[發明專利]一種相控陣接收天線系統及其運行方法

在審

• 申請號: 201510568051.9
• 申請日: 2015-09-08
• 公開（公告）號: CN105206934A
• 公開（公告）日: 2015-12-30
• 發明（設計）人: 蔡慶剛;查放;尹治平
• 申請（專利權）人: 安徽華東光電技術研究所
• 主分類號: H01Q3/38
• 分類號: H01Q3/38;H01Q21/00
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 朱圣榮

技術領域

本發明涉及相控陣天線技術領域，具體為一種具有自適應波束成形功能、可脫離接收機獨立運行低成本的相控陣接收天線系統及其運行方法。

背景技術

傳統相控陣一般是一個陣元對應一個接收機，但隨著陣元數的增加，接收機的數量也要增加，從而導致接收系統造價成本高昂。另外，接收機數量太多也會給系統結構和空間布局帶來困難。MUSIC、ESPRIT等經典DOA估計或自適應波束成形算法都是基于協方差矩陣的，為獲得協方差矩陣，要求對每個陣元接收到的信號進行下變頻、濾波、AD采樣操作，以獲得每個通道的幅相信息。因此，傳統的多通道相控陣的成本較高，一般只應用在軍事領域，在對成本極為敏感的民用市場難以推廣應用。為了降低相控陣天線的成本，后來有人提出了基于單接收機的相控陣方案，其基本思想是多個陣元與單接收機之間用多向微波開關連接，利用微波開關的切換，使各個陣元與接收機在不同時刻連接，從而獲得每個陣元接收信號的幅相信息，構成協方差矩陣，在此基礎上進行DOA估計和自適應波束成形。與多通道系統相比，單接收機系統在價格和復雜性方面具有明顯的優勢，并且避免了接收通道不一致帶來的幅相誤差，是一種高性價比的信號接收方案。然而，它通過開關切換，逐個測量各個陣元的幅相信息，處理時間過長，難以應用到實時性要求較高的快速響應場景。另外，無論是多通道系統還是上述的單接收機系統，相控陣天線總是與接收機一起工作，難以獨立運行，應用上的靈活性受到一定影響。

發明內容

根據以上現有技術的不足，本發明提出一種相控陣接收天線系統及其運行方法，通過自適應DOA估計與波束成形功能，解決了相控陣天線必須結合接收機工作的問題，具有可脫離接收機獨立運行的，且低成本的優點。

為了實現上述目的，本發明采取的技術方案為：一種相控陣接收天線系統，相控陣接收天線系統包括接收信號的多個信號接收單元、連接多個信號接收單元的功率合路器、連接功率合路器計算功率合路器輸出功率值的功率計算單元、連接功率計算單元的自適應波形成形模塊，自適應波形成形模塊計算得出的移相值輸入到信號接收單元，使得天線波束指向來波方向。

上述系統中，所述信號接收單元包括天線陣元和移相器，天線陣元連接對應的移相器，移相器將經過相位調整后的信號輸入到功率合路器。所述功率合路器有一個輸出端和多個輸入端，輸入端連接多個信號接收單元接收各路信號接收單元的信號，功率合路器將各路信號合成為一路從輸出端輸出。所述功率計算單元包括功率耦合器和功率探測器，功率耦合器的輸入端連接功率合路器的輸出端，經過功率耦合器耦合后的信號輸入到功率探測器，功率探測器計算出功率合路器的輸出功率值，功率探測器的輸出端連接自適應波形成形模塊，功率合路器的輸出功率值被送入自適應波形成形模塊。所述自適應波形成形模塊采用并行隨機梯度下降法進行DOA估計和波束成形，同時細微調整所有信號接收單元的移相值，并根據該調整所引起的功率合路器輸出功率的變化來確定移相值的下一步調整方向，經過多次循環迭代，天線波束指向來波方向。所述相控陣接收天線系統應用于信號接收系統，信號接收系統包括接收機和相控陣接收天線系統，接收機連接相控陣接收天線系統的輸出端。

一種相控陣接收天線系統的運行方法，所述方法包括：步驟一、天線陣元接收到的信號被送入到與天線陣元連接的移相器，經過相位調整，各路信號被送入同一個功率合路器；步驟二、各路信號合成為一路信號后經功率合路器輸出口輸出，位于功率合路器輸出口的功率耦合器接收功率合路器的輸出信號；步驟三、功率耦合器耦合接收到的信號輸出至功率探測器，功率探測器將信號功率等比例地轉換為電平輸出，結合功率耦合器的耦合系數和功率探測器的輸出電平，獲得功率合路器輸出功率值；步驟四、功率合路器輸出功率值送入自適應波束成形模塊，自適應波束成形模塊采用并行隨機梯度下降法進行DOA估計和波束成形，根據合路器輸出功率值調整各個移相器的移相值；步驟五、各個移相器的移相值改變后，天線的波束發生變化，合路器輸出功率值隨之變化，算法根據合路器輸出功率值的變化再次調整各移相器的移相值；步驟六、循環迭代步驟五，直至天線方向圖增益最強方向指向來波方向，自適應地完成來波方向估計與跟蹤。