CN1145698A - 多波束宽度相控阵 - Google Patents

Abstract

本文是一个使用中继站在至少一个第一站和多个第二站之间进行无线通信的系统。中继站在其它特点中，具有一个天线阵和一个多波束转发器。天线阵具有多个单元，它们分为两组。第一组用于提供发射或用具有一个第一波束宽度的波束接收信号。第二组用于提供用具有第二波束宽度的波束的发射或接收。多信道转发器与天线阵和一个馈线链路天线相连，从至少一个第一站接收馈线链路信号。并把信号转换为天线阵单元的驱动信号。多信道转发器对于转发具有第一波束宽度的发射信号具有第一信道带宽，对于转发具有第二波束宽度的发射信号有第二波束宽度。多个第二站被一个交换系统动态分成至少一个第一组使用最少波束宽度和一个使用最大波束宽度的第二组，这要根据每一组的路径损耗要求。

Description

多波束宽度相控阵

发明的领域

本发明涉及增容的无线通信系统，更具体地涉及到使用具有天线单元的相控阵列的中继站的卫星通信系统，天线的每个单元有选择性地从地面站处理单元接受信号以重新发送。

发明的背景

对使用多波束天线阵列的卫星和陆地移动通信系统的完全描述在美国专利申请No.08/179,953中已给出，在此处全部给出以供参考。简短地说，参考图1描述了一个卫星移动通信系统。图1说明了多个便携站12通过卫星10与中心站14通信。中心站通过例如一个本地交换机和公众交换电话网(PSTN)相连以提供便携电话和世界范围内的任何电话用户间的呼叫以及便携电话之间的呼叫。卫星从便携电话以相对低的微波频率，例如1600MHz接收信号。在该频率，以电池工作的电话的发射机效率比较高而且它们的天线可以小而且是全向性的。卫星把接受的信号从1600Mhz转换到更高频率以中继到中心站。

在该系统中，复数瞬时波形取样被发送到一颗卫星，以被不同的天线单元重新发送。不同天线单元的取样有选择地时分复用到馈线链路的I和Q成分，从地面站发射到多单元中继天线，反之类似。例如，复数的天线单元信号的实部复用到I信道，虚部复用到Q信道。任何由于馈线链路的带宽限制导致的取样信号间的干扰在地面站处理单元产生取样信号时已计算在内了，或反过来，在地面站处理单元通过处理去掉了。在两种情况中，使用同样的数字运算即波形生成，波形生成系数选择时要根据传输中的符号间干扰。

在所知以前的系统中，卫星处理接受的信号，并以粗的或宽的波束将其重发到地球。为什么尽管总容量和创造性地综合使用粗细波束两种方式相同，这些仅使用粗波束的系统不总是有效，有两个原因。当使用具有500个信道的多个粗波束，其中每个波束复用同样的频谱时，使用同样信道频率的信号必须大约分开一个粗波束宽度，以避免相互干扰。仅使用粗波束的第二个不利之处是，当使用粗波束时需要更高的发射机功率以提供通信。采用较窄波束的主要原因是以比粗波束以较少的总卫星或终端发射机功率获得高容量。然而，当仅使用窄波束，必须有更大数量的波束覆盖服务区，因此，如果总容量在波束间平分，每波束的容量低。不管怎样，通信的发射机功率降下来了。当话务量分布不平均，例如在主要城市包括高话务量集中区，窄波束的容量可能是不够的。因此，本发明的目标是既提供窄波束的低功率优势，又具有大波束的高的点容量以克服当前系统的不足。

发明概述

根据本发明，卫星通信系统使用天线单元的相控阵列，每个天线单元有选择地接收来自地面站处理单元的信号以重新发送。从地面站处理单元到每个单元的路径具有已知的相位关系，这样地面站处理单元可以确定由不同单元重新转发的信号的相对相位和幅度。被重发的信号包括许多独立的信号，这些信号或是时分复用(TDM)频分复用(FDM)或使用不同扩频码(CDMA)或以上的组合。每个独立信号对来自每个天线单元的幅射的作用的相对相位可以被地面处理控制，这样每个独立信号在所需的方向幅射。

本发明要解决的问题是如何最好地使用有限的带宽使用所谓的“馈线链路”，从地面站到相控阵卫星天线转发器传送复合天线单元信号。如果每个独立信号的带宽是F₀MHz，则每个复合单元信号和带宽是M·F₀MHz，其中M是向同一方向幅射的复用的信号的数目。从地面提供全部阵列控制灵活性所需的馈线链路带宽是N·M·F₀，其中N是阵列单元的数目。这种灵活性允许M个独立信号在N个不同的方向幅射，达到总容量为N·M个信号。

在任何方向的信号数自然而限制在M。在任何一方向处理超过M个信号的簇时，本发明提供另一方案，具有N₁个方向，每方向有M₁个信号，其中：

M₁＞M但N₁·M₁＝M·N这样同样的馈线链路带宽对每一种情况都足够。而且，本发明容许同时使用N·M模式和N₁·M₁模式，并通过在两种模式间共享(N·M＋N₁·M₁)F₀的馈线链路带宽，因此对均匀分布的信号业务量及话务量集中区同时均能处理。

根据本发明的一个实施例，公开了一个在至少一个第一站与多个第二站间用中继站的无线通信系统。在其他特征中，中继站包括，一个天线阵列和一个多信道转发器。天线阵列具有多个天线单元并被分为两组。第一组用作使用具有第一波束宽度的波束提供发送和接收，第二组用作使用具有第二波束宽度的波束提供发送与接收。多信道转发器，连接到天线阵和馈线链路天线，从至少一个第一站接收馈线链路信号，并把这些信号转换成天线阵列单元的驱动信号。多信道转发器具有用于转发具有第一波束宽度的发送信号的信道的第一信道带宽和用于发送具有第二波束宽度的发送信号的信道的第二信道带宽。多个第二站根据每组的路径损耗要求被一个交换系统动态分成至少一个使用最窄波束宽度的第一组和一个使用最宽波束宽度的第二组。

附图简述

如果结合附图读下面的具体描述，前面的以及其它的有关本发明的目的、特征及优点将更容易理解。

图1说明了一个卫星通信系统；

图2(a)-(b)说明了一个具有大的折叠相控阵天线的卫星；

图3说明了对一个天线阵的开口任意划分成内层及外层阵列；

图4说明了一个使用大、小波束的典型覆盖；

图5(a)-(b)说明了用于粗及细波束的典型频谱分配；

图6说明了根据本发明的一个实施例的双波束宽度相控天线阵转发器；

图7说明了根据本发明一个实施例的一个流程图；

图8(a)-(b)说明了典型的天线阵列单元和它独自的辐射图样；

图9说明了一个根据本发明实施例的反射天线阵列配置；

图10说明了一个根据本发明实施例的地面站波束形成计算机；

图11说明了根据本发明的一个实施例的一个多个带宽时分复用馈线链路；

图12说明了用30路子复用器输入以3个不同的信号带宽伺服14个单元天线阵板。

发明的详细描述

图2(a)-(b)说明根据本发明的一个实施例的卫星载的相控阵列的可能配置。就象图2(a)中说明的，在发射时，天线单元24的板22沿着卫星20的星体折叠，形成一个多面结构，它具有L个板，每个板上有(m×n)个单元，可以安装在火箭头的罩内。一旦处于轨道上，板转出形成一个L角的星形图形，它具有如图2(b)所示的大开口。

图3说明了把天线阵列的天线单元24分成一个具有半径r1的内盘30，和一个具有半径r2的外盘32。只有当内盘内的单元被通过接收由馈线链路来的相应的一组信号激活，从阵列来的幅射可以用第一、粗角分辨率定向，以形成具有第一波束宽度B1的波束例如测量出比波峰点相对低4db。如果具有第一波束宽度B1的波束在地球表面产生，这样它在低于波峰4db点接触地面，地球被图4所示的更大的圈40表示的总共n1个波束覆盖。

如果每个波束使用的带宽是(M₁·F₀)，F₀是每个独立信号的带宽，如果内盘中通过馈线链路独立受控的单元数目N₁等于或大于n₁，则n₁个波束每个在它们相应的方向可能承载M₁个独立的信号。结果，所提供的总容量是(n₁·m₁)个信号，使用的总的馈线链路带宽是(N₁·M₁·F₀)MHz。

另一种方案是，如果外半径r2内所有的单元都被激活，(包括内半径r1内的单元)，从整个阵列来的幅射可以更细的角分辨率定向，形成一个第二、更窄的波束宽度为B2的波束。这要求更大数目n₂的窄波束，在-4dB点接触，覆盖地球，其中n₂：n₁-r₂ ²-r₁ ²。

假定每个单元激活时的带宽(等于每波束的带宽)是(M₂·F₀)，且假定在整个阵列中独立受控的单元数目N₂等于或大于n₂，则每个波束要承载M₂个独立信号。在这第二模式中提供的总容量是(n₂·M₂)个信号，需要总的馈线链路带宽(N₂·M₂·F₀)MHz。

有可能同时激活上述两种模式。例如，对于第二种模式，外盘单元能被具有带宽(M₂·F₀)的信号激活，而内盘单元可以被具有(M₂·F₀)带宽的信号激活，以完成第二种模式的激活，也可以被具有带宽(M₁·F₀)的信号激活第一种模式。如图5(a)-(b)中所说明的，第一和第二带宽可以重叠或不重叠。如果第一和第二带宽不重叠，内层单元的总的激活带宽是(M₁＋M₂)F₀。带宽也可以象图5(b)中所示的那样重叠。较窄的带宽BW₂，通常选作对应窄波束，包含在更宽的带宽BW₁中。在这个实施例中，对应于窄波束模式的信号可使用宽带BW₂而对应粗波束模式的信号在带宽BW₂的任意一边使用剩下的BW₁-BW₂带宽。

考虑下列数字例子：  单个信号用带宽F₀                       10KHz带宽BW₂                               1MHz带宽BW₁                               5MHz半径比r₂∶r₁                         2∶1粗波束的数目n₁                         60窄波束的数目n₂＝(r₂/r₁)²n₁        240内圈N₁中独立受控的单元数目N₁          60整个阵列中独立受控的单元数目N₂         240每一个窄波束中的信号数目(BW₂/F₀)      ＝100每一个粗波束中信号的数目(BW₁-BW₂)/F₀ ＝400总容量＝60×400+240×100                ＝48000个信号总的馈线链路带宽＝n₁×5MHz+(n₂-n₁)×1MHz＝480Mhz

可以注意到，总的馈线链路带宽(480MHz)简单地等于总的信号容量(48000)乘以每独立信号带宽(10KHz)，至少在该例中n₁＝N₁，n₂＝N₂。因此，没有所说的对于粗及细波束模式均有总容量优势。然而，这两种波束宽度可以更好地处理地球表面上的不均匀业务量分布。

现在，考虑仅由更小的波束处理的容量分布，该波束由图4中的小圈42说明。每个较小的圈42可以包括多达，例如100个信号，它们对应于，例如，多达100个移动或固定通信终端。然而，即使是小圈也可以在直径上为几百公里的数量级，因此可以包括几个城市，此处总的业务量需要可能大于100个信号。如果周围的小城市的容量未允分利用，很可惜不能在高需求地区使用剩下的容量，因为所有的波束使用同样的频率，这将造成在同样波束使用同样的频谱两次，这将会导致干扰。然而，覆盖其上的粗波束的容量等于，例如，400并使用频谱的不同部分，即5MHz中的4MHz，它不重叠使用由窄波束使用的1MHz。这容量可以在由单个粗波束重叠的4个窄波束内的任何地方使用，这样在任何一点，高峰业务量需求的100+400＝500个信号就可以处理。

如早先所述，以前的仅使用粗波束的解决方法有几个不利之处。首先，使用同一信道频率的信号必须相距大约一个粗波束宽度，这样避免相互干扰。然而，这限制排除了一种业务量分布的可能性，这种分布中一个波束中的500个用户集中在波束的一半，使它们离集中在相邻波束的相反的一半的500个用户非常近。为纠正这种情况，较窄波束的较窄角分辨率是有利的。太接近以至不能被粗波束识别的用户因此被分配到细波束，使粗波束中的用户分布稀化到一个他们能处理的更一致的水平。太接近甚至不能被细波束识别的用户根据在美国申请No.08/179,953中公开的发明被分配不同的信道频率。因此，根据本发明，提供粗和细波束，以及根据美国专利No.08/175,953号所公布的发明提供多个信道增加了另一个自由度，即自适应信道分配算法可以利用它来处理地球表面上的不同的业务量分布。

只使用粗波束的第二个不利之处是当使用粗波束时通信时需要更高的发射功率。这是宁愿使用窄波束的主要原因，可以比用粗波束用较少的总卫星数或终端发射功率达到高容量。但是，移动或固定终端可以划分成可以用宽、低增益波束获得满意信号质量的一组和用较窄、高增益波束能获得的一组。这种划分可以根据例如终端或卫星运动时产生的情况变化，由移动交换中心(MSC)来动态完成。用于激活粗的或细的波束模式的总的功率可以如下来计算。

在带宽F₀中的任何一个信道频率点f1，地面终端需要接收某一功率流密度P瓦/每平方米。地面终端的天线具有等价的捕捉区域A1平方米，它捕捉信号功率PA1，足够用作高质量的通信。由N1个粗波束公同覆盖的总面积很简单，是从卫星上看到的地面A2的面积。实际上，这面积A2应被归一化到从地面终端到航空器的视线方向来计算。这样考虑到了几何效应。对于不同的卫星轨道和最低仰角地面面积和归一化面积之间的关系如表1给出。

表1：从不同的轨道覆盖的地面面积(km²×10⁶)

GEO＝40,000km高度的同步静止轨道

MEO＝10000km高度的中轨道

LEO＝2000km的低轨道

在f1频率点的功率流密度P照射面积A2所需的总的卫星功率是P·A2。这功率对粗波束支持的带宽为F₀的M1(400)个信道中任何一个都是需要的。所需的总的卫星功率为400·P·A2，它在内圈n1＝N1＝60个内圈阵列单元间划分，每个为400/60＝6.7功率单元，每功率单元为P·A2。

以同样的功率流密度，使用窄波束，用以照射同样面积所需的总功率也为每信道(P·A2)；但因为每个窄波束中的信道数目仅为100，对于同样的总容量，总功率仅为100P·A2。因此，在一个窄波束中比在一个粗波束中支持一个业务量信道有多于四倍的功率有效性。

这总功率在总数为240个阵列单元中分布，每个为100/240＝0.416个单位。内层圈单元同时在粗波束频率发射6.7单位以及在窄波束频率发射0.416单位，总的是7.116单位，而外圈的180个单元只发射0.416单位。完全使用粗波束消耗4/5的卫星总功率，而要达到同样的总容量，由窄波束来提供，需要1/5的总功率。

如果粗波束不需要在每个地方都负荷到全部容量，也就是说不在每个粗波束都出现业务量集中区，则大的相对功率比7.116/0.416＝17可以降低。这是合理假设，因为地球表面的2/3是海洋，而那儿的业务量需求为0。对粗波束业务量负荷的其它估计可以通过评估蜂窝移动电话覆盖情况来进行。

蜂窝电话经营者很清楚地将他们的投资投入到那些能产生最多收入的地区的基础设施，然而，少于10％的美国总国土被覆盖。这意味着在少于10％的粗波束覆盖地区将产生业务量高峰，也即在总共30中少于1。因此，和外层单元相比，没有必要为内层单元提供总共17倍的功率配置；在实际应用中，低到只有2到4的因子就可以满足需要，这依据于对业务量分布图的更精确的估计。在用粗波束服务业务量集中区域时，降低例如3dB的通信链路余量也是可以接受的。

图6示出了适合实现本发明的相干转发器的方块图。馈线链路接收天线110从地面站接收时分复用复数信号，该信号调制到例如一个K-波段(20-30GHz)微波载波频率上。馈线链路信号在低噪声放大器111放大，通过在下变频器112中与从本地振荡器114来的合适的本振频率混合，产生合适的中频信号，然后以中频放大器113滤波，放大。使用正交下变频器115和从本振单元114来的本地参考信号cos(W₁·t)和sin(W₁·t)，将滤波和放大后的中频信号转换成I和Q基带信号。I和Q基带信号包括用于不同天线阵列单元的时分复用信号取样。这些取样可以，例如，记作

I₁，I₂，I₃，I₄……

Q₁，Q₂，Q₃，Q₄……

并被I、Q解复用器117，118分离。从I₁和Q₂输出来的连续取样在低通滤波器119和120中滤波，去掉取样频率，提供平滑的波形。根据Niquist定理，假定带宽为BW/2Hz的原始I、Q信号分别以至少为BW每秒的取样频率取样，原始的I、Q波形在去复用及低通滤波后能被完全恢复。恢复后的I、Q波形I₁(t)和Q₁(t)使用Q调制器125上变频到所需的天线阵列发射频率，以功率放大单元124放大，然后送到内圈的一个阵列单元(举例)。

同样，用于外圈单元的信号被复用后，从去复用器117、118的合适的端输出，在滤波器121，122中低通滤波，在正交调制器123上变频到发射频率。上变频后的信号被外圈放大单元124放大，馈送到外圈天线单元。

根据本发明，驱动内层与外层单元的信号的带宽虽然可能重叠但可以不同。结果，根据相应的带宽，使用不同的取样速率(根据Niquist定理)。对于较低带宽信号当然允许使用更高的取样速率，但这将是馈线链路带宽的浪费。因此，需要复用、去复用方案支持至少两个均匀的取样速率的混合方式。

在上述的例子中，5MHz的带宽用于内层单元，需要I和Q取样速率为5M个取样/每秒，而外层单元使用1MHz带宽，需要1M个取样/每秒的I和Q来满足。对于带宽信号，通过把5个空间上均匀间隔的去复用器输出连接起来，把这些不同的取样速率混合，因而得到五倍的取样速率。例如，180个1M带宽的单元加上60个5M带宽的单元，分别需要具有5×60＋1×180＝480输入和输出的复用器和解复用器。

复用器输入1，97，193，289，385可以连接在一起，用作60个带宽信号的第一个。输入2，98，194，290，386可以用作60个宽带信号的第二个，依次类推，直到输入60，156，252，384，444用作60个宽带信号的第60个。输入61用于窄带信号1，输入62用于窄带信号2，直到96用于窄带信号36；然后输入157-192用于下面的36个窄带信号，直到把180个窄带信号混合在一起。在该方案中，复用器输入的数目应该是带宽比(5)的倍数，以达到对宽带信号的均匀取样。

额外的复用器输入信号和去复用器输出信号(也是带宽比的倍数)也可能加进来，用作地面站到卫星或反过来传送参考信号的取样。I、Q参考取样例如(1，0)或(0，1)和(0，0)也可以复用进这些输入以帮助同步和自动频率控制(AFC)单元116校正频率误差，将去复用和复用同步，并估计不足之处，例如OF变频器的直流(DC)偏差，取样间干扰(ISI)和I、Q交叉耦合，这样可能需要预先补偿以纠正地面站的数字信号处理部分的这些误差。

需要使用同样的功率放大器单元来产生内层与外层单元的功率比，可以更容易维持他们之间的已知相位关系。例如通过给内环单元使用两个相同的功率放大器，给外环单元使用一个，组合起来，可以获得功率比2。

为减少用于给定容量的馈线链路带宽，独立受控的单元的数目应该等于将产生的频率复用波束的数目。每个这样的单独单元应该具有一个辐射图样覆盖地球，在覆盖地区的边缘达到最大增益。众所周知，当天线的边缘相对于中心形成的辐射样式低4dB时，天线达到最大边缘增益。把波束扩展超出这个水平虽然在波束边缘的滚降提高了，但峰值增益会下降得更快因此使波束边缘增益恶化，虽然使波束变窄，波束边缘的滚降增加得比峰值增益增加得快，但也使性能恶化。然而，在覆盖的边缘产生阵列波束比在中心产生要有4dB的损失。进一步，理想情况下，由于倾斜范围增加，在地球边缘需要更多增益。这所谓的扫描损耗可以降低，手段是对天线单元的辐射样式整形，以在边缘地区有更多增益，在中间地区少一些，因此提高波束边缘增益。整形可以有意地加大以补偿在波束边缘相对于波束中心增加的倾斜范围。另一种方法，可以采用比波束数更多的天线单元数，代价是馈线链路带宽，而且每个天线单元的辐射样式可以比在地球上的覆盖面更宽，这样在地球边缘低4dB。在美国专利申请No.08/179,947号中，标题为“浪费能源恢复”，这儿提出来作为参考，描述了一种使用2∶1冗余量天线单元的有利方法，其中在线性放大多个波束信号时，使用几个C类或饱和放大器。因此，假定馈线链路带宽可以用作控制，有足够的理由使用更多数目的相位及幅度控制单元。

从地面使用馈线链路带宽对阵列控制的另一种可选方法当然是应用星载的波束形成网络或处理器。然而，这些设备的复杂性很高，不需要在卫星发射之前确定他们的性能和特性，因为这些卫星要在轨道上服务10多年，因此可能就排除了应用天线阵列理论的未来进步。然而，本发明也考虑了应用星载波束形成设备产生根据本发明需用的内层和外层天线阵列单元信号。

使用天线阵列从地面站中继信号到多个移动站的多信道转发方法参考图7作了描述。首先，在步骤702，根据移动站的位置，信号在地面站分组，被转发到移动站。然后，处理信号形成复合信号。复合信号取样得到多个模拟信号取样，其中具有较宽带宽的复合信号取样次数多一些，比具有较窄带宽的复合信号产生更多取样，见步骤704。步骤706样值复用，与至少一个预先确知的取样复用以形成时分复用信号。时分复用信号调制到第一无线载频上，提供从第一站到中继站的发射，见步骤708。当无线发射在中继站收到后，中继站对传输的信号解调，恢复时分复用信号，见步骤710。解调的信号在步骤712去复用，分离去恢复的模拟信号取样，其中恢复出的预先确知的符号用作控制去复用。对应于同样带宽复合信号的恢复出的取样组合后，滤波以重新恢复带宽复合信号，见步骤714。另外，对应于窄带复合信号的取样被滤波，恢复窄带信号。然后，恢复出的宽带信号被转换到第二频带，然后放大，见步骤716。放大后的宽带信号然后在步骤718中以第一功率水平发送，其中对每一信号使用一个连接到一个辐射天线单元的功率放大器。另外，(在步骤720中)恢复的窄带信号被转换到第二频带，然后放大。最终，放大后的窄带信号在步骤722以第二功率水平发送，其中对每个信号以一个功率放大器连接到另一个辐射天线单元。

图8(a)-(b)说明了一个典型的天线阵列单元和它单个的辐射样式。该阵列单元的峰值增益约是8.8dB，从10,000KM高度卫星覆盖到仰角具有20度的地区的优化的天线辐射样式的峰值增益大约是14.8dB。最优天线辐射图样是这样确定的，在(EOC)即-20度仰角地区覆盖边缘具有最大增益，而峰值增益常常比EOC增益高6dB。因此，4个图6所示的单元组合在一个2×2的正方形图形中将形成一个新的单元或“子阵列”，它比一个单元多6dB的峰值增益。这个子阵列适合作为图2中星形图形阵列的外层单元。每组子阵列连接到一个功率放大器单元，和从一个普通本地振荡器和I、Q去复用器输出馈送的正交上变频器信道。图6的单元也同时提供RHC和LHC圆极化模式，可从相互独立的端口接入。一个极化适合用作发射而另一个适合作为接收，很容易避免从发射器单元和接收单元来的干扰。模仿每一个与功率放大器单元连接的发射子阵列输入，每个接收输出通过一个发射器拒绝滤波器和低噪声放大器连接到反向链路阵列转发器。在接收方向，内层接收单元信号经处理后，取样，并以比外层接收单元信号高的速率(例如5MHz)复用，这样，在他们转发到地面站后，地面站可能混合仅在阵列信号处理器的内层单元信号，以形成宽带宽的粗接收波束，它对应于发射波束，以及处理所有单元取样信号以形成具有较窄带宽的窄接收波束，它对应于窄发射波束。

根据本发明的一个实施例，现将参考图10和11描述在地面站形成时分复用馈线链路信号。参考图10，使用窄带宽发送的信号，窄带宽波束输入到波束形成矩阵计算机200上。每个输入信号包括在同一波束中使用不同频率、时隙、CDMA码的信号的总和。不同的输入载有同样的复合信号，以在不同波束中发射。波束形成矩阵计算机200的输出包括必须被每个阵列单元辐射的输入信号的线性组合，以便形成所需的定向波束。波束的方向由输入到矩阵计算机200的波束形成系数来确定。为定义固定的波束集，这些系数可以是固定的，或可以根据时钟和轨道模型是系统地随时间变化的，以形成指向地球上固定点的波束，这需要补偿卫星的运动；或者系数从时隙到时隙是时变的，这样为每个时隙可以形成一个波束集，在不同时隙之间或上述时隙的组合具有整个波束图样的一个相对位移。

为了满足Niquist取样定理，从每个窄波束形成矩阵输出的复数信号取样的输出速率“f”至少等于每波束的带宽。即，对于1MHz的每波束带宽，每个输出应至少包括每秒1M个取样。在该例中，波束形成矩阵对240个阵列单元或子阵列具有240个输入和计算过的驱动信号。这是足以形成240个独立波束的阵列单元或子阵列的最小数目。

同样道理，一个粗波束形成矩阵计算机201具有几个使用更宽波束使信号辐射的输入。在该情况下，每个输入信号包含几个信号，它们占据了可能比窄波束带宽更宽的合成带宽。进一步，被宽波束占据的频谱不与窄波束占据的重叠。这允许宽波束矩阵输出加到窄带矩阵输出上，而不会在他们相应的信号间产生干扰。

在该例中，要形成60个宽波束，为产生驱动信号所需的最小单元数为60个。粗波束信号所需的带宽是窄波束信号所需的五倍，但在中心处，该频谱的1/5不能在宽波束中使用因为它已经在重叠其上的窄波束中使用了。由于带宽有五倍的增加，从粗波束矩阵来的取样速率“5f”输出是窄波束矩阵的五倍。

粗波束通过为阵列单元1-60产生驱动信号而形成，其中阵列单元1-60形成一个第一辐射开口。窄波束由所有240个阵列单元形成，包括单元1-60。因此，单元1-60不得不由粗波束和窄波束信号共同驱动，而单元61-240仅由窄波束信号驱动。使用加法器203，形成单元1-60所需的宽和窄驱动信号的和。把从窄波束形成矩阵计算机200来的，抽样速率为“f”的信号与从粗波束形成矩阵计算机201来的，抽样速率为“5f”的信号混合起来，需要一个上抽样器202，这样可以把窄波束信号1-60的抽样速率“f”提升到与宽波束信号同样的速率“5f”。因为将要为单元1-60加上的带宽的作用把速率为“f”的一个抽样仅与速率为“5g”的每第5个抽样相加是不够的，上抽样器可以包括线性间插以解决这个问题。在零次间插中，速率为“f”的每个抽样仅仅是重复了5次。这加上了一个sin(x)/x的滤波器，该滤波器特性是在频域中有带宽“f”但在带宽“f”之外也有相当大的旁瓣，且仅受到大约10dB的抑制。更好的情况是，上抽样器202可以进行第一次线性间插，把旁瓣抑制到-19dB，或可以使用更高次的间插以更进一步地抑制旁瓣就更好了。上抽样器202可以作为别的方法描述，可以用有限脉冲响应(FIR)形或无限脉冲响应(I1R)形的数字滤波器来实现，对其设计以完成所需的频率响应特性已经很清楚。

在加法器203的输出的宽带驱动信号和窄带驱动信号的和代表了使用每秒5f次抽样的频谱的整个“5f”，而对于单元61-240的驱动信号依然是每秒“f”个抽样。把这些不同的抽样速率时分复用的方法在图11中作了说明。将被复用到TDM帧中全部抽样数目是对每个1-60单元5个抽样加上对每个61-240单元1个抽样，总共是480个抽样。这通过复用器200来实现。因为Niquist取样定理应用在时间等分布的抽样，对一个单元的五个抽样中的每一个例如1号必须在整个重复的TDM帧中均匀分布，它可以被看作是循环状的。对复用器200的连接保证了每个宽带信号1-60沿着该环以五等分点抽样，而窄带信号使用剩下的输入抽样1次。

该原则可以扩展到提供3个或更多个替代波束宽度，每个波束具有相关的带宽或频谱。根据图2对一个DRA卫星的示范性设计可以包括31个可展开的板/瓣，每个带有14个工作的驱动单元或子阵列。在不同瓣上的不同单元形成了一个31个单元的环。天线单元的3个内层环可以用代表每秒5f个复数抽样的带宽“5f”驱动，而内层5个环，包括头3个，由每秒“3f”个抽样的带宽来驱动。全部14个环由每秒f个抽样的带宽来驱动。因此，内层3个环需要每秒“5f”个抽样；然后的2个需要每秒“3f”个抽样，剩下的9个要求每秒“f”个抽样。包括在TDM帧中的抽样的总数因此是3×5＋2×3＋9＝30。

图12说明了，为提供3个信号(1，2，3)，其中它们是每帧等间隔抽样五次的，然后的两个每帧等抽样3次的信号(4，5)，以及是每帧抽样1次的9个信号到30路复用器的连接。也许有理由说，为不同的速率N1·f，N2·f，N3·f……等等满足等间隔抽样要求需要具有一些是(N1·N2·N3……)倍数的输入。这导致了图12中的复用器需要3×5＝15倍数个输入。因为三个内环所需每帧抽样的数目和中间2个环的数目加起来为21，选择复用器输入的数目应该在序列30，45，……等中。选择30将使剩下的9个输入以1f抽样，而选择45将剩下24个。外环的天线单元的数目因此可以是9或24。

图12中所示的复用器由每瓣一个子复用器构成。形成的31个子复用器流，进一步用32输入复用器组合，其中第32个输入用作如上所提的预先确知的用于帮助去复用器同步的抽样流以及用作自动增益控制(AGC)和自动频率控制(AFC)。

上述的复用及去复用方法当然同样可以用作为在卫星接收从移动站出发，通过TDM馈线链路中继后，传送到地面站的多个信号。

为获得从内环中的子阵列更高功率发射，四个天线单元中每个装有它自己的功率放大器单元而不是共享一个。然而，这些放大器是相同的，这样每个内层子阵列的功率相对于外层子阵列获得四倍的增加，但使用同样的放大器。

本发明同样可应用到反射天线阵列，例如，一个抛物面反射器被一个馈送阵列照射，正如图9所说明的。馈送阵列的图象投射到地球的表面，其中不同的馈送对应于不同的小区或地球上的点波束。小的馈源阵列单元因此形成了小的点波束(窄波束)，但为保证整个地球被一个波束或另一个波束覆盖，需要大量的馈送信号。较大的馈源，可以通过相干馈送几个较小的相同信号来形成，形成较大波束，这样为覆盖地球仅需要较少数目这样的较大的馈源和波束。本发明包括使用反射阵列，为驱动数目减少的大馈源以形成粗波束可以为转发器信道分配更宽的带宽，而为驱动形成窄波束的更大数目的小馈源只能给转发器信道分配较窄的带宽。这样具有不同带宽的转发器信道可以通过使用平常的中频放大器和滤波器来形成，它通过上变频或下变频器把从地面站接收到的一个频带的信号转换到另一个用于驱动反射阵列的另一频段的信号，对返回链路则反过来。这种具有两种带宽的转发器当然也可以用下述的创造性的复用技术来形成。该方法为几个复用器输入和相应的去复用器输出专给每个宽带信道使用，而单个复用器输入和输出用作窄带信道。

当然，上述的发明很明显可以扩展到提供多于具有不同带宽和/或功率水平的单元的两个环，容许多于两个可互换波束宽度的波束形式的重叠产生。

为远端控制一个天线阵列，而通过提供另一个波束宽度使控制链路带宽经济化，做法是给较宽波束分配更多频谱，而给较窄波束分配较少频谱，所有这样的变形，被认为是属于下面的权利要求所述的本发明的范围和精神的。

Claims (44)

1.在至少一个第一站和多个第二站间使用中继站进行无线通信的系统包括：

具有多个天线单元的一个天线阵列，这些天线单元划分为至少一个第一组和一个第二组，所述第一组用于提供使用具有一个第一波束宽度的波束的发射和接收，所述第二组用于提供使用具有一个第二波束宽度的波束的发射和接收；

连接到所述天线阵列和馈线链路天线的多信道转发器装置，用于接收从至少一个所述第一站来的馈线链路信号，并把所述信号转换为所述天线阵列单元的驱动信号，其中所述多信道转发器装置具有一个第一信道带宽用于转发具有第一波束带宽的信号的信道和一个第二信道带宽用于转发具有第二波束带宽的信号的信道。

2.根据权利要求1的通信系统，其中所述天线阵列是一个直接辐射的相控阵。

3.根据权利要求1的通信系统，其中所述天线阵列是一个反射型的阵列，它包括一个馈源阵列，它照射一个反射面。

4.根据权利要求3的通信系统，其中所述馈源以宽带复合驱动信号成组地驱动，所述馈源以窄带驱动信号单个驱动。

5.根据权利要求4的通信系统，其中用于驱动任何特定馈源的所述宽带和窄带驱动信号在相关的功率放大器信道中放大之前要相加。

6.根据权利要求5的通信系统，其中所述功率放大器信道在一个用于矩阵功率放大器的输入混合网络的输入与用于所述矩阵功率放大器的输出混合网络的输出之间形成。

7.根据权利要求1的通信系统，其中在所述第一组和第二组中的天线单元被划分为几个子阵列。

8.根据权利要求1的通信系统，其中所述第一和第二波束宽度重叠。

9.根据权利要求1的通信系统，其中所述第一和第二波束宽度是分离的波束宽度。

10.根据权利要求1的通信系统，其中所述第一组天线单元包括至少所述第二组天线单元的一些单元作为子集。

11.根据权利要求1的通信系统，其中所述第二组天线单元包括至少一些第一组天线单元的单元作为它的子集。

12.使用一个天线阵列从一个第一站到多个第二站中继信号的多信道转发方法，包括的步骤为：

根据所述第二站的位置，在第一站把信号分组转发到第二站，对信号处理形成复合信号；

对所述复合信号取样，以获得多个模拟信号取样，其中具有较宽带宽的复合信号抽样次数更多一些，而具有较窄带宽的复合信号具有较少抽样次数。

将所述模拟信号样值与至少一个已知预定样值复用，以形成时分复用信号；

把所述时分复用信号调制到一个第一无线频率载波上，用于从所述第一站到中继站的发射；

在所述中继站接收所述无线发射，并把它解调以恢复时分复用信号；

把所述解调后的信号去复用，以分离出恢复的模拟信号取样，其中恢复出的预先确知的符号用作控制所述去复用；

对每一个所述宽带信号，把对应于同样宽带复合信号的所述恢复的抽样混合，把所述取样滤波，恢复出宽带复合信号；

对每个所述窄带复合信号对应的抽样滤波，以恢复所述窄带信号；

把所述恢复的宽带信号转换到第二频带，对所述宽带信号放大；

对每个信号使用一个连接到辐射天线单元的功率放大器，以第一功率级发射所述放大的宽带信号；把恢复的窄带信号转换到所述第二频带，并把所述窄带信号放大；

对每个信号使用一个连接到辐射天线单元的功率放大器，以第二功率级发射放大的窄带信号。

13.根据权利要求12的一个方法，其中所述天线阵列是一个直接辐射相控天线阵列。

12.根据权利要求10的方法，其中所述天线阵列是一个反射天线阵列，它包括一个照射反射面的馈源阵列。

13.根据权利要求12的方法系统，其中所述馈源的宽带复合驱动信号成组驱动，也可以用窄带驱动信号单个驱动。

14.根据权利要求13的方法系统，其中用于驱动任何特定馈源的宽带及窄带驱动信号在一个相关的功率放大器信道中在放大之前相加。

15.根据权利要求14的方法系统，其中所述功率放大器信道在用于矩阵功率放大器的输入混合网络的输入与用于矩阵功率放大器的输出混合网络的输出之间形成。

16.根据权利要求10的方法，其中对信号分组的所述步骤包括，通过频分复用所述信号把一组中的每个信号调制到分立的频道上。

17.根据权利要求10的方法，其中对信号分组的所述步骤包括，通过时分复用所述信号把一组中的至少一些信号调制到同样的频道上。

18.根据权利要求10的方法，其中对信号分组的所述步骤包括，通过时分复用所述信号把一组中的至少一些信号调制到同样的频道上及通过时分复用把同一组中的另一组信号调制到一个不同的频道上。

19.根据权利要求10的方法，其中对信号分组的所述步骤包括，使用分立的CDMA码子把一组内的每个信号调制到同样的频道并形成每个信号的加权和。

20.根据权利要求10的方法，其中处理形成复合信号包括数字波束形成。

21.在一个或多个第一站与大量第二站之间用中继站进行无线通信的系统，所述中继站包括：

有多个天线单元的天线阵列，这些天线单元划分为至少一个第一集和一个第二集，其中第一集被用作提供使用具有第一波束宽度的波束的发射与接收，第二集用作使用第二波束宽度的波束的发射与接收，

多信道转发器装置，连接到所述天线阵列和馈线链路天线，用来从所述第二站使用天线阵列接收信号，对信号处理、混合以获得信号用于使用馈线链路天线发射到第一站，其中所述多信道转发器具有用于转发使用第一集天线单元接收的信号的第一信道带宽和用于转发使用第二集天线单元接收的信号的第二信道带宽。

22.根据权利要求21的系统，其中所述第二集天线单元包括第一集。

23.根据权利要求21的通信系统，其中天线阵列是直接辐射相控阵列。

24.根据权利要求21的通信系统，其中所述天线阵列是一个反射阵列，包括一个照射反射面的馈源阵列。

25.根据权利要求24的通信系统，其中所述馈源的宽带复合驱动信号成组地驱动及以窄带驱动信号单个地驱动。

26.根据权利要求25的通信系统，其中用于驱动任何馈源的宽带和窄带驱动信号在一个相关的功率放大器信道中在放大之前要相加。

27.根据权利要求26的通信系统，其中所述功率放大器信道在用于矩阵功率放大器的输入混合网络的输入与用于矩阵功率放大器的输出混合网络的输出之间形成。

28.根据权利要求21的通信系统，其中第一集和第二集中的天线单元划分为子阵列。

29.根据权利要求21的通信系统，其中所述第一波束宽度和第二波束宽度重叠。

30.根据权利要求21的通信系统，其中所述第一波束宽度和第二波束宽度是分离的波束宽度。

31.使用天线阵列从多个第二站到一个第一站中继信号的多信道转发方法，包括步骤：

使用每个第一集天线单元接收第一信号；

使用相关的具有第一带宽的转发器信道处理所述接收的第一信号，对经处理的信号以第一取样速率抽样，产生对应于每个信道的第一取样流；

用每个第二集天线单元接收第二信号；

用相关的具有第二带宽的转发器信道处理所接收的第二信号，以第二取样速率抽样所述第二信号，产生对应于每信道的第二抽样流；

将所述第一和第二抽样流和至少一个已知的抽样流复用，以成一个时分复用的信号；

把所述时分复用信号调制到馈线链路无线频率用于发射到所述第一站；

在所述第一站接收所述馈线链路无线发射信号，对它解调以恢复时分复用信号；

对所述解调的信号去复用，分离出所述恢复的取样流，它包括至少一个确知的取样流；且使用所述恢复的预先确知抽样流控制所述去复用；

对恢复的抽样流处理，分离出来自不同的第二站的信号；

把分离出的信号发送到一个交换电话传输网络。

32.根据权利要求1的系统，其中所述第二集天线单元包括所述第一集。

33.根据权利要求31的方法，其中所述天线阵列是一个直接辐射相控阵列。

34.根据权利要求31的方法，其中所述天线阵列是一个包括一个照射反射面的馈源阵列的反射阵列。

35.根据权利要求34的方法系统，其中所述馈源以宽带复合驱动信号成组驱动及以窄带驱动信号单个驱动。

36.根据权利要求35的方法系统，其中用作驱动任何特定馈源的宽带和窄带驱动信号在相关的功率放大器信道中被放大之前相加。

37.根据权利要求36的方法系统，其中所述功率放大器信道在用作矩阵功率放大器的输入合成网络的输入和用作矩阵功率放大器的输出合成网络的输出之间形成。

38.根据权利要求31的方法，其中对信号分组的步骤包括把一组内的每个信号通过频分复用所述信号调制到另一个频道上。

39.根据权利要求31的方法，其中对信号分组的所述步骤包括在一组中把至少一些信号通过时分复用所述信号调制到相同的频道。

40.根据权利要求31的方法，其中对信号分组的步骤包括，把一组内的至少一些信号通过时分复用所述信号调制到同样的频道上，把同一组的另一集信号通过时分复用调制到另一个频道。

41.根据权利要求31的方法，对信号分组的步骤包括把一组内的每一个信号用一个分立的CDMA码子调制到相同的频带并形成每个信号的加权和。

42.根据权利要求31的方法，其中处理形成复合信号包括数字波束形成。

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