一種基于和差波束測角的地面站微波通信跟蹤系統(tǒng)

摘要：在微波通信系統(tǒng)中，利用天線陣和差波束測角技術(shù)，可以計算遠(yuǎn)處發(fā)射電磁波目標(biāo)的方位偏角。基于這一技術(shù)設(shè)計了一種地面站微波通信跟蹤系統(tǒng)，當(dāng)遠(yuǎn)處飛行目標(biāo)進(jìn)行水平運(yùn)動時，天線陣列通過計算所得的目標(biāo)偏角信息，利用伺服轉(zhuǎn)臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動并始終保持天線陣列指向目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤通信功能。

關(guān)鍵詞：微波通信;和差波束;天線陣;跟蹤系統(tǒng)

中圖分類號：TN92文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-9129（2020）13-0071-01

1引言

當(dāng)?shù)涂诊w行目標(biāo)與地面站進(jìn)行微波頻段通信時，通常采用GPS信號進(jìn)行定位，從而引導(dǎo)地面站天線指向目標(biāo)。但在GPS信號弱或者丟失的情況下，可能失去目標(biāo)的GPS位置信息，導(dǎo)致地面站天線陣無法對準(zhǔn)目標(biāo)。為了解決這一問題，設(shè)計了一種地面站微波通信跟蹤系統(tǒng)，利用天線陣和差波束測角技術(shù)，實(shí)時計算判斷目標(biāo)與天線陣列的方位偏角，從而控制伺服轉(zhuǎn)臺帶動天線陣對準(zhǔn)指向目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤通信效果。

2和差波束測角技術(shù)

在天線陣列中，當(dāng)所有單元饋入等幅同相的信號時，波束會在法線方向合成單一峰值的和波束。當(dāng)左右陣面的單元分別饋入等幅反相的信號時，天線波束會形成具有零深的差波束。

天線陣列單元（數(shù)量為n）如圖1所示進(jìn)行擺放，且假設(shè)天線單元都為理想半波振子。

將天線單元1幅度相位歸一化為：E1=1。第2個單元為：E2=1*exp（-1j*2πdsinθ*/λ）。以此類推第n個單元為：En=1*exp（-（n-1）j*2πdsinθ*/λ）。

設(shè)計時n取偶數(shù)，天線陣列可以按中心法線分為對稱的兩個陣面。

那么，對于左陣有：PL=E1+E2+...+En/2，對于右陣有：PR=En/2+1+En/2+2+...+En，令P差=PL-PR，P和=PL+PR，則有：|P差/P和|=|tan（nπdsinθ/λ）|以及P差/P和=-jtan（nπdsinθ/λ）。

其中d為兩個單元間距，上面說明通過和差波束幅度比值可以計算偏角|θ|的大小，通過和差波束相位比值可以確定θ在法線的左側(cè)還是右側(cè)。

3微波通信跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

3.1微波天線陣列的設(shè)計。八木天線主要由半波振子、巴倫、反射器，以及引向器構(gòu)成。半波振子是經(jīng)典的輻射器形式，它將饋入的電磁波能量輻射到自由空間中，它有兩條臂，其中一條臂接地，通常設(shè)計一個巴倫消除接地臂的不平衡性。引向器和反射器的作用是引導(dǎo)電磁波定向輻射，反射器通常較振子稍長，引向器通常稍短，且越靠近前端的引向器越短。將八個這樣的天線單元按照半波長的間隔進(jìn)行排列，就構(gòu)成了一個八木天線陣列。

3.2和差信號雙通道的設(shè)計。所設(shè)計的天線陣列從中心線可劃分為左陣面和右陣面，左右陣面分別與左右功分器連接。左右功分器分別將從左陣面和右陣面接收到的信號能量進(jìn)行合成，然后再饋入給和差器的兩個接收端口。在和差器內(nèi)，左右陣面的一半信號進(jìn)行同相疊加，然后從和通道輸出，左右陣面的另一半信號進(jìn)行反向抵消，然后從差通道輸出。從而構(gòu)成了一個能同時形成和信號與差信號的雙通道。

3.3跟控伺服轉(zhuǎn)臺。遠(yuǎn)處飛行目標(biāo)發(fā)射的無線電信號被地面站的天線陣接收，形成和信號與差信號，通過濾波放大后，分別采集和差兩路信號，并對這兩路信號進(jìn)行幅度值比與相位比值的計算，利用比值根據(jù)公式計算偏角θ，由此可得出遠(yuǎn)處目標(biāo)相對于天線陣列法向的偏角θ信息，再將偏角信息反饋給伺服轉(zhuǎn)臺，并控制轉(zhuǎn)臺進(jìn)行相應(yīng)跟蹤轉(zhuǎn)動，就完成了伺服轉(zhuǎn)臺的跟蹤和控制。

4通信跟蹤系統(tǒng)實(shí)物

當(dāng)目標(biāo)進(jìn)行相對水平運(yùn)動時，地面站的跟蹤系統(tǒng)不斷采集和差信號，并進(jìn)行比值運(yùn)算計算目標(biāo)的偏角θ，伺服轉(zhuǎn)臺根據(jù)θ值持續(xù)調(diào)整天線陣的指向，讓天線陣列的指向始終正對通信目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤通信的功能。所研制的地面站通信跟蹤系統(tǒng)實(shí)物圖片如圖2所示，它主要由主要由八木天線陣列，和差信號雙通道，以及跟控伺服轉(zhuǎn)臺三部分組成。

5結(jié)語

基于天線陣和差波束測角技術(shù)設(shè)計了一種地面站的微波通信跟蹤系統(tǒng)，當(dāng)遠(yuǎn)處通信目標(biāo)水平運(yùn)動時，系統(tǒng)計算目標(biāo)偏角并調(diào)整天線陣列跟蹤對準(zhǔn)目標(biāo)，從而在丟失目標(biāo)的GPS位置信息情況下，也能保證地面站與目標(biāo)的通信效果。

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作者簡介：伍舉（1985--），男，漢族，四川遂寧，碩士研究生，工程師，工作單位：四川九強(qiáng)通信科技有限公司，研究方向：微波天線及微波通信技術(shù)。