一种天线阵列系统的制作方法

本发明涉及天线阵列领域，尤其涉及一种天线阵列系统。

背景技术：

电磁波信号传播时，电磁波信号的传播方向、极化状态等参数都是非常重要的特征参量，能够携带了电磁信号的重要信息，比如，传播方向能够描述电磁波信号源的空间位置，极化状态能够描述电磁波信号的矢量运动特征，获取电磁波信号的本身固有属性，因此，在电磁波信号传播传输的过程中，收发电磁波信号的天线阵列的性能参数显得尤为重要。

大多数天线阵列由于仅进行空域滤波、易受到极化失配影响等因素，抗干扰能力、检测能力和分辨能力均较差。由此，现有技术常采用极化敏感天线阵列进行电磁波信号的收发，以一定方式在空间设置极化敏感极化天线阵元，并利用极化敏感阵元可获取空间电磁信号的极化信息，利用阵列几何结构进行空域采样可获取信号的空域信息。

然而现有技术在极化敏感天线阵列的设置时，常采用相同半径距离、相同极化方式的极化天线阵元组成极化敏感天线阵列，不仅降低了极化敏感天线阵列的多样性，缩小了极化敏感天线阵列的适用范围，还由于极化状态受限，导致经过此种极化敏感天线阵列处理得到的电磁波信号的极化信息、空域信息等特征参量与实际的特征参量仍具有一定误差。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种天线阵列系统，其特征在于，包括：

一极化敏感天线阵列，包括多个极化天线阵元，用于接收电磁波信号；

一通道选取模块，与所有所述极化天线阵元连接，用于依次选取一个所述极化天线阵元接收所述电磁波信号；

一模数转换模块，与所述通道选取模块连接，用于将所述电磁波信号转换为所述数字信号并输出；

一筛选模块，与所述模数转换模块连接，用于剔除所述数字信号中处于切换状态下接收到的信号；

一处理模块，与所述筛选模块连接，用于根据所述极化天线阵元的空间位置以及对应的所述数字信号，获取阵列流形矢量和方位角空间谱，对所述方位角空间谱中进行分析得到定位结果并输出。

优选的，多个极化天线单元包括：

一中心天线阵元，用于接收所述电磁波信号；

多个第一天线阵元，以所述中心天线阵元为圆心并以第一距离为半径、第一方向为极化方向等间隔设置，用于接收所述电磁波信号；

多个第二天线阵元，与所述第一天线阵元一一对应，以所述中心天线阵元为圆心并以第二距离为半径、第二方向为极化方向等间隔设置，用于接收所述电磁波信号。

优选的，所述中心天线阵元为全向的圆极化天线；

所述第一天线阵元为线极化天线，所述第一方向为所述第一天线阵元垂直所述半径的方向；

所述第二天线阵元为线极化天线，所述第二方向为所述第二天线阵元指向所述圆心的方向。

优选的，所述第一距离为：

其中，r1用于表述所述第一距离；

λ用于表述所述电磁波信号的波长。

优选的，所述第二距离为：

其中，r2用于表述所述第二距离；

λ用于表述所述电磁波信号的波长。

优选的，所述通道选取模块中包括：

多个开关，与所有所述极化天线阵元分别对应连接，用于切换所述极化天线阵元的接收状态；

一通道选取单元，与所有所述开关连接，用于通过依次选取一所述开关切换一个所述极化天线阵元接收所述电磁波信号。

优选的，所述处理模块中包括：

第一处理单元，与所述筛选模块连接，用于根据所述极化天线阵元的空间位置以及对应的所述数字信号，获取阵列流形矢量；

第二处理单元，与所述第一处理单元连接，用于根据所述阵列流形矢量获取所述方位角空间谱，分析所述方位角空间谱中的谱峰并将所述谱峰对应的方位角作为所述定位结果输出。

优选的，所述阵列流形矢量采用下述公式表述为：

其中，用于表示所述阵列流形矢量，θ用于表示所述电磁波信号的方位角，用于表示所述电磁波信号的俯仰角；γ表示极化辅助角，η用于表示极化相位差；

用于表示空间相移因子；

bm用于表示阵元极化敏感矢量；

用于表示所述电磁波信号的极化-角度域导向矢量。

优选的，所述极化-角度域导向矢量采用下述公式表述：

其中，用于表示所述极化-角度域导向矢量，θ用于表示所述电磁波信号的方位角，用于表示所述电磁波信号的俯仰角；γ表示极化辅助角，η用于表示极化相位差；

用于表示电场矢量；

用于表示磁场矢量。

优选的，所述方位角空间谱采用下述公式表述：

其中，用于表示所述方位角空间谱，θ用于表示所述电磁波信号的方位角，用于表示所述电磁波信号的俯仰角；γ表示极化辅助角，η用于表示极化相位差；

用于表示所述阵列流形矢量；

u用于表示噪声子空间对应的特征矢量。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：设置不同距离、不同极化方式的极化敏感天线阵列，提高天线阵列定位系统的抗干扰能力、接收电磁波信号的分辨率与信噪比，以此获得更加精确的电磁波信号的特征矢量，得到更加准确的定位结果。

附图说明

图1为本发明的优选实施例中的定位系统的结构示意图；

图2为本发明的优选实施例中的极化敏感天线阵列的结构示意图；

图3为本发明的优选实施例中的第一处理单元获取极化-角度域导向矢量的流程示意图；

图4为本发明的优选实施例中的极化天线阵元的接收示意图；

图5为本发明的优选实施例中的极化敏感天线阵列的接收示意图；

图6为本发明的优选实施例中的第一处理单元获取阵列流形矢量的流程示意图；

图7为本发明的优选实施例中的第二处理单元获取定位结果的流程示意图；

图8为本发明的优选实施例中的方位角空间谱的谱峰示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

一种天线阵列定位系统，如图1所示，包括：

一极化敏感天线阵列s1，包括多个极化天线阵元，用于接收电磁波信号；

一通道选取模块s2，与所有极化天线阵元连接，用于依次选取一个极化天线阵元接收所述电磁波信号；

一模数转换模块s3，与通道选取模块s2连接，用于将电磁波信号转换为数字信号并输出；

一筛选模块s4，与模数转换模块s3连接，用于剔除数字信号中处于切换状态下接收到的信号；

一处理模块s5，与筛选模块s4连接，用于根据极化天线阵元的空间位置以及对应的数字信号，获取阵列流形矢量和方位角空间谱，对方位角空间谱中进行分析得到定位结果并输出。

本发明的一种较优实施例，多个极化天线阵元，如图2所示，包括：

一中心天线阵元，用于接收电磁波信号；

多个第一天线阵元，以中心天线阵元为圆心并以第一距离为半径、第一方向为极化方向等间隔设置，用于接收电磁波信号；

多个第二天线阵元，与第一天线阵元一一对应，以中心天线阵元为圆心并以第二距离为半径、第二方向为极化方向等间隔设置，用于接收电磁波信号。

本发明的一种较优实施例，通道选取模块s2中包括：

多个开关s21，与所有极化天线阵元分别对应连接，用于切换极化天线阵元的接收状态；

一通道选取单元s22，与所有开关s21连接，用于通过依次选取一开关上s21切换一个极化天线阵元接收电磁波信号。

具体地，考虑到现有技术在极化敏感天线阵列s1的设置时，常采用相同半径距离、相同极化方式的极化天线阵元组成极化敏感天线阵列s1，导致处理得到的电磁波信号的极化信息、空域信息等特征参量与实际的特征参量仍具有一定误差，因此于本发明中提供一种天线阵列定位系统。

其中，极化敏感天线阵列s1的极化天线阵元包括一中心天线阵元，多个第一天线阵元和多个第二天线阵元，第一天线阵元和第二天线阵元的极化方向不同、与中心天线阵元的距离也不同，为便于下述表述，可将中心天线阵元记为编号0的中心天线阵元，所有的第一天线阵元分别记为编号1，3，5……2n-1的第一天线阵元，所有的第二天线阵元分别记为编号2，4，6……2n的第二天线阵元，通过设置不同距离、不同极化方式的极化天线阵元组成极化敏感天线阵列s1，再对此时接收到的电磁波信号进行处理，提高极化敏感天线阵列s1的抗干扰能力、接收电磁波信号的分辨率与信噪比、以此获得更加精确的电磁波信号的特征矢量，还能扩大极化敏感天线阵列s1的适用范围。

极化敏感阵列接收到的电磁波信号需要进行模数转换，将连续的电磁波信号转换为数字信号便于后续的计算处理，考虑到模数转换模块s3中的电气元件的成本较高，仅设置一个模数转换模块s3对极化敏感阵列接收到的所有电磁波信号进行处理，能够最大程度降低经济成本。

然而，本发明为增强抗干扰、提升信噪比，于极化敏感阵列中设置不同半径、不同极化方向的极化天线阵元，为实现同一个模数转换模块s3转换不同的极化天线阵元接收到的电磁波信号，于定位系统中还设置一通道选取模块s2和一筛选模块s4。

其中，通道选取模块s2中可包括多个开关s21和一控制开关的通道选取单元s22，多个开关与极化敏感阵列中的中心天线阵元、多个第一天线阵元以及多个第二天线阵元分别对应连接，以控制不同的极化天线阵元通过各自对应的射频通道s23获取电磁波信号，最终实现单通道获取电磁波信号。

优选的，通道切换单元中可预设一本地信号，在接收到编号0的中心天线阵元传输的电磁波信号后，将本地信号与电磁波信号进行匹配处理，实现信号的同步匹配，随后通过控制开关，依次转换至编号1的第一天线阵元、编号2的第二天线阵元、编号3的第一天线阵元……直到编号2n的第二天线阵元，最终实现同步匹配。此处结合通道选取模块，能够实现同一个模数转换模块s3对不同的极化天线阵元接收到的信号的转换处理，降低了经济成本。

进一步地，本发明只通过一通道选取模块s2对极化天线阵元依次进行状态切换，然而电路切换导致接收到的电磁波信号受到影响、不稳定、质量较差，因而设置一筛选模块s4中，并于筛选模块s4中设置多条的筛选机制，对经过模数转换后的数字信号进行筛选处理。

其中，作为一种优选方式，其中的一条筛选机制可设置为只取中间数据，对编号2i的极化天线阵元以及编号2i+1的极化天线阵元接收处理后的2j个数据只选取中间的j个数据，以便于2j个数据中位于前列的数据1，2，3……j/2和位于后列的数据3j/2，3j/2+1，3j/2+2，……2j因电路切换，质量较差而最终影响到得到的定位结果。

本发明的一种较优实施中，中心天线阵元为全向的圆极化天线。

第一天线阵元为线极化天线，第一方向为第一天线阵元垂直半径的方向；

第二天线阵元为线极化天线，第二方向为第二天线阵元指向圆心的方向。

具体地，由于极化敏感天线阵列s1中由极化天线阵元组成，如第一天线阵元和第二天线阵元，这些极化天线阵元均进行电磁波信号的接收，由于不同的极化天线阵元具有不同的空间位置以及极化方向，因此接收到的电磁波信号的特征矢量，如传播方向、极化状态等也不同，为实现不同的极化天线阵元接收到的电磁波信号之间的同步匹配，于极化敏感阵列中设置中心天线阵元，可选取全向的圆极化天线作为中心天线阵元，全方向接收相同的电磁波信号，将接收到的电磁波信号作为参考值，并结合第一天线阵元、第二天线阵元与中心天线阵元之间的相位差进行同步匹配处理，即可获取同步的电磁波信号。

本发明的一种较优实施中，第一距离为：

其中，r1用于表述第一距离；

λ用于表述电磁波信号的波长。

本发明的一种较优实施中，第二距离为：

其中，r2用于表述第二距离；

λ用于表述电磁波信号的波长。

具体地，此处可选取线极化天线作为第一天线阵元，以第一距离r1作为半径，并以垂直半径的第一方向为第一天线阵元的极化方向进行设置，可同样选取线极化作为第二天线阵元，但以第二距离r2作为半径，并以朝向圆心的第二方向为第二天线阵元的极化方向进行设置。

通过设置不同半径、不同极化方向的第一天线极化阵元和第二天线极化阵元，当干扰信号和期望信号到达角接近时，普通天线阵列的空域滤波失效，现有的极化敏感天线阵列只能进行一种极化状态的干扰信号与期望信号之间的极化域滤波，而本申请的极化敏感阵列不仅可以利用期望信号和干扰信号空间到达角的差异在空域滤波，而且还可以利用不同极化天线阵元的不同的极化状态的差异在极化域滤波，能够提高极化敏感天线阵列s1的抗干扰能力，并且进行信号增强，进一步提高极化敏感天线阵列s1接收电磁波信号的分辨率与信噪比。

进一步地，由于设置的极化敏感天线阵列s1抗干扰能力、接收电磁波信号的分辨率与信噪比均增强，因此此处接收的电磁波信号可为电视、无线电广播，也可为雷达、蓝牙或是其他的通讯系统，扩大极化敏感天线阵列s1的应用范围。

本发明的一种较优实施中，处理模块s5中包括：

第一处理单元，与筛选模块连接，用于根据极化天线阵元的空间位置以及对应的数字信号，获取阵列流形矢量；

第二处理单元，与第一处理单元连接，用于根据阵列流形矢量获取方位角空间谱，分析方位角空间谱中的谱峰并将谱峰对应的方位角作为定位结果输出。

本发明的一种较优实施中，阵列流形矢量采用下述公式表述为：

其中，用于表示所述阵列流形矢量，θ用于表示所述电磁波信号的方位角，用于表示所述电磁波信号的俯仰角；γ表示极化辅助角，η用于表示极化相位差；

用于表示空间相移因子；

bm用于表示阵元极化敏感矢量；

用于表示所述电磁波信号的极化-角度域导向矢量。

本发明的一种较优实例中，极化-角度域导向矢量采用下述公式表述：

其中，用于表示极化-角度域导向矢量，θ用于表示电磁波信号的方位角，用于表示电磁波信号的俯仰角；γ表示极化辅助角，η用于表示极化相位差；

用于表示电场矢量；

用于表示磁场矢量。

本发明的一种较优实例中，方位角空间谱采用下述公式表述：

其中，用于表示方位角空间谱，θ用于表示电磁波信号的方位角，用于表示电磁波信号的俯仰角；γ表示极化辅助角，η用于表示极化相位差；

用于表示阵列流形矢量；

u用于表示噪声子空间对应的特征矢量。

具体地，第一处理单元根据极化敏感天线阵列s1接收到的电磁波获取阵列流形矢量之前，需要根据极化敏感天线阵列s1的角度域采样的特性进行处理获取极化-角度域导向矢量。因此，如图3所示，第一处理单元先根据下述步骤获取极化-角度域导向矢量：

步骤a1，以极化天线阵元的当前位置为原点建立空间笛卡尔坐标系，获取电磁波信号的入射方向的单位矢量；

步骤a2，根据单位矢量获取电场矢量；

步骤a3，根据电场矢量和坡印廷矢量，获取对应的磁场矢量；

步骤a4，根据电场矢量和磁场矢量获取电磁波信号的极化-角度域导向矢量。

具体地，如图4-5所示，步骤a1中当横电磁波信号沿入射方向射至极化敏感天线阵列s1时，以极化天线阵元的当前位置建立对应的坐标系，将电磁波信号的入射方向的矢量在xoy平面的投影与x轴正方向之间的夹角作为电磁波信号的方位角θ，将入射方向的矢量与z轴正方向之间的夹角作为俯仰角因此，直角坐标系下的电磁波信号的入射方向单位矢量表示为：

随后，对入射方向单位矢量进行正交分解获得一组位于垂直于入射方向单位矢量的平面内并与构成右手坐标系的标准正交基与根据球坐标系与直角坐标系之间的转换关系，获得在与在直角坐标系中对应的单位矢量，表示为：

具体地，步骤a2中由于横电磁波在电磁波传播方向上无电场分量，因此此时的空间中任意一点处的电磁波的瞬间电场矢量均为可表示为：

其中，eθ(t)和分别为在与方向的瞬时投影值，由于电磁波的极化信息表现为相互正交的两个电场分量的幅度比与相位差，因此eθ(t)和可表示为：

其中γ为极化辅助角，其正切值表示沿y轴方向的电场分量与沿x轴方向的电场分量的幅度比，η为极化相位差，表示沿y轴方向的电场分量与沿x轴方向的电场分量的相位差，因此电场矢量在直角坐标系可表示为：

具体地，步骤a3中根据电场矢量磁场矢量和坡印廷矢量之间的关系可得到对应的磁场矢量为：

具体地，步骤a4中，根据上述公式，可得到极化-角度域导向矢量为：

在第一处理单元获取此时的极化-角度域导向矢量之后，第一处理单元可根据下述步骤获取阵列流形矢量，如图6所示：

步骤b1，获取极化敏感天线阵列s1中的第一天线阵元1，3，5……2n-1和第二天线阵元2，4，6……2n的坐标矢量，以及对应的空间相移因子；

步骤b2，对极化敏感天线阵列s1中的接收到的所有电磁波信号进行处理，获取此时的电磁波信号的矢量；

步骤b3，根据极化-角度域导向矢量、空间相移因子以及电磁波信号的矢量得到阵列流形矢量。

不同于现有技术中设置的极化敏感天线阵列s1，除中心阵元之外仅设置一种极化天线阵元，本发明为提高抗干扰能力，设置不同距离、不同极化方式的极化天线阵元，因此在计算过程中也需要针对不同的极化天线阵元进行不同的处理。

具体地，于步骤b1中，以极化敏感天线阵列s1中的中心天线阵元为原点，其余的极化天线阵元的坐标矢量为：

由于1≤k≤n-1，因此当阵元对应的编号为奇数1，3，5……2n-1，属于极化敏感天线阵列s1中的第一天线阵元时，此时的坐标矢量为而当极化天线阵元对应的编号为偶数2，4，6……2n，是极化敏感天线阵列s1中的第二天线阵元时，此时的坐标矢量为根据不同的极化天线阵元对应的坐标矢量，得到电磁波信号到第一天线阵元、第二天向阵元，和电磁波信号到中心天线阵元之间的空间相移因子

具体地，上述步骤中依次获取了极化敏感阵列中的每个极化天线阵元对应的空间相移因子，因此于步骤b2中，此时的极化敏感阵列输出的电磁波信号矢量可表示为：

其中，为极化敏感阵列中的极化天线阵元对应的阵列流形矢量，由于实际应用过程中，极化敏感阵列会同时接收来自不同方向的电磁波信号，因此此处的s(t)为入射至极化敏感阵列的所有的电磁波信号，n(t)为噪声数据矢量单元，电磁波信号与噪声数据统计独立。

由此，与步骤b3中，根据极化-角度域导向矢量、空间相移因子以及电磁波信号的矢量，可计算得到极化天线阵元的阵列流形矢量为：

其中，bm为编号为m的极化天线阵元的极化敏感矢量。

第二处理单元接收到阵列流形矢量后，可通过下述步骤获取定位结果，如图7所示：

步骤c1，结合aoa算法和空间谱算法，获取方位角空间谱；

步骤c2，搜索分析方位角空间谱中的谱峰，将谱峰对应的方位角作为定位结果输出。

具体地，于步骤c2中，由于接收数据的协方差矩阵的噪声子空间对应的特征矢量与入射信号对应的阵列流型矢量之间满足相互正交的关系，将aoa算法结合空间谱估计算法，可得到方位角空间谱。

具体地，于步骤c2中，搜索分析方位角空间谱中的谱峰，从而确定极化敏感天线阵列s1此时接收到的电磁波信号的入射方向。

在一种优选的实施方式中，最终获取如图所示的方位角空间谱的谱峰搜索图，从图8中可以看出方位角为100度时，方位角空间谱的谱峰取最大值，由此可确定此电磁波信号的方位角为100度，将100度作为定位结果输出，从而确定电磁波的空间位置，实现定位效果。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。