CN113541745B - 一种多模式动态多波束天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多模式动态多波束天线系统，其包括双层堆叠环形阵、射频信道模块及双信道数字处理单元；所述射频信道模块，用于从所述双层堆叠环形阵选择出M个阵元，所述M个阵元接收M路射频信号；所述射频信道模块，还用于将M路射频信号进行低噪声放大，将低噪声放大后的射频信号变频为中频信号；所述双信道数字处理单元，用于将M路射频信号处理成M个波束，所述每个波束覆盖360°/M的范围，还用于控制射频信道单元实现天线子阵的切换，以选择最佳波束进行通信，并将所述中频信号进行正交下变频和波束赋形。本发明提供的多模式动态多波束天线系统，以较低成本的多模式动态多波束天线系统，满足了各种微波设备对全向通信需求。

Description

一种多模式动态多波束天线系统
技术领域
本发明涉及多波束天线技术领域，尤其涉及一种多模式动态多波束天线系统。
背景技术
传统的相控阵天线系统一方面复杂度较高，体积与重量大，难以满足车载、舰载，特别是空载等平台对体积和重量的要求，另一方面成本较高，难以满足大规模部署的需要。因空中平台设备体积、功耗受限，电磁环境复杂，设备间相互影响非常大，同时又要具备较强接入、中继能力。随着对微波通信需求的快速增长，急需一种体积小、重量轻的低成本相控天线系统，满足各种微波设备对全向通信的需求。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种多模式动态多波束天线系统，用以解决现有技术中缺少的低成本相控天线系统，以满足各种微波设备对全向通信需求的问题。
本发明提供一种多模式动态多波束天线系统，包括双层堆叠环形阵01、射频信道模块02及双信道数字处理单元03；
所述射频信道模块02，用于从所述双层堆叠环形阵01选择出M个阵元，所述M个阵元接收M路射频信号；
所述射频信道模块02，还用于将M路射频信号进行低噪声放大，将低噪声放大后的射频信号变频为中频信号；
所述双信道数字处理单元03，用于将M路射频信号处理成M个波束，所述每个波束覆盖360°/M的范围，还用于控制射频信道单元02实现天线子阵的切换，以选择最佳波束进行通信，并将所述中频信号进行正交下变频和波束赋形。
进一步地，所述双层堆叠环形阵包括上层环形子阵和下层环形子阵，所述上层环形子阵和下层环形子阵均包括M个阵元，所述阵元为平面定向天线，上层环形子阵及下层环形子阵各自的M个平面定向天线依次首尾相连组成环形阵，每个平面定向天线的波束方向均背向环形阵的圆心，上层环形子阵和下层环形子阵上下堆叠。
进一步地，所述射频信道模块包括双矩阵收发组件、X变频组件、耦合回路模块以及2个独立功放；
所述上环形阵的M个阵元的输入输出端口与双矩阵收发组件对应天线侧的M个端口一一对应连接；
所述下环形阵的M个阵元的输入输出端口与双矩阵收发组件对应天线侧的另外M个端口一一对应连接，双矩阵收发组件另一侧的4个端口中，其中两个端口与X变频组件直接相连，另外两个端口通过两个独立功放与X变频组件间接连接；
耦合回路模块的两个输入端口分别与2个独立功放输出端口相连，所述耦合回路模块的一个输出端口与X变频组件一侧连接，X变频组件另一侧的2个输入端口与双信道数字处理单元连接。
进一步地，所述双信道数字处理单元包括2个无线电收发两用机及FPGA模块，所述X变频组件另一侧的2个输入端口与双信道数字处理单元的2个无线电收发两用机分别连接，所述2个无线电收发两用机与FPGA模块连接。
进一步地，所述双信道数字处理单元的FPGA模块控制双矩阵收发组件在上环形阵和下环形阵中的M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线子阵，上环形阵的M个平面定向天线形成M个天线子阵，下环形阵的M个平面定向天线也形成M个天线子阵。
进一步地，每个所述天线子阵形成一个波束，M个子阵可形成M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围。
进一步地，所述天线子阵形成一个波束，具体包括，对天线子阵的N个平面定向天线发送和接收的信号进行幅度和相位进行加权，使得每个所述天线子阵形成一个波束。
进一步地，所述双矩阵收发组件包括2M个T/R模块和2个独立的M选N通道阵列开关，所述M大于6的自然数，N为自然数，所述M大于N。
进一步地，所述双信道数字处理单元在基带进行波束赋形后，进行正交上变频生成2路相互独立的中频信号，所述中频信号经X变频组件上变频到射频，射频信号送入2个相互独立的功放，再经过双矩阵收发组件经利用M选N开关组件选择所述双层堆叠环形阵中的天线子阵进行发射信号。
进一步地，上环形阵和下环形阵中的M个平面定向天线接收到了M路射频信号，经双矩阵收发组件进行低噪声功率放大，再利用双矩阵收发组件进行M选N选择天线子阵接收到的信号，再利用双矩阵收发组件进行N信号的相位补偿以及合路，后经X变频组件进行下变频为中频信号，输入所述双信道数字处理单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过所述射频信道模块，从所述双层堆叠环形阵选择出M个阵元，所述M个阵元接收M路射频信号；所述射频信道模块，将M路射频信号进行低噪声放大，将低噪声放大后的射频信号变频为中频信号；所述双信道数字处理单元，将M路射频信号处理成M个波束，所述每个波束覆盖360°/M的范围，还控制射频信道单元实现天线子阵的切换，以选择最佳波束进行通信，并将所述中频信号进行正交下变频和波束赋形；以较低成本的多模式动态多波束天线系统，满足了各种微波设备对全向通信需求。
附图说明
图1为本发明提供的多模式动态多波束天线系统一实施例的结构框图；
图2为本发明提供的多模式动态多波束天线系统一实施例的原理框图；
图3为本发明提供的双层堆叠环形阵列的上层环形子阵的阵列与下层环形子阵的阵列示意图；
图4为本发明提供的双层堆叠环形阵列的上层环形子阵的阵列图；
图5为本发明提供的双层堆叠环形阵列的下层环形子阵的阵列图；
图6为本发明提供的方位面360°全向覆盖的分时高增益多波束图；
图7为本发明提供的分层双波束图；
图8为本发明提供的俯仰面宽波束覆盖俯仰面DBF图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种多模式动态多波束天线系统，其中一实施例结构框图，如图1所示，在该实施例中，所述多模式动态多波束天线系统，包括双层堆叠环形阵、射频信道模块及双信道数字处理单元；
所述射频信道模块，用于从所述双层堆叠环形阵选择出M个阵元，所述M个阵元接收M路射频信号；
所述射频信道模块，还用于将M路射频信号进行低噪声放大，将低噪声放大后的射频信号变频为中频信号；
所述双信道数字处理单元，用于将M路射频信号处理成M个波束，所述每个波束覆盖360°/M的范围，还用于控制射频信道单元实现天线子阵的切换，以选择最佳波束进行通信，并将所述中频信号进行正交下变频和波束赋形。
作为一个优选的实施例，所述双层堆叠环形阵包括上层环形子阵和下层环形子阵，所述上层环形子阵和下层环形子阵均包括M个阵元，所述阵元为平面定向天线，上层环形子阵及下层环形子阵各自的M个平面定向天线依次首尾相连组成环形阵，每个平面定向天线的波束方向均背向环形阵的圆心，上层环形子阵和下层环形子阵上下堆叠。
一个具体实施例中，所述多模式动态多波束天线系统的原理框图，如图2所示，所述多模式动态多波束天线系统，包括双层堆叠环形阵1，射频信道2和双信道数字处理单元3，所述的双层堆叠环形阵1由环形阵11和环形阵12组成，所述的射频信道2由双矩阵收发组件21、耦合回路22、功放23、功放24和X变频组件25组成，所述的双信道数字处理单元3包括Transceiver(无线电收发两用机)31、Transceiver32、FPGA模块33、时钟34、DDR35、电源36和光电以太网37；图2中，实线为传输信号，虚线为控制信号。
作为一个优选的实施例，所述射频信道模块包括双矩阵收发组件、X变频组件、耦合回路模块以及2个独立功放；
所述上环形阵的M个阵元的输入输出端口与双矩阵收发组件对应天线侧的M个端口一一对应连接；
所述下环形阵的M个阵元的输入输出端口与双矩阵收发组件对应天线侧的另外M个端口一一对应连接，双矩阵收发组件另一侧的4个端口中，其中两个端口与X变频组件直接相连，另外两个端口通过两个独立功放与X变频组件间接连接；
耦合回路模块的两个输入端口分别与2个独立功放输出端口相连，所述耦合回路模块的一个输出端口与X变频组件一侧连接，X变频组件另一侧的2个输入端口与双信道数字处理单元连接。
一个具体实施例中，环形阵(上层环形子阵)11双向端口1～M与双矩阵收发组件21的双向端口1～M连接，环形阵(下层环形子阵)12双向端口1～M与双矩阵收发组件21的双向端口M+1～2M连接；双矩阵收发组件21的输入端口2M+1、2M+3、2M+5分别与功放23的输出端口1、功放24的输出端口1、FPGA模块33的输出端口7连接，双矩阵收发组件21的输出端口2M+2、2M+4与X变频组件25的输入端口3、5连接。耦合回路22的输入端口1、2、4分别与功放23的输出端口1、功放24的输出端口1、FPGA33的输出端口7连接，耦合回路22的输出端口3与X变频组件25的输入端口1连接。功放23的输入端口2、功放24的输入端口2分别与X变频组件25的输出端口2、4连接。
另一个具体实施例中，双层堆叠环形阵列的上层环形子阵A的阵列(M＝24)与下层环形子阵B的阵列示意图，如图3所示。双层堆叠环形阵列的上层环形子阵A的阵列图(M＝24)，如图4所示，其中，平面定向天线A1～A24均匀排列，构成环形阵11。双层堆叠环形阵列的下层环形子阵B的阵列图(M＝24)，如图5所示；其中，平面定向天线A1～A24均匀排列，构成环形阵12；环形阵11与环形阵12上下堆叠组成双层堆叠环形阵。
所述阵元为平面定向天线，平面定向天线A1～A24依次首尾相连组成环形阵11，平面定向天线B1～B24依次首尾相连组成环形阵12。每个平面定向天线的波束方向均背向环形阵的圆心；2M个阵元的输入输出端口与双矩阵收发组件对应天线侧的2M个端口一一对应连接，双矩阵收发组件21的两个输入端口分别与功放23的输出端口、功放24的输出端口连接，双矩阵收发组件21的两个输出端口与X变频组件25的两个输入端口连接；双信道数字处理单元通过线路与双矩阵收发组件的选择控制端口相连；其中，M为大于等于6的自然数，可根据需要选择其他数值。
作为一个优选的实施例，所述双信道数字处理单元包括2个无线电收发两用机及FPGA模块，所述X变频组件另一侧的2个输入端口与双信道数字处理单元的2个无线电收发两用机分别连接，所述2个无线电收发两用机与FPGA模块连接。
一个具体实施例中，X变频组件25的双向端口6、7分别与Transceiver31、Transceiver32双向端口1、1连接；X变频组件25的输入端口8与FPGA33的输出端口7连接；FPGA33的双向端口1～6分别与Transceiver31、Transceiver32、时钟34、DDR35、电源36和光电以太网37的双向端口2、2、1、1、1、1连接。
作为一个优选的实施例，所述双信道数字处理单元的FPGA模块控制双矩阵收发组件在上环形阵和下环形阵中的M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线子阵，上环形阵的M个平面定向天线形成M个天线子阵，下环形阵的M个平面定向天线也形成M个天线子阵。
作为一个优选的实施例，每个所述天线子阵形成一个波束，M个子阵可形成M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围。
具体实施例时，双信道数字处理单元3的FPGA33控制双矩阵收发组件21在两个相互独立的分别由M个平面定向天线组成的环形阵列中选择相邻的N个平面定向天线组成两个相互独立的天线子阵，上层M个平面定向天线共形成M个天线子阵，下层M个平面定向天线也可形成M个天线子阵。
作为一个优选的实施例，所述天线子阵形成一个波束，具体包括，对天线子阵的N个平面定向天线发送和接收的信号进行幅度和相位进行加权，使得每个所述天线子阵形成一个波束。
一个具体实施例中，所述的每个天线子阵形成一个波束，上层M个子阵可形成1～M共M个波束，下层M个子阵可形成M+1～2M共M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围；每个天线子阵形成一个波束是对天线子阵N个天线发送和接收的信号进行幅度和相位进行加权得到的。
作为一个优选的实施例，所述双矩阵收发组件包括2M个T/R模块和2个独立的M选N通道阵列开关，所述M大于6的自然数，N为自然数，所述M大于N。
作为一个优选的实施例，所述双信道数字处理单元在基带进行波束赋形后，进行正交上变频生成2路相互独立的中频信号，所述中频信号经X变频组件上变频到射频，射频信号送入2个相互独立的功放，再经过双矩阵收发组件经利用M选N开关组件选择所述双层堆叠环形阵中的天线子阵进行发射信号。
一个具体实施例中，双信道数字处理单元3用于波束赋形以及数字波束形成的基带与中频处理，一方面将发射的基带信号进行幅度与相位的加权，并进行正交上变频，生成2路幅度与相位不同的中频信号；另一方面将接收的N路中频信号进行正交下变频生成2路基带信号，将基带信号分别进行幅度与相位的加权并合并。
所述双信道数字处理单元3对X变频组件25的频率进行控制，对双矩阵收发组件21的发送与接收状态、通道以及天线选择进行控制；X变频组件25通过混频实现2路中频信号与2路射频信号的上下变频；功放23与功放24分别对两路相互独立的发射信号进行功率放大；双矩阵收发组件21对接收信号进行低噪声放大。
作为一个优选的实施例，上环形阵和下环形阵中的M个平面定向天线接收到了M路射频信号，经双矩阵收发组件进行低噪声功率放大，再利用双矩阵收发组件进行M选N选择天线子阵接收到的信号，再利用双矩阵收发组件进行N信号的相位补偿以及合路，后经X变频组件进行下变频为中频信号，输入所述双信道数字处理单元。
一个具体实施例中，双层堆叠环形阵1(M＝24)包含两个独立的环形阵11与环形阵12。其中，环形阵11由平面定向天线A1～A24组成，双矩阵收发组件21(N＝4)对天线进行选择，可形成A1A2A3A4、A2A3A4A5、A3A4A5A6、、A5A6A7A8、A6A7A8A9、A7A8A9A10、A8A9A10A11、A9A10A11A12、A10A11A12A13、A11A12A13A14、A12A13A14A15、A13A14A15A16、A14A15A16A17、A15A16A17A18、A16A17A18A19、A17A18A19A20、A18A19A20A21、A19A20A21A22、A20A21A22A23、A21A22A23A24、A22A23A24A1、A23A24A1A2、A24A1A2A3共24个天线子阵；环形阵12由平面定向天线B1～B24组成，双矩阵收发组件21(N＝4)对天线进行选择，可形成B1B2B3B4、B2B3B4B5、B3B4B5B6、B5B6B7B8、B6B7B8B9、B7B8B9B10、B8B9B10B11、B9B10B11B12、B10B11B12B13、B11B12B13B14、B12B13B14B15、B13B14B15B16、B14B15B16B17、B15B16B17B18、B16B17B18B19、B17B18B19B20、B18B19B20B21、B19B20B21B22、B20B21B22B23、B21B22B23B24、B22B23B24B1、B23B24B1B2、B24B1B2B3共24个天线子阵，每个子阵经波束赋形可形成一个波束，共M个波束实现水平360°全向覆盖。
具体实施时，双矩阵收发组件分别从两组相互独立的M个天线单元中选择出M个天线子阵，每个天线子阵由相邻4个天线单元构成，两组射频信号分别经4路固定移相与合路后形成2路独立的射频信号，经X变频组件处理后形成中频信号，双信道数字处理单元对发射与接收到的信号进行处理，可形成M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围，双信道数字处理单元可控制双矩阵收发组件实现天线子阵的切换，进而选择最佳波束进行通信。通过此种工作方式，实现了多波束全向覆盖，瞬时点波束互通。所述双层堆叠环形阵，可以实现3种模式，模式1为方位面360°全向覆盖的分时高增益多波束，方位面360°全向覆盖的分时高增益多波束图，如图6所示；模式2，同时分层双波束，所述分层双波束图，如图7所示；模式3，为俯仰面宽波束，所述俯仰面宽波束覆盖俯仰面DBF图，如图8所示。
所述双信道数字处理单元在基带幅相加权后进行正交上变频生成2路幅度与相位有差异的中频信号，经X变频组件上变频到射频，送入功放进行功率放大，经双矩阵收发组件选择天线子阵进行发射信号；天线阵列中M个平面定向天线接收到了M路射频信号，经双矩阵组件选择天线子阵接收到的信号，经双矩阵收发组件进行低噪声功率放大，后经X变频组件进行下变频为中频信号，输入双信道数字处理单元进行正交下变频和波束赋形。
本发明公开了一种多模式动态多波束天线系统，通过所述射频信道模块，从所述双层堆叠环形阵选择出M个阵元，所述M个阵元接收M路射频信号；所述射频信道模块，将M路射频信号进行低噪声放大，将低噪声放大后的射频信号变频为中频信号；所述双信道数字处理单元，将M路射频信号处理成M个波束，所述每个波束覆盖360°/M的范围，还控制射频信道单元实现天线子阵的切换，以选择最佳波束进行通信，并将所述中频信号进行正交下变频和波束赋形；以较低成本的多模式动态多波束天线系统，满足了各种微波设备对全向通信需求。
本发明提供的多模式动态多波束天线系统，能够形成方位面360°全向覆盖的分时高增益多波束、同时分层双波束以及俯仰面数字动态多波束，适用于在微波通信中作为天线系统使用，能够满足车载、舰载及升空平台的“动中通”使用需求，能有效的提高通信系统容量。
本发明技术方案采用平面定向天线作为阵元构成圆阵，提高了阵元的天线增益，减小了天线间的相互遮挡；采用双矩阵收发组件的M选N开关进行天线选择，减少了用于波束赋形信号的数目，从而减小了后端信号处理的复杂度；采用了双层堆叠环形阵天线技术，结合双信道技术，具备了同时多波束能力，能有效通信系统容量；采用数字波束形成技术，从而满足了空载等平台的“动中通”使用需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多模式动态多波束天线系统，其特征在于，包括双层堆叠环形阵、射频信道模块及双信道数字处理单元；
所述射频信道模块，用于从所述双层堆叠环形阵选择出M个阵元，所述M个阵元接收M路射频信号；
所述射频信道模块，还用于将M路射频信号进行低噪声放大，将低噪声放大后的射频信号变频为中频信号；
所述双信道数字处理单元，用于将M路射频信号处理成M个波束，所述每个波束覆盖360°/M的范围，还用于控制射频信道单元实现天线子阵的切换，以选择最佳波束进行通信，并将所述中频信号进行正交下变频和波束赋形；
所述双层堆叠环形阵包括上层环形子阵和下层环形子阵，所述上层环形子阵和下层环形子阵均包括M个阵元，所述阵元为平面定向天线，上层环形子阵及下层环形子阵各自的M个平面定向天线依次首尾相连组成环形阵，每个平面定向天线的波束方向均背向环形阵的圆心，上层环形子阵和下层环形子阵上下堆叠；
所述射频信道模块包括双矩阵收发组件、X变频组件、耦合回路模块以及2个独立功放；
所述上层环形子阵的M个阵元的输入输出端口与双矩阵收发组件对应天线侧的M个端口一一对应连接；
所述下层环形子阵的M个阵元的输入输出端口与双矩阵收发组件对应天线侧的另外M个端口一一对应连接，双矩阵收发组件另一侧的4个端口中，其中两个端口与X变频组件直接相连，另外两个端口通过两个独立功放与X变频组件间接连接；
耦合回路模块的两个输入端口分别与2个独立功放输出端口相连，所述耦合回路模块的一个输出端口与X变频组件一侧连接，X变频组件另一侧的2个输入端口与双信道数字处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的多模式动态多波束天线系统，其特征在于，所述双信道数字处理单元包括2个无线电收发两用机及FPGA模块，所述X变频组件另一侧的2个输入端口与双信道数字处理单元的2个无线电收发两用机分别连接，所述2个无线电收发两用机与FPGA模块连接。
3.根据权利要求1所述的多模式动态多波束天线系统，其特征在于，所述双信道数字处理单元的FPGA模块控制双矩阵收发组件在上层环形子阵和下层环形子阵中的M个平面定向天线中选择相邻的N个平面定向天线组成一个天线子阵，上层环形子阵的M个平面定向天线形成M个天线子阵，下层环形子阵的M个平面定向天线也形成M个天线子阵。
4.根据权利要求3所述的多模式动态多波束天线系统，其特征在于，每个所述天线子阵形成一个波束，M个子阵可形成M个波束，每个波束覆盖360°/M的范围。
5.根据权利要求4所述的多模式动态多波束天线系统，其特征在于，所述天线子阵形成一个波束，具体包括，对天线子阵的N个平面定向天线发送和接收的信号进行幅度和相位进行加权，使得每个所述天线子阵形成一个波束。
6.根据权利要求1所述的多模式动态多波束天线系统，其特征在于，所述双矩阵收发组件包括2M个T/R模块和2个独立的M选N通道阵列开关，所述M大于6的自然数，N为自然数，所述M大于N。
7.根据权利要求6所述的多模式动态多波束天线系统，其特征在于，所述双信道数字处理单元在基带进行波束赋形后，进行正交上变频生成2路相互独立的中频信号，所述中频信号经X变频组件上变频到射频，射频信号送入2个相互独立的功放，再经过双矩阵收发组件经利用M选N开关组件选择所述双层堆叠环形阵中的天线子阵进行发射信号。
8.根据权利要求7所述的多模式动态多波束天线系统，其特征在于，上层环形子阵和下层环形子阵中的M个平面定向天线接收到了M路射频信号，经双矩阵收发组件进行低噪声功率放大，再利用双矩阵收发组件进行M选N选择天线子阵接收到的信号，再利用双矩阵收发组件进行N信号的相位补偿以及合路，后经X变频组件进行下变频为中频信号，输入所述双信道数字处理单元。
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