[發明專利]波束形成網絡

無效

• 申請號: 01135938.2
• 申請日: 1995-03-30
• 公開（公告）號: CN1392681A
• 公開（公告）日: 2003-01-22
• 發明（設計）人: 薩繆爾·莫農－加西亞;野本進一;彼德·波斯凱特;丹尼斯·穆林;本·哈琴森;帕特里克·科莫
• 申請（專利權）人: 英馬爾塞特有限公司
• 主分類號: H04B7/15
• 分類號: H04B7/15;H01Q21/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 李德山

本申請是發明名稱為“天線系統：申請日為1995年3月30日，申請號為95193168.7的申請的分案申請。

本發明涉及一種天線系統，具體地但不是排他地說，是涉及一種用于衛星移動通信系統的多波束形成器。

這種系統在諸如WO93/09029、WO93/09577、WO93/09578、WO93/09613、WO93/09614、WO93/09624、EP-A-0510789、EP-A-035885、EP-A-421722中得到了一般的描述。所提出的Inmarsat(TM)(國際航海衛星(地面站))P21系統由若干個地面站組成，這些站可以是移動站，并具有用于與一組按一定方式布局的通信衛星進行通信的天線。各個衛星帶有用于發送和接收多波束陣列的天線系統，每一個波束都指向地球表面上的一部分，這些波束一起覆蓋了地球的整個表面。

各個波束攜帶若干頻分多路信道；例如，各個束的帶寬可以是5MHz，使得每個波束能夠承載大量的用戶信道(通常承載語音通信)。衛星通常還攜帶有用于與固定的地面站進行聯絡的天線，與例如公共通信網絡進行通信。

為了合成遠場波束形式中的多個波束，如果發送和接收天線是由輻射元件的大型陣列組成的直接輻射天線(即沒有反射器)，傳統的波束形成網絡在原理上對于每一個輻射元件和每一個波束位置都要求一個移相器，且對于每一個波束都要求一個功率分配器。因此，對于一百個元件和一百個波束，需要10,000個移相器和100個功率分配器，且對于大量的波束和元件，部件的數目大體成指數增加。

這使RF(射頻)部件的重量很大，且供電系統的功率損失也變高。重量和電力消耗在衛星中都是非常重要的。

另一種用于陣列天線的波束形成器，是US3255450(Butler)中描述的“Butler矩陣”，它由四端口功率分配器與有關的移相器的碟形級聯設置組成，用于接收N個輸入RF信號并向N個分開的元件組成的線性陣列提供輸入。每一個分配器都接收兩個輸入的模擬RF信號，其中一個得到移相，并輸出帶有90度相差的三個RF信號。該分配器和移相器陣列的效果，是以相移逐步遞增的形式，把提供給每一個輸入端的RF信號饋送給陣列的每一個元件。因此，該陣列起著相陣列的作用，以取決于相移增量(它取決于輻射元件的數目)和元件間隔，產生出波束。

通過有選擇地依次激發各個輸入端，可以產生增量掃描的波束，該波束可被用于雷達應用。或者，該波束形成器可被用來從一個公共孔徑產生多個固定的網格式波束。通過提供排列成行和列的若干個這種線性矩陣，可以沿著兩個正交方向之一進行波束掃描，其中行矩陣的輸出供給列矩陣的輸入端，而列矩陣的輸出供給輻射器的二維陣列。

Butler矩陣幾乎是無損耗的，這就是一般采用它們的理由。

JP-A-59-44105公開了一種二維波束形成網絡，它包括Butler矩陣組成的兩個正交排列，以形成沿著矩形陣列的角對準的波束。EP-A-0056205公布了一種大型Butler矩陣，它是由Butler矩陣的兩個正交組組成的。

WO88/04837公開了用在通信衛星上的可調整波束反射器天線，其中Butler矩陣被用于波束調整。

EP-A-0468662公開了一種天線(它可以是直接輻射天線)，其中Butler矩陣被用作功率分配器，以在天線陣列元件之間分配功率，以形成單個的單向復合波束，矩陣提供的逐步遞增的相移被移相器元件所抵消。

線性Butler矩陣陣列天線的一個特征，是相鄰波束之間的交叉點被降低了3dB以上，從而使波束之間的功率降低到最大波束電平的一半。對于正方形陣列，4個相鄰波束之間的功率最小值低8dB，這本身將使傳統的正方形Butler矩陣不適合于形成多重衛星通信波束，因為所希望的是提供對地球表面的均勻覆蓋。

根據本發明，提供了一種天線系統，它利用無源功率分配矩陣(例如Butler矩陣)作為六角形陣列天線的波束形成器，以產生六角的波束方向陣列。

六角形陣列的采用，給地球表面提供了比相應的正方形陣列所能夠提供的更好的覆蓋，因為其相鄰波束之間的功率沒有降低那么多。

陣列周圍的孔徑最好是平滑的，這樣在遠場分布中減小了相鄰波束之間的功率降低。

矩陣最好是冗余的，且只有某些輸出端口與輻射元件相連；其他的輸出端口是終接的。

本發明的這一方面使Butler矩陣不再實現通常的無損耗的優點。然而，我們發現這種損失對于交叉點處的功率降低的改進來說，是可以允許的。