CN110544835A - 一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，属于无线通信和天线技术领域。其包括M个天线子阵面、M个一分二功分器、2M个TR组件、第一波束控制模块、第二波束控制模块、2个一分M功分器、2个上下变频单元、2个中频收发单元、波束1处理电路、波束2处理电路以及角分集调制解调器。本发明天线采用有源调整方式将大功率收发信机的功率分解为多个小功率模块的合成，降低了收发信机的设计难度。该天线可根据使用需求进行模块化组装，角分集倍率根据实际使用条件进行灵活调整，极大地提高了角分集天线系统的使用灵活性，拓展了超视距无线通信产品的应用范围。

Description

一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线
技术领域
本发明属于无线通信和天线技术领域，特别是指一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线。
背景技术
超视距无线通信，由于其信道是一种扩散衰落信道，所接收的信号存在严重的衰落，为了对抗通信系统的衰落，通常采用分集的手段来进行信号接收，常用及实用化的手段是空间分集，采用空间分集来对抗超视距无线通信系统的衰落特效具有较好的效果，但是所需要的天线数量多，体积大，不利于通信装备的轻型化及机动性能提升。采用角分集天线的通信装备可以使用一副天线实现两副天线或多副天线的性能，既可以减轻设备体积和重量，又可以在一定程度上降低系统成本。
目前，传统的角分集天线采用抛物面天线通过设计角分集馈源的结构形式来实现，角分集馈源的倍率确定后在后续使用中无法进行调整，导致在性能调试中比较困难；另外由于抛物面天线馈源支撑结构较长，天线装车时的收藏高度较高，使用不方便，其使用场景会受到极大的限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，该天线的角分集倍率可灵活调整，其采用有源调整方式将大功率收发信机的功率分解为多个小功率模块的合成，降低了收发信机的设计难度，实际使用时，可根据使用需求进行模块化组装，角分集倍率根据实际使用条件进行灵活调整，极大地提高了角分集天线系统的使用灵活性，进一步提升了超视距无线通信系统性能。
为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案是：
一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，其包括网格框架、M个平面天线子阵面3、M个一分二功分器4、2×M个有源TR收发组件5、用于形成第一角分集波束1指向的第一波束控制模块6、用于形成第二角分集波束2指向的第二波束控制模块7、两个一分M功分器8、两个上下变频单元9、两个中频收发单元10、第一角分集波束处理电路11、第二角分集波束处理电路12以及角分集调制解调器13；
所述M个平面天线子阵面3通过矩形布阵组成阵列天线14，每一平面天线子阵面3由多个矩形布阵的间隙波导天线单元组阵构成，所述平面天线子阵面3为矩形平板天线结构，其馈电端口位于天线辐射口面的背面，且位于矩形平板天线的几何中心处；所述一分二功分器4为安装于平面天线子阵面3背面的矩形模块，一分二功分器4的合路端口与平面天线子阵面的馈电端口连接，每一一分二功分器4的两个分路端口分别与后端的两个有源TR收发组件5相连接；所述平面天线子阵面固定于网格框架的各网格中；
所述的第一波束控制模块6、第二波束控制模块7、第一角分集波束处理电路11和第二角分集波束处理电路12均为FPGA模块；所述有源TR收发组件5的发射功率通过空间功率合成，将等效的发射效果提升M倍；
信号接收时，来自空间的电磁波信号通过平面天线子阵面3进行接收，接收后的信号传给后端的一分二功分器4，一分二功分器4将信号分成两路，其中，第一支路的信号被送入后端的有源TR收发组件5，在第一波束控制模块6的控制下，形成第一角分集波束1指向所需的幅度及相位，经过幅度及移相处理后的信号再经过有源TR收发组件5中的接收通道进行低噪声放大后输出；第二支路的信号被送入后端的有源TR收发组件5，在第二波束控制模块7的控制下，形成第二角分集波束2指向所需的幅度及相位，经过幅度及移相处理后的信号再经过有源TR收发组件5中的接收通道进行低噪声放大后输出；放大后的M个第一支路的波束信号送入后端的一个一分M功分器8进行合成，放大后的M个第二支路的波束信号送入后端的另一个一分M功分器8进行合成；合成后的两路信号分别送入相应的上下变频单元9的下变频通道做下变频处理，处理后的信号送入后端相应的中频收发单元10的接收支路进行中频放大，中频放大后的信号经过第一/第二角分集波束处理电路处理后，送入后端的角分集调制解调器13进行解调处理，从而完成通信解调；
信号发射时，来自角分集调制解调器13的调制信号分别经过第一角分集波束处理电路11和第二角分集波束处理电路12的发射处理后，将信号分别送入对应的中频收发单元10的发射支路进行放大处理，放大后的信号送入各自后端的上下变频单元9的上变频通道做上变频处理, 处理后的信号送入后端相应的一分M功分器8进行功分，一分M功分器8将信号分成M路，分别送入后端的M个第一支路或M个第二支路，从而被后端的有源TR收发组件5处理，以完成信号的幅度及相位控制；第一支路中的有源TR收发组件5由第一波束控制模块6根据形成第一角分集波束1指向所需的幅度及相位进行控制，第二支路中的有源TR收发组件5由第二波束控制模块7根据形成第二角分集波束2指向所需的幅度及相位进行控制；信号经过有源TR收发组件5的幅度及移相控制后，再经有源TR收发组件5中的发射支路进行放大；放大后的第一支路信号和第二支路信号两两配对，每对信号送入一个一分二功分器4进行合成，合成后的信号送到相应的平面天线子阵面3，平面天线子阵面3将信号向空间发射出去。
进一步地，所述第一/第二波束控制模块用于调整相应有源TR收发组件5的幅度及相位，从而产生满足角分集关系的第一/第二角分集波束的指向，其中，相位的调整均遵循如下关系：
，
式中，为调整的相位差值，d为平面天线子阵面3之间的间距，λ为第一或第二角分集波束的信号波长。
进一步地，所述的第一角分集波束1与第二角分集波束2的夹角θ满足0.75～1倍的波束宽度关系。
进一步地，所述第一角分集波束1的指向控制在阵面法线0°方向，所述第二角分集波束2的指向控制在偏离阵面法线0°方向的0.75～1波束宽度的方向上。
进一步地，所述第一角分集波束1的指向控制在偏离阵面法线0°方向的倍波束宽度方向上，所述第二角分集波束2的指向控制在偏离阵面法线0°方向的倍波束宽度方向上。
进一步地，所述有源TR收发组件5包括数控衰减器21、数字移相器15、第一双工器16、功率放大器17、低噪声放大器18、限幅器19、第二双工器22以及供电接口20；供电接口20用于为有源TR收发组件5供电；
信号发射时，第一波束控制模块6和第二波束控制模块7计算出波束指向所需的幅度及相位，并控制数控衰减器21和数字移相器15分别进行幅度和相位调整，调整后的信号经过第一双工器16后进入发射通道的功率放大器17进行放大，然后再经过第二双工器22送入后端的天线模块发射出去；
信号接收时，信号经过第二双工器22依次进入接收通道的限幅器19和低噪声放大器18，放大后经过第一双工器16送入后端的数控衰减器21和数字移相器15，数控衰减器21和数字移相器15根据第一波束控制模块6和第二波束控制模块7的控制对信号进行幅度和相位调整，从而产生满足角分集关系的第一角分集波束指向和第二角分集波束指向。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明天线采用有源调整方式将大功率收发信机的功率分解为多个小功率模块的合成，降低了收发信机的设计难度。
2、本发明天线在实际使用时，可根据使用需求进行模块化组装，角分集倍率根据实际使用条件进行灵活调整，极大地提高了角分集天线系统的使用灵活性，进一步提升了超视距无线通信系统性能。
3、本发明天线可采用模块化设计，能够按需组装，可有效降低装车收藏高度。
附图说明
图1是本发明实施例中天线的原理框图；
图2是图1中整个天线阵面的结构示意图；
图3是图2中一个子阵面的结构示意图；
图4是图1中TR收发组件的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
如图1所示，一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，包括M个天线子阵面3、M个一分二功分器4、2M个TR收发组件5、形成第一角分集波束1指向所需的第一波束控制模块6、形成第二角分集波束2指向所需的第二波束控制模块7、2个一分M功分器8、2个上下变频单元9、中频收发单元10、第一角分集波束处理电路11、第二角分集波束处理电路12以及角分集调制解调器13。该有源平面角分集天线阵面14由M个子阵面3组成，M的数量由系统所需的阵面增益决定，可进行灵活组装；每个子阵面3由16×16规模的间隙波导天线单元组阵形成。
其中，平面角分集天线14、子阵面3均为轻型金属材质制成。
平面角分集天线14要实现较高的天线增益（大于44dBi）及较好的角分集效果，要求平面角分天线14所形成的第一角分集波束1与第二角分集波束2的夹角θ满足倍的波束宽度关系，即, θ3dB为天线波束的波束宽度。
所述的平面角分集天线14要实现较好的角分集效果，可以在平面角分天线14阵面的水平（方位）方向及垂直（俯仰）方向形成满足角分集要求的第一角分集波束1与第二角分集波束2。
所述的第一角分集波束1与第二角分集天线波束2的夹角θ满足倍的波束宽度关系，可通过两种方式来实现：第一种方式是将第一角分集天线波束1的指向控制在阵面法线0°方向，将第二角分集天线波束2的指向控制在偏离阵面法线0°方向的方向；第二种方式是将第一角分集天线波束1的指向控制在阵面法线0°方向的方向，将第二角分集天线波束2的指向控制在偏离阵面法线0°方向的方向。
所述第一角分集天线波束1由M个天线子阵面3、M个一分二功分器4、M个TR收发组件5、第一波束控制模块6、一分M功分器8、上下变频单元9、中频收发信机10和第一角分集波束处理电路11共同作用形成。具体的，根据形成角分集性能所需的波束宽度及波束夹角的关系，通过第一波束控制模块6调整M个TR收发组件5的幅度及相位，可按照关系灵活产生满足角分集关系的第一角分集波束指向。
所述第二角分集天线波束2由M个天线子阵面3、M个一分二功分器4、M个TR收发组件5、第二波束控制模块7、一分M功分器8、上下变频单元9、中频收发信机10和波束1处理电路12共同作用形成。具体的，根据形成角分集性能所需的波束宽度及波束夹角的关系，通过第二波束控制模块7调整M个TR收发组件5的幅度及相位，可按照关系灵活产生满足角分集关系的第二角分集波束指向。
图2是平面角分集天线阵面的结构示意图。该天线阵面由4×4个子阵面组成。所述的平面角分集天线阵面14由轻型金属材质制成。所述的轻型金属材质天线阵面可降低天线的重量和增加天线的结构强度。
图3是一个子阵面的结构示意图。该子阵由16×16规模的间隙波导天线单元组阵形成。所述的子阵面3由轻型金属材质制成。
其中，所述的每个子阵面3后端都接有一个有源的TR收发组件5，使得每个TR收发组件的发射功率通过空间功率合成后，等效的发射效果提升了M倍，即提升了10log(M)dB。所以，在系统设计时可以将高功率的功率要求分解为小功率TR收发组件5的功率合成，降低了功率放大器的设计难度。同时在大功率不变的情况下也可以提升系统的整体性能。
图4是本发明的TR收发组件的组成示意图。其中，所述TR收发组件5由数控衰减器21、数字移相器15、第一双工器16、功率放大器17、低噪声放大器18、限幅器19、第二双工器22、以及供电接口20组成。
信号发射时，第一波束控制模块6和第二波束控制模块7根据计算出波束指向所需的幅度及相位，控制数控衰减器21和数字移相器15对信号进行处理，处理后的信号经过第一双工器16后进入发射通道的功率放大器17进行放大，然后再经过第二双工器22送入后端的天线模块发射出去。
信号接收时，信号经过第二双工器22进入接收通道的限幅器19和低噪声放大器18，放大后经过第一双工器16送入数控衰减器21和数字移相器15，第一波束控制模块6或第二波束控制模块7根据计算出波束指向所需的幅度和相位，并控制数控衰减器21和数字移相器15对信号进行相应处理，从而产生满足角分集关系的第一角分集波束指向和第二角分集波束指向。
上述实施例中的第一角分集天线波束1和第二角分集天线波束2的增益大于44dBi，波束宽度大约为0.9°，用于超视距无线通信系统可以实现百公里量级以上的无线通信。
总之，本发明超视距无线通信的有源平面角分集天线采用平面有源模块化设计，可以按需组装，能够降低装车收藏高度。该天线的角分集倍率可灵活调整，并且通过采用有源调整的方式，可以将大功率收发信机的功率分解为多个小功率模块的合成，降低了收发信机的设计难。实际使用时，可根据使用需求进行模块化组装，角分集倍率根据实际使用条件进行灵活调整，极大地提高了角分集天线系统的使用灵活性，既可以减轻设备体积和重量，在一定程度上也可降低系统成本，还可以进一步提升超视距无线通信系统性能，拓展了超视距无线通信产品的应用范围。

Claims (6)

1.一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，其特征在于：包括网格框架、M个平面天线子阵面（3）、M个一分二功分器（4）、2×M个有源TR收发组件（5）、用于形成第一角分集波束（1）指向的第一波束控制模块（6）、用于形成第二角分集波束（2）指向的第二波束控制模块（7）、两个一分M功分器（8）、两个上下变频单元（9）、两个中频收发单元（10）、第一角分集波束处理电路（11）、第二角分集波束处理电路（12）以及角分集调制解调器（13）；
所述M个平面天线子阵面（3）通过矩形布阵组成阵列天线（14），每一平面天线子阵面（3）由多个矩形布阵的间隙波导天线单元组阵构成，所述平面天线子阵面（3）为矩形平板天线结构，其馈电端口位于天线辐射口面的背面，且位于矩形平板天线的几何中心处；所述一分二功分器（4）为安装于平面天线子阵面（3）背面的矩形模块，一分二功分器（4）的合路端口与平面天线子阵面的馈电端口连接，每一一分二功分器（4）的两个分路端口分别与后端的两个有源TR收发组件（5）相连接；所述平面天线子阵面固定于网格框架的各网格中；
所述的第一波束控制模块（6）、第二波束控制模块（7）、第一角分集波束处理电路（11）和第二角分集波束处理电路（12）均为FPGA模块；所述有源TR收发组件（5）的发射功率通过空间功率合成，将等效的发射效果提升M倍；
信号接收时，来自空间的电磁波信号通过平面天线子阵面（3）进行接收，接收后的信号传给后端的一分二功分器（4），一分二功分器（4）将信号分成两路，其中，第一支路的信号被送入后端的有源TR收发组件（5），在第一波束控制模块（6）的控制下，形成第一角分集波束（1）指向所需的幅度及相位，经过幅度及移相处理后的信号再经过有源TR收发组件（5）中的接收通道进行低噪声放大后输出；第二支路的信号被送入后端的有源TR收发组件（5），在第二波束控制模块（7）的控制下，形成第二角分集波束（2）指向所需的幅度及相位，经过幅度及移相处理后的信号再经过有源TR收发组件（5）中的接收通道进行低噪声放大后输出；放大后的M个第一支路的波束信号送入后端的一个一分M功分器（8）进行合成，放大后的M个第二支路的波束信号送入后端的另一个一分M功分器（8）进行合成；合成后的两路信号分别送入相应的上下变频单元（9）的下变频通道做下变频处理，处理后的信号送入后端相应的中频收发单元（10）的接收支路进行中频放大，中频放大后的信号经过第一/第二角分集波束处理电路处理后，送入后端的角分集调制解调器（13）进行解调处理，从而完成通信解调；
信号发射时，来自角分集调制解调器（13）的调制信号分别经过第一角分集波束处理电路（11）和第二角分集波束处理电路（12）的发射处理后，将信号分别送入对应的中频收发单元（10）的发射支路进行放大处理，放大后的信号送入各自后端的上下变频单元（9）的上变频通道做上变频处理, 处理后的信号送入后端相应的一分M功分器（8）进行功分，一分M功分器（8）将信号分成M路，分别送入后端的M个第一支路或M个第二支路，从而被后端的有源TR收发组件（5）处理，以完成信号的幅度及相位控制；第一支路中的有源TR收发组件（5）由第一波束控制模块（6）根据形成第一角分集波束（1）指向所需的幅度及相位进行控制，第二支路中的有源TR收发组件（5）由第二波束控制模块（7）根据形成第二角分集波束（2）指向所需的幅度及相位进行控制；信号经过有源TR收发组件（5）的幅度及移相控制后，再经有源TR收发组件（5）中的发射支路进行放大；放大后的第一支路信号和第二支路信号两两配对，每对信号送入一个一分二功分器（4）进行合成，合成后的信号送到相应的平面天线子阵面（3），平面天线子阵面（3）将信号向空间发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，其特征在于：所述第一/第二波束控制模块用于调整相应有源TR收发组件（5）的幅度及相位，从而产生满足角分集关系的第一/第二角分集波束的指向，其中，相位的调整均遵循如下关系：
，
式中，为调整的相位差值，d为平面天线子阵面（3）之间的间距，λ为第一或第二角分集波束的信号波长。
3.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，其特征在于：所述的第一角分集波束（1）与第二角分集波束（2）的夹角θ满足0.75～1倍的波束宽度关系。
4.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，其特征在于：所述第一角分集波束（1）的指向控制在阵面法线0°方向，所述第二角分集波束（2）的指向控制在偏离阵面法线0°方向的0.75～1波束宽度的方向上。
5.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，其特征在于：所述第一角分集波束（1）的指向控制在偏离阵面法线0°方向的倍波束宽度方向上，所述第二角分集波束（2）的指向控制在偏离阵面法线0°方向的倍波束宽度方向上。
6.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的有源平面角分集天线，其特征在于：所述有源TR收发组件（5）包括数控衰减器（21）、数字移相器（15）、第一双工器（16）、功率放大器（17）、低噪声放大器（18）、限幅器（19）、第二双工器（22）以及供电接口（20）；供电接口（20）用于为有源TR收发组件（5）供电；
信号发射时，第一波束控制模块（6）和第二波束控制模块（7）计算出波束指向所需的幅度及相位，并控制数控衰减器（21）和数字移相器（15）分别进行幅度和相位调整，调整后的信号经过第一双工器（16）后进入发射通道的功率放大器（17）进行放大，然后再经过第二双工器（22）送入后端的天线模块发射出去；
信号接收时，信号经过第二双工器（22）依次进入接收通道的限幅器（19）和低噪声放大器（18），放大后经过第一双工器（16）送入后端的数控衰减器（21）和数字移相器（15），数控衰减器（21）和数字移相器（15）根据第一波束控制模块（6）和第二波束控制模块（7）的控制对信号进行幅度和相位调整，从而产生满足角分集关系的第一角分集波束指向和第二角分集波束指向。
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