CN106252899B - 一种阵列天线波束成形系统及其波束扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列天线波束成形系统及其波束扫描方法，该系统包含不少于两个的天线阵列，每个天线阵列包含两个反相耦合的天线子阵列，对各天线阵列的信号加权后作矢量合成，得到天线波束。改变各天线阵列的信号加权值，即可实现天线波束扫描。

Description

一种阵列天线波束成形系统及其波束扫描方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种阵列天线波束成形系统及其波束扫描方法。

背景技术

在现代的无线通讯系统中，天线起着不可缺少的作用，天线负责将电路中的电信号转换成无线信号发射到空气中，或者将从空气中接收到的无线信号转换成电信号。由此可见，天线的性能直接影响着整个通讯系统的性能，如何通过提高天线的性能来提高系统的性能一直是国内外研究的热点。波束成形技术是通过数字信号处理方法对多个天线的信号进行处理来得到所需波形的技术。通过波束成形技术可以对多天线的接收信号进行加权合成，得到所需的信号，即某个指定方向的信号。波束成形技术可以提高系统的传输距离、系统的抗干扰能力、提高系统的信号传输质量等。现有的波束成形技术基本都是基于多天线系统，并且对系统的数据处理能力有很高的要求，这就增加了系统的成本以及功耗。

波束扫描一般指通过特定技术使得天线的增益最大值指向在一定角度范围内变化，从而实现波束扫描。利用整个天线系统或其某一部分的机械运动来实现波束扫描的称为机械性扫描。如环视雷达、跟踪雷达，通常采用整个天线系统转动的方法。机械性扫描的优点是简单。其主要缺点是机械运动惯性大，扫描速度不高。电扫描时，天线反射体、馈源等不必作机械运动，扫描速度可大大提高，波束控制迅速灵便，故这种方法特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷达中。电扫描的主要缺点是天线系统一般比较复杂。根据实现时所用基本技术的差别，电扫描又可分为相位扫描法、频率扫描法、时间延迟法等。

在阵列天线上采用控制移相器相移量的方法来改变各阵元的激励相位，从而实现波束的电扫描，这种方法称作相位扫描法(简称相扫法)。移相器是实现相扫的关键器件，对它的要求是：移相的数值精确、性能稳定、频带和功率容量足够，便于快速控制，激励功率和插入损耗小、体积小重量轻等。移相器的种类很多，包括PIN管移相器、铁氧体移相器和数字式移相器等等。

在现代通信高速发展的情况下，低成本、易实现的波束成形和波束扫描系统的实现是非常有意义的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低成本、易实现的阵列天线波束成形系统并在此系统基础上实现波束扫描的方法。

本发明的阵列天线波束成形系统，其特征在于：包括

-至少两个天线阵列，各所述天线阵列之间具有几何空间夹角，各所述天线阵列均包括两天线子阵列，各所述天线子阵列均包含不少于两个的天线单元，用于将电信号转换成无线信号发射到空气中，或者接收空气中的无线信号并转换成电信号；

-至少两个馈电网络，各所述馈电网络分别用于给各所述天线阵列的天线子阵列的天线单元提供所需的信号幅度及相位，或者分别对各所述天线阵列的天线子阵列的天线单元接收到的信号按一定的幅度和相位进行矢量合成；

-至少两个加权网络，各所述加权网络分别对通过的信号进行不同权值的加权；

-矢量合成网络，与各所述加权网络连接，用于将发射信号分成n(n≥2)路矢量信号并分别传输给各所述加权网络，或将各所述加权网络传输过来的信号进行矢量合成为波束信号。

进一步的，所述馈电网络包括两子馈电网络、实现两子馈电网络等幅反相耦合的移相网络、对两天线子阵列进行信号合成得到天线阵列信号的矢量合成网络，所述移相网络与矢量合成网络连接，所述矢量合成网络与所述加权网络连接。

进一步的，各所述天线子阵列为在同一平面几何空间的直线或面上的线阵或面阵，包含两个或两个以上天线单元。

进一步的，两所述子馈电网络分别对两所述天线子阵列的天线单元等幅同相耦合。

进一步的，所述子馈电网络为并联馈电网络。

进一步的，所述子馈电网络为串联馈电网络。

进一步的，所述移相网络通过移相器对信号的相位进行调整。

进一步的，所述移相网络通过LC电路对信号的相位进行调整。

进一步的，所述移相网络通过微带线对信号的相位进行调整。

进一步的，所述加权网络通过数字步进衰减器实现对信号的加权。

进一步的，所述加权网络通过可调电阻实现对信号的加权。

本发明的基于阵列天线波束成形系统的阵列天线波束扫描方法，通过分别改变各所述加权网络对各所述天线阵列的信号的加权值来实现不同的加权，即可实现所述天线阵列的指定角度波束扫描。

借由上述方案，本发明只需通过加权网络对信号进行加权、通过矢量合成网络对加权后的信号作矢量合成，即可成形天线波束，无需额外昂贵的T/R组件，有效降低了其制作成本；只需通过改变各加权网络对通过信号的加权值来实现不同的加权，即可实现天线阵列的指定角度的波束扫描。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的阵列天线波束成形系统的架构图；

图2是实施例中阵列天线波束成形系统架构图；

图3是实施例中天线阵列结构示意图；

图4是实施例中当s1＝0.5，s2＝0.5时，波束扫描的二维方向波形图；

图5是实施例中当s1＝0.4，s2＝0.6时，波束扫描的二维方向波形图；

图6是实施例中当s1＝0.3，s2＝0.7时，波束扫描的二维方向波形图；

图7是实施例中当s1＝0.2，s2＝0.8时，波束扫描的二维方向波形图；

图8是实施例中当s1＝0.1，s2＝0.9时，波束扫描的二维方向波形图；

图9是实施例中当s1＝0，s2＝1时，波束扫描的二维方向波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

首先，对于本发明中出现的术语解释如下：

天线阵列，是通过将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成的，本发明中的天线阵列包含两个天线子阵列，天线子阵列与天线阵列的定义相同，各天线子阵列包含两个或两个以上同一频率的单个天线，所述单个天线即天线单元，各天线单元可沿水平方向均匀分布成线阵，也可在平面上分布成面阵。

馈电网络，即给各天线单元提供所需的幅度和相位的激励信号或将各天线单元接收到的信号按一定的幅度和相位进行矢量合成。

加权网络，其主要任务给信号乘以一个系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位，这些加权系数可以改变自适应调整。

几何空间夹角，天线阵列之间具有一定的几何空间夹角指天线阵列在空间直角坐标系的xoy面或yoz面或zox面的投影具有一定的夹角，且中心点重合。

波束成形，本发明形成的波束包含有两个主瓣，两个主瓣中间有一个增益零点。

波束扫描，本发明的波束扫描指所成形的波束(即两个主瓣和两个主瓣中间的增益零点)在一定角度范围内移动。

参见图1，本发明一较佳实施例所述的一种阵列天线波束成形系统，包括天线阵列A1…An(n≥2)、馈电网络K1…Kn(n≥2)、加权网络S1…Sn(n≥2)、矢量合成网络H。其中，各天线阵列A1…An之间具有几何空间夹角，天线阵列A1(An)包括两天线子阵列A11、A12(An1、An2)，各天线子阵列A11、A12(An1、An2)为线阵或面阵，包含两个或两个以上天线单元；馈电网络K1(Kn)包括两子馈电网络K11、K12(Kn1、Kn2)，两子馈电网络K11、K12(Kn1、Kn2)分别连接有移相网络Y11、Y12(Yn1、Yn2)，两移相网络Y11、Y12(Yn1、Yn2)之间连接有矢量合成网络KH1(KHn)，各矢量合成网络KH1…KHn分别与各加权网络S1…Sn连接；加权网络S1…Sn可通过数字步进衰减器实现对信号的加权，也可通过可调电阻实现对信号的加权，各加权网络S1…Sn通过矢量合成网络H连接。

具体的，两子馈电网络K11、K12(Kn1、Kn2)分别对两天线子阵列A11、A12(An1、An2)的天线单元等幅同相耦合，各子馈电网络为并联馈电网络或串联馈电网络。并联馈电网络由若干并联的功率分配器以等幅同相的方式将功率分配给各天线单元；串联馈电网络包括将各天线单元串联的传输线，以及与传输线连接的耦合线，由功率分配器通过耦合线与传输线将功率以等幅同相的方式分配给各天线单元。移相网络通过移相器或LC电路或微带线对信号的相位进行调整，移相网络Y11、Y12实现子馈电网络K11与K12等幅反相耦合，移相网络Yn1、Yn2实现子馈电网络Kn1与Kn2等幅反相耦合；加权网络S1对天线阵列A1的信号进行加权，加权网络Sn对天线阵列An的信号进行加权。

天线阵列A1…An(n≥2)用来将电信号转换成无线信号发射到空气中，或者接收空气中的无线信号并转换成电信号；馈电网络K1…Kn(n≥2)用来给天线单元提供所需的信号幅度及相位，或者对天线单元接收到的信号按一定的幅度和相位进行矢量合成；加权网络S1…Sn(n≥2)分别对通过网络的信号进行不同加权值的加权；矢量合成网络H用来将发射信号分成n路矢量信号并分别传输给加权网络S1…Sn，或将加权网络S1…Sn传输过来的信号进行矢量合成为一路信号，即为波束信号。

当系统作为接收系统时，天线阵列A1的天线子阵列A11和A12的各个天线单元分别独立的接收空气中的无线信号，并将接收到的无线信号转换成电信号后传输给馈电网络K1。天线阵列An(n≥2)的天线子阵列An1(n≥2)和An2(n≥2)的各个天线单元分别独立的接收空气中的无线信号，并将空气中的无线信号转换为电信号后分别传输给馈电网络Kn。

馈电网络K1包括两个子馈电网络K11和K12，两个移相网络Y11和Y12及一个矢量合成网络KH1。子馈电网络K11接收天线子阵列A11的各个天线单元转换的电信号，并将子阵列A11中各个天线单元转换的电信号按相同的相位和幅度进行合成得到天线子阵列A11的信号。子馈电网络K12接收天线子阵列A12的各个天线单元转换的电信号，并将子阵列A12中各个天线单元转换的电信号按相同的相位和幅度进行合成后得到天线子阵列A12的信号。移相网络Y11对天线子阵列A11的信号进行移相，并将移相后的信号传输给矢量合成网络KH1；移相网络Y12对天线子阵列A12的信号进行移相，并将移相后的信号传输给矢量合成网络KH1。移相后的子阵列A11的信号和移相后的子阵列A12的信号具有180°的相位差，矢量合成网络KH1将移相网络Y11、Y12移相后的信号进行合成得到天线阵列A1的信号。加权网络S1对天线阵列A1的信号进行加权，加权值为s1。加权后的天线阵列A1的信号传输到矢量合成网络H。同理，天线阵列An的子阵列An1、An2的各个天线单元独立的接收空气中的无线信号，并将无线信号转换成电信号后传输给馈电网络Kn，馈电网络Kn对接收到的电信号进行相应的作用后得到天线阵列An的信号。加权网络Sn对天线阵列An的信号进行加权，加权值为sn。加权后的天线阵列An的信号传输到矢量合成网络H。矢量合成网络H对加权后的天线阵列A1…An(n≥2)的信号进行矢量合成得到波束信号。改变加权值s1…sn(n≥2)，则可以实现波束扫描。

由于移相后的子阵列A11的信号和移相后的子阵列A12的信号具有180°的相位差，因此，馈电网络K1(或者Kn)中的两个子馈电网络，其中一个可以不连接移相网络，另一个连接180°的移相网络，同样可以实现两子馈电网络的等幅反相耦合。

当系统作为发射系统时，矢量合成网络H将发射信号分成n路电信号分别传输给加权网络S1…Sn(n≥2)。加权网络S1…Sn(n≥2)分别对加权值为s1…sn(n≥2)的信号进行加权后，传输给馈电网络K1…Kn(n≥2)。馈电网络Kn(n≥1)将加权后的电信号按要求的相位和幅度馈电到天线阵列An的两个天线子阵列An1、An2(n≥1)的各个天线单元。天线子阵列An1、An2(n≥1)的各个天线单元再将信号转换成无线信号发射到空气中。其天线波束为波束信号。改变加权值s1…sn(n≥2)及可实现波束扫描。

可见，通过分别改变各加权网络对各天线阵列的信号的加权值来实现不同的加权，即可实现天线阵列的指定角度波束扫描。

具体实施方法：

如图3所示天线阵列A1与A2位于xy平面上，中心均在坐标原点，A1与A2夹角为14°。天线阵列A1包含天线子阵列A11和A12，天线阵列A2包含天线子阵列A21和A22，天线子阵列A11、A12、A21、A22为线阵，分别包含四个天线单元。

如图2所示，天线单元通过并联馈电网络进行等幅同相信号合成，分别得到天线子阵列A11、A12、A21、A22的信号。天线子阵列A11、A12通过巴伦电路进行等幅反相的信号合成得到天线阵列A1的信号，天线阵列A1的信号传输到加权网络S1进行信号加权，加权幅度为s1。同理天线子阵列A21、A22通过巴伦电路进行等幅反相的信号合成得到天线阵列A2的信号，天线阵列A2的信号传输到加权网络S2进行信号加权，加权幅度为s2。加权后的天线阵列A1、A2的信号通过矢量合成网络进行合成，得到所需波形，用公式表示为：

(A₁₁-A₁₂)·s1+(A₂₁-A₂₂)·s2

当s1＝0.5，s2＝0.5时，以如图3中所示x、y、z轴建立极坐标系，则图4为phi＝0°，theta＝(-100°，100°)的二维方向图。其中左图为右图中间区域的放大图，该波形包含两个主瓣，两个主瓣中间有一个增益零点。此时中间零点在theta＝0°。

改变加权幅度s1、s2，可实现波束扫描。

当s1＝0.4，s2＝0.6时，其二维方向图如图5所示，由左边的放大图看出此时中间零点为theta＝2.3°。

当s1＝0.3，s2＝0.7时，其二维方向图如图6所示，由左边的放大图看出此时中间零点为theta＝4.2°。

当s1＝0.2，s2＝0.8时，其二维方向图如图7所示，由左边的放大图看出此时中间零点为theta＝5.6°。

当s1＝0.1，s2＝0.9时，其二维方向图如图8所示，由左边的放大图看出此时中间零点为theta＝6.7°。

当s1＝0，s2＝1时，其二维方向图如图9所示，由左边的放大图看出此时中间零点为theta＝7°。

由以上数据可知，当改变加权幅度s1、s2时，可以实现波束扫描。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种阵列天线波束成形系统，其特征在于：包括

-至少两个天线阵列，各所述天线阵列之间具有几何空间夹角，各所述天线阵列均包括两天线子阵列，各所述天线子阵列均包含不少于两个的天线单元，用于将电信号转换成无线信号发射到空气中，或者接收空气中的无线信号并转换成电信号；

-至少两个馈电网络，各所述馈电网络分别用于给各所述天线阵列提供所需的信号幅度及相位，或者分别对各所述天线阵列接收到的信号按一定的幅度和相位进行矢量合成；

-至少两个加权网络，各所述加权网络分别对通过的信号进行不同权值的加权；所述加权网络给信号乘以一个系数，所述系数是复数，既调节幅度又调节相位；

-第一矢量合成网络，与各所述加权网络连接，用于将发射信号分成n(n≥2)路矢量信号并分别传输给各所述加权网络，或将各所述加权网络传输过来的信号进行矢量合成为波束信号；

所述馈电网络包括两子馈电网络、实现两子馈电网络等幅反相耦合的移相网络、对两天线子阵列进行信号合成得到天线阵列信号的第二矢量合成网络，所述移相网络与第二矢量合成网络连接，所述第二矢量合成网络与所述加权网络连接；

各所述天线子阵列为在同一平面几何空间的直线或面上的线阵或面阵，包含两个或两个以上天线单元。

2.根据权利要求1所述的阵列天线波束成形系统，其特征在于：两所述子馈电网络分别对两所述天线子阵列的各天线单元等幅同相耦合。

3.根据权利要求2所述的阵列天线波束成形系统，其特征在于：所述子馈电网络为并联馈电网络。

4.根据权利要求2所述的阵列天线波束成形系统，其特征在于：所述子馈电网络为串联馈电网络。

5.根据权利要求1所述的阵列天线波束成形系统，其特征在于：所述移相网络通过移相器对信号的相位进行调整。

6.根据权利要求1所述的阵列天线波束成形系统，其特征在于：所述移相网络通过LC电路对信号的相位进行调整。

7.根据权利要求1所述的阵列天线波束成形系统，其特征在于：所述移相网络通过微带线对信号的相位进行调整。

8.根据权利要求1所述的阵列天线波束成形系统，其特征在于：所述加权网络通过数字步进衰减器实现对信号的加权。

9.根据权利要求1所述的阵列天线波束成形系统，其特征在于：所述加权网络通过可调电阻实现对信号的加权。

10.一种基于权利要求1所述的阵列天线波束成形系统的阵列天线波束扫描方法，其特征在于：分别改变各所述加权网络对各所述天线阵列的信号的加权值来实现不同的加权，即可实现所述天线阵列的指定角度波束扫描，其中，所述加权网络给信号乘以一个系数，所述系数是复数，既调节幅度又调节相位。