CN108539418B - 一种相控阵雷达天线控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线电定向；无线电导航；采用无线电波测距或测速；采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测；采用其他波的类似装置技术领域，公开了一种相控阵雷达天线控制***及方法，包括：天线阵列模块、阵面选择开关模块、收发放大器及滤波器模块、移相器及功分模块、GPS/BD定位模块、姿态传感器模块、控制及电源模块、波束指向自动控制模块。本发明满足了小型化、低功耗、高辐射效率、高隔离度的要求。本发明射频通道相对于传统相控阵架构***，射频收发通道数减少了5倍，功耗也相应减小约5倍，开关线移相器的应用，在工作带宽内相位延时满足信号空间时延特性，各频点指向精准；省略了全部机械相关设备；极大地降低了总功耗需求。

Description

一种相控阵雷达天线控制***及方法
技术领域
本发明属于无线电定向；无线电导航；采用无线电波测距或测速；采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测；采用其他波的类似装置技术领域，尤其涉及一种相控阵雷达天线控制***及方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：动中通海事卫星天线已在航海、勘测、车载等信息互联***得到广泛应用，其传统方案采用机械伺服加姿态传感来实现(天线阵面采用固定波束，控制***通过位置信息，姿态信息控制方位、俯仰伺服电机，调整阵面指向)，由于载体所处的工况相对恶劣，机械伺服机构存在可靠性低，故障率高的技术风险。存在以下两方面缺陷：1，由于方位、俯仰伺服***频繁做姿态调整，***的指向精度随即会产生一个累计误差，导致指向精度的降低；2，尤其在舰船载体工况下，传统机械伺服动中通***中，伺服***处于频繁调整状态，俯仰向更为突出，实际应用中已出现伺服***的高故障率)。
综上所述，现有技术存在的问题是：(1)传统的动中通海事卫星天线采用机械伺服加姿态传感存在可靠性低，故障率高。(2)采用传统相控阵架构，存在结构上的复杂性，重量的不适性以及成本的不可控。
解决上述技术问题的难度和意义：天线单元以及天线***整体的小型化：由于载体所提供的安装环境及工作环境的限制，对天线体积、重量有严苛的要求，在小的口径面积内要实现波束的扫描，天线辐射单元同样需要小的有效口径和单元数量，本发明采用高介电常数基板材料，缩小辐射单元口径尺寸。工作带宽：海事卫星通讯***，右旋圆极化工作相对带宽达到约10％，以属于宽带形微带天线(体积限制，优选采用微带贴片型辐射单元)。本发明辐射单元采用层叠结构，使***收发通道对应独立收发天线，提高了相对带宽内，收发各通道的辐射效率；通过收发独立的叠层方式，提高了通道的收发隔离度。波束形成：通讯***的技术指标要求，须满足上半球空域以及有限负仰角范围，且波束覆盖须满足高速率数据传输要求。本发明的波束形成网络，采用开关线移相器，开关选用低延时、低插损射频开关，在传输线上实现真延时，满足频带内的色散特性。通过以上的方案架构，着重解决了现有产品(机械伺服架构)在应用中所出现的指向精度和低可靠性问题，并相对于传统相控阵架构，降低了天线复杂度，重量可适应，低成本性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种相控阵雷达天线控制***及方法。
本发明是这样实现的，一种相控阵雷达天线控制***，所述相控阵雷达天线控制***包括：天线阵列模块、阵面选择开关模块、收发放大器及滤波器模块、移相器及功分模块、GPS/BD定位模块、姿态传感器模块、控制及电源模块、波束指向自动控制模块；
天线整列模块负责把发射通道的射频信号辐射到空间去，和把接收信号从空间接收回来，送到接收通道。
阵面选择开关模块是根据天线的物理位置、姿态不同信息计算出波束指向，例如：该专利的五个天线面分别编号为面1、面2、面3、面4和顶面，假如波束指向在“面1”的范围内，那么阵面选择开关模块就需要把开关切到“面1”；如果波束指向从“面1”覆盖范围变到“面2”覆盖范围，那么阵面选择开关模块就需要把开关从“面1”切换到“面2”。
收发放大器及滤波器模块主要对收发通道的信号进行放大和滤波。
移相器及功分模块主要是把发射信号功分为多路，并进行移相，和对多路接收信号移相，并进行合路。
GPS/BD定位模块主要接收GPS/BD信号，并解调出当前位置信息(数字信号)，把位置信息传给控制及电源模块。
姿态传感器模块主要是把该天线的当前的物理姿态转换为数字姿态信息，送给控制及电源模块。
GPS/BD定位模块，用于把天线接收下来的GPS/BD信号，经过滤波、放大、混频、滤波后，送入基带信号处理单元，把GPS/BD的射频信号转化为数字位置信息；把数字位置信息输入总控单元；
控制及电源模块，用于为天线阵列模块、阵面选择开关模块、收发放大器及滤波器模块、移相器及功分模块、GPS/BD定位模块、姿态传感器模块、波束指向自动控制模块提供供电和控制信号；
波束指向自动控制模块，用于根据发送过来的GPS定位信息、天线单元姿态信息、以及卫星位置信息计算相控天线的波束指向，得到阵面坐标系下的方位角和俯仰角，控制阵面开关切换相应阵面，根据波束指向计算阵面移相器的移相量和波控码。
进一步，所述天线阵列模块采用高介电常数基板材料，右旋圆极化工作相对带宽达到10％；辐射单元采用层叠结构。
进一步，所述天线阵列模块采用个面阵组阵方式，单个面阵形成多波束独立覆盖本阵面的方位/俯仰±45°空域；
线阵结构天线方向图函数：
上式中
θb为天线波束最大值指向，改变相邻振子间的Δφ。
进一步，所述移相器及功分模块包括：移相器、合路/功分器、双工器、放大器及滤波器。
本发明的另一目的在于提供一种所述相控阵雷达天线控制***的相控阵雷达天线控制方法，所述相控阵雷达天线控制方法包括：
天线位置信息为[λ，L，H]，天线姿态信息为卫星位置信息为旋转椭球体参数选用WGS-84标准下的参数：
Re＝6378137m，Rp＝6356752m，e＝1/298.257；
RN＝Re(1+e(sinL)2)；
(1)将天线位置信息转到地球直角坐标下，转换后坐标为
则由天线指向卫星的向量表示为：
(2)该向量在地理坐标系下表示为转换关系如下：
其中，
(3)向量在阵面坐标系下表示为转换关系为：
其中：
其中θ：俯仰角，方位角，γ：横滚角：
(4)波束指向：
俯仰角：
方位角：
逻辑控制，波束扫描范围为正负45°，波束宽度为42°。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述相控阵雷达天线控制***的航海信息互联***。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述相控阵雷达天线控制***的勘测信息互联***。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述相控阵雷达天线控制***的车载信息互联***。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述相控阵雷达天线控制***的电路架构。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明射频通道相对于传统相控阵架构***，射频收发通道数减少了5倍，功耗也相应减小约5倍，开关线移相器的应用，在工作带宽内相位延时满足信号空间时延特性，各频点指向精准；本发明中，省略了全部机械相关设备，整机可靠性得到大幅提升；极大地降低了总功耗需求：一个“收发放大器模块”占用21.9W，控制及电源模块、姿态传感单元、GPS/BD接收***等占用1.4W，移相及功分模块占用0.72W，开关模块占用0.00075W，电源按照85％计算，本发明需要总功耗28.26W；传统做法，需要5个“收发放大器模块”、1个控制及电源模块、1个姿态传感单元、1个GPS/BD接收***、一个移相及功分模块，电源按照85％效率计算，传统***需要111.62W；本发明只有传统***总功耗的25.32％，极大地降低了功耗需求。辐射效率提高，按照辐射功率最大44.5dBm(28.18W)，最小辐射功率42.5dBm(17.78W)，辐射效率分别是99.7％和62.9％，极大地提高了辐射效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的相控阵雷达天线控制***结构示意图；
图中：1、天线阵列模块；2、阵面选择开关模块；3、收发放大器及滤波器模块；4、移相器及功分模块；5、GPS/BD定位模块；6、姿态传感器模块；7、控制及电源模块；8、波束指向自动控制模块。
图2是本发明实施例提供的相控阵雷达天线控制方法流程图。
图3是本发明实施例提供的相控阵雷达天线射频信号走向总体设计架构示意图。
图4是本发明实施例提供的单个阵面波束形成方式示意图。
图5是本发明实施例提供的收发放大器及滤波器模块电路示意图。
图6是本发明实施例提供的移相器及功分模块电路示意图。
图7是本发明实施例提供的移相器设计电路示意图。
图8是本发明实施例提供的天线阵面位置示意图。
图9是本发明实施例提供的相控阵雷达天线控制***实现结构示意图。
图10是本发明实施例提供的波束覆盖计算结果示意图；
图中：(a)波束1特性； (b)波束2特性； (c)波束3特性； (d)波束4特性； (e)波束5特性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明总体结构设计在满足结构指标要求及强度要求的前提下，实现小型化、紧凑化、模块化、简单化。
如图1所示，本发明实施例提供的相控阵雷达天线控制***包括：天线阵列模块1、阵面选择开关模块2、收发放大器及滤波器模块3、移相器及功分模块4、GPS/BD定位模块5、姿态传感器模块6、控制及电源模块7、波束指向自动控制模块8。
天线整列模块1，用于把发射通道的射频信号辐射到空间去，和把接收信号从空间接收回来，送到接收通道。
阵面选择开关模块2，根据天线的物理位置、姿态不同信息计算出波束指向，例如：五个天线面分别编号为面1、面2、面3、面4和顶面，假如波束指向在“面1”的范围内，那么阵面选择开关模块2就需要把开关切到“面1”；如果波束指向从“面1”覆盖范围变到“面2”覆盖范围，那么阵面选择开关模块2就需要把开关从“面1”切换到“面2”。
收发放大器及滤波器模块3，用于对收发通道的信号进行放大和滤波。
移相器及功分模块4，用于把发射信号功分为多路，并进行移相，和对多路接收信号移相，并进行合路。
GPS/BD定位模块5，用于接收GPS/BD信号，并解调出当前位置信息(数字信号)，把位置信息传给控制及电源模块7。
姿态传感器模块6，用于把该天线的当前的物理姿态转换为数字姿态信息，送给控制及电源模块7。
控制及电源模块7，用于为天线阵列模块1、阵面选择开关模块2、收发放大器及滤波器模块3、移相器及功分模块4、GPS/BD定位模块5、姿态传感器模块6、波束指向自动控制模块8提供供电和控制信号；
波束指向自动控制模块8，用于根据发送过来的GPS定位信息、天线单元姿态信息、以及卫星位置信息计算相控天线的波束指向，得到阵面坐标系下的方位角和俯仰角，控制阵面开关切换相应阵面，根据波束指向计算阵面移相器的移相量和波控码。
如图2所示，本发明实施例提供的相控阵雷达天线控制方法包括以下步骤：
S201：根据本地位置信息、姿态信息以及目标位置信息计算波束指向，控制模块实时处理定位模块的位置信息和姿态传感器的姿态信息，然后根据目标位置按照前述公式计算波束指向；
S202：阵面选择，阵面共分为5个阵面，首先根据计算的波束俯仰信息判断是否选择顶面阵子，当波束指向在YOZ面的投影与OZ轴的夹角小于45度且波束指向在XOZ面的投影与OZ轴的夹角小于45度时选择顶面。根据波束指向在XOY面的投影选择相应其它四个阵面；
S203：波束指向划分，将每个阵面的方位和俯仰划分为5个指向，分别为0度、20度、40度、-20度、-40度；阵面选择后，根据波束方位指向、俯仰方位选择相应的波束切换。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明的天线单元以及天线***整体的小型化：由于载体所提供的安装环境及工作环境的限制，对天线体积、重量有严苛的要求，在小的口径面积内要实现波束的扫描，天线辐射单元同样需要小的有效口径和单元数量；采用高介电常数基板材料，缩小辐射单元口径尺寸。
工作带宽：海事卫星通讯***，右旋圆极化工作相对带宽达到约10％，以属于宽带形微带天线(体积限制，优选采用微带贴片型辐射单元)。
辐射单元采用层叠结构，使***收发通道对应独立收发天线，提高了相对带宽内，收发各通道的辐射效率；通过收发独立的叠层方式，提高了通道的收发隔离度。
波束形成：通讯***的技术指标要求，须满足上半球空域以及有限负仰角范围，且波束覆盖须满足高速率数据传输要求。
波束形成网络，采用开关线移相器，开关选用低延时、低插损射频开关，在传输线上实现真延时，满足频带内的色散特性。
天线阵列模块1，天线整体采用5个面阵组阵方式来实现，单个面阵形成多波束独立覆盖本阵面的方位/俯仰±45°空域，阵面之间采用低插损射频开关选择切换。单个阵面波束形成方式如图4。
振子单元，由于天线外形尺寸的限制，在振子选型上优选低抛面方式，针对这一特点，选用微带贴片形式，其优点是具有较低的结构抛面，在本发明中由于工作使用带宽接近10﹪。
本发明天线的阵面根据波束偏移基本理论来进行设计，线阵结构天线，方向图函数：
上式中
θb为天线波束最大值指向，改变相邻振子间的Δφ，天线波束的最大值方向随之发生偏移，形成波束扫描的功能。
在本发明中，由于天线口面的限制，振子单元数量不能取太多，小的振子单元数又会带来波束扫描能力的下降，综合口面范围内，波束扫描的约束、天线增益的约束、振子互藕等多种因数影响，振子单元数选择3*3面阵方式，单阵面结构布局，如图5，在总体规划时把下图的部分电路规划为收发放大器及滤波器模块3，单独做成一个电路板。
如图6和图7，在总体规划时把下图的部分电路规划为移相器及功分模块4，做为单独一部分。包含了：移相器、合路/功分器、双工器、放大器及滤波器。
GPS/BD定位模块5，把天线接收下来的GPS/BD信号，经过滤波、放大、混频、滤波后，送入基带信号处理单元，把GPS/BD的射频信号转化为数字位置信息；然后把数字位置信息输入总控单元。
控制及电源模块7，该部分为整机的电源分配和总控制部分，为各个分模块提供供电和控制信号。
波束指向自动控制模块8，根据发送过来的GPS定位信息、天线单元姿态信息、以及卫星位置信息计算相控天线的波束指向，得到阵面坐标系下的方位角和俯仰角，然后控制阵面开关切换相应阵面，根据波束指向计算阵面移相器的移相量和波控码。
波束指向自动控制模块8的控制方法包括：
假设天线位置信息为[λ，L，H]，天线姿态信息为卫星位置信息为
常用参考旋转椭球体参数选用WGS-84标准下的参数，如下所示：
Re＝6378137m，Rp＝6356752m，e＝1/298.257。
RN＝Re(1+e(sinL)2)；
(1)将天线位置信息转到地球直角坐标下，转换后坐标为
则由天线指向卫星的向量可表示为：
(2)该向量在地理坐标系下可表示为转换关系如下：
其中，
该向量在阵面坐标系下可表示为转换关系为：
其中：
其中θ：俯仰角，方位角，γ：横滚角：
(4)波束指向：
俯仰角：
方位角：
逻辑控制，波束扫描范围为正负45°，波束宽度为42°。天线阵面共分为五个阵面，包括侧面四个，顶面一个。其中一个阵面阵子分布如图8所示。当波束指向俯仰角大于45°时，选择顶面，记为阵面5；每个阵面划分25个波束，划分情况如表1所示。
表1波束与移相器的移相量对应表
四个侧面分别记为阵面1、阵面2、阵面3、阵面4，根据波束指向的方位角选择相应的阵面，切换相应的阵面开关。
表2阵面切换与方位角对应表
阵面 方位角范围
阵面1 -45°～45°
阵面2 45°～135°
阵面3 135°～225°
阵面4 225°～315°
下面结合具体实施例对本发明的应用效果做详细的描述。
波束覆盖计算结果：如图10所示，以顶面俯仰指向为例说明，方位面与俯仰波束指向在单阵面上原理相同，通过5个可切换波束，覆盖仰角45°～135°。
俯仰向:波束1特性图10(a):仰角90°；波束工作空域(仰角75°～105°)；波束2特性图10(b):仰角70°，波束工作空域(仰角60°～75°)；波束3特性图10(c):仰角53°，波束工作空域(仰角45°～60°)；波束4特性图10(d)描述:仰角110°，波束工作空域(仰角105°～120°)；波束5特性图10(e)描述:仰角127°，波束工作空域(仰角120°～135°)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相控阵雷达天线控制***，其特征在于，所述相控阵雷达天线控制***包括：
天线整列模块，用于把发射通道的射频信号辐射到空间，和把接收信号从空间接收回来，送到接收通道；
阵面选择开关模块，根据天线的物理位置、姿态不同信息计算出波束指向；
收发放大器及滤波器模块，用于对收发通道的信号进行放大和滤波；
移相器及功分模块，用于把发射信号功分为多路，并进行移相，和对多路接收信号移相，并进行合路；
GPS/BD定位模块，用于接收GPS/BD信号，并解调出当前位置信息(数字信号)，把位置信息传给控制及电源模块；
姿态传感器模块，用于把该天线的当前的物理姿态转换为数字姿态信息，送给控制及电源模块；
控制及电源模块，用于为天线阵列模块、阵面选择开关模块、收发放大器及滤波器模块、移相器及功分模块、GPS/BD定位模块、姿态传感器模块、波束指向自动控制模块提供供电和控制信号；
波束指向自动控制模块，用于根据发送过来的GPS定位信息、天线单元姿态信息、以及卫星位置信息计算相控天线的波束指向，得到阵面坐标系下的方位角和俯仰角，控制阵面开关切换相应阵面，根据波束指向计算阵面移相器的移相量和波控码。
2.如权利要求1所述的相控阵雷达天线控制***，其特征在于，所述天线阵列模块采用高介电常数基板材料，右旋圆极化工作相对带宽达到10％；辐射单元采用层叠结构。
3.如权利要求1所述的相控阵雷达天线控制***，其特征在于，所述天线阵列模块采用个面阵组阵方式，单个面阵形成多波束独立覆盖本阵面的方位/俯仰±45°空域；
线阵结构天线方向图函数：
Figure FDA0001673790240000021
上式中
Figure FDA0001673790240000022
θb为天线波束最大值指向，改变相邻振子间的Δφ。
4.如权利要求1所述的相控阵雷达天线控制***，其特征在于，所述移相器及功分模块包括：移相器、合路/功分器、双工器、放大器及滤波器。
5.一种如权利要求1所述相控阵雷达天线控制***的相控阵雷达天线控制方法，其特征在于，所述相控阵雷达天线控制方法包括：
天线位置信息为[λ，L，H]，天线姿态信息为
Figure FDA0001673790240000029
卫星位置信息为
Figure FDA00016737902400000210
旋转椭球体参数选用WGS-84标准下的参数：
Re＝6378137m，Rp＝6356752m，e＝1/298.257；
RN＝Re(1+e(sinL)2)；
(1)将天线位置信息转到地球直角坐标下，转换后坐标为
Figure FDA00016737902400000213
Figure FDA0001673790240000023
Figure FDA0001673790240000024
Figure FDA0001673790240000025
则由天线指向卫星的向量
Figure FDA00016737902400000211
表示为：
Figure FDA0001673790240000026
(2)向量在地理坐标系下表示为
Figure FDA00016737902400000212
转换关系如下：
Figure FDA0001673790240000027
其中：
Figure FDA0001673790240000028
(3)向量在阵面坐标系下表示为
Figure FDA0001673790240000036
转换关系为：
Figure FDA0001673790240000031
其中：
Figure FDA0001673790240000032
其中θ：俯仰角，
Figure FDA0001673790240000035
方位角，γ：横滚角：
(4)波束指向：
俯仰角：
Figure FDA0001673790240000033
方位角：
Figure FDA0001673790240000034
逻辑控制，波束扫描范围为正负45°，波束宽度为42°。
6.一种应用权利要求1～4任意一项所述相控阵雷达天线控制***的航海信息互联***。
7.一种应用权利要求1～4任意一项所述相控阵雷达天线控制***的勘测信息互联***。
8.一种应用权利要求1～4任意一项所述相控阵雷达天线控制***的车载信息互联***。
9.一种应用权利要求1～4任意一项所述相控阵雷达天线控制***的电路架构。
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