一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置及使用方法与流程

本发明涉及非合作信号接收，具体涉及一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置及使用方法，能够基于数控延时芯片以及倾角感知仪，在不额外增加线性数字相控阵接收通道规模的前提下实现俯仰波束的自适应调节，也可通过资源的重组利用提升多目标的跟踪能力。

背景技术：

1、本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

2、20世纪70年代以来，军事需求、数字集成电路、微波技术、信号处理技术的发展和进步推动了相控阵技术的飞速发展，到现在相控阵天线技术已开始大范围地应用于通信、导航与频谱监测等领域。相控阵天线是由多个在平面或任意曲面上按一定规律布置的天线单元和信号功率分配/相加网络组成，利用移相器和馈电网络形成灵活的波束。相比传统天线，相控阵天线在提升接收距离、提高测量精度和截获包括微小目标在内的各种低可观测目标提供了技术潜力。在非合作信号接收领域，先进的接收天线装置往往也采用线性数字相控阵技术实现方位面的宽空域、高灵敏度、宽带宽接收，但在实际的应用中，仍然存在以下方面的问题：

3、1、现有设计往往通过牺牲俯仰面的波束宽度以提升接收距离，该设计在面临飞行器冲顶时存在连续跟踪困难的难题，常规解决方案有增加俯仰维机械转台和俯仰合路开关两种，前者跟踪慢，飞行器距离接收天线装置越近，俯仰角测量值变化越快，越难以连续跟踪，如图2所示，飞行高度1万米的飞行器与接收天线装置的俯仰角测量值在50km以内急剧变化；后者通过减少俯仰面合成的天线单元数量来增加波束宽度，但接收距离有所下降，如图3所示，合成单元数减半时，波束宽度增加一倍但增益减少3db，接收距离下降约30％。

4、2、在安装部署于移动平台如车辆颠簸、舰船摇晃的情况下，平台晃动剧烈时波束很难稳定指向既定空域，导致目标跟踪不连续甚至丢失，以某型舰船正常航行时的摇摆为例，其纵摇p＝±6.5°/4s，横摇r＝±15°/6s，按侧甲板安装、俯仰面3db波束宽度按10°计算，波束起伏可达5°/s，目标的接收概率仅为33％。

5、3、各类通信卫星主要集中于地球静止轨道，有着固定的运行轨迹，传统接收天线装置采用高增益的抛物面天线实现下行信号的接收，但抛物面天线的波束较窄，通常在5°以内，多目标的跟踪能力有限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为适应上述场景下俯仰维目标难以连续跟踪的情况，提供了一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置及使用方法，利用倾角感知仪获取天线的当前姿态，再结合实际需求利用延时芯片调整俯仰波束，使其指向合适的空域；也可通过对通道资源的重组利用，形成多个不同指向的俯仰波束。该设计沿用非合作信号接收领域的线性数字相控阵技术，不额外增加接收通道规模的前提下提供了一种极具竞争力的自适应俯仰波束调节和多目标跟踪方案。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置，包括：紧耦合天线阵列、俯仰合路网络、方位波束形成网络和倾角感知仪；所述紧耦合天线阵列和倾角感知仪均与俯仰合路网络连接，所述方位波束形成网络与俯仰合路网络连接。

4、进一步地，所述俯仰合路网络集成了数控延时芯片，在对每路信号进行限幅、滤波、放大、数控延时后，再将每列的信号合成后输出多路射频信号。

5、进一步地，所述方位波束形成网络将多路射频信号进行模数转换后，利用波束形成系数矩阵将整个阵面合成为1组方位面数字波束或将整个阵面资源划分为4份，每份合成为1组独立的方位面数字波束。

6、进一步地，所述倾角感知仪基于微机电技术完成所在平台的倾斜度测量，并可向俯仰合路网络实时推送俯仰角和滚转角。

7、本发明还提出了一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置的使用方法，包括：

8、利用倾角感知仪获取俯仰角和滚转角，并通过点对点串口通信协议实时推送至俯仰合路网络，俯仰合路网络根据实际需求和倾斜度自动计算出需要调节的俯仰波束角度，并对照数控码表完成所有通道数控延时芯片的同步控制，同时方位波束合成为1组宽空域的波束，可在方位波束不畸变的同时实现俯仰波束在±40°俯仰空域内的自适应调节。

9、进一步地，还包括：

10、通过对通道资源的重组利用，将方位波束拆分为4组独立的波束；同时，可独立控制各组俯仰波束的延时使其指向不同的空域，在牺牲一定接收距离和测向精度的前提下提升对多目标的跟踪能力。

11、进一步地，需要调节的俯仰波束角度通过如下公式计算：

12、δφ＝φ1+φ2

13、其中；

14、δφ为需要调节的俯仰波束角度；

15、φ1为倾角感知仪获取倾斜角；

16、φ2为实际需求的仰角。

17、进一步地，在通道数控延时芯片的同步控制中第i列所需调节的延时量为：

18、

19、其中：

20、d为阵元间距；

21、c为光速。

22、进一步地，调节后的俯仰波束指向为：

23、

24、其中：

25、n为行数；

26、ai为合成系数；

27、λ为信号波长；

28、θ为形成波束的指向角度。

29、进一步地，当方位波束合成为1组宽空域的波束时，方位波束为：

30、

31、其中：

32、m为列数；

33、为第m个波束的指向角度，在覆盖空域内均匀分布。

34、进一步地，当方位波束拆分为4组独立的波束时，方位波束为：

35、

36、其中：

37、ai'为合成系数；

38、为第m个波束的指向角度，在覆盖空域内均匀分布。

39、与现有的技术相比本发明的有益效果是：

40、1、本发明，适用于雷达、通信、电子对抗等应用领域。

41、2、本发明，避免了传统解决飞行器冲顶方案中俯仰维机械转台的跟踪速度慢和俯仰合路开关的接收距离下降等缺陷，利用电扫实现高增益波束指向的调节，在不额外增加线性数字相控阵接收通道规模的前提下为适应飞行器冲顶、平台摇晃场景下的连续跟踪提供了一种自适应的解决方案。

42、3、本发明，避免了传统高增益抛物面天线对多目标跟踪能力有限的缺陷，通过对通道资源的重组利用，形成多个不同指向的俯仰波束，在不额外增加线性数字相控阵接收通道规模的前提下为目标的连续跟踪提供了一种低成本的解决方案。

技术特征：

1.一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置，其特征在于，包括：紧耦合天线阵列、俯仰合路网络、方位波束形成网络和倾角感知仪；所述紧耦合天线阵列和倾角感知仪均与俯仰合路网络连接，所述方位波束形成网络与俯仰合路网络连接。

2.根据权利要求1所述的一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置，其特征在于，所述俯仰合路网络集成了数控延时芯片，在对每路信号进行限幅、滤波、放大、数控延时后，再将每列的信号合成后输出多路射频信号。

3.根据权利要求2所述的一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置，其特征在于，所述方位波束形成网络将多路射频信号进行模数转换后，利用波束形成系数矩阵将整个阵面合成为1组方位面数字波束或将整个阵面资源划分为4份，每份合成为1组独立的方位面数字波束。

4.根据权利要求3所述的一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置，其特征在于，所述倾角感知仪基于微机电技术完成所在平台的倾斜度测量，并可向俯仰合路网络实时推送俯仰角和滚转角。

5.一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置的使用方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置的使用方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置的使用方法，其特征在于，需要调节的俯仰波束角度通过如下公式计算：

8.根据权利要求7所述的一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置的使用方法，其特征在于，在通道数控延时芯片的同步控制中第i列所需调节的延时量为：

9.根据权利要求8所述的一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置的使用方法，其特征在于，当方位波束合成为1组宽空域的波束时，方位波束为：

10.根据权利要求8所述的一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置的使用方法，其特征在于，当方位波束拆分为4组独立的波束时，方位波束为：

技术总结本发明公开了一种俯仰波束自适应调节的接收天线装置及使用方法，涉及非合作信号接收技术领域；本发明，利用倾角感知仪获取天线的当前姿态，再结合实际需求利用延时芯片调整俯仰波束，使其指向合适的空域；也可通过对通道资源的重组利用，形成多个不同指向的俯仰波束。该设计沿用非合作信号接收领域的线性数字相控阵技术，不额外增加接收通道规模的前提下提供了一种极具竞争力的自适应俯仰波束调节和多目标跟踪方案。技术研发人员：郭祥平,李侃,赵满,向川云,谢春胜,李东洋,颉宏宇,胡海,侯官茂,唐凌受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十九研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/17