CN110571511B - 一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，属于无线通信和天线技术领域。其包括M个天线子阵面、M个数字TR收发组件、中频采样处理模块、数字多波束形成处理模块、第一角分集波束传输通道、第二角分集波束传输通道以及角分集调制解调器。本发明天线可以采用源模块化的设计方式，可以按需组装，从而降低装车收藏高度。本发明的角分集倍率可灵活调整、角分集重数可以灵活扩展。此外，本发明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数字TR模块的合成，降低了收发信机的设计难度。

Description

一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线
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数字平面角分集天线。
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数字平面角分集天线，该天线采用平面有源模块化及数字化设计方式实现，具有角分集倍率可灵活调整、角分集重数可以灵活扩展的优点，能够降低收发信机的设计难度，提高角分集天线系统的使用灵活性，提升超视距无线通信的系统性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，其包括网格框架、M个平面天线子阵面3、M个数字TR收发组件4、中频采样处理模块5、数字多波束形成处理模块6、第一角分集波束传输通道7、第二角分集波束传输通道8以及角分集调制解调器9；
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；所述数字TR收发组件4为安装于平面天线子阵面3背面的矩形模块；所述平面天线子阵面固定于网格框架的各网格中；
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数字TR收发组件4，数字TR收发组件4的接收通道对信号进行低噪声放大及下变频，输出中频信号；M路中频信号送入后端的中频采样处理模块5进行AD采样处理，变成M路数字信号；中频采样处理模块5将M路数字信号送入后端的数字多波束形成处理模块6进行接收数字波束形成处理，形成第一角分集波束1和第二角分集波束2；第一角分集波束1和第二角分集波束2分别经过第一角分集波束传输通道7和第二角分集波束传输通道8送入后端的角分集调制解调器9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9的调制信号分别经过第一角分集波束传输通道7和第二角分集波束传输通道8送入数字多波束形成处理模块6进行发射数字波束形成处理，每路输入信号在处理后均被分成M路输出信号，两组M路输出信号均分别送入中频采样处理模块5的M个通道进行DA发射信号处理，从而将每一对输入的数字信号变成一个输出的模拟中频信号；M个模拟中频信号再分别送入M个数字TR收发组件4，数字TR收发组件4对信号进行上变频，并通过数字TR收发组件4中的发射通道对信号进行功率放大，最后将放大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，所述数字TR收发组件4为有源数字TR收发组件，该组件的发射功率通过空间功率合成，使等效的发射效果提升M倍。
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
Figure DEST_PATH_IMAGE001
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
Figure 992390DEST_PATH_IMAGE002
倍波束宽度方向上。
进一步地，所述数字多波束形成处理模块6通过调整2×M个加权量Φit，以产生满足角分集关系的第一角分集波束1和第二角分集波束2,其中，
Φit=2πditsinθ/λ,
式中，Φit为方向θ对应的加权量，i=1,2,…,M，t=1或2，t=1的加权量对应于第一角分集波束1，t=2的加权量对应于第二角分集波束2，dit为平面天线子阵面3之间的间距，λ为角分集波束的信号波长。
进一步地，所述数字TR收发组件4包括第一双工器10、功率放大器11、低噪声放大器13、限幅器12、第二双工器14、变频器15、本振模块16以及供电接口17；本振模块16用于为变频器15提供本振信号，供电接口17用于为数字TR收发组件4供电；
信号发射时，中频信号通过变频器15将信号上变频至射频，并通过第二双工器14后进入发射通道的功率放大器11进行放大，再经过第一双工器10送入后端的天线模块发射出去；
信号接收时，信号经过第一双工器10依次进入接收通道的限幅器12和低噪声放大器13，放大后经过第二双工器14送入变频器15变成中频信号，然后送入后端的中频采集处理模块5。
进一步地，所述的中频采样处理模块5包括M个ADC模数转换芯片18、M个DAC数模转换芯片19以及FPGA芯片20；所述的ADC模数转换芯片18用于实现中频信号的采集及处理，所述的DAC数模转换芯片19用于实现基带信号的数模变换及发射处理；所述的FPGA芯片20用于对ADC模数转换芯片18和DAC数模转换芯片19进行控制，并控制与数字多波束形成模块6之间的信号数据传输。
进一步地，所述的数字多波束形成处理模块6用于在数字域完成第一角分集波束和第二角分集波束的波束形成，具体来说，数字多波束形成处理模块6将中频采样处理模块5传来的信号数据与形成第一角分集波束的所需的权值相乘后再进行合成处理，从而形成第一角分集波束的基带信号，同时，将中频采样处理模块5传来的信号数据与形成第二角分集波束的所需的权值相乘后再进行合成处理，从而形成第二角分集波束的基带信号。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明角分集天线的角分集倍率可灵活调整、角分集重数可以灵活扩展。
2、本发明角分集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数字TR模块的合成，降低了收发信机的设计难度。
3、本发明在实际使用时，可根据使用需求进行模块化组装，角分集倍率及角分集重数可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。
4、本发明可以采用模块化设计方式实现，能够按需组装，从而降低装车收藏的高度。
附图说明
图1是本发明实施例中角分集天线的结构框图；
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中数字TR收发组件的原理示意图；
图5是图1中中频采集处理模块的原理示意图；
图6是图1中数字多波束形成模块的原理示意图。
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数字平面角分集天线，其包括M个天线子阵面3、M个数字TR收发组件4、中频采样处理模块5、数字多波束形成处理模块6、第一角分集波束传输通道7、第二角分集波束传输通道8以及角分集调制解调器9；所述数字平面角分集天线阵面21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，所述的数字平面角分集天线21、子阵面3均为轻型金属材质制成。
所述的数字平面角分集天线21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21所形成的第一角分集天线波束1与第二角分集天线波束2的夹角θ满足
Figure DEST_PATH_IMAGE003
倍的波束宽度关系，即
Figure 791718DEST_PATH_IMAGE004
, θ3dB为天线波束的波束宽度。
为实现较好的角分集效果，可以在平面角分天线21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天线波束1与第二角分集天线波束2。
所述的第一角分集天线波束1与第二角分集天线波束2的夹角θ满足
Figure 128153DEST_PATH_IMAGE003
倍的波束宽度关系，具体来说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
Figure DEST_PATH_IMAGE005
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
Figure 620314DEST_PATH_IMAGE006
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
Figure DEST_PATH_IMAGE007
方向。
上述实施例中，所述第一角分集天线波束1由M个天线子阵面3、M个数字TR收发组件4、中频采样处理模块5、数字多波束形成处理模块6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，通过数字多波束形成处理模块6调整M个加权量
Figure 672059DEST_PATH_IMAGE008
（i=1，2...M），可灵活产生满足角分集关系的第一角分集波束的指向,其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为方向θ对应的加权量，di为间距，λ为信号波长。
所述第二角分集天线波束2由M个天线子阵面3、M个数字TR收发组件4、中频采样处理模块5、数字多波束形成处理模块6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，通过数字多波束形成处理模块6调整M个加权量
Figure 9500DEST_PATH_IMAGE008
（i=1，2...M），可灵活产生满足角分集关系的第二角分集波束的指向,其中，
Figure 652970DEST_PATH_IMAGE009
为方向θ对应的加权量，di为平面天线子阵面3之间的间距，λ为信号波长。
图2是图1中的数字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21由轻型金属材质制成，这种天线阵面可降低天线的重量，并增加天线的结构强度。
图3是图1中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，每个子阵面3后端都接有一个有源的数字TR收发组件4，使得每个TR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数字TR收发组件4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是本发明的数字TR收发组件的原理示意图。其中，所述数字TR收发组件4由第一双工器10、功率放大器11、低噪声放大器13、限幅器12、第二双工器14、变频器15、本振模块16以及供电接口17组成。数字TR收发组件用于将射频信号下变频为中频信号或把中频信号上变频至射频信号。
其中，所述的数字TR收发组件4发射时中频信号通过变频器将信号上变频至射频并通过第二双工器14后进入发射通道的功率放大器11进行放大后再经过第一双工器10送入后端的天线模块发射出去。
所述的数字TR收发组件4接收时，信号经过第一双工器10进入接收通道的限幅器12、低噪声放大器13，放大后经过第二双工器14送入变频器15变成中频信号送入后端的中频采集处理模块5。
图5是中频采集处理模块的原理示意图，其中，所述的中频采样处理模块5，包含M个AD芯片18及M个DA芯片19，以及对AD芯片18、DA芯片19进行控制的FPGA芯片20。其中,所述的AD芯片18主要完成中频信号的采集及处理；所述的DA芯片19主要完成基带信号的数模变换及发射处理；所述的FPGA芯片20主要完成对AD、DA的控制功能，并将处理的数据D1、D2到DM与数字多波束形成模块6进行传输控制。
图6是数字多波束形成模块的工作原理示意图，其中，所述的数字多波束形成处理模块6，主要是在数字域完成角分集波束1和角分集波束2的波束形成。其中，所述的数字多波束形成处理模块6将采集处理的数据D1、D2到DM与形成第一角分集波束1的所需的权值W1至WM相乘后再进行合成处理形成第一角分集波束1的基带信号B1；所述的数字多波束形成处理模块6将采集处理的数据D1、D2到DM与形成第二角分集波束2的所需的权值W1至WM相乘后再进行合成处理形成第二角分集波束2的基带信号B2。其中，
Figure 801186DEST_PATH_IMAGE010
，i=1，2...M。
此外，数字多波束形成处理模块6还可以扩展形成多个波束，从而扩展角分集天线的分集重数。
上述实施例中，第一角分集天线波束1、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数字平面角分集天线采用平面有源模块化及数字化设计实现，可以按需组装，能够降低装车收藏高度，具有角分集倍率可灵活调整、角分集重数可以灵活扩展的优点。此外，本发明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数字TR模块的合成，降低了收发信机的设计难度。
实际使用时，本发明可根据使用需求进行模块化组装，角分集倍率及角分集重数可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 (7)

1.一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，其特征在于：包括网格框架、M个平面天线子阵面(3)、M个数字TR收发组件(4)、中频采样处理模块(5)、数字多波束形成处理模块(6)、第一角分集波束传输通道(7)、第二角分集波束传输通道(8)以及角分集调制解调器(9)；
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；所述数字TR收发组件(4)为安装于平面天线子阵面(3)背面的矩形模块；所述平面天线子阵面固定于网格框架的各网格中；
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数字TR收发组件(4)，数字TR收发组件(4)的接收通道对信号进行低噪声放大及下变频，输出中频信号；M路中频信号送入后端的中频采样处理模块(5)进行AD采样处理，变成M路数字信号；中频采样处理模块(5)将M路数字信号送入后端的数字多波束形成处理模块(6)进行接收数字波束形成处理，形成第一角分集波束(1)和第二角分集波束(2)；第一角分集波束(1)和第二角分集波束(2)分别经过第一角分集波束传输通道(7)和第二角分集波束传输通道(8)送入后端的角分集调制解调器(9)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(9)的调制信号分别经过第一角分集波束传输通道(7)和第二角分集波束传输通道(8)送入数字多波束形成处理模块(6)进行发射数字波束形成处理，每路输入信号在处理后均被分成M路输出信号，两组M路输出信号均分别送入中频采样处理模块(5)的M个通道进行DA发射信号处理，从而将每一对输入的数字信号变成一个输出的模拟中频信号；M个模拟中频信号再分别送入M个数字TR收发组件(4)，数字TR收发组件(4)对信号进行上变频，并通过数字TR收发组件(4)中的发射通道对信号进行功率放大，最后将放大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；
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；
所述数字多波束形成处理模块(6)通过调整2×M个加权量Φit，以产生满足角分集关系的第一角分集波束(1)和第二角分集波束(2),其中，
Φit＝2πditsinθ/λ,
式中，Φit为方向θ对应的加权量，i＝1,2,…,M，t＝1或2，t＝1的加权量对应于第一角分集波束(1)，t＝2的加权量对应于第二角分集波束(2)，dit为平面天线子阵面(3)之间的间距，λ为角分集波束的信号波长。
2.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，其特征在于：所述数字TR收发组件(4)为有源数字TR收发组件，该组件的发射功率通过空间功率合成，使等效的发射效果提升M倍。
3.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，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。
4.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，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
Figure FDA0002653231020000031
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
Figure FDA0002653231020000032
倍波束宽度方向上。
5.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，其特征在于：所述数字TR收发组件(4)包括第一双工器(10)、功率放大器(11)、低噪声放大器(13)、限幅器(12)、第二双工器(14)、变频器(15)、本振模块(16)以及供电接口(17)；本振模块(16)用于为变频器(15)提供本振信号，供电接口(17)用于为数字TR收发组件(4)供电；
信号发射时，中频信号通过变频器(15)将信号上变频至射频，并通过第二双工器(14)后进入发射通道的功率放大器(11)进行放大，再经过第一双工器(10)送入后端的天线模块发射出去；
信号接收时，信号经过第一双工器(10)依次进入接收通道的限幅器(12)和低噪声放大器(13)，放大后经过第二双工器(14)送入变频器(15)变成中频信号，然后送入后端的中频采集处理模块(5)。
6.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，其特征在于：所述的中频采样处理模块(5)包括M个ADC模数转换芯片(18)、M个DAC数模转换芯片(19)以及FPGA芯片(20)；所述的ADC模数转换芯片(18)用于实现中频信号的采集及处理，所述的DAC数模转换芯片(19)用于实现基带信号的数模变换及发射处理；所述的FPGA芯片(20)用于对ADC模数转换芯片(18)和DAC数模转换芯片(19)进行控制，并控制与数字多波束形成模块(6)之间的信号数据传输。
7.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的数字平面角分集天线，其特征在于：所述的数字多波束形成处理模块(6)用于在数字域完成第一角分集波束和第二角分集波束的波束形成，具体来说，数字多波束形成处理模块(6)将中频采样处理模块(5)传来的信号数据与形成第一角分集波束的所需的权值相乘后再进行合成处理，从而形成第一角分集波束的基带信号，同时，将中频采样处理模块(5)传来的信号数据与形成第二角分集波束的所需的权值相乘后再进行合成处理，从而形成第二角分集波束的基带信号。
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