CN113809539B - 一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统，涉及波束控制领域，本发明提出了一种新的波束控制系统。本发明包括下位机PLC发送脉冲控制指令转换的电机信号至伺服电机，伺服电机配合机械传动装置执行电机信号控制圆极化天线阵模块的波束偏转；下位机PLC接收到的用于转换为脉冲控制指令的数字脉冲的阵列单元激励信号中的相位与圆极化天线阵模块输出的旋转角为数学映射关系。本发明相较于阵列天线领域具有低成本，低损耗的优势，为在阵列天线领域中实现波束偏转多出另一种技术可行性。未来有可能可广泛应用于有阵列天线领域。

Description

一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统
技术领域
本发明涉及伺服系统，机械控制以及阵列天线领域，具体涉及一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统。
背景技术
现如今，在现代电子信息对抗的背景下，相控阵雷达凭借波束指向灵活、快速扫描、信号功率可在空间进行合成以及易于形成多个波束等特点在军事和民用领域有着举足轻重的地位[1]。具有多功能一体、开放式、以及低成本发展特点的相控阵雷达目前成为该领域的主流发展趋势[2]。作为有源相控阵雷达的关键部件,集成功率放大器、低噪声放大器、混频器、发射天线、接收天线、数字移相器和衰减器等于一体的发射/接收组件(T/R组件)的设计,决定了整部有源相控阵雷达的设计成本、可制造性以及系统性能。其中，采用何种数字移相器与相控阵雷达的性能和研制成本更是密切相关。而传统的数字移相器设计较为复杂，价格昂贵。如何减少设计成本，制造稳定性更高的相控阵天线系统成为该领域的研究热点。早在1989年，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的M.L.Oberhart在文献[3]中就提出：在不用移相器或者传输延迟线的条件下，利用圆极化天线单元的机械旋转来实现阵列天线中的波束扫描。但是，当时M.L.Oberhart并没有明确给出机械旋转角与激励相位的数学映射关系，从而无法根据任意的波束指向要求，准确地得到阵列中机械旋转角的分布。近年来，基于对人工超表面结构单元的旋转也被应用于反射阵、透射阵、以及RCS缩减等领域[4-8]。中国专利201510200825.2公开了一种低成本、低损耗、结构简单的电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方法。该天线结构简单，无需额外的偏置电路，加工方便，稳定性高。适用于微波、毫米波、太赫兹频段，可用于无线通信和雷达系统中[9]。
然而，在这些针对反射阵、透射阵、以及RCS缩减等应用的人工超表面设计中，都是假定平面或球面波入射到超表面单元，应用这些超表面单元的旋转改变反射系数或传输系数的幅度及相位，并不是针对使用传输线馈电的天线单元的旋转。对于具有传输线馈电的天线单元旋转与其所引起的映射激励相位变化的关系并未见公开报告，也无应用于机械自动控制并获得阵列天线波束偏转的报道。
其中上标对应的文献如下：
[1]张光义.相控阵雷达原理[M].国防工业出版社,2009.邵春生.
[2]相控阵雷达研究现状与发展趋势[J].现代雷达,2016,38(6):1-4.
[3]Oberhart,M.L.,and Y.T.Lo.Simple method of experimentallyinvestigating scanning microstrip antenna arrays without phase-shiftingdevices.Electronics Letters 25.16(1989):1042-1043.
[4]Huang J,Pogorzelski R J.A Ka-band microstrip reflect-array withelements having variable rotation angles[J].IEEE transactions on antennas andpropagation,1998,46(5):650-656.
[5]Zornoza J A,Leberer R,Encinar J A,et al.Folded multilayermicrostrip reflect-array with shaped pattern[J].IEEE transactions on antennasand propagation,2006,54(2):510-518.
[6]Yang X,Xu S,Yang F,et al.A Broadband High-EfficiencyReconfigurable Reflectarray Antenna Using Mechanically Rotational Elements[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2017,65(99):1-1.
[7]Palma L D,Clemente A,Dussopt L,et al.Circularly-PolarizedReconfigurable Transmitarray in Ka-band with Beam Scanning and PolarizationSwitching Capabilities[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2017,65(99):1-1.
[8]Yang P,Yan F,Yang F,et al.Microstrip Phased-Array In-Band RCSReduction With a Random Element Rotation Technique[J].IEEE Transactions onAntennas&Propagation,2016,64(6):2513-2518.
[9]屈世伟,吴伟伟,易欢,等.一种电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方法：中国，104779442B[P].2017.
结合以上文献或专利可知，目前尚无针对圆极化天线机械旋转角与天线单元激励相位之间的数学映射关系的研究，也无利用这种数学映射关系控制基于传输线馈电的传统阵列天线的波束指向的报道。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：建立了圆极化单元机械旋转角与阵列单元激励相位的数学映射关系，并与伺服系统相结合，提出了一种新的波束控制系统。相较于阵列天线领域具有低成本，低损耗的优势，为在阵列天线领域中实现波束偏转多出另一种技术可行性。本发明提供了解决上述现有技术中的技术问题的一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统。
本发明开发了机械旋转角和激励相位的数学映射关系，与单个伺服系统、机械传动装置相结合，给出了一种通过自动机械控制圆极化单元的机械旋转获得传统传输线馈电的阵列天线波束偏转的方法及应用实例。
本发明通过下述技术方案实现：
一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统，包括下位机PLC、圆极化天线阵模块、伺服电机和机械传动装置，下位机PLC发送脉冲控制指令转换的电机信号至伺服电机，伺服电机配合机械传动装置执行电机信号控制圆极化天线阵模块的波束偏转；
其中，下位机PLC接收到的用于转换为脉冲控制指令的数字脉冲的阵列单元激励信号中的相位与圆极化天线阵模块输出的旋转角为数学映射关系。
进一步的，包括指令单元、驱动模块和被控对象；
指令单元包括上位机PC和与上位机PC数据通信的下位机PLC，所述下位机PLC发送脉冲控制指令至驱动模块，驱动模块接收处理脉冲控制命令的模块包括旋转位置控制调节器、旋转速度控制调节器、功率驱动、伺服电机；伺服电机接收功率驱动传输的电机信号控制被控对象；
被控对象包括执行伺服电机的输出信号的机械传动装置、机械传动装置传动的圆极化天线阵列模块，所述圆极化天线阵列模块受控发生圆极化天线阵的旋转角速度、位置变化。
进一步的，还包括接收机械传动装置和伺服电机输出反馈数据，所述反馈数据至脉冲控制指令的输出路径上，所述反馈数据用于补偿系统误差。
进一步的，所述反馈数据包括反馈旋转速度数据和反馈旋转位置数据，其中，伺服电机与机械传动装置输出经过编码器编码得到反馈旋转位置数据，反馈旋转位置数据通过旋转位置检测后反馈至旋转位置控制调节器的输入端；
伺服电机直接输出反馈旋转位置数据通过旋转速度检测后反馈至旋转速度控制调节器的输入端。
本发明建立了圆极化单元机械旋转角与阵列单元激励相位的数学映射关系，并与伺服系统相结合，提供了一种新的波束控制技术。
此波束控制技术总共有两点特征：
其一，实现了阵列天线领域中的波束指向控制，并可应用与宽频带，为阵列天线中的波束控制提供了另一种选择。
其二，避免了阵列天线中数字移相器或者传输延迟线的使用带来的部件损耗，同时有效地减少了阵列天线的设计成本。综上所述，此波束控制系统具备简化阵列天线馈电系统设计的复杂度的能力，并可在未来广泛应用于阵列天线领域。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明相较于阵列天线领域具有低成本，低损耗的优势，为在阵列天线领域中实现波束偏转多出另一种技术可行性，可广泛应用于有阵列天线领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为阵列天线激励相位与机械旋转角的数学映射关系图。
图2为本发明的技术方案模块图。
图3为本发明的圆极化天线模块透视示意图。
图4为本发明的圆极化天线模块侧视示意图。
图5为本发明圆极化阵元旋转角分布图。
图6为本发明波束方向图偏转结果图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101、微带金属贴片；102、介质基板；103、天线参考金属地；104、同轴电缆；201、支撑台；202、支撑轴承；203、支撑杆；204、旋转轴；205、驱动安装板；301、锥齿轮；302、射频旋转关节；303、传动轴；304、联动轴。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
本发明的波束偏转系统如图2所示，指令单元：指上位机(PC)和下位机(PLC)组成的部分。功能在于利用可编程逻辑控制，应用于驱动模块。考虑到某公司推出的S7-200系列PLC拥有良好的扩展性能，强大的指令功能，以及低廉的价格，可以满足各种小规模系统等优势，本实施例1以S7-200系列PLC为例，来构建整个控制系统。由于S7-200 CPU使用的是通信协议是RS485，而PC机的COM接口采用的是RS232，两者的电气规范并不相容，需要用中间电路进行匹配。这里用PC/PPI(一根RS485/RS232的匹配电缆)将其与上位机(PC)进行连接。并且将程序在STEP7-Micro/Win32编程软件中编译，此编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试以及监控。再将编译好的程序下载到S7-200系列PLC中。其中供S7-200系列PLC使用的STEP7-Micro/Win32编程软件支持SIMATIC基本类型的指令集，SIMATIC是PLC专用的指令集，执行速度快，并可使用梯形图、语句表、功能块图的编程语言。
驱动模块：主要由伺服驱动器、伺服电机以及驱动电源组成。工作原理的实质是实现PLC发出的数字脉冲到旋转角度或者位移的变换，从而用于被控对象。同时，驱动模块中包含有反馈装置，功能在于：对于被控对象的测量、比较和执行，其可以对系统中传动带的误差，系统内各元件的误差以及机械运动造成的误差进行补偿，从而有效地提高了跟随精度和定位精度。
被控对象：通过驱动模块对机械传动装置进行旋转控制，从而实现圆极化天线阵的波束偏转。
对于一四元天线阵为例，控制系统包括工作台、计算机、电源、伺服驱动器、连接线、伺服电机、多个联轴器、轮盘、传动带、联动轴、多个圆极化天线模块。
其中，根据线速度与角速度的关系公式：
v＝ωR (1)
其中，v,ω以及R分别为轮盘的线速度，角速度和半径，每个轮盘的半径成一定的比例，同一个传动带上线速度相同，这样不同轮盘的角速度不同，同一时间的不同轮盘转动的角度不一样，实现整个天线阵列不同的旋转角的分布。
[10]Mak K M,Lai H W,Luk K M,et al.Polarization ReconfigurableCircular Patch Antenna with a C-Shaped[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2016,PP(99):1-1.
圆极化天线同时控制馈电和机械旋转的模块如图3、图4所示
本实施例1的圆极化天线以文献[10]里的中心馈电圆极化天线为例，即使不为中心馈电，此模块也成立。此模块主要包括：旋转部分和固定部分。其中，旋转部分包括微带金属贴片101、介质基板102、天线参考金属地103、旋转轴204、锥齿轮301、射频旋转关节302、联轴器304和传动轴303；固定部分包括半刚性同轴电缆104、支撑台201、支撑轴承202、支撑杆203以及驱动安装板205。支撑台201与驱动安装板205、介质基板102之间均为空气。为了防止天线旋转时，射频电缆受到影响，旋转轴204内部中空，穿过半刚性同轴电缆104，且同轴电缆104与射频旋转关节302相连接。传动轴303连接整个系统中的旋转轮盘。传动轴303通过联轴器304和锥齿轮301来带动天线的旋转，其中锥齿轮301起到机械减速器的作用，把伺服电动机输出的高转速、小力矩的输出功率转换成被控对象中输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以带动旋转轴204转动。
基于此波束偏转系统，本实施例1以一个16元圆极化线阵机械旋转为实施例，以主极化为左旋的圆极化单元天线为例。每个阵元依次旋转90度。根据偏转公式：
Δα＝βd sinθm (2)
其中，β为传播常数，d为阵元间距，此处为天线工作频率对应的半波长。
由公式(1)可得到偏转角度θm为30度。具体偏转波束与其机械旋转角分布如图5和6所示。从图6可以看出，作为主极化的左旋圆极化波束偏转到30度。说明本发明所提出的控制系统可以实现圆极化天线阵的波束偏转控制，所以证明此设计的合理性。
综上所述，在阵列天线领域，本发明提供了一种新的波束偏转思路，其优势在于：其一，构建了圆极化天线机械旋转角与激励相位之间的数学映射关系。其二，利用此数学映射关系，不仅能实现传统阵列天线中的波束指向控制，并可应用与宽频带；并避免了阵列天线中数字移相器或者传输延迟线的使用带来的部件损耗并有效地减少了阵列天线的设计成本，同时，使用了单个伺服电机与机械传动装置相结合，避免了多个电机的部件损耗问题。本发明所述的波束控制技术具备简化阵列天线馈电系统设计的电气复杂度的能力，并可在未来广泛应用于阵列天线领域。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统，其特征在于，包括下位机PLC、圆极化天线阵模块、伺服电机和机械传动装置，下位机PLC发送脉冲控制指令转换的电机信号至伺服电机，伺服电机配合机械传动装置执行电机信号控制圆极化天线阵模块的波束偏转；
其中，下位机PLC接收到的用于转换为脉冲控制指令的数字脉冲的阵列单元激励信号中的相位与圆极化天线阵模块输出的旋转角为数学映射关系；
所述圆极化天线阵模块包括：旋转部分和固定部分，其中，旋转部分包括微带金属贴片（101）、介质基板（102）、天线参考金属地（103）、旋转轴（204）、锥齿轮（301）、射频旋转关节（302）、联轴器（304）和传动轴（303）；固定部分包括半刚性同轴电缆（104）、支撑台（201）、支撑轴承（202）、支撑杆（203）以及驱动安装板（205），支撑台（201）与驱动安装板（205）、介质基板（102）之间均为空气；旋转轴（204）内部中空，穿过半刚性同轴电缆（104），且同轴电缆（104）与射频旋转关节（302）相连接，传动轴（303）连接整个系统中的旋转轮盘，传动轴（303）通过联轴器（304）和锥齿轮（301）来带动天线的旋转；
其中，根据线速度与角速度的关系公式：
v=ωR (1)
其中，v,ω以及R分别为轮盘的线速度，角速度和半径，每个轮盘的半径成比例，同一个传动带上线速度相同，这样不同轮盘的角速度不同，同一时间的不同轮盘转动的角度不一样，实现整个天线阵列不同的旋转角的分布。
2.根据权利要求1所述的一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统，其特征在于，包括指令单元、驱动模块和被控对象；
指令单元包括上位机PC和与上位机PC数据通信的下位机PLC，所述下位机PLC发送脉冲控制指令至驱动模块，驱动模块接收处理脉冲控制命令的模块包括旋转位置控制调节器、旋转速度控制调节器、功率驱动、伺服电机；伺服电机接收功率驱动传输的电机信号控制被控对象；
被控对象包括执行伺服电机的输出信号的机械传动装置、机械传动装置传动的圆极化天线阵列模块，所述圆极化天线阵列模块受控发生圆极化天线阵的旋转角速度、位置变化。
3.根据权利要求2所述的一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统，其特征在于，还包括接收机械传动装置和伺服电机输出反馈数据，所述反馈数据反馈至脉冲控制指令的输出路径上，所述反馈数据用于补偿系统误差。
4.根据权利要求3所述的一种电机控制圆极化天线旋转的阵列波束偏转系统，其特征在于，所述反馈数据包括反馈旋转速度数据和反馈旋转位置数据，其中，伺服电机与机械传动装置输出经过编码器编码得到反馈旋转位置数据，反馈旋转位置数据通过旋转位置检测后反馈至旋转位置控制调节器的输入端；
伺服电机直接输出反馈旋转位置数据通过旋转速度检测后反馈至旋转速度控制调节器的输入端。
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