CN102856665A - 一种频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

一种频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统，包括：控制电路，用于改变周期内二比特移相器的工作状态时序，从而改变波束方向，来追踪移动物体，及用于改变时间调制周期，从而改变波束频率，来补偿多普勒频移；二比特移相器，用于对信号进行周期性的保持或反转，使得波束能量集中用于通信的一次谐波分量。本发明通过改变时间调制的周期，弥补高速移动产生的多普勒频移；通过调整二比特移相器的工作时序，调整波束方向，集中波束能量，来减小多径效应。本发明特别适用于铁路、飞机等高速移动环境下通信的领域。

Description

一种频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统

技术领域

本发明涉及天线工程技术领域，特别涉及一种可重构波束频率和方向的时间调制阵列天线系统。

背景技术

随着我国高速铁路的普及，满足高速移动环境下通信的需求也越来越迫切。随着车速不断提高至380甚至500千米每小时，目前主流的通信制式以及即将投入使用的3G-LTE和4G标准在现有的收发天线模式下已经无法正常工作。高速移动列车的信道特性有多径传播和多径衰落，多普勒频移和多普勒扩展，跨区切换的乒乓效应，以及前向干扰。如在工程应用中，仍旧使用的平板天线，由于波束覆盖角度大，在障碍物（如树林、山丘、房屋）较多的地区，信号径数达到十几条甚至几十条，造成信干噪比低，无法正常通信。目前用于欧洲、中国的高速铁路控制信息传输的GSM-R网络所提供的通信质量在速度提高至500Km/h后不能保证[1]。一种直观的解决方法便是对多普勒频移进行估计，在收发频率上进行补偿；并采用智能天线，形成一定形状的方向图，降低旁瓣，来减小多径效应。但这需要引入可变增益放大器、多比特移相器等硬件，往往造成系统过于复杂；此外，波束形成算法时间复杂度高，在实际的基站间距和列车行驶速度下难以有效体现性能。

[1]王晓婷，MIMO技术在GSM-R高速铁路通信中的应用研究，西南交通大学硕士学位论文，2007年

发明内容

为方便说明，将上述问题归纳为以下三个：a.随物体移动调整波束指向，b.多普勒频移补偿，c.集中能量用于有效通信频率和波束方向。

针对这些问题，本发明提出了可重构波束频率和方向的时间调制阵列天线系统，可以调整波束频率，来补偿多普勒频移；调整波束指向，跟踪移动物体；将能量集中于单一波束和单一频率，减少多径，提高信噪比。提供了一种时间序列调制方法，可使波束能量集中于目标频率和方向，并且设计了一种应用此天线的在高速移动通信环境下的通信系统。

本发明的理论基础是时间调制阵列天线，即指在常规阵列天线中引入时间维，因此也叫做四维天线。它通过接入阵元中高频开关的工作状态，来控制天线阵元的激励，在优化时间次序和幅度分布的情况下，控制天线口径激励分布。通过改变开关时序组合，可以实现波束指向的调整。由于开关的周期性调制，原始信号会被搬移一定的频率间隔Δf，而Δf为开关周期的倒数。但在传统开关的时间序列调制下，容易产生直流分量和高次谐波，并且大部分能量会作为直流成分被浪费。

本发明的技术解决方案如下：

一种频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统，特点在于其构成包括：

控制电路，用于改变周期内二比特移相器的工作状态时序，从而改变波束方向，来追踪移动物体，及用于改变时间调制周期，从而改变波束频率，来补偿多普勒频移；；

二比特移相器，用于对信号进行周期性的保持或反转，使得波束能量集中用于通信的一次谐波分量。

本发明还包括天线阵列单元、射频带通滤波器、、双工器、低噪放大器、合路器、混频器、中频滤波器、本振、中频放大器、功率分配器和射频放大器；

上述元件的连接关系如下：

当所述的双工器处于接收状态时，由多个天线阵元接收移动台发来的无线信号后分别依次输入对应的射频滤波器和二比特移相器后输出被调制信号，该被调制信号分别依次经对应的双工器和低噪放大器进入合路器，各阵元支路信号合成后经过下变频器下变频至中频段，再被中频滤波器滤波后进入信号处理模块；

当所述的双工器处于发射状态时，中频信号经中频放大器放大后，由上变频器上变频至射频段进入功率分配器，经功率分配器分配给各射频放大器放大后，各射频信号分别依次输入到对应的双工器、二比特移相器和射频滤波器后，各天线阵元分别接收对应的信号并辐射给基站。

所述的控制电路包括：

信号收集器，用于获取移动物体的速度和位置信息并将信息传输给控制模块；

控制模块，用于计算出各支路移相器相应的状态时序，输出控制信号调整波束频率、方向及能量分布；

数字频率合成器，用于调谐二比特移相器的控制周期；

存储器，用于存储二比特移相器的状态时序、二比特移相器的状态切换周期和射频带通滤波器的截止频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是采用周期时间序列调制，实现频率搬移；采用波束形成算法计算各单元状态时序，调整波束指向；通过控制反相器对信号保持或反转，实现能量集中于单一频率单一波束指向。本发明的天线系统兼容性强，与现有的通信制式没有冲突，只需将天线前段更换即可获取其性能；系统硬件结构简单，只需一个线阵和若干二比特移相器以及数字时钟；系统后台控制简单，相比较于智能天线的复杂算法，确定各单元的状态时序只需要简单计算，而不需要高复杂度的迭代。

附图说明

图1为本发明频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统的结构图；

图2为装载本发明天线系统的移动台与基站通信示意图；

图3为实施例1中一个控制周期内各高速射频开关打开/关闭的时序图；

图4为实施例1中在图3所示开关状态下天线阵列的方向图；

图5为实施例1中辐射信号幅度随谐波次数变化关系。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围：

请先参阅图1，图1为本发明频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统的结构图，如图所示，一种频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统，包括：天线阵列单元1，射频带通滤波器2，二比特移相器3，双工器4，低噪放大器5，合路器6，下变频器7，中频滤波器8，本振9，中频放大器10，功率分配器11，射频放大器12，信息收集器13，控制模块14，数字频率合成器15，存储器16和上变频器17。

本发明系统的信号流程如下：当双工器处于发射状态时，中频信号经中频放大器10放大，经由上变频器17上变频至射频段进入功率分配器11，射频信号进入各阵元支路后被射频放大器12经过双工器4进入二比特移相器3，在程序控制下，射频信号被周期性保持或反转，再经由射频滤波器2后由天线阵元1辐射，则基站收到的是多普勒频移补偿后的窄波束集中能量阵列信号。当双工器处于接收状态时，由于天线阵列的方向图主波束很窄，接收信号径数较少，由各个天线阵元1接收到的信号经射频滤波器2后被二比特移相器3周期性调制，被调制信号经双工器4经低噪放大器5放大进入合路器6，各阵元支路信号合成后经过下变频器7下变频至中频段，再被中频滤波器8滤波后进入后期的信号处理模块（图中未示）。

该频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统的工作原理如下：首先，由信息收集器获取移动物体的速度v，相对相邻基站的位置即行驶方向与径向间夹角θ，如图2所示。若相邻基站多于一个，则按现有通信制式中的方法选取最优基站避免乒乓效应。信息收集器将参数输入控制模块（可用FPGA等可编程器件实现），控制模块按照查找表在存储器中找出对应的各阵元支路上二比特移相器的状态时序，二比特移相器的状态切换周期，和带通滤波器的截止频率，并将控制信号输出至各支路。具体如下，

当控制模块获取移动物体的速度v和夹角θ后，对问题a，可以由径向速度计算出须补偿的多普勒频偏

$\mathrm{\Δf}=\frac{v\cos \mathrm{\θ}}{c}{f}_c---\left(1\right)$

，其中f_c为载波中心频率。由时间调制理论，设控制周期为T_p，控制频率f_p＝1/T_p，由于信号的周期性，其频谱成分包括直流以及以f_p为间隔的各次谐波。为简化控制复杂度和硬件结构，我们采用脉冲序列调制，其对应的能量分布主要集中在f_c和f_c±f_p，即直流成分和一次谐波分量。在本系统中，我们利用一次谐波分量而抑制直流成分和高次谐波分量，以得到能量的最优利用。

对问题b，显然形成的波束应当指向θ，如图2所示。选择时间序列调制产生的一次谐波分量进行波束指向控制，其辐射方向图表示为：

$P_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n{\mathrm{\α}}_{1n}{e}^{\mathrm{j\β}\mathrm{dn}\sin \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

，其中M为该天线系统阵元数目，d为各阵元间距，A_n为第n个阵元的激励复系数，α_ln为一次谐波分量的系数。采用现有文献中的波束形成算法，如基于线性最小方差约束算法（LCMV），得出各阵元支路的加权复系数，记复系数向量为

传统的相控阵天线会对各支路信号作幅度及相位的调制，造成硬件复杂化。在本系统中，我们通过时间调制来实现对各路信号的加权，具体如下：

$\stackrel{\→}{w_{\mathrm{opt}}}=\left[\begin{array}{c}{A}_1{\mathrm{\α}}_{11}\\ A_2{\mathrm{\α}}_{12}\\ .\\ .\\ .\\ A_M{\mathrm{\α}}_{1M}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{11}\\ {\mathrm{\α}}_{12}\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\α}}_{1M}\end{array}\right]---\left(3\right)$

对第n个阵元，有

${\mathrm{\α}}_{1n}=\frac{1}{T_p}\underset{t_{1n}}{\overset{t_{2n}}{\∫}}{e}^{-j{w}_{p}t}\mathrm{dt}=\frac{2\sin \frac{w_p{T}_n}{2}}{T_p{W}_p}{e}^{-{\mathrm{jw}}_p\frac{t_{1n}+t_{2n}}{2}}---\left(4\right)$

，其中，t_1n,t_2n分别为状态1（延迟信号相位180度）的起止时间，周期T_p内的其他时刻工作为状态2（保持信号不变）。为了抑制直流分量，借用通信编码中的不归零（NRZ）编码思想，令两种工作状态的占空比都是50%，即

$T_n=\frac{1}{2}{T}_p,$ $t_{2n}=t_{1n}+\frac{1}{2}{T}_p---\left(5\right)$

代入α_ln的计算式中，可以得简化式

${\mathrm{\α}}_{1n}=-\frac{1}{\mathrm{\π}}{e}^{-j{w}_p{t}_{1n}}---\left(6\right)$

显然我们在此处只关心相位和正负号，不关心幅度，因此我们舍弃不相关量，记

$-\mathrm{\π}\stackrel{\→}{w_{\mathrm{opt}}}=[{w_1}^{*},{w_2}^{*},...,{w_M}^{*}],{w_n}^{*}=e^{-j{\mathrm{\β}}_n}---\left(7\right)$

不考虑以2π为周期的无穷多个通解，只考虑绝对值最小的特殊解，因此有

${\mathrm{\β}}_n=w_p{t}_{1n}\⇒t_{1n}=\frac{{\mathrm{\β}}_n}{2\mathrm{\π}{f}_p}---\left(8\right)$

若求得的t_1n＜0，则对其增加一个周期T_p；若求得的

则导致t_2n＞T_p，则状态1被分割为两个部分，即[0,t_2n]和[t_1n,T_p]，但时间序列持续调制时，可视为前一周期t_1n至后一周期的t_2n为状态1。

在传统的时间调制阵列天线中，采用状态1为开关打通，状态2为开关断开。这造成了直流分量能量很大，而实际用于通信的一次谐波并没有充分利用。本实施例中，采用状态1为二比特移相器不工作，对信号保持，状态2为二比特移相器工作，将信号反转。由于在上述算法中令状态1和状态2各占调制周期T_p的一半，因此作频域分析发现直流分量得以消除，能量大部分都集中在一次谐波上。在发射前端，再根据移动物体与基站的相对运动关系（相向或相离），用射频滤波器选取上边带或下边带信号，这样便解决了问题c。

此外，为解决一次谐波分量对称分布于中心频率两侧的问题，我们也可以采用单边带调制的方法。也就是将支路射频信号分为两路，对其中一路信号做希尔伯特变换后增加90度的相位延迟，再与另一路信号求和或求差，数学推导不再给出。这样也可以得到能量集中的效果，但会引入希尔布特变换器从而增加系统复杂性，在实际工程应用中可视情况而定。

实施例1基于频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统的多普勒频移补偿和波束控制

本实施例中，移动台速度v为150m/s（520Km/h），速度方向与移动台-基站连线直接的夹角为20°。阵列采用均匀分布的线性阵列，阵元数N=10，阵元间距为半波长。发射信号的载波中心频率为2GHz。利用数字频率合成器设置高速射频开关的控制频率f_p＝408.08Hz。

图3为各个阵元支路上二比特移相器在一个控制周期内工作状态的时序图。图4为在这种工作状态时序控制下整个天线的波束方向图，由波束指向最大值的位置可以看出，此时波束方向为20°，从移动台与基站的位置关系看，此时移动台上的天线阵列的主波束对准基站方向。天线阵列的旁瓣约为-13dB，从旁瓣进入的多径信号相对于直射路径的信号将会有13dB左右的衰减。图4为在信号强度随谐波次数的变化关系，可以看到能量主要集中在一次谐波，直流分量被抑制为0，高次谐波分量强度小于一次谐波的1/4。

Claims (3)

1.一种频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统，特征在于其构成包括：

多个天线阵列（1），用于接收移动台发来的无线信号并输入射频带通滤波器（2）或者用于接收射频带通滤波器（2）发出的信号并辐射给基站；

二比特移相器（3），用于对信号进行周期性的保持或反转，使得波束能量集中用于通信的一次谐波分量；

控制电路，用于改变周期内二比特移相器（3）的工作状态时序，从而改变波束方向，来追踪移动物体，及用于改变时间调制周期，从而改变波束频率，来补偿多普勒频移。

2.根据权利要求1所述的频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统，其特征在于：还包括射频带通滤波器（2）、双工器（4）、低噪放大器（5）、合路器（6）、下变频器（7）、中频滤波器（8）、本振（9）、中频放大器（10）、功率分配器（11）射频放大器（12）和上变频器（17）；

上述元件的连接关系如下：

当所述的双工器（4）处于接收状态时，由多个天线阵元（1）接收移动台发来的无线信号后分别依次输入对应的射频滤波器（2）和二比特移相器（3）后输出被调制信号，该被调制信号分别依次经对应的双工器（4）和低噪放大器（5）进入合路器（6），各阵元支路信号合成后经过下变频器（7）下变频至中频段，再被中频滤波器（8）滤波后进入信号处理模块；

当所述的双工器（4）处于发射状态时，中频信号经中频放大器（10）放大后，由上变频器（17）上变频至射频段进入功率分配器（11），经功率分配器（11）分配给各射频放大器（12）放大后，各射频信号分别依次输入到对应的双工器（4）、二比特移相器（3）和射频滤波器（2）后，各天线阵元（1）分别接收对应的信号并辐射给基站。

3.根据权利要求1所述的频率和波束方向可重构的时间调制阵列天线系统，其特征在于：所述的控制电路包括：

信号收集器（13），用于获取移动物体的速度和位置信息并将信息传输给控制模块（14）

控制模块（14），用于计算出各支路二比特移相器相应的状态时序，输出控制信号调整波束频率、方向及能量分布

数字频率合成器（15），用于调谐二比特移相器的控制周期；

存储器（16），用于存储二比特移相器的状态时序、二比特移相器的状态切换周期和射频带通滤波器的截止频率。

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