CN115118355A - 基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置及方法，所述装置包括数字发射基带控制板(1)、射频发射通道(2)、功分器(3)、模拟发射波束成形器(4)、放大器(5)、发射阵列天线(6)、近场接收阵列天线(7)和功率检测模块(8)。本发明在发射阵列天线的近场区域部署接收阵列天线，并实时的测量各个接收阵列天线上的实际接收信号功率，将其与期望接收信号功率进行对比，从而检测发射阵列天线的远场特性是否发生改变。

Description

基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置及方法
技术领域
本发明涉及阵列天线检测，特别是一种涉及基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置及方法。
背景技术
相较于单天线系统，阵列天线系统具有较大数目的发射通道，这使得系统工作时发射通道发生故障的概率增加，从而影响发射阵列天线的远场特性。具体来说，发射通道故障是指系统工作时，实际发射信号的幅值和相位偏离期望值，使得远场发射波束方向图的方向性及增益发生改变。
通常来说，可以在阵列远场区域架设接收天线来测量该阵列的远场发射波束方向图，但由于阵列天线数目较大，阵列的远场区可能在几十公里甚至上百公里以外，因此该方法的可操作性较差；再者可以为每个发射通道设计一个反馈接收通道，得到实际的发射信号信息，从而可以对阵列的远场特性进行精准测量，但同样是因为发射通道数目较大，使得该方法的复杂度高且成本巨大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置及方法，在发射阵列天线的近场区域部署接收阵列天线，并实时的测量各个接收阵列天线上的实际接收信号功率，将其与期望接收信号功率进行对比，从而检测发射阵列天线的远场特性是否发生改变。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置，包括数字发射基带控制板、射频发射通道、功分器、模拟发射波束成形器、放大器、发射阵列天线、近场接收阵列天线和功率检测模块；
所述数字发射基带控制板，用于产生数字基带信号，送至射频发射通道，并对比期望接收信号功率和实际接收信号功率，对发射阵列远场特性是否改变进行判断；
所述射频发射通道，对来自数字发射基带控制板的信号进行射频处理，得到射频发射信号，并送至功分器；
所述功分器，将该射频发射信号等功率功分为M路信号，送至模拟发射波束成形器；
所述模拟发射波束成形器，包含M个可调衰减器和M个可调移相器，M路信号分别经可调衰减器和可调移相器进行调幅调相后，送至M个放大器进行放大，然后经由M个发射阵列天线发射；
所述近场接收阵列天线，将接收到的N路信号送至功率检测模块，其中N≥1；
所述功率检测模块，用于检测接收信号功率并将功率信息送至数字发射基带控制板。
基于近场功率反馈的阵列天线远场检测方法，包括以下步骤：
S1：数字发射基带控制板产生数字基带信号，送至射频发射通道；
S2：射频发射通道对数字基带信号进行射频处理，得到射频发射信号；
S3：功分器将射频发射信号等功率分为M路信号；
S4：M路信号分别经可调衰减器和可调移相器进行调幅调相后，送至M个放大器进行放大，然后经由M个发射阵列天线发射；
S5：N个近场接收阵列天线接收来自发射阵列的信号，并送至功率检测模块，其中N≥1；
S6：功率检测模块将检测到的实际接收信号功率送至数字发射基带控制板；
S7：在数字发射基带控制板中，根据事先已知的近场耦合信道增益矩阵估计值H和期望模拟发射波束成形矢量w，计算期望接收信号功率Prn,n＝1,…,N，然后与实际接收信号功率
Figure BDA0003737071700000021
进行对比，若存在n∈[1,N]，使得
Figure BDA0003737071700000022
则发射阵列远场特性发生改变，反之，若对任意n∈[1,N]，都有
Figure BDA0003737071700000023
则发射阵列远场特性未发生改变。
本发明的有益效果是：本发明在发射阵列天线的近场区域部署接收阵列天线，此时接收阵列天线收到的信号由近场耦合信号主导，该信号是各个发射信号经过近场耦合信道后的叠加组合，通过实时的测量各个接收阵列天线上的实际接收信号功率，将其与期望接收信号功率进行对比，从而检测发射阵列天线的远场特性是否发生改变。
附图说明
图1为基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置的原理框图；
其中，1-数字发射基带控制板，2-射频发射通道，3-功分器，4-模拟发射波束成形器，5-放大器，6-发射阵列天线，7-近场接收阵列天线，8-功率检测模块，9-可调衰减器，10-可调移相器。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
考虑到阵列天线系统具有较大数目的发射通道，这使得系统工作时发射通道发生故障的概率增加，从而影响发射阵列天线的远场特性。具体来说，发射通道故障是指系统工作时，实际发射信号的幅值和相位偏离期望值，使得远场发射波束方向图的方向性及增益发生改变。本发明通过在发射阵列天线的近场区域部署接收阵列天线，并实时的测量各个接收阵列天线上的实际接收信号功率，将其与期望接收信号功率进行对比，从而检测发射阵列天线的远场特性是否发生改变，具体地：
如图1所示，基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置，其特征在于：包括数字发射基带控制板1、射频发射通道2、功分器3、模拟发射波束成形器4、放大器5、发射阵列天线6、近场接收阵列天线7和功率检测模块8；
所述数字发射基带控制板1，用于产生数字基带信号，送至射频发射通道2，并对比期望接收信号功率和实际接收信号功率，对发射阵列远场特性是否改变进行判断；
所述射频发射通道2，对来自数字发射基带控制板1的信号进行射频处理，得到射频发射信号，并送至功分器3；
所述功分器3，将该射频发射信号等功率功分为M路信号，送至模拟发射波束成形器4；
所述模拟发射波束成形器4，包含M个可调衰减器9和M个可调移相器10，M路信号分别经可调衰减器9和可调移相器10进行调幅调相后，送至M个放大器5进行放大，然后经由M个发射阵列天线6发射；
所述近场接收阵列天线7，将接收到的N路信号送至功率检测模块8，其中N≥1；
所述功率检测模块8，用于检测接收信号功率并将功率信息送至数字发射基带控制板1。
所述射频发射通道2包括数模转换器、上变频器和带通滤波器，所述数模转换器将数字基带信号转换成模拟信号，然后经上变频器和带通滤波器后，得到射频发射信号传输给功分器；
为方便后续分析，所述射频发射通道2产生的射频信号采用复数形式，复射频发射信号表示为
Figure BDA0003737071700000031
其中，u(t)为射频发射信号的复包络，即数模转换器输出的信号；fc为上变频器对u(t)变频时采用的载波频率。
所述发射阵列天线6进行信号发射时，期望发射信号矢量表示为
Figure BDA0003737071700000032
实际发射信号矢量可以表示为
Figure BDA0003737071700000033
期望发射阵列远场方向图为B＝|wTa|2，实际发射阵列远场方向图为
Figure BDA0003737071700000034
其中，GPA为放大器增益，w∈CM×1为期望模拟发射波束成形矢量，
Figure BDA0003737071700000035
为实际模拟发射波束成形矢量，e∈CM×1为发射通道误差矢量，a∈CM×1为发射阵列的导向矢量，ns(t)∈CM×1为发射噪声矢量；
发射通道误差矢量可分为三种类型：
类型一，发射通道误差矢量e＝0，此时有
Figure BDA0003737071700000036
发射阵列远场特性未发生改变；
类型二，发射通道误差矢量e＝(ejθ-1)w≠0，其中θ≠0，此时仍有
Figure BDA0003737071700000041
发射阵列远场特性未发生改变；
类型三，除类型1与类型2外的任意矢量，此时有
Figure BDA0003737071700000042
发射阵列远场特性发生改变。
所述近场接收阵列天线7进行信号接收时，接收信号由近场耦合信号主导，该信号是各个发射信号经过近场耦合信道后的叠加组合，因此，期望接收信号矢量近似为
Figure BDA0003737071700000043
实际接收信号矢量为
Figure BDA0003737071700000044
此处考虑了大发射信噪比情况，以至于发射噪声可以忽略不计，其中，H∈CN×M为近场耦合信道增益矩阵。
所述功率检测模块8进行检测时，第n个接收阵列天线上的期望接收信号功率写为Prn＝Ε[|r(t)|2]≈wHFnw，实际接收信号功率写为
Figure BDA0003737071700000045
其中
Figure BDA0003737071700000046
[H]n,:∈CM×1表示矩阵H第n行的行向量，n＝1,…,N，Ps＝Ε[|s(t)|2]为发射信号功率，E表示取数学期望。可以看出，当发射通道误差矢量属于类型1或类型2时，实际接收信号功率与期望接收信号功率相等，此时发射阵列远场特性未发生改变；当发射通道误差矢量属于类型3时，实际接收信号功率与期望接收信号功率不相等，此时发射阵列远场特性发生改变；
基于近场功率反馈的阵列天线远场检测方法，包括以下步骤：
S1：数字发射基带控制板1产生数字基带信号，送至射频发射通道2；
S2：射频发射通道2对数字基带信号进行射频处理，得到射频发射信号；
S3：功分器3将射频发射信号等功率分为M路信号；
S4：M路信号分别经可调衰减器9和可调移相器10进行调幅调相后，送至M个放大器5进行放大，然后经由M个发射阵列天线6发射；
S5：N个近场接收阵列天线7接收来自发射阵列的信号，并送至功率检测模块8，其中N≥1；
S6：功率检测模块8将检测到的实际接收信号功率送至数字发射基带控制板1；
S7：在数字发射基带控制板1中，根据事先已知的近场耦合信道增益矩阵估计值H和期望模拟发射波束成形矢量w，计算期望接收信号功率Prn,n＝1,…,N，然后与实际接收信号功率
Figure BDA0003737071700000047
进行对比，若存在n∈[1,N]，使得
Figure BDA0003737071700000048
则发射阵列远场特性发生改变，反之，若对任意n∈[1,N]，都有
Figure BDA0003737071700000049
则发射阵列远场特性未发生改变。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的方法进行修改，例如所述方法名称的变化等。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 (6)

1.基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置，其特征在于：包括数字发射基带控制板(1)、射频发射通道(2)、功分器(3)、模拟发射波束成形器(4)、放大器(5)、发射阵列天线(6)、近场接收阵列天线(7)和功率检测模块(8)；
所述数字发射基带控制板(1)，用于产生数字基带信号，送至射频发射通道(2)，并对比期望接收信号功率和实际接收信号功率，对发射阵列远场特性是否改变进行判断；
所述射频发射通道(2)，对来自数字发射基带控制板(1)的信号进行射频处理，得到射频发射信号，并送至功分器(3)；
所述功分器(3)，将该射频发射信号等功率功分为M路信号，送至模拟发射波束成形器(4)；
所述模拟发射波束成形器(4)，包含M个可调衰减器(9)和M个可调移相器(10)，M路信号分别经可调衰减器(9)和可调移相器(10)进行调幅调相后，送至M个放大器(5)进行放大，然后经由M个发射阵列天线(6)发射；
所述近场接收阵列天线(7)，将接收到的N路信号送至功率检测模块(8)，其中N≥1；
所述功率检测模块(8)，用于检测接收信号功率并将功率信息送至数字发射基带控制板(1)。
2.根据权利要求1所述的基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置，其特征在于：所述射频发射通道(2)包括数模转换器、上变频器和带通滤波器，所述数模转换器将数字基带信号转换成模拟信号，然后经上变频器和带通滤波器后，得到射频发射信号传输给功分器；
所述射频发射通道(2)产生的射频信号采用复数形式，复射频发射信号表示为
Figure FDA0003737071690000011
其中，u(t)为射频发射信号的复包络，即数模转换器输出的信号；fc为上变频器对u(t)变频时采用的载波频率。
3.根据权利要求1所述的基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置，其特征在于：所述发射阵列天线(6)进行信号发射时，期望发射信号矢量表示为
Figure DEST_PATH_BDA0003737071700000032
实际发射信号矢量可以表示为
Figure FDA0003737071690000013
期望发射阵列远场方向图为B＝|wTa|2，实际发射阵列远场方向图为
Figure FDA0003737071690000014
其中，GPA为放大器增益，w∈CM×1为期望模拟发射波束成形矢量，
Figure FDA0003737071690000015
为实际模拟发射波束成形矢量，e∈CM×1为发射通道误差矢量，a∈CM×1为发射阵列的导向矢量，ns(t)∈CM×1为发射噪声矢量；
发射通道误差矢量可分为三种类型：
类型一，发射通道误差矢量e＝0，此时有
Figure FDA0003737071690000016
发射阵列远场特性未发生改变；
类型二，发射通道误差矢量e＝(ejθ-1)w≠0，其中θ≠0，此时仍有
Figure FDA0003737071690000021
发射阵列远场特性未发生改变；
类型三，除类型1与类型2外的任意矢量，此时有
Figure FDA0003737071690000022
发射阵列远场特性发生改变。
4.根据权利要求1所述的基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置，其特征在于：所述近场接收阵列天线(7)进行信号接收时，接收信号由近场耦合信号主导，该信号是各个发射信号经过近场耦合信道后的叠加组合，因此，期望接收信号矢量近似为
Figure FDA0003737071690000023
实际接收信号矢量为
Figure FDA0003737071690000024
此处考虑了大发射信噪比情况，以至于发射噪声可以忽略不计，其中，H∈CN×M为近场耦合信道增益矩阵。
5.根据权利要求1所述的基于近场功率反馈的阵列天线远场检测装置，其特征在于：所述功率检测模块(8)进行检测时，第n个接收阵列天线上的期望接收信号功率写为Prn＝Ε[|r(t)|2]≈wHFnw，实际接收信号功率写为
Figure FDA0003737071690000025
其中
Figure FDA0003737071690000026
[H]n,:∈CM×1表示矩阵H第n行的行向量，n＝1,…,N，Ps＝Ε[|s(t)|2]为发射信号功率，E表示取数学期望。
6.基于近场功率反馈的阵列天线远场检测方法，基于权利要求1～5中任意一项所述的装置，其特征在于：包括以下步骤：
S1：数字发射基带控制板(1)产生数字基带信号，送至射频发射通道(2)；
S2：射频发射通道(2)对数字基带信号进行射频处理，得到射频发射信号；
S3：功分器(3)将射频发射信号等功率分为M路信号；
S4：M路信号分别经可调衰减器(9)和可调移相器(10)进行调幅调相后，送至M个放大器(5)进行放大，然后经由M个发射阵列天线(6)发射；
S5：N个近场接收阵列天线(7)接收来自发射阵列的信号，并送至功率检测模块(8)，其中N≥1；
S6：功率检测模块(8)将检测到的实际接收信号功率送至数字发射基带控制板(1)；
S7：在数字发射基带控制板(1)中，根据事先已知的近场耦合信道增益矩阵估计值H和期望模拟发射波束成形矢量w，计算期望接收信号功率Prn,n＝1,…,N，然后与实际接收信号功率
Figure FDA0003737071690000027
进行对比，若存在n∈[1,N]，使得
Figure FDA0003737071690000028
则发射阵列远场特性发生改变，反之，若对任意n∈[1,N]，都有
Figure FDA0003737071690000031
则发射阵列远场特性未发生改变。
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