CN115792964A - 一种多波束相控阵多通道划分变频方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束相控阵多通道划分变频方法及其装置。本装置包括信道化单元、变频单元、本振控制单元；其中，所述信道化单元，用于接收多波束相控阵天线所接收的波束，每一波束具有左旋信号通道和右旋信号通道；所述信道化单元包括2N个输入通道，用于接收各波束的左旋信号通道信号和右旋信号通道信号，所述信道化单元包括2M个输出通道，用于输出2M个L波段信号；其中，N为多波束相控阵天线所能接收的波束数目，M为多波束相控阵天线同一历元接收的频率数目；所述本振控制单元，用于为所述变频单元提供本振信号；所述变频单元，用于根据所述本振信号将所述信道化单元输出的2M个L波段信号转换为2M个中频信号后输出。

Description

一种多波束相控阵多通道划分变频方法及其装置

技术领域

本发明属于微波接收技术领域，涉及一种多波束相控阵多通道划分变频方法及其装置。

背景技术

在卫星导航系统中，卫星与地面传输距离较大且卫星导航信号发射功率受限，使得卫星导航信号传播到地面接收天线时已非常微弱，湮没于噪声中，导航接收机极易受到射频干扰，无法完成导航信号捕获。在复杂电磁传播环境下，对导航接收机进行改进以增强其抗干扰与弱信号接收能力，是克服卫星导航系统脆弱性的重要技术措施。

卫星导航接收机对抗强射频干扰(压制干扰)，可以根据接收机使用场景灵活地设计抗干扰方法和指标，具有周期短、成本低等优点。在多种压制干扰共存的环境中，在空域方面通过增加阵列天线的阵元数目，形成和、差波束或比幅/比相的多个接收波束，对于同一波束通过不同的极化方式进一步实现卫星信号的同频复用，在频域方面，同一历元时刻接收多个频率的卫星导航信号，达到换星换频的工作方式，从而提高导航接收机抗干扰能力。

然而当导航接收机采用多波束相控阵接收天线，使用双极化方式、接收频率数目多于波束数目的工作情况时，在现有技术中，尚未有将多波束相控阵接收天线的波束数目与接收频率数量相匹配、并对射频通道进行多通道划分的方法及装置。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种多波束相控阵多通道划分变频方法及其装置，本发明可同时接收多个波束的左旋、右旋两个极化方式的信号，依据同一历元接收到的卫星频率数量，重新分配划分通道数目，从而输出多个不同通道的同相位左旋通道和右旋通道的中频信号，提升器件复用率，降低成本和功耗，通过换星换频的方式，增强导航接收机抗干扰能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

多波束相控阵多通道划分变频装置，包含：信道化单元、变频单元、本振控制单元。所述信道化单元用于将多波束相控阵天线的波束数目(N)与同一历元接收频率数目(M)进行通道分配，所述信道化单元的输入端口是多波束相控阵天线各个波束的左旋信号通道和右旋信号通道，共计通道数量为2N，所述信道化单元的输出端口是2M个L波段信号通道。所述变频单元用于将2M个通道的L波段信号转换为2M个通道的中频信号。所述本振控制单元用于为变频单元提供2M个通道的相应所需的本振信号。

所述信道化单元包括合路器单元和多工器单元，所述合路器单元的输入端与多波束相控阵天线各个波束的左旋信号通道和右旋信号通道相连接，所述合路器单元将2N个通道的输入端信号通过不同类型的合路器，合并输出为一路L波段信号，所述合路器单元的输出端则为1个通道的L波段信号。所述合路器单元的输出端与所述多工器单元的输入端相连接，所述多工器单元依据同一历元接收频率数目，将1个通道的L波段信号划分为2M个通道的L波段信号，所述多工器单元的输出则为2M个通道的L波段信号。所述多工器单元的输出端与所述变频单元的输入端相连接。多工器输出的为多个通道的L波段信号，每一通道包括同频同相位的左旋或右旋L波段信号。

所述变频单元包括2M个通道的L波段信号，其中每2个通道组成1个双通道下变频组件，所述双通道下变频组件用于将两同频L波段信号转换为中频信号，所述双通道下变频组件包括左路下变频支路和右路下变频支路。

所述左路下变频支路包括射频衰减器、混频器、中频滤波器、中频放大器、中频衰减器，所述射频衰减器为温补衰减器，位于所述混频器之前，所述混频器接收到经滤波处理之后的射频信号进行变频，所述中频滤波器包括两级滤波器，第一级为低通滤波器，第二级为LC带通滤波器，所述中频放大器，其位于两级滤波器之间，所述中频衰减器位于中频放大器之前。

所述左路下变频支路与右路下变频支路结构相同，用于处理L波段信号，将L波段信号转换为中频信号。

所述本振控制单元包含晶振功分单元、本振子单元和电源单元。

所述晶振功分单元用于将1个参考晶振信号分为M个通道的参考晶振信号，包含参考晶振与多路功分器，所述参考晶振基于振荡原理产生参考频率，所述多路功分器用于将1路参考频率按照功率分配为M个通道的参考频率。所述晶振功分单元的输出端与所述的本振子单元的输入端相连接。

所述晶振功分单元包含内部时钟和外部时钟，通过检波器、开关器进行切换，所述开关器输出端与1分2功分器输入端相连接。所述本振子单元包含左支路链路和右支路链路，两个支路链路复用一个所述晶振功分单元输出的参考频率，两个支路链路分别对参考频率进行放大衰减，然后输出给所述左路下变频支路和右路下变频支路，所述左支路链路由一级放大器进行放大，两级衰减器进行功率控制，一级低通滤波器对本振谐波信号进行抑制，所述左支路链路与右支路链路结构相同。

所述电源单元实现的功能是为本振子单元、晶振功分单元及双通道下变频组件各通道中有源器件提供所需的直流电压。

其中，所述多波束相控阵天线输出波束为8波束，天线极化方式采用左旋、左旋两种线极化方式，即所述N＝8。

其中，所述多波束相控阵天线同一历元接收频率数目为12个不同频率，即所述M＝12。

其中，所述合路器由八合一合路器组成。

其中，所述多工器由十二多工器组成。

本发明的有益效果在于：

本发明包含：多波束相控阵天线各个波束的左旋信号通道和右旋信号通道、信道化单元、变频单元、本振控制单元，只使用一个变频装置，完成多波束相控阵多通道划分变频，提升器件复用率高，降低器件成本和功耗；所述信道化单元包括合路器和多工器，所述变频单元包括多个通道的双通道下变频组件，所述本振控制单元包含多个本振子单元，从而使本发明可以依据同一历元接收到的卫星频率数量，重新分配划分通道数目，同时输出多个不同通道的同相位左旋通道和右旋通道的中频信号，解决了左旋通道、右旋通道相位不一致、设备功耗高、体积大等问题。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明信道化单元示意图。

图3a是本发明变频单元示意图。

图3b是本发明双通道下变频组件示意图。

图4a是本发明本振控制单元示意图。

图4b是本发明晶本振控制单元参考信号产生示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明的目的是提供一种多波束相控阵多通道划分变频方法及其装置。

参见图1，多波束相控阵多通道划分变频装置，主要包括信道化单元、变频单元和本振控制单元三个部分。

信道化单元由八合一合路器和十二双工器组成，实现8波束500MHz宽带信号的信道化处理功能。变频单元由十二个双通道变频组件组成，为了降低模块复杂度，提高模块可靠性，十二个双通道下变频组件采用相同的链路架构，通过不同的本振频率对子信道进行选择。本振控制单元完成射频单元内部各本振频率控制及本振状态监测功能，并和总控系统进行通信，实现模块的远程控制和监测。电源模块将系统+5V直流电滤波后再通过电源稳压芯片输出3V或3.3V直流电送入各级功率器件。

参见图2，信道化单元主要由八合一合路器和十二多工器组成。

信道化单元将在同一历元时刻，多波束相控阵天线接收到的12个不同频率的、8个带宽为500MHz的波束信号经过放大合路、功分后分为带宽为60MHz的12个信道，每个信道包含两个带宽40MHz的子信道。波束之间的信号通过码域进行区分，因此转接系统将天线输出的8个波束信号先进行合路后再分为24个信道。八合一合路器由2个四合一合路器和1个二合一合路器组成。为了补偿八合一合路器和十二路多工器的插损，信号合路后经过一级低噪声放大，低噪声放大器增益20dB，1dB压缩点18dBm。十二多工器由一分十二功分器和12个滤波器组成，滤波器选用滤波特性较好的声表滤波器。

参见图3a，变频单元主要由12个双通道下变频组件组成，共输出24个通道的中频信号。其中，12个双通道下变频组件对应左旋天线和右旋天线各有12个，两两配对共用本振，分别对应接收12个不同频带信号(每个频带带宽40MHz)，输出中频同为固定70MHz，为了降低模块复杂度，提高模块可靠性，这12个双通道下变频组件的设计选用相同方案，根据每个通道输入的信号选择与之对应的本振信号来变频至70MHz中频信号。

其中，射频衰减器选用温补衰减器，温补衰减器位于声表滤波器之后混频器之前，相较于常温，放大器通常在低温的情况下增益高，而在高温的情况下增益反而低，因此在不采取相应措施情况下，链路增益会因为高低温变化而变化，链路放大器越多，变化越大。而温补衰减器的特性是随着所处环境温度降低其本身衰减量变大，以此来降低工作温度对整个链路增益的影响。

其中，输入射频信号在经过射频链路放大、滤波处理之后会进入变频器进行变频，变频器具有插损低、体积小等优点，其变频插损为7dB，本振功率大于7dBm。

其中，中频滤波器包括两级滤波器，第一级为低通滤波器，位于变频器之后，其作用是对本振泄露信号及高端变频杂散信号进行抑制；第二级为LC带通滤波器，位于变频模块输出端，对输出中频信号工作带宽起到卡带的作用，同时增加对带外杂波及谐波的抑制。

其中，中频放大器，其位于两级滤波器之间，起到的作用是对中频信号进行放大，保证整体链路增益满足要求，为了降低链路复杂度，中频放大器选用和射频放大器相同的型号器件，中频增益20dB，输出1dB压缩点18.4dBm，具有增益适中、高低温情况下增益变化幅度小、输出P-1高等特性。

其中，中频衰减器为π型衰减器，其分别位于中频放大器之前，起到的作用为调整整体链路增益分配同时改善链路之间的驻波。

参见图3b，双通道下变频组件实现对多波束相控阵天线左旋和多波束相控阵右旋输出的720MHz±20MHz信号分别进行放大、滤波、变频，以及对变频后得到的中频信号进行放大、滤波。两个通道指标相同，通道相互独立，每个通道的输入信号带宽为40MHz。两信道信号下变频后输出信号均为中频70MHz且带宽40MHz。

参见图4a，本振控制单元为变频单元提供所需的本振信号及电源，同时响应外部指令控制本振切换及锁定状态上报。根据其实现功能，本振控制单元分为三个设计单元，分别为：本振子单元、晶振功分网络单元及电源控制单元。本振单元是为变频单元提供24路本振信号，其中两两相同，因此可分为12个小的设计单元(分别为本振单元_1、本振单元_2...本振单元_12)。晶振功分网络的功能是为本振单元提供锁定本振信号所需的参考信号，电源控制单元的功能是为本振单元、晶振功分网络以及下变频模块提供直流电源，与外部进行通信，响应外部指令，控制本振单元每个子单元切换输出的本振频率(两个频率)，同时对所有本振信号锁定状态进行检测，并响应相应查询指令，对所有本振信号锁定状态进行回报。

参见图4b，本振控制单元所需本振信号为集成VCO的锁相环芯片产生，其产生本振信号的参考信号由晶振功分单元提供，控制锁相环内部寄存器的是单片机。本振单元控制信号直接与单片机其中一个I/O端口相连，当单片机检测到该端口的电平为高时，单片机对锁相环内部寄存器写入相应值，使之产生本振信号1，当单片机检测到该端口的电平为低时，单片机对锁相环内部寄存器写入相应值，使之产生本振信号2。本振信号通过功分器功分为两个支路，每个支路分别进行放大滤波后输出给来自左旋和右旋的两个通道，两个支路设计链路相同，支路链路设计为：一级放大器进行放大，两级衰减进行功率控制，一级低通滤波器对本振谐波进行一定抑制。

与现有技术相比，本发明具备如下优点和有益效果：

1、本发明可实现多个宽带信号输入，多个中频信号输出，并且输入通道数量与输出通道数量不一致，最大程度的使用卫星频率资源，当某一卫星导航频率受干扰而无法使用时，可切换卫星频率，提高导航接收机抗干扰能力。

2、本发明可实现多个宽带信号输入，多个中频信号输出，从而可并行接收多个通道信号，且各个通道的频率独立可配。相对于其他接收机，此装置可根据各个卫星的导航频率，对应设置相应通道频率，从而可以实现导航同时接收多个卫星导航信号。

3、本发明使用左旋通道接收左旋卫星信号，使用右旋通道接收右旋卫星信号，实现了信号的同频复用。且左旋通道和右旋通道的所有本振都进行共用，从而确保了左旋信号和右旋信号相位的一致性。

4、本发明所述多波束相控阵多通道划分频率装置具备可重构性，最大限度的提供了隐蔽卫星导航系统的支持。不同频率的隐蔽卫星导航系统，只需按照波束数量与同一历元接收频率的要求，重新构建该装置的输入端口、输出端口的数量即可。

以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多波束相控阵多通道划分变频装置，其特征在于，包括信道化单元、变频单元、本振控制单元；其中，

所述信道化单元，用于接收多波束相控阵天线所接收的波束，每一波束具有左旋信号通道和右旋信号通道；所述信道化单元包括2N个输入通道，用于接收各波束的左旋信号通道信号和右旋信号通道信号，所述信道化单元包括2M个输出通道，用于输出2M个L波段信号；其中，N为多波束相控阵天线所能接收的波束数目，M为多波束相控阵天线同一历元接收的频率数目；

所述本振控制单元，用于为所述变频单元提供本振信号；

所述变频单元，用于根据所述本振信号将所述信道化单元输出的2M个L波段信号转换为2M个中频信号后输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信道化单元包括合路器单元和多工器单元，所述合路器单元的输入端与多波束相控阵天线各个波束的左旋信号通道或右旋信号通道相连，用于各波束的左旋信号、右旋信号合并为一路L波段信号输出给所述多工器单元；所述多工器单元依据同一历元接收频率数目M，将所接收的L波段信号中同频同相位的左旋信号划分到同一通道以及将同频同相位的右旋信号划分到同一通道，得到2M个通道的L波段信号输出。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述变频单元包括2M个输入通道，用于接收所述多工器单元输出的2M个通道L波段信号，其中每两个输入通道组成一个双通道下变频组件，所述双通道下变频组件用于将输入的两同频L波段信号转换为对应的两中频信号输出。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述双通道下变频组件包括结构相同的左路下变频支路和右路下变频支路，用于将输入的L波段信号转换为对应的中频信号输出；所述左路下变频支路包括射频衰减器、混频器、中频滤波器、中频放大器、中频衰减器；所述中频滤波器包括两级滤波器，第一级为低通滤波器，第二级为LC带通滤波器；射频衰减器、混频器、低通滤波器、中频放大器、中频衰减器和LC带通滤波器依次连接；所述混频器用于根据接收的本振信号对射频衰减器处理之后的射频信号进行变频。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述射频衰减器为温补衰减器。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述本振控制单元包含晶振功分单元、M个本振子单元和电源单元；所述晶振功分单元用于将1个参考晶振信号分为M个通道的参考晶振信号分别发送给各所述本振子单元；所述本振子单元包含左支路链路和右支路链路，第i个所述本振子单元的左支路链路对所述参考晶振信号进行放大衰减后输出给第i个所述双通道下变频组件中的左路下变频支路，第i个所述本振子单元的右支路链路对所述参考晶振信号进行放大衰减后输出给第i个所述双通道下变频组件中的右路下变频支路；所述电源单元用于为本振子单元、晶振功分单元及双通道下变频组件中的有源器件提供所需电压。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述晶振功分单元包含参考晶振与多路功分器，所述参考晶振用于产生参考频率，所述多路功分器用于将1路参考频率按照功率分配为M个通道的参考频率。

8.一种多波束相控阵多通道划分变频方法，其步骤包括：

信道化单元接收多波束相控阵天线所接收N个波束中的左旋信号通道信号和右旋信号通道信号，输出2M个L波段信号；M为多波束相控阵天线同一历元接收的频率数目；

变频单元根据本振控制单元所提供的本振信号将所述信道化单元输出的2M个L波段信号转换为2M个中频信号后输出。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述信道化单元包括合路器单元和多工器单元，所述合路器单元的输入端与多波束相控阵天线各个波束的左旋信号通道或右旋信号通道相连，用于各波束的左旋信号、右旋信号合并为一路L波段信号输出给所述多工器单元；所述多工器单元依据同一历元接收频率数目M，将所接收的L波段信号中同频同相位的左旋信号划分到同一通道以及将同频同相位的右旋信号划分到同一通道，得到2M个通道的L波段信号输出。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述变频单元包括2M个输入通道，用于接收所述多工器单元输出的2M个通道L波段信号，其中每两个输入通道组成一个双通道下变频组件，所述双通道下变频组件用于将输入的两同频L波段信号转换为对应的两中频信号输出；所述双通道下变频组件包括结构相同的左路下变频支路和右路下变频支路，用于将输入的L波段信号转换为对应的中频信号输出；所述左路下变频支路包括射频衰减器、混频器、中频滤波器、中频放大器、中频衰减器；所述中频滤波器包括两级滤波器，第一级为低通滤波器，第二级为LC带通滤波器；射频衰减器、混频器、低通滤波器、中频放大器、中频衰减器和LC带通滤波器依次连接；所述混频器用于根据接收的本振信号对射频衰减器处理之后的射频信号进行变频。

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