CN112242611A - 高增益短波智能天线设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种高增益短波智能天线设备，该设备包括：激励器，用于生成激励信号；天线阵列，所述天线阵列包括两个或两个以上天线单元，各个天线单元之间依照垂直扇形组阵排列；参数调节装置，连接所述激励器和所述天线阵列，所述参数调节装置用于获取各个天线单元的调节参数，并根据所述调节参数对激励信号进行调节，并将调节后的激励信号发送至天线阵列中对应的天线单元。通过对激励信号的幅度和相位进行调节，改变波束方向以及形状，提高了短波通信效果以及通过垂直扇形组阵提高了短波信号增益。

Description

高增益短波智能天线设备

技术领域

本申请涉及智能天线领域，特别是涉及一种高增益短波智能天线设备。

背景技术

现有的短波远距离通信主要是利用电离层反射进行的，由于电离层受太阳辐射及宇宙射线的影响，电离层具有随昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化而变化，同时电离层随纬度和经度呈现复杂的空间变化,因此短波天波远距离通信是一种质量差、带宽窄、呼叫成功率很低的通信方式。

电离层的时变特性及接收端电磁环境使不同时间段的最佳通信频率发生变化，而电离层对短波频段的各频率的传输模式及吸收损耗差异显著，为了满足远距离短波通信的要求，除了选取合适的频率外，还需要一个合适的波束方位角和仰角，不合适的仰角会由于电离层的吸收损耗过大或者偏离出电离层而导致远距离短波通信没法进行，传统的短波天线在架设好之后其仰角是固定的，波束的方向不能实时调整，因此其通信效果相对较差。

发明内容

基于此，有必要针对上述短波通信效果差的问题，提供一种高增益短波智能天线设备。

一种高增益短波智能天线设备，该设备包括：激励器，激励器连接有参数调节装置，激励器用于生成激励信号；天线阵列，天线阵列包括若干天线单元，各个天线单元之间依照预设组阵方式排列，形成天线阵列，且各个天线单元分别连接有参数调节装置，其中，预设组阵方式为垂直扇形组阵；参数调节装置，参数调节装置用于获取各个天线单元的调节参数，并根据调节参数，对激励信号进行调节，并将调节后的激励信号发送至天线阵列中的各个天线单元。

上述设备，通过参数调节装置对激励信号的幅度以及相位进行调节，使得天线阵列的波束方向以及波束形状能够进行改变，从而使在进行远距离短波通讯时，天线阵列的最大波束方向在电离层传输信道上的损耗最小，提高短波通信效果，同时随着波束方向以及波束形状的改变，使得对不需要短波信号的区域信号辐射大幅降低，保证了信息传输的安全性，降低了其它用户的干扰，并且通过两个或以上的天线单元进行垂直扇形组阵，空中叠加的场强得到大幅提高，组阵后的波束更加集中，提高了短波信号增益。

在其中一个实施例中，调节参数包括幅度参数以及相位参数。

在其中一个实施例中，参数调节装置包括功率分配器以及移相器，功率分配器与激励器连接，功率分配器通过移相器与各个天线单元连接，功率分配器用于根据幅度参数调节激励信号的幅度，移相器用于根据相位参数调节激励信号的相位。

在其中一个实施例中，还包括激励控制器，激励控制器与移相器以及功率分配器连接，激励控制器用于采集天线阵列的通信参数，并根据通信参数计算得到调节参数，通信参数包括天线单元的通信方位角参数以及仰角参数。

在其中一个实施例中，还包括信号处理装置，信号处理装置与参数调节装置以及各个天线单元连接，激励器还用于生成数字信号，信号处理装置用于接收数字信号，将数字信号进行处理，发送至天线单元。

在其中一个实施例中，信号处理装置还包括数模转换器，数模转换器与参数调节装置以及各个天线单元连接，数模转换器用于将数字信号转换为模拟信号。

在其中一个实施例中，信号处理装置还包括功率放大器，功率放大器与数模转换器以及各个天线单元连接，功率放大器用于对模拟信号进行放大。

在其中一个实施例中，还包括馈电网络，功率放大器通过馈电网络分别与各个天线单元连接。

在其中一个实施例中，各个天线单元分别连接有对应的馈电网络，各个馈电网络分别连接有对应的功率放大器，各个功率放大器分别连接有对应的数模转换器。

在其中一个实施例中，各个天线单元与水平面之间的角度范围为-6度至6度。

附图说明

图1为一实施例中高增益短波智能天线的应用场景图；

图2为一实施例中高增益短波智能天线的系统框架结构图；

图3为一实施例中对数周期天线网络模型示意图；

图4为一实施例中高增益短波智能天线的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，提供了一种高增益短波智能天线的应用场景图，其中，天线设备101中具有天线阵列，天线阵列是由多个天线单元按照一定的组阵方式构成的，每一个天线单元相当于一个阵元，天线单元可以是对数周期天线，短波信号通过天线设备101发射出去，通过电离层102反射至终端103上，当终端103的位置发生变化时，天线设备发出的信号波束角度和方向就需要发生相应的调整才能够有效的保证短波通信远距离传输的通信效果。

在一实施例中，如图2所示，提供了一种高增益短波智能天线设备，以该设备应用到图1中为例，该设备包括激励器100、天线阵列200和参数调节装置300，激励器100可作为信号源，产生激励信号，天线阵列200包括两个或两个以上天线单元201，各个天线单元201之间依照垂直扇形组阵排列；参数调节装置300连接激励器100和天线阵列200，参数调节装置300获取每一个天线单元201的调节参数，并根据每一个天线单元201的调节参数对激励器100产生的激励信号进行调节，在调节完激励信号之后，参数调节装置300将调节后的激励信号输送至天线阵列200中对应的天线单元201。

其中，垂直扇形组阵指的是各个天线单元都处于同一个垂直平面上，并在该垂直平面上排列形成一个扇形，当阵元夹角小于结构张角，阵列高频端的方向图受影响较为明显，出现较大的副瓣；阵元夹角大于结构张角时，低频端受影响较为严重，主瓣明显变宽。这是因为当阵元夹角小于结构张角时，两阵元相应长振子的间距较小，而相应短振子的间距较大，故高频时阵列出现较大的副瓣，阵列的辐射方向图宽带特性变差。当阵元夹角大于结构张角时，两阵元相应短振子的间距较小，相应长振子的间距，故低频时阵列的辐射方向图主瓣明显变宽，阵列的宽带特性变差。通过扇形组阵使阵列天线在整个频段内的阻抗可以保持一致。以四个天线单元为例，四个天线单元从上至下位于同一个垂直面上，以水平线为对称轴，上方设置两个天线单元，下方设置两个天线单元，最上方的天线单元与最下方的天线单元之间夹角为12度，各个天线单元的长度为20米，天线单元之间按前端间隔3.5米，末端间隔4.9米的形式排成一个扇形。

其中，激励器100作为信号源，用于提供相应的信号，例如产生激励信号，相应的，此外，激励器100还可以提供其它各种短波业务类型的数字信号，例如单边带信号、等幅报信号和调幅信号等。激励器100产生的激励信号是用于对天线单元201进行调节的，使得天线单元201的波束指向对应的方向(例如用户的方向)，但激励器100产生的激励信号在输送至天线单元201时，会通过参数调节装置300来调节激励信号的参数数据，以实现对天线单元201的最优激励，保证短波通信最佳通信效果。

在参数调节装置300通过调节参数对激励信号进行调节的这个过程中，调节参数可以指的是幅度参数和相位参数，激励信号相当于电信号，以用户为例，当用户发生了移动时，例如用户原来所处的位置相对于天线设备是在北方，当用户发生移动之后，用户位置相对于天线设备是处于南方，此时短波通信的波束方向以及形状就需要做出适应性的调整来跟随用户，从原来波束集中朝北调整到波束集中朝南，参数调节装置300通过获取调节参数，来对激励信号的幅度和相位进行调节，然后调节后的激励信号输入到各个天线单元201，实现了天线单元201的波束方向以及形状的调整。

需要说明的是，调节参数可以通过相应的计算单元计算得到，例如当检测到用户的来波方向发生变化时，计算软件就可以根据来波方向来计算得到调节参数，反馈至参数调节装置300。具体的，本文以对数周期天线为例对调节参数的计算进行相应的说明，对于单元对数周期天线，由于具有多个交叉馈电的振子，一般采用矩量法结合微波网络理论中的等效传输矩阵来处理，如图3所示，图3示出了对数周期天线网络模型，可以将单元对数周期天线看成振子网络和集合线网络两个部分，采用矩量法计算振子网络端口间的互阻抗，利用微波网络理论计算集合线网络的阻抗或导纳矩阵，利用两个网络端口电压相等这一关系，将振子网络与集合线网络结合起来，进而求得天线上的电流分布。对于架设高度小于一个波长的短波天线阵，地面对天线的影响不仅仅是反射信号的叠加，还包括阵子之间的互阻抗，地面的影响可采用分层媒质的格林函数来求解。利用等效传输线网络求出分层媒质中的谱域格林函数，再通过反变换即可得到空域形式，进而计算子模之间的反应，得到阻抗矩阵，根据阻抗矩阵可以得到天线上的电流分布，根据天线上的电流分布便可以进一步求解辐射场，得到天线阵的远场方向图，根据波束方向和地面效应计算出最优激励(最优激励包括每个天线激励信号(电流)的幅度和相位)。然后就可以通过计算出的最优激励作为调节参数，来对激励器100产生的激励信号的幅度和相位进行调节，然后输送给各个天线单元201。

上述设备，通过参数调节装置300对激励信号的幅度以及相位进行调节，使得天线阵列200的波束方向以及波束形状能够进行改变，从而使在进行远距离短波通讯时，天线阵列200的最大波束方向在电离层传输信道上的损耗最小，提高短波通信效果，同时随着波束方向以及波束形状的改变，使得对不需要短波信号的区域信号辐射大幅降低，保证了信息传输的安全性，降低了其它用户的干扰，并且通过两个或以上的天线单元201进行垂直扇形组阵，空中叠加的场强得到大幅提高，组阵后的波束更加集中，提高了短波信号增益。

在一实施例中，如图4所示，参数调节装置300包括功率分配器301以及移相器302，功率分配器301与激励器100连接，功率分配器301通过移相器302与各个天线单元201连接，功率分配器301用于根据幅度参数调节激励信号的幅度，移相器302用于根据相位参数调节激励信号的相位。

其中，移相器302可以是多个，其数量可以为天线单元201的数量，这样能够满足对输送至不同天线单元201的激励信号进行相应的相位调节。以天线单元201的数量为4个为例，每一个天线单元201都对应有一个移相器302，各个移相器302全部接入到一个功率分配器301中，功率分配器301根据幅度参数对激励信号的幅度调节之后，各个移相器302再根据相位参数对激励信号的相位进行调节，不同的移相器302对激励信号的相位调节之后，可以得到不同相位的激励信号，调节了幅度以及相位的激励信号输送到对应的天线单元201，从而实现对短波通信的波束方向和形状进行调节。

通过将参数调节装置300分为功率分配器301以及多个移相器302，使得激励信号的幅度和相位的调节独立开来，提高数据处理的效率。

在一个实施例中，如图4所示，还包括激励控制器600，激励控制器600与移相器302以及功率分配器301连接，激励控制器600用于采集天线阵列200的通信参数，并根据通信参数计算得到调节参数。通信参数包括天线单元201的通信方位角参数以及仰角参数。

在天线单元201进行短波通信时，天线单元201存在相应的通信方位角以及仰角，例如可以通过现有的短波通信预测软件得出天线单元201的仰角参数，然后激励控制器600就可以根据采集得到的仰角参数计算得到调节参数(即相位参数以及幅度参数)，同时，激励控制器600会将计算得到的相位参数发送至四个移相器302，将计算得到的幅度参数发送至功率分配器301。在一实施例中，激励控制器600可以采用单片机芯片或者采用DSP芯片。

通过采用单独的激励控制器600对调节参数进行计算，保证了数据处理的效率，从而能够有效的保证移相器302以及功率分配器301实时的对激励信号的相位或幅度进行调整，使得天线单元201的波束方向和波束形状能够实时的调整，保证最大波束指向用户或终端，从而保证短波通信的实时通信效果。

在一实施例中，如图4所示，该短波智能天线设备还包括信号处理装置400，信号处理装置400与参数调节装置300以及各个天线单元201连接，激励器100还用于生成数字信号，信号处理装置400用于接收数字信号，将数字信号进行处理，发送至天线单元201。

其中，激励器100还可以产生各种短波业务类型的数字信号，例如单边带信号、等幅报信号和调幅信号等等，信号处理装置400对这些数字信号进行处理之后，通过天线单元201发射出去。通过设置信号处理装置400，使得作为信号源的激励器100可以不单单是产生激励信号，还能够产生其它短波业务类型的数字信号，从而使得整个天线设备能够发生更多不同种类的信号，降低了天线设备的制造成本，并且使得天线设备的适用性更高。

进一步的，在一实施例中，如图4所示，信号处理装置400可以包括数模转换器401，通过数模转换器401来将激励器100产生的数字信号转换为模拟信号，然后输送至各个不同的天线单元201，相应的，信号处理装置400还可以包括功率放大器402，在数模转换器401将数字信号转换为模拟信号时，可以采用功率放大器402来将模拟信号进行放大，以方便天线单元201进行信号的发射。

在一个实施例中，如图4所示，该短波智能天线设备还包括馈电网络500，功率放大器402通过馈电网络500分别与各个天线单元201连接。具体地，各个天线单元201分别连接有对应的馈电网络500，各个馈电网络500分别连接有对应的功率放大器402，各个功率放大器402分别连接有对应的数模转换器401。

通过设置多个馈电网络500，为每一个天线单元201分配对应的馈电网络500，例如当有四个天线单元201时，就可以设置四个馈电网络500，每一个天线单元201单独分配一个馈电网络500，四个馈电网络500是互相独立的，同时，每一个馈电网络500又分别连接有一个功率放大器402以及对应的数模转换器401，这使得每一个天线单元201都具有一条独立的信号处理通道，为信号正常传输提供了有效的保障。相应的，每一条独立的信号处理通道还可以分别连接一个移相器302以及功率分配器301，这样能够进一步的保障每一个天线单元201都具有一个独立的参数调节通道，从而使得输送给各个天线单元201的激励信号各不相同，方便对各个天线单元201的波束以及波束形状进行灵活的调节。

在一个实施例中，各个天线单元201与水平面之间的角度范围为-6度至6度。

考虑到实际发射的信号都需要有一个仰角，而自由空间中的天线波束是水平时，近地架设时由于地面反射作用而使2个波束叠加时，其合成波束是上翘的，因此本实例选取的天线组阵的自由空间方向图是水平的。由上述分析得知，当阵元夹角大于结构张角时，，四元双层对数周期天线扇形阵的辐射特性最好，但是垂直组阵架设会带来很大的麻烦，因为短波天线为了照顾低频段的增益和驻波，尺寸都非常大，近地架设高度太低时工作于低频段的振子离地太近会导致效率急剧降低，使天线性能下降很快。本实施例中，以四个天线的单元为例，四个天线单元201依照垂直扇形组阵，最上端的天线与水平面的夹角是6度，最下端的天线与水平面的夹角是-6度，中间2副天线与水平面的夹角分别是-2度和2度，采用该天线架设方式，性能不会比最优阵元夹角明显下降且易于架设的夹角结构。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高增益短波智能天线设备，其特征在于，所述的设备包括：

激励器，用于生成激励信号；

天线阵列，所述天线阵列包括两个或两个以上天线单元，各个天线单元之间依照垂直扇形组阵排列；

参数调节装置，连接所述激励器和所述天线阵列，所述参数调节装置用于获取各个天线单元的调节参数，并根据所述调节参数对激励信号进行调节，并将调节后的激励信号发送至天线阵列中对应的天线单元。

2.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述调节参数包括幅度参数以及相位参数。

3.根据权利要求2所述的天线设备，其特征在于，所述参数调节装置包括功率分配器以及移相器，所述功率分配器与所述激励器连接，所述功率分配器通过所述移相器与各个天线单元连接，所述功率分配器用于根据所述幅度参数调节激励信号的幅度，所述移相器用于根据所述相位参数调节激励信号的相位。

4.根据权利要求3所述的天线设备，其特征在于，还包括激励控制器，所述激励控制器与所述移相器以及所述功率分配器连接，所述激励控制器用于采集天线阵列的通信参数，并根据所述通信参数计算得到所述调节参数，所述通信参数包括天线单元的通信方位角参数以及仰角参数。

5.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，还包括信号处理装置，所述信号处理装置与所述参数调节装置以及各个天线单元连接，所述激励器还用于生成数字信号，所述信号处理装置用于接收所述数字信号，将所述数字信号进行处理后发送至所述天线单元。

6.根据权利要求5所述的天线设备，其特征在于，所述信号处理装置包括数模转换器，所述数模转换器与所述参数调节装置以及各个天线单元连接，所述数模转换器用于将所述数字信号转换为模拟信号后发送至所述天线单元。

7.根据权利要求6所述的天线设备，所述信号处理装置还包括功率放大器，所述功率放大器与所述数模转换器以及各个天线单元连接，所述功率放大器用于对所述模拟信号进行放大。

8.根据权利要求7所述的天线设备，其特征在于，还包括馈电网络，所述功率放大器通过所述馈电网络分别与各个天线单元连接。

9.根据权利要求8所述的天线设备，其特征在于，所述各个天线单元分别连接有对应的馈电网络，各个馈电网络分别连接有对应的功率放大器，各个功率放大器分别连接有对应的数模转换器。

10.根据权利要求1所述的天线设备，其特征在于，所述各个天线单元与水平面之间的角度范围为-6度至6度。

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