CN104407626A - 一种相控阵天线的控制方法、装置、系统及频谱检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于通信领域，提供了一种相控阵天线的控制方法、装置、系统及频谱检测设备。所述方法包括：接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；根据所述命令码和数据码对天线进行设置。本发明可快速完成天线的设置，使其能快速高效的切换天线波束。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种相控阵天线的控制方法、装置、系统及频谱检测设备。
背景技术
在无线电通信中，天线主要完成导行波(或高频电流)与空间电波能量之间的转换，是一个能量转换器，它有四项最基本的功能：1、天线是一个良好的电磁开放系统，它要能够与它的源或负载匹配；2、天线具有方向性特性；3、天线能发射或接收预定极化的电磁波；4、天线具有一定的工作频率范围。
天线的形式有很多，有多种不同的分类方法，例如分为双频天线、定向天线、相控阵天线等。现有技术的相控阵天线存在以下缺点，如控制协议复杂，运算量大，设置天线时间比较长，达不到快速设置功率、切换波束方向、波束宽度的要求。
无线电技术宽带化发展，频谱监测管理需求不断增加。频谱检测设备通过实时感知频谱占用情况，对寻找无线电频谱感知实时监控指导意义重大。相控阵天线的设计是频谱检测设备能否实现的关键、基础部件。
天线主要用于对空中的无线电波信号进行接收，将接收到的电波信号转变为射频电信号后，通过频谱检测设备测量得到信号的基本参数。如：频率、幅值、带宽、调制方式等。天线作为频谱检测设备的信号接收部分，其设计好与坏是频谱监测的关键环节。而现有技术的相控阵天线存在控制协议复杂，运算量大，设置天线时间比较长，达不到快速设置功率、切换波束方向、波束宽度的要求的问题，因此无法满足频谱检测设备的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相控阵天线的控制方法、装置、系统及频谱检测设备，旨在解决相控阵天线存在控制协议复杂，运算量大，设置天线时间比较长，达不到快速设置功率、切换波束方向、波束宽度的要求的问题。
第一方面，本发明提供了一种相控阵天线的控制方法，所述方法包括：
接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；
对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；
根据所述命令码和数据码对天线进行设置。
第二方面，本发明提供了一种相控阵天线的控制装置，所述装置包括接收模块、分析模块和设置模块，其中，
接收模块用于接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；
分析模块用于对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；
设置模块用于根据所述命令码和数据码对天线进行设置。
第三方面，本发明提供了一种相控阵天线的控制系统，所述系统包括存储及计算控制模块和分别与存储及计算控制模块连接的输入模块、通信接口、显示模块和相控阵天线，其中，
存储及计算控制模块用于从通信接口接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码，对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码，根据所述命令码和数据码对相控阵天线进行设置。
第四方面，本发明提供了一种包括上述的相控阵天线的控制系统的频谱检测设备。
在本发明中，由于相控阵天线的控制系统接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；根据所述命令码和数据码对天线进行设置。因此可快速完成天线的设置，使其能快速高效的切换天线波束。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的相控阵天线的控制方法的流程图。
图2是本发明实施例一提供的相控阵天线的控制方法中，天线辐射方向图。
图3是本发明实施例二提供的相控阵天线的控制装置的示意图。
图4是本发明实施例三提供的相控阵天线的控制系统的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
请参阅图1，本发明实施例一提供的相控阵天线的控制方法包括以下步骤：
S101、接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；
在本发明实施例一中，所述天线设置数据帧的结构具体如表1所示：
表1天线设置数据帧的结构表
| 2byte | 2byte | 1byte | 1byte | 2byte | 2byte | |
| 帧头 | 数据长度 | 命令码 | 数据码 | … | 校验码 | 帧尾 |
其中，帧头、帧尾(0x007E)代表天线设置数据帧的开始和结束；数据长度为一帧数据中命令码和数据码的字节数；省略号为可同时设定多个命令码和数据码的组合；校验码为数据长度、命令码、数据码等字节累加和结果，低字节在前，高字节在后。
由于天线设置数据帧包括验证码，因此大大降低通信数据的出错率，提高系统运行稳定性。
在本发明实施例一中的命令码如表2所示：
表2命令码与天线控制设置命令的对应关系表
| 天线控制设置命令 | 命令码 |
| 固定波束设定 | 0x00 |
| 扫描波束设定 | 0x01 |
| 扫描区间 | 0x02 |
| 功率0～30dB | 0x03 |
| 相位开关衰减器组设定 | 0x04 |
| 停止扫描 | 0xFF |
| 继续扫描 | 0xFE |
| 波束宽度查询 | 0x10 |
| 步进角度查询 | 0x11 |
| 当前扫描角度查询 | 0x12 |
在本发明实施例一中的数据码如表3所示：
表3数据码与功能的对应关系表
| 功能 | 数据码 |
| 全向波束控制字 | 0x00 |
| 波束宽度20°，步进角度7.5°,固定角0°～360° | 0x01～0x30 |
| 波束宽度60°，步进角度22.5°,固定角0°～360° | 0x31～0x40 |
| 波束宽度40°，步进角度22.5°,固定角0°～360° | 0x41～0x50 |
| 功率0～30dB | 0x00～0x1E |
| 空字节 | 0xFF |
结合命令码和数据码表的组合，可对相控阵天线进行扫描方式、波束宽度以及步进角度的设定，组合如表4-9所示。鉴于天线设置数据帧的要求必须是命令码和数据码的组合，所以停止扫描命令码、继续扫描命令码、波束宽度查询命令码、步进角度查询命令码、当前扫描角度查询命令码将于空码0xFF组合。
表4固定角度检测设置
| 命令码 | 数据码 | 功能 |
| 0x00 | 0x00 | 天线全向角度 |
| 0x00 | 0x01～0x30 | 波束宽度20°,固定角0°～360°(单位角度7.5°) |
| 0x00 | 0x31～0x40 | 波束宽度60°,固定角0°～360°(单位角度22.5°) |
| 0x00 | 0x41～0x50 | 波束宽度40°,固定角0°～360°(单位角度22.5°) |
表5扫描波束设置
| 命令码 | 数据码 | 功能 |
| 0x01 | 0x01～0x30 | 波束宽度20°,步进角度7.5° |
| 0x01 | 0x31～0x40 | 波束宽度60°,步进角度22.5° |
| 0x01 | 0x41～0x50 | 波束宽度40°,步进角度22.5° |
| 0x02 | 0x01～0x30 | 波束宽度20°,固定角0°～360°(单位角度7.5°) |
| 0x02 | 0x31～0x40 | 波束宽度60°,固定角0°～360°(单位角度22.5°) |
| 0x02 | 0x41～0x50 | 波束宽度40°,固定角0°～360°(单位角度22.5°) |
表6功率设置
| 命令码 | 数据码 | 功能 |
| 0x03 | 0x00～0x1E | 功率0～30dB |
表7相位开关衰减器组设置
| 命令码 | 阵元号 | 数据码 | 功能 |
| 0x04 | 0x00～0x1F | 0x00～0x0F | 阵元号开/关、相位值、衰减值 |
表8相位开关衰减器组设定
| 阵元号 | 功能 |
| 0x00～0x1F | 圆环形相控阵天线系统单个天线编号 |
表9相位开关衰减器数据码控制字定义
| bit | 功能 |
| 7 | 衰减器第二位“0”：无，“1”：衰减6dB |
| 6 | 衰减器第一位“0”：无，“1”：衰减3dB |
| 5 | 移相器第五位“0”：无，“1”：移相180° |
| 4 | 移相器第四位“0”：无，“1”：移相95° |
| 3 | 移相器第三位“0”：无，“1”：移相45° |
| 2 | 移相器第二位“0”：无，“1”：移相22.5° |
| 1 | 移相器第一位“0”：无，“1”：移相11.25° |
| 0 | 相位开关衰减器开关“0”：关，“1”：开 |
针对不同的检测场景可以设定相应的命令组合。以下列举几个比较典型的例子。
例1需要全向检测当前位置频率时，可向相控阵天线系统输入以下帧。
0x7E0x00 0x02 0x00 0x00 0x00 0x02 0x00 0x7E0x00
例2固定检测方式，波束宽度20°、当前位置15°角方向频率时，可向相控阵天线系统输入以下帧。
0x7E0x00 0x02 0x00 0x00 0x03 0x05 0x00 0x7E0x00
例3从例2切换到检测当前位置30°角方向频率时，可向相控阵天线系统输入以下帧。
0x7E0x00 0x02 0x00 0x00 0x05 0x07 0x00 0x7E0x00
例4扫描方式检测，波束宽度20°、步进角度7.5°、扫描当前位置0°～180°时，可向相控阵天线系统输入以下帧。
0x7E0x00 0x04 0x00 0x01 0x00 0x01 0x19 0x1F0x00 0x7E0x00
例5从例4切换扫描区间180o～360o，可向相控阵天线系统输入以下帧。
0x7E0x00 0xff0x00 0x04 0x19 0x02 0x31 0x52 0x00 0x7E0x00
例6设定相控阵天线输出功率10dB,可向相控阵天线系统输入以下帧。
0x7E0x00 0x02 0x00 0x03 0x0A0x0F0x00 0x7E0x00
例7设定相控阵天线输出功率波瓣宽度24度裂瓣夹角90度。
阵元号：0x0E 0x0F 0x00 0x01 0x02
衰减：3dB 6dB 6dB 6dB 3dB
相位：0o 33.75o 180o 33.75o 0o
当相控阵天线接收到以下天线设置数据帧时，0x7E0x00 0x14 0x00 0x0E0x41 0x0F0x87 0x00 0xA1 0x01 0x87 0x02 0x41 0x28 0x05 0x7E0x00，实现天线辐射方向图如图2所示。
在本发明实施例一中，S101之后所述方法还包括以下步骤：
判断所述天线设置数据帧是否正确，如果是，则执行S102，否则要求重传。
S102、对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；
S103、根据所述命令码和数据码对天线进行设置。
在本发明实施例一中，S103之后所述方法还包括以下步骤：
显示根据所述命令码和数据码对天线进行设置后的相控阵天线的状态。
在本发明实施例一中，由于相控阵天线的控制系统接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；根据所述命令码和数据码对天线进行设置。因此可快速完成天线的设置，使其能快速高效的切换天线波束。
实施例二：
请参阅图3，本发明实施例二提供的相控阵天线的控制装置包括：接收模块11、分析模块12和设置模块13，其中，
接收模块11用于接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；
在本发明实施例二中，所述天线设置数据帧的结构具体如表1所示：
其中，帧头、帧尾(0x007E)代表天线设置数据帧的开始和结束；数据长度为一帧数据中命令码和数据码的字节数；省略号为可同时设定多个命令码和数据码的组合；校验码为数据长度、命令码、数据码等字节累加和结果，低字节在前，高字节在后。
由于天线设置数据帧包括验证码，因此大大降低通信数据的出错率，提高系统运行稳定性。
分析模块12用于对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；
设置模块13用于根据所述命令码和数据码对天线进行设置。
在本发明实施例二中，相控阵天线的控制装置还可以包括判断模块，用于判断所述天线设置数据帧是否正确，如果是，则由分析模块12对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码，否则要求重传。
在本发明实施例二中，相控阵天线的控制装置还可以包括显示模块，用于显示根据所述命令码和数据码对天线进行设置后的相控阵天线的状态。
在本发明实施例二中，由于相控阵天线的控制系统接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；根据所述命令码和数据码对天线进行设置。因此可快速完成天线的设置，使其能快速高效的切换天线波束。
实施例三：
请参阅图4，本发明实施例三提供的相控阵天线的控制系统包括：存储及计算控制模块21和分别与存储及计算控制模块21连接的输入模块22、通信接口23、显示模块24和相控阵天线25，其中，
存储及计算控制模块21用于从通信接口23接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码，对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码，根据所述命令码和数据码对相控阵天线25进行设置；
在本发明实施例三中，从通信接口23接收天线设置数据帧之后所述存储及计算控制模块21还可以用于判断所述天线设置数据帧是否正确，如果是，则对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码，否则要求重传。
在本发明实施例三中，所述天线设置数据帧的结构具体如表1所示：
其中，帧头、帧尾(0x007E)代表天线设置数据帧的开始和结束；数据长度为一帧数据中命令码和数据码的字节数；省略号为可同时设定多个命令码和数据码的组合；校验码为数据长度、命令码、数据码等字节累加和结果，低字节在前，高字节在后。
由于天线设置数据帧包括验证码，因此大大降低通信数据的出错率，提高系统运行稳定性。
在本发明实施例三中，为减少相控阵天线的控制系统实时计算波束宽度和步进角度的系统资源，提高相控阵天线的控制系统波束切换和功率切换效率，相控阵天线的控制系统采用查表方式切换。波束切换采用3种固定波束角度、2种固定步进角的查表方式切换波束。存储及计算控制模块21存储了天线工作频段(高频、低频)即(2.4GHz频段、5.8GHz频段)、波束宽度(20°、40°、60°)、旋转步进角度(7°、22.5°)以及功率控制(10mW～1000mW)的数据码。存储及计算控制模块21通过通信接口23接收的数据码设定出对应的频段天线波束宽度、天线波束位置角度、以及天线功率，从而反馈给频谱检测设备天线波束宽度、天线波束位置以及功率覆盖区域数据。
在本发明实施例三中，存储及计算控制模块21存储了3种常规天线波束宽度角、81种天线波束方向角和31种功率模式，使该相控阵天线的控制系统能高效快速的切换所需天线方向类型和功率模式。
在本发明实施例三中，存储及计算控制模块21可自动对固定的天线波束宽度角和天线波束方向角设定自动轮询扫描模式。
由于在固定角度模式没有角度，相控阵天线的控制系统可通过对相控阵天线25的移相开关衰减器组进行直接设定，可自由设定出需要的天线波束宽度角和天线波束方向角。
输入模块22包括键盘和/或触摸屏；
通信接口23包括USB接口和/或串口，串口例如RS232接口，使用USB或串口是为了便于嵌入式系统的接入；
相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化，数字式移相器的移相值是离散的，只能是360×(1/2)^n的整数倍，式中n是数字式移相器的位数。例如3位数字式移相器的移相值只能是45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
在本发明实施例三中，相控阵天线25可以采用双频段相控阵天线，天线阵列使用圆环形16阵元结构,扫描精度精度+/-4度，扫描步长+/-7度，功率控制范围0～30dB，精度+/-1dB。天线极化为垂直极化，工作方式为水平程控扫描，垂直面固定波束。波束扫探测方式有两种：(1)固定波束宽度，固定波束角度检测。(2)固定波束宽度，设定扫描角度区间，以步进角度为累计单位角循环扫描检测。设置波束扫描方式通过通信接口23，对波束扫描方式设定。固定波束宽度，固定波束角度探测命令切换波束时间小于1ms，扫描方式探测切换波束时间小于20us。
双频段圆环相控阵天线技术指标如表10所示。
表10双频段圆环相控阵天线技术指标
在本发明中，由于相控阵天线的控制系统接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；根据所述命令码和数据码对天线进行设置。因此可快速完成天线的设置，使其能快速高效的切换天线波束。另外，由于存储及计算控制模块存储了3种常规天线波束宽度角、81种天线波束方向角和31种功率模式，避免客户端投入大量的计算分析相控阵天线阵元的组合数值，节约客户端计算资源，使该相控阵天线的控制系统能高效快速的切换所需天线方向类型和功率模式。再者，通过相控阵天线的控制系统的通信接口，使用天线设置数据帧对相控阵天线进行相应的波束设定、扫描控制，通过对相控阵天线的设定信息和查询信息分析计算可获取当前检测频率的方向，区域和功率信息。
本发明实施例还提供一种包括本发明实施例三提供的相控阵天线的控制系统的频谱检测设备。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种相控阵天线的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；
对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；
根据所述命令码和数据码对天线进行设置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收天线设置数据帧之后所述方法还包括：
判断所述天线设置数据帧是否正确，如果是，则执行所述对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述命令码和数据码对天线进行设置之后所述方法还包括：
显示根据所述命令码和数据码对天线进行设置后的相控阵天线的状态。
4.一种相控阵天线的控制装置，其特征在于，所述装置包括接收模块、分析模块和设置模块，其中，
接收模块用于接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码；
分析模块用于对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码；
设置模块用于根据所述命令码和数据码对天线进行设置。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括判断模块，用于判断所述天线设置数据帧是否正确，如果是，则由分析模块对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括显示模块，用于显示根据所述命令码和数据码对天线进行设置后的相控阵天线的状态。
7.一种相控阵天线的控制系统，其特征在于，所述系统包括存储及计算控制模块和分别与存储及计算控制模块连接的输入模块、通信接口、显示模块和相控阵天线，其中，
存储及计算控制模块用于从通信接口接收天线设置数据帧，所述天线设置数据帧包括用于表示天线控制设置命令的命令码和用于表示天线的设置数据的数据码，对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码，根据所述命令码和数据码对相控阵天线进行设置。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，从通信接口接收天线设置数据帧之后所述存储及计算控制模块还用于判断所述天线设置数据帧是否正确，如果是，则对所述天线设置数据帧进行分析，提取命令码和数据码。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述相控阵天线的控制系统采用查表方式切换波束和功率。
10.一种包括权利要求7至9任一项所述的相控阵天线的控制系统的频谱检测设备。
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