CN109246050B - 一种基于三维矢量天线入射电磁波极化判决方法 - Google Patents

一种基于三维矢量天线入射电磁波极化判决方法 Download PDF

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Abstract

一种基于三维矢量天线的电磁波极化判决方法，其实现步骤是：(1)三维矢量天线分别接收x、y、z方向电场信号Ex(t)、Ey(t)、Ez(t)；(2)通过坐标变换，计算垂直传播方向的平面φOθ上的俯仰电场分量Eθ(t)和方位电场分量Eφ(t)；(3)通过希尔伯特变换计算两个分量的解析信号，把各自解析信号与其共轭信号相乘开方，估计出电场分量幅度值
Figure DDA0001854910690000011
(4)把俯仰电场解析信号与方位电场解析信号的共轭信号相乘，估计两个分量相位差
Figure DDA0001854910690000012
(5)由幅度和相位差估计量
Figure DDA0001854910690000013
可以确定入射电磁波极化特性。本发明能够实现对任意角度入射的电磁波极化特性估计，可以用于无线通信中的极化调制技术领域。

Description

一种基于三维矢量天线入射电磁波极化判决方法
技术领域
本发明涉及到无线通信中的极化调制技术，具体涉及到三维矢量天线入射电磁波极化特性的估计方法。
背景技术
传统数字调制技术是利用电磁波幅度、频率或者相位承载基带信息，极化调制则是一种新型数字调制方式，即利用电磁波不同极化特性，承载不同的基带信息。极化调制技术中一个关键环节就是接收机对电磁波极化特性的估计。虽然电磁波极化估计在已有电子设备中也有一些方法，通常采用二维正交双极化天线，并假设电磁波从法向入射，此时，现有技术仅仅估计电磁波是圆极化还是线极化，是左旋还是右旋极化，而不需要估计电磁波准确的极化特性。也有技术采用6维矢量天线对任意角度入射电磁波进行极化特性估计，但信号处理方法非常复杂，很难满足通信接收机实时性要求。在极化调制中，电磁波具有不同特性，需要估计包括线极化、圆极化、椭圆极化在内的任意极化特性。为此，首先采用三维矢量天线，在已知电磁波入射角度情况下，通过简单信号处理方式实现对电磁波任意极化特性估计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何通过三维矢量天线，快速估计任意角度入射电磁波的准确极化特性。解决该技术问题的方法是一种基于三维矢量天线入射电磁波极化判决方法，其实现步骤是：
(1)建立空间直角坐标系XYZ，任意极化的电磁波，从方位角φ和俯仰角θ入射该矢量天线上，角度为已知量；电磁波的接收天线是一个三维矢量天线，该矢量天线由三个相互垂直的线极化振子天线构成，三个线极化振子天线的极化方向分别与三个坐标轴重合，三个振子天线的馈点都位于坐标原点；天线三个振子接收信号为已知量，可以表示为
Figure GDA0002742346420000021
Figure GDA0002742346420000022
Exm、Eym、Ezm分别为x、y、z方向接收电场幅度，
Figure GDA0002742346420000023
Figure GDA0002742346420000024
分别为x、y、z方向接收电场初始相位，ω为信号频率；
(2)根据电磁波入射的方位角φ和俯仰角θ，入射电磁波电场可以在垂直传播方向的平面φOθ上分解为俯仰分量Eθ(t)和方位分量Eφ(t)两个相互垂直的电场分量；在坐标原点处，根据坐标变换关系由Ex(t)，Ey(t)，Ez(t)可计算得Eθ(t)，Eφ(t)，即Eθ(t)＝Ex(t)cosθcosφ+Ey(t)cosθsinφ-Ez(t)sinθ，Eφ(t)＝-Ex(t)sinφ+Ey(t)cosφ；同时，两个电场分量Eθ(t)和
Figure GDA0002742346420000025
是两个正弦信号，可以表示为
Figure GDA0002742346420000026
Eθm和Eφm分别是两个方向电场分量的幅度，
Figure GDA0002742346420000027
和
Figure GDA0002742346420000028
分别是两个电场分量的初相；为了估计接收电磁波极化特性，需要估计俯仰分量Eθ(t)和方位分量Eφ(t)的幅度Eθm、Eφm和相位差
Figure GDA0002742346420000029
(3)幅度Eθm、Eφm的估计方法为：
第一步，将Eθ(t)和Eφ(t)经过希尔伯特变换，得到两个电场的解析信号分别为
Figure GDA00027423464200000210
其中符号H[]表示求希尔伯特变换；
第二步，取两个电场分量解析信号的共轭，得到
Figure GDA00027423464200000211
Figure GDA00027423464200000212
其中符号[]*表示取共轭；
第三步，解析信号与其共轭信号相乘，并开方，得到两个电场分量幅度估计值
Figure GDA00027423464200000213
具体为
Figure GDA00027423464200000214
(4)在获得Eθ(t)和Eφ(t)分量幅度估计值后，相位差估计方法为：
第一步，把解析信号
Figure GDA00027423464200000215
与解析信号
Figure GDA00027423464200000216
相乘，然后归一化幅度得到
Figure GDA0002742346420000031
第二步，取A的实部和虚部，即
Figure GDA0002742346420000032
然后通过三角函数反变换，估计相位差
Figure GDA0002742346420000033
相位差范围为[-π,π]，其中符号Re[]和Im[]分别表示取实部和虚部；如果Re(A)>0，Im(A)>0则
Figure GDA0002742346420000034
Re(A)<0，Im(A)>0则
Figure GDA0002742346420000035
Re(A)>0，Im(A)<0则
Figure GDA0002742346420000036
Re(A)<0，Im(A)<0则
Figure GDA0002742346420000037
(5)由幅度和相位差估计量
Figure GDA0002742346420000038
可以确定入射电磁波极化特性。
本发明的有益效果是，通过采用三维矢量天线和对接收信号的信号处理，可以快速估计出任意角度入射的、包括圆极化、线极化、椭圆极化等所有极化的电磁波极化特性。本发明可以应用于无线通信领域的极化调制技术。
附图说明：
图1是入射电磁波极化特性判决方法框图；
图2是三维矢量天线示意图；
图3是信号入射示意图；
图4是电场分量幅度估计方法框图；
图5是电场分量相位差估计方法框图。
具体实施例
极化调制是数字调制中的一个新技术，利用电磁波不同极化方式，携带对应的基带信息符号。对于极化调制接收机，其关键的一个步骤是实现对任意角度入射天线的电磁波极化特性的快速准确估计。现有极化估计，通常采用正交双极化天线，即天线由水平极化和垂直极化两个线极化单元构成，并假设电磁波从法向入射天线。这种方法，无法估计任意角度入射电磁波的极化特性。也有技术采用6维矢量天线，通过复杂的信号处理，估计任意角度入射的电磁波极化特性。但由于信号处理方法非常复杂，很难满足接收机实时性要求。在已知电磁波入射角度情况下，利用三维矢量天线，可以快速估计电磁波极化特性，总体实现步骤如图1所示。具体实现步骤为：
(1)如图2所示，建立空间直角坐标系XYZ，电磁波的接收天线是一个三维矢量天线，该矢量天线由三个相互垂直的线极化振子天线构成，三个线极化振子天线的极化方向分别与三个坐标轴重合，三个振子天线的馈点都位于坐标原点。如图3所示，任意未知极化的电磁波，从方位角φ和俯仰角θ入射该矢量天线上，角度为已知量。在坐标原点处，天线三个振子接收信号为已知量，可以表示为
Figure GDA0002742346420000041
Exm、Eym、Ezm分别为x、y、z方向接收电场幅度，
Figure GDA0002742346420000042
分别为x、y、z方向接收电场初始相位，ω为信号频率。
(2)如图3所示，根据电磁波入射的方位角φ和俯仰角θ，入射电磁波电场可以在垂直传播方向的平面φOθ上分解为俯仰分量Eθ(t)和方位分量Eφ(t)两个相互垂直的电场分量，图中eφ和eθ分别表示方位角方向和俯仰角方向单位矢量。坐标原点处，根据坐标变换关系，可以由Ex(t)，Ey(t)，Ez(t)计算得Eθ(t)，Eφ(t)，即Eθ(t)＝Ex(t)cosθcosφ+Ey(t)cosθsinφ-Ez(t)sinθ，Eφ(t)＝-Ex(t)sinφ+Ey(t)cosφ。同时，两个电场分量Eθ(t)和
Figure GDA0002742346420000043
是两个正弦信号，可以表示为
Figure GDA0002742346420000044
Figure GDA0002742346420000045
Eθm和Eφm分别是两个方向电场分量的幅度，
Figure GDA0002742346420000046
和
Figure GDA0002742346420000047
分别是两个电场分量的初相；为了估计接收电磁波极化特性，需要估计俯仰分量Eθ(t)和方位分量Eφ(t)的幅度Eθm、Eφm和相位差
Figure GDA0002742346420000048
(3)如图4所示，幅度Eθm、Eφm的估计方法为：
第一步，将Eθ(t)和Eφ(t)经过希尔伯特变换，得到两个电场的解析信号分别为
Figure GDA0002742346420000051
其中符号H[]表示求希尔伯特变换；
第二步，取两个电场分量解析信号的共轭，得到
Figure GDA0002742346420000052
Figure GDA0002742346420000053
其中符号[]*表示取共轭；
第三步，解析信号与其共轭信号相乘，并开方，得到两个电场分量幅度估计值
Figure GDA0002742346420000054
具体为
Figure GDA0002742346420000055
(4)如图5所示，在获得Eθ(t)和Eφ(t)分量幅度估计值后，相位差估计方法为：
第一步，把解析信号
Figure GDA0002742346420000056
与解析信号
Figure GDA0002742346420000057
相乘，然后归一化幅度得到
Figure GDA0002742346420000058
第二步，取Y的实部和虚部，即
Figure GDA0002742346420000059
然后通过三角函数反变换，估计相位差
Figure GDA00027423464200000510
误差范围为[-π,π]，其中符号Re[]和Im[]分别表示取实部和虚部；如果Re(A)>0，Im(A)>0则
Figure GDA00027423464200000511
Re(A)<0，Im(A)>0则
Figure GDA00027423464200000512
Re(A)>0，Im(A)<0则
Figure GDA00027423464200000513
Re(A)<0，Im(A)<0则
Figure GDA00027423464200000514
(5)由幅度和相位差估计量
Figure GDA00027423464200000515
可以确定入射电磁波极化特性。
本发明通过对三维矢量天线接收信号进行信号处理，可以估计电磁波的极化特性。本发明可以应用于无线通信接收机中，对于任意角度入射的任意极化特性的电磁波，可以做到快速估计该电磁波极化特性，从而解调出基带符号信息。

Claims (1)

1.一种基于三维矢量天线的电磁波极化判决方法，其实现步骤是
(1)建立空间直角坐标系XYZ，任意极化的电磁波，从方位角φ和俯仰角θ入射该矢量天线上，角度为已知量；电磁波的接收天线是一个三维矢量天线，该矢量天线由三个相互垂直的线极化振子天线构成，三个线极化振子天线的极化方向分别与三个坐标轴重合，三个振子天线的馈点都位于坐标原点；天线三个振子接收信号为已知量，可以表示为
Figure FDA0002742346410000011
Figure FDA0002742346410000012
Exm、Eym、Ezm分别为x、y、z方向接收电场幅度，
Figure FDA0002742346410000013
Figure FDA0002742346410000014
分别为x、y、z方向接收电场初始相位，ω为信号频率；
(2)根据电磁波入射的方位角φ和俯仰角θ，入射电磁波电场可以在垂直传播方向的平面φOθ上分解为俯仰分量Eθ(t)和方位分量Eφ(t)两个相互垂直的电场分量；在坐标原点处，根据坐标变换关系由Ex(t)，Ey(t)，Ez(t)可计算得Eθ(t)，Eφ(t)，即Eθ(t)＝Ex(t)cosθcosφ+Ey(t)cosθsinφ-Ez(t)sinθ，Eφ(t)＝-Ex(t)sinφ+Ey(t)cosφ；同时，两个电场分量Eθ(t)和Eφ(t)是两个正弦信号，可以表示为
Figure FDA0002742346410000015
Eθm和Eφm分别是两个方向电场分量的幅度，
Figure FDA0002742346410000019
和
Figure FDA00027423464100000110
分别是两个电场分量的初相；为了估计接收电磁波极化特性，需要估计俯仰分量Eθ(t)和方位分量Eφ(t)的幅度Eθm、Eφm和相位差
Figure FDA00027423464100000111
(3)幅度Eθm、Eφm的估计方法为：
第一步，将Eθ(t)和Eφ(t)经过希尔伯特变换，得到两个电场的解析信号分别为
Figure FDA0002742346410000016
其中符号H[]表示求希尔伯特变换；
第二步，取两个电场分量解析信号的共轭，得到
Figure FDA0002742346410000017
Figure FDA0002742346410000018
其中符号[]*表示取共轭；
第三步，解析信号与其共轭信号相乘，并开方，得到两个电场分量幅度估计值
Figure FDA0002742346410000021
具体为
Figure FDA0002742346410000022
(4)在获得Eθ(t)和Eφ(t)分量幅度估计值后，相位差估计方法为：
第一步，把解析信号
Figure FDA0002742346410000023
与解析信号
Figure FDA0002742346410000024
相乘，然后归一化幅度得到
Figure FDA0002742346410000025
第二步，取A的实部和虚部，即
Figure FDA0002742346410000026
然后通过三角函数反变换，估计相位差
Figure FDA0002742346410000027
相位差范围为[-π,π]，其中符号Re[]和Im[]分别表示取实部和虚部；如果Re(A)>0，Im(A)>0则
Figure FDA0002742346410000028
Re(A)<0，Im(A)>0则
Figure FDA0002742346410000029
Re(A)>0，Im(A)<0则
Figure DEST_PATH_FDA00018549106600000211
Re(A)<0，Im(A)<0则
Figure DEST_PATH_FDA0001854910660000029
(5)由幅度和相位差估计量
Figure FDA00027423464100000212
可以确定入射电磁波极化特性。
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