CN102856667A - 一种多波束天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多波束天线系统，包括：辐射单元、多波束形成网络、M选1多路开关、波束控制系统和电子罗盘。本发明涉及的多波束天线系统能够形成多个波束，从而实际应用中能够向目标信号提供多个波束，最大程度的补偿天线本身的倾角，即有效克服了只能使用单一波束的传统天线在运动中不能覆盖通信目标的问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别涉及一种多波束天线系统。
背景技术
天线是一种变换器，其实在无线电设备中用来发射或接受电磁波的部件，把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
目前无线通信系统中最常见到的天线形式仍然是传统的玻璃钢全向天线、板状定向天线以及小型的鞭状天线等等。然而，随着通信业务和质量水平的提高，系统对天线也寄予了越来越高的期望和要求，传统天线已很难满足需求。例如，很多时候为了获得最大的覆盖范围以及最远的覆盖距离，人们希望天线波束宽同时增益大，而理论上这两者是相互矛盾的。不仅如此，作为终端天线，还往往要求天线具有全向性。在无线特征方向没有方向性的情况下，通信质量会由于干扰波的出现而恶化，其中干扰波在多波环境下由于无线电波的反射而在墙壁或者类似物体上产生，其中在该多波环境下存在许多无线多波；且传统天线没有形成多波束的能力，其波束指向是单一且固定的，所以会出现当天线晃动时波束不能覆盖通信目标的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多波束天线系统，以解决现有技术中只能使用单一波束的传统天线在运动中不能覆盖通信目标的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种多波束天线系统，其特征在于，包括：辐射单元、多波束形成网络、射频通道、及波束控制系统，其中，
所述辐射单元，用以发送来自多波束形成网络的波束；
所述多波束形成网络，具有多个输入端口，并对一输入端口输入的单个波束进行不同的相位变换后输出；
所述射频通道，用以向多波束形成网络提供波束；
所述波束控制系统，用以确定多波束形成网络的选通输入端口。
可选的，在所述的多波束天线系统中，还包括：M选1多路开关，用以根据所述波束控制系统的信号选通多波束形成网络不同的输入端，其中，M为自然数。
可选的，在所述的多波束天线系统中，还包括：电子罗盘，用以为波束控制系统提供载体的运行方向和俯仰姿态的信息。
可选的，在所述的多波束天线系统中，所述的波束控制系统包括：控制电路和波控电源，其中波控电源负责为波束控制系统供电；波束控制系统接收来自电子罗盘的参考信息，通过控制电路完成目标波束方向计算，并在形成的波束中选择与目标指向最接近的波束，将所述波束对应的控制信号发送给M选1多路开关。
可选的，在所述的多波束天线系统中，所述控制电路包括：波束控制计算机、信号传输分配总线、存储器和驱动器。
可选的，在所述的多波束天线系统中，所述辐射单元的数量为多个，多个辐射单元呈线性排列，构成一维线阵，单元间距取二分之一波长；每个辐射单元分别与多波束形成网络的输出端相连，由多波束形成网络提供的相位分布，从而在空间形成多个不同指向的波束。
可选的，在所述的多波束天线系统中，所述的多波束网络采用N×N Butler多波束矩阵，其中，N为自然数。
可选的，在所述的多波束天线系统中，所述N×N Butlelr多波束矩阵，包括：Nc=kN/2个3dB电桥定向耦合器和Nph=(k-1)N/2个固定移相器。
可选的，在所述的多波束天线系统中，其特征在于，所述N×NButler多波束矩阵中的N取4。
本发明的有益效果在于：本发明涉及的多波束天线系统能够形成多个波束，从而实际应用中能够向目标信号提供多个波束，最大程度的补偿天线本身的倾角，即有效克服了只能使用单一波束的传统天线在运动中不能覆盖通信目标的问题。
附图说明
图1本发明实施例的多波束天线系统工作原理示意图；
图2本发明实施例的4×4 Butler多波束形成矩阵原理示意图；
图3本发明实施例的波束控制系统组成示意图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的多波束天线系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，其为本发明实施例的多波束天线系统工作原理示意图。如图1所示，一种多波束天线系统，包括：辐射单元（1）、多波束形成网络（2）、射频通道（6）及波束控制系统（4），其中，
所述辐射单元（1），用以发送来自多波束形成网络（2）的波束；
所述多波束形成网络（2），具有多个输入端口，并对一输入端口输入的单个波束进行不同的相位变换后输出；
所述射频通道（7），用以向多波束形成网络提供波束；
所述波束控制系统（4），用以确定多波束形成网络（2）的选通输入端口；
在所述的多波束天线系统中，还包括M选1多路开关（3），其中，M为自然数，用以根据所述波束控制系统（4）的信号选通多波束形成网络（2）不同的输入端。
在所述的多波束天线系统中，还包括：电子罗盘（5），电子罗盘（5）安装在移动载体上，与波束控制系统（4）连接。电子罗盘（5）实时记录并发送载体姿态和运行方向信息给波束控制系统（4），为波束控制系统（4）判断和选择波束提供依据。
在所述的多波束天线系统中，波束控制系统（4）通过控制接口与M选1多路开关（3）连接，通过数据接口与主控基带板（7）和电子罗盘（5）相连。
在所述的多波束天线系统中，还包括：主控基带板（7），用以与所述射频通道（6）收发信机。
首先，多波束天线系统采用多波束形成网络（2）在形成覆盖一定空间范围的多个波束，每个波束都有对应的多波束形成网络（2）输入端，每个输入端都和M选1多路开关（3）的一个通路相连；其次，电子罗盘（5）获得原始的载体姿态和运行方向信息，并将其传送给波束控制系统（4）；最后，波束控制系统（4）对电子罗盘（5）所发出的信息进行解析，判断出应使用哪一个波束，并发送与之对应的逻辑控制信号给M选1多路开关（3），驱动开关选通相应的信号通路。
进一步的，请参考图2，其为本发明实施例的4×4 Butler多波束形成矩阵原理示意图。如图2所示，在本实施例中，所述多波束天线系统中的辐射单元（1）用于射频信号的发射和接收，采用常见的对称偶极子，垂直极化方式，单元间距根据波束覆盖范围调整，通常选择为1/2波长，辐射单元（1）线性排列，每个辐射单元（1）端口与多波束形成网络（2）的a至d输出端相连。
所述多波束天线系统中的多波束形成网络（2）采用N×N Butler矩阵，在本实施例中，取N=4，就是4×4 Butler矩阵，对于N=2k个天线单元的Butlelr多波束矩阵，包括：Nc=kN/2个3dB电桥定向耦合器和Nph=(k-1)N/2个固定移相器。
在发射状态，若在a’端口输入信号，那么在输出端口a至d形成的相位分布为：-45°，-90°，-135°和-180°，发射波束最大增益方向θb=14.5°,同理若分别在b、c、d端口输入信号，那么形成的发射波束最大增益指向分别为-48.6°,48.6°和-14.5°。在本实施例中，M选1多路开关中，M取4。多波束形成网络（2）的输入端a’至d’与4选1多路开关（3）的输出端a"至d"相连。
所述多波束天线系统中的的M选1多路开关（3）输出端a"至d"与多波束形成网络（2）的输入端a’至d’相连，端口e"与后端的射频通道（6）相连。接收波束指向与开关通路的选择具有一一对应的逻辑关系，其控制信号由波束控制系统（4）发出。
进一步的，请参考图3，其为本发明实施例的波束控制系统组成示意图。如图3所示，波束控制系统（4）包括：控制电路（8）、控制软件（9）和波控电源（10）。控制电路（8）包括：波束控制计算机、信号传输分配总线、存储器和驱动器。波束控制计算机接收来自电子罗盘（5）和主控基带板（7）的参考信息，该信息由控制软件（9）通过某种算法（特别的，例如，Matlab程序、Bartlett算法、Capon算法、Music算法）计算出波束的目标指向，并将其转化为波束控制逻辑信号，经过传输分配总线传递给驱动器，并驱动M选1多路开关（3）接通对应的通路。波控电源（10）负责为波束控制系统供电。
本发明描述了一种在本技术领域的全新应用，在上行和下行链路均采用单个波束传输信号，通过实时调整波束来保证较宽的覆盖范围，解决了现有技术中只能使用单一波束的传统天线在运动中不能覆盖通信目标的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (9)
1.一种多波束天线系统，其特征在于，包括：辐射单元、多波束形成网络、射频通道、及波束控制系统，其中，
所述辐射单元，用以发送来自多波束形成网络的波束；
所述多波束形成网络，具有多个输入端口，并对一输入端口输入的单个波束进行不同的相位变换后输出；
所述射频通道，用以向多波束形成网络提供波束；
所述波束控制系统，用以确定多波束形成网络的选通输入端口。
2.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于，还包括：M选1多路开关，用以根据所述波束控制系统的信号选通多波束形成网络不同的输入端，其中，M为自然数。
3.根据权利要求2所述的多波束天线系统，其特征在于，还包括：电子罗盘，用以为波束控制系统提供载体的运行方向和俯仰姿态的信息。
4.根据权利要求3所述的多波束天线系统，其特征在于，所述的波束控制系统包括：控制电路和波控电源，其中波控电源负责为波束控制系统供电；波束控制系统接收来自电子罗盘的参考信息，通过控制电路完成目标波束方向计算，并在形成的波束中选择与目标指向最接近的波束，将所述波束对应的控制信号发送给M选1多路开关。
5.根据权利要求4所述的多波束天线系统，其特征在于，所述控制电路包括：波束控制计算机、信号传输分配总线、存储器和驱动器。
6.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于，所述辐射单元的数量为多个，多个辐射单元呈线性排列，构成一维线阵，单元间距取二分之一波长；每个辐射单元分别与多波束形成网络的输出端相连，由多波束形成网络提供的相位分布，从而在空间形成多个不同指向的波束。
7.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其特征在于，所述的多波束网络采用N×N Butler多波束矩阵，其中，N为自然数。
8.根据权利要求7所述的多波束天线系统，其特征在于，所述N×N Butlelr多波束矩阵，包括：Nc=kN/2个3dB电桥定向耦合器和Nph=(k-1)N/2个固定移相器。
9.根据权利要求7所述的多波束天线系统，其特征在于，所述N×N Butler多波束矩阵中的N取4。
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