CN104092486B - 用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统，其包括：多个天线阵元；多个T/R组件，用于对发射和接收信号进行幅度和相位加权；多通道收发信机，用于对发射信号进行等幅同相分配以及对接收信号进行等幅同相合成；波束参数库，用于存储形成全口径宽波束形状所对应的幅度和相位参数；波束控制器，用于根据外部输入的收发指向信息而调用幅度和相位参数并发送给T/R组件。同时，本发明还公开了一种依托上述系统的方法。本发明通过幅度和相位加权的方式，在宽角度范围内，实现了全部阵元参与的发射和接收，突破了常规相控阵天线系统只能进行高指向性收发的局限，从而提高了收发单元(即T/R组件)的利用率及其统一性。
Description
技术领域
本发明涉及大型海上固定或移动平台宽带无线电通信技术领域，具体涉及一种用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统和方法，其适用于需要在广播发射模式与定向收发模式之间快速切换的应用系统，如以TDD方式工作的海上宽带数据网络、海上作业平台宽带接入系统等。
背景技术
大型海上平台包括二种类型，其中一种是相对固定的石油钻井平台等海洋工程作业平台，另一种是移动的大型水面舰船。由这些节点组成的无线通信系统具有网络拓扑时变的特点，并且承载平台也在不停地摇摆中，因此早期海上通信系统普遍采用全向天线，而不能采用增益更高、抗干扰能力更强的高指向性天线。近年来相控阵天线技术和阵列信号数字处理技术被引入海上无线电通信系统，通过波束指向控制，在以点对点方式传输的系统中，可以采用较大口径的相控阵天线，实现高增益的同时还能获得高指向性，对于从非通信方向到达的干扰信号在天线端即得到抑制，显著提高了系统综合性能。但是由于阵列口径越大增益越高，相应的波束宽度越窄，这种直接把“经典”的相控阵技术搬到海上平台的方法只适用于“点对点”传输模式，当信息需要从一个节点分发到多个节点时，就要分多次进行“瞄准式”发射。显然，在系统节点规模达到一定数量时，会造成通信效率的大幅度下降。
在需要进行广播发射的相控阵系统中，会采取变通的方式，即定向收发时以全口径工作，阵列中所有单元都参与收发，而需要宽波束广播发射时，则关闭阵列的大部分单元，只保留一小部分单元工作，这样天线实际口径减小，增益降低，从而波束变宽，能够同时对不同方向的平台实施通信。这样做的代价是一方面阵列中大多数收发单元(即T/R组件)的能力未被利用，另一方面还需要大幅增加对继续工作的那一小部分阵元的激励，以补偿因口径减小引起的增益下降，而且需要使用二种不同功率容量的收发组件，带来互换性、工艺一致性、成本控制等一系列问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可以提高收发单元利用率并形成其统一性的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统和方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统，其包括：
多个天线阵元，用于向空间辐射和感应无线电电磁能量；
多个T/R组件，用于对发射和接收信号进行双向的放大，并且对发送给天线阵元的激励信号进行幅度和相位加权；
多通道收发信机，用于对激励信号中的发射信号进行等幅同相分配以及对激励信号中的接收信号进行等幅同相合成；
波束参数库，用于存储形成全口径宽波束形状所对应的幅度和相位参数；
波束控制器，用于根据外部输入的收发指向信息而调用幅度和相位参数并发送给T/R组件，从而实现全口径宽波束的形状。
优选地，上述的波束参数库中至少一组幅度和相位参数的幅度加权系数包括多个取值介于0.707-1之间的系数、相位加权系数包括多个非规则的系数，一个幅度加权系数对应一个相位加权系数，构成多对幅度和相位加权系数。
进一步地，上述的多通道收发信机还用于对常规无线电通信信号的滤波、放大和/或变频处理。
用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的方法，其包括以下步骤：
1)多通道收发信机收发各个天线阵元的激励信号，并等幅同相分配其中的发射信号和等幅同相合成其中的接收信号；
2)多通道收发信机根据激励信号而向波束控制器输入接收来波信息，波束控制器从波束参数库内调用多组幅度和相位参数，并各发送至多组T/R组件；
3)T/R组件对激励信号进行幅度和相位加权，驱使多个天线阵元形成整个相控阵阵面的全口径宽角收发波束。
优选地，上述的第2)步骤中，多组幅度和相位参数中，至少一组幅度和相位参数的幅度加权系数包括多个取值介于0.707-1之间的系数、相位加权系数包括多个非规则系数，一个幅度加权系数对应一个相位加权系数，构成多对幅度和相位加权系数。
进一步地，上述的第1)和/或2)步骤中，多通道收发信机还用于对常规无线电通信信号的滤波、放大和/或变频处理。
采用上述技术方案的有益效果在于：本发明通过在空间排列多个天线阵元，并且对各阵元的激励信号进行幅度和相位加权，使空间电磁辐射集中在需要的方向，接收过程则与之对偶，通过对各阵元输出的信号进行幅相加权后再合成，使得从需要的方向到达的无线电信号得到叠加加强，而从其它方向到达的信号则不能保证同相叠加而部分或全部抵消，这样大量低增益天线组成阵列的结果，就得到了需要的高增益收发天线。本发明在常规相控阵天线系统的基础上，通过幅度和相位加权的方式，在宽角度范围内，实现了全部阵元参与的宽角发射和接收，突破了常规相控阵天线系统在全口径条件下只能进行高指向性收发的局限，从而提高了收发单元(即T/R组件)的利用率及其统一性。
附图说明
图1为本发明的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统的结构框图。
图2为采用等幅同相激励的幅度和相位加权系数的曲线图。
图3为采用等幅等相差激励的幅度和相位加权系数的曲线图。
图4为采用本发明的幅度和相位加权系数的曲线图。
其中，1.天线阵元2.T/R组件3.多通道收发信机4.波束参数库5.波束控制器。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，如图1所示，在本发明的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统的其中一种实施方式中，其包括：多个天线阵元1，用于向空间辐射和感应无线电电磁能量，天线阵元1的数量可以根据实际需要作出变通；多个T/R组件2，用于对发射和接收信号进行双向的放大，并且对发送给天线阵元的激励信号进行幅度和相位加权，T/R组件2的数量等于天线阵元1的数量；多通道收发信机3，用于对激励信号中的发射信号进行等幅同相分配以及对激励信号中的接收信号进行等幅同相合成；波束参数库4，用于存储形成全口径宽波束形状所对应的幅度和相位参数；波束控制器5，用于根据外部输入的收发指向信息而调用幅度和相位参数并发送给T/R组件，从而实现全口径宽波束的形状。
本实施例中，本系统通过在空间排列多个天线阵元，并且对各阵元的激励信号进行幅度和相位加权，使空间电磁辐射集中在需要的方向，接收过程则与之对偶，通过对各阵元输出的信号进行幅相加权后再合成，使得从需要的方向到达的无线电信号得到叠加加强，而从其它方向到达的信号则不能保证同相叠加而部分或全部抵消，这样大量低增益天线组成阵列的结果，就得到了需要的高增益收发天线。本发明在常规相控阵天线系统的基础上，通过幅度和相位加权的方式，在宽角度范围内，实现了全部阵元参与的发射和接收，突破了常规相控阵天线系统只能进行高指向性收发的局限，从而提高了收发单元(即T/R组件)的利用率及其统一性。
下面的表1-3给出了三组一维线阵的权系数示例，其中表1以及图2表示的是等幅同相激励的幅度和相位加权系数，表2以及图3表示的是采用等幅等相差激励的幅度和相位加权系数，该两组系数可以在需要的方向上得到高指向性收发波束。表3以及图4表示的是采用本发明技术的幅度和相位加权系数，其在同样的阵列上实现了全口径宽波束收发。根据图2-3所示，可以看到，三组加权系数作用于由25个对称振子构成一维线阵的波束形状，在二个正交的方向采用同样的方法，就可以实现二维波束控制。
表1：25单元一维线阵、等幅同相加权系数
表2：25单元一维线阵、等幅等相差加权系数
表3：25单元一维线阵、全口径宽波束幅相加权系数
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，波束参数库中一组或者多组幅度和相位参数的幅度加权系数包括多个取值介于0.707-1之间的系数、相位加权系数包括多个随机任意取值的系数，一个幅度加权系数对应一个相位加权系数，构成多对幅度和相位加权系数，即如表3和图4所示的那样。
本实施例中，与一般相控阵收发系统不同的是，本发明在波束参数库中多存储了一组全口径宽波束参数，当需要进行广播发射(或广角接收)时，只需要简单地调用该组波束参数对T/R组件进行幅相加权，就能得到宽角发射(或接收)波束，从而突破一般大口径相控阵在全口径条件下只能进行高指向性定向收发的局限。本发明还将控制幅度加权系数设定为不小于特定的数值(通常为0.707，即功率利用系数不小于-3dB)，以保证每一个T/R组件的功率容量得到充分发挥，同时每一个天线阵元都得到充分的激励，从而保证了整个相控阵阵面的实际利用系数不会因幅度加权而大幅度下降，做到了通过控制幅度加权系数而实现“全口径”收发的目的。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，多通道收发信机还用于对常规无线电通信信号的滤波、放大和/或变频处理，当然也可以包括其他已知的常规无线电通信信号的处理方式，扩大本发明的使用范围。
为了达到本发明的目的，在本发明的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的方法的其中一种实施方式中，其包括以下步骤：
1)多通道收发信机收发各个天线阵元的激励信号，并等幅同相分配其中的发射信号和等幅同相合成其中的接收信号；
2)多通道收发信机根据激励信号而向波束控制器输入接收来波信息，波束控制器从波束参数库内调用多组幅度和相位参数，并各发送至多组T/R组件；
3)T/R组件对激励信号进行幅度和相位加权，驱使多个天线阵元形成整个相控阵阵面的全口径宽角收发波束。
本实施例中，本方法通过在空间排列多个天线阵元，并且对各阵元的激励信号进行幅度和相位加权，使空间电磁辐射集中在需要的方向，接收过程则与之对偶，通过对各阵元输出的信号进行幅相加权后再合成，使得从需要的方向到达的无线电信号得到叠加加强，而从其它方向到达的信号则不能保证同相叠加而部分或全部抵消，这样大量低增益天线组成阵列的结果，就得到了需要的高增益收发天线。本发明在常规相控阵天线系统的基础上，通过幅度和相位加权的方式，在宽角度范围内，实现了全部阵元参与的发射和接收，突破了常规相控阵天线系统在全口径条件下只能进行高指向性收发的局限，从而提高了收发单元(即T/R组件)的利用率及其统一性。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的方法的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，第2)步骤中，多组幅度和相位参数中，一组或者多组幅度和相位参数的幅度加权系数包括多个取值介于0.707-1之间的系数、相位加权系数包括多个非规则的系数，一个幅度加权系数对应一个相位加权系数，构成多对幅度和相位加权系数，即如表3和图4所示的那样。
本实施例中，与一般相控阵收发系统不同的是，本发明在波束参数库中多存储了一组全口径宽波束参数，当需要进行广播发射(或广角接收)时，只需要简单地调用该组波束参数对T/R组件进行幅相加权，就能得到宽角发射(或接收)波束，从而突破一般大口径相控阵在全口径条件下只能进行高指向性定向收发的局限。本发明还将控制幅度加权系数设定为不小于特定的数值(通常为0.707，即功率利用系数不小于-3dB)，以保证每一个T/R组件的功率容量得到充分发挥，同时每一个天线阵元都得到充分的激励，从而保证了整个相控阵阵面的实际利用系数不会因幅度加权而大幅度下降，做到了通过控制幅度加权系数而实现“全口径”收发的目的。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的方法的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，第1)和/或2)步骤中，多通道收发信机还用于对常规无线电通信信号的滤波、放大和/或变频处理，当然也可以包括其他已知的常规无线电通信信号的处理方式，扩大本发明的使用范围。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统，其特征在于，包括：
多个天线阵元，用于向空间辐射和感应无线电电磁能量；
多个T/R组件，用于对发射和接收信号进行双向的放大，并且对发送给所述天线阵元的激励信号进行幅度和相位加权；
多通道收发信机，用于对所述激励信号中的发射信号进行等幅同相分配以及对所述激励信号中的接收信号进行等幅同相合成；
波束参数库，用于存储形成全口径宽波束形状所对应的幅度和相位参数；
波束控制器，用于根据外部输入的收发指向信息而调用所述幅度和相位参数并发送给所述T/R组件，从而实现全口径宽波束的形状。
2.根据权利要求1所述的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统，其特征在于，所述波束参数库中至少一组幅度和相位参数的幅度加权系数包括多个取值介于0.707-1之间的系数、相位加权系数包括多个非规则的系数，一个所述幅度加权系数对应一个所述相位加权系数，构成多对幅度和相位加权系数。
3.根据权利要求1或2所述的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的系统，其特征在于，所述多通道收发信机还用于对常规无线电通信信号的滤波、放大和/或变频处理。
4.用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)多通道收发信机收发各个天线阵元的激励信号，并等幅同相分配其中的发射信号和等幅同相合成其中的接收信号；
2)所述多通道收发信机根据所述激励信号而向波束控制器输入接收来波信息，所述波束控制器从波束参数库内调用多组幅度和相位参数，并各发送至多组T/R组件；
3)所述T/R组件对所述激励信号进行幅度和相位加权，驱使所述多个天线阵元形成整个相控阵阵面的全口径宽角收发波束。
5.根据权利要求4所述的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的方法，其特征在于，所述第2)步骤中，所述多组幅度和相位参数中，至少一组幅度和相位参数的幅度加权系数包括多个取值介于0.707-1之间的系数、相位加权系数包括多个非规则的系数，一个所述幅度加权系数对应一个所述相位加权系数，构成多对幅度和相位加权系数。
6.根据权利要求4或5所述的用于实现相控阵天线全口径宽角收发波束的方法，其特征在于，所述第1)和/或2)步骤中，所述多通道收发信机还用于对常规无线电通信信号的滤波、放大和/或变频处理。
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