微波天線自動對準系統的設計與實現

張江濤 中國電子科技集團公司第五十四研究所

微波天線自動對準系統的設計與實現

張江濤 中國電子科技集團公司第五十四研究所

提出了一種微波通信系統中通信雙方無需利用羅盤定位，計算初始對準角度的天線自動對準設計方法，介紹了微波天線自動對準系統的軟硬件設計，實現了微波天線自動對準。這種方法大大簡化了人工操作步驟，使用簡單，操作方便。

天線對準微波通信 Bootloader 嵌入式系統

微波通信作為重要的現代化通信方式，因其傳輸速率高、信息容量大、保密性好和抗干擾性強的特點，被廣泛的應用于通信領域。目前，國際上的微波通信裝備為了提高通信距離和傳輸保密性能。常設計出較窄波束的天線，這些天線具有較強的方向性但通信雙方往往需要經過較長時間的搜索調整才能將兩天線對準，實現正常通訊。顯然，單憑操作人員的感官手動操作會使得天線指向調整時間長，難以實現精確對準。為了保證通信鏈路建立的快速性與可靠性，研究自動化程度高、對準速度快、精度高的微波天線自動對準系統具有非常重要的意義。

1 系統設計

微波天線自動對準系統包括低頻設備、高頻設備、定向天線、全向天線和全方位直流變速云臺等。其中全向天線、云臺用于輔助自動天線對準，定向天線在天線對準完成后系統正常工作時使用。

天線對準軟件分為低頻控制軟件和高頻控制軟件兩個部分，分別工作在低頻設備硬件平臺和高頻設備硬件平臺上。低頻控制軟件主要完成對信道及系統內設備的工作參數和工作狀態進行設置和監控，以及天線自動對準過程控制。高頻控制軟件主要完成對高頻設備工作狀態的采集和設置、天線控制、云臺控制和對準信號采樣。

通過低頻設備發出指令控制其它設備及接收其它設備數據，協同完成天線對準功能。

1.1 處理器選擇

低頻設備內部控制單元選用的是ATMEL公司的一款基于ARM7TDMI內核的ARM微控制器，具有高性能32位RISC架構與高密度的16位指令集和優良的性能功耗比，是實時控制應用的理想選擇處理能力強，滿足系統需求。

ARM微控制器提供2個串口，一個用于低頻設備和高頻設備間的信息交互，另一個用于與對端通信設備傳遞對控信息。

高頻設備內部控制單元采用WINBOND公司的單片機W77E058為核心，W77E058內置8位中央處理器單元、256字節內部數據存儲器、32K片內程序存儲器、1KRAM、2個全雙工串行通信口。其中串口0采用直接方式與室內監控相連，串口1使用Maxim公司生產的MAX3082完成電平轉換與云臺相連。

1.2 天線的設計

在微波點對點通信中通常使用的都是高增益的定向天線，對準非常困難。若發射端采用固定安裝的全向天線，則可以使對準難度大大降低。微波天線自動對準系統配置了全向天線和定向天線，通過云臺一起轉動。全向天線只能用于發射，不能用于接收，定向天線可同時發射與接收。

1.3 對準信號的設計

粗對準時采用全向天線發射，定向天線接收。精對準時改用定向天線發射，定向天線接收。

2 Bootloader設計

啟動程序（BootLoader）就是在操作系統內核運行之前運行的一段程序，相當于PC機的BIOS。對于PC機，其開機后的初始化處理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS完成的，但對于嵌入式系統來說，出于經濟性、價格方面的考慮一般不配置BIOS，因此我們必須自行編寫完成這些工作的程序，這就是所需要的開機程序。啟動時用于完成初始化操作的這段代碼被稱為BootLoader程序，簡單地說，通過這段程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境設定在一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核、運行用戶應用程序準備好正確的環境。

3 天線自動對準過程設計

3.1 粗對準過程

粗對準階段采用全向天線發射信號定向天線接收信號的方式，采用這種方式對準雙方可以同時進行對準。因為采用全向天線發射信號需要降低傳輸速率，獲得低門限以彌補全向天線增益的降低。定向天線在水平和垂直方向進行全范圍的掃描，尋找接收電平超過門限值的峰值點，將找到的峰值點的位置和接收電平值記錄下來。分析記錄下來的峰值點的信號強度，并將峰值點的位置按信號強度的大小進行排序。排序完成后，按照順序先將天線轉動到獲得峰值點的位置，通過對控信道進行對準雙方的握手，握手成功則開始進行精對準，如果粗對準不成功則返回等待開始自動對準界面。

3.2 精對準過程

關閉全向天線轉為定向天線收發，傳輸速率改為為正常通信速率，此時因雙方均采用定向天線收發，如果兩端天線同時轉動進行搜索，必然會導致雙方接收信號電平的雜亂無章而無法進行分析找到正確方位，所以采用通信雙方交替進行搜索的控制算法，接收信號電平和誤碼率都滿足后，天線對準完成。

4 結語

提出了一種適用于機動微波通信的、完全擺脫其他通信輔助設備的全自動天線對準方案，通過試驗驗證了該方案的有效性和可行性。此設計方法操作簡單、性能穩定、工作可靠，對其它類似的天線對準設計有一定的參考作用。

[1]譚穎琦.微波天線對準平臺控制系統設計與實現.國防科學技術大學碩士論文,2006

[2]李海濤,李燕,張建忠.微波定向天線對準實現方法.電磁場與微波,2011,第3期,44-46