CN116711156A - 相控阵天线及其扫描方法、天线系统 - Google Patents
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Abstract
一种相控阵天线及其扫描方法、天线系统，所述相控阵天线包括多个天线阵元以及用于对所述多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，所述扫描方法包括：对所述液晶移相器施加第一波控电压，检测所述多个天线阵元接收到的第一接收信号电平值；采用人工智能算法对所述第一波控电压不断进行调整并检测所述多个天线阵元接收到的第二接收信号电平值，直至所述第一接收信号电平值与所述第二接收信号电平值的比值大于或等于第一阈值。
Description
本文涉及但不限于通信技术领域，尤指一种相控阵天线及其扫描方法、天线系统。
全球将近80％的陆地面积和95％的海洋面积是地面网络覆盖难度大或难以覆盖的区域。根据全球移动通信系统协会(GSMA)的调查发现，目前全球超过30％人口无移动通信服务，约52％人口无宽带服务。包括我国星网、美国星链、俄罗斯球体在内的众多卫星网络系统均在积极推动卫星互联网技术。利用天地一体化组网技术，通过卫星通信技术，可实现地球上最后10％的用户入网。
对应着卫星市场的广阔前景，卫星地面终端设备发展也步入高速赛道，低成本的液晶相控阵天线有望取代传统的伺服天线系统及成本高昂的收发(Transmitter and Receiver，TR)组件天线系统，成为普及卫星通信地面终端的解决方案。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本公开实施例提供了一种天线控制方法，所述相控阵天线包括多个天线阵元以及用于对所述多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，所述扫描方法包括：对所述液晶移相器施加第一波控电压，检测所述多个天线阵元接收到的第一接收信号电平值；采用人工智能算法对所述第一波控电压不断进行调整并检测所述多个天线阵元接收到的第二接收信号电平值，直至所述第一接收信号电平值与所述第二接收信号电平值的比值大于或等于第一阈值。
在一些示例性实施方式中，所述扫描方法还包括：
将所述相控阵天线的待扫描区域划分为多个第一子区域，调整所述液晶移相器的波控电压以在所述多个第一子区域中检测接收到的第三接收信号电平值，确定最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域；
将所述最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域，调整所述液晶移相器的波控电压以在所述多个第二子区域中检测接收到的第四接收信号电平值，当最大的第三接收信号电平值与最大的第四接收信号电平值的比值小于第二阈值时，将所述最大的第四接收信号电平值更新为所述最大的第三接收信号电平值，将所述最大的第四接收信号电平值对应的第二子区域更新为所述最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域，并触发将所述最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域的操作，直至所述最大的第三接收信号电平值与所述最大的第四接收信号电平值的比值大于或等于第二阈值。
在一些示例性实施方式中，所述扫描方法还包括：所述将所述相控阵天线的待扫描区域划分为多个第一子区域，包括：沿竖直方向将所述相控阵天线的待扫描区域均匀划分为多个所述第一子区域；
所述将所述最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域，具体为：沿竖直方向将所述相控阵天线的待扫描区域均匀划分为多个所述第一子区域。
在一些示例性实施方式中，所述扫描方法还包括：所述第二阈值在0.631到0.841之间。
在一些示例性实施方式中，所述扫描方法还包括：所述第一阈值在0.841到0.944之间。
在一些示例性实施方式中，所述扫描方法还包括：所述人工智能算法为遗传算法或粒子群优算法。
在一些示例性实施方式中，所述扫描方法还包括：所述第一接收信号为导频信号，所述第二接收信号为导频信号。
在一些示例性实施方式中，所述扫描方法还包括：
根据所述相控阵天线的位姿信息和预装的卫星星历信息，计算卫星粗略 方位，并依据计算出的卫星粗略方位进行卫星广播星历接收；
当接收到卫星广播星历时，依据接收到的卫星广播星历计算卫星精确方位；
当没有接收到卫星广播星历时，记录当前波控电压为所述第一波控电压，记录当前接收信号电平值为所述第一接收信号电平值，触发所述采用人工智能算法对所述第一波控电压不断进行调整的操作。
在一些示例性实施方式中，所述根据所述相控阵天线的位姿信息和预装的卫星星历信息，计算卫星粗略方位，并依据计算出的卫星粗略方位进行卫星广播星历接收，包括：
获取所述相控阵天线的位置信息和姿态信息；
根据获取的位置信息和姿态信息以及预装的卫星星历信息，计算卫星粗略方位；
根据计算出的卫星粗略方位，计算所述相控阵天线与卫星的方位角与俯仰角信息；
根据计算出的所述方位角与俯仰角信息以及预设的天线扫描角度与波控电压查找表，进行卫星捕捉与卫星广播星历接收。
在一些示例性实施方式中，当所述相控阵天线与卫星的连接发生中断时，所述扫描方法还包括：
记录连接中断前的接收信号电平值为第五接收信号电平值，记录当前接收信号电平值为第六接收信号电平值；
当所述第六接收信号电平值与所述第五接收信号电平值的比值小于第三阈值时，根据惯导加速度信息调整所述相控阵天线的波束指向，并记录调整后的波控电压为所述第一波控电压，触发所述采用人工智能算法对所述第一波控电压不断进行调整的操作。
在一些示例性实施方式中，所述第三阈值在0.707到0.891之间。
在一些示例性实施方式中，所述根据惯导加速度信息调整所述相控阵天线的波束指向，包括：
对所述惯导加速度进行时间积分，并将积分结果转换至导航坐标系，得到角度信息；
根据角度信息计算所述相控阵天线的修正角，将所述修正角换算为法向偏转角；
根据所述法向偏转角以及预设的天线扫描角度与波控电压查找表，调整所述相控阵天线的波束指向。
在一些示例性实施方式中，所述第五接收信号为导频信号或数据信号，所述第六接收信号为导频信号或数据信号。
本公开实施例还提供了一种相控阵天线，包括：多个天线阵元以及用于对所述多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，所述相控阵天线以如前任一项所述的扫描方法进行扫描。
在一些示例性实施方式中，所述液晶移相器包括以下任意一种或多种：微带传输线、共面波导传输线和周期可变电容。
本公开实施例还提供了一种天线系统，包括：基带系统、天馈系统和波控系统，其中：所述基带系统被配置为对信号进行基带处理；所述天馈系统被配置为收发卫星信号；所述天馈系统包括相控阵天线、合路器、功分器、下变频器和上变频器，所述相控阵天线包括：多个天线阵元以及用于对所述多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，所述合路器与所述下变频器连接，所述功分器与所述上变频器连接；所述波控系统被配置为对所述液晶移相器进行驱动控制，所述波控系统包括中控模块、电压加载模块、惯导模块、定位模块和姿态检测模块，所述中控模块被配置为接收所述惯导模块、定位模块和姿态检测模块的数据，并计算所述液晶移相器所需的波控电压，以按照如前任一项所述的扫描方法控制所述相控阵天线进行扫描；所述电压加载模块被配置为按照所述中控模块的计算结果，输出相应的波控电压至所述液晶移相器。
在一些示例性实施方式中，所述电压加载模块包括复用开关、正极性放大模块、负极性放大模块、正极性数模转换模块、负极性数模转换模块和移位寄存器；所述复用开关分别与所述正极性放大模块、所述负极性放大模块 以及所述液晶移相器连接，所述正极性数模转换模块分别与所述正极性放大模块以及所述移位寄存器连接，所述负极性数模转换模块分别与所述负极性放大模块以及所述移位寄存器连接，所述移位寄存器与所述中控模块连接。
在一些示例性实施方式中，所述基带系统包括模式匹配模块、流匹配模块、调制解调模块和编解码模块，其中：所述模式匹配模块，被配置为将不同的数据流拆分成数据区，形成基带帧数据；所述流匹配模块，被配置为对基带帧数据进行时序管理、数据填充及加解扰处理；所述调制解调模块，被配置为对所述基带帧数据进行调制或解调处理；所述编解码模块，被配置为对所述基带帧数据进行编码或解码处理。
在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开的技术方案的限制。附图中一个或多个部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本公开内容。
图1为本公开示例性实施例一种相控阵天线的扫描方法的流程示意图；
图2为本公开示例性实施例另一种相控阵天线的扫描方法的流程示意图；
图3为本公开示例性实施例又一种相控阵天线的扫描方法的流程示意图；
图4为本公开示例性实施例又一种相控阵天线的扫描方法的流程示意图；
图5为本公开示例性实施例一种液晶移相器的结构示意图；
图6为本公开示例性实施例一种天线系统的结构示意图。
下面将结合附图对本公开的实施例进行详细说明。实施方式可以以多个不同形式来实施。所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实，就是方式和内容可以在不脱离本公开的宗旨及其范围的条件下被变换为一种或多种形式。因此，本公开不应该被解释为仅限定在下面的实施方式所记载 的内容中。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图中，有时为了明确起见，夸大表示了一个或多个构成要素的大小、层的厚度或区域。因此，本公开的一个方式并不一定限定于该尺寸，附图中多个部件的形状和大小不反映真实比例。此外，附图示意性地示出了理想的例子，本公开的一个方式不局限于附图所示的形状或数值等。
本公开中的“第一”、“第二”、“第三”等序数词是为了避免构成要素的混同而设置，而不是为了在数量方面上进行限定的。本公开中的“多个”表示两个或两个以上的数量。
在本公开中，为了方便起见，使用“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的词句以参照附图说明构成要素的位置关系，仅是为了便于描述本说明书和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。构成要素的位置关系根据描述构成要素的方向适当地改变。因此，不局限于在说明书中说明的词句，根据情况可以适当地更换。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，或可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或通过中间件间接相连，或两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据情况理解上述术语在本公开中的含义。
在本公开中，“电连接”包括构成要素通过具有某种电作用的元件连接在一起的情况。“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接的构成要素间的电信号的授受，就对其没有特别的限制。“具有某种电作用的元件”的例子不仅包括电极和布线，而且还包括晶体管等开关元件、电阻器、电感器、电容器、其它具有一种或多种功能的元件等。
在本公开中，“平行”是指两条直线形成的角度为-10°以上且10°以下的状态，因此，可以包括该角度为-5°以上且5°以下的状态。另外，“垂直”是指两条直线形成的角度为80°以上且100°以下的状态，因此，可以包括85°以上且 95°以下的角度的状态。
本公开中的“约”、“大致”，是指不严格限定界限，允许工艺和测量误差范围内的情况。
相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线，通过控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到接收信号的目的。而液晶相控阵天线是一种利用液晶偏转实现相位控制的相控阵天线，其在显示装置中受到了广泛关注。
本公开实施例提供了一种相控阵天线的扫描方法，该相控阵天线包括多个天线阵元以及用于对多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，如图1所示，该扫描方法包括：
步骤101、对液晶移相器施加第一波控电压，检测多个天线阵元接收到的第一接收信号电平值；
步骤102、采用人工智能算法对第一波控电压不断进行调整并检测多个天线阵元接收到的第二接收信号电平值，直至第一接收信号电平值与第二接收信号电平值的比值大于或等于第一阈值为止。
本公开实施例提供的相控阵天线的扫描方法，通过采用人工智能算法对第一波控电压不断进行调整，将人工智能算法与天线扫描方法相结合，能够自动快速地将扫描角度调整至最佳角度，不仅实现了智能化扫描，并且提高了天线的扫描速度与精度。
在一些示例性实施例中，第一阈值在0.841到0.944之间，即保证调整前的接收信号与调整后的接收信号的功率值相差在0.5dB到1.5dB之间。
可选的，第一阈值可以为0.891。
本实施例通过采用人工智能算法对天线的扫描角度进行微调，一般来说，微调时的波束指向要求满足1dB带宽精度，即保证调整前后接收信号的功率相差小于1dB，根据信号功率与信号电平的关系，则要保证调整前的接收信号的电平值与调整后的接收信号的电平值的比值大于或等于0.891，即，第一阈值可以为0.891。
在一些示例性实施例中，人工智能算法可以为遗传算法或粒子群优算法。
本公开所述的遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。遗传算法以一种群体中的所有个体为对象，并利用随机化技术指导对一个被编码的参数空间进行高效搜索。
本公开所述的粒子群优算法(Particle Swarm optimization，PSO)是通过模拟鸟群觅食行为而发展起来的一种基于群体协作的随机搜索算法。
在一些示例性实施例中，本公开实施例的接收信号(包括第一接收信号、第二接收信号以及后文所述的第三接收信号至第六接收信号)可以为导频信号。
本实施例中，卫星信号包括数据信号与导频信号，导频信号指的是为测量或监控的目的而发送的信号。一般来说，导频信号的功率比数据信号的功率大，且调制方式简单，更容易解码。
在一些示例性实施例中，该扫描方法还包括：
将相控阵天线的待扫描区域划分为多个第一子区域，调整液晶移相器的波控电压以在多个第一子区域中检测接收到的第三接收信号电平值，确定最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域；
将最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域，调整液晶移相器的波控电压以在多个第二子区域中检测接收到的第四接收信号电平值，当最大的第三接收信号电平值与最大的第四接收信号电平值的比值小于第二阈值时，将最大的第四接收信号电平值更新为最大的第三接收信号电平值，将最大的第四接收信号电平值对应的第二子区域更新为最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域，并触发将最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域的操作，直至最大的第三接收信号电平值与最大的第四接收信号电平值的比值大于或等于第二阈值。
本公开实施例的扫描方法，通过将相控阵天线的待扫描区域先划分为多个第一子区域，然后将最大接收信号电平值对应的第一子区域再划分为多个第二子区域，并对第二子区域循环划分下去，直至接收信号电平满足预设的阈值条件，从而不断把第一子区域的选定区域进行细化，实现了一种基于空 间区域的快速扫描方法，不需要知道任何先验信息，由于液晶相控阵天线属于有源相扫天线，不同指向波束间切换仅需亚ms量级，且前后波束相互独立，保证了该扫描方法的有效实施。
在一些示例性实施例中，可以将相控阵天线的待扫描区域划分为N1个第一子区域，N1可以为大于或等于2的自然数。可选的，N1大于或等于4。
在一些示例性实施例中，将最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为N2个第二子区域，N2可以为大于或等于2的自然数。可选的，N2大于或等于4。N2与N1可以相等，也可以不等，本公开对此不作限制。
在一些示例性实施例中，将相控阵天线的待扫描区域划分为多个第一子区域，具体为：沿竖直方向将相控阵天线的待扫描区域均匀划分为多个第一子区域。
在一些示例性实施例中，将最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域，具体为：沿竖直方向将相控阵天线的待扫描区域均匀划分为多个第一子区域。
本实施例中，划分第一子区域的方法和划分第二子区域的方法可以一样，也可以不一样，示例性的，为了降低复杂度，两次划分方法可以选择一样的划分方法。
在一些示例性实施例中，第二阈值在0.631到0.841之间，即保证调整前的接收信号与调整后的接收信号的功率值相差在1.5dB到4dB之间。
示例性的，第二阈值可以为0.707。
本实施例中，在对相控阵天线进行初始化扫描时，一般波束指向要求满足3dB带宽精度，根据信号功率与信号电平的关系，则要保证调整前的接收信号的电平值与调整后的接收信号的电平值的比值大于或等于0.707，即，第二阈值可以为0.707。
在一些示例性实施例中，如图2所示，本公开实施例提供了一种天线扫描方法，包括如下步骤：
1.在整个天线视角(扫描范围)内，将待扫描区域划分为N1(N1≥4)个第一子区域，并根据波控电压与波束指向的关系，设定N1组初始波控电 压，保证每组初始波控电压对应的波束均指向划分的一个第一子区域；
2.天线系统上电后，根据设定N1组初始波控电压对N1个第一子区域进行逐个扫描，在扫描第一个第一子区域时，记录检测到的导频信号的幅度电平值V
1及区域号1，当扫描第二个第一子区域时，记录检测到的导频信号的幅度电平值V
2并比较V
2与V
1之间的大小，若V
2＞V
1，则用V
2替代V
1，同时区域号记录为2，反之则保持V
1及区域号1不变，依次类推，直至N1个第一子区域全部扫描完成，得到记录的导频信号的幅度电平最大值V
N及对应的第一子区域对应的区域号N；
3.将区域号N对应的第一子区域划分为N2个第二子区域，再设定N2组波控电压，保证每组波控电压对应的波束均指向划分的一个第二子区域，按照前述方法找到检测到的导频信号的幅度电平值最大的一个第二子区域N’，记录新的电平最大值V
N‘；
4.比较V
N与V
N’之间的大小，若V
N/V
N’<0.707，则将检测到的导频信号的幅度电平值最大的一个第二子区域N’更新为区域号N对应的第一子区域，并重复步骤3，直至两次电平值的比值大于或等于0.707(也即功率值相差小于3dB)；
5.基于步骤4的驱动电压V
Ni’，进行各通道移相量微调(根据液晶移相器的电压-移相量曲线，获得对应的驱动电压)，微调可采用人工智能基于遗传算法或粒子群优算法，直至两次电平值的比值大于或等于0.891(也即功率值相差小于1dB)。
在一些示例性实施例中，该扫描方法还包括：
根据相控阵天线的位姿信息和预装的卫星星历信息，计算卫星粗略方位，并依据计算出的卫星粗略方位进行卫星广播星历接收；
当接收到卫星广播星历时，依据接收到的卫星广播星历计算卫星精确方位；
当没有接收到卫星广播星历时，记录当前波控电压为前述的第一波控电压，记录当前接收信号电平值为前述的第一接收信号电平值，触发前述的采用人工智能算法对第一波控电压不断进行调整的操作。
虽然液晶相控阵天线的波束指向仅与驱动电压相关，保证了基于空间区域的快速扫描方法的时效性，但“盲扫”毕竟还是会占用一定的启动时间。因此，本公开实施例还提供了另一种可实现的基于液晶相控阵天线的寻星策略，即基于卫星星历的程控扫描方法。卫星星历，是用于描述太空飞行体位置和速度的表达式，又称为两行轨道数据(Two-Line Orbital Element，TLE)，主要参数包括卫星号、轨道偏心率、基准时间、轨道倾角、升交点赤经变化率、轨道长半轴的平方根、升交点赤经、近地点俯角、平均近点角、时钟校正参数，等，能精确计算、预测、描绘、跟踪卫星、飞行体的时间、位置、速度等运行状态。本公开实施例对于如何利用星历进行位置、速度等的计算过程不作赘述。
在一些示例性实施例中，根据相控阵天线的位姿信息和预装的卫星星历信息，计算卫星粗略方位，并依据计算出的卫星粗略方位进行卫星广播星历接收，包括：
获取相控阵天线的位置信息和姿态信息(示例性的，可以根据GPS定位模组获取相控阵天线的位置信息，可以根据陀螺仪模组获取相控阵天线的姿态信息)；
根据获取的位置信息和姿态信息以及预装的卫星星历信息，计算卫星粗略方位；
根据计算出的卫星粗略方位，计算相控阵天线与卫星的方位角与俯仰角信息；
根据计算出的方位角与俯仰角信息以及预设的天线扫描角度与波控电压查找表，进行卫星捕捉与卫星广播星历接收。
在一些示例性实施例中，如图3所示，本公开实施例提供了一种天线扫描方法，包括如下步骤：
1.根据GPS定位模组，获得液晶相控阵天线的位置信息；
2.根据陀螺仪模组，获得液晶相控阵天线的姿态信息；
3.根据液晶相控阵天线的预装历书提供的基本轨道参数，在基带系统中快速计算出低精度的卫星方位信息；
4.对步骤1～步骤3的位姿方位信息进行坐标系转换，统一到一个坐标系中，得到天线与卫星的方位角、俯仰角信息；
5.根据液晶移相器的扫描角度-波控电压查找表以及步骤4得到的方位角、俯仰角信息进行快速卫星捕捉；
6.接收低码率的卫星广播星历，在基带系统中解算出卫星的精确位置，并重复步骤4～步骤5，获取精确指向后的幅度电平最大值V
max；
7.如果没有接收到卫星广播星历，则基于步骤5的波控电压，，进行各通道移相量微调(根据液晶移相器的波控电压-移相量曲线，获得对应的波控电压)，微调可采用人工智能基于遗传算法或粒子群优算法，直至两次电平值的比值大于或等于0.891(也即功率值相差小于1dB)。
以上两种扫描方法(基于空间区域的快速扫描方法以及基于卫星星历的程控扫描方法)均是针对初始寻星，实现初次建立连接，当因诸如隧道信号遮挡、大角度转向等原因导致已经建立的信息连接发生中断时，相控阵天线需要能快速对准卫星并恢复连接，此时可利用惯导模组进行方位修正，再通过自适应算法进行精确对位。
在一些示例性实施例中，当相控阵天线与卫星的连接发生中断时，该扫描方法还包括：
记录连接中断前的接收信号电平值为第五接收信号电平值，记录当前接收信号电平值为第六接收信号电平值；
当第六接收信号电平值与第五接收信号电平值的比值小于第三阈值时，根据惯导加速度信息调整相控阵天线的波束指向，并记录调整后的波控电压为第一波控电压，触发采用人工智能算法对第一波控电压不断进行调整的操作。
本实施例中，由于事先建立稳定连接，第五接收信号与第六接收信号可以为导频信号，也可以为数据信号。可选地，为简单起见，第五接收信号与第六接收信号均为导频信号。
在一些示例性实施例中，第三阈值在0.707到0.891之间，即第六接收信号与第五接收信号的功率值相差小于1dB到3dB。
示例性的，第三阈值可以为0.891(也即功率值相差小于1dB)。
在一些示例性实施例中，根据惯导加速度信息调整所述相控阵天线的波束指向，包括：
对惯导加速度进行时间积分，并将积分结果转换至导航坐标系，得到角度信息；
根据角度信息计算相控阵天线的修正角，将修正角换算为法向偏转角；
根据法向偏转角以及预设的天线扫描角度与波控电压查找表，调整相控阵天线的波束指向。
如图4所示，本公开实施例还提供了一种惯导自适应扫描方法，包括如下步骤：
1.记录建立稳定连接的信号电平值V
s；
2.判断当前信号电平值V
t与V
s关系，若V
t/V
s＜0.891，记录惯导加速度信息；
3.对加速度进行时间积分，并将积分结果转换到导航坐标系中，得到角度信息；
4.根据角度信息，反算出液晶相控阵天线的修正角度，并换算到法向偏转角；
5.根据液晶移相器扫描角度-波控电压查找表，进行波束指向调整，并记录电平值V
r；
6.基于步骤5的驱动电压V
r，进行各通道移相量微调(根据液晶移相器的电压-移相量曲线，获得对应的驱动电压)，微调可采用人工智能基于遗传算法或粒子群优算法，直至两次电平值的比值大于或等于0.891(也即功率值相差小于1dB)。
本公开实施例的天线扫描方法，增加了惯导模块，可以实时记录天线的位置和方位角变化，让天线快速做出修正响应，避免丢星重捕。
本公开实施例还提供了一种相控阵天线，包括：多个天线阵元以及用于 对多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，相控阵天线以如前任一项所述的扫描方法进行扫描。
液晶相控阵天线采用基于液晶介电常数可调特性制作的液晶移相器作为移相单元，具有低成本、低抛面、易共形等优势。一种典型的液晶移相器结构如图5所示，液晶移相器的主流技术方案包括微带传输线、共面波导传输线、周期可变电容等，实现移相的本质均为通过加载驱动电压形成电场，在电场力作用下液晶分子产生翻转，导致介电常数更改，进而改变电磁波的传输速度，在同等长度传输线条件下产生相位差。
本公开实施例还提供了一种天线系统，包括：基带系统、天馈系统和波控系统，其中：
基带系统被配置为对信号进行基带处理；
天馈系统被配置为收发卫星信号；天馈系统包括相控阵天线、合路器、功分器、下变频器和上变频器，相控阵天线包括：多个天线阵元以及用于对多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，合路器与下变频器连接，功分器与上变频器连接；
波控系统被配置为对液晶移相器进行驱动控制，波控系统包括中控模块、惯导模块、定位模块和姿态检测模块，中控模块以如前任一项的扫描方法控制所述相控阵天线进行扫描。
本公开实施例中，如图6所示，天线系统主要包括天馈系统、波控系统和数字基带系统，其中，天馈系统负责卫星通信频段电磁波的收发、导行波的馈入馈出、信号预处理，主要由天线罩、收发天线阵列、缝隙耦合结构、液晶移相器、缓冲泡棉(因为液晶移相器是玻璃基的，为避免不平整及应力不均，采用泡棉作缓冲固定之用)、微带转波导结构、波导功分/合路器、波同转换结构(波导转换成射频同轴连接器的结构，后续可以用射频同轴线缆传输)、射频连接器、射频线缆、高频头(Low Noise Block，LNB)及块转换器(Block Up Converter，BUC)组成；波控系统负责液晶移相器的驱动以实现波束指向控制，主要由惯导模块、定位模块、姿态检测模块、中控模块 (中控模块可以为处理器，根据惯导输入的信息，配合查找表，决定驱动电压施加策略)和电压加载模块组成，电压加载模块可以为液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)驱动芯片，图6中的复用开关、正/负极性放大、正/负极性数模转换和移位寄存器是LCD驱动芯片的内部电路框图；数字基带系统负责信号模式适配、编解码及调制解调等，主要由模数模(ADA)转换器、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、微处理器(Advanced RISC Machine，ARM)组成，整体系统框图如图6所示(图6只是体现了主体框架，细节没有体现)，图6中的惯导解算模块、星历解算模块和定姿定态模块属于波控系统，都需要用到处理器，但不属于基带系统，基带系统主要是处理器做算法。因此，他们的功能虽然属于不同系统，但硬件实现上，可能在一个处理器芯片上实现，当然，在一些示例性实施例中，也可以分开多个处理器分别进行处理，本公开对此不作限制。
在一些示例性实施方式中，电压加载模块包括复用开关、正极性放大模块、负极性放大模块、正极性数模转换模块、负极性数模转换模块和移位寄存器。
其中，复用开关分别与正极性放大模块、负极性放大模块以及液晶移相器连接，正极性数模转换模块分别与正极性放大模块以及移位寄存器连接，负极性数模转换模块分别与负极性放大模块以及移位寄存器连接，移位寄存器与中控模块连接。
液晶相控阵天线系统的工作流程简述如下：对于接收链路，接收天线阵列接收期望方位空间的卫星信号，经馈电结构输入到液晶移相器进行相位补偿(其中移相器的驱动信号由惯导模块和目标卫星决定的波束指向，经LCD驱动芯片提供)，再经馈电结构进入合路器进行能量叠加，由高频头进行下变频及初步的放大、滤波等，输出中频信号至模数转换器进行量化，量化后的数字信号在基带处理器中经过一系列的匹配处理(模式匹配、流匹配等)、解调、解码，变为可供用户使用的数据信息；对于发射链路，基本与接收链路相反，用户数据先经过基带的编码、调制、波形成型，经数模转换器转换为模拟中频，再由块转换器进行上变频及放大，经功分器后馈入液晶移相器 进行相位调整，最后由发射天线阵将信号辐射出去。
本公开实施例中，模式匹配是把不同的数据流分拆成数据区，经过模式匹配后，形成基带帧数据，主要包括普通模式NM(Normal Mode)和高效模式HEM(High Efficiency Mode)；流匹配是对基带帧数据进行时序管理、数据填充及加解扰处理等，主要包括TS(Transport Stream)、GSE(Generic Encapsulated Stream)、GCS(Generic Continuous Stream)、GFPS(Generic Fixed-length Packetized Stream)等。
本公开实施例中，因卫星通信系统的编码方式和调制方式相对移动通信系统简单，因此基带系统可以有多种实现方式，包括：FPGA+ARM、FPGA+DSP、FPGA+ARM+DSP以及FPGA集成PS(Processing System)和PL(Programmable Logic)等。
本公开实施例中，波控系统硬件实现包括陀螺仪模组、定位模组、惯导模组、电压加载模组(电压加载模组包括LCD驱动芯片及外围电路和走线)，为了获得精确的天线姿态信息，陀螺仪模组可以选用微机械陀螺、环形激光陀螺和光纤陀螺，定位模组可以获得天线的位置信息，可以选择GPS(Global Positioning System)定位模组、北斗(BD)定位模组和伽利略(Galileo)定位模组，惯导模组主要利用当前位置及陀螺仪信息预测未来位置，用于在信号因遮挡等原因中断后能快速恢复，可采用捷联式惯导和平台式惯导；电压加载模组主要是根据扫描算法对液晶移相器施加驱动，实现波束控制，可以通过模数转换器和运算放大器组合驱动或者通过设计专用芯片进行驱动。
本公开中的附图只涉及本公开涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本公开技术方案的精神和范围，均应涵盖在本公开的权利要求的范围当中。
Claims (18)
- 一种相控阵天线的扫描方法，所述相控阵天线包括多个天线阵元以及用于对所述多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，所述扫描方法包括：对所述液晶移相器施加第一波控电压，检测所述多个天线阵元接收到的第一接收信号电平值；采用人工智能算法对所述第一波控电压不断进行调整并检测所述多个天线阵元接收到的第二接收信号电平值，直至所述第一接收信号电平值与所述第二接收信号电平值的比值大于或等于第一阈值。
- 根据权利要求1所述的扫描方法，还包括：将所述相控阵天线的待扫描区域划分为多个第一子区域，调整所述液晶移相器的波控电压以在所述多个第一子区域中检测接收到的第三接收信号电平值，确定最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域；将所述最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域，调整所述液晶移相器的波控电压以在所述多个第二子区域中检测接收到的第四接收信号电平值，当最大的第三接收信号电平值与最大的第四接收信号电平值的比值小于第二阈值时，将所述最大的第四接收信号电平值更新为所述最大的第三接收信号电平值，将所述最大的第四接收信号电平值对应的第二子区域更新为所述最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域，并触发将所述最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域的操作，直至所述最大的第三接收信号电平值与所述最大的第四接收信号电平值的比值大于或等于第二阈值。
- 根据权利要求2所述的扫描方法，其中，所述将所述相控阵天线的待扫描区域划分为多个第一子区域，包括：沿竖直方向将所述相控阵天线的待扫描区域均匀划分为多个所述第一子区域；所述将所述最大的第三接收信号电平值对应的第一子区域划分为多个第二子区域，具体为：沿竖直方向将所述相控阵天线的待扫描区域均匀划分为多个所述第一子区域。
- 根据权利要求2所述的扫描方法，其中，所述第二阈值在0.631到0.841之间。
- 根据权利要求1所述的扫描方法，其中，所述第一阈值在0.841到0.944之间。
- 根据权利要求1所述的扫描方法，其中，所述人工智能算法为遗传算法或粒子群优算法。
- 根据权利要求1所述的扫描方法，其中，所述第一接收信号为导频信号，所述第二接收信号为导频信号。
- 根据权利要求1所述的扫描方法，还包括：根据所述相控阵天线的位姿信息和预装的卫星星历信息，计算卫星粗略方位，并依据计算出的卫星粗略方位进行卫星广播星历接收；当接收到卫星广播星历时，依据接收到的卫星广播星历计算卫星精确方位；当没有接收到卫星广播星历时，记录当前波控电压为所述第一波控电压，记录当前接收信号电平值为所述第一接收信号电平值，触发所述采用人工智能算法对所述第一波控电压不断进行调整的操作。
- 根据权利要求8所述的扫描方法，其中，所述根据所述相控阵天线的位姿信息和预装的卫星星历信息，计算卫星粗略方位，并依据计算出的卫星粗略方位进行卫星广播星历接收，包括：获取所述相控阵天线的位置信息和姿态信息；根据获取的位置信息和姿态信息以及预装的卫星星历信息，计算卫星粗略方位；根据计算出的卫星粗略方位，计算所述相控阵天线与卫星的方位角与俯仰角信息；根据计算出的所述方位角与俯仰角信息以及预设的天线扫描角度与波控电压查找表，进行卫星捕捉与卫星广播星历接收。
- 根据权利要求1所述的扫描方法，当所述相控阵天线与卫星的连接发生中断时，所述扫描方法还包括：记录连接中断前的接收信号电平值为第五接收信号电平值，记录当前接收信号电平值为第六接收信号电平值；当所述第六接收信号电平值与所述第五接收信号电平值的比值小于第三阈值时，根据惯导加速度信息调整所述相控阵天线的波束指向，并记录调整后的波控电压为所述第一波控电压，触发所述采用人工智能算法对所述第一波控电压不断进行调整的操作。
- 根据权利要求10所述的扫描方法，其中，所述第三阈值在0.707到0.891之间。
- 根据权利要求10所述的扫描方法，其中，所述根据惯导加速度信息调整所述相控阵天线的波束指向，包括：对所述惯导加速度进行时间积分，并将积分结果转换至导航坐标系，得到角度信息；根据角度信息计算所述相控阵天线的修正角，将所述修正角换算为法向偏转角；根据所述法向偏转角以及预设的天线扫描角度与波控电压查找表，调整所述相控阵天线的波束指向。
- 根据权利要求10所述的扫描方法，其中，所述第五接收信号为导频信号或数据信号，所述第六接收信号为导频信号或数据信号。
- 一种相控阵天线，包括：多个天线阵元以及用于对所述多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，所述相控阵天线以如权利要求1至13任一项所述的扫描方法进行扫描。
- 根据权利要求14所述的相控阵天线，其中，所述液晶移相器包括以下任意一种或多种：微带传输线、共面波导传输线和周期可变电容。
- 一种天线系统，包括：基带系统、天馈系统和波控系统，其中：所述基带系统被配置为对信号进行基带处理；所述天馈系统被配置为收发卫星信号；所述天馈系统包括相控阵天线、合路器、功分器、下变频器和上变频器，所述相控阵天线包括：多个天线阵元以及用于对所述多个天线阵元进行相位校准的液晶移相器，所述合路器与所述下变频器连接，所述功分器与所述上变频器连接；所述波控系统被配置为对所述液晶移相器进行驱动控制，所述波控系统包括中控模块、电压加载模块、惯导模块、定位模块和姿态检测模块，所述中控模块被配置为接收所述惯导模块、定位模块和姿态检测模块的数据，并计算所述液晶移相器所需的波控电压，以按照如权利要求1至13任一项所述的扫描方法控制所述相控阵天线进行扫描；所述电压加载模块被配置为按照所述中控模块的计算结果，输出相应的波控电压至所述液晶移相器。
- 根据权利要求16所述的天线系统，其中，所述电压加载模块包括复用开关、正极性放大模块、负极性放大模块、正极性数模转换模块、负极性数模转换模块和移位寄存器；所述复用开关分别与所述正极性放大模块、所述负极性放大模块以及所述液晶移相器连接，所述正极性数模转换模块分别与所述正极性放大模块以及所述移位寄存器连接，所述负极性数模转换模块分别与所述负极性放大模块以及所述移位寄存器连接，所述移位寄存器与所述中控模块连接。
- 根据权利要求16所述的天线系统，其中，所述基带系统包括模式匹配模块、流匹配模块、调制解调模块和编解码模块；所述模式匹配模块，被配置为将不同的数据流拆分成数据区，形成基带帧数据；所述流匹配模块，被配置为对基带帧数据进行时序管理、数据填充及加解扰处理；所述调制解调模块，被配置为对所述基带帧数据进行调制或解调处理；所述编解码模块，被配置为对所述基带帧数据进行编码或解码处理。
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