CN107946778A - 超短波单通道测向天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种超短波单通道测向天线阵，旨在提供一种频率覆盖超短波频段的多平台、可折叠的单通道便携式测向天线阵。本发明通过下述技术方案予以实现：两个频段天线各输出2‑5路射频信号至射频开关矩阵，射频开关矩阵通过射频开关切换低、高频段至2‑5个功分器输入端，且同一时刻选择低频段或高频段天线输入至功分器输入端，功分器将每一路的射频开关输出信号分为两路，一路输出至四个移相器，移相器的输入和输出端用射频开关切换，输出至合路器2；另一路输出至合路器1，将2‑5路天线信号合成为一个全向参考信号，全向参考信号送入移相器送入合路器2，合路器2将上述移相器输出信号与合路器1输出信号合成为单通道射频信号。

Description

超短波单通道测向天线阵

技术领域

本发明涉及一种超短波单通道测向天线阵。更具体地说，是针对超短波频段电磁波信号，基于单通道相关干涉仪测向便携式天线阵的设计。

背景技术

随着电子技术的进步，各种测向体制的实现方法会有所不同而工作性能则会不断提高。在众多测向体制中干涉仪测向技术具有准确度高，极化误差小，测向灵敏度高，测向时间段，有一定的抗波前失真能力，场地适应性强，工作可靠，便于维护等优点。但传统的干涉仪测向机存在通道数量多、资源消耗大的问题。为克服这些缺点，世界各国都在加强干涉仪测向系统的研制。在干涉仪测向系统中，天线阵输出的信号经电缆接入无线电接收机。电缆中传输的信号，不同的频率成分其衰减亦不同，且信号的衰减随电缆的长度、信号的频率增加而增加，只有与无线电接收机接收的信号幅度基本一致时，才能得到满意的测向结果。传统的干涉仪测向机采用多基线解模糊获取信号来波方向的相位差，干涉仪测向存在两大问题，一是难以天线阵尺寸随着信号波长的增大和测向精度的提高而增加；二是天线的通道数随着测向精度的提高而增加。采用有源天线作为阵元及单通道相关干涉仪测向的方式代替传统干涉仪天线阵的测向系统称之为单通道相关干涉仪测向系统，该干涉仪测向系统能实现较少的天线通道数，测向准确度更高，测向功耗更低。随着无线电通信技术发展，计算机技术和数字信号处理的进步，干涉仪测向机的发展面临重大机遇和挑战。

就测向信号的种类而言，随着无线电通信技术的不断发展，需要开发能进行宽带低功耗测向的干涉仪测向机。国内外干涉仪测向机大部分采用多通道，多天线阵或多接收机模式，但多信道或多接收机模式对信道或接收机的一致性要求较高，且系统构建复杂，价格昂贵，严重限制干涉仪测向的广泛应用。为克服这一缺点，国外干涉仪测向机通常采用双信道补偿技术。所谓双信道补偿技术是指除了接收测向天线阵的测向信道外，还有一个接收全向天线阵的基准信道。

干涉仪测向体制具有灵敏度高，测向准确度高，测向速度快，可测仰角，有一定的抗波前失真能力，对极化误差不敏感等优点。该测向机基本消除了宽带信号调制对测向机的影响，对宽带信号有测向能力；较大程度提高了测向处理增益，提高了测向灵敏度；参考信号可以用测向天线阵附近的侦察天线阵和侦察接收机的输出信号替代；不需要进行测向通道误差校正，提高了测向速度。单通道体制的干涉仪测向实现了一套用于超短波测向的单通道多普勒测向系统。其中，射频前端由测向天线阵、8选l射频电子开关和无线电接收机组成。测向天线阵与8选1射频电子开关构成等效旋转的天线阵，负责对来波无线电信号的接收。根据所采用的测向接收机不同，测向天线分为单通道测向天线阵和双/多通道测向天线阵，采用相关干涉仪测向体制。测向天线组成接收天线信号开关矩阵，控制驱动测向天线组成接收天线，有源偶极子天线、单通道信号开关矩阵、双通道信号开关矩阵、多通道信号开关矩阵。双通道测向天线通过信号开关矩阵与接收机的另一个通道的输入端连接。多通道测向原理与双通道类似。双通道测向天线2～9通过信号开关矩阵与该接收机的另一个通道的输入端连接。在该开关矩阵将天线2～9中的一个与接收机的输入端连接时，可以测得该天线单元上的感应电压相对于天线1上的感应电压的相位差，因此，射频开关依次轮流地将天线2～9与接收机的一个通道的输入端连接，得到这些天线单元上的感应电压相对于天线1上的感应电压的相位差。将理论计算的样本相位差存入相应的方位角，与测量得到的相位差作相关运算，找出最相似 (或最贴近)的那一个样本点，该样本点所对应的方位角，就是被测来波的方向。由于实际安装环境与标准测试场地(即无反射环境)差异颇大，无论采用单通道相关干涉仪法，还是采用多通道干涉仪法都会出现大的测向误差。

测向天线阵处于测向机的最前端起换能器的作用。将接收的空中电磁波信号转换为电信号，同时通过某种组合形成测向天线阵，为后端接收机输出具有方位信息的射频信号。测向天线阵结构主要由塔架，下盘阵，上盘阵，立管，斜撑杆等组成，分为上下两层5元均匀分布的偶极子阵，工作在特定的频段范围。上层天线阵孔径为0。7米，下层天线阵孔径为2。0米，上，下层间距1。5米，下层距离塔架底部3。0米，天线阵总高。测向天线阵的使用环境比较恶劣，，一般都架设在山顶，建造物的顶部及舰船的桅塔顶部，特别是安装在舰船桅塔顶部时，天线阵要受到海浪的冲击振动，舰船的摇摆振动，舰船动力的工作振动及风力的作用，在受到风力作用下结构的应力及变形，在受到各种激励时产生比较大的振动或者产生共振。为了保证环境适应性，测向天线阵的主要支撑部分采用了不锈钢材料。中心盘，天线振子等选用了钛合金材料。下盘阵天线元支臂，放大器筒选用了玻璃钢材料。由于天线阵主要由板件和管件组成，所以在网格划分时，采用ANSYS的壳单元(Shell181)和管单元(Pipel6)。板件采用Shelll81来模拟；立管由于长径比较小，也采用Shell181单元来模拟；位于上中心体的短管和圆筒，是短而粗的管道结构，也采Shelll81单元来模拟。而其它管件，如横管，斜管，振子等，用ANSYS的直管单元(Pipel6)来模拟。通过实常数来指定板件的厚度以及管单元的外径和厚度。建立的天线阵示。该天线阵在底板与四根斜柱的连接处，通过螺栓与基础平台连接，支撑在振动平台上。所以，在该位置选择对应的四个点进行位移约束，其余均为自由状态。测向天线阵与8选1射频电子开关构成等效旋转的天线阵，负责对来波无线电信号的接收。中频处理板包括中频放大器、中频滤波器、比较器、鉴频器、音频放大器以及音频带通滤波器等功能电路，负责信号相位差的提取。测向控制板由一片微处理器构成，负责下位机流程控制，数据传输和来波方向角计算及回传。信号处理流程是：PC机客户端指定待测频点并发出测向命令；天线阵完成对待测频点无线电信号的接收，并0°/90°/180° /270°移相的形式寄生于调相信号中；中频处理板完成对调相信号的放大、限幅、滤波、鉴频、音频带通滤波，最终与合成信号提取各通道相位差信息；测向控制板对信号相位差信息采样、量化，并计算待测频点来波方向角。天线阵输出的信号经电缆接入无线电接收机。电缆中传输的信号，不同的频率成分其衰减亦不同且信号的衰减随电缆的长度、信号的频率增加而增加，只有与无线电接收机接收的信号幅度基本一致时，才能得到满意的测向结果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术超短波测向天线阵体积、重量及易用性方面存在的不足之处，提供一种接收通道数少，体积小重量轻，具有体积小、性能稳定、测向准确度高、具有良好的环境适应性，便携式、小型化、易拆装的超短波单通道测向天线阵。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种超短波单通道测向天线阵，包括： 2-5个有源折叠低频段天线，2-5个高频段印刷微带天线和射频开关，其特征在于：两个频段天线各输出2-5路射频信号至射频开关矩阵，射频开关矩阵通过射频开关切换低、高频段至 2-5个功分器输入端，且同一时刻选择低频段或高频段天线输入至功分器输入端，功分器将每一路的射频开关输出信号分为两路，一路输出至0°/90°/180°/270°移相器，移相器的输入和输出端用射频开关切换，输出至合路器2；另一路输出至合路器1，将2-5路天线信号合成为一个全向参考信号，全向参考信号送入移相器送入合路器2，合路器2将上述移相器输出信号与合路器1输出信号合成为单通道射频信号。

低频段有源天线的振子为可折叠结构，通过折叠振子及支撑杆，可将5路天线收纳在天线阵底部。

移相器可通过180°功分器和90°耦合器组合，实现工作频段内0°/90°/180° /270°移相。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

接收通道数少。本发明通过采用射频开关、功分器、移相器及合路器组合的单通道相关干涉仪测向体制，天线单元频率覆盖超短波频段通过低频段有源天线，高频段印刷微带天线接收的信号输出至射频开关，通过控制射频开关，选择低频段或高频段天线输出至功分器。实现双频段宽带选择输出单通道射频信号，减少了接收通道数量。

在天线接口单元内部，信号完成开关切换、功分、移相、合成等操作，最后完成单通道射频信号输出。采用有源电路匹配及可折叠结构一体化和模块化设计，低频段天线的尺寸仅相当于最低工作频段电磁波的波长的1/25。

体积小重量轻。本发明根据不同无线电频段，采用一体化和模块化的设计天线阵，可设计出不同频段的天线阵，一方面天线阵为一个整体，免去了安装和拆卸的步骤，节省了人力和时间；另一方面，天线的输出接口简单，为标准的单通道射频接口。体积小、拆装快速、操作简单。单人即可完成背负、安装、部署及使用，很大程度地提高了运输的便携性和使用的便利性。对于进行快速、机动的无线电测向具有重要意义，性能稳定、测向准确度高。本发明采用天线单元接收无线电信号后通过射频开关、功分器、移相器和合路器后，功分器将每一路的射频开关输出信号分为两路，一路输出至移相器，另一路输出至合路器1。移相器的输入和输出端用射频开关切换，输出至合路器2。合路器1将每一路功分器输出的其中一路合成，输出至合路器2。合路器2将移相器输出信号与合路器1 输出信号合成，输出单通道射频信号。相比多通道测向体制，单通道测向天线不需要校准即可得到相对稳定的相位差信息，并且其一致性不随环境等外部因素影响。

本发明提供极高的准确度和优异的抗多径反射能力，并在300kHz到18GHz频率范围内提供高精度的测向准确性。在20MHz到3GHz(300KHz到18GHz可选)频率范围内，可接收20MHz-3000MHz宽带范围无线电波，经过RF模块处理后输出可用于无线电测向的射频RF信号。支持空间谱估计测向或相关干涉仪测向，无需场地校正也能达到极高的测向准确度；可选择单通道或双(多)通道输出。性能稳定、测向准确度高、测向灵敏度高等优点，具有良好的环境适应性。

采用不同的结构形式可实现车载和固定站使用，非常适合城市复杂电磁环境使用。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是本发明超短波单通道测向天线阵原理框图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种超短波单通道测向天线阵，包括：采用低频段为30MHz-600MHz的2-5个有源折叠天线，采用高频段为600MHz-3000MHz的2-5个印刷微带天线和射频开关。两个频段天线各输出2-5路射频信号至射频开关矩阵，射频开关矩阵通过射频开关切换低、高频段至2-5个功分器输入端，且同一时刻选择低频段或高频段天线天线输入至功分器输入端，功分器将每一路的射频开关输出信号分为两路，一路输出至0°、90°、180°、270°移相器，移相器通过180°功分器和90°耦合器组合，实现30MHz-3000MHz 工作频段内0°/90°/180°/270°移相，并且移相器的输入和输出端用射频开关切换，输出至合路器2；另一路输出至合路器1，合路器1将2-5路天线信号合成为一个全向参考信号，将全向参考信号送入合路器2，合路器2将上述移相器输出信号与合路器1输出信号合成为单通道射频信号。

天线阵超短波无线电频段30MHz-3000MHz分为两段，30MHz-600MHz低频段，600MHz-3000MHz高频段。天线单元频率覆盖超短波频段，其中，低频段为有源可折叠天线，低频段有源天线的振子为可折叠结构，通过折叠振子及支撑杆，可将2-5路天线收纳在天线阵底部。高频段为2-5个印刷微带天线。合路器1将每一路功分器输出的其中一路合成，输出至合路器2的天线阵元接收信号S_T和参考信号S_T1分别表示为：

天线阵阵元接收信号

全向参考信号

式中，B为天线阵元接收信号，B₁为天线阵元全向参考信号的幅度，为参考信号，为阵元接收信号与全向参考信号的相位相位差，e是自然对数，j是虚数单位，为了区分两个信号，用S_T表示天线阵阵元接收信号(T无实际含义)，用S_T1表示全向参考信号(T1无实际含义)。

移相器将阵元信号移相与参考信号合成可得合成信号为：

由此可得合成信号幅度为：

在(0°/90°/180°/270°)移相器四次移相情况下，通过合路器1、合路器2可得移相器四次合成信号幅度：

同理，可计算天线阵各阵元信号与参考信号间的相位差，计算天线阵各阵元信号与参考信号间的相位差

将天线阵各阵元信号与参考信号间的相位差其保存为相位差矢量：

通过理论计算，得到不同频率下，各天线单元和参考信号间的相位差与方位角之间的关系，并建立样本数据库，在后端数字处理中将相位差矢量ψ与各方位角的天线阵元接收信号 S_T与全向参考信号S_T1的相位差ψ_i样本做相关运算，获得第i个方位角相关函数的相位矢量的相关运算结果：

取上式相关函数最大值的一组相位差样本所对应的方位角即为入射波的方向。

Claims (8)

1.一种超短波单通道测向天线阵，包括：2-5个有源折叠低频段天线，2-5个高频段印刷微带天线和射频开关，其特征在于：两个频段天线各输出2-5路射频信号至射频开关矩阵，射频开关矩阵通过射频开关切换低、高频段至2-5个功分器输入端，且同一时刻选择低频段或高频段天线输入至功分器输入端，功分器将每一路的射频开关输出信号分为两路，一路输出至0°、90°、180°、270°移相器，移相器的输入和输出端用射频开关切换，输出至合路器2；另一路输出至合路器1，将2-5路天线信号合成为一个全向参考信号，全向参考信号送入移相器送入合路器2，合路器2将上述移相器输出信号与合路器1输出信号合成为单通道射频信号。

2.如权利要求1所述的一种超短波单通道测向天线阵，其特征在于：天线阵超短波无线电频段30MHz-3000MHz分为两段，30MHz-600MHz低频段，600MHz-3000MHz高频段。

3.如权利要求1所述的一种超短波单通道测向天线阵，其特征在于：天线单元频率覆盖超短波频段，其中，高频段为2-5个印刷微带天线，低频段为有源可折叠天线，低频段有源天线的振子为可折叠结构，通过折叠振子及支撑杆，2-5路天线收纳在天线阵底部。

4.如权利要求1所述的一种超短波单通道测向天线阵，其特征在于：合路器1将每一路功分器输出的其中一路合成，输出至合路器2的天线阵元接收信号S_T和参考信号S_T1的矢量形式可分别表示为：

天线阵阵元接收信号

全向参考信号

式中，B为天线阵元接收信号S_T的幅度，为天线阵元接收信号S_T的相位，B₁为全向参考信号的S_T1幅度，为天线阵元接收信号S_T与全向参考信号S_T1的相位差，e为自然对数，j为虚数单位，为了区分两个信号，用S_T表示天线阵阵元接收信号，T无实际含义，用S_T1表示全向参考信号，T1无实际含义。

5.如权利要求4所述的一种超短波单通道测向天线阵，其特征在于：移相器将阵元信号移相与参考信号合成获得合成信号：

由此获得合成信号幅度：

。

6.如权利要求1所述的一种超短波单通道测向天线阵，其特征在于：功分器在0°、90°、180°、270°移相器四次移相情况下，通过合路器1、合路器2获得移相器四次合成信号幅度：

。

7.如权利要求6所述的一种超短波单通道测向天线阵，其特征在于：根据计算天线阵各阵元信号与参考信号间的相位差，计算天线阵各阵元信号与参考信号间的相位差：

将天线阵各阵元信号与参考信号间的相位差其保存为相位差矢量：

8.如权利要求7所述的一种超短波单通道测向天线阵，其特征在于：通过理论计算得到不同频率下，各天线单元和参考信号间的相位差与方位角之间的关系，并建立样本数据库，在后端数字处理中将相位差矢量ψ与各方位角的天线阵元接收信号S_T与全向参考信号S_T1的相位差ψ_i样本做相关运算，获得第i个方位角相关函数R_i的相位矢量的相关运算结果：

取上式相关函数最大值的一组相位差样本所对应的方位角即为入射波的方向，式中，ψ^T表示相位差矢量ψ的转置，T代表矩阵的转置运算。