CN115986409A - 一种双频相控阵射频收发组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双频相控阵射频收发组件，涉及通信技术领域。该一种双频相控阵射频收发组件，包括，天线系统、调频模块、波束控制模块与和差波束测角系统，所述天线系统包括相控阵天线阵列和导航天线，借助移动用户本身与运动状态有关的信息，诸如移动载体的速度，地理位置等，利用一定的算法实时计算天线对卫星的波束指向并指向卫星，即基于GPS结合电子罗盘的自动跟踪方案。通过天线波束跟踪采用开环控制方式，实现移动用户天线波束自动跟踪、扫描工作，适用范围更广，采用正弦空间坐标系替代传统大地坐标系，更为清晰简便地完成对和差波束比幅测角，给测量工作带来便利。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体为一种双频相控阵射频收发组件。
背景技术
相控阵技术是阵列天线技术的一个重要分支，它不仅具有阵列天线的高增益特性，而且具有天线波束可调的特性，在军用领域得到广泛应用，但该技术成本高，极大的限制了该技术在民用领域的发展，随着民用通信的发展，大通信容量成为重要的技术突破点，在网络通信中，传统的6GHz频段已经达到极限，为了满足未来大通信容量，发掘更高频段的频谱资源几乎成为必然，毫米波频段由于其具有广阔的可用频段，如今已成为业界研究的热点。
相控阵天线目前被公认为是最先进的通信天线，它通过控制数字式移相器使波束精确地跟踪卫星，同时实现信号传输，要实现天线对通信卫星的自动跟踪，常见的是基于通信卫星导频信号的方案，即天线自动对全空域进行扫描，寻找通信卫星的导频信号并使天线对准导频信号最强的方向，这种方案对于静止的用户十分有效，但对于运动中的用户而言却不适用，原因是用户时刻都在运动，天线相对于卫星的波束指向需要实时改变。
同时相控阵雷达进行和差波束比幅测角时往往需要存取天线暗室测试的天线方向图信息，由于天线扫描角的变化会带来天线方向图的不一致性，所以常规的测角方法需要存取若干个张表格，这样会代表硬件资源的浪费。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种双频相控阵射频收发组件，解决了运动中的用户天线相对于卫星的波束指向需要实时改变和线扫描角的变化会带来天线方向图的不一致性导致的硬件资源的浪费的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种双频相控阵射频收发组件，包括：
天线系统、调频模块、波束控制模块与和差波束测角系统；
所述天线系统包括相控阵天线阵列和导航天线，借助移动用户本身与运动状态有关的信息，诸如移动载体的速度，地理位置等，利用一定的算法实时计算天线对卫星的波束指向并指向卫星，即基于GPS结合电子罗盘的自动跟踪方案；
所述调频模块包括用于基带信号与中频信号之间的调频；
所述波束控制模块包括波束控制器，用于决定天线的动中通性能；
所述和差波束测角系统采用同时跟踪和搜索方式解决高数据率和波束空间覆盖的矛盾。
优选的，所述相控阵天线阵列包括多个呈环形栅格排布的天线单元，所述天线单元选用圆形微带贴片天线，组阵后可获得较大范围内的波束扫描，每个天线单元均耦合有移相器，通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描，所述导航天线电连接在导航接收机上，所述导航接收机采用串行接口总线与波控机的接口相连，所述波控机通过波控总线与每个移相器相连。
优选的，所述天线系统还包括功分网络，所述功分网络为威金森功分器，采用微带形式，可以做到与阵面良好的共形，所述功分网络通过RF连接在终端主机的接口总线上。
优选的，所述天线单元的贴片表面开设有对称的两个开槽，用于切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，贴片等效尺寸相对增加，谐振频率降低，可使天线小型化，从而控制贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模，从而形成圆极化辐射和实现双频工作，所述贴片的内部均设有馈电点。
优选的，所述波束控制器包括单片机、GPS、OEM板、驱动单元和数字移相器，其中单片机过RS232接口与搭载GPS的OEM板联接，用来读取移动用户的实时位置、姿态信息，所述驱动单元控制移相器工作，从而实现移动用户天线波束自动跟踪、扫描工作。
优选的，所述天线系统还包括辅助设备，所述辅助设备包括给系统供电的直流电源，连接电缆以及射频接口。
优选的，所述和差波束测角系统采用正弦空间坐标系替代传统大地坐标系，使天线方向图形状不随扫描角变化，只相当于在坐标轴上的平移，且平移量正比与天线单元之间的相位差，按照扫描俯仰角度在天线3dB波束宽度以下采用三组和差差，在天线3dB波束宽度以上采用一组和差差进行和差波束比幅测角，此方式更为清晰简便。
本发明提供了一种双频相控阵射频收发组件。具备以下有益效果：
1、本发明通过天线波束跟踪采用开环控制方式，单片机通过RS232接口与搭载GPS的OEM板联接，用来读取移动用户的实时位置和姿态信息，再通过驱动单元控制移相器工作，从而实现移动用户天线波束自动跟踪、扫描工作，适用范围更广。
2、本发明通过采用正弦空间坐标系替代传统大地坐标系，使天线方向图形状不随扫描角变化，只相当于在坐标轴上的平移，且平移量正比与天线单元之间的相位差，更为清晰简便地完成对和差波束比幅测角，给测量工作带来便利。
附图说明
图1为本发明的天线系统功能框图；
图2为本发明的天线阵列的结构示意图；
图3为本发明的波束控制器的硬件组成示意图；
图4为本发明的天线阵列俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-4所示，本发明实施例提供一种双频相控阵射频收发组件，包括：
天线系统、调频模块、波束控制模块与和差波束测角系统；
天线系统包括相控阵天线阵列和导航天线，借助移动用户本身与运动状态有关的信息，诸如移动载体的速度，地理位置等，利用一定的算法实时计算天线对卫星的波束指向并指向卫星，即基于GPS结合电子罗盘的自动跟踪方案；
调频模块包括用于基带信号与中频信号之间的调频；
波束控制模块包括波束控制器，用于决定天线的动中通性能；
和差波束测角系统采用同时跟踪和搜索方式解决高数据率和波束空间覆盖的矛盾。
本实施例中，相控阵天线阵列包括多个呈环形栅格排布的天线单元，天线单元选用圆形微带贴片天线，组阵后可获得较大范围内的波束扫描，每个天线单元均耦合有移相器，通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描，导航天线电连接在导航接收机上，导航接收机采用串行接口总线与波控机的接口相连，波控机通过波控总线与每个移相器相连。
进一步的，天线系统还包括功分网络，功分网络为威金森功分器，采用微带形式，可以做到与阵面良好的共形，功分网络通过RF连接在终端主机的接口总线上。
具体的，由于天线单元的频率特性覆盖了目前导航接收机的天线频率，且增益满足要求，因此可选择其中一个单元作为导航接收机天线，导航接收机采用GPS/GLONASS/北斗兼容接收机，与波控机的接口之间采用串行接口总线，波控机根据导航接收机送来的用户运动信息计算天线波束指向并控制移相器移相使天线波束自动对准选取的通信卫星。
同时微带天线单元最适合用于卫星通信相控阵天线系统中，其特点是剖面薄、体积小、重量轻，便于把馈电网络与天线结构做在一起，适合用印刷电路技术大批量生产，能与有源器件和电路集成在同一基板上，便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化工作。
进一步的，天线单元的贴片表面开设有对称的两个开槽，用于切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，贴片等效尺寸相对增加，谐振频率降低，可使天线小型化，从而控制贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模，从而形成圆极化辐射和实现双频工作，贴片的内部均设有馈电点。
具体的，随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，天线尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，其中带宽与增益尤为明显，而方向图影响不大，增加介质板厚度可改变天线的带宽，但将引起表面波损耗，同时，重量明显增加，因此，开槽需在小型化与性能之间折衷，带宽需要在天线增益和重量之间折中。
进一步的，波束控制器包括单片机、GPS、OEM板、驱动单元和数字移相器，其中单片机过RS232接口与搭载GPS的OEM板联接，用来读取移动用户的实时位置、姿态信息，驱动单元控制移相器工作，从而实现移动用户天线波束自动跟踪、扫描工作。
具体的，单片机通过R 232接口与搭载GPS的OEM板联接，用来读取移动用户的实时位置、姿态信息，根据通信卫星、移动用户天线的坐标，单片机经过坐标变换、角度算法计算，求得运动用户天线指向通信卫星信号的俯仰、方位角，根据指向角同一单片机计算出要求的阵内相位差，量化后得到每个移相器的波束控制码。
进一步的，天线系统还包括辅助设备，辅助设备包括给系统供电的直流电源，连接电缆以及射频接口。
进一步的，和差波束测角系统采用正弦空间坐标系替代传统大地坐标系，使天线方向图形状不随扫描角变化，只相当于在坐标轴上的平移，且平移量正比与天线单元之间的相位差，按照扫描俯仰角度在天线3dB波束宽度以下采用三组和差差，在天线3dB波束宽度以上采用一组和差差进行和差波束比幅测角，此方式更为清晰简便，通过正弦空间坐标系的转换使得硬件存储方便，便于工程实现。
具体的，相控阵和差波束比幅测角中，差信号即为角误差信号，和信号用于目标检测，同时还用作相位比较的基准，如果不采用正弦空间坐标系，波束指不同时差波束比上和波束形成的鉴角曲线斜率不同，且差波束的零陷会偏离中心角度，这是由于不同指向时波束的等效孔径不同造成，所以可以按照不同频点存储不同的斜率值，测角时根据不同频点查找斜率值即可。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种双频相控阵射频收发组件，其特征在于，包括：
天线系统、调频模块、波束控制模块与和差波束测角系统；
所述天线系统包括相控阵天线阵列和导航天线，借助移动用户本身与运动状态有关的信息，诸如移动载体的速度，地理位置等，利用一定的算法实时计算天线对卫星的波束指向并指向卫星，即基于GPS结合电子罗盘的自动跟踪方案；
所述调频模块包括用于基带信号与中频信号之间的调频；
所述波束控制模块包括波束控制器，用于决定天线的动中通性能；
所述和差波束测角系统采用同时跟踪和搜索方式解决高数据率和波束空间覆盖的矛盾。
2.根据权利要求1所述的一种双频相控阵射频收发组件，其特征在于所述相控阵天线阵列包括多个呈环形栅格排布的天线单元，所述天线单元选用圆形微带贴片天线，组阵后可获得较大范围内的波束扫描，每个天线单元均耦合有移相器，通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描，所述导航天线电连接在导航接收机上，所述导航接收机采用串行接口总线与波控机的接口相连，所述波控机通过波控总线与每个移相器相连。
3.根据权利要求1所述的一种双频相控阵射频收发组件，其特征在于：所述天线系统还包括功分网络，所述功分网络为威金森功分器，采用微带形式，可以做到与阵面良好的共形，所述功分网络通过RF连接在终端主机的接口总线上。
4.根据权利要求2所述的一种双频相控阵射频收发组件，其特征在于：所述天线单元的贴片表面开设有对称的两个开槽，用于切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，贴片等效尺寸相对增加，谐振频率降低，可使天线小型化，从而控制贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模，从而形成圆极化辐射和实现双频工作，所述贴片的内部均设有馈电点。
5.根据权利要求1所述的一种双频相控阵射频收发组件，其特征在于：所述波束控制器包括单片机、GPS、OEM板、驱动单元和数字移相器，其中单片机过RS232接口与搭载GPS的OEM板联接，用来读取移动用户的实时位置、姿态信息，所述驱动单元控制移相器工作，从而实现移动用户天线波束自动跟踪、扫描工作。
6.根据权利要求1所述的一种双频相控阵射频收发组件，其特征在于：所述天线系统还包括辅助设备，所述辅助设备包括给系统供电的直流电源，连接电缆以及射频接口。
7.根据权利要求6所述的一种双频相控阵射频收发组件，其特征在于：所述和差波束测角系统采用正弦空间坐标系替代传统大地坐标系，使天线方向图形状不随扫描角变化，只相当于在坐标轴上的平移，且平移量正比与天线单元之间的相位差，按照扫描俯仰角度在天线3dB波束宽度以下采用三组和差差，在天线3dB波束宽度以上采用一组和差差进行和差波束比幅测角，此方式更为清晰简便。
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