CN116454621A - 信号接收方法、装置及平面相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号收发方法、装置及平面相控阵天线，涉及通信和雷达技术领域。所述方法包括：通过所述天线单元接收第一信号，所述第一信号用于表征到达装置天线处的电磁信号；通过所述TR组件对所述第一子信号进行信号处理，得到第一子信号，所述第一子信号与所述天线单元一一对应；所述第一子信号进行延时、放大处理后串联合成，获得所述平面相控阵天线的输出信号；通过改变TR组件参数设置，调整所述平面相控阵天线的波束指向，以实现对目标方向的信号的接收。本发明通过提出一种基于串联馈电的平面相控阵天线，实现天线方向图的二维扫描，可应用于高集成、低剖面以及小型化的不同应用场景。

Description

信号接收方法、装置及平面相控阵天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地涉及一种信号收发方法、一种信号收发装置和一种平面相控阵天线。

背景技术

相控阵天线是雷达、通信、电子战等电子任务系统一个关键部件，其承担着向外辐射电磁波和接收空间电磁波的任务，是电子任务系统通过电磁波获取外界信息的必经之路。

相控阵天线是一个多通道系统，对大量通道的馈电方式主要分为并行馈电和串联馈电。多数大规模相控阵天线采用并行馈电方式，馈电总口通过一个1分为N的功率分配网络将信号送入并行的N个TR组件。并行馈电方式需要多级功分器构成功率分配网络，天线单元数量越多功率分配网络越复杂，当阵面规模扩大时功率分配网络需重新设计。并且由于功率分配网络最基本的单元常采用1:2功分器，阵面单元数量需要接近并不超过2ⁿ，使得天线阵面设计受限。受到功率分配网络的限制，常见的平面小规模阵列或子阵多为2×2、4×4、8×8、16×16排布。

串联馈电的方式馈线较短、排列简单，常应用在低成本、小型天线阵列中。然而由于串联馈电阵列很难实时更改单元幅相分布，多作为固定角度辐射器使用。可以采用串联馈电并联馈相或串联馈电串联馈相的方式实现方向图在空间的扫描，但是这两种方式存在幅相配置不便、网络损耗加大、误差补偿不便等问题。

在当前现有技术中，例如一些近程搜索雷达阵列，每行采用串馈天线阵列，列方向采用并联馈电，从而实现俯仰向的相位扫描，方位向进行机械扫描。然而这种相控阵中串馈阵列并没有参加相扫，本质只是作为固定角度辐射器，而且该种相控阵不能实现二维相扫/电扫，具体来讲，即无法完成整个空域的扫描。

发明内容

本发明的目的是提供一种信号收发方法、装置及平面相控阵天线，通过提出一种基于串联馈电的平面相控阵天线，实现天线方向图的二维扫描，可应用于高集成、低剖面以及小型化的不同应用场景。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种信号接收方法，应用于平面相控阵天线，所述平面相控阵天线包括串联馈电网络，所述串联馈电网络包括若干条馈电通道，每条所述馈电通道包括一个天线单元以及一个TR组件，所述方法包括：

通过所述天线单元接收第一信号，所述第一信号用于表征到达天线处的电磁信号；

通过所述TR组件对所述第一信号进行信号处理，得到第一子信号，所述第一子信号与所述天线单元一一对应；

通过延时器、放大器对所述第一子信号进行处理后串联合成，获得所述平面相控阵天线的输出信号；

通过改变TR组件参数设置，调整所述平面相控阵天线的波束指向，用以实现对目标方向的信号的收发。

具体的，所述天线单元呈平面阵列排布，假设所述天线单元的行、列间距分别为dx和dy，nx、ny分别表示所述天线单元所在的行数、列数，(θ₀，φ₀)为所述第一信号对应的波束指向，所述天线单元对应的坐标为((nx-1)*dx,(ny-1)*dy)，所述第一信号通过下列表达式表示：

其中，s_nx，ny为所述第一信号，k＝2π/λ，λ为波长。

具体的，通过所述TR组件、延时器、放大器对所述第一信号进行信号处理，包括：

通过TR组件对所述第一信号进行相位补偿和幅度补偿处理，得到第一子信号。

通过延时器对所述第一子信号进行延时处理，然后通过放大器进行补偿放大，并通过功分器对所述延时放大处理后的所述第一子信号进行串联合路处理，得到第二信号。

具体的，假设所述平面相阵控天线的波束指向为(θ_t，φ_t)，则所述天线单元的补偿相位为{k sinθ_t[(nx-1)dx cosφ_t+(ny-1)dy sinφ_t]}；

所述第一子信号通过下列表达式表示：

其中，s′_nx，ny为所述第一子信号。

具体的，假设所述天线单元为64个，所述天线单元的行数、列数分别为16和4，则所述第二信号通过下列表达式表示：

其中，C₆₄′表示所述第二信号，(L1+L2+3)用于表征信号放大增益，其中L1为功分器插损，L2为馈电线路插损；

Δφ用于表征所述馈电通道和所述延时器对应的相移。

具体的，假设所述延时器有i个，当第i个延时器的延时为(i-1)s/c，s表示所述相邻所述馈电通道之间的直线距离，c表示光速，则所述输出信号通过下列表达式表示：

其中，C₆₄表示所述输出信号。

具体的，所述根据所述输出信号对应的波束指向，调整所述平面相控阵天线的波束指向，包括：

调整所述平面相阵控天线的波束指向使得θ_t＝θ₀且φ_t＝φ₀，此时所述平面相控阵天线的波束指向与所述目标方向重合。

另一方面，本发明实施例提供一种信号接收装置，所述装置包括：

第一信号接收单元，用于通过所述天线单元接收第一信号；

TR组件，用于通过所述TR组件对所述第一信号进行信号处理，得到第一子信号；

延时器、放大器和功分器，用于根据所述第一子信号处理获得所述平面相控阵天线的输出信号；

天线指向调整单元，用于根据所述输出信号对应的波束指向，调整所述平面相控阵天线的波束指向。

再一方面，本发明实施例提供一种平面相控阵天线，包括天线阵面、收发模块、馈电线缆、射频线缆以及负载；

所述天线阵面包括若干个天线单元，所述天线单元用于射频无线信号的收发；

所述天线单元呈阵列排布，通过所述馈电线缆将所述天线单元串联；

所述收发模块有若干个，所述收发模块与所述天线单元之间通过所述射频线缆连接，每个收发模块包括TR组件以及串联馈电网络，所述TR组件用于收发信号的放大、衰减、移相以及延时，所述串联馈电网络用于将所述TR组件的馈电口逐级串联，所述串联馈电网络的输入端口与所述负载电连接，所述串联馈电网络的输出端口为所述平面相控阵天线的馈电总端口。

所述馈电线缆用于完成所述串联馈电网络在不同所述收发模块之间的信号连接。

具体的，所述天线阵面包括64个所述天线单元，所述天线单元按照16×4排列，通过所述馈电线缆以S形或N形将所述天线单元串联；

所述收发模块有4个，通过所述射频线缆，每个所述收发模块分别与16个所述天线单元相连接。

本发明采用串联馈电的方式，若干个天线单元每个都对应独立的前端通道，将若干个馈电通道根据平面阵布局呈S形或N形串形排布，通过功分器逐级串联馈电，通过改变前端通道移相、衰减、延时值可以实现天线方向图的二维扫描，相比传统串馈相控阵，该架构每个通道幅度相位独立控制，使用更加灵活、控制可靠，工程实现二维相控阵难度降低，相比并馈相控阵馈电网络，该架构的串馈网络延长时不会改变已有馈电网络结构，相控阵规模受馈电网络约束小，更易实现规模扩展；

同时本发明采用逐级放大的方式补偿串联链路中功分器和馈线的插损，采用每通道单独配置延时的方式补偿串联连接附加的通道延时，相比传统串馈相控阵更易实现所有通道的等幅、同时叠加，从而实现大带宽、宽角扫描。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为本发明实施例涉及的一种信号接收方法的流程图；

图2为本发明实施例涉及的一种平面相控阵天线的原理框图；

图3为本发明实施例涉及的一种平面相控阵天线的立体图；

图4为本发明实施例涉及的TR组件和串馈馈电网络的俯视图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区分不同对象，而非用于描述特定顺序。同时，术语“包括”及其任何形式的变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本申请实施例提供一种信号收发方法、装置及平面相控阵天线。

其中，该装置具体可以集成在计算机设备中，该电子设备可以为终端、服务器等设备。其中，终端可以为手机、平板电脑、智能蓝牙设备、笔记本电脑、或者个人电脑(PersonalComputer，PC)等设备；服务器可以是单一服务器，也可以是由多个服务器组成的服务器集群。

在一些实施例中，该装置还可以集成在多个电子设备中，比如，所述装置可以集成在多个服务器中，由多个服务器来实现本申请的方法。

在一些实施例中，服务器也可以以终端的形式来实现。

以下分别进行详细说明。需说明的是，以下实施例的序号不作为对实施例优选顺序的限定。

实施例1

本发明实施例提供了一种信号接收方法，应用于平面相控阵天线，所述平面相控阵天线包括若干条馈电通道，每条所述馈电通道包括一个天线单元以及一个信号处理组件，如图1，所述方法的具体流程包括步骤110至步骤140：

110、通过所述天线单元接收第一信号，所述第一信号用于表征到达天线处的电磁信号。

通常到达天线处的电磁信号是射频信号((Radio Frequency，RF)。

在本申请的一些实施例中，所述天线单元呈平面阵列排布，假设所述天线单元的行、列间距分别为dx和dy，nx、ny分别表示所述天线单元所在的行数、列数，(θ₀，φ₀)为所述第一信号对应的波束指向，所述天线单元对应的坐标为((nx-1)*dx,(ny-1)*dy)，所述第一信号通过下列表达式表示：

其中，s_nx,为所述第一信号，k＝2π/λ，λ为波长。

120、通过所述TR组件对所述第一信号进行信号处理，得到第一子信号，所述第二信号与所述天线单元一一对应。

在本申请的一些实施例中，所述TR组件用于完成幅度和相位补偿。

具体的，在步骤120中包括如下过程：

通过TR组件对所述第一信号进行相位补偿处理，得到第一子信号；

通过延时器对所述第一子信号进行延时处理，并通过功分器对所述延时处理后的所述第一子信号进行合路处理，得到第二信号。

在本申请的一些实施例中，假设所述平面相阵控天线的波束指向为(θ_t,φ_t)，则所述天线单元的补偿相位为{ksinθ_t[(nx-1)dxcosφ_t+(ny-1)dysinφ_t]}；

所述第一子信号通过下列表达式表示：

其中，s′_nx,ny为所述第一子信号。

130、通过延时器、放大器对所述第一子信号进行处理后串联合成算获得所述平面相控阵天线的输出信号。

参考图2，假设所述天线单元为64个，所述天线单元的行数、列数分别为16和4，来自天线单元(1,1)的信号通过TR组件、延时器、功分器后在C1处大小为：

其中，Δφ₁为单条馈电通道和延时器带来相移，(L1+L2+3)用于表征信号放大增益，以补偿功分器及馈电线路插损。

在C2处来自天线单元(1,1)的信号与来自天线单元(1,2)的信号累加，通过下列表达式表示：

其中，Δφ₂为前两条条馈电通道和延时器带来相移。

依次类推，所述第二信号通过下列表达式表示：

其中，C₆₄′表示所述第二信号，(L1+L2+3)用于表征信号放大增益，Δφ用于表征所述馈电通道和所述延时器对应的相移。

在本申请的一些实施例中，每一级馈电通道设有延时器，分别为延时2、延时3、…延时N，相邻所述馈电通道之间的直线距离为s，光速为c，由此得到延时2＝s/c，延时3＝2s/c，依次类推，延时N＝(N-1)s/c。通过延时器可实现各馈电通道的信号同时叠加。

具体的，假设所述延时器有i个，当第i个延时器的延时为(i-1)s/c，s表示所述相邻所述馈电通道之间的直线距离，c表示光速，此时

则所述输出信号通过下列表达式表示：

其中，C₆₄表示所述输出信号。

步骤140、根据所述输出信号对应的波束指向，调整所述平面相控阵天线的波束指向，用以实现对目标方向的信号的接收。

具体的，调整所述平面相阵控天线的波束指向使得θ_t＝θ₀且φ_t＝φ₀，此时所述平面相控阵天线的波束指向与所述目标方向重合，实现了对目标方向的信号的接收，当不断改变θ_t、φ_t时，即可完成整个空域的扫描。

实施例2

本发明实施例与实施例1均属于同一发明构思，本发明实施例提供了一种信号接收装置，所述装置包括：

第一信号接收单元，用于通过所述天线单元接收第一信号；

信号处理单元，用于通过所述信号处理组件对所述第一信号进行信号处理，得到第二信号；

输出信号获取单元，用于根据所述第二信号计算获得所述平面相控阵天线的输出信号；

天线指向调整单元，用于根据所述输出信号对应的波束指向，调整所述平面相控阵天线的波束指向。

具体实施时，以上各个单元可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元的具体实施可参见前面的方法实施例，在此不再赘述。

在一些实施例中，所述装置还可以集成在多个设备中，比如，所述装置可以集成在多个服务器中，由多个服务器来实现本申请的所述方法。

实施例3

本发明实施例与实施例1、2均属于同一发明构思，本发明实施例提供了一种平面相控阵天线。

结合图2、图3和图4，所述平面相控阵天线，包括天线阵面、收发模块、馈电线缆、射频线缆以及负载401。

所述天线阵面包括若干个天线单元，所述天线单元用于射频无线信号的收发；

所述天线单元呈阵列排布，通过所述馈电线缆将所述天线单元串联；

所述收发模块有若干个，所述收发模块与所述天线单元之间通过所述射频线缆连接，每个收发模块包括TR组件以及串联馈电网络，所述TR组件用于收发信号的放大、衰减、移相以及延时，所述串联馈电网络用于将所述TR组件的馈电口逐级串联，所述串联馈电网络的输入端口与所述负载电连接，所述串联馈电网络的输出端口为所述平面相控阵天线的馈电总端口。

所述馈电线缆用于完成所述串联馈电网络在不同所述收发模块之间的信号连接。

具体的，结合实施例1提供的所述方法，所述天线阵面包括64个所述天线单元，所述天线单元包括天线单元101至天线单元164，所述天线单元按照16×4排列，通过所述馈电线缆以S形或N形将所述天线单元串联；所述收发模块有4个，如图3所示，收发模块包括收发模块201至收发模块204。通过所述射频线缆，每个所述收发模块分别与16个所述天线单元相连接。

所述馈电线缆有3条，如图3所示，所述馈电线缆包括馈电线缆301至馈电线缆303。具体的，馈电线缆301连接收发模块201的串联馈电网络输出口和收发模块202的串联馈电网络输入口，馈电线缆302连接收发模块202的串联馈电网络输出口和收发模块203的串联馈电网络输入口，馈电线缆303连接收发模块203的串联馈电网络输出口和收发模块204的串联馈电网络输入口。在收发模块201的串联馈电网络输入端口连接匹配负载401。收发模块204的串馈网络输出口402为所述平面相控阵天线馈电总口。

在本申请的一些实施例中，如图4所示，收发模块由4个4通道TR组件和1个串联馈电网络601组成。所述4通道TR组件包括4通道TR组件501至4通道TR组件504。4通道TR组件内部集成了4个通道的收发及放大、衰减、移相、延时。串联馈电网络包含了16个射频通道的串馈合成链路，即所述馈电通道，包括功分器、放大器和延时器。

收发模块对外射频接口包括收发模块对外射频接口701至收发模块对外射频接口716，用于与所述天线单元连接。717为串联馈电网络输入端口，718为串联馈电网络输出端口。

上述各个实施例可以表明，本发明采用串联馈电的方式，若干个天线单元每个都对应独立的前端通道，将若干个馈电通道根据平面阵布局呈S形或N形串形排布，通过功分器逐级串联馈电，通过改变前端通道移相、衰减、延时值可以实现天线方向图的二维扫描，相比传统串馈相控阵，该架构每个通道幅度相位独立控制，使用更加灵活、控制可靠，工程实现二维相控阵难度降低，相比并馈相控阵馈电网络，该架构的串馈网络延长时不会改变已有馈电网络结构，相控阵规模受馈电网络约束小，更易实现规模扩展；

同时本发明采用逐级放大的方式补偿串联链路中功分器和馈线的插损，采用每通道单独配置延时的方式补偿串联连接附加的通道延时，相比传统串馈相控阵更易实现所有通道的等幅、同时叠加，从而实现大带宽、宽角扫描。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一存储介质中，并由处理器进行加载和执行。

为此，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本申请实施例所提供的任一种所述方法中的步骤。例如，该指令可以执行如下步骤：

通过所述天线单元接收第一信号，所述第一信号用于表征由对端天线发送的信号；

通过所述信号处理组件对所述第一信号进行信号处理，得到第二信号，所述第二信号与所述天线单元一一对应；

根据所述第二信号计算获得所述平面相控阵天线的输出信号；

根据所述输出信号对应的波束指向，调整所述平面相控阵天线的波束指向，用以实现对目标方向的信号的接收。

以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。

其中，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

由于该存储介质中所存储的指令，可以执行本申请实施例所提供的任一种所述方法中的步骤，因此，可以实现本申请实施例所提供的任一种所述方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。

以上结合附图详细描述了一些本发明的实施例的可选实施方式，但是，实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种信号收发方法，其特征在于，应用于平面相控阵天线，所述平面相控阵天线包括串联馈电网络，所述串联馈电网络包括若干条馈电通道，每条所述馈电通道包括一个天线单元以及一个TR组件，所述方法包括：

通过所述天线单元接收第一信号，所述第一信号用于表征到达天线处的电磁信号；

通过所述TR组件对所述第一信号进行信号处理，得到第一子信号，所述第一子信号与所述天线单元一一对应；

通过延时器、放大器对所述第一子信号进行处理后串联合成，获得所述平面相控阵天线的输出信号；

通过改变TR组件参数设置，调整所述平面相控阵天线的波束指向，用以实现对目标方向的信号的收发。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天线单元呈平面阵列排布，假设所述天线单元的行、列间距分别为dx和dy，nx、ny分别表示所述天线单元所在的行数、列数，(θ₀，φ₀)为所述第一信号对应的波束指向，所述天线单元对应的坐标为((nx-1)*dx,(ny-1)*dy)，所述第一信号通过下列表达式表示：

其中，s_nx,为所述第一信号，k＝2π/λ，λ为波长。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过所述TR组件、延时器、放大器对所述第一信号进行信号处理，包括：

通过TR组件对所述第一信号进行相位补偿和幅度补偿处理，得到第一子信号；

通过延时器对所述第一子信号进行延时处理，通过放大器进行补偿放大，并通过功分器对所述延时放大处理后的所述第一子信号进行串联合路处理，得到第二信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，假设所述平面相阵控天线的波束指向为(θ_t,φ_t)，则所述天线单元的补偿相位为{ksinθ_t[(nx-1)dxcosφ_t+(ny-1)dysinφ_t]}；

所述第一子信号通过下列表达式表示：

其中，s′_nx,为所述第一子信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，假设所述天线单元为64个，所述天线单元的行数、列数分别为16和4，则所述第二信号通过下列表达式表示：

其中，C₆₄′表示所述第二信号，(L1+L2+3)用于表征信号放大增益，其中L1为功分器插损，L2为馈电线路插损，Δφ用于表征所述馈电通道和所述延时器对应的相移。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，假设所述延时器有i个，当第i个延时器的延时为(i-1)s/c，s表示所述相邻所述馈电通道之间的直线距离，c表示光速，则所述输出信号通过下列表达式表示：

其中，C₆₄表示所述输出信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述输出信号对应的波束指向，调整所述平面相控阵天线的波束指向，包括：

调整所述平面相阵控天线的波束指向使得θ_t＝θ₀且φ_t＝φ₀，此时所述平面相控阵天线的波束指向与所述目标方向重合。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的方法，一种信号接收装置，其特征在于，包括：

第一信号接收单元，用于通过所述天线单元接收第一信号；

TR组件，用于通过所述TR组件对所述第一信号进行信号处理，得到第一子信号；

延时器、放大器和功分器，用于根据所述第一子信号处理获得所述平面相控阵天线的输出信号；

天线指向调整单元，用于根据所述输出信号对应的波束指向，调整所述平面相控阵天线的波束指向。

9.一种平面相控阵天线，其特征在于，包括天线阵面、收发模块、馈电线缆、射频线缆以及负载；

所述天线阵面包括若干个天线单元，所述天线单元用于射频无线信号的收发；

所述天线单元呈阵列排布，通过所述馈电线缆将所述天线单元串联；

所述收发模块有若干个，所述收发模块与所述天线单元之间通过所述射频线缆连接，每个收发模块包括TR组件以及串联馈电网络，所述TR组件用于收发信号的放大、衰减、移相以及延时，所述串联馈电网络用于将所述TR组件的馈电口逐级串联，所述串联馈电网络的输入端口与所述负载电连接，所述串联馈电网络的输出端口为所述平面相控阵天线的馈电总端口。

所述馈电线缆用于完成所述串联馈电网络在不同所述收发模块之间的信号连接。

10.根据权利要求9所述的平面相控阵天线，其特征在于，所述天线阵面包括64个所述天线单元，所述天线单元按照16×4排列，通过所述馈电线缆以S形或N形将所述天线单元串联；

所述收发模块有4个，通过所述射频线缆，每个所述收发模块分别与16个所述天线单元相连接。