CN113900059A - 一种测向天线、测向***以及测向方法 - Google Patents

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李宁
杨小勇
赵远洋
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Abstract

本发明涉及一种测向天线、测向***以及测向方法。该测向天线包括多个天线阵列；多个所述天线阵列均匀的分布在圆环上；每个天线阵列由内到外分依次为第一垂直极化天线阵、第二垂直极化天线阵以及双极化全向天线阵元。本发明能够提升测向的精度。

Description

一种测向天线、测向***以及测向方法
技术领域
本发明涉及测向领域，特别是涉及一种测向天线、测向***以及测向方法。
背景技术
现有的测向***的原理图如图1所示，流程图如图2，现有的测向***主要由九元圆阵天线，两台射频接收机，以及数据处理模块平台构成，启动测向***，打开天线开关，接收空中的无线电信号，通过不停的切换天线中阵元开关，可以同时接收两路射频通道，对信号进行处理分析，计算相位差接着并储存，最后将组成的相位差与样本库的数据进行比较，做相关的运算，可以确认无线电信号的方位角和俯仰角，从而确定信号的来波方向和信号的具***置。
但是现有技术中存在以下缺点：
1)测向天线的选择对于测向的准确性至关重要，测向天线主要包括天线阵元和开关矩阵，目前测向***装置的天线阵元频率仅包含有两个范围，频率范围段设置的较大，导致在较敏感频率段对数据的分析较少，灵敏度不精确，给测向带来较大的误差。
2)目前对于测向样本库的建立不是很规范，很难去保持通道相位差的平衡，造成了较大的误差。
针对上述问题，亟需一种提高测向精度的***或方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种测向天线、测向***以及测向方法，能够提升测向的精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种测向天线，包括：多个天线阵列；多个所述天线阵列均匀的分布在圆环上；
每个天线阵列由内到外分依次为第一垂直极化天线阵、第二垂直极化天线阵以及双极化全向天线阵元。
可选地，所述第一垂直极化天线阵包括：垂直极化双锥天线振子。
可选地，所述第二垂直极化天线阵为垂直极化环形振子。
可选地，所述双极化全向天线阵元包括：水平极化振子和垂直极化振子。
可选地，所述天线阵列为9个。
一种测向***，包括：测向天线、测向开关矩阵模块、射频接收机以及数据处理模块；
测向天线中第一垂直极化天线阵、第二垂直极化天线阵以及双极化全向天线阵元分别通过测向开关矩阵模块与射频接收机连接；
所述射频接收机与所述数据处理模块连接。
可选地，所述测向开关矩阵模块包括多个多选一天线开关。
一种测向方法，应用于所述的测向天线，所述测向方法包括：
根据每一无线电波的传过来的方位角和仰角组合确定每个天线阵列上的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列上感应电压的相位差；
将所有无线电波的传过来的方位角和仰角组合确定的相位差构建样本库；
获取每个天线阵列上对待测信号的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列上对待测信号感应电压的相位差；
每个天线阵列上对待测信号的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列上对待测信号感应电压的相位差与样本库确定待测信号的方位角和仰角。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种测向天线、测向***以及测向方法，多个所述天线阵列均匀的分布在圆环上，每个天线阵列由内到外分依次为第一垂直极化天线阵、第二垂直极化天线阵以及双极化全向天线阵元。即本发明所提供的测向天线分为三层，共两种天线，即水平天线和垂直天线，水平天线只有低频率一类，垂直天线分为三类，低频率一类和高频率两类。图中最***是40MHZ-1300MHZ水平天线和30MHZ-1000MHZ的垂直天线，内层是1GHZ-3GMHZ的垂直天线，中间的是3GHZ-6GHZ的垂直天线。把天线的频率段分成四段，进而能够提升测向的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术所提供的测向***原理示意图；
图2为先有技术所提供的测向方法流程示意图；
图3为本发明所提供的一种测向天线结构示意图；
图4为本发明所提供的一种测向***原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种测向天线、测向***以及测向方法，能够提升测向的精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图3为本发明所提供的一种测向天线结构示意图，如图3所示，本发明所提供的一种测向天线，包括：多个天线阵列1；多个所述天线阵列1 均匀的分布在圆环上；
每个天线阵列1由内到外分依次为第一垂直极化天线阵、第二垂直极化天线阵以及双极化全向天线阵元。
即本发明所提供的测向天线分为三层，由内到外分别为第三层、第二层以及第一层；第一层水平极化振子和垂直极化振子相邻排列；
所述第一垂直极化天线阵包括：垂直极化双锥天线振子。
所述第二垂直极化天线阵为垂直极化环形振子。
所述双极化全向天线阵元包括：水平极化振子和垂直极化振子。
测向天线的频率段分成四段，共两种天线，即水平天线和垂直天线，水平天线只有低频率一类，垂直天线分为三类，低频率一类和高频率两类。图3中最***是40MHZ-1300MHZ水平天线和30MHZ-1000MHZ的垂直天线，内层是1GHZ-3GMHZ的垂直天线，中间的是3GHZ-6GHZ的垂直天线。
所述天线阵列1为9个。9个天线阵列1均匀分布到圆周上，排列成圆形阵列。
如图3所示，一种测向***，包括：上述的测向天线、测向开关矩阵模块、射频接收机以及数据处理模块；
测向天线中第一垂直极化天线阵、第二垂直极化天线阵以及双极化全向天线阵元分别通过测向开关矩阵模块与射频接收机连接；
所述射频接收机与所述数据处理模块连接。
所述测向开关矩阵模块包括多个多选一天线开关。
采用的测向天线可接收频率范围从30MHz-6GHz的无线电信号，配置了九圆双通道测向天线阵列1，包含水平天线40～1300MHz9个，垂直天线30～1000MHz9个，1～3GMHz9个，3～6GMz9个。既每个阵元都被分成4个范围的频率。采用开关矩阵对天线频段进行选择，用单刀四掷开关对每个阵元进行频段的选取。
双通道的测向输出，选取1号作为参考通道，用单刀二掷开关对参考通道选取(1阵元或者2阵元)，选取2号通道作为剩余阵元的输出，用单刀八掷开关对通道2进行选取。
天线的每个阵元都有4个频率，天线控制器通过发送天线控制码对天线矩阵开关进行控制，频段切换的开关如下表1所示。
表1
D2 D1 天线 频率范围
1 1 水平天线 40MHZ-1300MHZ
0 0 垂直天线 30MHZ-1000MHZ
0 1 垂直天线 1GHZ-3GHZ
1 0 垂直天线 3GHZ-6GHZ
七段码元通过切换D2和D1的码，去选择水平天线还是垂直天线，通过选择其它码来确定天线阵元选择通道的输出。天线控制码如表2所示。
表2
Figure RE-GDA0003377182720000051
Figure RE-GDA0003377182720000061
一种测向方法，应用于所述的测向天线，所述测向方法包括：
S1，根据每一无线电波的传过来的方位角和仰角组合确定每个天线阵列1上的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列1上感应电压的相位差；
S1，具体为：
假设无线电波的传过来的方位角为α，仰角为θ，则A0～A8各个天线单元上的感应电压相对于一根想像的位于测向天线中心点的天线单元上感应电压的相位差依次分别为：
Figure RE-GDA0003377182720000062
Figure RE-GDA0003377182720000063
Figure RE-GDA0003377182720000064
Figure RE-GDA0003377182720000071
Figure RE-GDA0003377182720000072
天线单元A1～A8上的感应电压，相对于天线单元A0(通常称之为“参考天线单元”)上的感应电压的相位差分别依次为：
Figure RE-GDA0003377182720000073
Figure RE-GDA0003377182720000074
Figure RE-GDA0003377182720000075
Figure RE-GDA0003377182720000076
Figure RE-GDA0003377182720000077
将俯仰角θ设为0时的
Figure RE-GDA0003377182720000081
分别记为
Figure RE-GDA0003377182720000082
令
Figure RE-GDA0003377182720000083
Figure RE-GDA0003377182720000084
并称之为理论样本点。一般取1度为频率间隔对方位角进行划分，每一组相位差共有360种，将所有方位角和俯仰角组合所对应的相位相关干涉仪测向天线***研究差向量归总起来就构成了样本库 (针对某一频率)如表3所示：
表3
Figure RE-GDA0003377182720000085
S2，将所有无线电波的传过来的方位角和仰角组合确定的相位差构建样本库；
S3，获取每个天线阵列1上对待测信号的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列1上对待测信号感应电压的相位差；
S4，每个天线阵列1上对待测信号的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列1上对待测信号感应电压的相位差与样本库确定待测信号的方位角和仰角。
作为一个具体的实施例，天线单元A0与双通道接收机的一个通道的输入端连接。天线单元A1～A8通过一个单刀8掷的射频开关(一般是由PIN二极管做成的与该接收机的另一个通道的输入端连接)。于是，在该射频开关将天线单元A1～A8中的一个与接收机的输入端连接时，在该接收机的相应输出端上就得到该天线单元上的感应电压相对于天线单元A0上的感应电压的相位差。
在样本库建立之后，需要对实际入射信号在测向圆阵上所产生的相位差向量进行提取，下面仍以9阵元测向圆阵的几何结构为模型分析该过程。假设某待测信号以(a，θ)的方向(信号方位角为a，俯仰角为θ) 入射测向圆阵。假设该信号的表达式为：
Figure RE-GDA0003377182720000091
则测向圆阵中第m个阵元所接收到的信号xm(t)可以表示为：
Figure RE-GDA0003377182720000092
f0是待测信号的频率,τm是第m个阵元接收到的信号相对圆阵中心的时延,nm(t)为第m个阵元所接收到的噪声信号
将第m个阵元所接收到的信号xm(t)同第n个接收到的信号xn(t)做互相关运算，可得：
Figure RE-GDA0003377182720000093
假设噪声信号服从正态分布且其与待测信号互不相关，则有：
Figure RE-GDA0003377182720000094
Figure RE-GDA0003377182720000095
E(nm(t)nn)＝0 (14)
可以推出：
Figure RE-GDA0003377182720000096
其中：
Ps为待测信号功率
Figure RE-GDA0003377182720000101
为阵元m阵元n所接收相位的差值。
令
Figure RE-GDA0003377182720000102
并称之为样本点。
将e′与ei(i＝1,2,…,360)作相关运算。即从ei(它有360个“标准的”样本点)中找出与e′最相似(或最贴近)的那一个“标准的”样本点，该标准的样本点所对应的方位角，即是被测来波的方向。在确定了来波的方位角a后，可按下式求出波的仰角θ：
Figure RE-GDA0003377182720000103
信号的方位角，俯角可以测出,最终来波方向可以测出来。
本发明天线水平极化的圆阵和垂直极化的圆阵在同一平面上，这几个天线元是按对称原则排列的，天线元同时采集，确保同步，快速，精确。***还采取了有源/无源的天线阵，很好的解决了天线元之间的互耦问题，因此本发明测向天线具有很高的测向准确度和很强的抗多径的能力。天线的频率范围相对市面上出现的天线范围较广，使得天线装置对感知无线电信号能力增强，测向***采用双信道监测测向接收机，监测和测向能够同时进行，在不需要测向的时候，可转换为无线电监测，使***精度高，灵敏度好，性价比高，抗干扰能力强。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种测向天线，其特征在于，包括：多个天线阵列；多个所述天线阵列均匀的分布在圆环上；
每个天线阵列由内到外分依次为第一垂直极化天线阵、第二垂直极化天线阵以及双极化全向天线阵元。
2.根据权利要求1所述的一种测向天线，其特征在于，所述第一垂直极化天线阵包括：垂直极化双锥天线振子。
3.根据权利要求1所述的一种测向天线，其特征在于，所述第二垂直极化天线阵为垂直极化环形振子。
4.根据权利要求1所述的一种测向天线，其特征在于，所述双极化全向天线阵元包括：水平极化振子和垂直极化振子。
5.根据权利要求1所述的一种测向天线，其特征在于，所述天线阵列为9个。
6.一种测向***，其特征在于，包括：权利要求1-5任意一项所述的测向天线、测向开关矩阵模块、射频接收机以及数据处理模块；
测向天线中第一垂直极化天线阵、第二垂直极化天线阵以及双极化全向天线阵元分别通过测向开关矩阵模块与射频接收机连接；
所述射频接收机与所述数据处理模块连接。
7.根据权利要求1所述的一种测向***，其特征在于，所述测向开关矩阵模块包括多个多选一天线开关。
8.一种测向方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任意一项所述的测向天线，所述测向方法包括：
根据每一无线电波的传过来的方位角和仰角组合确定每个天线阵列上的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列上感应电压的相位差；
将所有无线电波的传过来的方位角和仰角组合确定的相位差构建样本库；
获取每个天线阵列上对待测信号的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列上对待测信号感应电压的相位差；
每个天线阵列上对待测信号的感应电压相对于位于测向天线中心点的天线阵列上对待测信号感应电压的相位差与样本库确定待测信号的方位角和仰角。
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