CN112928442A - 分布式相控矩阵系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种分布式相控矩阵系统，包括：分集主机，分别与所述分集主机电连接的多个相控阵天线；其中，每个相控阵天线用于对目标进行监测，生成输出信号并发送给分集主机；所述分集主机用于，接收每个相控阵天线发送的输出信号；将接收到的每个相控阵天线发送的输出信号进行合成得到合成信号并输出合成信号。本申请的分布式相控阵列，既获得相控阵天线阵列的高定向性、高增益、灵活跟踪特性，同时具有空间分集，抵御多径效应的效果。仅需要一组天线就可以对于多目标同时进行跟踪，与抛物面天线相比，显著减少了系统的复杂程度和成本。

Description

分布式相控矩阵系统

技术领域

本申请涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种分布式相控矩阵系统。

背景技术

传统遥测接收站采用抛物面天线对目标进行跟踪和信号的接收，参见附图1所示的一种传统的抛物面天线。该抛物面天线仅支持单个目标的信号接收、体积笨重、维护困难、可移动性差，当对天空的目标，比如导弹，飞机进行监测时，该抛物面需要随着天空的目标的移动而转动才能够实现持续地监测，所以需要成功高昂的机械电气伺服系统来驱动抛物面的运动。并且现有技术中一套抛物面天线只能对天空中的一个目标监测，而无法实现对于多个目标进行监测。当天空中的目标为多个时，则需要多个抛物面天线，成本巨大，并且有限的场地空间可能不允许。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种分布式相控矩阵系统，以解决抛物面天线成本高昂的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种分布式相控矩阵系统，包括：一种分布式相控矩阵系统，包括：分集主机，分别与所述分集主机电连接的多个相控阵天线和接收机；

其中，每个相控阵天线用于对目标进行监测，生成输出信号并发送给分集主机；

所述分集主机用于，接收每个相控阵天线发送的输出信号；

将接收到的每个相控阵天线发送的输出信号进行合成得到合成信号；以及将所述合成信号进行调制后输出调制信号；

接收机，所述接收机与所述分集主机电连接，用于接收所述分集主机发送的所述调制信号，对所述调制信号进行解调。

在一种实施方式中，所述多个相控阵天线的排布方式包括：同向布阵或全向布阵。

在一种实施方式中，当全向布阵时，多个相控矩阵天线的数量为N，N大于等于2，N个相控矩阵天线组成N边形，每个相控矩阵天线的天线朝向N边形的外侧。

在一种实施方式中，当同向布阵时，多个相控矩阵天线的数量为N，N大于等于2，多个相控矩阵天线排列成一字形，每个相控矩阵天线的朝向相同的方向。

在一种实施方式中，所述N为3。

在一种实施方式中，还包括上位机，所述上位机与所述分集主机电连接，用于向所述分集主机发送配置指令。

在一种实施方式中，所述分集主机包括：分集处理器和分别与所述分集处理器连接的时钟模块、本振模块、通讯模块和调制模块；

所述分集处理器，包括多组高速收发器；其中，每组高速收发器连接外部的一个相控阵天线，接收所述相控阵天线发送的输出信号；

所述分集处理器用于，对所述多组高速收发器接收到的多个相控阵天线发送的输出信号进行合成；

时钟模块，用于生成时钟信号和同步信号；

本振模块，用于生成本振源信号；

通讯模块，用于与外部的每个相控阵天线进行通信，以及与上位机进行通信；

调制模块，用于对分集处理器输出的合成信号进行调制得到调制信号，将所述调制信号发送给外部的接收机，以使接收机进行解调；

电源模块，用于为所述分集主机提供直流电源。

在一种实施方式中，对于任意的一个相控阵天线，包括：

阵列处理器、分别与所述阵列处理器连接的多个接收通道和多个天线单元；其中，每个天线单元与每个接收通道一一对应；

对于任意的一个天线单元，用于接收各个目标的电磁波信号；将所述接收到的电磁波信号转换为电信号；将电信号通过对应的接收通道发送给阵列处理器。

在一种实施方式中，还包括：校准模块、本振模块和调制模块；

其中，校准模块，分别与每个天线单元电和调制模块电连接，用于为每个天线单元发送校准信号；

本振模块，分别与每个接收通道、调整模块和阵列处理器电连接，用于生成本振源信号；以及将本振源信号发送给每个接收通道和调制模块；

调制模块，用于为校准模块提供基准信号；以及接收本振模块发送的本振源信号；将所述本振源信号进行调制得到调制信号；将所述调制信号作为输出信号发送给所述分集主机。

在一种实施方式中，还包括电源模块，用于将交流电转换为直流电，为所述相控阵天线供电。

本申请将相控阵天线阵列与空间分集合成技术相结合，构成分布式相控阵列。既获得相控阵天线阵列的高定向性、高增益、灵活跟踪特性，同时具有空间分集，抵御多径效应的效果。本申请的每个相控阵列独立的对目标信号进行跟踪和波束指向；再利用最大比合并原则将多个相控阵列进行合成，实现两级合成。不同相控阵列可任意布置在不同空间位置，打破了相控阵列按照半波长间距布阵的约束，实现了空间分集效果，大大提高了对高带宽通信链路中多径效应的抑制能力。

本申请的分布式相控矩阵系统，只需要一组天线就可以实现接收多个目标信号，可以实现对多个目标同时跟踪。在数字域实现目标的分离、信号的合成和数字波束跟踪。与现有技术中的抛物面天线相比，显著减少系统的复杂程度和成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的一种抛物线天线示意图；

图2是根据本申请实施例的一种分布式相控矩阵的示意图；

图3A是根据本申请实施例的一种同向布阵示意图；

图3B是根据本申请实施例的一种全向布阵示意图；

图4是根据本申请实施例的分集主机的结构示意图；

图5是根据本申请实施例的相控阵天线的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请提出了一种分布式相控矩阵系统，参见附图2所示的一种分布式相控矩阵系统的示意图；该系统包括：

分集主机22，分别与所述分集主机电连接的多个相控阵天线21；

其中，每个相控阵天线21用于对目标进行监测，生成输出信号并发送给分集主机；

其中，每个相控阵对多个目标进行跟踪和波束指向。并且生成合成信号，将合成信号作为输出信号输出到分集主机；分集主机再进行二次合成。

所述分集主机22用于，接收每个相控阵天线发送的输出信号；

将接收到的每个相控阵天线21发送的输出信号进行合成得到合成信号并输出合成信号。

还包括接收机23，所述接收机与所述分集主机22电连接，用于接收所述分集主机22发送的调制信号，对所述调制信号进行解调。

本发明的分布式相控矩阵系统，采用了多个相控阵天线，多个相控阵天线可以任何布置，每个相控阵天线单独监测一个目标，分集主机可以对多个相控阵天线进行合成，合成后发送给接收机。上位机可以对分集主机发送进行配置的指令，便于对分集主机的管理和调试。

在一些实施例中，还包括上位机24，所述上位机24与所述分集主机22电连接，用于向所述分集主机22发送配置指令。

在一些实施例中，所述多个相控阵天线21的排布方式包括：同向布阵或全向布阵。

具体的，各个相控阵的位置具有分布性和任意性。可根据实际安装环境任意布置各个相控阵列，打破一般传统相控阵必须按照确定性拓扑结构的束缚，能够有效的解除各个相控阵列之间的空间相关性，获得空间分集的效果。

当同向布阵时，多个相控矩阵天线排列成一字形，每个相控矩阵天线的朝向相同的方向。参见附图3A所示的同向布阵示意图；每个相控阵天线的朝向相同，朝向同一个方向。值得强调的是，附图中的相控阵天线的数量为4个；实际实施时，相控阵天线的数量不限于4个，可以灵活设置。图中天空的目标为多个，包括目标A、目标B和目标C；每个相控阵可以单独监测一个目标。

多个相控阵组合起来可以检测一个目标，比如，图中，4个相控阵组合起来可以监测目标A在天空中的运动轨迹，而现有技术中，用抛物面天线时，需要驱动抛物面天线转动，驱动装置成本高昂，浪费极大的驱动成本。而本申请的技术方案，多个相控阵一字排开，不需要驱动每个相控天线旋转角度，降低了成本。

参见附图3B所示的全向布阵示意图；该系统包括4个相控阵天线，4个相控组成矩形的形状。其中，每个相控阵天线朝外设置，可以实现对于全方位的监控。图中天空的目标为多个，包括目标A、目标B和目标C；每个相控阵可以单独监测一个目标。多个相控阵可以组合起来监测一个目标。

值得强调的是，相控阵天线的数量可以灵活设定，如果为3个，则设置成三角形的形状。每个相控阵天线朝外设置。

如果相控阵天线的数量为N个，则设置成N边形的形状。其中，每个天天线的天线朝向所述N边线的外侧设置。

示例性的，N的数量可以是任意数，包括但不限于3、4、5、6、7、8、9、10等。具体可以根据实际的场地的需要灵活设定。

优选地，考虑到场地空间有限，优选N为3或4个。N为3个时，组成等边三角形的形状；N为4个时，组成矩形的形状。

优选地，考虑到节省成本的因素，优选地，N为3。

每个相控阵天线独立工作，对多个遥测目标同时进行跟踪和波束指向。多个相控阵可同向布置，以获得更高的等效天线增益；亦可间隔若干角度度朝向，以获得更广的空域范围，达到360度方位全覆盖。优选地，上述的N为4个，间隔90度朝向。

分集主机为自跟踪天线的中心单元，与外部设备进行通信，设置系统工作频率和带宽，返回自检信息和状态监测信息。分集主机产生统一的时钟信号、同步信号和本振信号，提供给各个相控阵天线，同时将多个相控阵天线接收信号进行二次合成。分集主机对多个相控阵列进行整合，并将合成后的多个目标信号恢复到原载波输出。电源组件将外部交流电源转换为直流电源，为整个系统提供电源。电源组件具备短路保护功能，能够实时监测供电情况。

在一些实施例中，参见附图4所示的分集主机的结构示意图；所述分集主机22包括：分集处理器和分别与所述分集处理器连接的时钟模块、本振模块、通讯模块和调制模块；

所述分集处理器，包括多组高速收发器；其中，每组高速收发器连接外部的一个相控阵天线，接收所述相控阵天线发送的输出信号；

所述分集处理器用于，对所述多组高速收发器接收到的多个相控阵天线发送的输出信号进行合成；

时钟模块，用于生成时钟信号和同步信号；

本振模块，用于生成本振源信号；

通讯模块，用于与外部的每个相控阵天线进行通信，以及与上位机进行通信；

调制模块，用于对分集处理器输出的合成信号进行调制得到调制信号，将所述调制信号发送给外部的接收机，以使接收机进行解调。

电源模块，用于为所述分集主机提供直流电源。

其中，电源模块可以是直流电源，比如电池，也可以是把交流电转换为直流电。也可以是不间断电源UPS。还可以是电流转换电路，将交流电转换为直流电后，输出端连接分集主机。

相控阵天线通过光纤与分集主机进行高速数据交互，将跟踪目标的数字信号传输给分集处理器进行处理；分集主机通过同轴线缆将本振信号、同步信号和时钟信号传输给相控阵天线；分集主机通过串口配置相控阵天线的工作参数。电源组件与相控阵和分集处理器采用电缆连接，提供直流电源。分集主机通过串口，接收上位机下发的配置指令。

在一些实施例中，对于任意的一个相控阵天线，参见附图5所示的相控阵天线的示意图；该相控阵天线包括：

阵列处理器、分别与所述阵列处理器连接的多个接收通道和多个天线单元；其中，每个天线单元与每个接收通道一一对应；

具体的，阵列处理器用于接收每个天线接收信号，同时分别对每个天线接收信号进行信道化分离，将多个目标进行分离。分别对多个目标的来波方向进行估计，并形成相应的等效波束对目标方位进行指向跟踪。将跟踪的目标信号进行合路，通过光纤将多路目标的合成信号传输至分集主机。

对于任意的一个天线单元，用于接收各个目标的电磁波信号；将所述接收到的电磁波信号转换为电信号；将电信号通过对应的接收通道发送给阵列处理器。

阵列天线的天线单元采用左/右旋双圆极化激励的正交振子天线，将各个目标的电磁波信号转换为电信号。天线单元带宽覆盖整个工作频带，同时接收多个目标的信号。

接收通道为宽带接收通道，将整个工作频段直接放大滤波和模数转换为数字信号。接收通道的数量与天线单元数量一一对应。所有接收通道的本振源由本振模块提供。

校准模块、本振模块和调制模块；

其中，校准模块，分别与每个天线单元电和调制模块电连接，用于为每个天线单元发送校准信号；

校准模块用于自动校准通道参数，其内部产生测试源信号，注入到低噪声放大器的输入端，校准接收通道的幅相和延时参数。

本振模块，分别与每个接收通道、调整模块和阵列处理器电连接，用于生成本振源信号；以及将本振源信号发送给每个接收通道和调制模块；

调制模块，用于为校准模块提供基准信号；以及接收本振模块发送的本振源信号；将所述本振源信号进行调制得到调制信号；将所述调制信号作为输出信号发送给所述分集主机。

值得强调的是，调整模块的输出还可以接测试端口，用于对调制信号进行测试。

电源模块，用于将交流电转换为直流电，为所述相控阵天线供电。

本申请将相控阵天线阵列与空间分集合成技术相结合，构成分布式相控阵列。既获得相控阵天线阵列的高定向性、高增益、灵活跟踪特性，同时具有空间分集，抵御多径效应的效果。本申请的每个相控阵列独立的对目标信号进行跟踪和波束指向；利用最大比合并原则将多个相控阵列进行合成，实现两级合成。不同相控阵列可任意布置在不同空间位置，打破了相控阵列按照半波长间距布阵的约束，实现了空间分集效果，显著提高了对高带宽通信链路中多径效应的抑制能力。

分布式相控阵天线，融合了相控阵和空间分集的两大技术，具有传统抛物面天线的自跟踪能力和高定向天线增益，也获得相控阵天线阵的多波束、灵活跟踪特性，同时具有空间分集抵御多径效应的效果。系统设置有多个相控阵列，每个相控阵列独立的对目标信号进行跟踪和波束指向；

分布式相控阵天线大大简化多目标遥测系统的复杂程度，提升超远距离遥测通信的接收效果，大大降低了接收站的建设成本。利用多个相控阵列进行测控信号的分集接收，等效实现自跟踪的数字天线波束，提高地面测控天线的增益，能够在不增加机载测控设备功耗的条件下，有效提升设备作用距离；采用多波束电子波束扫描技术，可以消除地面站天线对伺服机的依赖，减轻设备重量，提高设备的使用的灵活性。

本申请的分布式相控矩阵系统，只需要一组多个天线就可以实现对多个目标同时进行跟踪。在数字域实现目标的分离、信号的合成和数字波束跟踪。与现有技术中的抛物面天线相比，显著减少系统的复杂程度和成本。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件与软件组合来实现。当应用软件时，可以将相应功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式相控矩阵系统，其特征在于，包括：分集主机，分别与所述分集主机电连接的多个相控阵天线和接收机；

其中，每个相控阵天线用于对目标进行监测，生成输出信号并发送给分集主机；

所述分集主机用于，接收每个相控阵天线发送的输出信号；

将接收到的每个相控阵天线发送的输出信号进行合成得到合成信号；以及将所述合成信号进行调制后输出调制信号；

接收机，所述接收机与所述分集主机电连接，用于接收所述分集主机发送的所述调制信号，对所述调制信号进行解调。

2.如权利要求1所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，所述多个相控阵天线的排布方式包括：同向布阵或全向布阵。

3.如权利要求2所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，当全向布阵时，多个相控矩阵天线的数量为N，N大于等于2，N个相控矩阵天线组成N边形，每个相控矩阵天线的天线朝向N边形的外侧。

4.如权利要求2所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，当同向布阵时，多个相控矩阵天线的数量为N，N大于等于2，多个相控矩阵天线排列成一字形，每个相控矩阵天线的朝向相同的方向。

5.如权利要求3或4所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，N为3。

6.如权利要求1所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与所述分集主机电连接，用于向所述分集主机发送配置指令。

7.如权利要求1所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，所述分集主机包括：分集处理器和分别与所述分集处理器连接的时钟模块、本振模块、通讯模块和调制模块；

所述分集处理器，包括多组高速收发器；其中，每组高速收发器连接外部的一个相控阵天线，接收所述相控阵天线发送的输出信号；

所述分集处理器用于，对所述多组高速收发器接收到的多个相控阵天线发送的输出信号进行合成；

时钟模块，用于生成时钟信号和同步信号；

本振模块，用于生成本振源信号；

通讯模块，用于与外部的每个相控阵天线进行通信，以及与上位机进行通信；

调制模块，用于对分集处理器输出的合成信号进行调制得到调制信号，将所述调制信号发送给外部的接收机，以使接收机进行解调；

电源模块，用于为所述分集主机提供直流电源。

8.如权利要求1所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，对于任意的一个相控阵天线，包括：

阵列处理器、分别与所述阵列处理器连接的多个接收通道和多个天线单元；其中，每个天线单元与每个接收通道一一对应；

对于任意的一个天线单元，用于接收各个目标的电磁波信号；将所述接收到的电磁波信号转换为电信号；将电信号通过对应的接收通道发送给阵列处理器。

9.如权利要求8所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，还包括：校准模块、本振模块和调制模块；

其中，校准模块，分别与每个天线单元电和调制模块电连接，用于为每个天线单元发送校准信号；

本振模块，分别与每个接收通道、调整模块和阵列处理器电连接，用于生成本振源信号；以及将本振源信号发送给每个接收通道和调制模块；

调制模块，用于为校准模块提供基准信号；以及接收本振模块发送的本振源信号；将所述本振源信号进行调制得到调制信号；将所述调制信号作为输出信号发送给所述分集主机。

10.如权利要求8所述的分布式相控矩阵系统，其特征在于，还包括电源模块，用于将交流电转换为直流电，为所述相控阵天线供电。

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