一种降低球面相控阵系统的功率损耗的设计方法与流程

本发明属于天线系统设计，尤其涉及一种降低球面相控阵系统的功率损耗的设计方法。

背景技术：

1、球面相控阵天线由于其全空域覆盖的工作方式以及多波束、多目标的技术优势，在近年来新型天线的研究中越来越受到重视，成为一个新型天线研究的热点领域。

2、在大型多波束球面相控阵天线的研制过程中一个需要解决的技术问题是对全阵面的功率耗控制。球面相控阵天线的阵面一般由多个子阵构成，每个子阵包含发射的t组件、接收的r组件以及初级数字波束合成单元(dbf)。

3、一个大型球面相控阵天线系统由于需要对360度空域的整个球面进行布阵，由于同时有多个波束并行工作，这就要求天线系统的阵面上所有子阵都处于加电工作状态，整个球面阵系统的功耗往往达到上百千瓦级别，其中超过百分之九十的功耗是用在天线阵面上。如此大的功耗不仅需要配套专门的输电网络，还对天线阵面的散热提出较高的要求。因此如何降低大型球面相控阵天线阵面的功耗，设计一个低功耗的球面相控阵天线阵面成为大型相控阵天线设计的一个关键技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种降低球面相控阵系统的功率损耗的设计方法,旨在提供一种可减小大型球面相控阵天线阵面功率损耗的简单可靠、耗费硬件资源小的多波束球面相控阵天线的设计方法，并用得到的标校区域相位修正值修正球面相控阵天线的波束合成。

2、本发明目的通过下述技术方案来实现：

3、一种降低球面相控阵系统的功率损耗的设计方法，所述方法包括：

4、将球面阵天线系统的阵面按照子阵为单位进行划分，所述子阵包括数字波束形成单元、发送组件、接收组件和天线阵元；

5、为每个子阵设计工作模式，所述工作模式包括空闲模式、下行工作模式与全状态工作模式；

6、在所述空闲模式下，子阵的发送组件与接收组件都处于休眠状态，数字波束形成单元处于低功耗状态；

7、在所述下行工作模式下，子阵的接收组件与数字波束形成单元处于正常满负荷工作状态，发射组件处于休眠状态；

8、在所述全状态工作模式下，子阵所有单元满负荷工作。

9、进一步的，所述子阵的工作模式判决策略包括：

10、系旋转矢量a1计算：

11、

12、f13＝csinφ；

13、f23＝0；

14、f33＝cosφ；

15、其中，φ为波束指向的俯仰角，为波束指向的方位角；

16、子阵中心法线与波束指向的夹角θ子阵计算：

17、(x子阵2,y子阵2,z子阵2)＝(x子阵1,y子阵1,z子阵1)a1t

18、其中：

19、a1t为旋转矢量a1的转置；x1、y1、z1为子阵中心在球面阵坐标系下的坐标值；

20、子阵中心法线与波束指向的夹角为：

21、

22、子阵工作模式的判决策略：

23、θ子阵≤60度的子阵参与波束指向，激活所述子阵，并对有上行波束工作要求的子阵切换为全状态工作模式，对于只有下行波束工作要求的子阵切换为下行工作模式；

24、θ子阵>60度的子阵不参与波束指向，切换为空闲状态模式。

25、进一步的，所述系统以数字波束控制的离散时间间隔为周期，周期性对每个子阵按所述判决策略判决子阵的工作模式。

26、进一步的，所述子阵的各个天线阵元接收发送组件发送的射频发射信号，并将射频发射信号转换为电磁波向空间目标传输，同时接收空间目标的下行电磁波信号，并转换为下行模拟电信号发送至接收组件；

27、所述子阵的各个发送组件接收各自的上行波束指向数字信号，并通过模/数转换模块转换为模拟信号，经过功率放大后送对应的天线阵元；

28、所述子阵的各个接收组件接收各自对应的天线阵元接收的空间目标的下行模拟电信号，经过信号放大后再通过数/模转换模块转换为数字信号发送至数字波束形成单元；

29、所述子阵的数字波束形成单元接收各个天线阵元接收的下行数字信号，并按照不同波束指向进行下行数字波束形成，并将形成的数字波束指向信号发送至后一级数字信号处理单元，所述数字波束形成单元还要接收后一级数字信号处理单元发送来的发射上行数字信号，按照波束指向形成上行波束的各个阵元的发射数字信号，再将发生数字信号送各个发送组件。

30、进一步的，所述数字波束形成单元包括fpga芯片、dsp芯片和时钟模块，时钟模块为fpga芯片和dsp芯片提供系统时钟，fpga芯片和dsp芯片用于处理数字信号与命令控制。

31、进一步的，所述fpga芯片和所述dsp芯片的工作模式根据子阵的工作状态进行切换：

32、在子阵处于全状态工作或下行工作模式时所述fpga芯片和所述dsp芯片切换为全状态工作模式；在子阵处于休闲模式时，所述dsp芯片切换为空闲模式，所述fpga芯片切换为休眠模式。

33、进一步的，所述接收组件包括低噪声放大器、模/数转换模块和接收组件电源管理模块，接收组件电源管理模块根据子阵的工作状态对低噪声放大器和模/数转换模块进行电源开关控制。

34、进一步的，所述接收组件电源管理模块根据子阵的工作状态对低噪声放大器和模/数转换模块进行电源开关控制具体包括：

35、当子阵工作在全状态工作模式或下行工作模式时，打开低噪声放大器和模/数转换模块进行电源电源，低噪声放大器和模/数转换模块全状态工作；

36、当子阵工作在空闲模式下时，关闭低噪声放大器和模/数转换模块的电源，低噪声放大器和模/数转换模块休眠。

37、进一步的，所述发送组件包括功率放大器、数/模转换模块和发送组件电源管理模块，发送组件电源管理模块根据子阵的工作状态对功率放大器和数/模转换模块进行电源开关控制。

38、进一步的，所述发送组件电源管理模块根据子阵的工作状态对功率放大器和数/模转换模块进行电源开关控制具体包括：

39、当子阵工作在全状态工作模式或下行工作模式时，打开功率放大器和数/模转换模块的电源，功率放大器和数/模转换模块全状态工作；

40、当子阵工作在空闲模式下时，关闭功率放大器和数/模转换模块的电源，功率放大器和数/模转换模块休眠。

41、本发明的有益效果在于：

42、(1)降低球面相控阵天线系统的功率损耗，提高来系统性能。本发明通过对子阵采用分级工作模式的方法，降低了球面相控阵天线阵面的功率损耗。解决了大型球面相控阵天线系统应用中的一个关键问题。

43、(2)实现简单、资源占用较少，降低系统设计使用成本。本发明仅利用系统原有的设备，而不需要增加额外的设备，并且通过软件算法实现降低子阵的功率损耗，便于自动化运行，降低了系统设计成本。

44、(3)本发明操作流程简单，对球面相控阵系统设计提出具体的量化指标，并给出影响量化指标的具体因素，便于在球面相控阵天线设计时按具体情况进行优化取舍。