CN105896079B - 一种多波束相控天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波束相控天线系统，它涉及微波通信领域中的波束赋形系统。它由天线阵列(M阵元)、M选N开关组件、N通道滤波组件、N通道功放/低噪放组件、N通道变频组件和N通道基带处理组件组成。该系统利用平面定向天线组成圆阵，结合天线选择进行波束赋形，可生成M个波束实现水平360°覆盖。本发明具有多波束全向覆盖，瞬时点波束互通的功能，体积小、重量轻，适用于在微波通信中作为天线系统使用，能够满足车载、舰载及升空平台的使用需求。

Description

一种多波束相控天线系统
技术领域
本发明涉及一种相控天线系统，能够形成多个波束实现水平360°全向覆盖，适用于在微波通信中作为天线系统使用，能够满足车载、舰载及升空平台的使用需求。
背景技术
相控天线系统是一种通过改变天线发射信号相位来实现波束扫描的天线系统。相控天线系统由天线阵列、馈电网络及波束控制电路三部分构成，其中，天线阵由多个天线单元组成阵列，系统通过控制各天线单元信号的幅度与相位实现波束的赋形与扫描。
目前全向覆盖的相控天线系统多采用全向天线组成阵列进行波束赋形，而全向天线增益较小，相比传统的定向天线，需要更大的天线阵列规模和更多的T/R组件来实现，系统复杂度较高。由此带来问题：一方面系统体积与重量大，难以满足车载、舰载和空载等平台对体积和重量的要求，另一方面成本较高，难以满足大规模部署的需要。随着对微波通信需求的快速增长，急需一种体积小、重量轻的低成本相控天线系统，满足各种微波设备对全向通信的需求。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术应用在全向通信中的不足之处，而提供了一种低复杂度的多波束相控天线系统，有效的减小了体积与重量，降低了成本。该相控天线系统通过采用天线选择和多个平面定向天线波束赋形生成多个高增益波束，实现了水平360°全向覆盖。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多波束相控天线系统，包括由M个阵元组成的天线阵列、M选N开关选择组件、N个收发通道和N通道基带处理组件，所述的阵元为平面定向天线，M个平面定向天线依次首尾相连组成圆阵，每个平面定向天线的波束方向均背向圆阵的圆心；所述的N个收发通道由N通道滤波组件、N通道功放/低噪放组件和N通道变频组件组成；M个阵元的输入输出端口与M选N开关选择组件对应天线侧的M个端口一一对应连接，M选N开关选择组件另一侧的N个端口与N通道滤波组件对应侧的N个端口一一对应连接，N通道滤波组件另一侧的N个端口与N通道功放/低噪放组件对应侧的N个端口一一对应连接，N通道功放/低噪放组件另一侧的N个输入端口与N通道变频组件的N个射频输出端口一一对应连接，N通道功放/低噪放组件的N个输出端口与N通道变频组件的N个射频输入端口一一对应连接，N通道变频组件的N个中频输入端口与N通道基带处理组件的N个中频输出端口一一对应连接，N通道变频组件的N个中频输出端口与N通道基带处理组件的N个中频输入端口一一对应连接，N通道滤波组件的控制端口与N通道基带处理组件的滤波控制端口连接，N通道功放/低噪放组件的控制端口与N通道基带处理组件的功放/低噪放控制端口连接，N通道变频组件的控制端口与N通道基带处理组件的变频控制端口连接，N通道基带处理组件的天线控制端口通过线路与M选N开关选择组件的开关选择控制端口相连；其中，M为大于等于6的自然数， N为小于等于M/2的自然数。
其中，N通道基带处理组件控制M选N开关组件在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线子阵，M个平面定向天线共形成M个天线子阵。
其中，所述的每个天线子阵形成一个波束；M个子阵可形成M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围。
其中，每个天线子阵形成一个波束是对天线子阵N个天线发送和接收的信号进行幅度和相位进行加权得到的。
其中，N通道基带处理组件在基带进行波束赋形后进行正交上变频生成N路幅度与相位有差异的中频信号，经N通道变频组件上变频到射频，送入N通道功放/低噪放组件进行功率放大，经N通道滤波组件滤除谐波，利用M选N开关组件选择天线子阵进行发射信号；天线阵列中M个平面定向天线接收到了M路射频信号，经M选N开关组件选择天线子阵接收到的信号，送入N通道滤波组件滤除带外干扰，经N通道功放/低噪放组件进行低噪声功率放大，后经N通道变频组件进行下变频为中频信号，输入N通道基带处理组件进行正交下变频和波束赋形。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1. 本发明采用平面定向天线作为阵元构成圆阵，提高了阵元的天线增益，减小了天线间的相互遮挡；
2. 本发明采用M选N开关进行天线选择，减少了用于波束赋形信号的数目，从而减小了后端信号处理的复杂度；
3. 本发明采用了更少的射频通道，减少了T/R组件的通道数目，减小了系统复杂度、降低了成本；
4. 本发明采用更少的T/R组件，从而体积更小，重量更轻。
附图说明
图1是本发明的原理方框图。
图2是本发明的天线阵列图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
图1是本发明的原理方框图。一种多波束相控天线系统，包括由M个阵元组成的天线阵列6、M选N开关选择组件5、N个收发通道和N通道基带处理组件1，所述的N个收发通道由N通道滤波组件4、N通道功放/低噪放组件3和N通道变频组件2组成。实例按图1进行连线，其中实线为传输信号，虚线为控制信号。
图1中，天线阵列双向端口1~M与M选N开关组件的双向端口1~M连接，M选N开关组件双向端口M+1~M+N与N通道滤波组件双向端口1~N连接，N通道滤波组件双向端口N+1~2N与N通道功放/低噪放组件双向端口1~N连接，N通道功放/低噪放组件输入端口N+1~2N与N通道变频组件射频输出端口1~N顺序连接，N通道功放/低噪放组件输出端口2N+1~3N与N通道变频组件射频输入端口N+1~2N连接，N通道变频组件中频输入端口2N+1~3N与基带处理组件中频输出端口1~N连接，N通道变频组件中频输出端口3N+1~4N与基带处理组件中频输入端口N+1~2N顺序连接，M选N开关组件的控制端口M+N+1与N通道基带处理组件的天线控制端口2N+1连接，N通道滤波组件的控制端口2N+1与N通道基带处理组件的滤波控制端口2N+2连接，N通道功放/低噪放组件的控制端口3N+1与N通道基带处理组件的端口2N+3连接，N通道变频组件的控制端口4N+1与N通道基带处理组件的端口2N+4连接。
图2是本发明的天线阵列图（M=16）。其中，平面定向天线A1~A16均匀排列，构成圆阵。
所述的阵元为平面定向天线，M个平面定向天线依次首尾相连组成圆阵，每个平面定向天线的波束方向均背向圆阵的圆心；M个阵元的输入输出端口与M选N开关选择组件对应天线侧的M个端口一一对应连接，M选N开关选择组件另一侧的N个端口与N个收发通道一一对应连接，N个收发通道与N通道基带处理组件对应连接；N通道基带处理组件通过线路与M选N开关选择组件的开关选择控制端口相连；其中，M为大于等于6的自然数， N为小于等于M/2的自然数。实施例1中，M为16，N为4；实施例2中，M为25，N为5；当然，M和N可根据需要选择其他数值。
N通道基带处理组件1控制M选N开关组件5在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线子阵，M个平面定向天线共形成M个天线子阵。所述的每个天线子阵形成一个波束；M个子阵可形成M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围。每个天线子阵形成一个波束是对天线子阵N个天线发送和接收的信号进行幅度和相位进行加权得到的。
N通道基带处理组件1负责波束赋形的基带与中频处理，一方面将发射的基带信号进行幅度与相位的加权，并进行正交上变频，生成N路幅度与相位不同的中频信号；另一方面将接收的N路中频信号进行正交下变频生成N路基带信号，将基带信号分别进行幅度与相位的加权并合并。
N通道基带处理组件1对N通道变频组件2的频率进行控制；对N通道功放/低噪放组件3的发送与接收进行控制；对N通道滤波器组件4的通带进行控制；对M选N开关组件5的天线选择进行控制。
N通道变频组件2通过混频实现N路中频信号与N路射频信号的上下变频。
N通道功放/低噪放组件3一方面对发射信号进行功率放大，另一方面对接收信号进行低噪声放大。
N通道滤波组件4滤除发射信号的带外谐波和接收信号的带外干扰。
天线阵列6（M=16）由平面定向天线A1~A16组成，M选N开关组件5（N=4）对天线进行选择，可形成A1A2A3A4、A2A3A4A5、A3A4A5A6、、A5A6A7A8、A6A7A8A9、A7A8A9A10、A8A9A10A11、A9A10A11A12、A10A11A12A13、A11A12A13A14、A12A13A14A15、A13A14A15A16、A14A15A16A1、A15A16A1A2、A16A1A2A3共16个天线子阵，每个子阵经波束赋形可形成一个波束，共M个波束实现水平360°全向覆盖。
工作原理：M选N开关从M个天线单元中选择出M个天线子阵，每个天线子阵由相邻N个天线单元构成，经N个收发通道进行射频信号处理，利用N通道基带处理组件对发射与接收到的信号进行幅度与相位的加权， 可形成M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围，N通道基带处理组件可控制M选N开关实现天线子阵的切换，进而选择最佳波束进行通信。通过此种工作方式，实现了多波束全向覆盖，瞬时点波束互通。
N通道基带处理组件在基带幅相加权后进行正交上变频生成N路幅度与相位有差异的中频信号，经N通道变频组件上变频到射频，送入N通道功放/低噪放组件进行功率放大，经N通道滤波组件滤除谐波，利用M选N开关组件选择天线子阵进行发射信号；天线阵列中M个平面定向天线接收到了M路射频信号，经M选N开关组件选择天线子阵接收到的信号，送入N通道滤波组件滤除带外干扰，经N通道功放/低噪放组件进行低噪声功率放大，后经N通道变频组件进行下变频为中频信号，输入N通道基带处理组件进行正交下变频和波束赋形。

Claims (5)

1.一种多波束相控天线系统，包括由M个阵元组成的天线阵列、M选N开关选择组件、N个收发通道和N通道基带处理组件，其特征在于：所述的阵元为平面定向天线，M个平面定向天线依次首尾相连组成圆阵，每个平面定向天线的波束方向均背向圆阵的圆心；所述的N个收发通道由N通道滤波组件、N通道功放/低噪放组件和N通道变频组件组成；M个阵元的输入输出端口与M选N开关选择组件对应天线侧的M个端口一一对应连接，M选N开关选择组件另一侧的N个端口与N通道滤波组件对应侧的N个端口一一对应连接，N通道滤波组件另一侧的N个端口与N通道功放/低噪放组件对应侧的N个端口一一对应连接，N通道功放/低噪放组件另一侧的N个输入端口与N通道变频组件的N个射频输出端口一一对应连接，N通道功放/低噪放组件的N个输出端口与N通道变频组件的N个射频输入端口一一对应连接，N通道变频组件的N个中频输入端口与N通道基带处理组件的N个中频输出端口一一对应连接，N通道变频组件的N个中频输出端口与N通道基带处理组件的N个中频输入端口一一对应连接，N通道滤波组件的控制端口与N通道基带处理组件的滤波控制端口连接，N通道功放/低噪放组件的控制端口与N通道基带处理组件的功放/低噪放控制端口连接，N通道变频组件的控制端口与N通道基带处理组件的变频控制端口连接，N通道基带处理组件的天线控制端口通过线路与M选N开关选择组件的开关选择控制端口相连；其中，M为大于等于6的自然数， N为小于等于M/2的自然数。
2.根据权利要求1所述的一种多波束相控天线系统，其特征在于：N通道基带处理组件控制M选N开关组件在M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线子阵，M个平面定向天线共形成M个天线子阵。
3.根据权利要求2所述的一种多波束相控天线系统，其特征在于：所述的每个天线子阵形成一个波束；M个子阵可形成M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围。
4.根据权利要求3所述的一种多波束相控天线系统，其特征在于：每个天线子阵形成一个波束是对天线子阵N个天线发送和接收的信号进行幅度和相位进行加权得到的。
5.根据权利要求1所述的一种多波束相控天线系统，其特征在于：N通道基带处理组件在基带进行波束赋形后进行正交上变频生成N路幅度与相位有差异的中频信号，经N通道变频组件上变频到射频，送入N通道功放/低噪放组件进行功率放大，经N通道滤波组件滤除谐波，利用M选N开关组件选择天线子阵进行发射信号；天线阵列中M个平面定向天线接收到了M路射频信号，经M选N开关组件选择天线子阵接收到的信号，送入N通道滤波组件滤除带外干扰，经N通道功放/低噪放组件进行低噪声功率放大，后经N通道变频组件进行下变频为中频信号，输入N通道基带处理组件进行正交下变频和波束赋形。
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