一种二维模拟多波束接收阵列系统技术方案

本发明专利技术公开了一种二维模拟多波束接收阵列系统，在其接收阵列单元中直接采用模拟二维多波束形成，产生的多波束被用来同时接收多个来自不同方向的需要信源，通过数字信号处理的方法实现接收最优化，并抑制多个来自不同方向的干扰源。多波束控制器动态划分多个主波束和多个辅助波束，用来帮助搜索和跟踪需要信源和干扰源的位置变化信息，并对主波束位置指向做实时更新。实时更新。实时更新。

【技术实现步骤摘要】
一种二维模拟多波束接收阵列系统


[0001]本专利技术涉及二维模拟多波束接收阵列系统应用，如利用射频频率的无线通信技术，移动通信技术，卫星通信技术等，也可用于相控阵雷达的接收系统与雷达探测相关的应用场合。
[0002]这里射频指的是包括超高频/微波/毫米波/太赫兹等无线电频率。

技术介绍

[0003]传统的模拟射频相控阵只能形成单波束，故其接收机在搜索扫描上速度慢，信噪比低，探测距离近。用模拟射频相控阵单波束技术做二维成像，有灵敏度低、目标单一、抗干扰能力差等缺点。
[0004]数字多波束射频相控阵接收机，克服了模拟射频相控阵的局限，可以同时生成二维波束信号，是一种理论上的理想相控阵接收系统。但是在实际中只能在低频窄带系统中实现，其原因为在宽带的情况下，需要满足耐奎斯特取样定理的高速的模数转换器(ADC)，很难做到体积小耗电低。在较高的应用频率上，如微波和毫米波甚至到太赫兹的频率，由于天线的间距大致在半个波长左右，因此难以在狭小的面积和空间内将所有的从射频器件到模数转换器，到数字接口电路都集成在一起。另外由于在ADC之前没有做空间滤波，为了不被干扰信号影响，需要较大的动态范围和较多的量化电平数，故而大大提高了对ADC设计的要求。较大动态范围的ADC和较多的量化电平数，意味着功耗较大。大的功耗带来较大的电流脉冲，造成干扰脉冲电压较高，使得ADC的设计更加困难。
[0005]数字多波束射频相控阵接收机的较大功耗造成散热问题，而器件过热时可能导致器件损坏。较大的动态范围和较多的量化电平数，同时要求较多的独立供电网络，意味着更多的封装引脚，要求更大的芯片封装，也给系统的设计和集成造成巨大的挑战。
[0006]数字多波束射频相控阵接收机最麻烦的问题是大量的数字传输的连线和由此产生的电磁干扰问题。每个接收通道必须有两个ADC，一个M行N列的阵列需要2MN个ADC和高速接口。当阵列的单元数很大，这些高速的信号线很难直接连到中心处理主机中去，尤其在毫米波或者是更高的频率。这是因为在相控阵的实现方法中，天线之间的距离是半个波长，在此狭小的面积里要放置所有的元器件和高速数字连线，造成极大的挑战。由此而来的电磁干扰噪声，耦合到阵列的天线中去，将直接降低阵列的灵敏度。
[0007]数字多波束射频相控阵接收机的方法是形成多个指向用户的波束使得天线阵列在特定方向上的发射/接收信号相干叠加，而其他方向的信号则相互抵消。
[0008]数字多波束形成的另一种方式是Massive MIMO的方式。Massive MIMO可被视为更广泛意义上的波束形成的一种形式。Massive指天线阵列中的大量天线单元数量；MIMO指多输入多输出系统。与数字多波束射频相控阵接收机的方法相似，在Massive MIMO天线阵列中的每个天线与一个接收通道相连接，接收通道则提供数字接口，即将天线上接收到的射频信号下变频到基带信号，然后进行低通滤波，经过ADC变换器直接数字化，所有的移相调幅都放到数字化后进行处理。Massive MIMO在实际系统中，天线与用户终端，以及反向传输
的数据经过了周围环境的滤波。信号可能会被建筑物和其他障碍物反射，这些反射会有相关的延迟、衰减和抵达方向。天线与用户终端之间甚至可能没有直接路径。这些都通过数字化直接求解，使得后面的运算量极大。
[0009]Massive MIMO如果采用相控阵式的紧凑集成方式，同样具有数字多波束射频相控阵接收机的缺点。Massive MIMO如果采用非相控阵式的分散分布方式，则需要更大的面积或空间，而且后面需要的数字信号处理部分的功耗随着阵列单元数的增加而暴增，系统的实现更加庞大，成本大幅度上升。

技术实现思路

[0010]本专利技术针对上述的技术问题，专利技术一种二维模拟多波束接收阵列系统200，包括n行m列具有天线的模拟多波束接收单元202的接收阵列201,K列正交差分的树形传输网络203,模拟数字信号混合处理单元204,数字信号处理单元205,数字控制信号接口206；模拟数字信号混合处理单元204包括K列正差分低通滤波器和与之相连的模数变换器；数字信号处理单元205包括多波束控制器404，多波束分析单元411，多波束跟踪和干扰源消除单元412，控制单元416；连接和工作方式如下：接收阵列201将并行的天线接收到的射频信号转换到按列多路输出多波束正交基带信号并通过树形传输网络203，形成并行二维模拟多波束基带IQ信号409，并馈送到模拟数字信号混合处理单元204；模拟数字信号混合处理单元204通过低通滤波和模数变换将K列输出多波束正交基带信号转换到二维数字多波束正交基带信号形式；数字信号处理单元205根据二维数字多波束信号410，生成同时针对多个需要信源101/102的主波束用于接收有用信号，生成同时针对多个干扰源103/104的主波束用于抑制这些干扰源，产生数字控制信号并通过数字控制信号接口206，控制接收阵列，实时跟踪需要信源和干扰源的波束方向。此处的“需要信号”和“需要信源”，分别指所需要接收的有用信号和需要信源。
[0011]上述二维模拟多波束接收阵列系统200，在数字信号处理单元205的控制单元416的控制下，动态生成的二维数字多波束信号410分成主波束和辅助波束，其中主波束分别指向多个需要信源和多个干扰源；辅助波束分为辅助搜索波束和辅助跟踪波束；辅助搜索波束用于搜索新的发射源，而辅助跟踪波束用于辅助主波束跟踪发射源。
[0012]上述二维模拟多波束接收阵列系统200，在数字信号处理单元205的控制下，上述形成辅助搜索波束和辅助跟踪波束的个数，指向位置可以按需要来动态配置。
[0013]上述二维模拟多波束接收阵列系统200，在数字信号处理单元205的控制下，上述形成主波束的过程分解为L个时间上可分子过程，在每个子过程中产生一个二维K列波束在时间轴上是时分复用的。
[0014]上述二维模拟多波束接收阵列系统200，数字信号处理单元205中的多波束分析单元411对主波束进行信号分析和分类，划分为信源主波束120和干扰主波束121。
[0015]上述二维模拟多波束接收阵列系统200，其数字信号处理单元205中的多波束分析单元411，对信源主波束120进行信号分析，划分出同源信源主波束122和异源信源主波束123。
[0016]上述二维模拟多波束接收阵列系统200，数字信号处理单元205中对所有独立信源主波束124，在多波束跟踪和干扰源消除单元412中，利用优化算法进行信号同源信源主波
束合并，并抑制来自异源信源主波束123和干扰主波束121。
[0017]上述二维模拟多波束接收阵列系统200，其数字信号处理单元205中的控制单元416，根据外部时钟信号，产生控制时序和需要的各种控制信号，完成工作节拍控制。
[0018]上述二维模拟多波束接收阵列系统200，其模拟多波束接收单元202，可以在模拟基带信号域上由多个基带多波束移相调幅器311m单元电路来实现。
[0019]上述二维模拟多波束接收阵列系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维模拟多波束接收阵列系统，其特征在于，包括n行m列具有天线的模拟多波束接收单元的接收阵列,K列正交差分的树形传输网络,模拟数字信号混合处理单元,数字信号处理单元,数字控制信号接口；模拟数字信号混合处理单元包括K列正差分低通滤波器和模数变换器；数字信号处理单元包括多波束控制器，多波束分析单元，多波束跟踪和干扰源消除单元，控制单元；连接和工作方式如下：接收阵列将并行天线接收到的射频信号，转换到按列多路输出多波束正交基带信号，并通过树形传输网络，形成并行二维模拟多波束基带IQ信号，并馈送到模拟数字信号混合处理单元；模拟数字信号混合处理单元通过低通滤波和模数变换，将K列输出多波束正交基带信号转换到二维数字多波束正交基带信号的形式；数字信号处理单元根据二维数字多波束信号，生成同时针对多个需要信源的主波束用于接收有用信号，生成同时针对多个干扰源的主波束用于抑制这些干扰源，产生数字控制信号并通过数字控制信号接口，控制接收阵列，实时跟踪需要信源和干扰源的波束方向。2.根据权利要求1所述的二维模拟多波束接收阵列系统，其特征在于，在数字信号处理单元中控制单元的控制下，动态生成的二维数字多波束分成主波束和辅助波束，其中主波束分别指向多个需要信源和多个干扰源；辅助波束分为辅助搜索波束和辅助跟踪波束；辅助搜索波束用于搜索新的发射源，而辅助跟踪波束用于辅助主波束跟踪发射源。3.根据权利要求1所述的二维模拟多波束接收阵列系统，其特征在于，在数字信号处理单元的控制下，上述形成辅助搜索波束和辅助跟踪波束的个数和指向位置可以按需要来动态配置。4.根据权利要求1所述的二维模拟多波束接收阵列系统，其特征在于，在数字信号处理单元的控制下，上述形成主波束的过程分解为L个时间上可分子过程，每个子过程中产生一个二维K列波束是在时间轴上时分复用的。5.根据权利要求1所述的二维模拟多波束接收阵列系统，其特征在于，数字信号处理单元中的多波束分析单元对主波束进行信号分析和分类，划分为信源主波束和干扰主波束。6.根据权利要求1所述的二维模拟多波束接收阵列系统，其特征在于，数字信号处理单...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆丰浩，徐立，
申请(专利权)人：徐立，
类型：发明
国别省市：