CN103762421B - 一种基于信号的空间波束扫描天线系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线系统技术领域，公开一种基于信号的空间波束扫描天线系统及方法，所述方法采用的天线系统包括：波束扫描控制器、信号反射腔以及射频天线阵列；所述波束扫描控制器通过信号反射腔与射频天线阵列相连；所述波束扫描控制器由波束控制电路、信号存储磁盘阵列、D/A变换电路组成，所述信号存储磁盘阵列通过波束控制电路与数模转换的D/A变换电路相连；波束扫描控制器的波束控制电路，将对应指定空间方位的射频信号传到D/A变换电路进行数模转换。本发明主要通过选择相应波束方位对应的射频信号，然后传递给信号反射腔进行辐射信号的多路径重构，最终实现射频信号向指定空域的辐射；具有造价低，空间波束扫描的速率高的优越性。

Description

一种基于信号的空间波束扫描天线系统及方法

技术领域

本发明属于天线系统技术领域，尤其涉及多传感器的一种基于信号的空间波束扫描天线系统及方法。

背景技术

天线辐射出来的能量会集中于空间某个方位，即设计出来的天线都具有方向，为了实现空间目标的探测，早期技术人员设计了天线转台，即通过转动天线实现空间波束的扫描。后来由于射频器件的发展进步，尤其是移相器技术的成熟，技术人员设计出了相控阵天线，即每一个阵列辐射单元都接一个移相器，通过控制移相器的相位变化，实现阵列天线波束的空间扫描。这种电扫描在波束扫描速率上较机械扫描有极大的提高。上述空间波束扫描阵列均需要相应射频硬件器件进行设计支撑，凡含有射频器件，均会涉及器件反应时间，传统的天线阵列，均存在需要加装相应的硬件设施以实现波束的空间扫描。以现在广泛应用的相控阵天线来说，每个辐射单元均需要加装移相器，以实现波束的空间电扫描。因此阵列波束的扫描速率均会受到器件的影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于信号样式的波束空间扫描系统及方法；将传统的硬件功能简化为一个信号反射腔，利用时间反演技术最终实现波束的空间扫描。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于信号的空间波束扫描天线系统，主要包括：波束扫描控制器、信号反射腔以及射频天线阵列；所述波束扫描控制器通过信号反射腔与射频天线阵列相连；所述波束扫描控制器由波束控制电路、信号存储磁盘阵列、D/A变换电路组成，所述信号存储磁盘阵列通过波束控制电路与数模转换的D/A变换电路相连；波束扫描控制器的波束控制电路，将对应指定空间方位的射频信号传到D/A变换电路进行数模转换；主要通过选择相应波束方位对应的射频信号，然后传递给信号反射腔进行辐射信号的多路径重构，最终实现射频信号向指定空域的辐射。

一种基于信号的空间波束扫描天线系统，所述信号反射腔由腔体输入端口、反射腔体、腔体输出端口组成，所述反射腔体内设置有若干多路径反射体，位于反射腔体的腔体输入端口内设置有信号输入的内置发射天线，位于反射腔体的腔体输出端口内设置有N端口信号输出的内置发射天线阵列；信号反射腔主要提供信号的多路径反射，使在腔体输出端口重构原始辐射信号，进而实现波束在空间指定方位的辐射。

一种基于信号的空间波束扫描天线系统的方法，其步骤如下：

第一步，天线系统的硬件设计, 采用基于信号的空间波束扫描天线系统，由波束扫描控制器通过信号反射腔与射频天线阵列相连构成；波束扫描控制器的波束控制电路，将对应指定空间方位的射频信号传到D/A变换电路进行数模转换，主要通过选择相应波束方位对应的射频信号，然后传递给信号反射腔进行辐射信号的多路径重构，最终实现射频信号向指定空域的辐射；

第二步，原始信号采集实验设置,

1、将天线系统置于微波暗室测试系统内部, 即置于微波暗室内的基于信号的空间波束扫描天线系统中的射频天线阵列作为信号接收设备，置于微波暗室内的另一侧放有内置发射天线，并保证实验距离满足远场测试条件；

2、置于微波暗室内的信号接收设备通过信号反射腔与数据采集终端连接，用于准备数据采集；其中，该信号反射腔的内部设置有若干反射体，作用是将辐射信号进行多路径辐射，在腔体输出端口重构原始辐射信号，进而实现波束在空间指定方位的辐射；为了加强腔体内部的反射，增强信号重构精度，腔体系统中的射频天线阵列仅需要按照设计工作频点要求选择；

第三步，原始信号采集, 发射天线辐射信号，基于信号的空间波束扫描天线系统接收，并利用数据采集系统采集数据；将采集到的数据存入数据库中，并以发射天线对应天线阵列偏角作为索引；然后通过转台转动天线阵列，进行下一角度的测量；

第四步，辐射信号生成及存储，将数据采集器采集到的数据进行时域反演，即当辐射角度i=0时，采集、存储角度i时的信号波形，然后进行下一角度测量；存储的信号进行时域反演，反演后的信号存入波束扫描控制器的存储磁盘阵列中；

判断是否完成所需所有角度的测量、存储，当判断为否，返回至采集、存储角度i时的信号波形步骤，继续判断；当判断为是，结束；

时域反演信号处理，即测量的时域数据链中，第一位的数据置于整个数据串的末尾，最后一位数据置于整个数据串的起始位置，以此类推；然后依旧以角度为索引存入波束控制器的信号存储磁盘阵列中，以备以后调用；

最后，使用时，仅需依靠波束扫描控制器，选择对应空间角度的信号样式进行辐射，即可在指定空间方位实现信号的辐射；如果进行不同空间角度信号样式的连续选择，就形成了空间波束的连续扫描。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下优越性：

一种基于信号的空间波束扫描天线系统及方法，是依据辐射信号样式实现天线阵列波束的空间扫描，而非传统的采用射频器件实现空间波束扫描。由于该发明将昂贵的射频硬件简化为了一个信号反射腔，因此该阵列天线系统的造价较传统的波束空间扫描阵列大为降低，而且空间波束扫描的速率有较大提高。

本发明的理论基础是时间反演技术。发射信号经过多重反射后，汇聚于接收点。那么接收点将接收到的信号，进行时间反演处理，然后再重新进行辐射。该反演信号将会沿原传播路径传播回原辐射点，因此可以在原辐射点位形成很好的聚焦，进而实现原始发射信号的重构。通过上述分析可知，信号传播的路径越多，即空间反射越强烈，那么重构后的信号精度越高。

该发明将时间反演技术的特点应用于天线阵列的设计，通过在天线阵列前端设计信号反射腔，然后利用数据采集以及数据存储系统记录反射信号，通过硬件与软件相结合的方式，可以实现上述的发明目的。

附图说明

图1基于信号的空间波束扫描天线系统构成的电路方框图。

图2 波束控制器的电路方框图。

图3 信号反射腔体的结构示意图。

图4 置于微波暗室内的信号控制器中不同信号样式生成实验的方框图。

图5 基于信号的空间波束扫描天线系统设计流程图。

图中：1、腔体输入端口；2、内置发射天线；3、反射体；4、内置发射天线阵列；5、腔体输出端口；6、发射天线；7、微波暗室；8、转台；9、射频天线阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1、2、3、4、5所示，一种基于信号的空间波束扫描天线系统，主要包括：波束扫描控制器、信号反射腔以及射频天线阵列；所述波束扫描控制器通过信号反射腔与射频天线阵列相连；所述波束扫描控制器由波束控制电路、信号存储磁盘阵列、D/A变换电路组成，所述信号存储磁盘阵列通过波束控制电路与数模转换的D/A变换电路相连；波束扫描控制器的波束控制电路，将对应指定空间方位的射频信号传到D/A变换电路进行数模转换；主要通过选择相应波束方位对应的射频信号，然后传递给信号反射腔进行辐射信号的多路径重构，最终实现射频信号向指定空域的辐射。

所述信号反射腔由腔体输入端口1、反射腔体3、腔体输出端口5组成，所述反射腔体内设置有若干多路径反射体3，位于反射腔体的腔体输入端口内设置有信号输入的内置发射天线2，位于反射腔体的腔体输出端口内设置有N端口信号输出的内置发射天线阵列4；信号反射腔主要提供信号的多路径反射，使在腔体输出端口5重构原始辐射信号，进而实现波束在空间指定方位的辐射。

如图1所示，基于信号的空间波束扫描天线系统，主要包括：波束扫描控制器、信号反射腔以及射频天线阵列。波束扫描控制器的结构如图2所示，其功能主要是存储不同形式的射频信号，通过波束控制电路，将对应指定空间方位的射频信号传到D/A变换电路进行数模转换；该发明的核心是信号反射腔，如图3所示。该腔的作用是将辐射信号进行多路径辐射，在腔体输出端口重构原始辐射信号，进而实现波束在空间指定方位的辐射。为了加强腔体内部的反射，增强信号重构精度，腔体内部设计了若干反射体；系统中的射频天线阵列仅需要按照设计工作频点要求，选择市场现有的天线安装使用即可。

一种基于信号的空间波束扫描天线系统的方法，其步骤如下：

第一步，天线系统的硬件设计, 采用基于信号的空间波束扫描天线系统，由波束扫描控制器通过信号反射腔与射频天线阵列相连构成；波束扫描控制器的波束控制电路，将对应指定空间方位的射频信号传到D/A变换电路进行数模转换，主要通过选择相应波束方位对应的射频信号，然后传递给信号反射腔进行辐射信号的多路径重构，最终实现射频信号向指定空域的辐射；即按照图1、图2和图3结构，设计基于信号的空间波束扫描天线阵列硬件系统。由于信号控制器中的信号波形极度依赖硬件的结构，所以首先必须完成系统硬件的设计。

本发明的一个关键步骤是对应空间不同方位的信号波形设计，为了能够在信号反射腔输出端口重构能够实现指定方位辐射所需的信号样式，信号控制器中的信号波形依照下列步骤进行设计：

第二步，原始信号采集实验设置, 如图4所示，将设计好的天线系统置于微波暗室7测试系统内部，

1、将天线系统置于微波暗室7测试系统内部, 即置于微波暗室内的基于信号的空间波束扫描天线系统中的射频天线阵列9作为信号接收设备，置于微波暗室内的另一侧放有内置发射天线6，并保证实验距离满足远场测试条件；

2、置于微波暗室内的信号接收设备通过信号反射腔与数据采集终端连接，用于准备数据采集；其中，该信号反射腔的内部设置有若干反射体，作用是将辐射信号进行多路径辐射，在腔体输出端口重构原始辐射信号，进而实现波束在空间指定方位的辐射；为了加强腔体内部的反射，增强信号重构精度，腔体系统中的射频天线阵列仅需要按照设计工作频点要求选择；

第三步，原始信号采集, 发射天线辐射信号，基于信号的空间波束扫描天线系统接收，并利用数据采集系统采集数据；将采集到的数据存入数据库中，并以发射天线对应天线阵列偏角作为索引；然后通过转台8转动射频天线阵列9，进行下一角度的测量；

第四步，辐射信号生成及存储，将数据采集器采集到的数据进行时域反演，即当辐射角度i=0时，采集、存储角度i时的信号波形，然后进行下一角度测量。存储的信号进行时域反演，反演后的信号存入波束扫描控制器的存储磁盘阵列中；

判断是否完成所需所有角度的测量、存储，当判断为否，返回至采集、存储角度i时的信号波形步骤，继续判断；当判断为是，结束；

时域反演信号处理，即测量的时域数据链中，第一位的数据置于整个数据串的末尾，最后一位数据置于整个数据串的起始位置，以此类推；然后依旧以角度为索引存入波束控制器的信号存储磁盘阵列中，以备以后调用；

最后，在完成信号波形设计及录入工作后，整个系统的软、硬件设计就算完成。使用时，仅需依靠波束扫描控制器，选择对应空间角度的信号样式进行辐射，即可在指定空间方位实现信号的辐射；如果进行不同空间角度信号样式的连续选择，就形成了空间波束的连续扫描；系统设计具体流程如图5所示。

Claims (2)

1.一种基于信号的空间波束扫描天线系统，其特征是：包括：波束扫描控制器、信号反射腔以及射频天线阵列；所述波束扫描控制器通过信号反射腔与射频天线阵列相连；所述波束扫描控制器由波束控制电路、信号存储磁盘阵列、D/A变换电路组成，所述信号存储磁盘阵列通过波束控制电路与数模转换的D/A变换电路相连；波束扫描控制器的波束控制电路，将对应指定空间方位的射频信号传到D/A变换电路进行数模转换；通过选择相应波束方位对应的射频信号，然后传递给信号反射腔进行辐射信号的多路径重构，最终实现射频信号向指定空域的辐射；

所述信号反射腔由腔体输入端口、反射腔体、腔体输出端口组成，所述反射腔体内设置有若干多路径反射体，位于反射腔体的腔体输入端口内设置有信号输入的内置发射天线，位于反射腔体的腔体输出端口内设置有N端口信号输出的内置发射天线阵列；信号反射腔提供信号的多路径反射，使在腔体输出端口重构原始辐射信号，进而实现波束在空间指定方位的辐射。

2.一种实现基于信号的空间波束扫描天线系统的方法，其特征是：其步骤如下：

第一步，天线系统的硬件设计, 采用基于信号的空间波束扫描天线系统，由波束扫描控制器通过信号反射腔与射频天线阵列相连构成；波束扫描控制器的波束控制电路，将对应指定空间方位的射频信号传到D/A变换电路进行数模转换，通过选择相应波束方位对应的射频信号，然后传递给信号反射腔进行辐射信号的多路径重构，最终实现射频信号向指定空域的辐射；

第二步，原始信号采集实验设置,

1）、将天线系统置于微波暗室测试系统内部, 即置于微波暗室内的基于信号的空间波束扫描天线系统中的射频天线阵列作为信号接收设备，置于微波暗室内的另一侧放有内置发射天线，并保证实验距离满足远场测试条件；

2）、置于微波暗室内的信号接收设备通过信号反射腔与数据采集终端连接，用于准备数据采集；其中，该信号反射腔的内部设置有若干反射体，作用是将辐射信号进行多路径辐射，在腔体输出端口重构原始辐射信号，进而实现波束在空间指定方位的辐射；为了加强腔体内部的反射，增强信号重构精度，腔体系统中的射频天线阵列仅需要按照设计工作频点要求选择；

第三步，原始信号采集, 发射天线辐射信号，基于信号的空间波束扫描天线系统接收，并利用数据采集系统采集数据；将采集到的数据存入数据库中，并以发射天线对应天线阵列偏角作为索引；然后通过转台转动天线阵列，进行下一角度的测量；

第四步，辐射信号生成及存储，将数据采集器采集到的数据进行时域反演，即当辐射角度i=0时，采集、存储角度i时的信号波形，然后进行下一角度测量；存储的信号进行时域反演，反演后的信号存入波束扫描控制器的存储磁盘阵列中；

判断是否完成所需所有角度的测量、存储，当判断为否，返回至采集、存储角度i时的信号波形步骤，继续判断；当判断为是，结束；

时域反演信号处理，即测量的时域数据链中，第一位的数据置于整个数据串的末尾，最后一位数据置于整个数据串的起始位置，以此类推；然后依旧以角度为索引存入波束控制器的信号存储磁盘阵列中，以备以后调用；

最后，使用时，仅需依靠波束扫描控制器，选择对应空间角度的信号样式进行辐射，即可在指定空间方位实现信号的辐射；如果进行不同空间角度信号样式的连续选择，就形成了空间波束的连续扫描。