CN108493613A - 一种基于数字衰减器的天线极化瞬变装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线技术领域，更具体的说是一种基于数字衰减器的天线极化瞬变装置。所述装置包括一分二功分器、第一馈电支路、第二馈电支路、可编程控制板卡、及双线极化天线；其中第一馈电支路包括第一数字衰减器和第一数字移相器，第二馈电支路包括第二数字衰减器和第二数字移相器；本发明的有益效果为：通过可编程控制板卡控制数字衰减器的衰减量以及数字移相器的相移量，可以方便快捷地调控水平、垂直极化方向的电磁波的幅度和相位，进而实现相对于水平方向0°～90°偏转角范围内的输出功率恒定、极化角连续步进可调的线极化状态瞬变。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，更具体的说是一种基于数字衰减器的天线极化瞬变装置。
背景技术
随着频谱资源日益消耗、通信密集化程度不断提升，单极化天线已经不能够完全满足现代通信在频谱利用率、抗干扰等方面的需求，双极化天线通过发射两路正交的线极化波有效地改善了上述问题，因此得到广泛应用。随着技术地发展，为了进一步满足频谱利用率、抗干扰等方面的需求，研制能够工作在任意极化态下的变极化天线成为热点问题。
变极化天线具有能够工作在任意极化态的特点，能够实现电磁波极化形式的瞬时可变，在提高频谱利用率和抗干扰方面具有广阔的应用前景。通过工作在不同的极化态，系统可以实现频率复用，进而提高频谱利用率，或是通过极化态的切换来实现极化域的通信加密；通过检测接收信号的极化状态，调整接收天线的极化形式，实现与发射天线的极化匹配，减少信号的极化损失，或是调整接收天线的极化形式，实现与干扰信号的极化隔离，减少杂波信号的干扰。因此，变极化天线能够广泛应用在基站通信、卫星通信、雷达等系统上。
现有的变极化天线通常是指极化状态能够在垂直/水平极化、±45°极化及左旋/右旋圆极化之间自由切换的天线。现有技术中，通过增加特定的装置，使双极化天线实现极化状态能够连续步进变化的变极化天线功能，目前有关上述装置的公开资料尚未发现。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于数字衰减器实现极化状态能够连续步进变化的天线极化瞬变装置。所述装置能够实现下述功能，即将输入的两路相同的射频信号变换成具有设定的幅度关系并且相位相同的两路射频信号通过双线极化天线发射出去。
本发明的技术方案是：
一种基于数字衰减器的天线极化瞬变装置，其特征在于，所述装置包括一分二功分器、第一馈电支路、第二馈电支路、可编程控制板卡、及双线极化天线；其中第一馈电支路包括第一数字衰减器和第一数字移相器，第二馈电支路包括第二数字衰减器和第二数字移相器；两路射频信号由一分二功分器输入端口馈入，功率等分后分别进入第一馈电支路、第二馈电支路，经过幅度衰减和相位平衡后分别进入双线极化天线的水平极化端口和垂直极化端口，合成出极化角不同的线极化电磁波辐射。所述衰减器的衰减量可在衰减范围内步进变化，所述移相器则用于对两条馈电支路的相位进行补偿平衡，所述可编程控制板卡用于对两路条馈电支路的数字衰减器和数字移相器进行远程实时控制。可编程控制板卡采用FPGA程控电路实现，当FPGA程控电路接收到需要输出的信号极化类型的指令后，程控电路通过预先输入的天线极化发射表，对数字衰减器和移向器进行控制，方便快捷的调控水平、垂直极化方向的电磁波幅相，实现极化态的快速切换。
本发明的工作原理如下：设输入的两路射频信号分别为水平和垂直方向上的线极化电磁波Eh、Ev，其中极化角α定义为与水平方向的夹角：
Em表示总电场幅度，ω表示角频率，k表示传播常数，z表示电磁波在z方向传播距离，两路射频信号在空间合成线极化电磁波
E(z,t)＝Emcos(ωt-kz)
合成线极化电磁波的极化角α与Eh、Ev的关系如下：
通过调整衰减器衰减幅度，使得两路射频信号满足具有设定的幅度关系并且相位相同，则能够在空间中辐射出具有特定极化角的线极化电磁波。
本发明的有益效果为：
通过可编程控制板卡控制数字衰减器的衰减量以及数字移相器的相移量，可以方便快捷地调控水平、垂直极化方向的电磁波的幅度和相位，进而实现相对于水平方向0°～90°偏转角范围内的输出功率恒定、极化角连续步进可调的线极化状态瞬变。
附图说明
图1为使用本发明的装置结构框图；
图2是本发明的正交双线极化分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1为本发明的装置结构框图。所述装置包括一分二功分器1、第一馈电支路2、第二馈电支路3、可编程控制板卡4、及双线极化天线5；一分二功分器1 的输入端口11作为本装置的输入端口；第一馈电支路2包括第一数字衰减器21 和第一数字移相器22，第二馈电支路3包括第二数字衰减器31和第二数字移相器32。
两路射频信号由一分二功分器1的输入端口11馈入，功率等分后，从一分二功分器1的输出端口12输出的射频信号进入第一馈电支路2，经过第一数字衰减器21和第一数字移相器22后进入双线极化天线5的水平极化端口51；从一分二功分器1的输出端口13输出的射频信号进入第二馈电支路3，经过第二数字衰减器31和第二数字移相器32后5进入双线极化天线的垂直极化端口52，分别产生水平极化波和垂直极化波。其中，第一数字衰减器21和第二数字衰减器31在极化角控制中起主要作用，第一数字移相器22和第二数字移相器32起到相位补偿以使到达水平极化端口51和垂直极化端口52的信号相位一致的作用，因为双线极化天线5要求到达其水平极化端口和垂直极化端口两个射频信号的极化态一致性高，包括增益相同、相移相同。本实施例中，第一数字衰减器21和第二数字衰减器31参数相同，衰减步进量为1.0dB，衰减精度为±0.2dB，位数N＝4bit，衰减范围为15dB，附加相移量小于≤5°，可编程控制板卡4通过TTL接口控制第一数字衰减器21和第二数字衰减器31以及第一数字移相器 22和第二数字移相器32，特别地，由于衰减器不同衰减量的附加相移量较小，因此本实施例中无需数字移相器进行相位平衡。
极化角与数字衰减器衰减量的具体关系如下：
如图2所示，极化角α定义为线极化电磁波与水平方向的夹角，α对应的线极化电磁波E可以分解成为水平和垂直方向上的线极化电磁波Eh、Ev：
E(z,t)＝Emcos(ωt-kz)
因此极化角α与Eh、Ev的关系有：
功率与电场幅度之间满足关系，
其中η是自由空间波阻抗，单位为Ω。
水平极化波对应第一数字衰减器21，垂直极化波对应第二数字衰减器31，其衰减量A1、A2分别为：
其中A1、A2为第一数字衰减器21和第二数字衰减器31的衰减量，A1、A2为负数，单位为dB。Pm为总功率，Ph和Pv分别为水平极化波功率和垂直极化波功率。本发明中数字衰减器的衰减量是按照步进衰减量步进变化的，因此两路衰减器 21和31可根据所有的衰减状态，选择接近上式计算值的衰减量来组合产生所需的极化状态。
本发明中由于数字衰减器的衰减量存在一定的误差，因此不可避免地会对极化角带来误差。若数字衰减器的衰减精度为±δdB，则任一极化角的正向、负向极限误差为：
其中Δp、Δn为任一极化角的正向、负向极限误差。A1、A2为第一数字衰减器21 和第二数字衰减器31的衰减量，数值为负数，单位为dB。
原则上当数字衰减器位数为N时，天线输出线极化电磁波幅值恒定的衰减器组合共有2N+1-1种，即能够产生2N+1-1种不同的极化态，但由于衰减器步进量、衰减精度及衰减范围的影响，相邻极化角间隔过小时将无法区分，因此需要根据实际情况选取合理的衰减器位数及相应的参数。表1是利用本发明实现的某一实施例，该表显示了所有极化角、极限误差，归一化输出功率及数字衰减器衰减量之间的关系。本实施例中衰减器步进量为1.0dB，衰减精度为±0.2dB，位数N为4bit，实际产生的极化态偏转角、误差、归一化辐射功率及对应衰减器状态如表1所示。由表1可见，该系统能够实现31种稳定的极化态，所有极化态对应的归一化辐射功率保持稳定，所有极化态对应的极化角分布区间无交叠。
表1
Claims (2)
1.一种基于数字衰减器的天线极化瞬变装置，其特征在于：所述装置包括一分二功分器、第一馈电支路、第二馈电支路、可编程控制板卡、及双线极化天线；其中第一馈电支路包括第一数字衰减器和第一数字移相器，第二馈电支路包括第二数字衰减器和第二数字移相器；两路射频信号由一分二功分器输入端口馈入，功率等分后分别进入第一馈电支路、第二馈电支路，经过幅度衰减和相位平衡后分别进入双线极化天线的水平极化端口和垂直极化端口，合成出极化角不同的线极化电磁波辐射；所述衰减器的衰减量可在衰减范围内步进变化，所述移相器则用于对两条馈电支路的相位进行补偿平衡，所述可编程控制板卡用于对两路条馈电支路的数字衰减器和数字移相器进行远程实时控制，可编程控制板卡采用FPGA程控电路实现，当FPGA程控电路接收到需要输出的信号极化类型的指令后，程控电路通过预先输入的天线极化发射表，对数字衰减器和移向器进行控制，方便快捷的调控水平、垂直极化方向的电磁波幅相，实现极化态的快速切换。
2.根据权利要求1所述基于数字衰减器的天线极化瞬变装置，其特征在于：第一数字衰减器和第二数字衰减器的衰减步进量为1.0dB，衰减精度为±0.2dB，位数N＝4bit，衰减范围为15dB，附加相移量小于≤5°。
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