CN103794881B - 一种极化自匹配波束反向方法 - Google Patents

Abstract

一种极化自匹配波束反向方法，针对微波能量传输、携能通信等系统中当接收端天线极化方式对于发射端未知或者接收端由于位置移动或旋转运动导致极化方向发生改变时，收发两端的天线极化方式不匹配，链路损耗增大影响能量或信息传输效率的问题，首先通过发射端天线阵列的双馈方形贴片双极化天线单元接收导引信号，两接收支路中的一路通过180°延迟线，使得两路信号相位差翻转，完成极化旋转再馈入双极化天线发射，同时通过分次混频的方式接收导引信号获取共轭的相位分布使发射波束自适应的对准接收端。本发明方法不需要接收端的位置信息和接收天线的极化方式等先验知识，可使反向阵列产生与导引信号方向一致、极化方式正交的发射波束，实现双工工作。

Description

一种极化自匹配波束反向方法

技术领域

本发明属于微波通信领域，涉及一种天线波束的反向方法，用于能量或信息接收端形成自适应的极化匹配和方向精确对准的天线波束。

背景技术

在移动通信、微波能量传输、携能通信等系统中，除了需要使发射天线阵列合成后的波束精确对准接收单元之外，还需要收发两端的天线极化方式相匹配，由此才能实现高效的能量或信息传输。

反向天线阵列可以在不需要接收端位置信息的情况下，利用接收端发送的导引信号，将波束准确的对准接收端。通过相位共轭的混频器使阵列接收信号的相位分布翻转的方法来实现反向阵列。在反向天线阵列中天线的极化特性可以用来进行双工操作，在这种情况下系统中通常会使用双极化天线。反向波束的极化方式可与导引信号相同或正交，这取决于接收端天线的极化状态。但是在未知接收端天线状态的情况下很难确定反向波束的极化方式，同时由于收发两端的位置变化和旋转运动还将导致收发极化失配、损耗增加的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种极化自匹配波束反向方法，在不需要接收端的位置信息和接收天线的极化方式等先验知识的情况下，使得反向阵列可以产生与导引信号方向一致、极化方式正交的发射波束，解决由于收发两端天线极化方式未知、位置变化、旋转运动导致的极化失配问题。

本发明的技术解决方案是：一种极化自匹配波束反向方法，步骤如下：

（1）将接收端天线移动到发射端天线阵列远场的所需目标方向处，接收端天线发送导引信号；

（2）发射端天线阵列中的各双极化天线单元分别接收导引信号，每一个双极化天线接收单元将接收到的导引信号均分为两个接收支路，分别为第一接收支路和第二接收支路；

（3）对于每一个双极化天线接收单元均执行以下步骤：

（31）利用本振产生与导引信号频率相同的本振信号，将本振信号与第一接收支路的信号进行混频得到第一混频信号，将本振信号与第二接收支路的信号进行混频得到第二混频信号；

（32）分别对第一混频信号和第二混频信号进行低通滤波，然后将本振信号再次与经过低通滤波的第一混频信号进行混频得到第三混频信号，将本振信号再次与经过低通滤波的第二混频信号进行混频得到第四混频信号；

（33）将第三混频信号或者第四混频信号中的一路信号经过180度延时线后，将一路经过延时的信号和一路未经过延时的信号同时馈入双极化天线单元形成发射信号；

（4）发射端天线阵列中的各双极化天线单元发出的发射信号在空间进行合成，由此形成与导引信号来波方向相反、极化正交的发射波束。

所述的双极化天线单元为双馈方形贴片双极化天线，通过对其相邻两边进行不同的馈电配置获得不同极化方式的辐射波。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法通过合理分布双馈双极化贴片天线阵列馈电位置，利用180°延迟线实现极化旋转，利用导引信号分次混频实现相位共轭的方法，可以对任意方向、任意极化的导引信号形成极化自匹配的反向波束。该方法还通过分次混频的方式，降低了本振频率，减小了相位误差，提高了反向精度和极化方式匹配精度。本发明方法在不需要接收端的位置信息和接收天线的极化方式等先验知识的情况下，使得反向阵列可以产生与导引信号方向一致、极化方式正交的发射波束，解决由于收发两端天线极化方式未知、位置变化、旋转运动导致的极化失配问题，同时通过极化自匹配正交和波束反向可实现系统自适应全双工工作。

附图说明

图1为极化自匹配波束反向系统原理图；

图2为极化自匹配波束反向系统中接收导引信号与发射波束的关系图；

图3为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，为极化自匹配波束反向系统简图，图中发射端天线阵列各天线单元之间的距离为d，发射端本振频率为f+Δf。接收端发射的导引信号频率为f，发射端接收导引信号与发射波束的关系如图2所示。

在图2中，通过分次混频的外差式电路结构获得接收端位置信息并实现功率合成波束对准和自适应跟踪，通过在连接双极化收发天线的两条路径上移相处理实现发射波束与导引信号的极化正交。每一个双极化天线接收到的导引信号分为两路经过双工器和放大器放大后分别为第一接收支路和第二接收支路。以最为普通的案例当导引信号为圆极化时，两支路的信号分别为cos(2πf+φ₁+90°)和cos(2πf+φ₁)（其中φ₁为该天线单元处的导引信号相位），相位差为90°。利用本振产生与导引信号频率相同的本振信号cos[2π（f+Δf）+φ₀]（为避免干扰使得本振信号与导引信号有一个较小的差频Δf，φ₀为本振相位）。将本振信号与两接收支路分别经过两个混频器进行两次混频（中间分别经过滤波器低通滤波）之后，将其中一路信号经过180度延迟线后，两路的信号分别为cos[2πf+φ₀-φ₁-90°]和cos(2πf+φ₀-φ₁)，相位差变为-90°。将这两路信号同时馈入双极化天线单元的相邻两边形成的发射信号极化方式与导引信号极化方式正交。相邻的天线单元接收到的导引信号相位差为经过上述过程后形成的发射信号相位差也为因此发射端天线阵列中的各双极化天线单元发出的发射信号在空间进行合成，由此形成与导引信号来波方向相反、极化正交的发射波束。

为了实现极化正交的功能，在连接收发双极化天线的其中一个路径上采用了180°延迟线。为了实现准确的极化旋转，减小系统的相位误差十分重要，为此在相位共轭混频的选择上采用了分次混频的办法，降低了本振频率，减小相位误差。当两路同相信号馈入接收天线时，通过延迟线将对发射天线的馈入是两路反相信号，反之亦然。对于圆极化或椭圆极化波来说，该极化自匹配反向系统会将极化旋转方向反向。

本发明方法的流程如图3所示，具体步骤如下：

（1）接收端在发射天线远场中位置θ处发送频率为f的导引信号。

（2）根据阵列天线中各天线单元的间距d，以及导引信号的来波方向θ，可以得到发射端天线的各天线单元接收到的导引信号的波程差为dsinθ，反映到信号的相位差为

（3）发射端天线阵列的各天线单元接收到导引信号，各天线单元均为双馈方形贴片双极化天线。连接双极化天线的两接收支路的其中一路通过180°延迟线，使得两路信号相位差翻转，再馈入双极化天线发射。

若导引信号为垂直或水平极化波，则接收到的两支路信号为同相或反相，经过180°延迟线后两支路相位变为反相或同相，同时馈入双馈方形贴片天线相邻的两边后形成水平或垂直极化波；若导引信号为±45°线极化波，则接收到的两支路中只有一路有信号通过，经过系统路径馈入与原接收支路相邻的贴片边，根据方向贴片天线的极化特性，将形成与导引波束极化垂直的线极化波；若导引信号为左旋或右旋圆极化、椭圆极化波，则两接收支路的相位差为90°，其中一路经过180°延迟线后，两路相位差变为-90°，则发射波束为右旋或左旋圆极化、椭圆极化波。因此对于任意极化方式的导引信号，该系统发射波束的极化方式与导引信号正交。

（4）各天线单元与频率为f+Δf的本振分次混频后得到各天线单元间相位差为Δφ、频率为f的发射信号，形成了与接收导引信号时共轭的相位分布，由此便可使空间功率合成后的发射波束指向接收端的方向实现自适应反向。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种极化自匹配波束反向方法，其特征在于步骤如下：

(1)将接收端天线移动到发射端天线阵列远场的所需目标方向处，接收端天线发送导引信号；

(2)发射端天线阵列中的各双极化天线单元分别接收导引信号，每一个双极化天线接收单元将接收到的导引信号均分为两个接收支路，分别为第一接收支路和第二接收支路；

(3)对于每一个双极化天线接收单元均执行以下步骤：

(31)利用本振产生与导引信号频率相差较小的差频Δf的本振信号，将本振信号与第一接收支路的信号进行混频得到第一混频信号，将本振信号与第二接收支路的信号进行混频得到第二混频信号；

(32)分别对第一混频信号和第二混频信号进行低通滤波，然后将本振信号再次与经过低通滤波的第一混频信号进行混频得到第三混频信号，将本振信号再次与经过低通滤波的第二混频信号进行混频得到第四混频信号；

(33)将第三混频信号或者第四混频信号中的一路信号经过180度延时线后，将一路经过延时的信号和一路未经过延时的信号同时馈入双极化天线单元形成发射信号；

(4)发射端天线阵列中的各双极化天线单元发出的发射信号在空间进行合成，由此形成与导引信号来波方向相反、极化正交的发射波束。

2.根据权利要求1所述的一种极化自匹配波束反向方法，其特征在于：所述的双极化天线单元为双馈方形贴片双极化天线，通过对其相邻两边进行不同的馈电配置获得不同极化方式的辐射波。