CN109831240A - 一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统 - Google Patents

一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，包括天线阵列模块、收发通道模块、阵列处理模块和中频/基带信号收发处理模块；通过使用阵列天线，使得机载设备能够对非地面站方向的信号或干扰进行抑制，从而具有空间抗干扰能力；另外，定向天线增益往往比全向天线增益高，因此能够延长数据链系统的传输距离。

Description

一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统
技术领域
本发明属于数据链通信领域,具体涉及一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统。
背景技术
数据链系统通常由地面站和远端设备构成，地面站将指令上传至远端设备，远端设备将状态、视频、图像等信息回传至地面站。
远端设备的一种典型应用是安装在有人机/无人机，或导弹等飞行器上。远端数据链设备包括信号收发模块和天线。现有远端设备天线为了达到全向覆盖的效果，通常采用全向天线。然而全向天线对来自其他方向的电磁波干扰不具有抑制能力，因此全向天线本身不具备空间抗干扰能力，需要增加收发模块的复杂度(例如跳频扩频等技术)来弥补全向天线抗干扰能力的不足。另外，全向天线电磁波能量均匀分布于各个方向，因此还存在天线增益低的问题，限制了数据链系统的传输距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，解决现有的远端设备天线存在的空间抗干扰能力差、传输距离较短的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，包括天线阵列模块、收发通道模块、阵列处理模块和中频/基带信号收发处理模块；其中，信号接收时：
天线阵列模块用于采集射频信号，并将采集到的射频信号传输到收发通道模块；
收发通道模块将接收到射频信号放大、滤波、下变频到中频/基带，并进行模拟-数字转换，将数字信号输出给阵列处理模块；
阵列处理模块对各通道信号进行加权合并处理，并将处理后的信号输出值中频/基带信号收发处理模块；
中频/基带信号收发处理模块对信号进行解调解码；
信号发射时：
中频/基带信号收发处理模块将处理后的信号输出至阵列处理模块，阵列处理模块产生各个通道的发射信号，并将处理后的数据传输至收发通道模块；
收发通道模块将数字信号转为模拟信号后，进行上变频处理，并输出至天线阵列模块进行发射。
优选地，天线阵列模块由至少2个的天线单元构成，并形成均匀线阵结构；设定天线阵列模块构成的方向图的垂直方向为宽波束，其中，俯仰角波束宽度大于等于40°；设定天线阵列模块构成的方向图的水平方向为窄波束，其中，方位角波束宽度小于等于30°。
优选地，天线单元为定向天线或全向天线。
优选地，收发通道模块包括若干个独立结构的收发通道，其中，一个收发通道对应连接一个天线单元。
优选地，阵列处理模块包括接收合并模块和发射波束形成模块，其中，接收合并模块用于对各收发通道输出的信号进行加权合并，使得天线阵列形成了水平方位角的窄波束；发射波束形成模块用于对信号进行加权处理，并产生各个收发通道的发射信号，使得天线阵列将发射信号能量集中在一定的波束指向范围内。
优选地，阵列处理模块还包括角度估计模块，用于对接收到的信号的来波角度进行计算；其中，角度估计模块连接有伺服控制模块。
优选地，伺服控制模块包括控制装置和伺服装置，其中，控制装置连接伺服装置，伺服装置连接天线阵列模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，通过使用阵列天线，使得机载设备能够对非地面站方向的信号或干扰进行抑制，从而具有空间抗干扰能力；另外，定向天线增益往往比全向天线增益高，因此能够延长数据链系统的传输距离。
进一步的，阵列处理模块中的接收合并模块用于对各收发通道输出的信号进行加权合并，使得天线阵列形成了水平方位角的窄波束，达到增益提高的目的，同时抑制其他方向的干扰。
进一步的，阵列处理模块中的发射波束形成模块用于对信号进行加权处理，并产生各个收发通道的发射信号，使得天线阵列将发射信号能量集中在一定的波束指向范围内，从而提高发射信号的传输距离。
附图说明
图1是本发明涉及的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，包括天线阵列模块、收发通道模块、阵列处理模块和中频/基带信号收发处理模块，其中，天线阵列模块用于采集射频信号，并将采集到的射频信号传输到收发通道模块，收发通道模块将接收到射频信号放大、滤波、下变频到中频/基带，并进行模拟-数字转换，将数字信号输出给阵列处理模块，阵列处理模块对各通道信号进行加权合并，并将合并后的信号输出值中频/基带信号收发处理模块，通过中频/基带信号收发处理模块对信号进行解调解码，中频/基带信号收发处理模块将处理后的信号输出至阵列处理模块进行处理，形成各个通道的发射信号，并将处理后的数据传输至收发通道模块，收发通道模块将数字信号转为模拟信号后，进行上变频处理，并输出至由天线阵列模块进行发射。
天线阵列模块用以实现定向天线的功能；其中，天线阵列模块由至少2个的天线单元构成的均匀线阵结构，天线单元为定向天线或全向天线。
设定天线阵列模块构成的方向图的垂直方向为宽波束，其中，俯仰角波束宽度大于等于40°；设定天线阵列模块构成的方向图的水平方向为窄波束，其中，方位角波束宽度小于等于30°。
收发通道模块包括若干个独立结构的收发通道，其中，一个天线单元对应连接有一个收发通道。
阵列处理模块包括接收合并模块和发射波束形成模块，其中，接收合并模块用于对各收发通道输出的信号进行加权合并，使得天线阵列形成了水平方位角的窄波束，达到增益提高的目的，同时抑制其他方向的干扰；
发射波束形成模块用于对信号进行加权处理，并产生各个收发通道的发射信号，使得天线阵列将发射信号能量集中在一定的波束指向范围内，从而提高发射信号的传输距离。
阵列处理模块还包括角度估计模块，用于对接收到的信号的来波角度进行计算，并将计算结果输出至伺服控制模块，伺服控制模块用于伺服调整天线阵列模块的方位角，使得波束始终对准地面站。
当天线单元为定向天线时，该系统还包括伺服控制模块，伺服控制模块包括控制单元和伺服装置，控制单元用连接伺服装置，所述伺服装置为一维伺服，伺服装置驱动连接定向天线，用于改变天线阵列主波束的方位角，便于将机载定向天线的主波束对准地面站。
为了获得更好的空气动力学特性，天线和伺服装置可以集成于天线罩外壳内，天线罩具有流线型结构，能够支持天线阵列在其内部一维转动。
本结构通过使用阵列天线，使得机载设备能够对非地面站方向的信号或干扰进行抑制，从而具有空间抗干扰能力；另外，定向天线增益往往比全向天线增益高，因此能够延长数据链系统的传输距离。
实施例
天线阵列为2～4单元均匀线阵，单个天线阵元为方向性天线，俯仰角波束宽度60度，方位角波束宽度60度，天线单元可以采用微带天线、喇叭口天线等天线结构，阵元间距0.4～0.9波长。
整个天线阵列通过波束形成、接收合并模块的方向图垂直方向为宽波束，俯仰角波束宽度不小于40度，水平方向为窄波束，方位角波束宽度不大于30度。
天线阵列、收发通道、阵列处理模块和基带信号收发处理模块可以集成于一个物理结构件中。
天线罩具有扁平碟状结构，将天线阵列封装与天线罩中，使得整个远端设备具有较好的空气动力学特性，如风阻较小等。
各天线具有独立的收发通道。
具体的工作过程：
对于接收来说，收发通道将接收射频信号放大、滤波、下变频到中频/基带，并进行模拟-数字转换，将数字信号输出给接收合并模块；
接收合并模块通过一些公知的算法对各通道信号进行加权合并，使得天线阵列形成了水平方位角的窄波束，达到增益提高的目的，同时抑制其他方向的干扰；如最大比合并MRC算法；
最后，接收合并模块将合并后的信号输出至中频/基带信号收发处理模块，完成对信号的解调解码；例如对QPSK信号解调，软判决后通过Turbo译码；
对于发射来说，中频/基带信号收发处理模块将编码调制后的信号输出至发射波束形成模块，通过发射波束形成模块对信号进行加权处理，并产生各个通道的发射信号；例如采用最大比合并MRC算法
最后，由各个收发通道将数字信号转为模拟信号后，再进行上变频处理，最终由天线发射。
为了能够将机载定向天线的主波束对准地面站，可以采用波束形成加权算法，使得波束方位角指向地面站，也可以通过旋转定向天线改变波束方向；
其中，当选择旋转定向天线改变波束方向时，定向天线配有伺服控制模块。伺服控制模块包括控制装置和伺服装置，控制装置控制连接伺服装置和角度估计模块，其中，伺服装置为一维伺服，即只对天线阵列的一个轴向进行旋转，通常改变天线阵列主波束的方位角，而不改变俯仰角；其中，伺服装置为伺服电机。
角度估计模块用于计算有用信号的来波角度，并将此信息输出至控制装置，通过控制装置控制伺服装置调整方位角，波束始终对准地面站。

Claims (7)

1.一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，其特征在于，包括天线阵列模块、收发通道模块、阵列处理模块和中频/基带信号收发处理模块；其中，信号接收时：
天线阵列模块用于采集射频信号，并将采集到的射频信号传输到收发通道模块；
收发通道模块将接收到射频信号放大、滤波、下变频到中频/基带，并进行模拟-数字转换，将数字信号输出给阵列处理模块；
阵列处理模块对各通道信号进行加权合并处理，并将处理后的信号输出值中频/基带信号收发处理模块；
中频/基带信号收发处理模块对信号进行解调解码；
信号发射时：
中频/基带信号收发处理模块将处理后的信号输出至阵列处理模块，阵列处理模块产生各个通道的发射信号，并将处理后的数据传输至收发通道模块；
收发通道模块将数字信号转为模拟信号后，进行上变频处理，并输出至天线阵列模块进行发射。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，其特征在于，天线阵列模块由至少2个的天线单元构成，并形成均匀线阵结构；设定天线阵列模块构成的方向图的垂直方向为宽波束，其中，俯仰角波束宽度大于等于40°；设定天线阵列模块构成的方向图的水平方向为窄波束，其中，方位角波束宽度小于等于30°。
3.根据权利要求2所述的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，其特征在于，天线单元为定向天线或全向天线。
4.根据权利要求2所述的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，其特征在于，收发通道模块包括若干个独立结构的收发通道，其中，一个收发通道对应连接一个天线单元。
5.根据权利要求1所述的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，其特征在于，阵列处理模块包括接收合并模块和发射波束形成模块，其中，接收合并模块用于对各收发通道输出的信号进行加权合并，使得天线阵列形成了水平方位角的窄波束；发射波束形成模块用于对信号进行加权处理，并产生各个收发通道的发射信号，使得天线阵列将发射信号能量集中在一定的波束指向范围内。
6.根据权利要求5所述的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，其特征在于，阵列处理模块还包括角度估计模块，用于对接收到的信号的来波角度进行计算；其中，角度估计模块连接有伺服控制模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于阵列天线的抗干扰机载数据链系统，其特征在于，伺服控制模块包括控制装置和伺服装置，其中，控制装置连接伺服装置，伺服装置连接天线阵列模块。
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