CN105337046B - 一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线，该天线包括宽带天线单元、模拟有源子阵、本振馈电网络、数字波束形成器件和卫星通信终端模块等；本发明设计的多波束卫星通信相控阵天线，不仅可以在卫星通信的终端形成多个波束，还可以具备根据空间来波实现自适应波束置零，抗干扰等功能，可满足未来卫星与地面终端的多点通信。本天线系统既可以用于地面终端，又可以用于卫星上转发器的天线终端。

Description

一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线

技术领域

本发明涉及的技术领域涵盖了通信、导航、侦收以及遥控遥测等，具体为一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线。本发明还特别适用于地面或者星上进行卫星通信时，实现信号两端设备进行实施数据交换，可作为卫星信号快速捕获、跟踪、极化选择、多波束形成等功能的卫星通信终端相控阵天线系统。

背景技术

在卫星通信时，目前我们国家的地面终端天线往往采用传统的反射面、平板阵列或者模拟有源的相控阵天线，这些天线在卫星通信信号的建立中起到了巨大的作用。但主流的天线技术只能形成一个波束，无法同时跟踪多颗卫星信号，这使得用户的受到限制。随着我们国家卫星事业的发展，卫星的数量逐渐增多，以往单一的卫星链路的建立已经逐渐不再适应其发展需要，不管是军用还是民用，都对卫星通信的多点同时通信提出了较高的要求。

而数字多波束相控阵天线在雷达领域已经逐渐发展起来，但是在卫星通信领域，由于受到卫星终端设备以及卫星通信系统特殊要求的限制，发展较为缓慢，因此快速高效的发展具有灵活捷变数字波束的相控阵卫星通信天线也成为了各方的研制热点。单元级的数字波束形成技术所需的设备量多，功耗大，成本高，不利于进行工程化实现。

在卫星通信时，通过数字多波束天线，可以方便的实现一个终端设备与多颗卫星进行实施通信，并通过后端的卫星通信终端设备灵活的选择波束，并根据需要进行波束的置零，可实现抗干扰能力，提高通信质量。

发明内容

本发明的目的在于避免传统天线单波束的限制，突破一个终端连接多颗卫星的能力，提供一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线系统，该系统具有多波束形成能力、波束具有可选择能力，波束自适应置零能力，可实现快速跟踪多个卫星等优点，具有很高的工程应用前景。

本发明所采用的技术方案为：

1.一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线，包括天线单元1，模拟有源子阵2，用于对天线单元接收的信号进行放大、移相、滤波、下变频和电光转换，输出光信号；对数字波束形成器件输出的光信号进行光电转换、上变频、滤波、移相和放大，之后输出至天线单元；本振馈电网络3，用于对卫星通信终端模块输出的本振信号进行分配并输出至模拟有源子阵；数字波束形成器件4，用于对模拟有源子阵输出的光信号进行光电转换和接收多波束形成；对卫星通信终端模块输出的调制信号生成发射多波束并进行电光转换；卫星通信终端模块5，用于对数字波束形成器件输出的接收多波束进行解调处理；将自身产生的调制信号输出至数字波束形成器件，将自身产生的本振信号输出至本振馈电网络。

其中。模拟有源子阵2包括：模拟有源射频组件6，用于子阵内部对从天线接收的卫星信号进行放大、移相和滤波；将子阵内射频发射网络输送的激励信号进行滤波、移相和放大，并输送给天线单元；子阵内部射频馈电网络7，用于子阵内模拟有源射频组件输出的接收信号进行信号功率合成；将上变频器件输出的激励信号进行分配，输送至模拟有源射频组件；波控电源综合走线8，用于子阵内部波束的控制、有源射频组件的供电；有源放大器件9，用于将子阵输出的射频信号进行进一步放大；用于变频器件输出的激励信号进行进一步的推动，并使得发射信号激励的电平值进一步提高；变频器件10，用于子阵接收馈电网络输出的接收信号进行下变频，变换至所需的中频信号；将发射激励信号进行上变频，形成与卫星信号相匹配的激励信号；数电转换器件ADC11，用于将子阵内部输出的接收下变频信号变化为数字信号；在发射链路，将光电转换器件输出的发射数字电信号变化为模拟电信号；电光/光电转换器件12，用于接收链路的数字信号变化为光信号；将发射链路的光信号变换为数字信号。

其中，数字波束形成器件4包括：光电/电光转换模块14，用于将接收链路的光信号变化为电信号；将将发射链路的数字信号变换为光信号；FPGA15，用于整个阵面接收或发射的多通道信号数据的多波束可编程实现；DSP16，用于整个阵面接收或发射的多通道信号数据的快速处理，并同时实现多个波束；控制电路17，用于整个阵面的中所使用数字逻辑器件的控制、定时功能。

其中，天线单元为单/双圆极化或线极化天线。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明中，利用子阵级数字波束形成方式，既能实现多波束，又能有效的降低成本，提高天线阵面的空间利用率。

2、本发明中，利用子阵级信号的光电转换，并使用宽带信号的延迟线，既可以适用于窄带通信又适合于宽带通信。

3、本发明中，利用波束的正交性可以方便的实现抗干扰波束的形成，并能过卫星通信终端模块实现波束选择，提高了用户的体验性。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明的有源子阵原理示意图。

图3是本发明的数字波束形成模块原理图图。

具体实施方式

下面，结合图1-图3对本发明做进一步说明。

在一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线1中，如图1所示，为一种集成了多个独立模块的结构。该相控阵天线由包括自上到下依次排布的天线单元1、模拟有源子阵2、本振馈电网络3、数字波束形成器件4和卫星通信终端模块5等；天线单元1形式不限，可根据卫星资源的具体需求进行多方位的设计；多个天线单元1按照设定的排布方式组成阵列并设置在模拟有源子阵2的前端，通过电缆或者快插接头与模拟有源子阵中的收发组件相连接。

在一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线1中，如图2所示，模拟有源子阵2的内部包括模拟有源射频组件6，子阵内部射频馈电网络7，波控电源综合走线8，有源放大器件9，变频器件10，数电转换器件11，电光转换器件12。其射频信号通过电光转换器件12后转化为光信号，通过光纤经过接口19连接至数字波束形成器件4。在模拟有源子阵2的底部设置本振接口13，与本振馈电网络3连接，连接方式可以通过快插或者线缆的方式。

在一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线1中，本振馈电网络4为平面结构，在内部进行射频信号分配，可以为等功分也可以为不等功分，采用微带印制板印制而成。射频分配的接口与模拟有源子阵2的射频接口13连接，总口的本振信号由卫星通信终端模块5产生。

在一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线1中，如图3所示，数字波束形成器件4包括微带印制板和设置在微带印制板下表面的数字处理器件组成，以及与有源子阵模块2相连接的光信号接口19。在数字波束形成器件4内部设有电光转换模块14，数字处理逻辑器件，如FPGA15和DSP16等，以及主要控制电路17。在数字波束形成器件4的一侧设置数字波束输出接口18，形式为多芯连接器，与卫星通信终端模块5连接。

在一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线1中，卫星通信终端模块5为数字波束形成后的最终使用设备，可为本振馈电网络4产生本振信号，具有对波束置零以及波束选择的功能，同时具备有用户进行交互的能力。

工作原理

该发明在进行信号接收时，卫星通信终端模块根据天线系统所处的地理位置、平台姿态等信息，计算出所需的波束指向角。在该系统中，信号具备宽带、可复用等特点，且具备收发为统一套系统的特点，以接收信号流程为例对工作原理进行描述。

当天线接收信号时，首先由子阵进行信号接收，并经过模拟射频进行信号的放大，通过子阵内部合成网络进行合成，信号合成后进行放大处理，以提高信号质量，经过一级变频，将信号变为较低的频段，然后再经过第二级信号放大，经过光电转换器，有射频信号变为模拟光信号，通过光合成网络进行合成，模块与模块之间的信号再经过以及光合成网络进行最后的信号合成，合成后的总信号通过后端的光电转换变为所需的射频信号，而后进入数据处理的终端设备。

在信号进行扫描时，由于采用了子阵级的光控延迟技术，因此在子阵内部的移相量为通过传统的移相器实现，而宽带信号的瞬时扫描则由后端的多级子阵延迟开关完成。

信号发射时，首先由卫星通信终端模块输出发射激励和本振信号，并与接收信号的波束扫描角度一致。对信号推动后，射频信号经过电光-光电转换，满足第一级功放的推动需求。经变频后，激励信号首先进入子阵内部功分网络，分别进入各个发射通道，在组件内部的接口处设置放大器，进行信号放大，经由天线单元将信号辐射出去。

Claims (3)

1.一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线，包括天线单元（1），其特征在于：还包括

模拟有源子阵（2），用于对天线单元接收的信号进行放大、移相、滤波、下变频和电光转换，输出光信号；对数字波束形成器件输出的光信号进行光电转换、上变频、滤波、移相和放大，之后输出至天线单元；

本振馈电网络（3），用于对卫星通信终端模块输出的本振信号进行分配并输出至模拟有源子阵；

数字波束形成器件（4），用于对模拟有源子阵输出的光信号进行光电转换和接收多波束形成；对卫星通信终端模块输出的调制信号生成发射多波束并进行电光转换；

卫星通信终端模块（5），用于对数字波束形成器件输出的接收多波束进行解调处理；将自身产生的调制信号输出至数字波束形成器件，将自身产生的本振信号输出至本振馈电网络；

其中，所述的模拟有源子阵（2）包括：

模拟有源射频组件（6），用于子阵内部对从天线接收的卫星信号进行放大、移相和滤波；将子阵内射频发射网络输送的激励信号进行滤波、移相和放大，并输送给天线单元；

子阵内部射频馈电网络（7），用于子阵内模拟有源射频组件输出的接收信号进行信号功率合成；将上变频器件输出的激励信号进行分配，输送至模拟有源射频组件；

波控电源综合走线（8），用于子阵内部波束的控制、有源射频组件的供电；

有源放大器件（9），用于将子阵输出的射频信号进行进一步放大；用于变频器件输出的激励信号进行进一步的推动，并使得发射信号激励的电平值进一步提高；

变频器件（10），用于子阵接收馈电网络输出的接收信号进行下变频，变换至所需的中频信号；将发射激励信号进行上变频，形成与卫星信号相匹配的激励信号；

数电转换器件ADC（11），用于将子阵内部输出的接收下变频信号变化为数字信号；在发射链路，将光电转换器件输出的发射数字电信号变化为模拟电信号；

电光/光电转换器件（12），用于接收链路的数字信号变化为光信号；将发射链路的光信号变换为数字信号。

2.根据权利要求1所述的一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线，其特征在于：所述的数字波束形成器件（4）包括：

光电/电光转换模块（14），用于将接收链路的光信号变化为电信号；将将发射链路的数字信号变换为光信号；

FPGA（15），用于整个阵面接收或发射的多通道信号数据的多波束可编程实现；

DSP（16），用于整个阵面接收或发射的多通道信号数据的快速处理，并同时实现多个波束；

控制电路（17），用于整个阵面的中所使用数字逻辑器件的控制、定时功能。

3.根据权利要求1所述的一种子阵级数字多波束卫星通信相控阵天线，其特征在于：天线单元为单/双圆极化或线极化天线。