CN111541471B - 一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，属于无线通信和天线技术领域。其包括天线阵面、耦合校准网络、双路中频数字TR组件、中频采集处理模块、数字多波束形成处理模块、波束控制模块、调制解调单元、时钟及同步网络、本振及本振功分网络等。本发明天线装置采用高增益定向窄波束收发，具备大容量、高速率及良好的抗干扰、抗截获能力，同时具备灵活的同时多波束形成能力，可以同时与多个目标进行通信。在实际使用时，可在不增加硬件资源的情况下通过对信号处理算法进行修改从而灵活地增加波束数量，系统扩展能力强。本发明提升了自组网通信系统的性能，拓展了自组网通信产品的应用范围。

Description

一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置
技术领域
本发明属于无线通信和天线技术领域，特别是指一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置。
背景技术
自组网通信通常采用全向天线完成电磁波的发射和接收，全向天线的优点就是每个方向均可以收到信号，但是其缺点是天线增益低、抗干扰、抗截获能力差；严格限制了自组网通信系统的应用推广。
现有的自组网通信系统在增益、抗干扰、抗截获能力等方面还有待进一步提升，这些方面的能力不足会限制自组网通信系统的性能，限制系统的通信距离及通信容量。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，该天线采用平面全数字阵列天线架构，具有高增益能力、灵活的同时多波束形成能力、抗干扰能力、灵活的波束扫描与控制能力以及灵活的扩展能力，在不增加硬件资源的情况下可以灵活地增加波束数量，灵活扩展能力强。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，包括天线阵面1、M×N个耦合校准网络3、M×N个双路中频数字TR组件4、中频采集处理模块5、数字多波束形成处理模块6、波束控制模块7、调制解调单元8、时钟及同步网络9、第一本振11、第一本振功分网络、第二本振12以及第二本振功分网络；
所述天线阵面1为矩形平板天线结构，其上设有M×N个矩形布阵的微带背腔天线单元2，天线阵面1的馈电端口位于天线辐射口面的背面；所述耦合校准网络3、天线单元2、双路中频数字TR组件4三者一一对应，耦合校准网络3的直通端口的一端与天线单元2通过SMP对插连接器对插相连接，直通端口的另一端与双路中频数字TR组件4的射频接口通过SMP对插连接器对插相连接，耦合校准网络3的耦合端口与波束控制模块7的校准处理支路相连接；所述双路中频数字TR组件4通过结构件安装于中频采集处理模块5的结构件上，双路中频数字TR组件4的中频接口通过SMP对插连接器与中频采集处理模块5的中频接口相连接；所述中频采集处理模块5通过光纤与数字多波束形成处理模块6连接；数字多波束形成处理模块6的后端与波束控制模块7通过光纤相连接；波束控制模块7通过光纤与调制解调单元8相连接；时钟及同步网络9的输入端与调制解调单元8相连，调制解调单元8为时钟及同步网络9提供参考时钟，时钟及同步网络9的输出端通过电缆组件与中频采集处理模块5、数字多波束形成处理模块6、波束控制模块7相连接，并为它们提供时钟及同步信号；第一本振11、第一本振功分网络、第二本振12以及第二本振功分网络均通过电缆组件与双路中频数字TR组件4相连接，为双路中频数字TR组件4提供两个本振信号；
信号接收时，来自空间的电磁波信号通过天线阵面1进行接收，接收后的信号通过耦合校准网络3后传给后端的双路中频数字TR组件4，双路中频数字TR组件4的接收通道对信号进行低噪声放大及下变频，输出两路中频信号；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，变成数字信号；中频采样处理模块5将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，形成多个波束；这多个波束通过波束控制模块7进行控制后送入后端的调制解调单元8进行解调处理，从而完成通信解调；
信号发射时，来自调制解调单元8的多对调制信号经过波束控制模块7控制后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，处理后的信号送入中频采样处理模块5进行DA发射信号处理，从而将每一对数字信号变成一个输出的模拟中频信号；每个模拟中频信号被送入相应的双路中频数字TR组件4，在双路中频数字TR组件4中进行信号上变频，并通过双路中频数字TR组件4中的发射通道对信号进行功率放大；放大后的信号被送到天线阵面1，通过天线阵面1向空间发射出去。
进一步的，所述天线单元2包括天线33及与之对插连接的第一带通滤波器34，所述第一带通滤波器34用于对带外干扰进行抑制。
进一步的，所述双路中频数字TR组件4为有源数字TR组件，其包括第一变频器13、第二变频器14、第二带通滤波器15、两个收发切换开关16、功率放大器17、低噪声放大器19、限幅器18以及供电及监控接口20；
信号发射时，两路中频信号分别通过第一、第二变频器上变频至射频，然后通过第二带通滤波器15，接着经过第一收发切换开关后进入发射通道的功率放大器17进行放大，而后经过第二收发切换开关送入后端的天线单元进行发射；
信号接收时，信号经过第二收发切换开关进入接收通道，在接收通道内依次经过限幅器18和低噪声放大器19，接着经过第二收发切换开关后送入带通滤波器15，带通滤波器15输出两路信号分别给第一、第二变频器，第一、第二变频器各输出一路中频信号给后端的中频采集处理模块5。
进一步的，所述中频采样处理模块5包括AD9361芯片 21以及第一FPGA芯片22；所述AD9361芯片21用于实现中频信号的采集、处理以及基带信号的数模变换及发射处理；所述第一FPGA芯片22用于对AD9361芯片21进行控制，并控制与数字多波束形成模块6之间的信号数据的传输。
进一步的，所述数字多波束形成处理模块6用于在数字域完成波束形成，包括DSP处理芯片25、第二FPGA23、第三FPGA24以及高速接口交换芯片26；
中频采样处理模块5传来的信号数据在DSP处理芯片25中进行权值计算后，将权值送入第二FPGA23和第三FPGA24进行波束形成处理，得到DBF波束数据，然后通过光纤传输至后端的波束控制模块7。
进一步的，所述波束控制模块7包括第四FPGA芯片28和本振控制接口29；第四FPGA芯片28将来自数字多波束形成处理模块6的数据进行控制处理后，通过光纤传递给调制解调单元，此外，还通过本振控制接口29完成对本振的控制。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明天线装置采用高增益定向窄波束收发，与传统的自组网通信采用的全向天线相比具备大容量、高速率及良好的抗干扰、抗截获能力。
2、本发明天线装置具备高增益能力、灵活的同时多波束形成能力，阵面规模可以灵活扩展。
3、本发明采用小功率有源数字TR模块实现空间大功率合成，设计实现难度小。
4、本发明在天线与TR组件之间设置了耦合校准网络，可实现系统的实时在线校准，大大提高了系统的使用便捷性。
5、本发明采用数字域进行波束形成，在数字上进行灵活的波束扫描与控制能力，波束扫描速度快、控制精度高。
6、本发明在实际使用时，可在不增加硬件资源的情况下灵活的增加波束数量，系统扩展能力强。
附图说明
图1是本发明实施例中数字多波束相控阵天线装置的结构示意图；
图2是图1中整个天线阵面的结构示意图；
图3是图2中一个天线单元的结构示意图；
图4是图1中双路中频数字TR组件的结构示意图；
图5是图1中中频采集处理模块的结构示意图；
图6是图1中数字多波束形成模块的结构示意图；
图7是图6中数字多波束形成处理的实现原理图；
图8是图1中波束控制模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，一种用于自组网无线通信系统的数字多波束相控阵天线装置及实现方法，其包括天线阵面1、M×N个耦合校准网络3、M×N个双路中频数字TR组件4、多个中频采集处理模块5、数字多波束形成处理模块6、波束控制模块7、以及调制解调单元8、时钟及同步网络9、第一本振11及第一本振功分网络、第二本振12及第二本振功分网络。
上述实施例中，天线阵面1为由M×N个天线单元2通过矩形布阵组成的平面天线阵列，天线单元为微带背腔天线单元，所述天线阵面1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。所述耦合校准网络3的直通端口一端与天线单元1通过SMP对插连接器对插相连接，直通端口的另一端与双路中频数字TR组件4通过SMP对插连接器对插相连接，耦合校准网络3的耦合端口与波束控制模块7的校准处理支路相连接；所述双路中频数字TR组件4通过结构件安装于中频采集处理模块5的结构件上，双路中频数字TR组件4的射频接口通过SMP对插连接器与耦合校准网络相连接，双路中频数字TR组件4的中频接口通过SMP对插连接器与中频采集处理模块5的中频接口相连接；每个中频采集处理模块5通过光纤与后端的数字多波束形成处理模块6连接，完成实时的高速数据传输；数字多波束形成处理模块6主要完成数字多波束形成处理，完成波束B1、B2一直到BX的形成，数字多波束形成处理模块6的后端与波束控制模块7通过光纤相连接；波束控制模块7通过光纤与后端的自组网调制解调单元8相连接；时钟及同步网络9的输入端与调制解调单元8相连，由调制解调单元8提供参考时钟，保证系统同源，时钟及同步网络9的输出端通过电缆组件与中频采集处理模块5、数字多波束形成处理模块6、波束控制模块7相连接为几个模块提供时钟及同步信号；第一本振11及第一本振功分网络和第二本振12及第二本振功分网络通过电缆组件与双路中频数字TR组件4相连接，为双路中频数字TR组件4提供本振信号；所述平面天线阵面整体固定于高强度结构框架中形成自组网无线通信系统的数字多波束相控阵天线装置。
仍见图1，信号接收时，来自空间的电磁波信号（包含波束B1、B2至BX）通过平面天线阵面1进行接收，接收后的信号通过耦合校准网络3后传给后端的双路中频数字TR组件4，双路中频数字TR组件4的接收通道对信号进行低噪声放大及下变频，输出两路中频信号；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，变成数字信号；中频采样处理模块5将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，形成波束B1、B2至BX；形成的波束通过波束控制模块7进行控制后和送入后端的调制解调单元8进行解调处理，从而完成通信解调；
信号发射时，来调制解调单元8的调制信号分别经过波束控制模块7控制后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送入中频采样处理模块5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；模拟中频信号再分别送入双路中频数字TR组件4，双路中频数字TR组件4对信号进行上变频，并通过双路中频数字TR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阵面1，平面天线阵面1将信号向空间发射出去。
图2是图1中整个天线阵面的结构示意图。该天线阵面由矩形布阵的8×32个微带背腔天线单元组成。天线阵面1可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2中一个天线单元的结构示意图。其包括天线33及与之对插连接的第一带通滤波器34，第一带通滤波器34可采用腔体滤波器结构设计，主要完成对带外干扰的抑制。
图4是图1中双路中频数字TR组件的结构示意图。该双路中频数字TR组件4为有源数字TR组件，能实现两路中频信号的收发，可实现通信距离远近不同时增益控制独立调整，并具有两目标异频信道同时工作的能力。
具体来说，该双路中频数字TR组件4包括第一变频器13、第二变频器、第一本振11、第二本振12、第二带通滤波器15、两个收发切换开关16、功率放大器17、低噪声放大器19、限幅器18，以及供电及监控接口20；该TR组件主要完成一路射频信号到两路中频信号的变换功能。
信号发射时，两路中频信号1、2通过对应的变频器13、14将信号上变频至射频，并通过带通滤波器15后再经过第一收发切换开关后进入发射通道的功率放大器17进行放大，再经过第二收发切换开关送入后端的天线模块发射出去。
信号接收时，信号经过第二收发切换开关依次进入接收通道的限幅器18和低噪声放大器19，放大后经过第一收发切换开关送入带通滤波器15后送入变频器13、14变成中频信号，然后送入后端的中频采集处理模块5进行处理。
图5是图1中中频采集处理模块的结构示意图。该中频采样处理模块5包括含有ADC及 DAC转换的AD9361芯片21以及FPGA芯片22；该AD9361芯片21用于实现中频信号的采集、处理以及实现基带信号的数模变换及发射处理；该FPGA芯片22用于对AD9361芯片21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D1、D2至DM的传输。
图6是图1中数字多波束形成模块的结构示意图。该数字多波束形成处理模块6用于在数字域完成波束形成，其包括DSP处理芯片25、两个高性能FPGA处理芯片23、24，以及高速接口交换芯片26。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传来的信号数据在DSP处理芯片 25中进行权值计算后，将权值送入两个高性能FPGA处理芯片23、24进行波束形成处理，得到DBF波束数据，然后通过光模块和12T12R光纤将形成的波束数据传输至后端的波束控制模块7。
图7是图6中数字多波束形成处理的实现原理图。数字多波束形成处理模块6主要通过波束形成算法完成多波束形成，利用D1、D2至DM的数据结合加权值W1、W2至WM完成波束B1、B2至BX的形成。
图8是图1中波束控制模块的结构示意图。该波束控制模块7包括FPGA芯片28以及本振控制接口29，其中，FPGA芯片28用于对来自数字多波束形成处理模块6的数据进行波束控制，并将控制处理后的数据通过光模块和4T4R光纤传递给调制解调单元8，FPGA芯片28还可以通过本振控制接口29完成对本振的控制。此外，系统在线校准时，该模块还可通过中频采样处理模块5的AD9361芯片21以及双路中频数字TR组件4完成对系统通道误差的在线校准。
总之，本发明天线装置采用平面全数字阵列天线架构，采用高增益定向窄波束收发，与传统的自组网通信采用的全向天线相比具备大容量、高速率及良好的抗干扰、抗截获能力。本天线装置还具备灵活的同时多波束形成能力，可以同时与多个目标进行通信，阵面规模可以灵活扩展。此外，本发明采用数字域进行波束形成，在数字上进行灵活的波束扫描与控制，波束扫描速度快、控制精度高。在实际使用时，可在不增加硬件资源的情况下，通过对信号处理算法的修改即可灵活地增加波束数量，系统扩展能力强。
可见，本天线装置进一步提升了自组网通信系统的性能，拓展了自组网通信产品的应用范围，是对现有技术的一种重要改进。

Claims (6)

1.一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，其特征在于，包括天线阵面（1）、M×N个耦合校准网络（3）、M×N个双路中频数字TR组件（4）、中频采集处理模块（5）、数字多波束形成处理模块（6）、波束控制模块（7）、调制解调单元（8）、时钟及同步网络（9）、第一本振（11）、第一本振功分网络、第二本振（12）以及第二本振功分网络；
所述天线阵面（1）为矩形平板天线结构，其上设有M×N个矩形布阵的微带背腔天线单元（2），天线阵面（1）的馈电端口位于天线辐射口面的背面；所述耦合校准网络（3）、天线单元（2）、双路中频数字TR组件（4）三者一一对应，耦合校准网络（3）的直通端口的一端与天线单元（2）通过SMP对插连接器对插相连接，直通端口的另一端与双路中频数字TR组件（4）的射频接口通过SMP对插连接器对插相连接，耦合校准网络（3）的耦合端口与波束控制模块（7）的校准处理支路相连接；所述双路中频数字TR组件（4）通过结构件安装于中频采集处理模块（5）的结构件上，双路中频数字TR组件（4）的中频接口通过SMP对插连接器与中频采集处理模块（5）的中频接口相连接；所述中频采集处理模块（5）通过光纤与数字多波束形成处理模块（6）连接；数字多波束形成处理模块（6）的后端与波束控制模块（7）通过光纤相连接；波束控制模块（7）通过光纤与调制解调单元（8）相连接；时钟及同步网络（9）的输入端与调制解调单元（8）相连，调制解调单元（8）为时钟及同步网络（9）提供参考时钟，时钟及同步网络（9）的输出端通过电缆组件与中频采集处理模块（5）、数字多波束形成处理模块（6）、波束控制模块（7）相连接，并为它们提供时钟及同步信号；第一本振（11）、第一本振功分网络、第二本振（12）以及第二本振功分网络均通过电缆组件与双路中频数字TR组件（4）相连接，为双路中频数字TR组件（4）提供两个本振信号；
信号接收时，来自空间的电磁波信号通过天线阵面（1）进行接收，接收后的信号通过耦合校准网络（3）后传给后端的双路中频数字TR组件（4），双路中频数字TR组件（4）的接收通道对信号进行低噪声放大及下变频，输出两路中频信号；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，变成数字信号；中频采样处理模块（5）将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，形成多个波束；这多个波束通过波束控制模块（7）进行控制后送入后端的调制解调单元（8）进行解调处理，从而完成通信解调；
信号发射时，来自调制解调单元（8）的多对调制信号经过波束控制模块（7）控制后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，处理后的信号送入中频采样处理模块（5）进行DA发射信号处理，从而将每一对数字信号变成一个输出的模拟中频信号；每个模拟中频信号被送入相应的双路中频数字TR组件（4），在双路中频数字TR组件（4）中进行信号上变频，并通过双路中频数字TR组件（4）中的发射通道对信号进行功率放大；放大后的信号被送到天线阵面（1），通过天线阵面（1）向空间发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，其特征在于，所述天线单元（2）包括天线（33）及与之对插连接的第一带通滤波器（34），所述第一带通滤波器（34）用于对带外干扰进行抑制。
3.根据权利要求1所述的一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，其特征在于，所述双路中频数字TR组件（4）为有源数字TR组件，其包括第一变频器（13）、第二变频器（14）、第二带通滤波器（15）、两个收发切换开关（16）、功率放大器（17）、低噪声放大器（19）、限幅器（18）以及供电及监控接口（20）；
信号发射时，两路中频信号分别通过第一、第二变频器上变频至射频，然后通过第二带通滤波器（15），接着经过第一收发切换开关后进入发射通道的功率放大器（17）进行放大，而后经过第二收发切换开关送入后端的天线单元进行发射；
信号接收时，信号经过第二收发切换开关进入接收通道，在接收通道内依次经过限幅器（18）和低噪声放大器（19），接着经过第二收发切换开关后送入带通滤波器（15），带通滤波器（15）输出两路信号分别给第一、第二变频器，第一、第二变频器各输出一路中频信号给后端的中频采集处理模块（5）。
4.根据权利要求1所述的一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，其特征在于，所述中频采样处理模块（5）包括AD9361芯片（ 21）以及第一FPGA芯片（22）；所述AD9361芯片（21）用于实现中频信号的采集、处理以及基带信号的数模变换及发射处理；所述第一FPGA芯片（22）用于对AD9361芯片（21）进行控制，并控制与数字多波束形成模块（6）之间的信号数据的传输。
5.根据权利要求1所述的一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，其特征在于，所述数字多波束形成处理模块（6）用于在数字域完成波束形成，包括DSP处理芯片（25）、第二FPGA（23）、第三FPGA（24）以及高速接口交换芯片（26）；
中频采样处理模块（5）传来的信号数据在DSP处理芯片（25）中进行权值计算后，将权值送入第二FPGA（23）和第三FPGA（24）进行波束形成处理，得到DBF波束数据，然后通过光纤传输至后端的波束控制模块（7）。
6.根据权利要求1所述的一种用于自组网通信的数字多波束相控阵天线装置，其特征在于，所述波束控制模块（7）包括第四FPGA芯片（28）和本振控制接口（29）；第四FPGA芯片（28）将来自数字多波束形成处理模块（6）的数据进行控制处理后，通过光纤传递给调制解调单元，此外，还通过本振控制接口（29）完成对本振的控制。
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