CN106356628A - 一种天线控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线控制系统，该天线系统包括有相控阵天线、转台、转台控制器及控制装置构成，所述相控阵天线设置于转台上，转台由转台控制器进行控制，控制装置则实现对转台控制器的控制。该天线控制系统可以提高认知无线电系统的性能以及系统容量，作为认知用户能从空域中寻找更多的频谱机会，减少同频干扰，降低了频率复用系数，提高频谱利用率。
Description
技术领域
本发明属于天线的技术领域，特别涉及一种认知无线电系统的全向通信天线。
背景技术
认知无线电(Cognitive Radio，CR)是一种可控频谱共享技术。它能够连续不断地感知无线环境的变化、在不改变系统硬件的条件下，使用可控技术实时地调整系统参数(如发射功率、载波频率等)，以适应环境的变化，从而实现对已有频谱的再利用，能达到很高的频谱的利用率。特别是可让非授权用户，即次用户(seconddary user，SU)使用授权用户，即主用户(primary user，PU)的频谱。由于面对不可再生的无线电频谱资源，与授权用户共享频谱的时候，SU肯定对PU产生一些干扰，那么如何去抑制这些干扰，在不影响PU正常工作的前提下，满足SU的通信质量要求，成为认知无线电系统研究的重点以及挑战。
当前，认知无线电系统作为无线通信领域研究热点之一，一般非授权用户(SU)使用全向天线通信，在时域或频域上寻找可用频谱。基于全向天线的特性，它可以在各个方向上检测当前整个区域的频谱使用情况，由于非授权用户(SU)在实际的通信过程中，仅希望对目标的方向发送和接收信号，这样不可避免会对非目标的方向产生干扰，因此不能充分利用现有的频谱资源。在与授权用户(PU)共享频谱时，减少非授权用户(SU)产生的干扰，能使SU和PU共享信道，可以将可控天线技术引入到认知无线电系统中。非授权用户(SU)使用可控天线进行发射和接收，当非授权用户(SU)处于发射状态时，将对非期望方向的用户形成零陷，使期望方向的用户接收到信噪比最大；当非授权用户(SU)处于接收状态，仅在期望方向上接收信号，零陷窄带波束以外的信号；这样既可以避免非授权用户(SU)对授权用户(PU)产生干扰，又能降低与其它用户间的相互干扰[8]。可控天线是通过空分多址原理来实现对不同用户的区分，从而提高频谱利用率以及通信质量，改善认知无线电系统的性能。
可控天线的结构主要由以下四个部分构成：天线阵列、模数转换(A/D)、波束形成网络、自适应处理部分。如图1所示：
(1)天线阵列部分：它包括多个天线阵元，一般是均匀圆形阵、均匀直线阵、随机分布线阵、十字阵等。
(2)模数转换部分：接收链路(下行)由模拟信号转换数字信号，发射链路(上行)由数字信号转换模拟信号。
(3)自适应处理部分：通过自适应算法和数字信号处理器来对实时输入的信号和干扰矢量进行处理，用来产生自适应的最优权值参数。
(4)波束形成网络：能够动态自适应加权处理，经过自适应信号处理器处理，产生所期望的自适应波束。
在认知无线电系统中，使用全向天线的认知用户与授权用户共享频谱时，不可避免会对授权用户产生干扰，这样会影响系统的性能。
发明内容
基于此，本发明的首要目地是克服上述问题，提供一种天线控制系统，该天线控制系统在认知无线电系统中引入可控天线技术，利用其空分多址特性使认知用户和授权用户共享频谱，在同时域同频域的情况下，可以实现认知用户的通信工作。
本发明的另一个目地在于提供一种天线控制系统，该天线控制系统可以提高认知无线电系统的性能以及系统容量，作为认知用户能从空域中寻找更多的频谱机会，减少同频干扰，降低了频率复用系数，提高频谱利用率。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种天线控制系统，该天线系统包括有相控阵天线、转台、转台控制器及控制装置构成，所述相控阵天线设置于转台上，转台由转台控制器进行控制，控制装置则实现对转台控制器的控制。
所述相控阵天线包括阵列天线、移相器、馈电网络等组成。阵列天线一般是若干个单元天线组成，单元天线后接有控制开关，然后再接有移相器，移相器是由数字式移相器和连续式移相器组成，数字式移相器提供离散的移相值，必须是360°×(1/2)的整数倍，其中n代表位数。在0°～360。范围内，连续式移相器的移相值是可以连续变化的。
进一步，所述移相器是数字式移相器，n＝5，移相器位的状态“0”表示直通，不移相；“1”表示移相，即对应通道相位延迟对应的度数。衰减器位的状态“0”代表直通，不衰减；“1”表示衰减，即对应通道幅度衰减对应的dB数。
所述相控阵天线为2.4GHz/5.8GHz双频段圆环相控阵天线，低频(2400～2500MHz)，高频(4900～5900MHz)，其带宽都是100MHz；波束切换时间＜＝1ms，功率控制范围及精度为30±1dB，天线尺寸460mm*600mm。
所述双频段圆环相控阵天线的天线极化方式是垂直极化，其工作方式是水平面电控扫描，垂直面固定波束；所述相控阵天线方向图有主瓣和副瓣之分，波束宽度就是主瓣两半功率点间的夹角，其中主瓣的瓣宽和方向性成反比的，决定了抗干扰能力的强弱。
相控阵天线是利用电控制阵列单元的相位来改变波束指向，实现波束的快速扫描，而且其方向图是随着波束的扫描发生变化。
所述相控阵天线通过RS232接口与控制装置进行通讯。
所述控制装置包括有主控模块、串口模块、以太网模块、I/O模块、电源模块、存储模块以及JTAG模块，其中主控模块使用的主芯片是基于ARMCortex-M3的32位微控制器STM32F103ZET6，主要负责控制整个系统的运转，以及数据的运算和处理；串口模块和以太网模块主要用来数据的通信；I/O模块的功能是输入和输出控制信号以及相应的控制指令；电源模块保证整个硬件系统的正常工作；存储模块的功能是存储LCD以及触摸屏参数设置的信息，以及满足大内存使用的需求；JTAG模块用于下载和调试代码。
转台是由固定部分、接收极化、手动平移等三大部分组成。其中接收极化法兰是用来固定天线的，固定部分用以固定接收极化和手动平移部分；相控阵天线通过螺钉安装在接收极化的法兰上，手动平移部分支撑接收极化，用以调整相控阵天线的水平位置。
本发明结合嵌入式和网络技术，来实现天线的波束角度可调、方向可调、功率可调的功能。由于使用的相控阵天线的本身限制，其最小的辐射角度为7.5°，精度较低，为了提高角度的可控性，采用相控阵天线和伺服转台的解决方案。本发明控制相控阵天线和伺服转台，实现调控角度为0.1°，提高了天线的辐射角度以及改善了系统的性能。
附图说明
图1是现有技术的天线结构示意图。
图2是本发明所实施的天线结构示意图。
图3是本发明所实施控制装置的结构框图。
图4是本发明所实施以太网模块的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。
如图2所示，本发明所实现的天线系统包括有相控阵天线、转台、转台控制器及控制装置构成，所述相控阵天线设置于转台上，转台由转台控制器进行控制，控制装置则实现对转台控制器的控制。
无线通信系统是将可用信息加载到无线电波或射频波上，再利用天线进行电波的发射和接收操作，从而实现设备间的通信。天线还具有能量转换功能，将馈线的高频电流转换为无线电波。垂直极化波就是电场强度方向垂直于地面，水平极化波就是电场强度方向平行于地面。本系统的双频段圆环相控阵天线的天线极化方式是垂直极化，其工作方式是水平面电控扫描，垂直面固定波束。方向图上有主瓣和副瓣之分，波束宽度就是主瓣两半功率点间的夹角，其中主瓣的瓣宽和方向性成反比的，决定了抗干扰能力的强弱。
相控阵天线是在转台控制器的控制下，利用电控制阵列单元的相位来改变波束指向，实现波束的快速扫描，而且其方向图是随着波束的扫描发生变化。通常，使用键盘操作相控阵天线，键盘将输入指令传输给控制装置，控制装置将控制信号传输给转台控制器，转台控制器则执行具体的控制指令，控制相控阵天线的调整。
使用键盘操作相控阵天线的基本操作步骤如下：
①开机后，系统会自动显示主界面；
②按menu键进入选择界面，根据提示输入需要选择的波位号或者衰减量；
③输入完成后按enter键就可以进入主界面；
④如果波位号选择错误，会有提示信息，按enter键返回选择界面；
⑤如果衰减量输入超出范围，会有提示信息，按enter键返回重新输入；
⑥在选择界面，通过上和下及右键来控制光标。
相控阵天线系统是由阵列天线、移相器、馈电网络等组成。阵列天线一般是若干个单元天线组成；移相器是由数字式移相器和连续式移相器组成，数字式移相器提供离散的移相值，必须是360°×(1/2)的整数倍，其中n代表位数。在0°～360。范围内，连续式移相器的移相值是可以连续变化的。本发明使用的相控阵天线的移相器是数字式移相器，n＝5，移相器位的状态“0”表示直通，不移相；“1”表示移相，即对应通道相位延迟对应的度数。衰减器位的状态“0”代表直通，不衰减；“1”表示衰减，即对应通道幅度衰减对应的dB数。
如图3所示，控制装置()是由主控模块、串口模块、以太网模块、I/O模块、电源模块、存储模块以及JTAG模块等组成。其中主控模块使用的主芯片是基于ARMCortex-M3的32位微控制器STM32F103ZET6，主要负责控制整个系统的运转，以及数据的运算和处理；串口模块和以太网模块主要用来数据的通信；I/O模块的功能是输入和输出控制信号以及相应的控制指令；电源模块保证整个硬件系统的正常工作；存储模块的功能是存储LCD以及触摸屏参数设置的信息，以及满足大内存使用的需求；JTAG模块用于下载和调试代码。关键是要根据相应项目需求来合理使用资源，以及保证可扩展性。
为了实现网络通信功能，以太网模块设计大多是采取嵌入式微控制器和外围协议芯片组合的解决方案。结合控制装置主芯片的特性以及更好实现高速通信，转台控制器采用以太网模块设计方式，采用28引脚独立以太网芯片ENC28J60。
如图4所示为ENC28J60典型应用电路。ENC28J60是使用SPI接口来与微控制器连接的以太网芯片，并且符合IEEE802.3协议规范，采用28引脚封装，不但提供所需的功能，而且又降低设计难度。通过ENC28J60的两个中断引脚和SPI四个引脚来实现与微控制器的网络通信，其速率能达到10Mb/s。还有两个专用的LEDA和LEDB引脚是用来连接LED指示灯，指示网络活动状态。
ENC28J60芯片集成MAC(Medium Access Control)和PHY(物理层)模块；同时带有8K字节的双端口RAM缓冲区，用来发送和接收数据包；支持半双工和全双工两种数据收发方式；总线接口的作用是解析SPI接收的数据和命令。一般MCU配置为主设备，ENC28J60为从设备。
转台是由固定部分、接收极化、手动平移等三大部分组成。其中接收极化法兰是用来固定天线的，固定部分用以固定接收极化和手动平移部分；相控阵天线通过螺钉安装在接收极化的法兰上，手动平移部分支撑接收极化，用以调整相控阵天线的水平位置。
本发明在认知无线电系统中引入可控天线技术，利用其空分多址特性使认知用户和授权用户共享频谱，在同时域同频域的情况下，可以实现认知用户的通信工作。由此可知，本发明可以提高认知无线电系统的性能以及系统容量。作为认知用户能从空域中寻找更多的频谱机会，减少同频干扰，降低了频率复用系数，提高频谱利用率。
因此，本发明设计的可控天线终端与系统，通过串口对相控阵天线进行控制，实现了认知无线电非授权用户的天线方向、角度可调，提高了天线的波束定位准确度，降低不同终端之间的干扰。
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 (7)
1.一种天线控制系统，该天线系统包括有相控阵天线、转台、转台控制器及控制装置构成，所述相控阵天线设置于转台上，转台由转台控制器进行控制，控制装置则实现对转台控制器的控制。
2.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于所述相控阵天线包括阵列天线、移相器、馈电网络；阵列天线是若干个单元天线组成，单元天线后接有控制开关，然后再接有移相器，移相器是由数字式移相器和连续式移相器组成，数字式移相器提供离散的移相值。
3.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于所述相控阵天线为2.4GHz/5.8GHz双频段圆环相控阵天线，低频(2400～2500MHz)，高频(4900～5900MHz)，其带宽都是100MHz；波束切换时间＜＝1ms，功率控制范围及精度为30±1dB，天线尺寸460mm*600mm。
4.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于所述双频段圆环相控阵天线的天线极化方式是垂直极化，其工作方式是水平面电控扫描，垂直面固定波束；所述相控阵天线方向图有主瓣和副瓣之分，波束宽度就是主瓣两半功率点间的夹角，其中主瓣的瓣宽和方向性成反比的。
5.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于所述相控阵天线通过RS232接口与控制装置进行通讯。
6.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于所述控制装置包括有主控模块、串口模块、以太网模块、I/O模块、电源模块、存储模块以及JTAG模块，其中主控模块使用的主芯片是基于ARMCortex-M3的32位微控制器STM32F103ZET6，主要负责控制整个系统的运转，以及数据的运算和处理；串口模块和以太网模块主要用来数据的通信；I/O模块的功能是输入和输出控制信号以及相应的控制指令；电源模块保证整个硬件系统的正常工作；存储模块的功能是存储LCD以及触摸屏参数设置的信息；JTAG模块用于下载和调试代码。
7.如权利要求1所述的天线控制系统，其特征在于转台是由固定部分、接收极化、手动平移等三大部分组成；其中接收极化法兰是用来固定天线的，固定部分用以固定接收极化和手动平移部分；相控阵天线通过螺钉安装在接收极化的法兰上，手动平移部分支撑接收极化，用以调整相控阵天线的水平位置。
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| CN110611169B (zh) * | 2019-09-17 | 2021-04-02 | 上海交通大学 | 基于周期性相位调制的相控阵天线系统及其使用方法 |
| CN113777414A (zh) * | 2021-08-24 | 2021-12-10 | 中电科思仪科技股份有限公司 | 基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置及方法 |
| CN113777414B (zh) * | 2021-08-24 | 2024-04-26 | 中电科思仪科技股份有限公司 | 基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置及方法 |
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| C06 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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