CN111883919A - 一种全角域对空组网型自适应天线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，应用于无人机协同作业中一站监控多机场景，不仅实现覆盖全角域，而且赋形多个高增益波束扩展无人机作用距离。该天线包括环形阵列天线、宽角域定向天线、射频前端及波束控制板。环形阵列天线用以接收全方位面、宽俯仰面的空间微波信号；宽角域定向天线用以保证无人机近场过顶飞行时通信不中断；射频前端用以射频信号变频、滤波、功率放大等处理；波束控制板采用零中频架构，完成通道校准、空间谱估计、波束赋形等算法实现。本发明所述的系统采用一体化结构完成多机全角域自跟踪，极大扩展了无人机的应用模式。

Description

一种全角域对空组网型自适应天线设计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其是涉及一种全角域对空组网型自适应天线设计方法。

背景技术

现有无人平台数据链产品多为点对点传输，在任务执行效率，环境适应能力，信息资源共享等方面存在着明显不足，急需研制一款适用于多无人机组网型数据链终端设备，提供遥控遥测数据可靠传输、任务载荷信息实时回传、智能跟踪、协同组网、无缝接入等功能服务，构建通用化、智能化、宽带化、综合化的天、临、空、地一体化测控与信息传输网络，满足高可靠的战场侦察、信息分发、民用监测、应急救援等应用需求。地面通信设备作为骨干节点，必须能够覆盖空间所有角域的无人机节点，由于面临宽速率信息回传问题，自适应赋形成高增益、窄波束的天线成为首选。

利用全角域对空组网型自适应天线可以实现空分多址提高系统容量，其另一个优点是能够降低共道干扰及多径效应的不利影响,利用谱估计技术精确分离出信号波达角，在无线通信中没有参考信号或训练序列情况下，也可以实现天线阵主波束指向期望信号，实现对无人机的精确跟踪。提高整个无人机测控通信数据链的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，以解决针对市场应用场景对无人机数据链提出的远距离通信、全空间覆盖、多目标自跟踪等需求，本发明提供了一种全角域对空组网型自适应天线系统，在方位面赋形产生多个高增益波束、在俯仰面赋形成余割平方波束，避免全向天线增益低、通信距离近的同时，克服了伺服定向天线跟踪目标单一，难以应用于组网通信的现实问题，提高了无人机数据链协同作业效能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，包括以下步骤：

S1、单元天线采用环形阵列形式，各个子单元通过微带线分配不同功率和相位；

S2、环形阵列将单元天线排列成均匀环形，间距通过仿真验证确定为与工作频段成反比的常数；

S3、设计宽角域定向天线在90度，配合环形阵列，在接收端对信号进行融合处理，在环形阵列无法覆盖的区域软件自适应切换至宽角度定向天线；

S4、环形阵列天线与波控板连接，波控板中的数字波束赋形采用数字信号处理技术，各阵元通道对接收信号下变频到中频或基带后，采用高速A/D转换为数字信号，在基带处理单元完成多波束赋形。

进一步的，所述步骤S1中的单元天线俯仰面波束形状呈余割平方式，余割平方赋形单元天线按照一定间隔排列组成环形阵列，辐射体面向环外，背后设有微波前端TR组件，采用射频接口对插形式最小化天线与前端间的插损。

进一步的，所述步骤S2中仿真验证过程采用仿真软件完成。

进一步的，所述步骤S4中波控板信号处理流程如下：

第一步，可编程数字处理芯片初始化外围器件，特别地，配置射频收发芯片的接收或发射频率、滤波器带宽、采样速率等参数；

第二步，同时对N路信号进行放大、滤波、下变频、自动增益控制、采样、滤波处理后，汇总至可编程数字处理芯片；

第三步，在线通道校准：

STEP1：可编程数字处理芯片发送ROM存储器的IQ正弦信号

其中w、

分别是参考源的角频率和初始相位；

STEP2：射频开关A选择1通道，射频开关B选择i(i＝1～N)通道；

STEP3：接收第i通道信号，经过可编程收发器下变频、采样滤波处理后可编程数字处理芯片得到正弦信号

其中w是各个通道接收信号的角频率，与可编程数字处理芯片发送的信号角频率相同，

是第i通道接收信号的相位；

STEP4：将接收信号与参考源做乘累加处理，如下列公式所示，累加长度为一个正弦信号的周期，计算得到各个通道相对参考源的相位差

的余弦值的T/2倍；

(1)

(2)

STEP5：将接收信号与正交处理后的参考源做乘累加处理，如(3)和(4)所示，累加长度为一个正弦信号的周期，计算得到相位差

正弦值T/2倍；

(3)

(4)

STEP6：通过(4)和(2)公式可解出正切关系，按照(5)得到各个通道相对参考源sig₀的相位差

从而由式(6)得到由于PLL引起的板级通道i(i≠1)相对通道1的相位差

(5)

(6)

STEP7：完成校准后通道配置为外部接口，将测算到的相位差代入式

(7)星座旋转公式得到通道i(i≠1)校准后的I路信号

和Q路信号

(7)

其中，

表示第i(i≠1)通道总的相位差，且Δθ₀＝0；

第四步，采用空间谱估计和峰值搜索模块实现来波方向的测算，按照式(7)即可完成信号的接收/发射；

第五步，通过测算宽角域定向天线通道的信噪比与上述接收信号信噪比进行比对，选择融合/切换最终接收信号。

相对于现有技术，本发明所述的一种全角域对空组网型自适应天线设计方法具有以下优势：

本发明所述的利用全角域对空组网型自适应天线可以实现空分多址提高系统容量，能够降低共道干扰及多径效应的不利影响,利用谱估计技术精确分离出信号波达角，在无线通信中没有参考信号或训练序列情况下，也可以实现天线阵主波束指向期望信号，实现对无人机的精确跟踪。提高整个无人机测控通信数据链的稳定性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的应用于全角域对空组网型自适应天线的系统组成图；

图2为本发明实施例所述的应用于环形阵列结构图；

图3为本发明实施例所述的波束控制板组成图。

附图标记说明：

1-波控板；2-单元天线；3-定向天线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图3所示，一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，包括以下步骤：

S1、单元天线采用环形阵列形式，各个子单元通过微带线分配不同功率和相位，单元天线俯仰面波束形状呈余割平方式，当无人机以恒定的高度移动时(如向近场飞行时)，在接收机的输入端接收均匀的信号强度；

S2、环形阵列将单元天线排列成均匀环形，间距通过仿真验证确定为与工作频段成反比的常数，以保证组阵后无栅瓣的同时，增益较高；

S3、设计宽角域定向天线在90度，对空方向增益最大，配合环形阵列，在接收端对信号进行融合处理，在环形阵列无法覆盖的区域软件自适应切换至宽角度定向天线，用以保证无人机近场过顶飞行时通信不中断；

S4、环形阵列天线与波控板连接，波控板中的数字波束赋形采用数字信号处理技术，各阵元通道对接收信号下变频到中频或基带后，采用高速A/D转换为数字信号，在基带处理单元完成多波束赋形，自适应能力强、灵活度高，便于集成、精度较高。

所述步骤S1中的单元天线俯仰面波束形状呈余割平方式，余割平方赋形单元天线按照一定间隔排列组成环形阵列，辐射体面向环外，背后设有微波前端TR组件，采用射频接口对插形式最小化天线与前端间的插损。

所述步骤S2中仿真验证过程采用HFSS高频结构仿真软件完成。

所述步骤S4中波控板信号处理流程如下：

第一步，可编程数字处理芯片初始化外围器件，特别地，配置射频收发芯片的接收或发射频率、滤波器带宽、采样速率等参数；

第二步，同时对N路信号进行放大、滤波、下变频、自动增益控制、采样、滤波处理后，汇总至可编程数字处理芯片；

第三步，在线通道校准：

STEP1：可编程数字处理芯片发送ROM存储器的IQ正弦信号

其中w、

分别是参考源的角频率和初始相位；

STEP2：射频开关A选择1通道，射频开关B选择i(i＝1～N)通道；

STEP3：接收第i通道信号，经过可编程收发器下变频、采样滤波处理后可编程数字处理芯片得到正弦信号

其中w是各个通道接收信号的角频率，与可编程数字处理芯片发送的信号角频率相同，

是第i通道接收信号的相位；

STEP4：将接收信号与参考源做乘累加处理，如下列公式所示，累加长度为一个正弦信号的周期，计算得到各个通道相对参考源的相位差

的余弦值的T/2倍；

(1)

(2)

STEP5：将接收信号与正交处理后的参考源做乘累加处理，如(3)和(4)所示，累加长度为一个正弦信号的周期，计算得到相位差

正弦值T/2倍；

(3)

(4)

STEP6：通过(4)和(2)公式可解出正切关系，按照(5)得到各个通道相对参考源sig₀的相位差

从而由式(6)得到由于PLL引起的板级通道i(i≠1)相对通道1的相位差

(5)

(6)

STEP7：完成校准后通道配置为外部接口，将测算到的相位差代入式

(7)星座旋转公式得到通道i(i≠1)校准后的I路信号

和Q路信号

(7)

其中，

表示第i(i≠1)通道总的相位差，且Δθ₀＝0；

第四步，采用空间谱估计和峰值搜索模块实现来波方向的测算，按照式(7)即可完成信号的接收/发射；

第五步，通过测算宽角域定向天线通道的信噪比与上述接收信号信噪比进行比对，选择融合/切换最终接收信号。

具体实施过程如下：

如图1所示，本发明提供了一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，系统由余割平方赋形单元天线、环形阵列、微波前端TR组件、宽角域定向天线、波束控制板构成。单元天线通过对俯仰子单元赋以不同幅度和相位值使得E面呈余割平方赋形(例如三个子单元幅度赋值3:4:1)，保证无人机以相同高度近场飞行过程中接收机接收均匀强度的信号，覆盖角度达到60°以上。宽角域定向天线采用圆极化形式、覆盖角度不低于60°。二者配合使用，确保无人机在起降、航行、巡航作业、返场飞行、过顶飞行等姿态下均能与地面保持互联互通。将余割平方赋形单元天线按照一定间隔排列组成环形阵列(例如单元天线间距＝0.65×λ，其中λ是微波波长，最高增益同时避免产生栅瓣)，辐射体面向环外，后背微波前端TR组件，采用射频接口对插形式最小化天线与前端间的插损，提高接收机灵敏度。N个单元天线组阵形成N个通道，并将N个通道与波控板相连，在波控板上对各个通道进行下变频、滤波、采样等处理后汇集到可编程逻辑处理芯片，在数字域完成空间谱估计、波束赋形等信号处理模块。

如图2所示，本发明借鉴机电一体化结构设计思路，将环形阵列天线与宽角域定向天线集成于一个天线罩内，由于宽角域定向天线主要辐射方向是对空的，放置于环阵中心且顶部与环阵顶部平齐，最低化剖面。微波前端TR组件采用射频接口对插方式最小化插损。波束控制板、收发信机等设备部件统一放置于底座设备区，该区结构件通过铣栅格方式增大散热面积。

如图3所示，本发明例举通道数N＝16波束控制板组成图，主要包括8个双收双发射频芯片、1个高性能可编程数字处理芯片及其外围电路。其中，收发射频芯片实现16个通道射频信号的变频、滤波、高速数模/模数转换等处理，可编程数字处理芯片不仅完成对外围器件(包括以太网物理芯片、外部存储器、射频收发器、射频开关等)配置管理和数据交互，更重要功能有：①对16个通道进行幅度及相位校准，②通过空间谱估计、峰值搜索确认来波信号方向，③数字波束赋形处理获得高增益天线方向图，④通过比对宽角域定向天线接收的信号质量和赋形后信号质量，采用融合或者切换技术实现最终信号的获取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、单元天线采用环形阵列形式，各个子单元通过微带线分配不同功率和相位；

S2、环形阵列将单元天线排列成均匀环形，间距通过仿真验证确定为与工作频段成反比的常数；

S3、设计宽角域定向天线在90度，配合环形阵列，在接收端对信号进行融合处理，在环形阵列无法覆盖的区域软件自适应切换至宽角度定向天线；

S4、环形阵列天线与波控板连接，波控板中的数字波束赋形采用数字信号处理技术，各阵元通道对接收信号下变频到中频或基带后，采用高速A/D转换为数字信号，在基带处理单元完成多波束赋形。

2.根据权利要求1所述的一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，其特征在于：所述步骤S1中的单元天线俯仰面波束形状呈余割平方式，余割平方赋形单元天线按照一定间隔排列组成环形阵列，辐射体面向环外，背后设有微波前端TR组件，采用射频接口对插形式最小化天线与前端间的插损。

3.根据权利要求1所述的一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，其特征在于：所述步骤S2中仿真验证过程采用仿真软件完成。

4.根据权利要求1所述的一种全角域对空组网型自适应天线设计方法，其特征在于：所述步骤S4中波控板信号处理流程如下：

第一步，可编程数字处理芯片初始化外围器件，特别地，配置射频收发芯片的接收或发射频率、滤波器带宽、采样速率等参数；

第二步，同时对N路信号进行放大、滤波、下变频、自动增益控制、采样、滤波处理后，汇总至可编程数字处理芯片；

第三步，在线通道校准：

STEP1：可编程数字处理芯片发送ROM存储器的IQ正弦信号

其中w、

分别是参考源的角频率和初始相位；

STEP2：射频开关A选择1通道，射频开关B选择i(i＝1～N)通道；

STEP3：接收第i通道信号，经过可编程收发器下变频、采样滤波处理后可编程数字处理芯片得到正弦信号

其中w是各个通道接收信号的角频率，与可编程数字处理芯片发送的信号角频率相同，θ_i ^PLL是第i通道接收信号的相位；

STEP4：将接收信号与参考源做乘累加处理，如下列公式所示，累加长度为一个正弦信号的周期，计算得到各个通道相对参考源的相位差

的余弦值的T/2倍；

STEP5：将接收信号与正交处理后的参考源做乘累加处理，如(3)和(4)所示，累加长度为一个正弦信号的周期，计算得到相位差

正弦值T/2倍；

STEP6：通过(4)和(2)公式可解出正切关系，按照(5)得到各个通道相对参考源sig₀的相位差

从而由式(6)得到由于PLL引起的板级通道i(i≠1)相对通道1的相位差

STEP7：完成校准后通道配置为外部接口，将测算到的相位差代入式(7)星座旋转公式得到通道i(i≠1)校准后的I路信号

和Q路信号

其中，Δθ_i＝Δθ_i ^PLL+Δθ_i ^RF表示第i(i≠1)通道总的相位差，且Δθ₀＝0；

第四步，采用空间谱估计和峰值搜索模块实现来波方向的测算，按照式(7)即可完成信号的接收/发射；

第五步，通过测算宽角域定向天线通道的信噪比与上述接收信号信噪比进行比对，选择融合或切换最终接收信号。

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