用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)，其包括：多個天線陣元；多個T/R組件，用于對發(fā)射和接收信號進行幅度和相位加權(quán)；多通道收發(fā)信機，用于對發(fā)射信號進行等幅同相分配以及對接收信號進行等幅同相合成；波束參數(shù)庫，用于存儲形成全口徑寬波束形狀所對應的幅度和相位參數(shù)；波束控制器，用于根據(jù)外部輸入的收發(fā)指向信息而調(diào)用幅度和相位參數(shù)并發(fā)送給T/R組件。同時，本發(fā)明還公開了一種依托上述系統(tǒng)的方法。本發(fā)明通過幅度和相位加權(quán)的方式，在寬角度范圍內(nèi)，實現(xiàn)了全部陣元參與的發(fā)射和接收，突破了常規(guī)相控陣天線系統(tǒng)只能進行高指向性收發(fā)的局限，從而提高了收發(fā)單元(即T/R組件)的利用率及其統(tǒng)一性。
【專利說明】用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大型海上固定或移動平臺寬帶無線電通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用 于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)和方法，其適用于需要在廣播發(fā)射模式與定 向收發(fā)模式之間快速切換的應用系統(tǒng)，如以TDD方式工作的海上寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、海上作業(yè) 平臺寬帶接入系統(tǒng)等。

【背景技術(shù)】
[0002] 大型海上平臺包括二種類型，其中一種是相對固定的石油鉆井平臺等海洋工程作 業(yè)平臺，另一種是移動的大型水面艦船。由這些節(jié)點組成的無線通信系統(tǒng)具有網(wǎng)絡拓撲時 變的特點，并且承載平臺也在不停地搖擺中，因此早期海上通信系統(tǒng)普遍采用全向天線，而 不能采用增益更高、抗干擾能力更強的高指向性天線。近年來相控陣天線技術(shù)和陣列信號 數(shù)字處理技術(shù)被引入海上無線電通信系統(tǒng)，通過波束指向控制，在以點對點方式傳輸?shù)南?統(tǒng)中，可以采用較大口徑的相控陣天線，實現(xiàn)高增益的同時還能獲得高指向性，對于從非通 信方向到達的干擾信號在天線端即得到抑制，顯著提高了系統(tǒng)綜合性能。但是由于陣列口 徑越大增益越高，相應的波束寬度越窄，這種直接把"經(jīng)典"的相控陣技術(shù)搬到海上平臺的 方法只適用于"點對點"傳輸模式，當信息需要從一個節(jié)點分發(fā)到多個節(jié)點時，就要分多次 進行"瞄準式"發(fā)射。顯然，在系統(tǒng)節(jié)點規(guī)模達到一定數(shù)量時，會造成通信效率的大幅度下 降。
[0003] 在需要進行廣播發(fā)射的相控陣系統(tǒng)中，會采取變通的方式，即定向收發(fā)時以全口 徑工作，陣列中所有單元都參與收發(fā)，而需要寬波束廣播發(fā)射時，則關(guān)閉陣列的大部分單 元，只保留一小部分單元工作，這樣天線實際口徑減小，增益降低，從而波束變寬，能夠同時 對不同方向的平臺實施通信。這樣做的代價是一方面陣列中大多數(shù)收發(fā)單元（即T/R組件） 的能力未被利用，另一方面還需要大幅增加對繼續(xù)工作的那一小部分陣元的激勵，以補償 因口徑減小引起的增益下降，而且需要使用二種不同功率容量的收發(fā)組件，帶來互換性、工 藝一致性、成本控制等一系列問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種可以提高收發(fā)單元利用率并形成其統(tǒng) 一性的用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)和方法。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收 發(fā)波束的系統(tǒng)，其包括：
[0006] 多個天線陣元，用于向空間輻射和感應無線電電磁能量；
[0007] 多個T/R組件，用于對發(fā)射和接收信號進行雙向的放大，并且對發(fā)送給天線陣元 的激勵信號進行幅度和相位加權(quán)；
[0008] 多通道收發(fā)信機，用于對激勵信號中的發(fā)射信號進行等幅同相分配以及對激勵信 號中的接收信號進行等幅同相合成；
[0009] 波束參數(shù)庫，用于存儲形成全口徑寬波束形狀所對應的幅度和相位參數(shù)；
[0010] 波束控制器，用于根據(jù)外部輸入的收發(fā)指向信息而調(diào)用幅度和相位參數(shù)并發(fā)送給 T/R組件，從而實現(xiàn)全口徑寬波束的形狀。
[0011] 優(yōu)選地，上述的波束參數(shù)庫中至少一組幅度和相位參數(shù)的幅度加權(quán)系數(shù)包括多個 取值介于〇. 707-1之間的系數(shù)、相位加權(quán)系數(shù)包括多個非規(guī)則的系數(shù)，一個幅度加權(quán)系數(shù) 對應一個相位加權(quán)系數(shù)，構(gòu)成多對幅度和相位加權(quán)系數(shù)。
[0012] 進一步地，上述的多通道收發(fā)信機還用于對常規(guī)無線電通信信號的濾波、放大和/ 或變頻處理。
[0013] 用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的方法，其包括以下步驟：
[0014] 1)多通道收發(fā)信機收發(fā)各個天線陣元的激勵信號，并等幅同相分配其中的發(fā)射信 號和等幅同相合成其中的接收信號；
[0015] 2)多通道收發(fā)信機根據(jù)激勵信號而向波束控制器輸入接收來波信息，波束控制器 從波束參數(shù)庫內(nèi)調(diào)用多組幅度和相位參數(shù)，并各發(fā)送至多組T/R組件；
[0016] 3) T/R組件對激勵信號進行幅度和相位加權(quán)，驅(qū)使多個天線陣元形成整個相控陣 陣面的全口徑寬角收發(fā)波束。
[0017] 優(yōu)選地，上述的第2)步驟中，多組幅度和相位參數(shù)中，至少一組幅度和相位參數(shù) 的幅度加權(quán)系數(shù)包括多個取值介于〇. 707-1之間的系數(shù)、相位加權(quán)系數(shù)包括多個非規(guī)則系 數(shù)，一個幅度加權(quán)系數(shù)對應一個相位加權(quán)系數(shù)，構(gòu)成多對幅度和相位加權(quán)系數(shù)。
[0018] 進一步地，上述的第1)和/或2)步驟中，多通道收發(fā)信機還用于對常規(guī)無線電通 信信號的濾波、放大和/或變頻處理。
[0019] 采用上述技術(shù)方案的有益效果在于：本發(fā)明通過在空間排列多個天線陣元，并且 對各陣元的激勵信號進行幅度和相位加權(quán)，使空間電磁輻射集中在需要的方向，接收過程 則與之對偶，通過對各陣元輸出的信號進行幅相加權(quán)后再合成，使得從需要的方向到達的 無線電信號得到疊加加強，而從其它方向到達的信號則不能保證同相疊加而部分或全部抵 消，這樣大量低增益天線組成陣列的結(jié)果，就得到了需要的高增益收發(fā)天線。本發(fā)明在常規(guī) 相控陣天線系統(tǒng)的基礎上，通過幅度和相位加權(quán)的方式，在寬角度范圍內(nèi)，實現(xiàn)了全部陣元 參與的寬角發(fā)射和接收，突破了常規(guī)相控陣天線系統(tǒng)在全口徑條件下只能進行高指向性收 發(fā)的局限，從而提高了收發(fā)單元（即T/R組件）的利用率及其統(tǒng)一性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021] 圖2為采用等幅同相激勵的幅度和相位加權(quán)系數(shù)的曲線圖。
[0022] 圖3為采用等幅等相差激勵的幅度和相位加權(quán)系數(shù)的曲線圖。
[0023] 圖4為采用本發(fā)明的幅度和相位加權(quán)系數(shù)的曲線圖。
[0024] 其中，1.天線陣元2. T/R組件3.多通道收發(fā)信機4.波束參數(shù)庫5.波束控制器。

【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
[0026] 為了達到本發(fā)明的目的，如圖1所示，在本發(fā)明的用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬 角收發(fā)波束的系統(tǒng)的其中一種實施方式中，其包括：多個天線陣元1，用于向空間輻射和感 應無線電電磁能量，天線陣元1的數(shù)量可以根據(jù)實際需要作出變通；多個T/R組件2,用于 對發(fā)射和接收信號進行雙向的放大，并且對發(fā)送給天線陣元的激勵信號進行幅度和相位加 權(quán)，T/R組件2的數(shù)量等于天線陣元1的數(shù)量；多通道收發(fā)信機3,用于對激勵信號中的發(fā)射 信號進行等幅同相分配以及對激勵信號中的接收信號進行等幅同相合成；波束參數(shù)庫4， 用于存儲形成全口徑寬波束形狀所對應的幅度和相位參數(shù)；波束控制器5,用于根據(jù)外部 輸入的收發(fā)指向信息而調(diào)用幅度和相位參數(shù)并發(fā)送給T/R組件，從而實現(xiàn)全口徑寬波束的 形狀。
[0027] 本實施例中，本系統(tǒng)通過在空間排列多個天線陣元，并且對各陣元的激勵信號進 行幅度和相位加權(quán)，使空間電磁輻射集中在需要的方向，接收過程則與之對偶，通過對各 陣元輸出的信號進行幅相加權(quán)后再合成，使得從需要的方向到達的無線電信號得到疊加加 強，而從其它方向到達的信號則不能保證同相疊加而部分或全部抵消，這樣大量低增益天 線組成陣列的結(jié)果，就得到了需要的高增益收發(fā)天線。本發(fā)明在常規(guī)相控陣天線系統(tǒng)的基 礎上，通過幅度和相位加權(quán)的方式，在寬角度范圍內(nèi)，實現(xiàn)了全部陣元參與的發(fā)射和接收， 突破了常規(guī)相控陣天線系統(tǒng)只能進行高指向性收發(fā)的局限，從而提高了收發(fā)單元（即T/R 組件）的利用率及其統(tǒng)一性。
[0028] 下面的表1-3給出了三組一維線陣的權(quán)系數(shù)示例，其中表1以及圖2表示的是等 幅同相激勵的幅度和相位加權(quán)系數(shù)，表2以及圖3表示的是采用等幅等相差激勵的幅度和 相位加權(quán)系數(shù)，該兩組系數(shù)可以在需要的方向上得到高指向性收發(fā)波束。表3以及圖4表 示的是采用本發(fā)明技術(shù)的幅度和相位加權(quán)系數(shù)，其在同樣的陣列上實現(xiàn)了全口徑寬波束收 發(fā)。根據(jù)圖2-3所示，可以看到，三組加權(quán)系數(shù)作用于由25個對稱振子構(gòu)成一維線陣的波 束形狀，在二個正交的方向采用同樣的方法，就可以實現(xiàn)二維波束控制。
[0029] 表1 :25單元一維線陣、等幅同相加權(quán)系數(shù)
[0030]
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)，其特征在于，包括： 多個天線陣元，用于向空間輻射和感應無線電電磁能量； 多個T/R組件，用于對發(fā)射和接收信號進行雙向的放大，并且對發(fā)送給所述天線陣元 的激勵信號進行幅度和相位加權(quán)； 多通道收發(fā)信機，用于對所述激勵信號中的發(fā)射信號進行等幅同相分配以及對所述激 勵信號中的接收信號進行等幅同相合成； 波束參數(shù)庫，用于存儲形成全口徑寬波束形狀所對應的幅度和相位參數(shù)； 波束控制器，用于根據(jù)外部輸入的收發(fā)指向信息而調(diào)用所述幅度和相位參數(shù)并發(fā)送給 所述T/R組件，從而實現(xiàn)全口徑寬波束的形狀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)，其特 征在于，所述波束參數(shù)庫中至少一組幅度和相位參數(shù)的幅度加權(quán)系數(shù)包括多個取值介于 0. 707-1之間的系數(shù)、相位加權(quán)系數(shù)包括多個非規(guī)則的系數(shù)，一個所述幅度加權(quán)系數(shù)對應一 個所述相位加權(quán)系數(shù)，構(gòu)成多對幅度和相位加權(quán)系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的系統(tǒng)，其特 征在于，所述多通道收發(fā)信機還用于對常規(guī)無線電通信信號的濾波、放大和/或變頻處理。
4. 用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 多通道收發(fā)信機收發(fā)各個天線陣元的激勵信號，并等幅同相分配其中的發(fā)射信號和 等幅同相合成其中的接收信號； 2) 所述多通道收發(fā)信機根據(jù)所述激勵信號而向波束控制器輸入接收來波信息，所述波 束控制器從波束參數(shù)庫內(nèi)調(diào)用多組幅度和相位參數(shù)，并各發(fā)送至多組T/R組件； 3) 所述T/R組件對所述激勵信號進行幅度和相位加權(quán)，驅(qū)使所述多個天線陣元形成整 個相控陣陣面的全口徑寬角收發(fā)波束。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的方法，其特征在 于，所述第2)步驟中，所述多組幅度和相位參數(shù)中，至少一組幅度和相位參數(shù)的幅度加權(quán) 系數(shù)包括多個取值介于〇. 707-1之間的系數(shù)、相位加權(quán)系數(shù)包括多個非規(guī)則的系數(shù)，一個 所述幅度加權(quán)系數(shù)對應一個所述相位加權(quán)系數(shù)，構(gòu)成多對幅度和相位加權(quán)系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的用于實現(xiàn)相控陣天線全口徑寬角收發(fā)波束的方法，其特 征在于，所述第1)和/或2)步驟中，所述多通道收發(fā)信機還用于對常規(guī)無線電通信信號的 濾波、放大和/或變頻處理。
【文檔編號】H01Q21/29GK104092486SQ201410328640
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】蔣永寧, 于佳音, 薄亞明 申請人:蘇州市江海通訊發(fā)展實業(yè)有限公司