無線信號自動定向發射系統的製作方法

2023-05-08 04:06:41 2

本實用新型涉及無線通信技術領域，特別是一種無線信號發射系統。

背景技術：

無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，在移動過程中實現的無線通信又稱為移動通信。衛星通信是無線通信中最為重要的通信方式，其實利用通信衛星作為中繼站在地面上兩個或多個地球站之間或移動體之間建立的通信聯繫。在國防和民用通信技術領域，定向通信可以降低發射功率並減少信息的洩露範圍；目前實現定向通信的方案是在收到目標位置信息後通過人工或機械方式轉動定向發射天線，此種實現定向通信的方法存在效率低下、精度較差的缺點。

技術實現要素：

本實用新型需要解決的技術問題是提供一種無線信號的自動定向發射系統，能夠實現無線信號的自動定向發射，以降低發射功耗，減少信息洩露，提高工作效率。

為解決上述技術問題，本實用新型所採取的技術方案如下。

無線信號自動定向發射系統，包括定位定向處理模塊、天線陣控制模塊、功率分配模塊、移相模塊、電源模塊、信號發射天線陣以及兩個衛星導航定向天線；所述衛星導航定向天線用於接收室外衛星導航信號，衛星導航定向天線的輸出端通過屏蔽同軸電纜與定位定向處理模塊的輸入端連接；定位定向處理模塊用於計算出兩個衛星導航定向天線基線法線與正北的夾角和系統中心的位置，並將得到的方向角及位置通過RS422接口送到天線陣控制模塊；天線陣控制模塊結合通過網絡通信接收到的目標位置信息，計算出目標與天線之間的距離和夾角以及信號發射天線陣中各陣元發射信號的相位和幅度，然後通過控制移相模塊調整信號發射天線中各陣元的相位，通過功率分配模塊調整各陣元的幅度，從而使天線陣的輻射信號主瓣射向目標方向。

上述無線信號自動定向發射系統，所述定位定向處理模塊包括FPGA模塊以及與FPGA模塊連接並分別對應兩個衛星導航定向天線的處理單元，處理單元包括依次連接的低噪放放大模塊、下變頻模塊以及模數轉換模塊，所述低噪放放大模塊的輸入端連接衛星導航定向天線，模數轉換模塊的輸出端連接FPGA模塊的輸入端，FPGA模塊的輸出端連接天線陣控制模塊的輸入端。

上述無線信號自動定向發射系統，所述天線陣控制模塊包括ARM處理器、FPGA控制器、網絡通信接口以及RS422接口，所述ARM處理器經RS422接口與定位定向處理模塊的FPGA模塊輸出端連接，ARM處理器的輸出端連接FPGA控制器的輸入端連接，FPGA控制器的輸出端與移相模塊的輸入端連接。

上述無線信號自動定向發射系統，所述移相模塊包括串聯連接的六個移相器，六個移相器的相移量分別為5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°。

上述無線信號自動定向發射系統，所述功率分配模塊包括增益可調功放電路以及兩級串聯的一分四功分器，所述增益可調功放電路的受控端連接天線陣控制模塊的輸出端，增益可調功放電路連接一分四功分器的輸入端。

由於採用了以上技術方案，本實用新型所取得技術進步如下。

本實用新型利用衛星導航信號實現系統自身的定位定向，採用天線陣的方式發射通信信號，天線陣的信號輻射方向根據目標位置信息及系統自身位置信息進行自動調整，解決了承載系統的平臺在移動狀態下的天線定向發射問題，能夠實現無線信號的自動定向發射，降低了發射功耗，減少了信息洩露，提高了工作效率，具有體積小、重量輕、自動化程度高等特點，可廣泛應用於車輛、艦船、飛機等移動物體中進行無線信號的自動定向發射。

附圖說明

圖1為本實用新型所述無線信號自動定向發射系統的總體結構框圖；

圖2為本實用新型所述定位定向模塊結構框圖；

圖3為本實用新型所述天線陣控制模塊結構框圖；

圖4為本實用新型所述移相控制模塊結構框圖；

圖5為本實用新型所述移相器電路圖；

圖6為本實用新型所述功率分配模塊結構框圖。

具體實施方式

下面將結合附圖和具體實施例對本實用新型進行進一步詳細說明。

一種無線信號自動定向發射系統，其結構如圖1所示，包括定位定向處理模塊、天線陣控制模塊、功率分配模塊、移相模塊、電源模塊、信號發射天線陣以及兩個衛星導航定向天線；衛星導航定向天線用於接收室外衛星導航信號，兩個衛星導航定向天線的輸出端經屏蔽同軸電纜與定位定向處理模塊的輸入端連接，定位定向處理模塊的輸出端連接天線陣控制模塊的輸入端，天線陣控制模塊的輸出端分別與功率分配模塊和移相模塊的輸入端連接，功率分配模塊和移相模塊的輸出端分別與信號發射天線陣中的各天線陣元連接。電源模塊用於為系統的各個模塊提供電源。

定位定向處理模塊用於計算出兩個衛星導航定向天線的基線法線與正北的夾角和系統中心的位置，並將得到的方向角及位置通過RS422接口輸送到天線陣控制模塊。定位定向處理模塊的結構如圖2所示，包括FPGA模塊以及與FPGA模塊連接並分別對應兩個衛星導航定向天線的處理單元，處理單元包括依次連接的低噪放放大模塊、下變頻模塊以及模數轉換模塊，低噪放放大模塊的輸入端連接衛星導航定向天線，模數轉換模塊的輸出端連接FPGA模塊的輸入端，FPGA模塊的輸出端連接天線陣控制模塊的輸入端。其中，FPGA模塊主要完成對衛星導航信號的捕獲、跟蹤、導航電文解調，並根據導航電文、原始觀測量完成位置、速度、時間、方向信息的解算工作。

天線陣控制模塊根據定位定向處理模塊發送的信息以及接收的目標位置，計算出目標與天線之間的距離和夾角，同時計算出天線陣各陣元發射信號的相位和幅度，並將移相控制信號和功率控制信號發射給移相模塊和功率分配模塊。天線陣控制模塊採用ARM+FPGA結構，具體結構如圖3所示，包括ARM處理器、FPGA控制器、網絡通信接口以及RS422接口，ARM處理器經RS422接口與定位定向處理模塊的FPGA模塊輸出端連接，ARM處理器的輸出端連接FPGA控制器的輸入端連接，FPGA控制器的輸出端與移相模塊的輸入端連接。其中，ARM處理器用於根據定位定向處理模塊發送的信息結合外部目標信息進行信號處理，FPGA控制器則主要完成天線陣朝目標方向發射信號時天線陣各陣元的相位設置和功率的計算，並把相位控制信息送到移相模塊，功率控制信息發送到功率分配模塊。

移相模塊用於根據天線陣控制模塊的指令調整各天線陣元的相位，移相模塊的具體結構如圖4所示，包括串聯連接的六個移相器，六個移相器的相移量分別為5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°，用二進位碼控制電路控制各 PIN 二極體的通與斷，從而可獲得26（64）個相移狀態。移相器採用由四個PIN二極體組成的π形電路結構，如圖5所示。

功率分配模塊用於根據天線陣控制模塊的指令調整各天線陣元的幅度，功率分配模塊的具體結構如圖6所示，包括增益可調功放電路以及兩級串聯的一分四功分器，增益可調功放電路的受控端連接天線陣控制模塊的輸出端，增益可調功放電路連接一分四功分器的輸入端。增益可調功放電路根據天線陣控制模塊傳來的功率控制信號決定外部送來的射頻信號的放大增益，射頻信號經增益可調功放電路進行信號放大後，再經過多級1分4功分器均等地分配給各天線陣元。

本實用新型的工作原理為：衛星導航定向天線將接收的室外衛星導航信號通過屏蔽同軸電纜輸送給定位定向處理模塊；定位定向處理模塊計算出兩個衛星導航定向天線基線法線與正北的夾角和系統中心的位置，並將得到的方向角及位置通過RS422接口送到天線陣控制模塊；天線陣控制模塊結合通過網絡通信接收到的目標位置信息，計算出目標與天線之間的距離和夾角以及信號發射天線陣中各陣元發射信號的相位和幅度；然後通過控制移相模塊調整信號發射天線中各陣元的相位，通過功率分配模塊調整各陣元的幅度，從而使天線陣的輻射信號主瓣射向目標方向。

無線信號自動定向發射方法，該方法基於無線信號自動定向發射系統實現，其原理是利用雙天線獲取系統的位置、方位信息，利用目標位置信息和系統自身的位置方向信息調整天線陣各單元的相位和幅度，使天線陣的信號發射主瓣射向目標。具體包括以下步驟。

A. 開啟電源模塊，使系統各模塊正常工作；啟動兩個衛星導航定向天線接收室外衛星導航信號，通過射頻電纜送到定位定向處理模塊。

B.兩路室外衛星導航的射頻信號送入定位定向處理模塊進行處理。首先室外衛星導航的射頻信號經低噪放放大模塊進行低噪放放大處理後，經下變頻模塊轉換為中頻信號，再通過模數轉換模塊將中頻信號轉換為數位訊號後；FPGA模塊完成信號的捕獲、跟蹤、導航電文解調，並根據導航電文、原始觀測量完成自身位置、速度、時間、方向信息的解算，以RS422/RS232接口按要求輸出解算信息。

C. 天線陣控制模塊的ARM處理器通過網絡通信接口接收外部設備送來的目標位置/方位信息，並通過RS422接口接收系統本身的位置、方向，ARM處理器進行信息處理以後，發送給FPGA控制器，FPGA控制器計算出天線陣各單元需要調整的相位和幅度，並發送給移相模塊和功率分配模塊。

D.移相模塊根據接收的相位調節指令調整天線陣元的相位。

F. 需要發射的信號通過射頻電纜接入到功率分配模塊，功率分配模塊根據天線陣控制模塊傳來的功率控制信號對射頻信號進行信號放大，然後通過一分四功分器輸送到各天線陣元，通過天線陣元發射到指定的目標方向。