発生されるスポットビームが多くなるほ
ど、瞬間的再構成能力を有する区域カバービームを形成
するためにそれらは合算される。In the transmit mode of operation, antenna array 20 concentrates radiated power into a small spot at the rear surface of transfer lens 14. This spot acts as a virtual image of the light source illuminating the Cassegrain reflector 12 which produces a spot beam in a remote area. As the antenna array 20 focuses its radiated power to different spots on the transfer lens 14, the remote area beam moves correspondingly. If two spots are created on the transfer lens 14, two spot beams will be generated simultaneously in the remote area. As more spot beams are generated, they are summed to form an area coverage beam with instantaneous reconfiguration capability.
【0026】視野が限定されている人工衛星と地上リン
クとの間では、本発明は最小のアンテナ素子数を使用し
て適切な利得を得ることができる。デジタルビーム形成
回路網は効率的に多重ビーム能力を与える。回路網は高
速走査スポットビームおよび再構成可能な区域カバービ
ームを提供する。Between a satellite and a terrestrial link where the field of view is limited, the present invention can use a minimum number of antenna elements to obtain adequate gain. Digital beamforming networks efficiently provide multiple beam capability. The network provides a fast scanning spot beam and a reconfigurable area coverage beam.
【0027】それ故通常のフェイズドアレイアンテナシ
ステムに比較して本発明は、素子数を減少させ、したが
って製造コストを低下させる。通常の多重ビームアンテ
ナに比較して、本発明はアレイ中の冗長性によって信頼
性が改善される。通常のアンテナアレイに比較して、デ
ジタルビーム形成の使用は多重の、同時の、再構成可能
なビームを提供する。さらに本発明の最適の効率はダイ
ナミックに空間的(ビーム形成)および時間的(波形検
出)処理シーケンスを割当てることによって達成される
。Compared to conventional phased array antenna systems, the present invention therefore reduces the number of elements and therefore reduces manufacturing costs. Compared to conventional multi-beam antennas, the present invention improves reliability due to redundancy in the array. Compared to regular antenna arrays, the use of digital beamforming provides multiple, simultaneous, reconfigurable beams. Furthermore, optimal efficiency of the present invention is achieved by dynamically allocating spatial (beamforming) and temporal (waveform detection) processing sequences.
【0028】以上本発明の新しい改善されたフェイズド
アレイアンテナシステムについて説明された。上記実施
例は多くの実施例のいくつかのものを示したものに過ぎ
ず、当業者において本発明の技術的範囲を逸脱すること
なく種々の変形、変更が行われることを理解すべきであ
る。The new and improved phased array antenna system of the present invention has been described. It should be understood that the above embodiments are merely some of the many embodiments, and that those skilled in the art can make various modifications and changes without departing from the technical scope of the present invention. .
【図1】本発明による拡大されたフェイズドアレイアン
テナシステムの概略図。FIG. 1 is a schematic diagram of an expanded phased array antenna system according to the invention.
【図2】受信モードおよび送信モードで動作する図1の
システムのデジタルビーム形成回路網のブロック図。FIG. 2 is a block diagram of the digital beamforming circuitry of the system of FIG. 1 operating in receive mode and transmit mode.
【図3】本発明のデジタルビーム形成回路網の動作を示
す詳細図。FIG. 3 is a detailed diagram illustrating the operation of the digital beamforming circuitry of the present invention.
Claims (7)
ステムの利得を増加するためにアンテナ素子のアレイに
結合された予め定められた視野を有する拡大手段と、ア
ンテナ素子のアレイに結合され、(a)受信モードでア
ンテナシステムが動作されるときアレイ中の各素子から
出力されたアナログ出力信号をデジタル信号に変換し、
(b)送信モードでアンテナシステムが動作されるとき
アレイ中の各素子により送信可能なアナログ信号にデジ
タル信号を変換する変換手段と、この変換手段に結合さ
れ、(a)アンテナシステムが受信モードで動作すると
き、別々の方向性ベクトルと各デジタル信号とを乗算し
、乗算した各デジタル信号を信号成分が同位相でありア
レイにより受信された信号の方向に形成されたビームを
表わす単一のデジタル信号に結合することによってアレ
イの素子から出力された各デジタル信号を処理し、(b
)アンテナシステムが送信モードで動作するとき、発生
された各デジタル信号と関連する位相ベクトルがアレイ
による送信において予め定められた方向にビームが形成
されるように予め定められた位相関係を有する別々の方
向性ベクトルで各デジタル信号を乗算することによって
予め定められた方向に送信するビームを発生するように
デジタル信号を処理するデジタルビーム形成手段とを具
備していることを特徴とする拡大されたフェイズドアレ
イアンテナシステム。1. An array of antenna elements; a magnifying means having a predetermined field of view coupled to the array of antenna elements for increasing the gain of the antenna system; coupled to the array of antenna elements; (a) converting the analog output signal output from each element in the array into a digital signal when the antenna system is operated in receive mode;
(b) converting means for converting a digital signal into an analog signal transmittable by each element in the array when the antenna system is operated in a transmitting mode, coupled to the converting means; In operation, each digital signal is multiplied by a separate directional vector, and each multiplied digital signal is combined into a single digital signal whose signal components are in phase and represent a beam formed in the direction of the signal received by the array. Process each digital signal output from an element of the array by combining the signals (b
) When the antenna system operates in transmit mode, each digital signal generated and its associated phase vector is a separate signal having a predetermined phase relationship such that the beam is formed in a predetermined direction for transmission by the array. digital beam forming means for processing the digital signals to generate a beam transmitted in a predetermined direction by multiplying each digital signal by a directional vector. Zudo array antenna system.
より信号が受信され、ビームが送信される方向に対応す
る複数の方向性ベクトルを生成する係数発生手段と、ア
ンテナ素子のアレイにより与えられる信号の対応するも
の、またはアンテナシステムにより送信される対応する
信号と複数の方向性ベクトルを結合する複数の乗算手段
と、これら複数の乗算手段に結合され、アンテナシステ
ムが受信モードで動作するとき、複数の出力信号を単一
の出力信号に結合し、乗算手段中の複数の方向性ベクト
ルと加算される複数の個々の信号に送信されるべきデジ
タル信号を多重化する加算手段とを具備している請求項
1記載の拡大されたフェイズドアレイアンテナシステム
。2. The digital beam forming means includes a coefficient generating means for generating a plurality of directional vectors corresponding to the directions in which the signal is received by the array and the beam is transmitted, and a correspondence between the signal provided by the array of antenna elements. a plurality of multiplier means for combining the plurality of directional vectors with a corresponding signal transmitted by the antenna system; and a plurality of outputs coupled to the plurality of multiplier means, when the antenna system operates in a receive mode. 4. Adding means for combining the signals into a single output signal and multiplexing the digital signals to be transmitted into a plurality of individual signals that are summed with the plurality of directional vectors in the multiplication means. 1. The expanded phased array antenna system according to 1.
し、遠隔区域にビームを集束する反射器手段と、アンテ
ナ素子のアレイとビームを結合するための反射器手段と
の間に配置された転送レンズとを具備している請求項1
記載の拡大されたフェイズドアレイアンテナシステム。3. A transfer device in which the expanding means is arranged between reflector means for transmitting and receiving the beam and for focusing the beam on a remote area, and reflector means for combining the beam with the array of antenna elements. Claim 1 comprising a lens.
The enlarged phased array antenna system described.
段によって供給された各ビームを拡大するためのカセグ
レイン反射器および転送レンズ手段を具備している請求
項1記載の拡大されたフェイズドアレイアンテナシステ
ム。4. The expanded phased array antenna system of claim 1, wherein the reflector means comprises a Cassegrain reflector and transfer lens means for expanding each beam provided by the digital beam forming means.
ビームが受信または送信される方向を決定するビーム方
向係数を生成するコンピュータ手段を具備している請求
項1記載の拡大されたフェイズドアレイアンテナシステ
ム。5. coupled to digital beam forming means;
2. The expanded phased array antenna system of claim 1, further comprising computer means for generating beam direction coefficients for determining the direction in which the beam is received or transmitted.
間に結合され、信号がシステムによって処理されるデー
タ速度を減少させる下方変換手段を具備している請求項
1記載の拡大されたフェイズドアレイアンテナシステム
。6. The expanded phased array antenna of claim 1, further comprising down conversion means coupled between the array of antenna elements and the conversion means to reduce the data rate at which the signals are processed by the system. system.
によって処理されるデータ速度を減少させ信号がデジタ
ルビーム形成手段によって処理されるダイナミックレン
ジを増大させるためにアンテナ素子のアレイの各アンテ
ナ素子に結合された別々の下方変換および推定手段を具
備している請求項6記載の拡大されたフェイズドアレイ
アンテナシステム。7. The down conversion means is coupled to each antenna element of the array of antenna elements to reduce the data rate at which the signal is processed by the system and increase the dynamic range at which the signal is processed by the digital beamforming means. 7. The extended phased array antenna system of claim 6, further comprising separate down-conversion and estimating means.
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-
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