一种相控阵天线的线极化跟踪实现方法技术

本申请涉及相控阵天线技术领域，特别是涉及一种相控阵天线的线极化跟踪实现方法，包括如下步骤：波控系统使用姿态传感器获取相控阵天线的姿态角，所述姿态角包括航向角、横滚角和俯仰角；利用网络或预存的星历信息，再结合姿态信息解算出天线在地理坐标系中的航向角与来波极化方向的夹角，根据计算出三个极化方向与来波极化方向之间的夹角，根据当前接收极化配置开关，天线开始在最优匹配极化下工作。本发明专利技术描述了一种相控天线阵线极化跟踪实现方法，该方法可以使天线在自身姿态变化的过程中自动调整自身的极化方式以跟踪信号极化方向，获得良好的信号接收效果。获得良好的信号接收效果。获得良好的信号接收效果。

【技术实现步骤摘要】
一种相控阵天线的线极化跟踪实现方法


[0001]本申请涉及相控阵天线
，特别是涉及一种相控阵天线的线极化跟踪实现方法。

技术介绍

[0002]“相控”是指控制天线中各个通道的相位响应状态，最终实现天线的方向图实现特定的功能，如指向特定的指向或者在特定的方向屏蔽信号。“天线阵”指多个天线单元及其激励通道在空间中按一定规律组成阵列，相互配合工作完成信号的接收或发射。
[0003]极化跟踪是指接收天线的极化方向可以在天线工作的过程中，通过机械调整或者电控的方式使得天线单元的极化方向始终与信号来波的极化方向在空间中匹配。
[0004]极化跟踪一般出现在极化方式为线极化的通信系统中，当前主流的Ku频段卫星通信多采用线极化方式进行通信。
[0005]相控天线阵面中每一个天线单元的后级会顺序连接放大器、移相器、衰减器，通过调整这些功能电路的工作状态进而控制每一个单元的状态，从而实现天线在特定的指向实现具有某些特定特征的方向图。
[0006]通常来说，相控阵天线整机中所有的部件均是不可机械调整的，因此要实现对来波信号的极化跟踪，就需要将天线整机进行旋转来实现极化跟踪的功能，在极化跟踪的维度上来看，相控阵天线整机与机械扫描天线没有本质的区别，由于天线阵重量远大于比机械扫描天线极化器的重量，在极化跟踪的灵活性上还要更差。此外还有其他的极化跟踪方法，比如在阵列中交错布置两个正交极化的单元，无论来波方向的极化方式是怎样的，总有半数以上的单元可以接收到信号，但是该方法有一个缺点，就是阵面的口面效率较低；比如用圆极化单元接收线极化的单元，圆极化天线接收线极化波与两者的空间相对关系无关，天线无需做极化跟踪，缺点是圆极化天线接收线极化波会损失3dB的信号增益；比如采用双圆极化单元组成的阵列接收线极化波，只要适当的调整两个圆极化输出端口信号的相对相位偏移就可以实现对任意线极化波的接收，缺点是该类型的相控阵天线整机重的有源电路通道数是前面两种单元的两倍，因此功耗也是两倍，波束控制计算也更加复杂。
[0007]相控阵状态的变化是基于有源电路进行灵活工作状态调整，电路的响应速度决定了天线的状态切换速度，电路的响应速度通常在微纳秒量级，因此相控阵天线阵面扫描速度快。并且由于阵面上各个天线单元的幅相状态可以进行独立的配合，相控阵天线的方向图具有极高的灵活性，可以在指定方向接收信号的同时对其他方向的干扰来波进行抑制，抗干扰性和可靠性强于抛物面、平板等方向图固定的的天线，在卫星通信领域将获得广泛的应用。
[0008]随着电子技术和制作工艺的不断更新发展，加之民用产品对成本、长时间可靠性等方面需求的不断提高，通信终端对天线模块的标准要求也不断升高，向着功能多大、性能更强、成本更低、功耗更小，体积小型化的方向发展。
[0009]当传入的信号的极化方向与单极化方向接收天线的极化方向相互正交时，天线无
法接收到信号，在相控天线阵中，为了解决这一问题，通常引入以下方法：方法1、将天线阵面的天线单元分成两种类型，一半水平极化天线，一半垂直极化天线，这样，就能保证任意线极化波传输过来时，总有分量落在其中一种子阵天线上，后面再通过放大
‑
移相
‑
衰减对有信号的通道进行调节即可。
[0010]方法2、天线阵面中天线单元的功能分类一样，为了能接收到相互正交的线极化信号波，将两种极化方式集中在一个天线单元上，两种极化同时馈电，并行工作，相当于对传入信号做一个正交分解，两路正交信号分别通过后一级的放大
‑
移相
‑
衰减，再对信号进行合成，如图6所示。
[0011]方法3、天线阵面中单元的的功能分类一样，每一个单元都是双圆极化单元，线极化信号分别被两个圆极化通道接收，最后信号经过放大、移相，最后直接求和合成，如图7所示。
[0012]方法1、方法2、方法3都能解决单极化方向接收不同极化方向信号波的问题，方法1的天线口面效率较方法2、方法3更低，但是功耗更小，方法2、方法3有更高的阵面面积利用率，所得到的增益也更大，但是功耗更高，方法3较方法2有更低的相对噪声表现，且不需要进行幅度控制，控制相对更简单。但是，就天线前端接收方式来说，三种方法都存在明显的缺陷：硬件成本太高。方法1中一个子阵就只有一个极化方向，当输入信号波在其极化方向上没有或者是有很少的分量时，此子阵相当于没有工作，这就造成了资源的闲置浪费。方法2、方法3中虽然每个天线单元都会处在工作模式，但是，每个子阵后面对应着两路“放大
‑
移相
‑
衰减”有源电路，最后再通过加法器进行合成，这就使得硬件成本增加了一倍多，功耗过大。方法2、方法3中每个天线单元后的两路“放大
‑
移相
‑
衰减”都处在工作状态，会带来额外的静态功率消耗。

技术实现思路

[0013]为解决相控阵天线整机的线极化跟踪方案中硬件成本高、功耗大、口面效率低的问题，本申请提出一种新的极化跟踪方案，相比于传统双极化天线阵来说，既降低电路器件成本，降低电路功耗，又能使得天线口面效率维持在较高水平。
[0014]为实现上述目的，本申请的技术方案如下：一种相控阵天线的线极化跟踪实现方法，包括如下步骤：第一步，波控系统使用姿态传感器获取相控阵天线的姿态角，所述姿态角包括航向角、横滚角和俯仰角；在相控阵天线整机中，选择天线单元的OA极化矢量为参考极化矢量，OB、OC两个极化矢量与OA之间的夹角分别为120
°
、240
°
，天线整机随着载体运动，OA在地理坐标系中的位置也跟着变化，基于这三个角度通过旋转矩阵可以求得变化后的矢量位置OA
’
，为后续极化配置角度的计算做好准备。
[0015]第二步，相控阵天线整机利用网络或预存的星历信息可以获知卫星当前的极化矢量在地心坐标系中的极化矢量值N
p
，由于是N
p
是在天球坐标系下定义的，因此波控系统需要将通过旋转矩阵变换到地心坐标系得到N
p
’
，然后再换算到天线所在的地理坐标系中得到N
p
’’
，最后旋转换算到天线坐标系中得到N
p
’’’
，结合上一步结算得到的OA
’
天线参考极化矢
量与卫星极化矢量值，通过公式
휃
=cos
‑
−1(N
p
’’’
.OA
’
)可以计算得到两个极化矢量之间的夹角θ；第三步，根据θ计算出卫星极化矢量与天线三个极化方向之间的夹角α、β和γ，其中α=θ，β=θ
‑
120
°
，γ=θ
‑
240
°
，根据max（|cos(α)|、|cos(β)|、|cos(γ)|）求三个极化可能接收信号的最佳极化匹配强度，该强度对应的极化矢量即为最佳匹配极化，对应着开关将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相控阵天线的线极化跟踪实现方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，波控系统使用姿态传感器获取相控阵天线的姿态角，所述姿态角包括航向角、横滚角和俯仰角；第二步，相控阵天线整机利用网络或预存的星历信息，再结合姿态信息解算出天线在地理坐标系中的航向角与来波极化方向的夹角θ；第三步，根据夹角θ计算出卫星极化矢量与天线三个极化方向之间的夹角α、夹角β和夹角γ，根据max（|cos(α)|、|cos(β)|、|cos(γ)|）求三个极化可能接收信号的最佳极化匹配强度，该强度对应的极化矢量即为最佳匹配极化，对应着开关将要选通的天线极化馈电点；第四步，根据得到极化通道，波控发出c[1:0]，控制接收极化开关联通天线单元对应的极化馈电点，天线开始在最优匹配极化下工作。2.根据权利要求1所述的一种相控阵天线的线极化跟踪实现方法，其特征在于，第一步在相控阵天线整机中，选择天线单元的OA极化矢量为参考极化矢量，OB、OC两个极化矢量与OA之间的夹角分别为120
°
、240
°
，天线整机随着载体运动，OA在地理坐标系中的位置也跟着变化，基于这三个角度通过旋转矩阵求得变化后的矢量位置OA
’
，为后续极化配置角度的计算做好准备。3.根据权利要求2所述的一种相控阵天线的线极化跟踪实现方法，其特征在于，第二步中，相控阵天线整机利用网络或预存的星历信息获知卫星当前的极化矢量在地心坐标系中的极化矢量值N
p
，N
p
是在天球坐标系下定义的，波控系统需要将通过旋转矩阵变换到地心坐标系得到N
p
’
，再换算到天线所在的地理坐标系中得到N
p
’’
，最后旋转换算到天线坐标系中得到N
p

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，宋柏，
申请(专利权)人：成都知融科技有限公司，
类型：发明
国别省市：