CN1741316A - 一种无馈源卫星接收天线的极化匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，该方法中预先设置极化角调整门限值X和预先确定卫星接收天线的初始极化角P0，该方法还包括以下步骤：A.当该卫星接收天线移动时，计算卫星接收天线当前移动位置的极化角P1；B.判断该当前移动位置的极化角P1与P0之差的绝对值是否大于所述极化角调整门限值X，如果大于或等于则旋转卫星接收天线|P1－P0|度，并将P1的值赋予P0，存储赋值后的P0和返回重新执行步骤A，否则直接返回重新执行步骤A。通过本发明所提出的无馈源卫星接收天线的极化匹配方法可以完成移动当中的无馈源卫星接收天线的极化匹配。

Description

一种无馈源卫星接收天线的极化匹配方法

技术领域

本发明涉及卫星天线技术，特别是一种无馈源卫星接收天线的极化匹配方法。

背景技术

在卫星信号接收中，目前常用的卫星接收天线主要是抛物面天线，如偏馈天线、卡塞格伦天线、格里高利天线等。随着用户需求的不断发展，已经出现了在移动当中接收卫星信号的需求，即动态卫星信号接收。通常情况下，移动当中的物体对卫星接收天线的体积和高度的要求较严格，一般需要高度低、体积小、与载体外形能够很好吻合的卫星接收天线。例如：移动中的火车、汽车等交通工具的可利用空间就非常有限，因此通常无法放置高度和体积较大的卫星接收天线。然而，目前抛物面天线的体积和高度都比较大，对载体的外形都会造成一定程度的破坏，无法适应动态卫星信号接收中对天线高度和体积的严格要求。

相控阵天线目前广泛应用于军事当中，它是一种由许多辐射单元排成阵列形式的定向天线，并且各辐射单元之间的辐射能量和相位关系是可以控制的。典型的相控阵天线是利用电子计算机控制移相器，以通过改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描。同抛物面天线等常用的卫星接收天线相比，相控阵天线的体积小、高度低，但是由于相控阵天线结构复杂，造价非常昂贵，并不能在动态卫星信号接收中获得广泛的应用。

为了实现在移动当中接收卫星信号，并且降低卫星接收天线的成本，可采用混合相控阵卫星接收天线。混合相控阵卫星接收天线在方位角上采用机械扫描，并利用各种参考信号完成对卫星信号的扫描搜索和捕获；在俯仰角上采用相扫，以覆盖俯仰角范围内的卫星信号。通常的抛物面天线可采用调整馈源极化角的方法来实现极化匹配。但是，并不是所有的卫星接收天线都有馈源，例如混合相控阵卫星接收天线等就没有馈源，所有这种方法无法适用于无馈源的卫星接收天线。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，以完成移动中的无馈源卫星接收天线的极化匹配。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，该方法中预先设置极化角调整门限值X和预先确定卫星接收天线的初始极化角P0，该方法还包括以下步骤：

A、当该卫星接收天线移动时，确定卫星接收天线当前移动位置的极化角P1；

B、判断该当前移动位置的极化角P1与P0之差的绝对值是否大于所述极化角调整门限值X，如果大于或等于则调整卫星接收天线的极化角，并将P1的值赋予P0，存储赋值后的P0和返回重新执行步骤A，否则返回重新执行步骤A。

所述的预先确定卫星接收天线的初始极化角P0为：确定卫星的定点经度Ls、卫星接收天线初始位置的经度Le和卫星接收天线的初始位置的纬度H，再根据公式P0＝arctag[sin(Le-Ls)/tgH]计算初始极化角P0。

步骤A所述的确定卫星接收天线当前移动位置的极化角P1为：确定卫星的定点经度Ls、卫星接收天线当前移动位置的经度Le1和卫星接收天线的当前移动位置的纬度H1，再根据公式P1＝arctag[sin(Le1-Ls)/tgH1]计算当前移动位置的极化角P1。

步骤B所述的调整卫星接收天线的极化角为：旋转卫星接收天线阵面，并且旋转的角度值为当前移动位置的极化角P1与P0之差的绝对值。

所述确定卫星接收天线初始位置的经度Le和卫星接收天线的初始位置的纬度H为：通过GPS模块确定卫星接收天线初始位置的经度Le和卫星接收天线的初始纬度H。

所述确定卫星接收天线当前移动位置的经度Le1和卫星接收天线的当前移动位置纬度H1为：通过GPS模块确定卫星接收天线当前移动位置的经度Le1和卫星接收天线的当前移动位置的纬度H1。

所述的无馈源卫星接收天线为混合相控阵卫星接收天线。

从以上的技术方案可以看出，本发明首先预先设定极化角调整门限值X和确定移动卫星接收天线的初始极化角P0，并在卫星接收天线的移动过程中计算出当前移动位置的极化角P1，然后将初始极化角P0和当前移动位置的极化角P1进行比较，如果差值大于或者等于预先设定的极化角调整门限值X则旋转卫星接收天线，重新调整极化角，并将P1的值赋予P0，以使得无馈源卫星接收天线完成移动当中的极化匹配。所以应用本发明后，实现了在无馈源的卫星接收天线中移动完成极化匹配。

附图说明

图1为本发明的无馈源卫星接收天线的极化匹配流程示意图。

图2为混合相控阵卫星接收天线的结构示意图。

图3为一实施例的波导裂缝阵列天线单元阵面的示意图。

图4为本发明一实施例的混合相控阵的极化匹配流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图1为本发明的无馈源卫星接收天线的极化匹配流程示意图。该方法首先预先设定极化角转动门限值X和确定并存储卫星接收天线的初始极化角，并将该初始极化角赋予变量P0，存储该变量P0并调整卫星接收天线的极化角为P0。具体为，在卫星接收天线启动后，首先根据接收卫星的定点经度、卫星接收天线所在地的经纬度而计算出卫星接收天线刚开始的初始极化角P0。优选地，此时的卫星接收天线是静止的。其中P0＝arctag[sin(Le-Ls)/tgH]，其中Le为移动物体初始所在位置的纬度，Ls为接收卫星的定点经度，H为移动物体初始所在位置的纬度。计算出初始极化角P0后，将该极化角赋予变量P0并且调整卫星接收天线的极化角为P0。如图1所示，该方法还包括以下步骤：

步骤101：当卫星接收天线移动时，计算出当前移动位置的极化角P1。

当卫星接收天线开始移动后，计算移动当中的卫星接收天线在当前移动位置的极化角，并将该极化角赋予变量P1，其中P1＝arctag[sin(Le1-Ls)/tgH1]，其中Le1为移动物体当前所在位置的纬度，Ls为接收卫星的定点经度，H1为移动物体当前所在位置的纬度。

步骤102：将变量P0减去变量P1，得到(P0-P1)的值。

步骤103：判断(P0-P1)的绝对值是否大于预先设定的极化角转动门限值X，如果大于或者等于则执行步骤104，否则返回重新执行步骤101。

步骤104：将卫星接收天线阵面旋转|(P0-P1)|度，|(P0-P1)|为(P0-P1)的绝对值，然后将P1的值赋于变量P0，并且存储赋值后的变量P0，然后返回重新执行步骤101。

本发明所提出的无馈源卫星接收天线的极化匹配方法可适用于无馈源条件下的卫星接收天线，而混合相控阵卫星接收天线属于无馈源卫星接收天线的一种。

图2为一实施例的混合相控阵卫星接收天线的结构图。如图2所示，该卫星接收天线包括波导裂缝阵列天线单元阵面201、低噪声变频模块(LNB)202、功分器203、误差信号处理器204、天线控制器205、触点开关206、GPS模块207、角度传感器模块208和执行机构209。功分器203的一路输出还和卫星接收机210连接。其中：

波导裂缝阵列天线单元阵面201用于接收卫星信号；LNB 202用于对卫星信号进行低噪声变频处理；功分器203用于将卫星信号均等地分配为至少两路的信号，并将其中的一路信号发送给误差信号处理器204，另一路信号发送到卫星接收机210；角度传感器模块208用于向天线控制器205提供波导裂缝阵列天线单元阵面201的角度信息，使得波导裂缝阵列天线单元阵面201的阵面主波束正确地指向选择的卫星，同时还用于圆锥扫描方位角扫描范围控制；GPS模块207用于向天线控制器205提供该卫星接收天线所在地的经纬度；触点开关206用于当卫星接收天线的方位角、俯仰角和极化角超过范围时向天线控制器205发送触点开关电平信息；误差信号处理器204用于对功分器203发送过来的卫星信号进行载波检测，并将载波检测结果向天线控制器205发送；天线控制器205用于根据载波检测结果、角度信息、混合相控阵卫星接收天线所在地的经纬度和触点开关电平信息向执行机构发送天线驱动命令；执行机构209根据天线驱动命令控制波导裂缝阵列单元阵面201，以驱动波导裂缝阵列单元201阵面正确指向卫星并且极化匹配适当。波导裂缝阵列天线单元201阵面与LNB 202和执行结构209连接，LNB 202与功分器203连接，功分器203与误差信号处理器204连接，误差信号处理器204与天线控制器205连接，GPS模块207、触点开关206、角度传感器模块208分别与天线控制器205连接。

具体的，波导裂缝阵列天线单元阵面201接收卫星发出的高频电磁波能量，选择所需要的卫星信号，抑制外界干扰信号，放大接收到的微弱卫星高频信号，并对卫星信号进行降频变换处理，以将高频的卫星信号转换为中频信号。其中，波导裂缝阵列天线单元阵面201的通信器件可包括波导裂缝天线平面阵列和波束形成网络，其中波束形成网络用于控制波导裂缝天线平面阵列各阵源的幅度和相位，满足天线主波束增益和旁瓣要求，实现多波束指向和覆盖指定的空域。波导裂缝阵列天线单元阵面201在接收到卫星信号并完成相应处理后，向LNB 202发送该卫星信号，LNB 202对波导裂缝阵列天线单元201传送过来的卫星信号进行低噪声变频处理。

功分器203将卫星信号均等的分配为至少两路的信号，并将其中的一路信号发送给误差信号处理器204，而将另一路信号发送给卫星接收机210等接收装置。在这里，可以采用二功分器，也可以采用四功分器或者八功分器。

误差信号处理器204对功分器203发送过来的卫星信号进行载波检测，得到微波信号电平，并输出该微波信号电平到天线控制器205。误差信号处理器204可由滤波器、放大器、可控衰减器、检波器、整形电路、直流放大器等组成。误差信号处理器204连续地用检波器检出1GHZ微波信号电平，并输出给天线控制器205，用作AGC电平指示和极值跟踪，解决载波跟踪信息源问题。

触点开关206用于当卫星接收天线的方位角、俯仰角和极化角超过范围时向天线控制器205发送触点开关电平信息，以完成卫星接收天线的限位和解缠绕。

GPS模块207用于向天线控制器205提供该卫星接收天线所在地的经纬度。GPS模块207可通过RS232等接口将卫星接收天线所在地的经纬度信息输出给天线控制器205，由天线控制器205实时计算出移动物体所在位置指向目标的方位角和俯仰角，以便于快速捕获卫星。同时，天线控制器205根据GPS模块207提供的卫星接收天线所在地的经纬度信息监测并调整极化角，以实现卫星接收天线的极化匹配。

角度传感器模块208用于向天线控制器205提供卫星接收天线的角度信息，使得波导裂缝阵列天线单元201的阵面主波束正确地指向选择的卫星，同时还可用于圆锥扫描方位角扫描范围控制。优选地，方位角模块108具体的实施方式可为自动航向仪或者陀螺仪。

天线控制器205是混合相控阵卫星接收天线的操作控制中心。启动卫星接收天线后，天线控制器205首先完成卫星接收天线的初始化，其中该初始化过程包括：检测执行机构209的运转是否正常，以完成卫星接收天线的自检测；通过检波电路连续监测执行机构209在各个运转方向的本地噪声电平，然后计算出这些噪声电平的平均值，并将该平均值设置为门限电平以作为扫描转自跟踪的判决依据。在启动并完成卫星接收天线初始化后，天线控制器205根据输入的已知数据计算卫星接收天线的理论指向角和理论极化角，然后通过执行结构209驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201，然后通过角度传感器模块208和GPS模块207检测执行结果并再作适当的调整。当天线控制器205控制卫星接收天线运转到指定的角度后，如果没有发现卫星信号，则天线控制器205启动圆锥扫描过程，以在由小到大的范围内检测信号电平，发现并捕获卫星信号，然后转入极值自动跟踪。在卫星接收天线转入极值自动跟踪后，如果由于某种原因天线信号突然地中断，天线控制器205还可控制卫星接收天线对卫星信号完成记忆跟踪处理。同时，在卫星接收天线的工作过程中，当触点开关206向天线控制器205发送触点开关电平信息后，天线控制器205强制决定天线的起停运状态和控制天线的解绕运转。优选地，天线控制器的上述控制功能可以通过单片机或者中央处理器(CPU)等来实现。

执行机构209用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201。执行结构209包括方位电机、俯仰电机和极化匹配电机。方位电机用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201在水平面上转动，以完成扫描搜索捕获卫星信号；俯仰电机用于驱动波导裂缝阵列天线单元阵面201在俯仰面上转动，以覆盖俯仰角有限范围内的卫星信号；极化匹配电机用于驱动旋转波导裂缝阵列天线单元阵面201，以实现卫星接收天线的极化匹配。

根据图2，图3为一实施例的波导裂缝阵列天线单元阵面的示意图。如图3所示，该波导裂缝阵列天线单元阵面包括16行44列的波导裂缝阵列单元301和波束形成网络，其中波束形成网络又包括16个LNA 302、16个微调移相器303、16个微带移相电路304和2个相加网络305。两个相加网络305分别和一个电子开关306相连。波导裂缝阵列单元301用于接收卫星信号，而且波导裂缝阵列单元301的每一行输出卫星信号，并且波导裂缝阵列单元301的16行所输出的卫星信号分别输入到相对应的16个LNA 302；LNA 302用于对相应的卫星信号进行放大，并将每个卫星信号输入到相应的微调移相器303；微调移相器303用于补偿卫星信号从波导裂缝阵列单元301传输到该LNA的传输延迟；微带移相电路304用于形成固定多波束，完成相位控制、降低旁瓣，并将多波束的卫星信号发送到相加网络305，其中每个微带移相电路304将卫星信号分为2路卫星信号，并控制每路卫星信号的相位，使得每个微带移相电路304分出的第n路卫星信号与其它15个微带移相电路304中的每一个微带移相电路304所分出的第n路卫星信号同相，其中n＝(1或2)，M个微带移相电路304中的同相的第n路卫星信号都发送到同一个相加网络305，即16个微带移相电路304分别形成信号φ1-1、信号φ1-2、信号φ1-3......信号φ1-16和信号φ2-1、信号φ2-2、信号φ2-3......信号、φ2-16，φ1-1、φ1-2、φ1-3......φ1-16的相位相同并且进入一个相加网络；φ2-1、φ2-2、φ2-3......φ2-16的相位相同并且进入另一个相加网络；相加网络305用于对多波束卫星信号相加，以形成宽波束，从而增加俯仰面的覆盖范围；电子开关306用于控制输出两个相加网络306所输出的卫星信号。当两个波束的卫星信号都通过电子开关后，便集中输出到LNB。以上实施例中，波导裂缝阵列单元301为16行44列，而波导裂缝阵列单元301的行数和列数可以改变。

图3中，微带移相电路304将卫星信号分为两个波束。可选地，微带移相电路304也可产生四个波束、六波束、八波束、十波束等偶数个波束。同理，再相应的增加相加网络的个数。例如：如果移相电路304产生四个波束，则需要四个相加网络，如果移相电路304产生八个波束，则需要八个相加网络，可以依此类推。

结合图1所示的本发明极化匹配流程图和图2所示的混合相控阵卫星接收天线，图4为本发明一实施例的无馈源卫星接收天线的极化匹配流程图。预先在天线控制器205设定极化角调整门限值X和确定并存储卫星接收天线的初始极化角，并将该初始极化角赋予变量P0和存储该变量P0。天线控制器205然后控制执行机构209将卫星接收天线的极化角调整为该初始极化角P0。此时，初始极化角P0＝arctag[sin(Le-Ls)/tgH]，其中Le为移动物体初始所在位置的纬度，Ls为接收卫星的定点经度，H为移动物体初始所在位置的纬度，而且Le和H由GPS模块207所提供。如图4所示，该方法还包括以下步骤：

步骤401：当该混合相控阵卫星接收天线移动时，GPS模块207向天线控制器205发送卫星接收天线当前所在地的经度Le1和纬度H1，天线控制器205计算出此时的极化角，将该极化角赋予变量P1。此时，P1＝arctag[sin(Le1-Ls)/tgH1]。

步骤402：天线控制器205判断变量P0和变量P1之差的绝对值是否大于或者等于预先设定的极化角调整门限值X，如果大于或者等于执行步骤403；如果小于则暂时不调整当前的极化角，并返回执行步骤401。

步骤403：天线控制器205控制执行机构209旋转波导裂缝阵列天线单元阵面201，旋转的度数为P0和P1之差的绝对值，从而调整当前极化角以完成极化匹配，然后将当前的P1的值赋予变量P0，并存储P0，并返回执行步骤401。

当卫星接收天线在各个方向大范围移动时，通过以上的步骤可以在不中断信号的情况下，使得接收到的卫星信号的强度最大，从而实现无馈源卫星接收天线的极化匹配。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，其特征在于，该方法中预先设置极化角调整门限值X和预先确定卫星接收天线的初始极化角P0，该方法还包括以下步骤：

A、当该卫星接收天线移动时，确定卫星接收天线当前移动位置的极化角P1；

B、判断该当前移动位置的极化角P1与P0之差的绝对值是否大于所述极化角调整门限值X，如果大于或等于则调整卫星接收天线的极化角，并将P1的值赋予P0，存储赋值后的P0和返回重新执行步骤A，否则返回重新执行步骤A。

2、根据权利要求1所述的无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，其特征在于，所述的预先确定卫星接收天线的初始极化角P0为：确定卫星的定点经度Ls、卫星接收天线初始位置的经度Le和卫星接收天线的初始位置的纬度H，再根据公式P0＝arctag[sin(Le-Ls)/tgH]计算初始极化角P0。

3、根据权利要求1所述的无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，其特征在于，步骤A所述的确定卫星接收天线当前移动位置的极化角P1为：确定卫星的定点经度Ls、卫星接收天线当前移动位置的经度Le1和卫星接收天线的当前移动位置的纬度H1，再根据公式P1＝arctag[sin(Le1-Ls)/tgH1]计算当前移动位置的极化角P1。

4、根据权利要求1所述的无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，其特征在于，步骤B所述的调整卫星接收天线的极化角为：旋转卫星接收天线阵面，并且旋转的角度值为当前移动位置的极化角P1与P0之差的绝对值。

5、根据权利要求2所述的无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，其特征在于，所述确定卫星接收天线初始位置的经度Le和卫星接收天线的初始位置的纬度H为：通过GPS模块确定卫星接收天线初始位置的经度Le和卫星接收天线的初始纬度H。

6、根据权利要求3所述的无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，其特征在于，所述确定卫星接收天线当前移动位置的经度Le1和卫星接收天线的当前移动位置纬度H1为：通过GPS模块确定卫星接收天线当前移动位置的经度Le1和卫星接收天线的当前移动位置的纬度H1。

7、根据权利要求1所述的无馈源卫星接收天线的极化匹配方法，其特征在于，所述的无馈源卫星接收天线为混合相控阵卫星接收天线。

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