CN1322389A - 天线设备 - Google Patents

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Abstract

一种天线装置包括天线反射器(10)、收发报部件(11)和信号检测单元(12),其具有信号转换器(121～122)和响应入射信号而产生控制信号的计算单元(123),该控制信号用于控制天线反射器与目标物的准直。该信号转换器(121～122)可自动地递增地减小其带宽,从必需的最大频率范围减小到较窄的频率范围。通过运动检测装置(13)可检测天线反射器指向的变化,其包括三维传感器(131、132、133)。利用驱动单元(15)可机械控制天线反射器(10)的准直方向。

Description

天线设备
本发明涉及天线装置，具体涉及这样的天线装置，该天线装置包括天线反射器、天线固定单元、收发报部件、传感器单元和信号检测单元，该信号检测单元用于处理目标物来的信号和根据这些信号产生控制信号，以控制天线反射器，使其与目标物保持准直。
天线装置可以是固定的，或装在活动的支承面上，换言之，装在固定设施、陆基移动设施或舰船设施的活动支承面上。信号检测单元包括信号转换器和串联的计算单元。
已知在这种天线装置中使用分开的瞄准和跟踪系统，这种系统的用途是优化例如陆基天线装置和人造卫星之间的方向，以便在其间进行正确的准直。要用这种系统的天线装置获得最佳的动态瞄准准确度其投资成本是很高的。此种天线瞄准准确度受到外部作用力的影响，例如受到天线支承面运动、风力和海浪的影响。
因为事情涉及彼此相对运动着的天线装置和目标物，所以对瞄准系统提出了很高的要求。这种高要求使得选择检测目标物信号的设备局限于很贵的设备。
由于要求很高的动态瞄准准确度，所以应用了单脉冲技术。然而这种技术通常要求在信号检测设备例如宽带频谱分析器等设备上进行很大的投资，以获得要求的结果。
若干已知系统不能根据基准数据校正主要用来提供数据的非线性部件的漂移和不稳定性，因此这些系统在时间过程中随温度和电流而漂移。
本发明的目的是提供一种上述类型的天线装置，这种装置将以合理的成本即以显著低于现在所需成本解决连续跟踪活动信号源的问题，该活动信号源位于地平线的上面，远离活动的天线装置。
在上述这种包括信号转换器和计算单元的天线装置的情况下，本发明提出，信号转换器适于自动地递增地减小其带宽，由此使特定带宽开始起作用并保持这一带宽，直至在上述带宽内检测到令人满意的输入信号。本发明的天线装置包括传感器系统，该系统一方面用于检测天线反射器准直的不希望有的变化，另一方面用于相对于目标物设定和保持要求的天线位置，一组传感器配置在反射器的后侧，而另一组传感器配置在相应转轴上。当达到最优的信号检测时，即信号转换器的频率范围从一个特定带宽递增地减小下一个较小的带宽，直至获得最好可能的信号值时，两组传感器适合于置于零。
传感器系统提供由外力引起的天线装置位置变化的信息。根据速度数据(ΔVx；ΔVy；ΔVz)可确定此种位置变化，该速度数据经计算单元积分可得到相对位置数据。由于已知由传感器系统报告时间确定的确认时间内发生的速度变化数据，所以可将上述信息用作为高级别计算机化的系统控制单元的输入值，该控制单元将这些值送到驱动单元，从而可补偿由上述外力引起的天线装置位置的变化。
在这方面，传感器系统至少可以起两种不同的作用，例如补偿由于天线装置安装面的运动造成的作用在天线装置上的外力，以及检测天线反射器和其跟踪的信号目标物的预定要求的指定的运动模式，该信号目标物具有已知轨道和/或运动模式，这种轨道和模式在正运行的时间内可利用计算单元计算。
因此，传感器系统对天线装置连续补偿各种外力对该装置影响的能力负有全部责任。
重要的是应对装在上述天线装置中的电子部件的温度依赖关系、老化等执行正确的补偿数据，否则装在此系统中的所有电子部件的输出数据将产生系统漂移。
下面参照附图更详细说明本发明，这些附图是：
图1示出发明的天线装置；
图2是方块图，示出装在天线装置中的信号检测单元和用于运动补偿的传感器系统检测单元。
示于图1的天线装置包括天线反射器10、利用臂110固定在反射器前侧的收发器辐射体11、信号检测单元12和传感器单元13、该传感器单元具有用于检测反射器三维运动的传感器131、132、133(见图2)，单元12和13二者也作为结合成一体的单元固定在反射器10的后侧。这些传感器适合于检测由于外力作用造成的绕相应转动轴的转动。
收发器辐射体是题为“专用于两路卫星通信装置的传输辐射体”的瑞典专利说明9402587-1中见到的那种辐射体。天线反射器10在机械上固定于底座部件16，该底座部件例如又固定在船上或车辆上，并包括驱动或动力单元15，该动力单元具有响应装在信号检测单元12中计算单元123产生的控制信号而机械控制天线反射器与预定目标物准直的马达151、152、153和154。天线反射器10和收发器辐射体11相结合形成紧凑的天线单元，该天线单元可用瑞典专利申请9702268-5中见到的方法进行相配的制作，该专利的题名为“天线反射器和收发器辐射体结合成紧凑单元的装置”。
图2的方块图示出信号检测单元12，该单元具有串联的高频信号转换器121、中频信号转换器122以及计算单元123。图上还示出天线反射器传感器系统的运动检测单元13，该单元13包括分别接有光导纤维和半导体器件的进行三维检测的速度传感器(ΔVx，ΔVy，ΔVz)和加速度传感器(Δax，Δay，Δaz)。所有电子装置在时间过程中可能发生漂移和不稳定。这要求或多或少地进行连续校正，以消除输出数据的误差。所用的信号检测单元12能为传感器系统的所有传感器产生必需的校正数据。高频转换器121的输出侧连接于中频部分122，在中频部分中，使带宽发生上述自动减小。
收发器辐射体11的信号输出端连接于高频信号转换器121上的信号输入端，用于检测天线反射器运动的上述传感器系统的运动检测单元13其信号输出端通过导线130连接于计算单元123的信号输入端。计算单元的输出连接于系统控制器14，该控制器的输出侧连接于驱动单元15的输入侧。因此，在原理上，计算单元123的输出侧连接于驱动单元15的输入侧，该驱动单元包括用于将转动传动到天线装置活动部分的控制马达151～154。
具有传感器171～174的第二运动检测单元17的信号输出端170连接于第二计算单元124的信号输入端1240，该第二计算单元的信号输出端1241连接于系统控制单元14的信号输入端140。系统控制单元的信号输入端141连接于计算单元123的信号输出端1231，而其信号输出端142连接于驱动单元15的信号输入端150。
第三运动检测单元18具有传感器181～184，这些传感器用于检测天线装置内各转动轴y、x、z、p上已实现的真实运动补偿，这种实现是系统控制单元14产生补偿数据的结果。该第三运动检测单元18的信号输出端180连接于第三计算单元125的信号输入端1250，该第三计算单元的信号输出端1251连接于系统控制单元14的信号输入端143。
首先利用能够测定所述位置纬度角和经度角的传感器(GPS)以及倾角仪和罗盘，使天线反射器初步与目标物准直。同时连续地补偿天线反射器大致与目标准直时作用于天线的外力影响。利用传感器系统的运动检测单元，在紧凑天线单元的不同转动轴线(方位角z、仰角y、仰角x、极化角pol)上实现这种运动补偿。
假定目标物在±40kHz范围内的一定频漂发射例如12.541GHz的指引频率。中频信号转换器122设定为±8kHz的最大频率范围。信号检测单元12适合于工作在入射信号的最大值(峰值，信号曲线正切＝0)，可直接碰到此最大值，并读出(ΔVx、ΔVy、ΔVz)和(Δax、Δay、Δaz)，用作新的输入校正值，并送入系统控制器14，在此同时，中频信号转换器122自动将其频率范围减小到下一个较小的范围，例如3.75kHz。同时，指引频率可能已稍微漂移，而天线支承面可能已向某方向移动(例如由作用在上述支承面上的因而也作用在天线装置上的外力造成的结果)，但是现在已在较窄的带宽内进行扫描，因而减小了入射信号噪声，这样便可更准确地检测信号。
频率范围可选择性地进一步减小到较小的例如1.9kHz的范围。在每一个最大值均可以相同方式获得从传感器系统的运动检测单元13输出的新的输出值。
这种根据获得的和检测的指引频率自动“调节”到最近的较小选出带宽的优点是显著抑止了信号噪音，因为相对于指引频率的波幅(峰值)只有越来越小的信号噪音干扰指引频率的检测。
如果指引频率在调节范围内丢失，则扫描可以回到最近的较大的带宽。
因为提出的信号检测方法需要时间才能获得稳定的测量结果，所以非常必要的是，高级传感器及其运动检测单元在时间过程中的内部漂移和不稳定性要很小，以便使系统有时间提供良好的信号检测结果，因而可使所有的系统部件的漂移和不稳定性得到校正。经济效益以本发明天线装置的操作效能和对高价格部件的有限需求为特征，这种经济效益的主要基础在于使传感器系统相对于信号检测系统具有高级功能，这种高级功能的主要作用是根据部件的漂移和不稳定校正运动检测单元的输出数据。
在本说明中只包括说明本发明理论必需的那些部件。天线装置当然还包括通常需要的以及例如利用人造卫星的商业通信设施所必需的那些装置。高级运动检测装置装在天线反射器上，与信号检测单元12装在同一仪器箱中，该高级运动检测装置的三维传感器131～133以及装在相应转轴上的传感器171～174和181～184均通过系统控制器14在小于15ms的期间内将校正数据连续地送给驱动单元15。
对于某些应用，该设施可装有第三套三维传感器单元，这第三套单元装在支承座上。这样可提供更大分辨率的输出数据((ΔVx、ΔVy、ΔVz)和(Δax、Δay、Δaz)，并可以动态地连续地测量天线装置形变以及校正在上述装置内的不希望有的运动。
当信号检测单元12已从收发器辐射体11的个别测量辐射体检测到有关的指引信号，据此计算校正数据并将这些数在小于92ms的时间送出时，便可开始天线装置现时位置的充分有效校正。这意味着，信号检测单元12的输出数据被用作所谓“真值”，并且还记下运动检测单元13的输出数据值。关于这一点，运动检测单元13再次表现出对外部作用在天线装置上的力的补偿数据这方面的高等级的功能。
上述相互作用连续地发生，使得可以应用具有可变带宽的信号检测装置，因而可以根据稳定的但相当弱的指引信号来优化方向校正。很窄的带宽使得能够检测一般淹没在较大带宽的外界噪声信号中的很弱的指引信号。由于传感器系统在时间过程中的稳定的等级高的功能，因此这是可能的。
天线装置的传感器系统还包括许多传感器，即具有相关数字罗盘的倾斜仪，这种倾斜仪直接连接于天线装置的底座支承上，该支撑装在安装的冲击振动缓冲器的界面上面，该缓冲器将天线装置的其它部件与支承底座分开并安装在底座上。天线装置还包括由具有有关数字罗盘的GPS单元(全球定位系统)组成的外部传感器。在实际地理位置的基础上，再加上目标物编程位置数据的系统控制贮存数据可获得相对于该目标物的理论计算方向值，但是该方向值其准确度不比用传感器系统和其个别传感器得到的准确度高。双数字罗盘能使本文示出是分开的传感器得到校正，这意味着，磁偏角小于别的情况。作为其结果，计算目标物方向值的方法可说成为构成粗略调节。在用陀螺罗盘时，罗盘连接于系统控制器，因此增加了罗盘方向的准确度。这种粗略调节对于信号检测单元寻找指引信号以便最佳地准直目标物是足够的。
当因为环境条件不能用陀螺罗盘时，利用倾斜仪和已知的目标发射器的仰角(elevation)可以获得方位角(bearing)。当天线转动并用宽带频谱分析器分析信号数据时，专门的发射机组合可以进行鉴别，因而可以确立有关的方位角(bearing)。
运动检测单元13和装在相应轴上的运动传感器可以在整个起始阶段连续传送补偿作用在天线装置上外力的补偿数据，并继续传送上述数据，以保持由倾斜仪表示的水平面，这自然也构成设定需要的目标物海拔高度(beight of elevation)的前提。(如果不能充分达到这一点，则不能安全地认为信号检测装置12已达到其±2°角的检测范围。)
同时通过传感器181～184连续接收在所谓“设定点值”的计算的起始的补偿数据和所谓“真实值”的实际结果值之间差值的信息。
从上面可以明显看出，最重要的是确保个别传感器单元的质量，并且这主要在于天线装置依靠的三维传感器(Vx、Vy、Vz)、(ax、ay、az)和二维倾斜仪(x、y)上的传感器的质量。
选择数字部件可以尽量减小外部干扰信号源对天线装置功能的不利影响。CAN-Bus技术能使天线装置变得对外界干扰不太敏感，而且还使上述装置降低成本，但应当明白，这种技术对本发明不是绝对必要的。
上述例示的天线装置的例示性实施例被说明包含某种特别类型的收发器辐射体。但应当理解，本发明不限于这种收发器辐射体。例如，天线元件可以包括所谓接插天线(patch antenna)，该天线具有微波带状线路，该线路配置在反射器的焦面上，覆盖反射器的绝对焦点，也覆盖其紧接的区域。

Claims (4)

1.一种天线装置，包括天线反射器(10)、收发报部件(11)和信号检测单元(12)，该检测单元用于处理目标物来的信号和根据上述来的信号发生控制信号，以便控制天线反射器(10)与目标物的准直，同时，检测单元(12)包括信号转换器(121～122)和串联的计算单元(123)，该天线装置的特征在于：信号转换器(121～122)适合于自动地递增地减小上述带宽，从必需的最大频率范围减小到较窄的频带范围，其中，其带宽开始起作用并保持到在该带宽内检测到要求的输入信号，由此可得到上述输入信号的最高检测灵敏度；并且，该天线装置还包括一个运动检测单元(13)，该单元包括三维传感器(131、132、133)，该检测单元适合于检测上述天线反射器准直性的变化，同时，该三维传感器配置在天线反射器(10)的后侧，该传感器的信号输出端(130)连接于计算单元123的信号输入端(1230)上，以便产生另外的控制信号；以及，一个驱动单元(15)，一方面响应来源于天线反射器的外部控制信号，另一方面响应来源于运动检测单元(13)的另外的控制信号，由此在机械上控制天线反射器(10)的准直。
2.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，一个第二运动检测单元(17)，该单元(17)具有传感器(171～174)，该传感器用于检测作用在上述天线上的外力和其内部本身造成的上述天线装置中各个转轴线(y、x、z、p)的位置变化，该单元的信号输出端(170)连接于一个第二计算单元(124)的信号输入端(1240)，该第二计算单元的信号输出端(1241)连接于一个系统控制单元(14)的信号输入端(140)，该控制单元的信号输入端(141)又连接于第一计算单元(123)的信号输出端(1231)，而其信号输出端(142)连接于驱动单元(15)的信号输入端(150)。
3.如权利要求2所述的天线装置，其特征在于，一个第三运动检测单元(18)，该单元具有传感器(181～184)，该传感器用于检测已响应补偿数据在天线装置各个转动轴(y、x、z、p)上实际实现的运动补偿，这种实现是通过系统控制单元(14)起动的，该检测单元(18)的信号输出端(180)连接于一个第三计算单元(125)的信号输入端(1250)，该第三计算单元(125)的信号输出端(1251)连接于系统控制单元(14)的信号输入端(143)。
4.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，上述信号转换器(121～122)包括高频部分(121)，该高频部分的输入侧连接于收发报部件(11)的接收器侧，而其输出侧连接于中频部分(122)，在该中频部分中可进行带宽的自动减小。
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