CN103296427B - 相控阵天线增益自适应控制的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种相控阵天线增益自适应控制的实现方法，旨在提供一种能够保持较小输出余量，提高设备工作效率的天线增益自适应控制方法，本发明通过下述技术方案予以实现：相控阵接收阵元接收到目标信号形成的俯仰差信号、方位差信号及和信号，分别由对应的变频器进行下变频处理，再通过对应相连的模数变换器ADC采样，送至捕获与跟踪器进行信号捕获与跟踪，输出方位角和俯仰角至波控器，和信号分出一路进行信噪比检测和目标距离估算，以距离估算值为依据计算发射天线EIRP值，由波控器实现发射天线阵元数量组合和波束指向控制；输入高速调制器的高速数据调制到发射信号载波上，送DAC重构处理，实现指向目标方向的空间波束合成。

Description

相控阵天线增益自适应控制的实现方法

技术领域

本发明是关于测控通信领域中，为相控阵体制测控系统，提供了一种天线增益自适应控制的实现方法，实现系统满足确定传输速率条件下的最优EIRP值输出。

背景技术

相控阵天线是利用一定数量的辐射阵元，利用波控器控制每个阵元辐射信号的相位，实现阵元合成波束指向某个空间方向。相控阵天线具有高增益、波束方向快速扫描等特点，相控阵天线的增益随其阵元数量的增多而增大，天线波束宽度随阵元数量的增多而变窄。随着测控通信技术的发展，高速数据传输需求迫切，而高速数据传输需要系统天线具有高的等效辐射功率EIRP值，相控阵天线EIRP值是天线增益和所有阵元信号输出功率的总和，高EIRP值相控阵天线波束较窄，在进行目标信号捕获时，窄天线波束对准目标较困难，需要进行目标引导，同时为了满足系统高速数据传输速率要求，相控阵天线设计往往考虑最恶劣情况，天线EIRP值留有足够余量，这样实际系统工作全过程，相控阵天线时时工作在满功率输出状态，导致天线设备消耗了大量功耗，浪费了大量系统能源，同时还要采用专门针对相控阵天线的散热措施，对于能源需求紧张的飞行器载平台，这种设计模式相当不利。

随着飞行器技术的发展，飞行器对其搭载电子设备的要求越来越高，搭载的电子设备除需满足电气性能指标外，还要具备低功耗、小型化、轻重量等特殊要求，在这种需求牵引下，高工作效率的飞行器载电子设备将具有广阔的发展前景。提高飞行器载电子设备的工作效率，意味着需降低设备的功率损失，确保设备等效辐射功率EIRP值满足需要的数据传输速率条件下，尽量减小设计余量。

发明内容

本发明的目的是为相控阵体制测控系统，提供一种能够保持较小输出余量，降低设备工作功耗，提高设备工作效率的天线增益自适应控制的实现方法，实现系统满足确定传输速率条件下的最优EIRP值输出。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种相控阵天线增益自适应控制的实现方法，其特征在于包括如下步骤：相控阵接收阵元接收到目标信号形成的俯仰差信号、方位差信号及和信号，分三路送入对应的三个变频器进行下变频处理，再通过三个对应相连的模数变换器ADC采样，送至捕获与跟踪器进行信号检测和捕获与跟踪，输出目标相对接收天线的方向信息，输出一路和信号通过信噪比估计器估算出接收信号的信噪比，估算出的信噪比数据经目标距离估计器目标距离估算后，以该距离估算值作为发射天线等效辐射功率EIRP值的计算依据，把得到的目标方向信息和发射天线EIRP值数据送入波控器，对相控阵发射天线阵元组合的数量进行选择和波束指向控制；输入高速调制器的高速数据调制到发射信号载波上，送数模转换器DAC进行信号重构处理，再经变频器上变频和带通滤波器BPF滤波，输入波控器指定的相控阵发射阵元，实现指向目标方向的空间波束合成。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明针对相控阵体制测控系统，采用了不同于传统相控阵天线工作模式的技术实现途径。传统的相控阵天线是设计阵元全部直接参与实际工作，设计的天线等效辐射功率EIRP值余量较大，设备功耗和输出功率一直处于最大状态。而本发明采用了天线阵元增益自适应控制技术，根据实际的测控通信距离，实时计算相控阵发射天线需要的最优等效辐射功率EIRP值和阵元数量，由波控器选通相应的发射阵元实现信号输出。该方法可使设备等效辐射功率EIRP值满足传输确定信息速率条件下，保持较小的输出余量，降低了设备的工作功耗，设备工作效率高，可灵活适应不同信息传输速率需求情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是本发明一种相控阵天线增益自适应控制实现方法的原理框图。

具体实施方式

参阅图1。在以下实施例中，相控阵天线增益自适应控制实现方法，包括，由相控阵接收阵元接收到目标信号后，形成俯仰差信号、方位差信号及和信号，分别送变频器1、变频器2和变频器3进行下变频处理，再分别送模数变换器ADC1、模数变换器ADC2、模数变换器ADC3进行采样后，送捕获与跟踪器进行信号检测。捕获与跟踪器收到接收天线阵元形成的俯仰差信号、方位差信号及和信号后，通过提取信号相位，实时获得目标相对相控阵接收天线的方位角和俯仰角信息，为波控器控制发射相控阵天线的波束指向提供数据。捕获与跟踪器实现信号捕获与跟踪，输出目标相对接收天线的方向信息，并由和信号送出一路到信噪比估计器，进行接收信号的信噪比估算。信噪比估计器收到和信号后，通过包络检波方法可得到接收信号的信噪比，信噪比数据送目标距离估计器，并利用目标发射天线EIRP值、接收天线增益与噪声温度比G/T值，可估算出目标的距离，由目标距离可进一步估算出传输一定数据速率信息，相控阵发射天线所需的EIRP值。目标距离R的估算方程为：

201gR＝EIRP_obj+G_PA/T+228.6-S/N-L_a,(dB)

式中，EIRP_obj是目标的辐射功率，G_PA/T是相控阵接收天线的增益与噪声温度比值，S/N是接收信号的信噪比，L_a是大气衰减、天线指向误差等的总和。

发射天线EIRP计算方程为：EIRP＝201gR-G_obj/T-228.6+E_b/N₀+R_b+L_a,(dB)式中，G_obj/T是目标接收机天线的增益与噪声温度比值，E_b/N₀是目标接收机的比特噪声功率谱密度比，R_b是数据传输速率，201gR是信号空间传输损耗，L_a是大气衰减、天线指向误差等的总和。信噪比估计器估算出的信噪比数据送目标距离估计器进行目标距离估算，以该距离估算值作为发射天线EIRP值的计算依据，得到最优EIRP值，目标方向信息和发射天线EIRP值数据送到波控器，通过波控器实现相控阵发射天线阵元组合数量的选择和波束指向控制。波控器以输入的目标方位角和俯仰角信息作为发射天线阵元控制数据，以输入发射天线EIRP值计算发射天线阵元数量。已选择的发射阵元通过波控器选通对应功放芯片的供电电源开关，实现信号的功率放大与辐射。发射天线阵元数量N计算方程为：201gN＝EIRP-101gP₀-101gπ-101gη,(dB)，式中，P₀是单个阵元功放功率，η是合成效率。

高速数据输入到高速调制器后，将数据调制到发射信号载波上，送数模转换器DAC进行信号重构处理，输入到变频器进行上变频，再经带通滤波器BPF滤波后，输入到波控器指定的相控阵发射阵元，实现指向目标方向的空间波束合成。

Claims (4)

1.一种相控阵天线增益自适应控制的实现方法，其特征在于包括如下步骤：相控阵接收阵元接收到目标信号形成的俯仰差信号、方位差信号及和信号，分三路送入对应的三个变频器进行下变频处理，再通过三个对应相连的模数变换器ADC采样，送至捕获与跟踪器进行信号检测和捕获与跟踪，输出目标相对接收天线的方向信息，输出一路和信号通过信噪比估计器估算出接收信号的信噪比，估算出的信噪比数据经目标距离估计器目标距离估算后，以该距离估算值作为发射天线等效辐射功率EIRP值的计算依据，把得到的目标方向信息和发射天线EIRP值数据送入波控器，波控器以输入的目标方位角和俯仰角信息作为发射天线阵元控制数据，以输入发射天线EIRP值计算发射天线阵元数量，并对相控阵发射天线阵元组合的数量进行选择和波束指向控制；输入高速调制器的高速数据调制到发射信号载波上，送数模转换器DAC进行信号重构处理，再经变频器上变频和带通滤波器BPF滤波，输入波控器指定的相控阵发射阵元，实现指向目标方向的空间波束合成，其中，目标距离R采用的估算方程为：

20lgR＝EIRP_obj+G_PA/T+228.6-S/N-L_a,(dB)

式中，EIRP_obj是目标的辐射功率，G_PA/T是相控阵接收天线的增益与噪声温度比值，S/N是接收信号的信噪比，L_a是大气衰减、天线指向误差的总和；发射天线EIRP计算方程为：

EIRP＝20lgR-G_obj/T-228.6+E_b/N₀+R_b+L_a,(dB)

式中，G_obj/T是目标接收机天线的增益与噪声温度比值，E_b/N₀是目标接收机的比特噪声功率谱密度比，R_b是数据传输速率，20lgR是信号空间传输损耗，L_a是大气衰减、天线指向误差等的总和；发射天线阵元数量N计算方程为：

20lgN＝EIRP-10lgP₀-10lgπ-10lgη,(dB)

式中，P₀是单个阵元功放功率，η是合成效率。

2.按权利要求1所述的相控阵天线增益自适应控制的实现方法，其特征在于，捕获与跟踪器收到接收天线阵元形成的俯仰差信号、方位差信号及和信号后，通过提取信号相位，实时获得目标相对相控阵接收天线的方位角和俯仰角信息，为波控器控制发射相控阵天线的波束指向提供数据。

3.按权利要求1所述的相控阵天线增益自适应控制的实现方法，其特征在于，信噪比估计器收到和信号后，通过包络检波得到接收信号的信噪比，信噪比数据送目标距离估计器，利用目标发射天线EIRP值、接收天线增益与噪声温度比G/T值，估算出目标的距离R，进一步估算出传输一定数据速率信息和相控阵发射天线所需的EIRP值。

4.按权利要求1所述的一种相控阵天线增益自适应控制的实现方法，其特征在于，已选择的发射阵元通过波控器选通对应功放芯片的供电电源开关，实现信号的功率放大与辐射。