CN110571512B - 一种用于超视距无线通信的平面角分集天线 - 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个数控衰减器、2M数字移相器、第一幅相控制模块、第二幅相控制模块、2个一分M功分器、2个大功率收发信机、第一角分集波束处理电路、第二角分集波束处理电路以及角分集调制解调器。本发明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，即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。

Description

一种用于超视距无线通信的平面角分集天线
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平面角分集天线，该天线的角分集倍率可以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。
为了实现上述目的，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个数控衰减器5、2×M个数字移相器6、用于形成第一角分集波束1指向的第一幅相控制模块7、用于形成第二角分集波束2指向的第二幅相控制模块8、2个一分M功分器9、2个大功率收发信机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，一分二功分器4的两个分路端口分别与后端的两个数控衰减器5相连接，所述数控衰减器5与后端的数字移相器6相连接；所述数控衰减器5和数字移相器6均为矩形模块；所述平面天线子阵面固定于网格框架的各网格中；
所述的第一幅相控制模块7、第二幅相控制模块8、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；
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数控衰减器5，信号经过数控衰减器5进行幅度控制后，再传给后端的数字移相器6进行移相处理；第一支路中数控衰减器5的幅度及数字移相器6的相位均由第一幅相控制模块7根据第一角分集波束1的指向要求进行控制；第二支路的信号被送入后端的数控衰减器5，信号经过数控衰减器5进行幅度控制后，再传给后端的数字移相器6进行移相处理；第二支路中数控衰减器5的幅度及数字移相器6的相位均由第二幅相控制模块8根据第二角分集波束2的指向要求进行控制；经过幅度及移相处理后的M个第一支路的信号送入后端的一个一分M功分器9进行合成，经过幅度及移相处理后的M个第二支路的信号送入后端的另一个一分M功分器9进行合成；合成后的两路信号分别送入相应的大功率收发信机10的接收支路进行放大处理，然后再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的处理，最终，两路信号被送入后端的角分集调制解调器13进行解调处理，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大功率收发信机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一分M功分器9进行功分，一分M功分器9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，从而被后端的数字移相器6和数控衰减器5处理，第一支路中数字移相器6的相位及数控衰减器5的幅度由第一幅相控制模块7根据第一角分集波束1的指向要求进行控制，第二支路中数字移相器6的相位及数控衰减器5的幅度由第二幅相控制模块8根据第二角分集波束2的指向要求进行控制；M个第一支路和M个第二支路两两配对，每对中的两个信号送入后端的一分二功分器4，经过一分二功分器4合成后将信号送到对应的平面天线子阵面3，通过平面天线子阵面3将信号向空间发射出去。
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，所述第一幅相控制模块7将第一角分集波束1的指向控制在阵面法线0°方向，所述第二幅相控制模块8将第二角分集波束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，所述第一幅相控制模块7将第一角分集波束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，所述第二幅相控制模块8将第二角分集波束2的指向控制在偏离阵面法线0°方向的
Figure 816930DEST_PATH_IMAGE002
倍波束宽度方向上。
进一步地，所述数字移相器6对第一角分集波束1或第二角分集波束2的相位调整均遵循如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，
Figure 399090DEST_PATH_IMAGE004
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。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明天线的角分集倍率可灵活调整，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。
2、本发明天线可以采用平面模块化设计方式实现，可根据使用需求进行模块化组装，并能够降低装车收藏的高度。
附图说明
图1是本发明实施例中平面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。
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、2×M个数控衰减器5、2×M数字移相器6、形成第一角分集波束指向所需的第一幅相控制模块7、形成第二角分集波束指向所需的第二幅相控制模块8、2个一分M功分器9、2个大功率收发信机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；所述平面角分集天线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；所述的子阵面3由16×16规模的间隙波导天线单元组阵形成。
其中，所述的平面角分集天线14、子阵面3均为轻型金属材质制成。
其中，所述的所述平面角分集天线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_IMAGE005
倍的波束宽度关系，即
Figure 151145DEST_PATH_IMAGE006
, θ3dB为天线波束的波束宽度。
其中，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天线波束1与第二角分集天线波束2。
其中，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 676672DEST_PATH_IMAGE005
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
Figure DEST_PATH_IMAGE007
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 881388DEST_PATH_IMAGE008
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_IMAGE009
方向。
其中，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个数控衰减器5、M个数字移相器6、第一幅相控制模块7、一分M功分器9、大功率收发信机10和第一角分集波束处理电路11共同作用形成。通过控制第一幅相控制模块7调整M个数控衰减器5的幅度及M个数字移相器6的相位，可按照
Figure 267239DEST_PATH_IMAGE003
关系进行调整，最终在阵面上合成产生满足角分集关系的第一角分集波束的指向。
其中，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个数控衰减器5、M个数字移相器6、第二幅相控制模块8、一分M功分器9、大功率收发信机10和第二角分集波束处理电路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，通过控制第二幅相控制模块8 调整M个数控衰减器5的幅度及M个数字移相器6的相位，可按照
Figure 873801DEST_PATH_IMAGE003
关系进行调整，最终在阵面上合成产生满足角分集关系的第二角分集波束的指向。
图2是平面角分集天线阵面的结构示意图；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。该子阵面由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。
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的无线通信。
总之，本发明超视距无线通信的平面角分集天线可以采用平面模块化设计方式实现，可根据使用需求进行模块化组装，具有装车收藏高度低、角分集倍率可灵活调整等优点，极大地提高了角分集天线系统的使用灵活性。本发明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，是对现有技术的一种重要改进。

Claims (4)

1.一种用于超视距无线通信的平面角分集天线，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个数控衰减器(5)、2×M个数字移相器(6)、用于形成第一角分集波束(1)指向的第一幅相控制模块(7)、用于形成第二角分集波束(2)指向的第二幅相控制模块(8)、2个一分M功分器(9)、2个大功率收发信机(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，一分二功分器(4)的两个分路端口分别与后端的两个数控衰减器(5)相连接，所述数控衰减器(5)与后端的数字移相器(6)相连接；所述数控衰减器(5)和数字移相器(6)均为矩形模块；所述平面天线子阵面固定于网格框架的各网格中；
所述的第一幅相控制模块(7)、第二幅相控制模块(8)、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；
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数控衰减器(5)，信号经过数控衰减器(5)进行幅度控制后，再传给后端的数字移相器(6)进行移相处理；第一支路中数控衰减器(5)的幅度及数字移相器(6)的相位均由第一幅相控制模块(7)根据第一角分集波束(1)的指向要求进行控制；第二支路的信号被送入后端的数控衰减器(5)，信号经过数控衰减器(5)进行幅度控制后，再传给后端的数字移相器(6)进行移相处理；第二支路中数控衰减器(5)的幅度及数字移相器(6)的相位均由第二幅相控制模块(8)根据第二角分集波束(2)的指向要求进行控制；经过幅度及移相处理后的M个第一支路的信号送入后端的一个一分M功分器(9)进行合成，经过幅度及移相处理后的M个第二支路的信号送入后端的另一个一分M功分器(9)进行合成；合成后的两路信号分别送入相应的大功率收发信机(10)的接收支路进行放大处理，然后再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)的处理，最终，两路信号被送入后端的角分集调制解调器(13)进行解调处理，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大功率收发信机(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一分M功分器(9)进行功分，一分M功分器(9)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，从而被后端的数字移相器(6)和数控衰减器(5)处理，第一支路中数字移相器(6)的相位及数控衰减器(5)的幅度由第一幅相控制模块(7)根据第一角分集波束(1)的指向要求进行控制，第二支路中数字移相器(6)的相位及数控衰减器(5)的幅度由第二幅相控制模块(8)根据第二角分集波束(2)的指向要求进行控制；M个第一支路和M个第二支路两两配对，每对中的两个信号送入后端的一分二功分器(4)，经过一分二功分器(4)合成后将信号送到对应的平面天线子阵面(3)，通过平面天线子阵面(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。
2.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的平面角分集天线，其特征在于：所述第一幅相控制模块(7)将第一角分集波束(1)的指向控制在阵面法线0°方向，所述第二幅相控制模块(8)将第二角分集波束(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。
3.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的平面角分集天线，其特征在于：所述第一幅相控制模块(7)将第一角分集波束(1)的指向控制在偏离阵面法线0°方向的
Figure FDA0002652982270000031
倍波束宽度方向上，所述第二幅相控制模块(8)将第二角分集波束(2)的指向控制在偏离阵面法线0°方向的
Figure FDA0002652982270000032
倍波束宽度方向上。
4.根据权利要求1所述的一种用于超视距无线通信的平面角分集天线，其特征在于：所述数字移相器(6)对第一角分集波束(1)或第二角分集波束(2)的相位调整均遵循如下关系：
Figure FDA0002652982270000041
其中，
Figure FDA0002652982270000042
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。
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