基于现有天线设备对数字定向发射系统的研究

汪安民，刘 芳，刘德保，万义和

(1.同方电子科技有限公司研究所，江西 九江332003；2.航天华迅科技有限公司，陕西 西安 710071)



基于现有天线设备对数字定向发射系统的研究

汪安民1，刘 芳2，刘德保1，万义和1

(1.同方电子科技有限公司研究所，江西 九江332003；2.航天华迅科技有限公司，陕西 西安 710071)

在通信基地或舰载通信平台现有设备的基础上，利用多付独立工作的天线，构成一个分布式阵列天线系统。在此天线系统上，介绍了数字定向发射波束形成的原理，分析了实际发射过程中的存在的各种误差，及其对波束合成的影响，并提出采用校准的方法以降低这些误差对发射波束合成的影响。以不规则圆阵布阵为例进行仿真，结果表明数字定向发射系统可以有效地实现对某一定点目标方向的功率增强。系统可以在线实时调整相位参数，能够分时实现对某一段方向的扫描发射或者多点定向发射。

阵列天线；不规则圆阵；数字发射波束合成；天线校准

0 引言

通信基地或舰载通信平台经过长时期发展，各种设备的不断更新和增加，使得这些平台具有多付独立天线，这些天线呈不规则的分布，各自独立工作。如果将这些天线构成阵列系统，利用波束合成方法就可以实现数字定向发射，数字定向发射具有对某一定点方向实现功率增强；波束方向具备快速捷变能力；还具有特定方位零陷以及数字多波束等优点，其应用将大大提高基地的信号处理能力[1-2]。但是在实际天线系统中，由于安装误差、相互遮挡、互耦和通道幅相不一致等带来的误差，使得期望的方向畸变，尤其是天线处于复杂多变的环境中，电路热特性变化剧烈，从而导致各通道幅相失真增大[3-4]。

1 数字定向发射模型及误差校准

1.1 数字定向发射系统模型

数字定向发射技术是通过使用阵列天线，通过数字方法调整每路天线发射信号的相位，从而实现对某些定点目标方向的功率增强或抑制。如果组成N元分布式阵列天线，根据阵列信号处理理论，可以实现N-1个方向的增强或者抑制[5]。

利用通信基地或舰载平台上的N个独立天线，组成N元分布式阵列天线，若每一个阵元均发射同一信号s(t)，则位于θ方位的远场点P的接收信号为[6]：

(1)

图1 数字定向发射系统的结构框图

1.2 数字定向发射系统中的误差校准方法

在实际的DBF天线系统中，各个天线阵上总是存在幅度上和相位上的误差，这些误差由很多原因导致。主要可以分成时变和非时变误差。非时变误差是随着天线布阵完成而确定的，主要因素由阵元安装位置失配、阵元互耦、馈线阻抗长度差异和切换矩阵差异等。时变误差是指阵列各通道中电子元器件非线性，尤其是温度敏感的放大器、混频器和滤波器等模拟器件，其时延及其幅频相频特性容易随温度引起较大的失真，这些误差对天线的增益、波束指向和副瓣电平均有重要影响。时变和非时变误差，会一起共同反应到数字端，表现为各个通道的幅相差[7,8]。不失一般性，以幅相差来表示由各种原因引起的所有误差，可表示为[9]：

(2)

式中，δn为第n个阵元上的幅度误差，Φn为其相位误差。

图2 具备校正功能的数字定向发射天线系统

通过开关控制器来控制校正误差An或Cn，当开关控制器连接到阵列天线上时，校正的是整个系统误差An，连接到合路器时校正的是时变误差Cn。误差An或Cn的校正步骤是相同的，以校正误差Cn为例，校正步骤如下所示：

① 产生N个复合正交码信号sk(l)，k=1,2…,N;l=1,2…,L；N、L分别为阵元数和正交码的长度。这可以事先算好存储在存储器中。sk(l)经过DFT变换产生N个校正测试信号testn(l) n=1,2…,N;l=1,2…,L。

(3)

②N个校正测试信号testn(l)同时进入N个发射通道，乘上射频通道引入的误差{C1,C2,…,CN-1,CN}。经过合路器后的信号为：

(4)

合路器输出的信号经过校正网络。sk为第k个正交码信号，有：

(5)

(6)

(7)

(8)

考虑到校正系数对发射系统每个射频通道中器件尤其是功放的非线性影响，对校正系数进行归一化处理：

(9)

2 仿真实验

以非均匀圆阵布阵为例进行仿真，仿真条件如下：① 阵型：非均匀圆阵(如图3所示)；② 阵元数：5个；③ 半径：6m；④ 载波频率：33.3MHz；⑤ 发射信号强度：1dBw；⑥SNR：5dB；⑦ 扫描范围：-180°～180°；⑧ 发射方位：0°。

图3 非均匀圆阵天线的阵元排列及相邻阵元间的夹角

当形成的分布式阵列天线系统处于变化的环境中时，其射频信号之间幅度不一致在-2～3.5dB之间变化，相位不一致在-120°～180°之间变化。根据这些条件，仿真中设校正前的幅度误差在-2～3.5dB之间均匀分布，相位误差在-120°～180°之间均匀分布。每个采样点之间的相位抖动服从均值为0，标准差为2的高斯分布。

图4(a)为理想状态下的发射波束图，图4(b)为校正前后发射波束图的比较，可以看出校正前的发射波束图由于存在误差，使得发射波束图产生严重的畸变，主瓣的指向有偏差，旁瓣的电平明显升高。图4(c)为校正后与理想状态下的发射波束图的比较，由于采样点间的相位抖动影响无法消除，校正后发射波束图与理想的发射波束图有些偏差，主瓣偏移2°～3°，但仍处在3dB波束宽度内。

图4 发射波束图

图5表示校正后接收信号合成功率和单路接收信号的频谱图，从图中可以看出，在0°方向五路合成功率相对于单路功率可增强约13dB。若每个阵元发射功率为100W，则合成后功率可增强为1 900W。

图5 校正后接收信号合成功率与单路信号的频谱图

3 结束语

利用通信基地或者舰载通信平台上的现有设备，由多付独立工作的天线构成一个分布式阵列天线系统，在此阵列天线系统的基础上介绍了数字定向发射的系统模型，分析了发射过程中所产生的误差并对其进行校准。并以不规则圆阵布阵为例进行仿真，表明数字定向发射系统可以有效地在某一定点方向实现功率增强。数字定向发射不仅可以用于定向通信，还可以有效地对特定(已知)方位的敌方通信或接收系统进行干扰。

[1]LitvaJ，TitusKwok-YeungLO.DigitalBeamforminginwirelessCommunications[M].BostonLondon:ArtechHouse,1996.

[2] 尹继凯.发射数字多波束天线技术研究[J].无线电工程,2005,35(5):39-40.

[3] 唐 恬,姜 军,张 平.一种新的天线阵列盲自适应波束形成算法[J].无线电工程,2006,36(3):23-25.

[4]MailfouxRJ.(美)著.相控阵天线手册(第2版)[M].南京电子技术研究所，译.北京:电子工业出版社,2007.

[5]TsoulosG.SpaceDivisionMultipleAccess(SDMA)FieldTrials,Part2:CalibrationandLinearityIssues[J].IEEProc.Radar,SonarNavig,1998,145(1):79-84.

[6] 潘玉平,王玉虹.数字波束方向图综合技术[J].无线电工程,2008,38(10):23-25.

[7]VookFW,ComptonRT.BandwidthPerformanceofLinearAdaptiveArrayswithTappedDelay-lineProcessing[J].IEEETransonAES,1992,28(3):901-908.

[8] 吴曼青,王 炎,靳学明.收发全数字波束形成相控阵雷达关键技术研究[J].系统工程与电子技术,2001,23(14):45-47.

[9] 赵红梅.星载数字多波束相控阵天线若干关键技术研究[D].南京：南京理工大学，2009：22-26.

[10]吴 瑛，王 斌，张 莉 等.多信道接收机幅相不一致性的数字化校正[J].无线电通信技术,2002,28(1):1-2.

[11]赵红梅,王华力,牟善祥 等.星载DBFTx射频通道幅相误差校正[J].电子与信息学报,2008,30(9):2182-2184.

[12]吴曼青，王 炎.基于DDS的收发全DBF相控阵技术[J].高技术通信,2000(8):41-44.

Research on Digital Directional Transmission System Based on Existing Antenna Equipments

WANG An-min1,LIU Fang2,LIU De-bao1,WAN Yi-he1

(1.Research Institute of Tongfang Science and Technology Co.,Ltd.,Jiujiang Jiangxi 332009,China;2.Hangtian Huaxun Science and Technology Co.,Ltd.,Xi’an Shaanxi 710071,China)

Based on communication base or ship borne communication platform on the existing equipment,a distributed antenna array systemis constitutedusing extra work independently of the antenna.Based on this antenna system,the principle of digital directional transmission beam-forming is studied in this paper.The influence of the errors to the beam and errors calibration are also introduced.And simulation is performed taking irregular circular array as an example.Simulations results show that the digital directional transmission system can effectively achieve power enhanced to a designated target direction.

Array Antenna;Irregular Circular Array;Digital Transmit Beam-forming;Antenna Calibration

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.17

汪安民 ，刘 芳，刘德保，等.基于现有天线设备对数字定向发射系统的研究[J].无线电通信技术,2016,42(6):66-69.

2016-07-05

汪安民(1974—)，男，高级工程师，博士，主要研究方向:信号处理系统设计。刘 芳(1987—)，女，工程师，主要研究方向:阵列信号处理。

TN911.7

A

1003-3114(2016)06-66-4