Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

CN112234343A - 一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统 - Google Patents

一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112234343A
CN112234343A CN201910636870.0A CN201910636870A CN112234343A CN 112234343 A CN112234343 A CN 112234343A CN 201910636870 A CN201910636870 A CN 201910636870A CN 112234343 A CN112234343 A CN 112234343A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
vehicle
power
phased array
active
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910636870.0A
Other languages
English (en)
Inventor
郑高伟
楼旭东
杨利
鲍东山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Nufront Wireless Tech Co ltd
Beijing Nufront Mobile Multimedia Technology Co Ltd
Original Assignee
Beijing Nufront Wireless Tech Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Nufront Wireless Tech Co ltd filed Critical Beijing Nufront Wireless Tech Co ltd
Priority to CN201910636870.0A priority Critical patent/CN112234343A/zh
Publication of CN112234343A publication Critical patent/CN112234343A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/29—Combinations of different interacting antenna units for giving a desired directional characteristic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3225—Cooperation with the rails or the road
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明提供了一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统，包括：有源相控阵车载天线，车载设备；车载设备控制并调整所述有源相控阵车载天线的俯仰角度，使所述车载天线主瓣实时指向基站天线方向，有源相控阵车载天线能够提高系统发射功率，改善接收灵敏度，增强沿线信号强度。

Description

一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统。
背景技术
增强型超高吞吐EUHT(Enhanced Ultra High Throughput),是新岸线公司主导开发的、拥有完全自主知识产权的无线高速通信技术，在EUHT高铁通信系统中，基站设备架设在铁路沿线的通信铁塔上，车载天线安装在列车外顶部，无线信号沿铁路形成带状覆盖。为提高覆盖距离，EUHT高铁车载天线采用前后两副高增益定向天线。当列车与基站天线相距最远时空间路损最大，无源车载天线的主瓣方向指向基站天线，可以满足远距离的覆盖场景；当列车行驶至基站天线下方时，空间路损最小，但由于无源天线的波束方向固定不变，此时处于车载天线和基站天线旁瓣覆盖范围，信号较弱容易出现塔下黑现象。
另外，因车载天线安装在列车外顶部、车载设备安装在车厢内的机柜中，天线与车载设备之间需要较长的射频馈线相连，导致线损较大，降低系统发射功率，增加系统噪声系数，影响EUHT通信系统覆盖效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统，在沿线覆盖范围内通过调整波束上仰角度使天线主瓣实时指向基站天线方向，能够改善接收灵敏度，改善塔下黑现象，提高沿线信号强度。
一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统，包括：有源相控阵车载天线，车载设备；
车载设备控制并调整所述有源相控阵车载天线的俯仰角，使所述车载天线主瓣实时指向基站天线方向；
所述车载天线包括一对定向天线，所述一对定向天线为正交双极化定向天线；两个定向天线采用前后背靠背方式排布，其中前向天线主波束指向与车头方向相同，后向天线主波束指向相反方向；
所述一对定向天线中，每副天线由M行N列，M*N个双极化振子组成天线阵列；其中，M，N为正整数；所述车载天线包括2*M*N个TR单元，在每个TR单元末级使用射频开关在前后两个定向天线间切换，每个TR单元分别给前后两个定向天线馈电。
所述M*N个双极化振子包括零度相位振子，所述零度相位振子为天线相位参考点，不同仰角时相位始终为0°；
去除零度相位振子TR单元中的移相器。
一种车载设备，车载设备给有源相控阵车载天线提供电源，控制信号，输入射频信号；所述车载设备包括：
电源模块，车载设备控制器，射频收发机；
所述电源模块用于给所述车载天线提供电源；
所述车载设备控制器，用于给有源天线提供串口，车载设备通过串口发送串口信号；所述串口信号包括：车载设备向天线端发送天线波束上仰角度命令；获取功率放大器PA发射功率和天线温度数据；获取天线版本信息和TR单元增益信息；
所述车载设备控制器，还用于向车载天线发送前后天线切换信号；所述前后天线切换信号用于控制TR单元在两个定向天线之间切换；
射频收发机，用于给两个定向天线的TR单元提供射频输入信号，接收天线TR单元的无线信号；
所述收发控制信号用于控制一对定向天线的TR单元的收发开关、功率放大器、低噪声放大器和模数转换器的工作时序；
车载设备控制功率检测电路，通过收发控制信号来控制模数转换器的工作时序，检测发送隙内TR单元的功率放大器输出功率；
预先设定车载天线俯仰角命令与车载天线俯仰角一一对应关系；车载设备通过串口向车载天线发送俯仰角命令，车载天线收到俯仰角命令后，根据预设的俯仰角命令和俯仰角对应关系，调整各天线内部TR单元的相位值，控制车载天线指向对应的角度。
进一步的，所述前后天线切换信号、串口信号、收发控制信号为差分信号。
有源相控阵车载天线系统功控实现方式，包括开环功控和闭环功控。
本发明技术方案有益效果：
1.车载设备控制车载天线，实现天线波束调整，使得车载天线主瓣实时指向基站天线方向，提高系统发射功率和降低系统噪声系数；
2.在TR单元末级使用射频开关切换至不同天线，有助于减少TR单元使用数量，降低功耗和系统成本；
3.去除零度相位振子TR单元中的移相器，减少移相器数量有利于降低成本；
4.车载设备通过与波束上仰角度一一对应的一组串口命令，控制各TR单元调整到指定相位，控制天线指向对应的角度，该方式有助于降低天线使用的复杂度；
5.车载设备和有源天线之间的控制信号采用差分信号传输，增强抗干扰能力和驱动能力。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1是本发明提供的相控阵天线原理图；
图2是本发明实施例一提供的3行2列有源相控阵天线阵列图；
图3是本发明实施例一提供的+45°极化TR单元射频框图；
图4是本发明实施例二提供的车载天线安装示意图；
图5是本发明实施例二提供的车载设备与有源天线硬件连接框图；
图6是本发明实施例二提供的功率和温度检测原理图；
图7是本发明应用实施例提供的有源相控阵天线系统波束调整示意图；
图8是本发明应用实施例提供的不同天线波束上仰命令对应的垂直方向图；
图9是本发明应用实施例提供的实时调整天线仰角后沿线信号强度分布图；
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
根据阵列天线理论，各天线振子按照间距d组成天线线阵，如图1相控阵天线原理所示，各振子馈电幅度和相位按照一定规律分布，振子辐射信号在空间相干叠加后，形成特定指向的波束，按照一定规律改变馈电信号的幅度和相位，可以改变阵列天线的波束指向，即实现相控阵天线。
相控阵天线分为有源相控阵天线和无源相控阵天线两类，有源相控阵天线的天线单元中包括收发单元TR(Transmit Receive)，TR单元中功率放大器PA(Power Amplifier)和低噪声放大器LNA(Low Noise Amplifier)位于末级，移相器和衰减器等器件位于TR单元前级，其损耗不影响有源相控阵天线最大发射功率和噪声系数。有源相控阵天线中有多个TR单元，每个TR单元中包含末级PA，多个PA发射的无线信号在空间相干叠加产生空间功率合成作用，提高了系统最大发射功率，并且每个TR单元中包含LNA，降低了系统的噪声系数。无源相控阵天线的移相器、功分器等器件位于天线振子和收发机之间，移相器和功分器的损耗影响系统的最大发射功率和噪声系数。所以相比于无源天线，有源天线发射信号更强，噪声系数更低。
相比之下，有源相控阵天线在性能上更有优势，因此，本发明中车载天线选择有源相控阵天线。
本发明提供了一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统，包括：
车载天线；
所述车载天线包括一对定向天线，所述一对定向天线为正交双极化定向天线；两个定向天线采用前后背靠背方式排布，其中前向天线主波束指向与车头方向相同，后向天线主波束指向相反方向；
进一步的，所述一对定向天线中，每副天线由M行N列，M*N个双极化振子组成天线阵列；其中，M、N为正整数；
所述M行N列的阵列天线，水平和垂直波宽分别满足如下公式：
Figure BDA0002130611310000051
其中BWH和BWV为水平和垂直3dB波宽，dH和dV分别是水平振子间距和垂直振子间距，λ为天线工作频段的电磁波波长，k为固定系数。
所述车载天线包括2*M*N个TR单元，每个TR单元末级使用射频开关在前后两个定向天线间切换，每个TR单元分别给前后两个定向天线馈电。
所述M*N个双极化振子包括零度相位振子，所述零度相位振子为天线相位参考点，不同仰角时相位始终为0°；
去除零度相位振子TR单元中的移相器；天线阵列中，去除零度相位振子TR单元中的移相器，可以避免波束角度调整瞬间，射频信号完全断开场景，并且减少移相器数量有利于降低成本。
车载设备，车载设备给有源相控阵车载天线提供电源，控制信号，输入射频信号；
车载设备控制并调整所述有源相控阵车载天线的俯仰角，使所述车载天线主瓣实时指向基站天线方向；具体的，
预先设定车载天线俯仰角命令与车载天线俯仰角一一对应关系；
车载设备通过串口向车载天线发送俯仰角命令，车载天线收到俯仰角命令后，根据预设的俯仰角命令和俯仰角对应关系，调整各天线内部TR单元的相位值，控制车载天线指向对应的角度。
所述车载设备包括：
电源模块，车载设备控制器，射频收发机；
所述电源模块用于给所述车载天线提供电源；
所述车载设备控制器，用于给有源天线提供串口，车载设备通过串口发送串口信号；所述串口信号包括：车载设备向天线端发送天线波束上仰角度命令；获取功率放大器PA发射功率和天线温度数据；获取天线版本信息和TR单元增益信息；
所述车载设备控制器，还用于向车载天线发送前后天线切换信号；所述前后天线切换信号用于控制TR单元在前后两副天线之间切换；
所述射频收发机，用于给车载天线内TR单元提供射频输入信号，接收车载天线的无线信号；所述收发控制信号用于控制一对定向天线的两路TR单元的收发开关、功率放大器、低噪声放大器和模数转换器的工作时序，与所述所述射频收发机工作时序同步；
车载设备控制功率检测电路，通过收发控制信号来控制模数转换器的工作时序，检测发送隙内TR单元的功率放大器输出功率。
其中，所述前后天线切换信号、串口信号、收发控制信号为差分信号。
实施例一
实施例中车载天线以2×2MIMO，前后定向天线为±45°双极化天线为例，说明车载天线的实现方式；
车载天线包括一对±45°双极化定向天线；+45度和-45度两副极化方向相互正交，波束方向基本重合，+45度极化天线表现为一定波束宽度，-45度天线也表现为一定波束宽度；两个定向天线采用前后背靠背方式排布，其中前向天线主波束包含一个+45度极化波束和一个-45度极化波束，指向与车头方向相同，后向天线主波束同样包含一个+45度极化波束和一个-45度极化波束，指向相反方向。
示例性的，本实施例中采用3行2列的天线阵列，实现水平波宽30°和垂直波宽20°的定向天线，如图2所示，前后两副天线背靠背组成高铁车载天线，波束方向分别指向前向和后向；
车载天线内包含前后两副天线，每副天线由3行2列共6个双极化振子组阵，其中每个双极化振子需要2个TR单元，故每副天线需要12个TR单元，理论上一个车载天线前后两副天线共需要24个TR单元；
本实施例中车载天线包括12个TR单元，在每个TR单元末级使用射频开关在前后两个定向天线间切换，每个TR单元分别给前后两个定向天线馈电；
具体的，在TR单元末级使用射频开关，前后两副天线共用12个TR单元，每个TR单元分别给前后两副天线馈电，采用此方式可以减少一半TR单元使用数量，有利于降低成本和功耗。
可选的，射频收发开关可为环形器或双工器；射频收发开关或环形器架构适用于TDD通信系统，双工器则适用于FDD通信系统。
+45°极化TR单元射频框图如图3所示，-45°极化阵列TR单元采用相同电路，车载设备提供的射频输入信号，经6功分后给各TR单元馈电；射频信号在各TR单元内经衰减器、移相器、射频收发开关后输入给功率放大器PA，经PA放大后再经收发开关,最后经前后向切换开关，给前向或后向天线振子馈电；
需要说明的是，各TR单元衰减器、移相器、射频收发开关内顺序可颠倒，在此不作限定；
相反无线信号经天线振子接收后，沿反向路径，经LNA放大，6路信号合成后传输给车载设备。
基站天线与铁路轨道侧向间距较小时，车载天线水平方向角度可以不做调整，只需调整天线波束仰角即可满足覆盖要求，本实施例中天线采用3行2列组阵方式，实现俯仰角可调、水平方位角不可调的相控阵天线；
具体的，所述3行2列天线阵列包括6个双极化振子，其中中间一行振子作为天线相位参考点，为零度相位振子，所述零度相位振子不同仰角时相位始终为0°；
去除零度相位振子TR单元中的移相器，能够节省一对移相器，有利于降低成本和减少网络复杂度；同时移相器调整瞬间，存在几百纳秒信号断开，中间零度相位振子的TR单元省去移相器后，其它移相器调整瞬间零度相位振子TR单元始终保持连接状态，能够避免出现6路TR单元信号完全断开现象，并且实际测试过程中波束调整瞬间未出现信号断流情况；
进一步的，由于各路射频器件的增益和损耗存在差异，电路中需要使用衰减器来调整链路增益，使6路TR单元增益一致，保证各PA输出功率一致，各振子信号幅度一致，有利于提高天线方向性和信号强度。
本发明实施例中，有源天线内部包括6个TR单元，每个TR单元中含有一颗PA，射频信号经PA放大后，经天线振子辐射出去，在空间相干叠加后实现功率合成，合成增益G＝10×log(N)，N为PA数量，6颗PA大约可获得7.8dB增益。
根据射频系统接收灵敏度公式：
Figure BDA0002130611310000081
第一级LNA噪声系数越低，且与天线振子之间的连接线缆损耗越小，则系统噪声系数越小。当系统采用有源天线时，第一级LNA位于有源天线TR单元内，LNA与天线单元距离最近；当系统采用无源天线时，第一级LNA位于车载设备内，而天线与车载设备之间相距较远，射频线缆较长、损耗较大，所以本发明中选用的有源天线系统噪声系数优于无源天线系统，能够提高系统发射功率和降低系统噪声系数。
实施例二
本发明提供了一种车载设备，用于车载设备控制并调整所述有源相控阵车载天线的俯仰角，使所述车载天线主瓣实时指向基站天线方向；
预先设定车载天线俯仰角命令与车载天线俯仰角一一对应关系；车载设备通过串口向车载天线发送俯仰角命令，车载天线收到俯仰角命令后，根据预设的俯仰角命令和俯仰角对应关系，调整各天线内部TR单元的相位值，控制车载天线指向对应的角度。
具体的，所述车载设备包括：
电源模块21，车载设备控制器22，第一射频收发机23，第二射频收发机24；
所述电源模块21用于给所述车载天线提供电源；给有源天线正常工作提供电源，电压范围为12-60V之间；
所述车载设备控制器22，用于给有源天线提供串口，车载设备通过串口发送串口信号；车载设备需要通过串口发送相应命令后，有源天线才能正常工作，实现相应功能；
进一步的，所述串口信号包括：车载设备向天线端发送天线波束上仰角度命令；获取功率放大器PA发射功率和天线温度数据；获取天线版本信息和TR单元增益信息；
所述车载设备控制器22，还用于向车载天线发送前后天线切换信号；所述前后天线切换信号用于控制TR单元在前后两副天线之间切换；
第一射频收发机23，用于给+45°极化天线TR单元提供射频输入信号，接收+45°极化天线TR单元的无线信号；
所述第一射频收发机23，还用于向+45°极化天线TR单元发送收发控制信号，所述收发控制信号用于控制+45°极化定向天线的TR单元的收发开关、功率放大器、低噪声放大器和模数转换器的工作时序，与所述所述射频收发机23工作时序同步；
第二射频收发机24，用于给-45°极化天线TR单元提供射频输入信号，接收-45°极化天线TR单元的无线信号；
所述第二射频收发机24，还用于向-45°极化天线TR单元发送收发控制信号，所述收发控制信号用于控制-45°极化定向天线的TR单元的收发开关、功率放大器、低噪声放大器和模数转换器的工作时序，与所述所述射频收发机24工作时序同步。
需要说明的是，所述第一射频收发机23和第二射频收发机24与两路极化天线TR单元连接顺序不作限定，即射频收发机23，可以给-45°极化天线TR单元提供射频输入信号，接收-45°极化天线TR单元的无线信号。
1.有源相控阵天线硬件接口定义
与传统的无源天线不同，有源相控阵天线与车载设备之间除射频信号相接以外还需要增加供电和控制信号，为了减少车载设备和有源天线之间的线缆数量，电源和控制信号采用一根多芯线缆，如图4所示，车载天线安装示意图，本实施例中，有源天线与车载设备之间包括三根线缆；
所述，射频线缆，用于传输两个正交极化天线的射频馈电信号；
具体包括：第一射频线缆，用于传输+45°极化天线射频馈电信号，或-45°极化天线射频馈电信号；
第二射频线缆，用于传输-45°极化天线射频馈电信号，或+45°极化天线射频馈电信号；
多芯线缆，用于给车载天线供电，传输收发控制信号、前后天线切换信号、串口信号。线缆功能及定义如表1所示：
Figure BDA0002130611310000101
表1
图5所示，车载设备与有源天线硬件连接框图：
其中，所述前后天线切换信号、串口信号、收发控制信号为差分信号，因高铁列车电磁环境比较恶劣并且多芯线缆走线较长，为了提高抗干扰能力和信号驱动能力，“收发控制信号”、“前后天线切换信号”和“串口信号”均采用差分线传输。
2.有源相控阵天线软件接口定义
有源相控阵天线按照线缆功能及定义与车载设备硬件接口连接后，车载设备通过串口发送控制命令才能实现有源天线相应功能，串口实现的功能包括：
1)读取天线版本信息，包含软硬件版本信息和程序烧录日期等基本文本信息，通过该功能可以获得天线文本信息。
2)读取TR单元收发增益，车载设备在开环功率控制时，系统需要获知天线TR单元收发增益。
3)控制天线波束上仰角度，通过发送波束上仰命令，控制天线波束俯仰角，并返回执行结果。
4)在不同的工作频段下，读取天线PA输出功率和TR单元温度信息。
示例性的，串口命令定义如表2所示：
Figure BDA0002130611310000111
Figure BDA0002130611310000121
表2
车载设备经串口发送控制命令后有源天线才能正常工作，所以使用有源天线的车载设备需按照表2所述设计串口命令。
比如车载设备发送十六进制“0xEE”命令后，有源天线返回天线的软硬件版本号等固定文本信息，以便查询天线版本是否正确；
车载设备发送十六进制“0xEA”命令后，天线返回TR单元发送和接收增益数值，为系统功控做准备；
车载设备发送十六进制“0xEC”或“0xED”命令后，天线返回各TR单元的PA输出功率和天线TR单元温度值；
待车载设备和有源天线正常启动并配置完毕后，车载设备根据需要发送十六进制“0xF1”-“0xFF”任一命令后，天线俯仰角调整到指定角度并返回执行结果。
3.功率检测和温度检测
EUHT为TDD通信系统，发射和接收分时进行，只有发射时隙才有必要检测检测TR单元内PA的输出功率，接收时隙无需检测，为了实现TDD系统功率检测功能，本发明中车载设备控制功率检测电路，通过收发控制信号来控制模数转换器的工作时序，使用收发控制信号同步使能ADC方式，同步采样发射时隙的功率检测信号。
有源天线只检测发送时隙内PA的输出功率，所以功率检测单元需要与发射信号同步，本发明中功率检测电路时采用收发控制信号使能ADC方式，保证ADC只采样发射时隙内PD管脚电压；
如图6所示，以1路TR单元为例，由车载设备发出的“收发控制信号”来控制收发开关、PA、LNA和ADC等器件的工作时序，一般射频信号为调制信号，信号幅度变化较大，为了增加功率检测稳定度，PD信号经过RC滤波和ADC多次采样后求平均，根据检测电压与输出功率的关系计算出各路TR单元的输出功率，将结果写入功率存储单元，待串口收到功率检测命令后，各PA的输出功率数据经RS422串口发送出去，若无功率检测命令，则每次功率检测后刷新存储单元，使得存储单元数据始终为最近一次检测的功率数据。
为了获得最好的通信效果无线通信系统需要进行功率控制，本发明提供的有源相控阵车载天线系统根据场景不同，功率控制分为开环功控和闭环功控两种，下面以实施例三和实施例四具体说明两种功控方式。
实施例三
本实施例说明有源相控阵车载天线系统开环功控方式；
开环功控是基于上下行信道互易原理实现，在车载设备端看，有源天线和无源天线上下行信道互易性是不同的，无源天线接收和发射增益是相同的，满足上下行信道互易条件；而有源天线TR单元的收发增益不同，从车载设备端看，上下行信道不再互易，所以有源天线开环功控算法与无源天线有所不同。根据证明，有源天线开环功控可以在无源天线开环功控算法基础上修正实现。
本发明中开环功控下计算有源天线的收发功率，包括：
1.基于无源天线开环功控算法，计算出车载设备需要的发射功率；
2.获取有源天线TR单元的发射增益和接收增益，计算有源天线TR单元收发增益之差；
3.将计算出的车载设备需要的发射功率减去有源天线TR单元收发增益之差，得到连接有源天线时车载设备发射功率。
因有源天线TR单元的收发增益不同，根据无源天线开环功控算法，计算出所需发射功率后减去有源天线TR单元的发射增益和接收增益之差，得出有源天线所需的发射功率，可以实现有源天线开环功控。
具体的，车载设备与有源天线连接后，按照无源天线开环功控算法，得出车载设备需要发射功率PN，因有源天线TR单元发射增益比接收增益大ΔG，如果有源天线时车载设备仍然发射PN，则基站接收到信号会偏高ΔG，所以连接有源天线的车载设备发射功率需要改为PN-ΔG，则可以保证基站接收的信号强度为所需的目标强度，ΔG可以通过串口读取TR单元收发增益后计算得出。
实施例四
本实施例说明有源相控阵车载天线系统闭环功控方式；
车载设备根据基站发出的功率控制命令，按照特定步进提高或降低发射功率，实现无线系统闭环功控，闭环功控可以保证基站接收的信号强度始终处于最好状态，且要求车载设备在闭环功控中发射功率不能超过系统的最大发射功率；
车载设备需要获得系统的最大发射功率Pmax，以及功率步进值Pstep两种参数后才能实现闭环功控。车载设备在生产校准阶段获得最大发射功率PSTAmax和功率步进Pstep两种参数，当使用无源天线时，车载设备的最大发射功率PSTAmax即为系统的最大发射功率Pmax，无源天线系统闭环功控时车载设备发射功率不超过PSTAmax前提下，根据功控命令按照Pstep提高或降低发射功率。
当使用有源天线时，末级PA在有源天线内，系统最大发射功率Pmax由有源天线的TR单元决定，车载设备校准环节仅可获得功率步进Pstep参数。当使用有源天线时利用有源天线功率检测功能，计算出TR单元发射最大功率时车载设备的输出功率P′STAmax，P′STAmax为连接有源天线时车载设备允许的最大发射功率，结合车载设备校准得到的Pstep，可以实现有源天线闭环功率控制。
车载设备在生产校准环节获得了最大发射功率PSTAmax和Pstep，有源天线TR单元的最大发射功率为Pmax，车载设备与有源天线安装完成后，车载设备首先发送特定功率P0，作为有源天线输入信号，保证此时天线TR单元的PA处于线性范围，且P0≤PSTAmax，通过串口读取此时有源天线TR单元输出功率P1，则当有源天线发射最大功率Pmax时，车载设备的输出功率:
P′STAmax＝Pmax+P0-P1
其中，P′STAmax为连接有源天线时车载设备允许的最大发射功率，有源天线在闭环功控时，车载设备发射功率不超过P′STAmax前提下，结合校准时获得的Pstep，根据基站发出的功控命令，按照Pstep提高或降低发射功率实现有源天线闭环功控。
应用实施例
车载天线与基站天线连线形成的仰角，随着列车在铁路上行驶而逐渐变化，车载系统根据车载天线所处位置实时调整车载天线仰角，图7所示为有源相控阵天线波束调整示意图；
如图8所示为5150MHz频点不同天线波束上仰命令对应的垂直方向图；
按照上述实施例提供的有源相控阵车载天线系统，车载设备调整车载天线主瓣实时指向基站天线方向，提高了系统沿线信号强度；列车沿线行驶时有源天线在三组不同的仰角状态间切换，当车载天线与基站天线较近时，采用角度3；当列车继续向前行驶时，天线仰角依次切换为角度2和角度1状态，车载天线在三个位置依次切换不同天线仰角状态，以此方式实现列车沿铁轨行驶时车载天线主瓣始终指向基站天线。
有源天线三个波束独自使用时，测试结果如图9所示，沿线信号强度分布如图9中三条曲线，每条曲线都有一段信号较低区域，所以三个波束独自使用时，都不能保证沿线信号最好。当列车在不同位置时有源天线俯仰角在三个波束间实时调整后，各位置选用信号最强波束指向基站天线，图9中※号曲线所示为波束间实时调整后沿线信号强度分布为三条信号曲线所形成的包络。
由此可见，本发明提供的有源相控阵车载天线系统，能够明显增强系统信号强度，进而提高无线覆盖距离。
本领域技术人员可以明白，这里结合所公开的实施例描述的各种示例性的方法步骤和装置单元均可以电子硬件、软件或二者的结合来实现。为了清楚地示出硬件和软件之间的可交换性，以上对各种示例性的步骤和单元均以其功能性的形式进行总体上的描述。这种功能性是以硬件实现还是以软件实现依赖于特定的应用和整个系统所实现的设计约束。本领域技术人员能够针对每个特定的应用，以多种方式来实现所描述的功能性，但是这种实现的结果不应解释为背离本发明的范围。
结合上述公开的实施例所描述的方法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或者这二者的组合。软件模块可能存在于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其他形式的存储媒质中。一种典型存储媒质与处理器耦合，从而使得处理器能够从该存储媒质中读信息，且可向该存储媒质写信息。在替换实例中，存储媒质是处理器的组成部分。处理器和存储媒质可能存在于一个ASIC中。该ASIC可能存在于一个用户站中。在一个替换实例中，处理器和存储媒质可以作为用户站中的分立组件存在。
根据所述公开的实施例，可以使得本领域技术人员能够实现或者使用本发明。对于本领域技术人员来说，这些实施例的各种修改是显而易见的，并且这里定义的总体原理也可以在不脱离本发明的范围和主旨的基础上应用于其他实施例。以上所述的实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统，其特征在于，包括：有源相控阵车载天线，车载设备；
车载设备控制并调整所述有源相控阵车载天线的俯仰角，使所述车载天线主瓣实时指向基站天线方向。
2.如权利要求1所述的有源相控阵车载天线，其特征在于，包括：
预先设定车载天线俯仰角命令与车载天线俯仰角一一对应关系。
3.如权利要求1或2所述的有源相控阵车载天线系统，其特征在于，
车载设备通过串口向车载天线发送俯仰角命令，车载天线收到俯仰角命令后，根据预设的俯仰角命令和俯仰角对应关系，调整各天线内部TR单元的相位值，控制车载天线指向对应的角度。
4.如权利要求1所述的有源相控阵车载天线，其特征在于，
所述车载天线包括一对定向天线，所述一对定向天线为正交双极化定向天线；两个定向天线采用前后背靠背方式排布，其中前向天线主波束指向与车头方向相同，后向天线主波束指向相反方向。
5.如权利要求4所述的有源相控阵车载天线，其特征在于，
所述一对定向天线中，每副天线由M行N列，M*N个双极化振子组成天线阵列；M，N为正整数；
所述车载天线包括2*M*N个TR单元，在每个TR单元末级使用射频开关在前后两副定向天线间切换，每个TR单元分别给前后两个定向天线馈电。
6.如权利要求5所述的有源相控阵车载天线，其特征在于，
所述M*N个双极化振子包括零度相位振子，所述零度相位振子为天线相位参考点，不同仰角时相位始终为0°；
去除零度相位振子TR单元中的移相器。
7.如权利要求1所述的有源相控阵车载天线系统，其特征在于，
输入射频信号经功分器后分为M*N路信号给M*N个TR单元馈电；
输入信号在各TR单元内经衰减器、移相器、射频收发开关、功率放大、低噪放大后，给前向或后向天线振子馈电。
8.一种车载设备，其特征在于，
车载设备给有源相控阵车载天线提供电源，控制信号，输入射频信号；
所述车载设备包括：
电源模块，车载设备控制器，射频收发机；
所述电源模块用于给所述车载天线提供电源；
所述车载设备控制器，用于给有源天线提供串口，车载设备通过串口发送串口信号；所述串口信号包括：车载设备向天线端发送天线波束上仰角度命令；获取功率放大器PA发射功率和天线温度数据；获取天线版本信息和TR单元增益信息；
所述车载设备控制器，还用于向车载天线发送前后天线切换信号；所述前后天线切换信号用于控制TR单元在两个定向天线之间切换；
所述射频收发机，用于给车载天线内TR单元提供射频输入信号，接收车载天线的无线信号。
9.如权利要求8所述的车载设备，其特征在于，
车载设备控制功率检测电路，通过收发控制信号来控制模数转换器的工作时序，检测发送隙内TR单元的功率放大器输出功率；
所述收发控制信号用于控制一对定向天线的两路TR单元的收发开关、功率放大器、低噪声放大器和模数转换器的工作时序，与所述所述射频收发机工作时序同步。
10.如权利要求8所述的车载设备，其特征在于，
所述前后天线切换信号、串口信号、收发控制信号为差分信号。
11.如权利要求1所述的有源相控阵车载天线系统，其特征在于，
有源相控阵车载天线系统功控实现方式，包括开环功控和闭环功控。
12.如权利要求11所述的有源相控阵车载天线系统，其特征在于，所述开环功控算法包括:
基于无源天线开环功控算法，计算出车载设备需要的发射功率；
获取有源天线TR单元的发射增益和接收增益，计算有源天线TR单元收发增益之差；
将计算出的车载设备需要的发射功率减去有源天线TR单元收发增益之差，得到连接有源天线时车载设备发射功率。
13.如权利要求1所述的有源相控阵车载天线系统，其特征在于，
所述车载设备和车载天线之间连接包括：
射频线缆，用于传输两个正交极化天线的射频馈电信号；
多芯线缆，用于给车载天线供电，传输收发控制信号、前后天线切换信号、串口信号。
CN201910636870.0A 2019-07-15 2019-07-15 一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统 Pending CN112234343A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910636870.0A CN112234343A (zh) 2019-07-15 2019-07-15 一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910636870.0A CN112234343A (zh) 2019-07-15 2019-07-15 一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112234343A true CN112234343A (zh) 2021-01-15

Family

ID=74111659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910636870.0A Pending CN112234343A (zh) 2019-07-15 2019-07-15 一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112234343A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115296025A (zh) * 2022-07-22 2022-11-04 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种超宽带紧耦合相控阵列的多极化馈电方法
CN115986407A (zh) * 2023-03-20 2023-04-18 四川省华盾防务科技股份有限公司 相控阵系统的控制方法、装置及存储介质
WO2023068548A1 (ko) * 2021-10-20 2023-04-27 삼성전자 주식회사 서로 다른 방향을 향하는 안테나들을 제어하기 위한 전자 장치 및 방법
US12057907B2 (en) 2021-10-20 2024-08-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device and method for controlling antennas facing different directions

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002158602A (ja) * 2000-10-30 2002-05-31 Gaamaa Nu Inc 分散低電力増幅器を利用した能動位相配列基地局／中継機アンテナシステム
US20060229077A1 (en) * 2005-04-08 2006-10-12 The Boeing Company Soft handoff method and apparatus for mobile vehicles using directional antennas
CN102315517A (zh) * 2010-06-29 2012-01-11 华为技术有限公司 一种定向天线设备、多输入多输出传输定向天线设备及移动中继设备
CN105870603A (zh) * 2016-03-30 2016-08-17 中科凯普（天津）卫星导航通信技术有限公司 一种高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法
CN106899984A (zh) * 2017-03-30 2017-06-27 武汉虹信通信技术有限责任公司 一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统
CN109004334A (zh) * 2018-07-23 2018-12-14 南京华讯方舟通信设备有限公司 S频段车载动中通天线
CN109361052A (zh) * 2018-10-30 2019-02-19 苏州科可瑞尔航空技术有限公司 一种片式双频机载卫星通信天线

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002158602A (ja) * 2000-10-30 2002-05-31 Gaamaa Nu Inc 分散低電力増幅器を利用した能動位相配列基地局／中継機アンテナシステム
US20060229077A1 (en) * 2005-04-08 2006-10-12 The Boeing Company Soft handoff method and apparatus for mobile vehicles using directional antennas
CN102315517A (zh) * 2010-06-29 2012-01-11 华为技术有限公司 一种定向天线设备、多输入多输出传输定向天线设备及移动中继设备
CN105870603A (zh) * 2016-03-30 2016-08-17 中科凯普（天津）卫星导航通信技术有限公司 一种高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法
CN106899984A (zh) * 2017-03-30 2017-06-27 武汉虹信通信技术有限责任公司 一种用于高速铁路的车载基站移动通信系统
CN109004334A (zh) * 2018-07-23 2018-12-14 南京华讯方舟通信设备有限公司 S频段车载动中通天线
CN109361052A (zh) * 2018-10-30 2019-02-19 苏州科可瑞尔航空技术有限公司 一种片式双频机载卫星通信天线

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张继成: "某相控阵雷达天线阵面结构技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》, 15 July 2014 (2014-07-15) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023068548A1 (ko) * 2021-10-20 2023-04-27 삼성전자 주식회사 서로 다른 방향을 향하는 안테나들을 제어하기 위한 전자 장치 및 방법
US12057907B2 (en) 2021-10-20 2024-08-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device and method for controlling antennas facing different directions
CN115296025A (zh) * 2022-07-22 2022-11-04 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种超宽带紧耦合相控阵列的多极化馈电方法
CN115986407A (zh) * 2023-03-20 2023-04-18 四川省华盾防务科技股份有限公司 相控阵系统的控制方法、装置及存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112234343A (zh) 一种适用于高铁的有源相控阵车载天线系统
US6577879B1 (en) System and method for simultaneous transmission of signals in multiple beams without feeder cable coherency
US9252485B2 (en) Phased array antenna system with electrical tilt control
US7068218B2 (en) Calibration device for an antenna array, antenna array and methods for antenna array operation
US7113748B2 (en) System and method for improving polarization matching on a cellular communication forward link
US8644367B2 (en) Antenna beam scan unit and wireless communication system using antenna beam scan unit
CN103618559B (zh) 一种基于定向天线的射频前端装置及其通信控制方法
CN111095003B (zh) 用于校准毫米波天线阵列的方法
CN111834746B (zh) 一种双极化射频前端系统
US20180074104A1 (en) System and method for characterization of multi-element antenna
US20110269404A1 (en) Active antenna device, network device and access point of a wireless network
JP2000349530A (ja) アンテナアレイシステム
CN109067439B (zh) 一种数字多波束阵发射装置采用的测试方法
JP2000078072A (ja) 送受信装置
TW201911765A (zh) 毫米波強波器、毫米波傳輸系統及毫米波傳輸方法
WO2018103677A1 (zh) 一种微波天线阵列通信系统及通信方法
US20040063467A1 (en) Antenna arangements for flexible coverage of a sector in a cellular network
Fakoukakis et al. Development of an adaptive and a switched beam smart antenna system for wireless communications
CN107710508A (zh) 一种相控阵列系统和波束扫描方法
US6822619B2 (en) Antenna system
CN109149130A (zh) 有源相控阵天线收发系统
CN108550990B (zh) 一种5g大规模天线波束控制系统及方法
CN217281210U (zh) Aau设备和相位调节装置
CN212695321U (zh) 一种双极化射频前端系统
Fakoukakis et al. Development of an adaptive and a switched beam smart antenna system for wireless communications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination