CN111103598B - 一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，包括第一有源收发阵列、第二有源收发阵列、GNSS接收天线、频率源模块、电源模块以及数字中频板卡，其中，所述第一有源收发阵列以及第二有源收发阵列均包括一毫米波相控阵天线阵列。本发明采用毫米波相控阵天线阵列代替传统的固定波束天线，可通过灵活的波束切换实现波束指向和波束性能的重构，实现轨道交通在直道和弯道中车载终端与地面基站的波束跟踪，提高通信链路的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波技术领域，具体涉及一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机。
背景技术
极高频(“EHF”)是关于约28～300千兆赫兹(“GHz”)的电磁频谱中的射频频带的国际电信联盟(“ITU”)名称。该频带中的无线电波具有从10毫米到1毫米的波长，从而被称为毫米波(“mmWave”或者“mmWaves”)。
近年来，以地铁、高速铁路、磁悬浮列车为代表的轨道交通在全球快速发展，大大提升了人们的出行效率，提升了社会经济发展水平。在轨道交通系统中，列车和地面之间一般采用无线通信的方式实现车载和地面基站设备之间的双向数据互连，实现运控数据、牵引数据、诊断数据以及语音通信等信息的车地无线传输。高度列车控制指挥系统需要实时保持地面基站与车载移动台重要伺服与定位信息的交换，高效而可靠的车地通信系统是保证列车指挥调度、安全运行的重要保障。
然而，随着列车速度不断提升，从目前已经技术成熟的350km/h的高铁轮轨交通逐渐向600km/h的磁悬浮系统、甚至千公里/小时量级的真空管道交通迈进，速度的不断提升造成传输牵引、控制信息的无线通信链路的时延、可靠性、误码率等指标愈加苛刻。传统的GSM-R、LTE-M等通信体制已经无法满足磁悬浮、真空管道等轨道交通的信号传输要求，急需基于高性能无线收发设备、定制化网络实现更低的时延、更高的可靠性和安全性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，采用毫米波相控阵天线阵列代替传统的固定波束天线，可通过灵活的波束切换实现波束指向和波束性能重构，实现轨道交通在直道和弯道中车载终端与地面基站的波束跟踪，提高通信链路的可靠性和安全性。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，包括：第一有源收发阵列、第二有源收发阵列、GNSS接收天线、频率源模块、电源模块以及数字中频板卡；所述第一有源收发阵列所形成的波束指向车前进方向，所述第二有源收发阵列所形成的波束指向车前进相反方向；所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列分别与所述数字中频板卡相连；所述GNSS接收天线与所述数字中频板卡相连，用于对车辆的位置进行精准的定位，并为无线通信系统提供同步授时信息；所述频率源模块输出至所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列，用于为所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列提供本振；所述频率源模块与所述数字中频板卡相连；所述电源模块为所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机各模块提供能源；其中，所述第一有源收发阵列以及第二有源收发阵列均包括一毫米波相控阵天线阵列。
进一步地，所述第一有源收发阵列包括第一毫米波相控阵天线阵列、第一TR组件阵列以及第一变频组件，所述第一毫米波相控阵天线阵列依次与所述第一TR组件阵列、第一变频组件以及所述数字中频板卡相连；所述第二有源收发阵列包括第二毫米波相控阵天线阵列、第二TR组件阵列以及第二变频组件，所述第二毫米波相控阵天线阵列依次与所述第二TR组件阵列、第二变频组件以及所述数字中频板卡相连。
进一步地，所述第一TR组件阵列，包括若干个TR通道，每一个所述TR通道一端与所述第一毫米波相控阵天线阵列相连，每一个所述TR通道的另一端与1-N功分网络相连；所述第二TR组件阵列，包括若干个TR通道，每一个所述TR通道一端与所述第二毫米波相控阵天线阵列相连，每一个所述TR通道的另一端与1-N功分网络相连。所述第一TR组件阵列与所述第二TR组件阵列的控制接口与所述数字中频板卡连接；所述第一TR组件阵列与所述第二TR组件阵列的供电端口与所述电源模块相连。
进一步地，每一所述TR通道包括第一射频开关、功率放大器、低噪声放大器、第二射频开关、数控移相器、数控衰减器以及串并转换控制电路；所述第一射频开关的一端与毫米波相控阵天线阵列相连，所述第一射频开关另外两端分别与所述功率放大器和所述低噪声放大器相连；所述功率放大器的一端与所述第一射频开关连接，所述功率放大器的另外一端与和所述第二射频开关连接；所述低噪声放大器的一端与所述第一射频开关连接，所述低噪声放大器的另外一端与和所述第二射频开关连接；所述数控移相器一端与所述第二射频开关连接，所述数控移相器另一端与所述数控衰减器连接；所述数控衰减器一端与所述数控移相器连接，所述数控衰减器另一端与所述1-N功分网络连接；所述串并转换控制电路与所述第一射频开关、所述第二射频开关、所述数控移相器以及所述数控衰减器相连。
进一步地，所述第一TR组件阵列以及所述第二TR组件阵列为二维电扫阵列或一维水平电扫阵列。
进一步地，每一所述TR通道子电路采用单功能集成电路、多功能集成电路或者系统封装芯片中的至少一种，每一所述TR通道制备方法采用CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs或者GaN工艺中的至少一种。
进一步地，所述数字中频板卡包括第一AD/DA模块、第二AD/DA模块、FPGA单元、GNSS信号处理模块；所述第一AD/DA模块一端通过IF1和BM-Ctrl-1接口与第一有源收发阵列相连，其中所述IF1端口传输的是中频信号，所述BM-Ctrl-1用于传输波束控制信号和第一有源收发阵列的状态信息；所述第一AD/DA模块另一端与所述FPGA单元相连；所述第二AD/DA模块一端通过IF2和BM-Ctrl-2接口与第二有源收发阵列相连，其中所述IF2端口传输的是中频信号，所述BM-Ctrl-2用于传输波束控制信号和第二有源收发阵列的状态信息；所述第二AD/DA模块另一端与所述FPGA单元相连；所述数字中频板卡通过GNSS端口与所述GNSS接收天线相连，所述GNSS接收天线接收的卫星导航无线信号经过所述GNSS信号处理模块处理后发送给数字中频板卡的FPGA单元，用于提供收发机位置信息和时频信息；以及所述FPGA单元通过频率源控制端口与所述频率源模块相连，所述FPGA单元输出的频率控制信息经过频率源控制端口发送给所述频率源模块，用于控制频率源模块的频率输出；频率源模块也将其工作状态信息反馈给FPGA单元。
进一步地，还包括天线罩，所述天线罩的外形为流线型，所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机各模块集成于所述天线罩内。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机采用毫米波相控阵天线阵列代替传统的固定波束天线，可通过灵活的波束切换实现波束指向和波束性能重构，实现轨道交通在直道和弯道中车载终端与地面基站的波束跟踪。同时利用有源相控阵可有效提升信噪比、抗干扰性能，有效的提升通信的可靠性。相比固定波束指向的车载天线具有指向灵活、覆盖范围广、可靠性安全性高的特点。
(2)本发明的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机可分别安装于列车的头部和尾部，每个所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机具有两条收发链路，两个所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机具有四条冗余的收发链路，即使1～3条无线收发链路出现故障，也能保障列车的正常运行，从而大大提升了列车的安全运行概率，提高了列车通信系统的可靠性。
(3)本发明的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机使用GNSS与车载相控阵集成的方案，在车载天线中集成GNSS天线，通过GNSS天线接收卫星定位和授时数据，定位数据可实时上报控制中心，更准确的定位车辆的位置，为车载端的波束切换提供精确位置输入，同时GNSS天线接收的授时信息可以作为时分双工通信系统的收发切换提供时间基准。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机结构示意图；
图2所示为本发明一实施例的第一TR组件阵列原理图；
图3所示为本发明一实施例的TR通道原理图；
图4所示为本发明一实施例的数字中频板卡的原理图；
图5所示为本发明一实施例的天线罩外观结构图；
图6所示为本发明一实施例的应用场景图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，如图1所示，所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机包括第一有源收发阵列、第二有源收发阵列、频率源模块、GNSS接收天线、电源模块、数字中频板卡以及天线罩。
所述第一有源收发阵列所形成的波束指向车前进方向，所述第二有源收发阵列所形成的波束指向车前进相反方向。所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列分别与所述数字中频板卡相连。所述第一有源收发阵列包括第一毫米波相控阵天线阵列、第一TR组件阵列以及第一变频组件，所述第一毫米波相控阵天线阵列依次与所述第一TR组件阵列、第一变频组件以及所述数字中频板卡相连。所述第二有源收发阵列还包括第二毫米波相控阵天线阵列、第二TR组件阵列以及第二变频组件，所述第二毫米波相控阵天线阵列依次与所述第二TR组件阵列、第二变频组件以及所述数字中频板卡相连。所述第一TR组件阵列以及所述第二TR组件阵列为二维电扫阵列或一维水平电扫阵列。
如图2所示，所述第一TR组件阵列，包括若干个TR通道，每一个所述TR通道一端与所述第一毫米波相控阵天线阵列相连，每一个所述TR通道的另一端与1-N功分网络相连。同理所述第二TR组件阵列，包括若干个TR通道，每一个所述TR通道一端与所述第二毫米波相控阵天线阵列相连，每一个所述TR通道的另一端与1-N功分网络相连。所述TR通道对经过的信号具有增益放大、幅度相位控制的作用，从而实现对于所述第一毫米波相控阵天线阵列和所述第二毫米波相控阵天线阵列的波束赋形和波束控制，所述波束控制指令由所述数字中频板卡通过高速串行接口发送给所述第一TR组件阵列和第二TR组件阵列。所述第一TR组件阵列与所述第二TR组件阵列的控制接口与所述数字中频板卡连接。所述第一TR组件阵列与所述第二TR组件阵列的供电端口与所述电源模块相连。所述第一TR组件阵列与所述第二TR组件阵列的通道数量由车地无线通信的覆盖范围、功率噪声要求等系统特性决定，优选所述通道数为4、8、16、32、64中的一种。
如图3所示，每一所述TR通道包括第一射频开关、功率放大器、低噪声放大器、第二射频开关、数控移相器、数控衰减器以及串并转换控制电路；所述第一射频开关的一端与毫米波相控阵天线阵列相连，所述第一射频开关另外两端分别与所述功率放大器和所述低噪声放大器相连；所述功率放大器的一端与所述第一射频开关连接，所述功率放大器的另外一端与所述第二射频开关连接；所述低噪声放大器的一端与所述第一射频开关连接，所述低噪声放大器的另外一端与所述第二射频开关连接；所述数控移相器一端与所述第二射频开关连接，所述数控移相器另一端与所述数控衰减器连接；所述数控衰减器一端与所述数控移相器连接，所述数控衰减器另一端与所述1-N功分网络连接；所述串并转换控制电路与所述第一射频开关、所述第二射频开关、所述数控移相器以及所述数控衰减器相连。所述TR通道通过串并转换控制电路控制所述数控移相器和所述数控衰减器实现对于信号的幅度相位控制，从而辅助实现信号放大和波束控制的功能。
每一所述TR通道子电路采用单功能集成电路、多功能集成电路或者系统封装芯片中的至少一种，每一所述TR通道制备方法采用CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs或者GaN工艺中的至少一种。优选的，所述数控移相器、所述数控衰减器和所述串并转换控制电路用多通道集成式采用CMOS单芯片实现，所述第一射频开关、所述功率放大器、所述低噪声放大器、所述第二射频开关采用GaAs工艺实现，以实现更好的功率、噪声性能。
如图4所示，所述数字中频板卡包括第一AD/DA模块、第二AD/DA模块、FPGA单元、GNSS信号处理模块。所述数字中频板卡通过IF1和BM-Ctrl-1接口与第一有源收发阵列相连，其中所述IF1端口传输的是中频信号，所述BM-Ctrl-1用于传输波束控制信号和第一有源收发阵列的状态信息。所述数字中频板卡通过IF2和BM-Ctrl-2接口与第二有源收发阵列相连，其中所述IF2端口传输的是中频信号，所述BM-Ctrl-2用于传输波束控制信号和第二有源收发阵列的状态信息。在本实施例中，在AD/DA模块中预留两个AD/DA通道用于分集接收等扩展性的需求。
所述数字中频板卡通过GNSS端口与所述GNSS接收天线相连，所述GNSS接收天线接收的卫星导航无线信号经过所述数字中频板的GNSS信号处理模块处理后发送给数字中频板的FPGA单元，用于提供收发机位置信息和时频信息。所述GNSS信号处理模块优选基于uBlox公司GNSS接收集成芯片实现。所述数字中频板卡通过频率源控制端口与所述频率源模块相连，所述FPGA单元输出的频率控制信息经过频率源控制端口发送给所述频率源模块，用于控制频率源模块的频率输出。所述频率源模块也将其工作状态信息反馈给FPGA单元。所述FPGA模块基于赛灵思公司商用FPGA芯片实现。所述数字中频板卡是所述一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机的中枢管理系统，对所述第一有源收发阵列、第二有源收发阵列以及频率源模块的工作状态进行管理和控制，实现波束切换、频率切换的功能。同时数字中频板卡对从所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列接收的信号进行数字化，可以将基带信号模拟化并调制到中频并发送给所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列。
所述频率源模块输出至所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列，用于为所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列提供本振。所述频率源模块与所述数字中频板卡相连。
所述GNSS接收天线所述数字中频板卡相连，用于对车辆的位置进行精准的定位。
所述电源模块为所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机各模块提供能源。
如图5所示，所述天线罩为流线型，所述第一有源收发阵列、第二有源收发阵列、频率源模块、GNSS接收天线、电源模块以及数字中频板卡集成于所述天线罩内。本方案采用鱼鳍外形，通过优化设计，最大限度的降低风阻，可耐列车在600km/h以上的行驶速度带来的空气压力。
如图6所示，本实施例针对所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机在高速磁浮列车的车地无线通信系统的使用进行介绍。磁浮列车在运行过程中需要不断的与地面基站进行牵引数据、运控数据、诊断数据以及语音信息的交互，保证列车安全可靠的运行。所述牵引数据、运控数据、诊断数据以及语音信息在本实施例中被打包组合为基带数据包1和基带数据包2，基带数据包1和基带数据包2具有相关性和冗余性。基带数据包1和基带数据包2通过装载在车头和车尾部的本发明所述的一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机1和一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机2空口无线发射。在空间无线传输路径中，基带数据包1被毫米波相控阵车载双向收发机1分别通过第一毫米波相控阵天线阵列和第二毫米波相控阵天线阵列向车前进的方向和车前进相反的方向发射，形成无线传播的空口数据包1-1和空口数据包1-2，空口数据包1-1和空口数据包1-2分别被基站A1和基站B1接收。类似的，在空间无线传输路径中，基带数据包2被毫米波相控阵车载双向收发机2分别通过第一毫米波相控阵天线阵列和第二毫米波相控阵天线阵列向车前进的方向和车前进相反的方向发射，形成无线传播的空口数据包2-1和空口数据包2-2，空口数据包2-1和空口数据包2-2分别被基站A1和基站B1接收。这样，在车载端和地面基站之间形成了2×2共计4条相互冗余的无线链路，在1到3条无线链路出现故障时，也能保证列车的正常运行，从而大大提升列车的安全运行概率，提高通信系统的可靠性。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，其特征在于，包括：第一有源收发阵列、第二有源收发阵列、GNSS接收天线、频率源模块、电源模块以及数字中频板卡；
所述第一有源收发阵列所形成的波束指向车前进方向，所述第二有源收发阵列所形成的波束指向车前进相反方向；所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列分别与所述数字中频板卡相连；
所述GNSS接收天线与所述数字中频板卡相连，用于对车辆的位置进行精准的定位，并为无线通信系统提供同步授时信息；
所述频率源模块输出至所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列，用于为所述第一有源收发阵列以及所述第二有源收发阵列提供本振；所述频率源模块与所述数字中频板卡相连；
所述电源模块为所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机各模块提供能源；
其中，所述第一有源收发阵列以及第二有源收发阵列均包括一毫米波相控阵天线阵列；
所述数字中频板卡包括第一AD/DA模块、第二AD/DA模块、FPGA单元、GNSS信号处理模块；
所述第一AD/DA模块一端通过IF1和BM-Ctrl-1接口与第一有源收发阵列相连，其中所述IF1端口传输的是中频信号，所述BM-Ctrl-1用于传输波束控制信号和第一有源收发阵列的状态信息；所述第一AD/DA模块另一端与所述FPGA单元相连；
所述第二AD/DA模块一端通过IF2和BM-Ctrl-2接口与第二有源收发阵列相连，其中所述IF2端口传输的是中频信号，所述BM-Ctrl-2用于传输波束控制信号和第二有源收发阵列的状态信息；所述第二AD/DA模块另一端与所述FPGA单元相连；
所述数字中频板卡通过GNSS端口与所述GNSS接收天线相连，所述GNSS接收天线接收的卫星导航无线信号经过所述GNSS信号处理模块处理后发送给数字中频板卡的FPGA单元，用于提供收发机位置信息和时频信息；以及
所述FPGA单元通过频率源控制端口与所述频率源模块相连，所述FPGA单元输出的频率控制信息经过频率源控制端口发送给所述频率源模块，用于控制频率源模块的频率输出；频率源模块也将其工作状态信息反馈给FPGA单元。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，其特征在于，
所述第一有源收发阵列包括第一毫米波相控阵天线阵列、第一TR组件阵列以及第一变频组件，所述第一毫米波相控阵天线阵列依次与所述第一TR组件阵列、第一变频组件以及所述数字中频板卡相连；
所述第二有源收发阵列包括第二毫米波相控阵天线阵列、第二TR组件阵列以及第二变频组件，所述第二毫米波相控阵天线阵列依次与所述第二TR组件阵列、第二变频组件以及所述数字中频板卡相连。
3.根据权利要求2所述的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，其特征在于，
所述第一TR组件阵列，包括若干个TR通道，每一个所述TR通道一端与所述第一毫米波相控阵天线阵列相连，每一个所述TR通道的另一端与1-N功分网络相连；
所述第二TR组件阵列，包括若干个TR通道，每一个所述TR通道一端与所述第二毫米波相控阵天线阵列相连，每一个所述TR通道的另一端与1-N功分网络相连；
所述第一TR组件阵列与所述第二TR组件阵列的控制接口与所述数字中频板卡连接；所述第一TR组件阵列与所述第二TR组件阵列的供电端口与所述电源模块相连。
4.根据权利要求3所述的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，其特征在于，每一所述TR通道包括第一射频开关、功率放大器、低噪声放大器、第二射频开关、数控移相器、数控衰减器以及串并转换控制电路；所述第一射频开关的一端与毫米波相控阵天线阵列相连，所述第一射频开关另外两端分别与所述功率放大器和所述低噪声放大器相连；所述功率放大器的一端与所述第一射频开关连接，所述功率放大器的另外一端与所述第二射频开关连接；所述低噪声放大器的一端与所述第一射频开关连接，所述低噪声放大器的另外一端与所述第二射频开关连接；所述数控移相器一端与所述第二射频开关连接，所述数控移相器另一端与所述数控衰减器连接；所述数控衰减器一端与所述数控移相器连接，所述数控衰减器另一端与所述1-N功分网络连接；所述串并转换控制电路与所述第一射频开关、所述第二射频开关、所述数控移相器以及所述数控衰减器相连。
5.根据权利要求3所述的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，其特征在于，所述第一TR组件阵列以及所述第二TR组件阵列为二维电扫阵列或一维水平电扫阵列。
6.根据权利要求3所述的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，其特征在于，每一所述TR通道子电路采用单功能集成电路、多功能集成电路或者系统封装芯片中的至少一种，每一所述TR通道制备方法采用CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs或者GaN工艺中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机，其特征在于，还包括天线罩，所述天线罩的外形为流线型，所述基于毫米波有源相控阵的车载双向收发机各模块集成于所述天线罩内。
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