CN106252886A - 基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法，包括以下步骤：1)对于多子相控阵阵天线，建立卫星方向的中心频率信号在相邻子阵间产生的空间相位差模型；2)利用单套延迟线对多子阵天线波束指向漂移进行两级相位补偿，计算得到延迟线长度差ΔL和对应的波束指向仰角β；3)采用多套延迟线改善多子阵天线波束指向的频率响应，先将多子阵天线扫描范围进行平均分区，计算每个扫描范围对应的那套延迟线的长度差，该方法可以实现天线与卫星的准确对准，并且成本低。

Description

基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法

技术领域

本发明属于卫星通信系统天线波束控制技术领域，涉及一种基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法。

背景技术

随着卫星通信技术的迅猛发展，动中通卫星通信技术已经成为一种实现宽带移动通信的有效手段，在突发公共事件处理、应急指挥、信息实时传递等领域发挥着重要作用。

动中通天线集成在移动的载体上，有限的空间限制了动中通的几何尺寸，特别是在高度上有严格的要求。传统的抛物面天线体积较大，高度难以降低，而平板动中通采用强制馈电的方式，不需要副反射面和馈源，结构紧凑，在降低天线高度上具有更大的灵活性。当前低轮廓的动中通天线大部分采用平板天线，目前国内外降低平板动中通天线的主要技术方法包括电子相控阵体制、波束预倾斜体制、多子阵体制和机械相控阵等，由于我国纬度跨度较大，波束预倾斜体制并不适合我国国情，而电子相控阵体制成本太高昂，不适合推广应用。因此多子阵技术是目前降低动中通天线的主要途径。

馈电系统是多子阵天线与通信终端的桥梁，是天线接收机和发射机之间传输和控制射频信号的各种射频装置的总称，主要任务是进行相位调整、信号合并和极化匹配。因此，馈电系统设计的成功与否将直接影响多子阵天线和整个通信系统的性能。在相控阵天线的馈电网络中，最重要的移相设备主要是移相器和延迟线。其中移相器的相移值与信号频率无关，信号频率变化会导致天线波束指向发生偏移。延迟线又称延迟器，具有群延时相同的特点，当采用实时延迟器补偿空间波程差时，虽然可以有效提高天线带宽，但其价格十分昂贵。相控阵天线中带宽的限制一般是由于用移相器代替时延器件来扫描波束造成的。对于用相位而不是时延控向的阵列，由于频率的变化，天线波束指向将发生偏移，这一现象又称为相控阵天线的“孔径效应”。

为改善天线波束的指向频率响应，一般采用实时延迟器替代移相器实现天线波束扫描。对于甚宽带阵列(倍频程或多倍频程)，一般需要在每个天线单元后放置一个实时延迟器件。然而，由于实时延迟器件非常昂贵，这种结构一般只能适用于相对较小的甚宽带阵列。从实用性的角度出发，Mailloux RJ分析了两种折中的方法，这两种方法一般适用于分数带宽阵列。

一是在单元级上使用移相器，而在子阵级上插入时间延迟。这种方法既简单又容易构建，而且可在子阵级上为模拟、光学和数字时间延迟器提供安装空间，但是它会产生显著的量化副瓣。第二种方法是将一整套时延器件或时延多波束网络与一整套移相器进行合成，这些网络只能在很小数目的波束位置上提供精确的时间延迟。相比于子阵级时间延迟技术，该方法不会在阵列中引起周期性相位误差，因而也不会使副瓣上升，然而由于每个阵列单元需要不同组的延迟线，当固定时延的位置数目较多时，该方法比子阵级时间延迟技术更为复杂，造价也更高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法，该方法能够有效改善天线波束指向的频率响应，提高多子阵天线的带宽，并且成本低。

为达到上述目的，本发明所述的基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法包括以下步骤：

1)设多子阵天线的对星仰角为α₀，信号中心频率为f₀，建立相邻子阵的空间相位差模型，当信号中心频率f₀变为f₁时，多子阵天线的阵因子波束指向会发生漂移，计算多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)；

2)当利用单套延迟线时，则根据步骤1)中得到的多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)采用两级相位补偿技术改善天线波束指向频率响应，具体的，当多子阵天线中子阵的间距相等时，则延迟线长度呈等差数列，即L_i+1-L_i＝ΔL，其中，L_i为第i个延迟线的长度，计算通过延迟线长度差所补偿的子阵相位差Δφ_线，再设相邻子阵的移相差为0，长度差为ΔL的延迟线组正好使多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β处，多子阵天线的仰角扫描范围α＝[α_min,α_max]，则天线的最大指向偏差发生在仰角α_min或α_max处，令Δα(α_min)＝-Δα(α_max)，计算得到多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线的长度差ΔL，然后根据多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线的长度差ΔL进行多子阵天线波速的切换；

当采用多套固定长度延迟线进行延时补偿时，将多子阵天线的扫描范围随意划分为S₁,S₂,…,S_P共P个区域，当卫星位于第i个区域S_i时，馈线系统自动切换到第i套延迟线以合成天线波束，其中，i＝1,2,…,P，设各区域两端的指向偏差相等，则将多子阵天线按照扫描范围平均划分，计算每个扫描区域对应的延迟线长度差，然后根据每个扫描区域对应的延迟线长度差进行多子阵天线波速的切换。

步骤1)中相邻子阵的空间相位差模型为：

$\mathrm{\φ}(f_0,{\mathrm{\α}}_0)=\frac{2{\mathrm{\πf}}_0}{c}d{\mathrm{cos\α}}_0---\left(1\right)$

其中，f₀为信号中心频率，α₀为多子阵天线的对星仰角，c为光速，d为子阵间隔。

多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}\left({\mathrm{\α}}_0\right)=\frac{f_1-f_0}{f_1{\mathrm{tan\α}}_0}---\left(2\right).$

通过延迟线长度差所补偿的子阵相位差Δφ_线为：

其中，ε_r为延迟线的相对介电常数。

多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线长度差ΔL表达式为：

$cos\mathrm{\β}=\frac{sin({\mathrm{\α}}_{min}+{\mathrm{\α}}_{max})}{{\mathrm{sin\α}}_{\min }+{\mathrm{sin\α}}_{\max }}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ}L=\frac{dcos\mathrm{\β}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(5\right)$

其中，α_min及α_max分别为多子阵天线扫描的最小角度及最大角度，ε_r为延迟线的相对介电常数。

当延迟线的数量为2套时，则多子阵天线的扫描范围划分处的角度α₁＝(α_min+α_max)/2。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法在具体操作时，当利用单套延迟线进行两级相位补偿时，则根据多子阵天线的仰角扫描范围及多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量确定延迟线的长度差ΔL；当采用多套固定长度延迟线进行延时补偿时，则将多子阵天线按照扫描范围平均划分，然后计算每套延迟线的长度差，从而利于延迟线来改善天线波束指向的频率响应，操作简单，原理可靠，操作易行，并且可以推广到不等间隔多子阵天线中，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明中采用两级单套延迟线进行相位补偿的多子阵天线的结构示意图；

图2为本发明中采用多套延迟线进行相位补偿时切换波束示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1及图2，本发明所述的基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法包括以下步骤：

1)设多子阵天线的对星仰角为α₀，信号中心频率为f₀，建立相邻子阵的空间相位差模型，当信号中心频率f₀变为f₁时，多子阵天线的阵因子波束指向会发生漂移，计算多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)；

2)当利用单套延迟线时，则根据步骤1)中得到的多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)采用两级相位补偿技术改善天线波束指向频率响应，具体的，当多子阵天线中子阵的间距相等时，则延迟线长度呈等差数列，即L_i+1-L_i＝ΔL，其中，L_i为第i个延迟线的长度，计算通过延迟线长度差所补偿的子阵相位差Δφ_线，再设相邻子阵的移相差为0，长度差为ΔL的延迟线组正好使多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β处，多子阵天线的仰角扫描范围α＝[α_min,α_max]，则天线的最大指向偏差发生在仰角α_min或α_max处，令Δα(α_min)＝-Δα(α_max)，计算得到多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线的长度差ΔL，然后根据多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线的长度差ΔL进行多子阵天线波速的切换，其中，多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线长度差ΔL表达式为：

$cos\mathrm{\β}=\frac{sin({\mathrm{\α}}_{min}+{\mathrm{\α}}_{max})}{{\mathrm{sin\α}}_{\min }+{\mathrm{sin\α}}_{\max }}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ}L=\frac{dcos\mathrm{\β}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(5\right)$

其中，α_min及α_max分别为多子阵天线扫描的最小角度及最大角度，ε_r为延迟线的相对介电常数。

当采用多套固定长度延迟线进行延时补偿时，将多子阵天线的扫描范围随意划分为S₁,S₂,…,S_P共P个区域，当卫星位于第i个区域S_i时，馈线系统自动切换到第i套延迟线以合成天线波束，其中，i＝1,2,…,P，设各区域两端的指向偏差相等，则将多子阵天线按照扫描范围平均划分，计算每个扫描区域对应的延迟线长度差，然后根据每个扫描区域对应的延迟线长度差进行多子阵天线波速的切换。

步骤1)中相邻子阵的空间相位差模型为：

$\mathrm{\φ}(f_0,{\mathrm{\α}}_0)=\frac{2{\mathrm{\πf}}_0}{c}d{\mathrm{cos\α}}_0---\left(1\right)$

其中，f₀为信号中心频率，α₀为多子阵天线的对星仰角，c为光速，d为子阵间隔。

多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}\left({\mathrm{\α}}_0\right)=\frac{f_1-f_0}{f_1{\mathrm{tan\α}}_0}---\left(2\right).$

通过延迟线长度差所补偿的子阵相位差Δφ_线为：

其中，ε_r为延迟线的相对介电常数。

当延迟线的数量为2套时，则多子阵天线的扫描范围划分处的角度α₁＝(α_min+α_max)/2。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设多子阵天线的对星仰角为α₀，信号中心频率为f₀，建立相邻子阵的空间相位差模型，当信号中心频率f₀变为f₁时，多子阵天线的阵因子波束指向会发生漂移，计算多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)；

2)当利用单套延迟线时，则根据步骤1)中得到的多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)采用两级相位补偿技术改善天线波束指向频率响应，具体的，当多子阵天线中子阵的间距相等时，则延迟线长度呈等差数列，即L_i+1-L_i＝ΔL，其中，L_i为第i个延迟线的长度，计算通过延迟线长度差所补偿的子阵相位差Δφ_线，再设相邻子阵的移相差为0，长度差为ΔL的延迟线组正好使多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β处，多子阵天线的仰角扫描范围α＝[α_min,α_max]，则天线的最大指向偏差发生在仰角α_min或α_max处，令Δα(α_min)＝-Δα(α_max)，计算得到多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线的长度差ΔL，然后根据多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线的长度差ΔL进行多子阵天线波速的切换；

当采用多套固定长度延迟线进行延时补偿时，将多子阵天线的扫描范围随意划分为S₁,S₂,…,S_P共P个区域，当卫星位于第i个区域S_i时，馈线系统自动切换到第i套延迟线以合成天线波束，其中，i＝1,2,…,P，设各区域两端的指向偏差相等，则将多子阵天线按照扫描范围平均划分，计算每个扫描区域对应的延迟线长度差，然后根据每个扫描区域对应的延迟线长度差进行多子阵天线波速的切换。

2.根据权利要求1所述的基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法，其特征在于，步骤1)中相邻子阵的空间相位差模型为：

$\mathrm{\φ}(f_0,{\mathrm{\α}}_0)=\frac{2{\mathrm{\πf}}_0}{c}d{\mathrm{cos\α}}_0---\left(43\right)$

其中，f₀为信号中心频率，α₀为多子阵天线的对星仰角，c为光速，d为子阵间隔。

3.根据权利要求1所述的基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法，其特征在于，多子阵天线的阵因子波束指向的漂移量Δα(α₀)为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}\left({\mathrm{\α}}_0\right)=\frac{f_1-f_0}{f_1{\mathrm{tan\α}}_0}---\left(2\right).$

4.根据权利要求1所述的基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法，其特征在于，通过延迟线长度差所补偿的子阵相位差Δφ_线为：

其中，ε_r为延迟线的相对介电常数。

5.根据权利要求1所述的基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法，其特征在于，多子阵天线的阵因子方向图的波束指向仰角β的值及延迟线长度差ΔL表达式为：

$cos\mathrm{\β}=\frac{sin({\mathrm{\α}}_{min}+{\mathrm{\α}}_{max})}{{\mathrm{sin\α}}_{\min }+{\mathrm{sin\α}}_{\max }}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ}L=\frac{d\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(5\right)$

其中，α_min及α_max分别为多子阵天线扫描的最小角度及最大角度，ε_r为延迟线的相对介电常数。

6.根据权利要求1所述的基于天线波束指向偏差最小化的多子阵天线波束切换方法，其特征在于，当延迟线的数量为2套时，则多子阵天线的扫描范围划分处的角度α₁＝(α_min+α_max)/2。