CN110854503A - 用于测定手机信号方向的自适应测向天线及其测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于测定手机信号方向的自适应测向天线及其测定方法，具体包括单维自适应测向天线和三维自适应测向天线，单维自适应测向天线包括三个天线单元、一根丝杆、一根滑轨、一个伺服电机、两个固定座和一个滑动座；三个天线单元分别固定安置在两个固定座和一个滑动座上；两个固定座分别固定于滑轨的两端，分别套于滑轨和丝杆上，丝杆的一端连接伺服电机，由伺服电机驱动转动，调节滑动座的位置。三维自适应测向天线，由三组单维自适应测向天线端部互相垂直组成，三组自适应测向天线相交一端的天线单元共用，作为公共基准天线单元。本发明可以根据需要测向的信号的工作频率，改变测向天线间距，达到灵活适配不同频率信号的目的。

Description

用于测定手机信号方向的自适应测向天线及其测定方法

技术领域

本发明涉及无线通信天线领域，特别涉及一种适用于干涉仪测向系统测定手机信号方向的自适应测向天线及其测定方法。

背景技术

随着技术的进步，手机已经成为人们生活的必需品，人手一部手机已经成为现实。与此同时，公安部门也多了一些技术侦查手段，通过定位目标的手机位置找到目标。由此专门用于定位某个区域内的目标手机方位的设备手机无线电测向装置应运而生。

手机是移动蜂窝通讯系统中的用户终端，和蜂窝通讯系统中的基站单元之间保持着密切的双向通信，也就是双工通信方式。在频谱上主要有两种状态，一种是TDD时分复用同一频点，这是半双工通讯模式，同一时刻只存在一个方向的通讯；另一种是FDD频分复用，上下行分别占用一个独立的频点，双向通信可以同时存在。

其次，手机作为移动终端由电池供电，为了保证电池的耐用性，除了正常通信状态外，其余时刻保持低功耗状态，频次较少且时间较短的对外辐射信号，辐射功率也会根据和基站之间的连接状态实时调整，仅仅保持与基站之间的连接。这就要求测向装置能在极端的时间内完成测向，且装置的接收灵敏度，抗干扰能力较高。因此要侦测手机信号并测定其方向难度较大。

无线电测向是依据电磁波传播特性，使用仪器设备测定无线电波来波方向的过程。无线电测向装置的最终目的是要确定"辐射源的方向"乃至"辐射源的具体位置"。

测定来波方向的方法主要有以下几种：

【1】幅度比较法，通过比较各个方向上来波信号强度来判断信源方向。

【2】多普勒效应法，通过测量信源和测向装置之间因为相对位移所产生的多普勒频移来判断信源方向。

【3】时间差比较法，通过测量信源信号被两个以上天线接收的时间差来判断信源方向。

【4】相位差比较法，通过测量信源信号被两个以上天线接收的相位差来判断信源方向。

幅度比较法因为结构简单，技术实现难度低，是一种常见的测向方法。但因为其抗干扰能力差，且对目标信号的稳定性与持续性要求很高，用于手机信号的测向精准度和抗干扰能力都很差，甚至会导致测向失败。

多普勒效应法，需要测向装置和目标信源之间具备一定速度的相对位移，相对位移速度较低甚至是静止的情况下无法测向，而手机用户的运动方式不确定，而测向装置需要保持高速位移也很难，因此这种方式也不是非常适用。

时间差比较法，依据信源电波在行进中测量其到达测向天线阵各个测向天线单元时间上的差别，来确定电波到来的方向。这种测向方法要求被测信号具有确定的调制方式，也就是信源可以被解调，可以获取信号的时间标签，根据时间标签到达接收天线间的时间差计算得到信源方向。因为手机信号调制方式的多样性以及信号在空间传播的不确定性，要完成手机信号解调并获取精确的时间标签是一件很难的事情，通常需要多个周期才能完成，且受基站的调配，会根据实际情况实时调整。这种方法对手机信号测向实现难度太大。

最后就是相位差比较法法，和时间差比较法类似，也是依据信源电波在行进中测量其到达测向天线阵各个测向天线单元时间上的差别，来确定电波到来的方向。所不同的是，时间差比较法对信源有一定的要求，而相位比较法则通过多天线接收到的信号间进行相关性运算，就可以获得两个天线之间的相位偏差，从而确定偏差时间。对信源没有特定的要求，适用范围更广。

不过单纯的相位差比较法难以保证足够的测向精度。因此通常会在单基线的相位比较法基础上演化采用多基线的相位干涉仪测向法。也就是除了两天线间距小于λ/2的单基线外，还有间距大于n*λ的其它天线存在，n值越大，测向精度越高。不过因为任何信号都是由周期性正弦波组成，所以当天线间间距大于λ/2时，测量得到的值就会出现多值性。也就是当间距大于λ/2之后，测量结果会有多个镜像值存在，所以需要通过间距小于λ/2的基线的测量值确定镜像数，滤除镜像，最终获取精确的测量值，保证测量值的单一性和精确性。

对于XYZ三坐标系统中，以上只是在X轴上形成的一维干涉仪测向装置，所测得的值具有双值性，再增加Y轴的一维干涉仪测向装置，可以获取二维平面的精确测向，继续增加Z轴的一维干涉仪测向装置，三轴联动，可以获取精确的三维测向值。

所以干涉仪测向法除了能保证高精度的测向外，还能通过特定的天线阵列完成三维测向，也就是除了测出目标的水平角外，还能获得俯仰角。

干涉仪测向法具备测向精度高，灵敏度高，抗干扰能力强，测向速度快，对于信源要求低，具备三维测向能力。

不过这种测向体制存在一个问题，测向天线单元间的间距和被测信源波长相关，基础基线的间距必须＜λ/2，否则无法解决测量多值性的问题。从而导致测量失败。

在针对在较大带宽范围内变化的信源，比如手机信号的应用频谱范围就非常广，这时固定间距的测向天线阵列就难以满足测向设备的普适性需求。

发明内容

本发明目的是：提供一种适用于干涉仪测向系统测定手机信号方向的自适应测向天线及其测定方法。

本发明的技术方案是：

测定手机信号方向的单维自适应测向天线，包括三个天线单元、一根丝杆、一根滑轨、一个伺服电机、两个固定座和一个滑动座；三个天线单元分别固定安置在两个固定座和一个滑动座上；两个固定座分别固定于滑轨的两端，丝杆平行于滑轨的上方，滑动座上设有滑轨套孔和螺纹孔，分别套于滑轨和丝杆上，丝杆的一端连接伺服电机，由伺服电机驱动转动，调节滑动座的位置。

定义：三个天线单元分别为N1、N2、N3，N1和N3分别在两端固定座之上，N2位于滑动座上。

测定手机信号方向的三维自适应测向天线，由三组上述的单维自适应测向天线X、Y、Z端部互相垂直组成，三组自适应测向天线相交一端的天线单元共用，作为公共基准天线单元。

具体的，三组天线上的天线单元分别为X1、X2、X3；Y1、Y2、Y3；Z1、Z2、Z3；其中X1、Y1、Z1共用，设定为N；X2、Y2、Z2均在各自伺服电机的控制下进行单维滑动，完成在各自维度上的变距操作；X3、Y3、Z3固定不动。

优选的，N点和X3点，N点和Y3点，N点和Z3点的间距相同，设定为D3，根据需求尺寸选择最大值；N点和X2点，N点和Y2点，N点和Z2点的间距相同，设定为D2，根据需要测量的实际频率，通过机电装置控制变距，变距范围分别大于0又小于λ/2，λ为需要测量的实际波长。

优选的，三组天线单元N、X2、X3；N、Y2、Y3；N、Z3、Z3分别保持在一条直线上。

优选的，为保证天线的增益方向图不受结构影响，尽量使用非金属材料。

天线整体结构包括三个部分：三维测向机电控制天线阵列，三维伺服控制单元，系统控制软件。

三维自适应测向天线的手机信号方向测定方法，包括步骤：

S1、设定需要目标信源的频率；

S2、系统控制软件根据目标信源的频率自动计算出D2，计算公式D2 = C/（2*f），C电磁波在大气中的传播速度，f目标信源中心频率；

S3、系统控制软件控制伺服电机带动丝杆转动让滑动座移动到距离N点D2距离的位置；

S4、系统开始测向：在X轴，测出N和X2接收到的相位差值θ1，以及N和X3接收到的相位差θ2；θ1是粗略值，唯一值，不存在多值性；θ2是精确值，包含多值性；

S5、根据计算公式θ2=2Πk+∆θ，其中∆θ≈θ1，将θ1代入θ2=2Πk+∆θ，得到θ2≈2Πk+θ1，k为自然数，k≈（θ2-θ1）/2Π，k取最接近的自然数值，将求得的k重新代入θ2=2Πk+∆θ，求得信源方向的精确值∆θ。

本发明的优点是：

本发明的适用于干涉仪测向系统测定手机信号方向的自适应测向天线及其测定方法，可以根据需要测向的信号的工作频率，改变测向天线间距，达到灵活适配不同频率信号的目的。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为测定手机信号方向的单维自适应测向天线的结构示意图；

图2为测定手机信号方向的三维自适应测向天线的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种测定手机信号方向的单维自适应测向天线，包括三个天线单元N1、N2、N3、丝杆1、滑轨2、伺服电机3、第一固定座4、第二固定座5和滑动座6；三个天线单元N1、N2、N3分别固定安置在第一固定座4、第二固定座5和滑动座6上；两个固定座分别固定于滑轨2的两端，丝杆1平行于滑轨2的上方，滑动座6上设有滑轨套孔和螺纹孔，分别套于滑轨2和丝杆1上，丝杆1的一端连接伺服电机3，由伺服电机3驱动转动，调节滑动座6的位置。本实施方案可以根据需要测向的信号的工作频率，改变测向天线间距，达到灵活适配不同频率信号的目的。

实施例2

如图2所示，本实施例提出一种测定手机信号方向的三维自适应测向天线，由三组实施例1的单维自适应测向天线X、Y、Z端部互相垂直组成，三组自适应测向天线相交一端的天线单元共用，作为公共基准天线单元。

具体的，三组天线上的天线单元分别为X1、X2、X3；Y1、Y2、Y3；Z1、Z2、Z3；其中X1、Y1、Z1共用，作为公共基准天线单元，设定为N；X2、Y2、Z2均在各自伺服电机的控制下进行单维滑动，完成在各自维度上的变距操作；X3、Y3、Z3固定不动。

N点和X3点，N点和Y3点，N点和Z3点的间距相同，设定为D3，根据需求尺寸选择最大值；N点和X2点，N点和Y2点，N点和Z2点的间距相同，设定为D2，根据需要测量的实际频率，通过机电装置控制变距，变距范围分别大于0又小于λ/2，λ为需要测量的实际波长。

三组天线单元N、X2、X3；N、Y2、Y3；N、Z3、Z3分别保持在一条直线上。为保证天线的增益方向图不受结构影响，尽量使用非金属材料。

天线整体结构包括三个部分：三维测向机电控制天线阵列，三维伺服控制单元，系统控制软件。

实施例3

本实施例介绍三维自适应测向天线的手机信号方向测定方法，包括步骤：

S1、设定需要目标信源的频率；

S2、系统控制软件根据目标信源的频率自动计算出D2，计算公式D2 = C/（2*f），C电磁波在大气中的传播速度，f目标信源中心频率；

S3、系统控制软件控制伺服电机带动丝杆转动让滑动座移动到距离N点D2距离的位置；

S4、系统开始测向：在X轴，测出N和X2接收到的相位差值θ1，以及N和X3接收到的相位差θ2；θ1是粗略值，唯一值，不存在多值性；θ2是精确值，包含多值性；

S5、根据计算公式θ2=2Πk+∆θ，其中∆θ≈θ1，将θ1代入θ2=2Πk+∆θ，得到θ2≈2Πk+θ1，k为自然数，k≈（θ2-θ1）/2Π，k取最接近的自然数值，将求得的k重新代入θ2=2Πk+∆θ，求得信源方向的精确值∆θ。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于测定手机信号方向的单维自适应测向天线，其特征在于，包括三个天线单元、一根丝杆、一根滑轨、一个伺服电机、两个固定座和一个滑动座；三个天线单元分别固定安置在两个固定座和一个滑动座上；两个固定座分别固定于滑轨的两端，丝杆平行于滑轨的上方，滑动座上设有滑轨套孔和螺纹孔，分别套于滑轨和丝杆上，丝杆的一端连接伺服电机，由伺服电机驱动转动，调节滑动座的位置。

2.用于测定手机信号方向的三维自适应测向天线，其特征在于，由三组权利要求1所述的单维自适应测向天线X、Y、Z端部互相垂直组成，三组自适应测向天线相交一端的天线单元共用，作为公共基准天线单元。

3.根据权利要求2所述的三维自适应测向天线，其特征在于，三组天线上的天线单元分别为X1、X2、X3；Y1、Y2、Y3；Z1、Z2、Z3；其中X1、Y1、Z1共用，设定为N；X2、Y2、Z2均在各自伺服电机的控制下进行单维滑动，完成在各自维度上的变距操作；X3、Y3、Z3固定不动。

4.根据权利要求3所述的三维自适应测向天线，其特征在于，N点和X3点，N点和Y3点，N点和Z3点的间距相同，设定为D3，根据需求尺寸选择最大值；N点和X2点，N点和Y2点，N点和Z2点的间距相同，设定为D2，根据需要测量的实际频率，通过机电装置控制变距，变距范围分别大于0又小于λ/2，λ为需要测量的实际波长。

5.根据权利要求4所述的三维自适应测向天线，其特征在于，三组天线单元N、X2、X3；N、Y2、Y3；N、Z3、Z3分别保持在一条直线上。

6.三维自适应测向天线的手机信号方向测定方法，其特征在于，包括步骤：

S1、设定需要目标信源的频率；

S2、系统控制软件根据目标信源的频率自动计算出D2，计算公式D2 = C/（2*f），C电磁波在大气中的传播速度，f目标信源中心频率；

S3、系统控制软件控制伺服电机带动丝杆转动让滑动座移动到距离N点D2距离的位置；

S4、系统开始测向：在X轴，测出N和X2接收到的相位差值θ1，以及N和X3接收到的相位差θ2；θ1是粗略值，唯一值，不存在多值性；θ2是精确值，包含多值性；

S5、根据计算公式θ2=2Πk+∆θ，其中∆θ≈θ1，将θ1代入θ2=2Πk+∆θ，得到θ2≈2Πk+θ1，k为自然数，k≈（θ2-θ1）/2Π，k取最接近的自然数值，将求得的k重新代入θ2=2Πk+∆θ，求得信源方向的精确值∆θ。

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