CN108768418A - 一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置。该装置包括4个收发通道电路、4根天线和1个正四面体框架结构；其中每1根天线连接1个收发通道电路，并设置在正四面体框架结构的1个顶点位置。本发明所述天线射频前端的正四面体立体布局可使结构尺寸最小化，且能配合后端信号处理准确获知空间中有用信号和干扰信号的位置来实现定向通信和抗干扰的目的；本发明还通过设置射频和差通道的应用可针对性地对消干扰信号的幅度，提高了接收机的线性动态范围和系统的信噪比。

Description

一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置。
背景技术
众所周知，当今频谱资源越来越紧张，广播电视、通信和雷达等的应用占据了6GHz以内的大多频带，且在积极开发频率更高的微波毫米波频谱资源。因此，对某一具体应用来说，潜在着越来越多的无线电干扰。为了应对这一挑战，除了国际社会和国内主管部门对频谱资源做了合理规划之外，各器件厂商也努力开发抑制性能好、体积小、插入损耗小的模拟滤波器。例如，公网通信中的基站使用高抑制性能的腔体滤波器，手持终端用性能更好的体声波滤波器和薄膜腔声谐振滤波器逐渐取代传统的声表面波滤波器。又如，软件无线电和军用通信系统中用开关滤波器组或者基于变容二极管的电调滤波器来实现射频前端的频率预选。
在当今无线数字通信中，系统的抗干扰能力主要依赖射频前端的模拟滤波器进行频率预选，或者用在时间上避开干扰频点的跳频功能来实现。人们通常认为天线口接收的信号或干扰来自于任意一个方位和俯仰角，无线系统可通过射频前端设计的模拟滤波器滤除带外干扰或利用跳频功能避开干扰频点以获得高的信噪比进行信号接收处理。
面对这些挑战，不可否定新型技术的应用解决了不少现存的实际问题。对于今后日益复杂的电磁环境，传统的设计和方法存在着一些缺陷和不足。其一，射频前端的模拟滤波器无法滤除带内干扰，一旦干扰信号落在带内且幅度较强，不仅降低有用信号的信噪比，甚至阻塞整个接收机，使后端无法正确解调；其二，随着频谱资源的日益紧张，在同一空间和时间使用同一频谱的概率越来越大，传统技术认为干扰信号来自任意的方向，无法针对性地降低干扰以保证通信质量；其三，跳频的思想和理念虽相对先进，但也面临实际问题：一方面是现有跳频滤波器的插入损耗较大，比普通滤波器高约2dB-3dB，覆盖距离因此大打折扣；另一方面是通信系统之间的同步难度较大，尤其是高速跳频的同步。
尽管在新型无线通信系统中，商家提出并开始应用MIMO(Multiple-InputMultiple Output，缩写：MIMO)或者Massive MIMO的架构，即两个或两个以上天线呈阵列放置，两天线之间的距离约0.4λ～0.6λ，利用分集收发抵消多径衰落，增加接收增益和覆盖距离，但仍无法全方位地获知有用信号和干扰信号的具体方位以实现主动降噪的目的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用天线射频前端立体布局、多通道收发的方法，配合后端数字信号处理可全方位感知和计算出空间信号的方向，从而达到测向和主动抗干扰降噪的目的。具体技术方案如下：
一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置，包括4个收发通道电路、4根天线和1个正四面体框架结构；其中每1根天线连接1个收发通道电路，并设置在正四面体框架结构的1个顶点位置。
优选地，所述正四面体框架结构的棱采用绝缘支撑杆。
优选地，所述正四面体框架结构的边长为(N+1/2)*λ，其中N为非负整数，λ代表电磁波在自由空间中的波长。
优选地，所述收发通道电路由接收通道电路和发射通道电路组成；
所述接收通道电路包括滤波器、射频开关、限幅器、低噪声放大器、自动增益控制器、移相器和本地振荡器；所述接收通道电路用于将天线收到的信号进行滤波、放大、增益控制、移相和本振混频处理之后传输至模数转换器。
所述发射通道电路包括滤波器、射频开关、射频功率放大器、移相器和本地振荡器，所述发射通道电路用于将信号经本振混频、移相处理、功率放大和滤波之后传输至天线发射。
优选地，将所述4个收发通道电路随机分为两组，在每组的两个收发通道之间设置1个功率合成器，用于射频前端抗干扰接收。
采用本发明获得的有益效果：(1)本发明天线射频前端的正四面体立体布局可使结构尺寸最小化，且能配合后端信号处理，准确获知空间中有用信号和干扰信号的位置来实现定向通信和抗干扰的目的；(2)射频和差通道的应用可针对性地对消干扰信号的幅度，提高了接收机的线性动态范围和系统的信噪比；(3)可配合后端信号处理广泛用于无线电测速、测距和定位，以及主动干扰和主动降噪应用中去。
附图说明
图1是本发明天线射频前端装置立体结构示意图；
图2是收发通道电路图；
图3是实施例中天线射频前端装置立体结构示意图；
图4是实施例中天线射频前端装置的二维示意图；
图5是实施例中，频谱仪上显示的同相情况下的功率合成结果图；
图6是实施例中，频谱仪上显示的相位相差180°情况下的功率合成结果图。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明天线射频前端装置立体结构示意图，主要包括4个收发通道电路1(图中用T/R表示)、4根天线2和1个正四面体框架结构3；其中每1根天线连接1个收发通道电路，并设置在正四面体框架结构的1个顶点位置。实施例中，4个收发通道电路的组成相同，4根天线性能相同。
正四面体框架结果内部净空，其棱用绝缘支撑杆4制成，也可以采用玻璃钢或者工程塑料等制成。从数学理论得知，非共线的三点可确定一个平面，非共面的四点确定三维空间里任意一个位置；本发明中的天线使用全向天线，为有效降低天线之间的互耦，天线间距均设为(N+1/2)*λ，其中N为非负整数，λ表示电磁波在自由空间中的波长。
如图2所示，为本发明收发通道电路图；图中虚线框内为收发通道电路图，用T/R表示。所述收发通道电路由接收通道电路和发射通道电路组成；所述接收通道电路包括滤波器、射频开关、限幅器、低噪声放大器、自动增益控制器、移相器和本地振荡器(图中简称为本振)；所述接收通道电路用于将天线收到的信号进行滤波、放大、增益控制、移相和本振混频处理之后传输至模数转换器。所述发射通道电路包括滤波器、射频开关、射频功率放大器、移相器和本地振荡器，所述发射通道电路用于将信号经本振混频、移相处理、功率放大和滤波之后传输至天线发射。射频开关用于电路通道之间的转换。图中示意了其中的两个独立通道，在于两通道之间用功率合成器设计了和差通道，以达到射频前端抗干扰接收的目的；实施例中，功率合成器采用现有技术中的电路模块进行实现。具体地，在实施例中，四个射频前端设计时需保证幅度和相位的一致性，校准后的相位误差控制10°以内，幅度误差控制在1dB以内。在两通道之间设计了和差通道，记收发通道电路分别为通道TR1-TR4，如通道TR1和通道TR2之间，通道TR3和通道TR4之间分别设置功率合成器，实际工作时通过移相器改变相位信息，保证两通道之间干扰信号的相位差约为180°，经功率合成器后，干扰信号相位相反互相抵消，有用信号则合并增强，从而实现了主动降噪和提高信噪比的目的，并且接收机的抗阻塞性能因此也得以提升。模数转换器和数模转换器为本领域常规芯片，用于模拟信号和数字信号之间的相互转换，本发明中收发通道电路也可以采用现有技术中的信号收发模块来实现信号收发功能。
实施例一：图3是实施例中天线射频前端装置立体结构示意图，图4为图3在二维平面图上的详细展开图，4个接收通道均经过矢量网络分析仪进行校准和补偿，各通道之间的相位误差实测小于9°，电缆均采用等长、稳相的射频电缆。TR1和TR2之间设置了一个和差通道，TR3和TR4之间设置了一个和差通道，共有两组和差通道。干扰源采用信号源来模拟，天线采用同一型号的水平全向杆状天线，分别置于正四面体框架结构的四个顶点，正四面体框架结构的棱长为在f＝375MHz处对应的半波长。然后，使用信号源在近似远场的距离下，视距发射375MHz的周期性正弦波脉冲，四个接收通道在距离信号源约20m的位置，进行放大接收。现有技术中，相参的信号处理单元根据频谱特征分别算出每个脉冲到达各个通道的时间和时间差，进而计算出信号源与各天线的距离D1、D2、D3和D4，最终联立方程确定出辐射信号源相对天线射频前端装置的坐标位置。如下四式：
D1＝c*t1+t0
D2＝c*t2+t0
D3＝c*t3+t0
D4＝c*t4+t0
其中，c为自由空间中电磁波的速度，t0为校准后的通道时延，t1、t2、t3和t4分别为信号到天线口所需的时间。
实验实测出D1-D2＝40cm，即在0.5λ情况下，时延Δt＝1.35ns，基本符合周期T＝2.67ns的理论计算值。实测验证时发现在信号强度较大、反射小的条件下，通道的相位差相对稳定，但幅度会受室内环境的影响稍有波动。
为克服幅度波动的影响，将四个收发通道的自动功率控制开启，以此保证每个通道的输出功率近似等幅。每个接收通道均保持约60dB的增益，在等幅、同相情况下，经两通道分别放大后的合成功率约-5dBm。
然后，逐步调节改变移相器的相位，使其与另一通道之间的相位差接近180°，观测通道TR1和通道TR2、通道TR3和通道TR4分别功率合成后的幅度大小，即调节使得接收端的两个辅路模数转换器采样到的电压幅值最小。实测表明，两两合成的功率由-5.28dBm降低到-38dBm左右，抑制能力约33dB。换言之，在不使用任何模拟滤波器的情况下，通过移相可将来自空中的干扰信号降低33dB。此时，通信系统在该频点上有效地实现了对来自空间某位置干扰信号的抑制和主动降噪。
实施例二：如图3所示，用扫频信号源进行了进一步的验证测试。同上，设置信号源在同一地点发射300MHz-600MHz的正弦信号以模拟干扰信号，然后用频谱仪视距条件下接收，图中M1和M2分别代表测试标记点1和2。M1＝375MHz，选取另一标记点M2＝535MHz进行测试，在不移相的情况下通道的合成功率约-6.9dBm，如图5所示；移相使其相位差接近180°时，合成的功率降低到-32.73dBm，如图6所示。显然，移相后可将来自空间的干扰信号降低近26dB。
上述实施方式仅为本发明的典型实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明主要综合功能的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置，其特征在于，包括4个收发通道电路、4根天线和1个正四面体框架结构；其中每1根天线连接1个收发通道电路，并设置在正四面体框架结构的1个顶点位置。
2.如权利要求1所述的一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置，其特征在于：所述正四面体框架结构的棱采用绝缘支撑杆。
3.如权利要求1所述的一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置，其特征在于：所述正四面体框架结构的边长为(N+1/2)*λ，其中N为非负整数，λ代表电磁波在自由空间中的波长。
4.如权利要求1所述的一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置，其特征在于：所述收发通道电路由接收通道电路和发射通道电路组成；
所述接收通道电路包括滤波器、射频开关、限幅器、低噪声放大器、自动增益控制器、移相器和本地振荡器；所述接收通道电路用于将天线收到的信号进行滤波、放大、增益控制、移相和本振混频处理之后传输至模数转换器；
所述发射通道电路包括滤波器、射频开关、射频功率放大器、移相器和本地振荡器，所述发射通道电路用于将信号经本振混频、移相处理、功率放大和滤波之后传输至天线发射。
5.如权利要求1所述的一种具备测向和主动抗干扰功能的天线射频前端装置，其特征在于：将所述4个收发通道电路随机分为两组，在每组的两个收发通道之间设置1个功率合成器，用于射频前端抗干扰接收。
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