CN107710508B - 一种相控阵列系统和波束扫描方法 - Google Patents

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Abstract

一种相控阵列系统和波束扫描方法，其中所述相控阵列系统包括：至少两个平行排列的行波天线(21)，每个行波天线(21)包括依次连接的至少两个天线单元(22)；每个行波天线(21)的第一端(23)连接对应的第一射频通道(20)，每个行波天线(21)的第一端(23)通过对应的第一射频通道(20)与相控阵列系统的信号处理模块(24)连接，通过调整第一射频通道(20)的配置可调整信号处理模块(24)从第一端(23)输入所述行波天线(21)的信号的相位和/或幅度。所述相控阵列系统和波束扫描方法，在实现空间波束扫描的基础上，减少了对于射频通道数量的需求，从而降低了相控阵列系统的复杂度和成本。

Description

一种相控阵列系统和波束扫描方法
技术领域
本发明实施例涉及天线技术，尤其涉及一种相控阵列系统和波束扫描方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线通信系统对于天线性能的要求越来越高，阵列天线系统由于能够实现天线波束在空间中的电扫描，已经越来越多地应用于无线通信系统中。
阵列天线系统是多个天线单元按一定规律排列组成的天线系统。相控阵列系统是能够调整各天线单元的相位和/或幅度的阵列天线系统，通过调整输入到相控阵列系统的各天线单元的信号相位和/或幅度，就可以实现天线波束在空间中的方向变化，从而使用相控阵列系统结合控制算法可以实现天线波束的自动对准和天线摇晃时的波束自动跟踪。因此，使用相控阵列系统作为通信设备的天线，可以大大降低部署时间和成本，并且相控阵列系统还具有抗风、抗摇晃等优点，可以安装在稳定条件较差的街边抱杆等地点。
常规的相控阵列系统中，每一天线单元为一个独立的通道，为了实现水平和垂直两个方向上的二维波束扫描，需要为每个天线单元配置对应的射频通道，每个射频通道上通常包含移相器和/或可变增益放大器。一般来说各天线单元间隔二分之一波长以避免产生栅瓣，对于具有m×n个天线单元的阵列系统，就需要m×n个射频通道，但是射频通道数量较多会导致相控阵列系统复杂，功耗和成本都较高。
利用加大增益的天线单元可以减少射频通道数量，并减少移相器的使用数量，降低相控阵列系统的复杂度。但加大增益的天线单元之间的间距也会增大，导致相控阵列系统出现栅瓣，无法满足应用要求。
发明内容
本发明实施例提供一种相控阵列系统和波束扫描方法，在满足应用对于相控阵列系统的天线方向图要求的基础上，减少了对于射频通道数量的需求，从而降低了相控阵列系统复杂度和成本。
第一方面提供一种相控阵列系统，包括：
至少两个平行排列的行波天线，每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元；
每个行波天线的第一端连接对应的第一射频通道，每个行波天线的第一端通过所述对应的第一射频通道与所述相控阵列系统的信号处理模块连接，通过调整所述第一射频通道的配置可调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述第一射频通道包括第一移相器和/或第一可变增益放大器；
通过调整所述第一移相器的配置可调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位；
通过调整所述第一可变增益放大器的配置可调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的幅度。
结合第一方面或第一方面第一种可能的实现方式中任一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，每个行波天线的第二端连接第二射频通道，每个行波天线的第二端通过对应的所述第二射频通道与所述信号处理模块连接，通过调整所述第二射频通道的配置可调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述第二射频通道包括第二移相器和/或第二可变增益放大器；
通过调整所述第二移相器的配置可调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位；
通过调整所述第二可变增益放大器的配置可调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的幅度。
结合第一方面至第一方面第三种可能的实现方式中任一种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述相控阵列系统还包括波束控制模块，所述波束控制模块与每一所述第一射频通道分别连接；
所述波束控制模块通过调整所述第一射频通道的配置可调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度。
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述波束控制模块与每一所述第二射频通道分别连接；
所述波束控制模块通过控制与每一行波天线对应的第二射频通道的配置可调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度。
结合第一方面至第一方面第五种可能的实现方式中任一种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，每个行波天线的至少两个天线单元之间的间隔小于所述相控阵列系统的工作波长。
结合第一方面至第一方面第六种可能的实现方式中任一种可能的实现方式，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述至少两个行波天线之间的间隔小于所述相控阵列系统的工作波长。
第二方面提供一种波束扫描方法，用于实现相控阵列系统的波束扫描，所述相控阵列系统包括至少两个平行排列的行波天线，每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元；每个行波天线的第一端连接第一射频通道，每个行波天线的第一端通过对应的所述第一射频通道与所述相控阵列系统的信号处理模块连接；
所述方法包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向。
结合第二方面，在第二方面第一种可能的实现方式中，所述第一射频通道包括第一移相器和/或第一可变增益放大器；
所述控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向，具体包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第一移相器，使所述第一移相器调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；和/或
控制与每个所述行波天线对应的所述第一可变增益放大器，使所述第一可变增益放大器调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向。
结合第二方面或第二方面第一种可能的实现方式，在第二方面第二种可能的实现方式中，每个所述行波天线的第二端连接第二射频通道，每个行波天线的第二端通过对应的所述第二射频通道与所述信号处理模块连接；
所述方法还包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第二射频通道，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；
每个所述行波天线第一端和第二端的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向。
结合第二方面第二种可能的实现方式，在第二方面第三种可能的实现方式中，所述第二射频通道包括第二移相器和/或第二可变增益放大器；
所述控制与每个所述行波天线对应的所述第二射频通道，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向，具体包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第二移相器，使所述第二移相器调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；和/或
控制与每个所述行波天线对应的所述第二可变增益放大器，使所述第二可变增益放大器调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向。
第三方面提供一种波束扫描方法，用于实现相控阵列系统的波束扫描，所述相控阵列系统包括至少两个平行排列的行波天线，每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元；每个行波天线的第一端连接第一射频通道，每个行波天线的第一端通过对应的所述第一射频通道与所述相控阵列系统的信号处理模块连接；每个所述行波天线的第二端连接第二射频通道，每个行波天线的第二端通过对应的所述第二射频通道与所述信号处理模块连接；
所述方法包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道和所述第二射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束指向期望方向；
其中各个所述行波天线第一端之间的相位差和/或幅度差，或者各个所述行波天线第二端之间的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向维度上的指向；各个所述行波天线第一端和第二端之间的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上的指向。
本发明实施例提供的相控阵列系统和波束扫描方法，通过设置至少两个平行排列的行波天线，其中每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元，并在每个行波天线的第一端连接第一射频通道，并通过第一射频通道连接到信号处理模块，使得相控阵列系统在实现波束扫描的基础上，减少了对于射频通道数量的需求，从而降低了相控阵列系统的复杂度和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的相控阵列系统示意图；
图2为本发明实施例提供的相控阵列系统实施例一的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的相控阵列系统实施例二的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的相控阵列系统实施例三的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的相控阵列系统实施例四的结构示意图；
图6A为图5所示相控阵列系统的水平方向扫描仿真结果示意图；
图6B为图5所示相控阵列系统的垂直方向扫描仿真结果示意图；
图7为本发明实施例提供的波束扫描方法实施例一的流程图；
图8为本发明实施例提供的波束扫描方法实施例二的流程图；
图9为本发明实施例提供的波束扫描方法实施例三的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为传统的相控阵列系统示意图。如图1所示，传统的相控阵列系统包括m×n个天线单元Emn，每个天线单元Emn分别连接有一个对应的射频通道Cmn，相控阵列系统的馈电端口分别通过各射频通道Cmn与每一天线单元Emn连接。各天线单元Emn之间分别间隔该阵列天线工作波长的二分之一。
图1所示的相控阵列系统中，每一天线单元Emn都对应一个独立的射频通道Cmn，为每一射频通道Cmn配置一个与天线单元Emn对应的移相器Pmn、可变增益放大器VGAmn(进一步地还可以包括放大器Amn)。其中移相器Pmn用于调整输入天线单元Emn的相位，可变增益放大器VGAmn用于调整输入天线单元Emn的幅度，放大器Amn用于进一步放大输入天线单元Emn的信号幅度。因此可以通过调整各移相器Pmn的相位和/或可变增益放大器VGAmn的增益来实现相控阵列系统的波束扫描。但是，由于每一天线单元Emn都连接有一个独立的射频通道Cmn，导致整个相控阵列系统的复杂度较高，也使整个相控阵列系统的成本较高。
为了降低相控阵列系统的复杂度和成本，可以为相控阵列系统配置较大增益的天线单元，这样可以减少相控阵列系统的天线单元数量，从而减少天线通道的数量，以达到降低相控阵列系统复杂度和成本的目的。但是，在使用较大增益的天线单元后，天线单元之间的间距将增大，这会使整个相控阵列系统的方向图的栅瓣和旁瓣都过高，从而使相控阵列系统的性能降低，方向图无法满足应用需求。
图2为本发明实施例提供的相控阵列系统实施例一的结构示意图，如图2所示，本实施例的相控阵列系统包括：至少两个平行排列的行波天线21，每个行波天线21包括依次连接的至少两个天线单元22。每个行波天线21的第一端23连接第一射频通道20，每个行波天线21的第一端23通过第一射频通道20与相控阵列系统的信号处理模块24连接。信号处理模块24包括调制解调等处理单元，用于将各行波天线21接收的信号合成并转换为基带信号，或者将基带信号转换为射频信号并分配至各行波天线21中。通过调整第一射频通道20的配置可调整信号处理模块24从第一端23输入行波天线21的信号的相位和/或幅度。行波天线21还包括第二端25。
组成图2所示相控阵列系统的最基本的行波天线单元22可以是各种形式的基本天线单元，例如微带天线、缝隙天线、偶极子天线、波导天线等。至少两个天线单元22沿着传输线方向在传输线上排列在一起并依次连接形成一个行波天线21，电磁信号在沿着传输线方向传输过程中一部分信号耦合到天线单元22上辐射出来，剩下的信号沿着传输线方向继续传输，从多个天线单元22上辐射出来的信号在空间合成形成波束，其中的每个天线单元22上分配的信号幅度表达式为：
Figure BDA0001515199000000051
其中，n表示一个行波天线21上的天线单元22的数量，an表示一个行波天线21从第一端口23起的第n个天线单元22的信号幅度，S21,i表示单个天线单元22两端间从第一端23到第二端25方向的传输函数。调整各行波天线21各天线单元22之间的距离以及各天线单元22的参数，可以实现S21,i的调整，从而实现能量沿行波天线21的分布，使得行波天线21的第一端23的馈电信号仅有很少部分到达对端，绝大部分信号通过天线单元辐射出去，从而保证了行波天线21的辐射效率。
第一射频通道20包括移相单元和/或幅度调整单元，其中移相单元用于调整相位而幅度调整单元用于调整幅度，通过调节移相单元和/或幅度调整单元的配置可以调整信号处理模块24从第一端23输入行波天线21的信号的相位和/或幅度。在本实施例中，以第一移相器26作为移相单元，第一可变增益放大器27和第一功率放大器28作为幅度调整单元。需要说明的是，第一功率放大器28是用于进一步放大信号而设置的，其并不是必须设置的。
第一移相器26用于调整信号处理模块24从第一端23输入行波天线21的信号的相位。对于每个行波天线21，可以通过调整第一移相器26的参数(即移相值)，来调整相控阵列系统中每个行波天线21第一端23之间的相位差，从而调整垂直于行波天线21的方向维度上的辐射波束角度。
可选地，在每个行波天线21的第一端23，还可以连接第一可变增益放大器27，第一可变增益放大器27用于调整信号处理模块24从第一端23输入行波天线21的信号的幅度。通过调整第一可变增益放大器27的参数(即放大增益)，可以调整从第一端23馈入行波天线21的各天线单元22的信号幅度。进一步地，还可以在每个行波天线21的第一端23连接第一放大器28。第一放大器28一般为功率放大器，由于第一端23输入行波天线21的信号一般较小，为了使行波天线21能够向空间更好地辐射信号，可以设置第一放大器28。通过调整相控阵列系统中每个行波天线21第一端23之间的幅度差，也可以调整垂直于行波天线21的方向维度上的辐射波束角度。第一移相器26和第一可变增益放大器27(第一放大器28)也可以同时设置，即同时对相位和幅度进行调整。
第一移相器26、第一可变增益放大器27和第一放大器28共同组成行波天线21的第一射频通道20。每个行波天线21都具有对应的第一射频通道20。
至少两个行波天线21平行排列，形成一个相控阵列系统，各行波天线21的第一端23通过第一射频通道20与相控阵列系统的信号处理模块24连接。第一射频通道20在行波天线21与信号处理模块24之间完成信号的相位和/或幅度转换。
各行波天线21辐射信号的方向图合成即为整个相控阵列系统的方向图。通过调整各行波天线21连接的第一移相器26和/或第一可变增益放大器27的参数，可以改变各行波天线21之间的相位差，可以调整相控阵列系统在垂直于各行波天线21的方向维度上的辐射波束角度，即相控阵列系统的垂直波束角度，从而实现波束的垂直方向扫描。
由于本实施例提供的相控阵列系统中，在实现空间波束垂直方向扫描的基础上，仅在每个行波天线21的第一端23设置第一射频通道20，因此，本实施例提供的相控阵列系统无需为每个天线单元22都配置一个射频通道，从而减少了射频通道的数量。另外，本实施例提供的相控阵列系统中，辐射元还是采用基本的天线单元22，并未使用更大增益的天线单元，从而也不会对相控阵列系统的方向图产生影响。若本实施例提供的相控阵列系统中，天线单元22的数量与图1所示相控阵列系统相同，为m×n个，则本实施例提供的相控阵列系统仅需使用m个射频通道即可实现相控阵列系统的空间波束垂直方向扫描，大大降低了射频通道的数量。
本实施例提供的相控阵列系统，通过设置至少两个平行排列的行波天线列，其中每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元，并在每个行波天线的第一端连接第一射频通道，并通过第一射频通道连接到信号处理模块，使得相控阵列系统在实现波束扫描的基础上，减少了对于射频通道数量的需求，从而降低了相控阵列系统的复杂度和成本。
图3为本发明实施例提供的相控阵列系统实施例二的结构示意图，如图3所示，本实施例的相控阵列系统在图2所示相控阵列系统的基础上，还包括波束控制模块31，波束控制模块31的第一端与信号处理模块24连接，波束控制模块31的第二端与每一第一射频通道20分别连接。波束控制模块31中包括达波估计模块和波束配置模块，其中达波估计模块用来判断达波方向，波束配置模块用于调整行波天线21的输入信号相位和/或幅度。这里，波束配置模块31通过配置每一第一射频通道20的第一移相器26和/或第一可变增益放大器27的参数来实现调整行波天线21的输入信号相位和/或幅度。
波束控制模块31用于控制与每一行波天线21对应的第一射频通道20，以使第一射频通道20调整信号处理模块24从第一端23输入行波天线21的信号的相位和/或幅度。
也就是说，波束控制模块31用于控制阵列天线的波束指向，该波束控制模块31通过达波估计模块获取当前的达波方向信息，作为调整相位和幅度的依据，并通过波束配置模块调节与每个行波天线21的第一射频通道20的移相单元和/或幅度调整单元以控制相位和/或幅度。
图4为本发明实施例提供的相控阵列系统实施例三的结构示意图，如图4所示，本实施例的相控阵列系统在图3所示相控阵列系统的基础上，每个行波天线21的第二端25还连接第二射频通道40。每个行波天线21的第二端25通过对应的第二射频通道40与相控阵列系统的信号处理模块24连接。信号处理模块24包括调制解调等处理单元，用于将各行波天线21接收的信号合成并转换为基带信号，或者将基带信号转换为射频信号并分配至各行波天线21中。波束控制模块31中包括达波估计模块和波束配置模块，其中达波估计模块用来判断达波方向，波束配置模块用于调整行波天线21的输入信号相位和/或幅度。通过调整第二射频通道40的配置可调整信号处理模块24从第二端25输入行波天线21的信号的相位和/或幅度。
第二射频通道40包括移相单元和/或幅度调整单元，其中移相单元用于调整相位而幅度调整单元用于调整幅度，通过调节移相单元和/或幅度调整单元的配置可以调整信号处理模块24从第二端25输入行波天线21的信号的相位和/或幅度，因此。在本实施例中，以第二移相器42作为移相单元，第二可变增益放大器43和第二功率放大器44作为幅度调整单元。需要说明的是，第二功率放大器44是用于进一步放大信号而设置的，其并不是必须设置的。
第二移相器42用于调整信号处理模块24从第二端25输入行波天线21的信号的相位。对于每个行波天线21，可以通过调整第一移相器26和第二移相器42的参数(即移相值)，来调整相控阵列系统中每个行波天线21第一段23和第二端25之间的相位差，从而调整平行于行波天线21的方向维度上的辐射波束角度。
可选地，在每个行波天线21的第二端25，还可以连接第二可变增益放大器43，第二可变增益放大器43用于调整信号处理模块24从第二端25输入行波天线21的信号的幅度。通过调整第一可变增益放大器27和第二可变增益放大器43的参数(即放大增益)，可以调整从第一端23和第二端25馈入行波天线21的各天线单元22的信号幅度差。进一步地，还可以在每个行波天线21的第二端25连接第二放大器44。第二放大器44一般为功率放大器，由于第二端25输入行波天线21的信号一般较小，为了使行波天线21能够向空间更好地辐射信号，可以设置第二放大器44。通过调整相控阵列系统中每个行波天线21第一端23和第二端25之间的幅度差，也可以调整平行于行波天线21的方向维度上的辐射波束角度。第二移相器42和第二可变增益放大器43(第二放大器44)也可以同时设置，即同时对相位和幅度进行调整。
第二移相器42、第二可变增益放大器43和第二放大器44共同组成行波天线21的第二射频通道40。每个行波天线21都具有对应的第二射频通道40。
由于在各行波天线21的第一端23和第二端25都设置射频通道，可以同时控制从第一端23和第二端25馈入行波天线21的信号的相位和/或幅度。而通过调整各行波天线21连接的第一射频通道20和第二射频通道40的参数，改变不同行波天线21第一端23和第二端25之间的相位差和/或幅度差，可以调整相控阵列系统在平行于各行波天线21的方向维度上信号的辐射波束角度，即相控阵列系统的水平波束角度，从而实现波束的水平方向扫描。
当为每个行波天线21同时配置了第一射频通道20和第二射频通道40后，通过调整各第一移相器26和/或各第一可变增益放大器27、各第二移相器42和/或各第二可变增益放大器43的参数，可以同时实现相控阵列系统在水平方向和垂直方向上的波束扫描，即实现相控阵列系统在空间中的波束扫描。
在图4所示实施例的相控阵列系统中，每一行波天线21连接一个第一射频通道20和一个第二射频通道40，也就是一个行波天线21对应两个射频通道。那么整个相控阵列系统所需的射频通道总数为行波天线21数量的两倍。那么只要每个行波天线21中天线单元22的数量大于两个，则本实施例提供的相控阵列系统就能够比图1所示实施例的相控阵列系统使用更少的射频通道，从而降低相控阵列系统的复杂度和成本。一般地，为了使相控阵列系统的波束较佳，每一行波天线21中天线单元22的数量至少在3个以上，因此，本实施例提供的相控阵列系统能够在空间波束扫描的基础上，降低相控阵列系统的复杂度和成本。
进一步地，在图4所示实施例中，波束控制模块31的第一端与信号处理模块24连接，波束控制模块31的第二端与每一第二射频通道40分别连接。
波束控制模块31用于控制与每一行波天线21对应的第二射频通道40，以使第二射频通道40调整信号处理模块24从第二端25输入行波天线21的信号的相位和/或幅度。这里，波束配置模块31通过配置每一第二射频通道40的第二移相器42和/或第二可变增益放大器43的参数来实现调整行波天线21的输入信号相位和/或幅度。
也就是说，波束控制模块31用于控制阵列天线的波束指向，该波束控制模块31通过达波估计模块获取当前的达波方向信息，作为调整相位和幅度的依据，并通过波束配置模块调节与每个行波天线21的第一射频通道20和第二射频通道40的移相单元和/或幅度调整单元，以同时控制行波天线21第一端23和第二端25输入的相位和/或幅度。
图2至图4所示实施例中，每个行波天线21的至少两个天线单元22之间可以为任意间隔，只要整个相控阵列系统的辐射方向图满足实际需要即可。但每个行波天线21的至少两个天线单元22还可以等间隔设置。每个行波天线21的至少两个天线单元22等间隔设置，可以使每个行波天线21在平行于行波天线21平面上的辐射方向图最佳，从而使整个相控阵列系统的辐射方向图最佳。一般地，每个行波天线21的相邻两个天线单元之间的间隔需小于相控阵列系统的工作波长。根据相控阵列系统的原理可知，当各天线单元22之间的间隔为相控阵列系统工作波长的二分之一时，各天线单元22组成的相控阵列系统辐射方向图最佳，因此每个行波天线21的至少两个天线单元22之间的间隔可以为相控阵列系统工作波长的二分之一。
另外，为了更简单地控制相控阵列系统的方向图，可以使各行波天线阵列中的每个行波天线单元相同，也就是整个相控阵列系统中的每个天线单元都是相同的，这样能够使得整个相控阵列系统的辐射方向图最佳并便于控制。
同样地，相邻的两个行波天线21之间的间隔也可以小于相控阵列系统的工作波长。当相邻两个行波天线21之间的间隔为相控阵列系统工作波长的二分之一时，整个相控阵列系统的辐射方向图将最佳。
图5为本发明实施例提供的相控阵列系统实施例四的结构示意图。如图5所示，本实施例提供的相控阵列系统基于微带天线实现，相控阵列系统共包括5个行波天线阵列，每个行波天线阵列包括5个天线单元51，每个天线单元51都采用微带天线设计。在每个行波天线阵列两端都设置一个移相器。设沿每条行波天线阵列的方向为相控阵列系统的水平波束方向(及x方向)，沿多条行波天线阵列的方向为相控阵列系统的垂直波束方向(及y方向)。图6A为图5所示相控阵列系统的水平方向扫描仿真结果示意图。图6B为图5所示相控阵列系统的垂直方向扫描仿真结果示意图。
在图6A中，曲线52至曲线58分别为水平波束指向-18°、-12°、-6°、0°、6°、12°、18°时，图5所示相控阵列系统的水平方向图。在图6B中，曲线61至曲线65分别为垂直波束指向-12°、-6°、0°、6°、12°时，图5所示相控阵列系统的垂直方向图。在图6A和图6B中，纵坐标为增益，单位为dB，横坐标为角度，单位为度。
由此可见，本发明实施例提供的相控阵列系统能够实现空间波束扫描，并减少了射频通道的数量。
图7为本发明实施例提供的波束扫描方法实施例一的流程图，本实施例的方法用于实现相控阵列系统的波束扫描，所述相控阵列系统包括至少两个平行排列的行波天线，每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元；每个行波天线的第一端连接第一射频通道，每个行波天线的第一端通过对应的第一射频通道与所述相控阵列系统的信号处理模块连接。
本实施例的方法包括：
步骤S701，获取相控阵列系统的在垂直于行波天线方向的维度上的波束期望方向。
步骤S702，控制与每个行波天线对应的第一射频通道，使第一射频通道调整信号处理模块从第一端输入行波天线的信号的相位和/或幅度，以使相控阵列系统的波束在垂直于行波天线方向的维度上指向期望方向。
本实施例提供的波束扫描方法用于控制图2或图3所示相控阵列系统的波束扫描，其具体扫描方法已在前述实施例中进行了详细阐述，此处不再赘述。本实施例的方法可以由图3所示实施例中的波束控制模块31执行。
进一步地，在图7所示实施例中，第一射频通道包括第一移相器和/或第一可变增益放大器；
那么步骤S702具体包括：控制与每个行波天线对应的第一移相器，使第一移相器调整信号处理模块从第一端输入行波天线的信号的相位，以使相控阵列系统的波束在垂直于行波天线方向的维度上指向期望方向；和/或控制与每个行波天线对应的第一可变增益放大器，使第一可变增益放大器调整信号处理模块从第一端输入行波天线的信号的幅度，以使相控阵列系统的垂直于行波天线方向波束在垂直于行波天线方向的维度上指向期望方向。
图8为本发明实施例提供的波束扫描方法实施例二的流程图，本实施例的方法用于实现相控阵列系统的波束扫描，所述相控阵列系统在图7中的相控阵列系统的基础上，每个行波天线的第二端连接第二射频通道，每个行波天线的第二端通过对应的第二射频通道与信号处理模块连接。
本实施例的方法包括：
步骤S801，获取相控阵列系统的波束期望方向。
步骤S802，控制与每个行波天线对应的第一射频通道，使第一射频通道调整信号处理模块从第一端输入行波天线的信号的相位和/或幅度；控制与每个行波天线对应的第二射频通道，使第二射频通道调整信号处理模块从第二端输入行波天线的信号的相位和/或幅度。其中，每个行波天线第一端和第二端的相位差和/或幅度差用于控制相控阵列系统的波束在平行于行波天线方向的维度上的指向，行波天线之间的相位差和/或幅度差用于控制相控阵列系统的波束在垂直于行波天线方向的指向。
由于本实施例中即控制了相控阵列系统的平行于行波天线方向波束角度，也控制了相控阵列系统的垂直于行波天线方向波束角度，即实现了相控阵列系统在空间中的波束扫描。
本实施例提供的波束扫描方法用于控制图4所示相控阵列系统的波束扫描，其具体扫描方法已在前述实施例中进行了详细阐述，此处不再赘述。本实施例的方法可以为图4所示实施例中的波束控制模块31执行。
进一步地，在图8所示实施例中，第二射频通道包括第二移相器和/或第二可变增益放大器；
那么步骤S803具体包括：控制与每个行波天线对应的第二移相器，使第二移相器调整信号处理模块从第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使相控阵列系统的波束在平行于行波天线方向的维度上指向期望方向；和/或控制与每个行波天线对应的第二可变增益放大器，使第二可变增益放大器调整信号处理模块从第二端输入行波天线的信号的相位和/或幅度，以使相控阵列系统的波束在平行于行波天线方向的维度上指向期望方向。
进一步地，在图8所示实施例中，还包括：控制与每个行波天线对应的第一射频通道和第二射频通道，使第一射频通道调整信号处理模块从第一端输入行波天线的信号的相位和/或幅度，使第二射频通道调整信号处理模块从第二端输入行波天线的信号的相位和/或幅度，以使相控阵列系统的波束在垂直于行波天线方向的维度上指向期望方向；其中，各个行波天线第一端之间的相位差和/或幅度差，或者各个行波天线第二端之间的相位差和/或幅度差用于控制相控阵列系统的波束在垂直于行波天线方向的维度上的指向；各个所述行波天线第一端和第二端之间的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上的指向。值得说明的是，通常需要同时调整第一射频通道和第二射频通道来控制相控阵列系统的波束在垂直于行波天线方向的维度上的指向，以保持相控阵列系统中每个行波天线的两端输入信号的相位差和/或幅度差，以免影响波束在平行于行波天线方向的维度上的指向。
图9为本发明实施例提供的波束扫描方法实施例三的流程图，本实施例的方法用于实现相控阵列系统的波束扫描，所述相控阵列系统包括至少两个平行排列的行波天线，每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元；每个行波天线的第一端连接第一射频通道，每个行波天线的第一端通过对应的所述第一射频通道与所述相控阵列系统的信号处理模块连接；每个所述行波天线的第二端连接第二射频通道，每个行波天线的第二端通过对应的所述第二射频通道与所述信号处理模块连接。
本实施例的方法包括：
步骤S901，获取相控阵列系统的波束期望方向。
步骤S902，控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道和所述第二射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束指向期望方向。其中各个所述行波天线第一端之间的相位差和/或幅度差，或者各个所述行波天线第二端之间的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上的指向；各个所述行波天线第一端和第二端之间的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上的指向。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种相控阵列系统，其特征在于，包括：
至少两个平行排列的行波天线，每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元；
每个行波天线的第一端连接对应的第一射频通道，每个行波天线的第一端通过所述对应的第一射频通道与所述相控阵列系统的信号处理模块连接，通过调整所述第一射频通道的配置来调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度；通过调整每个所述行波天线对应的所述第一射频通道的配置，来调整所述相控阵列系统中所有所述行波天线的所述第一端之间的相位差和/或幅度差；
每个行波天线的第二端连接第二射频通道，每个行波天线的第二端通过对应的所述第二射频通道与所述信号处理模块连接，通过调整所述第二射频通道的配置来调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度；通过调整每个所述行波天线对应的所述第一射频通道和所述第二射频通道的配置，来调整所述相控阵列系统中每个所述行波天线的第一端与第二端之间的相位差和/或幅度差。
2.根据权利要求1所述的相控阵列系统，其特征在于，所述第一射频通道包括第一移相器；
通过调整所述第一移相器的配置来调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位；或
所述第一射频通道包括第一可变增益放大器；
通过调整所述第一可变增益放大器的配置来调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的幅度；或
所述第一射频通道包括第一移相器和第一可变增益放大器；
通过调整所述第一移相器的配置来调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位，通过调整所述第一可变增益放大器的配置来调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的幅度。
3.根据权利要求1所述的相控阵列系统，其特征在于，所述第二射频通道包括第二移相器；
通过调整所述第二移相器的配置来调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位；或
所述第二射频通道包括第二可变增益放大器；
通过调整所述第二可变增益放大器的配置来调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的幅度；或
所述第二射频通道包括第二移相器和第二可变增益放大器；
通过调整所述第二移相器的配置来调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位，通过调整所述第二可变增益放大器的配置来调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的幅度。
4.根据权利要求1～3任一项所述的相控阵列系统，其特征在于，还包括波束控制模块，所述波束控制模块与每一所述第一射频通道分别连接；
所述波束控制模块通过调整所述第一射频通道的配置来调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度。
5.根据权利要求4所述的相控阵列系统，其特征在于，所述波束控制模块与每一所述第二射频通道分别连接；
所述波束控制模块通过控制与每一行波天线对应的第二射频通道的配置来调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度。
6.根据权利要求1～3任一项所述的相控阵列系统，其特征在于，每个行波天线的至少两个天线单元之间的间隔小于所述相控阵列系统的工作波长。
7.根据权利要求1～3任一项所述的相控阵列系统，其特征在于，所述至少两个行波天线之间的间隔小于所述相控阵列系统的工作波长。
8.一种波束扫描方法，其特征在于，用于实现相控阵列系统的波束扫描，所述相控阵列系统包括至少两个平行排列的行波天线，每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元；每个行波天线的第一端连接第一射频通道，每个行波天线的第一端通过对应的所述第一射频通道与所述相控阵列系统的信号处理模块连接；
所述方法包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；
每个所述行波天线的第二端连接第二射频通道，每个行波天线的第二端通过对应的所述第二射频通道与所述信号处理模块连接；
所述方法还包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第二射频通道，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；
每个所述行波天线第一端和第二端的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一射频通道包括第一移相器；
所述控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向，具体包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第一移相器，使所述第一移相器调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；或
所述第一射频通道包括第一可变增益放大器；
所述控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向，具体包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第一可变增益放大器，使所述第一可变增益放大器调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；或
所述第一射频通道包括第一移相器和第一可变增益放大器；
所述控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向，具体包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第一移相器，使所述第一移相器调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位，以及控制与每个所述行波天线对应的所述第一可变增益放大器，使所述第一可变增益放大器调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的幅度，以使所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上指向期望方向。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二射频通道包括第二移相器；
所述控制与每个所述行波天线对应的所述第二射频通道，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向，具体包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第二移相器，使所述第二移相器调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；或
所述第二射频通道包括第二可变增益放大器；
所述控制与每个所述行波天线对应的所述第二射频通道，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向，具体包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第二可变增益放大器，使所述第二可变增益放大器调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向；或
所述第二射频通道包括第二移相器和第二可变增益放大器；
所述控制与每个所述行波天线对应的所述第二射频通道，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向，具体包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第二移相器，使所述第二移相器调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位，控制与每个所述行波天线对应的所述第二可变增益放大器，使所述第二可变增益放大器调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的幅度，以使所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上指向期望方向。
11.一种波束扫描方法，其特征在于，用于实现相控阵列系统的波束扫描，所述相控阵列系统包括至少两个平行排列的行波天线，每个行波天线包括依次连接的至少两个天线单元；每个行波天线的第一端连接第一射频通道，每个行波天线的第一端通过对应的所述第一射频通道与所述相控阵列系统的信号处理模块连接；每个所述行波天线的第二端连接第二射频通道，每个行波天线的第二端通过对应的所述第二射频通道与所述信号处理模块连接；
所述方法包括：
控制与每个所述行波天线对应的所述第一射频通道和所述第二射频通道，使所述第一射频通道调整所述信号处理模块从所述第一端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，使所述第二射频通道调整所述信号处理模块从所述第二端输入所述行波天线的信号的相位和/或幅度，以使所述相控阵列系统的波束指向期望方向；
其中各个所述行波天线第一端之间的相位差和/或幅度差，或者各个所述行波天线第二端之间的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在垂直于所述行波天线方向的维度上的指向；各个所述行波天线第一端和第二端之间的相位差和/或幅度差用于控制所述相控阵列系统的波束在平行于所述行波天线方向的维度上的指向。
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