本文所公开的设备和方法涉及用于电磁信号的发射或接收的波束成形，并且具体地涉及使用波束成形电路系统的有利布置的波束群组转向。
背景技术：
1、电磁信号的“波束成形”是指从天线发射或接收方向性信号，其中“方向”是指相对于所涉及天线的水平或竖直角度。对供发射的信号进行波束成形涉及控制来自多个天线元件的信号的相位和幅度，以在从天线辐射的所得波前中形成相长和相消干涉的方向图，其中该方向图在远场中形成信号能量波束。接收意义上的波束成形是类似的，并且依赖于根据与期望的方向性灵敏度相对应的一组权重对在相应的天线元件上接收的信号进行加权。
2、波束成形器可以理解为波束信号与元件信号之间的“转换”，其中“波束信号”表示要以特定方向性灵敏度发送或接收的信号，并且其中每个元件信号为波束信号的与天线的用于波束成形的天线元件中的特定一个天线元件相对应的相应加权型式。权重包括相应的延迟，该延迟经由相长和相消组合的对应方向图产生期望的方向性。
3、波束成形器包括波束成形电路系统，该波束成形电路系统包括用于应用相应的逐元件权重的波束成形元件。在涉及n个天线元件并且关于形成具有给定方向性的给定“第一”波束的示例场景中，存在n个波束成形元件(例如，延迟元件)以应用导致形成第一波束的相应的逐元件权重。与第一波束同时地形成第二波束需要又一组n个波束成形元件，这些波束成形元件被配置成应用导致形成第二波束的相应的逐元件权重。这里，每个“权重”可以为涉及相位和幅度的复值。
4、需要相对大量不同波束(例如，对应于不同波束方向的数百个波束)的场景带来其自身的设计和实现挑战。存在此类挑战的一种情境是在卫星通信领域，诸如使用波束成形来提供与大量相应覆盖区域相对应的点波束的低地球轨道(leo)卫星的实现。
技术实现思路
1、本文所公开的波束成形方法和设备使用有利的波束成形的方法，该方法涉及：应用波束成形权重，该波束成形权重将波束群组的相应波束定义成空间上不重叠并且在波束群组内具有固定空间关系；以及应用波束群组转向权重，该波束群组转向权重将波束群组的相应波束转向共同方向。例如，该布置允许将波束成形器的波束成形结构限制为定义波束群组所需的结构，然后使用波束群组转向将波束群组指向各个方向以随时间提供较大的信号覆盖。
2、根据示例实施例的设备使用波束成形来发射或接收电磁信号，并且其包括波束成形器。波束成形器被配置成在与波束群组中的相应波束相对应的波束信号和与天线的用于发射或接收电磁信号的元件相对应的元件信号之间进行转换。波束成形器包括波束成形电路系统，该波束成形电路系统被配置成应用关于元件信号的波束成形权重并且进一步被配置成应用波束群组转向权重。波束成形权重将波束群组的相应波束定义成空间上不重叠并且在波束群组内具有固定空间关系，而波束群组转向权重将波束群组的相应波束共同地转向同一方向。包括在设备中的控制电路系统被配置成基于控制波束群组转向权重来控制由波束成形器进行的波束群组转向。
3、另一示例实施例包括一种由使用波束成形来发射或接收电磁信号的设备进行的操作的方法。该方法包括通过在设备的波束成形器中应用第一波束群组转向权重来在第一间隔期间将波束群组指向第一波束群组方向，该第一波束群组转向权重将波束群组中的相应波束共同地转向同一第一方向。该方法进一步包括通过在波束成形器中应用第二波束群组转向权重来在第二间隔期间将波束群组指向第二波束群组方向，该第二波束群组转向权重将波束群组的相应波束共同地转向同一第二方向。在这些方法操作的上下文中，波束成形器在对应于波束群组中的相应波束的波束信号与对应于天线的用于发射或接收电磁信号的元件的元件信号之间进行转换。波束成形器应用波束成形权重，该波束成形权重将波束群组的相应波束定义成空间上不重叠并且在波束群组内具有固定空间关系，而波束群组转向权重的应用将波束群组作为整体进行指向，其中指向方向由波束群组转向权重的值确定。
4、当然，本发明不限于上述特征和优点。事实上，本领域技术人员在阅读以下详细描述并查看附图后将认识到额外的特征和优点。
1.一种使用波束成形来发射或接收电磁信号的设备(10)，所述设备(10)包括：
2.根据权利要求1所述的设备(10)，其中所述波束成形电路系统(22)包括所述波束成形器(12)的固定部分(50)，所述固定部分包括被配置成应用所述波束成形权重(24)的延迟元件(54)，并且所述波束群组转向电路系统(26)包括所述波束成形器(12)的可变部分(52)，所述可变部分包括被配置成应用所述波束群组转向权重(28)的延迟元件(56)。
3.根据权利要求2所述的设备(10)，其中所述延迟元件(54)为真实时间延迟线(58)，并且其中所述延迟元件(56)为相移器(60)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(10)，其中所述波束群组(70)中的每个波束(72)具有单独波束方向，并且其中所述相应波束(72)在自由空间中的绝对波束方向由所述单独波束方向和波束群组方向的组合定义。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(10)，其中所述控制电路系统(30)被配置成通过根据定义要在定义的间隔中应用的相移的调度(36)选择相移作为所述波束群组转向权重(28)来控制所述波束群组转向，以便所述调度(36)确定在每个定义的间隔中处于活动状态的所述波束群组方向。
6.根据权利要求5所述的设备(10)，其中对于根据所述调度(36)激活的多个不同的波束群组方向，所述波束群组(70)中根据不同的波束群组方向中的至少一个波束群组方向的相应波束(72)与所述波束群组(70)中根据不同的波束群组方向中的至少一个另外的波束群组方向的相应波束(72)部分重叠。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备(10)，其中所述波束群组(70)中存在n个波束(72)，每个波束(72)在对应的波束覆盖区域(80)中提供覆盖，并且其中所述设备(10)被配置成应用定义要在相应的调度间隔中使用的相应的波束群组转向方向的时分多址(tdma)调度(36)，以便于多达m个波束覆盖区域(80)之上提供时间多路复用的覆盖，其中在每个调度间隔中n个波束覆盖区域(80)处于活动状态，并且其中m等于在相应的调度间隔内使用的不同的波束群组转向方向的数量。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述波束成形电路系统(22)包括n组延迟元件(54)，其各自提供定义所述波束群组(70)中的所述n个波束(72)中的相应一个波束的相应一组波束成形权重(24)，并且其中所述波束群组转向电路系统(26)包括一组延迟元件(56)，所述一组延迟元件被配置成将所述波束群组转向权重(28)共同地应用于所述元件信号(16)，存在q组波束群组转向权重(28)针对所述波束群组(70)定义q个指向方向。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备(10)，其中所述波束群组(70)的所述相应波束(72)具有随着所述波束群组方向发生变化而共同地移位的对应的波束覆盖区域(80)，并且其中所述控制电路系统(30)被配置成在一连串间隔内激活一连串波束群组方向，以便于聚合覆盖区域(82、92)之上提供时间多路复用的信号覆盖，所述聚合覆盖区域为在每个间隔中处于活动状态的所述对应的波束覆盖区域(80)的聚集。
10.根据权利要求9所述的设备(10)，其中所述设备(10)进一步包括存储装置(34)，所述存储装置被配置成存储定义所述一连串波束群组方向的调度(36)。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述设备(10)向在所述聚合覆盖区域(82、92)内操作的其他设备(44、94)提供通信服务，并且其中所述调度(36)是由所述设备(10)或由支持设备(46、96)基于所述聚合覆盖区域(82、92)内所述其他设备(44、94)的通信需求和位置来动态地确定的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备(10)，其中所述波束群组(70)包括n个波束(72)，并且对于m个波束覆盖区域(80)，其中m>n，所述控制电路系统(30)被配置成控制所述波束群组转向电路系统(26)以在不同间隔中激活所述m个波束覆盖区域(80)中的n个不重叠的波束覆盖区域(80)的不同子组。
13.根据权利要求12所述的设备(10)，其中所述控制电路系统(30)被配置成根据时分多址(tdma)调度(36)来控制所述m个波束覆盖区域(80)中的所述n个不重叠的波束覆盖区域(80)的哪些子组在哪些间隔中处于活动状态。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备(10)，其中所述设备(10)为通信卫星(90)的有效负载，所述有效负载被配置成使用所述波束群组转向来于超过由所述波束群组(70)在任何给定时间覆盖的区域的较大区域(92)之上提供时间多路复用的信号覆盖。
15.根据权利要求14所述的设备(10)，其中所述控制电路系统(30)被配置成在一连串间隔内改变所述波束群组方向，使得所述波束群组方向增量地步进穿过定义的角度范围并且所述波束群组(70)的对应的波束覆盖区域(80)在较大覆盖区域(92)内增量地移位。
16.一种由使用波束成形来发射或接收电磁信号的设备(10)进行的操作的方法(700)，所述方法(700)包括：
17.根据权利要求16所述的方法(700)，其中所述波束群组(70)中的每个波束(72)具有单独波束方向，并且其中所述相应波束(72)在自由空间中的绝对波束方向由所述单独波束方向和所述波束群组方向的组合定义。
18.根据权利要求16或17所述的方法(700)，其中通过应用所述第一或第二波束群组转向权重(28)来对所述波束群组(70)进行转向通过在同一第一或第二方向上共同地移动所有相应波束(72)来保持所述波束群组(70)内的所述固定空间关系。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法(700)，其中所述第一间隔和所述第二间隔是在由指定在每个间隔中使用哪个波束群组方向的调度(36)定义的多个间隔中的，并且其中所述方法(700)包括根据所述调度(36)控制所述波束成形器(12)。
20.根据权利要求19所述的方法(700)，其中对于根据所述调度(36)使用的多个不同的波束群组方向，所述波束群组(70)中根据不同的波束群组方向中的至少一个波束群组方向的相应波束(72)与所述波束群组(70)中根据不同的波束群组方向中的至少一个另外的波束群组方向的相应波束(72)部分重叠。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法(700)，其中所述波束群组(70)中存在n个波束(72)，每个波束(72)在对应的波束覆盖区域(80)中提供覆盖，并且其中所述方法(700)包括应用定义要在相应的调度间隔中使用的相应的波束群组转向方向的时分多址(tdma)调度(36)，以便于多达m个波束覆盖区域(80)之上提供时间多路复用的覆盖，其中在每个调度间隔中n个波束覆盖区域(80)处于活动状态，并且其中m等于在相应的调度间隔内使用的不同的波束群组转向方向的数量。
22.根据权利要求21所述的方法(700)，其中存在q组波束群组转向权重(28)，所述q组波束群组转向权重(28)中的每一组针对所述波束群组(70)定义不同的指向方向，并且其中所述方法(700)包括选择所述q组波束群组转向权重(28)中的一组以供所述波束成形器(12)在每个调度间隔中应用。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法(700)，其中所述波束群组(70)的所述相应波束(72)具有随着所述波束群组方向发生变化而共同地移位的对应的波束覆盖区域(80)，并且其中所述方法(700)包括在一连串间隔内激活一连串波束群组方向，以便于聚合覆盖区域(82、92)之上提供时间多路复用的信号覆盖，所述聚合覆盖区域为在每个间隔中处于活动状态的所述对应的波束覆盖区域(80)的聚集。
24.根据权利要求23所述的方法(700)，其中所述方法(700)进一步包括根据存储在所述设备(10)中的调度(36)来确定所述一连串波束群组方向。
25.根据权利要求24所述的方法(700)，其中所述设备(10)向在所述聚合覆盖区域(82、92)内操作的其他设备(44、94)提供通信服务，并且其中所述调度(36)是基于所述聚合覆盖区域(82、92)内所述其他设备(44、94)的通信需求和位置来动态地确定的。
26.根据权利要求16至25中任一项所述的方法(700)，其中所述波束群组(70)包括n个波束(72)，并且对于m个波束覆盖区域(80)，其中m>n，并且其中所述方法(700)包括控制波束群组转向以在不同间隔中激活所述m个波束覆盖区域(80)中的n个不重叠的波束覆盖区域(80)的不同子组。
27.根据权利要求26所述的方法(700)，其中所述方法(700)包括根据时分多址(tdma)调度(36)来控制所述m个波束覆盖区域(80)中的所述n个不重叠的波束覆盖区域(80)的哪些子组在哪些间隔中处于活动状态。
28.根据权利要求16至27中任一项所述的方法(700)，其中所述设备(10)为通信卫星(90)的有效负载，并且其中所述方法(700)包括使用所述波束群组转向来于超过由所述波束群组(70)在任何给定时间覆盖的区域的较大区域(92)之上提供时间多路复用的信号覆盖。
29.根据权利要求28所述的方法(700)，其中所述方法(700)包括在一连串间隔内改变所述波束群组方向，使得所述波束群组方向增量地步进穿过定义的角度范围并且所述波束群组(70)的对应的波束覆盖区域(80)在较大覆盖区域(92)内增量地移位。
