本发明涉及一种调零天线。利用下变频器将天线辐射单元的输入信号由高频段变换到较低的微波频段；将天线每个通道耦合出一部分能量，通过开关矩阵选择出信号存在的通道，对信号正交化后进行采集，利用多重信号分类法实现对信号的波达方向估计；根据波达方向的测量结果通过保形的调零算法计算权值，在较低的微波频段上利用微波权值网络形成较宽频带的调零波束。在波达方向检测工作模式下，该调零天线可以对来波信号方向主动实施定位；在波束在轨重构工作模式下，该调零天线利用微波权值网络实现波束的实时重构，进一步增强了波束的灵活性和抗干扰能力。
1.一种调零天线，其特征在于：包括N个辐射单元组成的天线阵面(1)、N个下变频器(2)、N个耦合器(3)、(N+1)×M开关矩阵(4)、信号正交化器(5)、A/D采集器(6)、处理器(7)、微波权值网络(8)、波束合成网络(9)、合成信号耦合器(12)、校准信号源(11)、校准天线(10)；处理器(7)控制调零天线的工作模式，包括调零工作模式、波达方向检测工作模式、波束在轨重构工作模式；所述的N≥3，M≥3；其中：调零工作模式下：N个辐射单元组成的天线阵面(1)接收外来高频段微波信号输送至N个下变频器(2)，N个下变频器(2)分别将接收的高频段微波信号变换为低频段微波信号；
N个耦合器(3)分别将下变频后的微波信号分为两部分，一部分输入微波权值网络(8)，另一部分输入给(N+1)×M开关矩阵(4)的第1～第N个输入口；(N+1)×M开关矩阵(4)从N个通道中选择出有干扰的M个通道的信号，将其送给信号正交化器(5)；信号正交化器(5)将M个通道的每一个通道的信号进行正交化，形成M对I/Q信号，并传输给A/D采集器(6)；
A/D采集器(6)对I/Q信号进行采集后送给处理器(7)；处理器(7)首先估计干扰信号的波达方向，然后根据估计的干扰方向确定调零波束形成权值，并将波束形成权值减去通道幅相分布误差后送给微波权值网络(8)；微波权值网络(8)将耦合器(3)送来的信号在微波频段进行加权后送给波束合成网络(9)；波束合成网络(9)将加权后的微波信号在其输出口叠加形成期望的调零波束，该波束经合成信号耦合器(12)的直通口输出；
波达方向检测工作模式：N个辐射单元组成的天线阵面(1)接收外来高频段微波信号；
N个下变频器(2)将高频段微波信号变换为低频段的微波信号；N个耦合器(3)将变频后的微波信号输入给(N+1)×M开关矩阵(4)；(N+1)×M开关矩阵(4)从N个通道中选择出M个通道的信号，将其送给信号正交化器(5)；信号正交化器(5)将M个通道的每一个通道的信号进行正交化，形成M对I/Q信号，并传输给A/D采集器(6)；A/D采集器6对I/Q信号进行采集后送给处理器(7)；处理器(7)对信号波达方向进行估计；
波束在轨重构工作模式：N个辐射单元组成的天线阵面(1)接收外来高频段微波信号分别输出至N个下变频器(2)；每个下变频器(2)将高频段微波信号变换为较低频段的微波信号；N个耦合器(3)分别将变频后的微波信号输入给微波权值网络(8)；处理器(7)将预先确定的波束在轨重构权值减去通道幅相分布误差送给微波权值网络(8)；微波权值网络(8)将耦合器(3)送来的信号在微波频段进行加权后送给波束合成网络(9)；波束合成网络(9)将加权后的信号在其输出口叠加形成期望的重构波束，该波束经合成信号耦合器(12)的直通口输出。
2.根据权利要求1所述的一种调零天线，其特征在于：所述的通道幅相分布误差的确定通过处理器(7)选择进入校准工作模式，在校准工作模式下获得，具体过程如下：校准信号源(11)通过校准天线(10)向阵元发送校准信号；N个辐射单元组成的天线阵面(1)接收校准信号分别输出至N个下变频器(2)；每个下变频器(2)分别将校准信号变换为低频段的微波信号输出至耦合器(3)；耦合器(3)将变频后的微波信号分为两部分，一部分输入给(N+1)×M开关矩阵(4)的第1～第N个输入口；另一部分输入给微波权值网络(8)，微波权值网络(8)将此部分信号送给波束合成网络(9)，波束合成网络(9)将微波信号输出给合成信号耦合器(12)，合成信号耦合器(12)将通过其耦合口的合成信号耦合输出给(N+1)×M开关矩阵4的第(N+1)输入口；由处理器(7)确定所有通道相对于第1个通道耦合输出信号的相对幅相分布，再将校准天线距离N个辐射单元的位置差异带来的幅度和相位误差，在1～N个通道的相对幅相分布中进行补偿并归一化，得到通道幅相分布误差。
3.根据权利要求2所述的一种调零天线，其特征在于：所述的校准工作模式下处理器(7)确定所有通道相对于第1个通道耦合输出信号的相对幅相分布的步骤如下：第一步，处理器(7)先将第1个通道的微波权值网络置为无衰减与无移相状态，其它通道的微波权值网络置为最大衰减状态；
第二步，(N+1)×M开关矩阵(4)将第1个通道的耦合输出信号作为参考信号与合成信号耦合器(12)输出的耦合信号送给信号正交化器(5)；信号正交化器(5)将这两路信号进行正交化，形成两对I/Q信号，并传输给A/D采集器(6)；A/D采集器(6)对2对I/Q信号进行采集后送给处理器(7)；处理器(7)对A/D采集器(6)采集的两路信号进行幅相比较，得到第1个通道相对于第1个通道耦合输出信号的相对幅相分布；
第三步，处理器(7)然后依次将第2～N个通道的微波权值网络置为无衰减与无移相状态，其它通道的微波权值网络置为最大衰减状态，(N+1)×M开关矩阵(4)将第1个通道的耦合输出信号作为参考信号与合成信号耦合器(12)输出的耦合信号送给信号正交化器(5)；信号正交化器(5)将这两路信号进行正交化，形成两对I/Q信号，并传输给A/D采集器(6)；A/D采集器2对I/Q信号进行采集后送给处理器(7)；处理器(7)对A/D采集器(6)采集的两路信号进行幅相比较，分别得到通道2～N相对于第1个通道耦合输出信号的相对幅相分布。
4.根据权利要求1所述的调零天线，其特征在于：所述的低频段为微波频段。
5.根据权利要求1所述的调零天线，其特征在于：微波权值网络(8)工作在微波频段。
6.根据权利要求1所述的调零天线，其特征在于：(N+1)×M开关矩阵(4)工作在微波频段。
7.根据权利要求1所述的调零天线，其特征在于：所述的干扰信号的波达方向估计采用多重信号分类算法实现。
8.根据权利要求1所述的调零天线，其特征在于：所述的调零工作模式下的确定调零波束形成权值实现算法如下：
其中，Wq是无干扰存在时的微波权值网络的权矢量，又称静态权矢量；β是干扰角度形H
成的单位方向矩阵，W是待求的调零波束形成权值，即调零权矢量；W 是W的共轭转置矩阵，Δε是待求调零权矢量W与静态权矢量Wq之间误差的绝对值；在无干扰的情况下，通过改变静态权矢量，使阵列接收到的信号形成所需要的方向图；
采用拉格朗日乘数法求解得到的W即为基于保形亦即保持Wq最小变化设计所得到的调零权矢量，用Wnull表示，为：H -1 H
一种调零天线
技术领域
[0001] 本发明涉及一种智能天线，特别是一种具有波达方向估计、调零、波束重构、通道幅相误差校正能力的调零天线。
背景技术
[0002] 调零天线是智能天线的一种形式。智能天线由很多天线辐射单元组成，每个辐射单元馈以一定幅度和相位(称之为幅度权值和相位权值)的信号以形成特定的波束，实现波束扫描、增强或调零。一般情况下，通过控制连接辐射单元的幅度调节器对辐射单元信号幅度进行调节并形成所需要的波束，通过改变连接单元的相位调节器对单元信号的相位进行控制以实现波束扫描。
[0003] 智能天线需要在某个波达方向(Direction of Arrival，DOA)进行波束增强或调零时，根据波达方向自适应的计算每个辐射单元的幅度权值和相位权值，然后通过控制与每个辐射单元相连接的权值网络(幅度调节器和相位调节器)实现需要的幅相权值，在期望的方向得到波束增强或调零方向图。目前的调零天线或者是对来波进行调零，或者是对来波进行增强，不具有既能对来波进行调零，又能对来波进行波束增强或波束重构的能力。另外，当天线的工作频段在Ka以上频段时，高精度的权值网络(幅度调节器和相位调节器)的实现难度增大。
[0004] 智能天线对来波信号的调零有两种方式，一种是闭环方式，另一种是开环方式。闭环方式不需要知道来波的方向，通过反复迭代的方式直接对来波进行调零，直到来波的强度降到系统能够忍受的水平。开环方式先对来波进行波达方向的估计，然后根据估计的方向得到波达方向上的调零权值以实现调零。调零时一般不考虑保形，调零后的方向图起伏大，会导致服务区内的信号强度变化大。
[0005] 由于实际的调零天线各通道的幅相之间存在误差，会恶化调零天线的性能。因此，需要对调零天线各通道的幅相误差进行校正。误差校正分为内校正和外校正两大类方法。当天线的工作频段达到Ka频段以上时，由于天线辐射单元和通道尺寸的限制，内校正方法很难实现，一般采用外校正方法。为了减小校正方法自身带来的误差，外校正方法一般要求校正天线和辐射单元之间的距离在200个波长以上。当天线安装的空间受限时，这种要求是不能满足的，因此一般的外校正方法不再适用。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种新的调零天线，一方面降低高精度权值网络的实现难度，减小调零后服务区内方向图的起伏，使外校正方法不再受空间的限制，另一方面使调零天线同时具有波达方向估计、调零和波束重构能力，进一步增强调零天线的灵活性和抗干扰性能，具有广泛的适用性和推广应用价值。
[0007] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种调零天线，包括N个辐射单元组成的天线阵面、N个下变频器、N个耦合器、(N+1)×M开关矩阵、信号正交化器、A/D采集器、处理器、微波权值网络、波束合成网络、合成信号耦合器、校准信号源、校准天线；处理器控制调零天线的工作模式，包括调零工作模式、波达方向检测工作模式、波束在轨重构工作模式；其中：
[0008] 调零工作模式下：N个辐射单元组成的天线阵面接收外来高频段微波信号输送至N个下变频器，N个下变频器分别将接收的高频段微波信号变换为低频段微波信号；N个耦合器分别将下变频后的微波信号分为两部分，一部分输入微波权值网络，另一部分输入给(N+1)×M开关矩阵的第1～第N个输入口；(N+1)×M开关矩阵从N个通道中选择出有干扰的M个通道的信号，将其送给信号正交化器；信号正交化器将M个通道的每一个通道的信号进行正交化，形成M对I/Q信号，并传输给A/D采集器；A/D采集器6对I/Q信号进行采集后送给处理器；处理器首先估计干扰信号的波达方向，然后根据估计的干扰方向确定调零波束形成权值，并将波束形成权值减去通道幅相分布误差后送给微波权值网络；微波权值网络将耦合器送来的信号在微波频段进行加权后送给波束合成网络；波束合成网络将加权后的微波信号在其输出口叠加形成期望的调零波束，该波束经合成信号耦合器的直通口输出；
[0009] 波达方向检测工作模式：N个辐射单元组成的天线阵面接收外来高频段微波信号；N个下变频器将高频段微波信号变换为低频段的微波信号；N个耦合器将变频后的微波信号输入给(N+1)×M开关矩阵；(N+1)×M开关矩阵从N个通道中选择出M个通道的信号，将其送给信号正交化器；信号正交化器将M个通道的每一个通道的信号进行正交化，形成M对I/Q信号，并传输给A/D采集器；A/D采集器对I\Q信号进行采集后送给处理器；处理器对信号波达方向进行估计；
[0010] 波束在轨重构工作模式：N个辐射单元组成的天线阵面接收外来高频段微波信号分别输出至N个下变频器；每个下变频器将高频段微波信号变换为较低频段的微波信号；N个耦合器分别将变频后的微波信号输入给微波权值网络；处理器将预先确定的波束在轨重构权值减去通道幅相分布误差送给微波权值网络；微波权值网络将耦合器送来的信号在微波频段进行加权后送给波束合成网络；波束合成网络将加权后的信号在其输出口叠加形成期望的重构波束，该波束经合成信号耦合器的直通口输出。
[0011] 所述的通道幅相分布误差的确定通过处理器选择进入校准工作模式，在校准工作模式下获得，具体过程如下：
[0012] 校准信号源通过校准天线向阵元发送校准信号；N个辐射单元组成的天线阵面接收校准信号分别输出至N个下变频器；每个下变频器分别将校准信号变换为低频段的微波信号输出至耦合器；耦合器将变频后的微波信号分为两部分，一部分输入给(N+1)×M开关矩阵的第1～第N个输入口；另一部分输入给微波权值网络，微波权值网络将此部分信号送给波束合成网络，波束合成网络将微波信号输出给合成信号耦合器，合成信号耦合器将通过其耦合口的合成信号耦合输出给(N+1)×M开关矩阵的第(N+1)输入口；由处理器确定所有通道相对于第1个通道耦合输出信号的相对幅相分布，再将校准天线距离N个辐射单元的位置差异带来的幅度和相位误差，在1～N个通道的相对幅相分布中进行补偿并归一化，得到通道幅相分布误差。
[0013] 所述的校准工作模式下处理器确定所有通道相对于第1个通道耦合输出信号的相对幅相分布的步骤如下：
[0014] 第一步，处理器先将第1个通道的微波权值网络置为无衰减与无移相状态，其它通道的微波权值网络置为最大衰减状态；
[0015] 第二步，(N+1)×M开关矩阵将第1个通道的耦合输出信号作为参考信号与合成信号耦合器12输出的耦合信号送给信号正交化器；信号正交化器将这两路信进行正交化，形成两对I/Q信号，并传输给A/D采集器；A/D采集器对2对I\Q信号进行采集后送给处理器；处理器对A/D采集器采集的两路信号进行幅相比较，得到第1个通道相对于第1个通道耦合输出信号的相对幅相分布；
[0016] 第三步，处理器然后依次将第2～N个通道的微波权值网络置为无衰减与无移相状态，其它通道的微波权值网络置为最大衰减状态，(N+1)×M开关矩阵将第1个通道的耦合输出信号作为参考信号与合成信号耦合器输出的耦合信号送给信号正交化器；信号正交化器将这两路信进行正交化，形成两对I/Q信号，并传输给A/D采集器；A/D采集器对I\Q信号进行采集后送给处理器；处理器对A/D采集器采集的两路信号进行幅相比较，分别得到通道2～N相对于第1个通道耦合输出信号的相对幅相分布。
[0017] 所述的N≥3，M≥3。
[0018] 所述的低频段为微波频段。
[0019] 所述的微波权值网络工作在微波频段。
[0020] 所述的(N+1)×M开关矩阵工作在微波频段。
[0021] 所述的干扰信号的波达方向估计采用多重信号分类算法实现。
[0022] 所述的调零工作模式下的确定调零波束形成权值实现算法如下：
[0023]
[0024] 其中，Wq是无干扰存在时的微波权值网络的权矢量，又称静态权矢量；β是干扰角度形成的单位方向矩阵，W是待求的调零波束形成权值，即调零权矢量；WH是W的共轭转置矩阵，△ε是待求调零权矢量W与静态权矢量Wq之间误差的绝对值；在无干扰的情况下，通过改变静态权矢量，使阵列接收到的信号形成所需要的方向图；
[0025] 采用拉格朗日乘数法求解得到的W即为基于保形(保持Wq最小变化)设计所得到的调零权矢量，用Wnull表示，为：
[0026] Wnull=(I-β(βHβ)-1βH)Wq
[0027] 式中，I是幺阵，βH是β的共轭转置矩阵。
[0028] 本发明与现有技术相比有益效果为：
[0029] (1)本发明提出的将高频段微波信号下变频到较低的微波频段进行波束形成的方案，既保证了天线的射频工作带宽，又降低了权值网络实现的难度与复杂度（采用目前现有的权值网络实现方式即可），并且具有更高的权值实现精度；
[0030] (2)本发明提出的空间幅相补偿的外校正方法，使外校正方法不再受空间的限制，降低了高频段外校正方法实现的难度又保证了精度，可以推广应用到较小规模且空间受限的阵列天线的通道幅相误差校正，具有广泛的适用性和推广应用价值；
[0031] (3)本发明提出保形的调零方案，降低了调零后服务区内方向图的起伏，使服务区内信号强度的变化范围缩小，降低了信号链路实现的难度。
[0032] (4)本发明提出的波达方向估计、调零、波束在轨重构的多工作模式，使调零天线具有更大的灵活性和更强的抗干扰能力。
附图说明
[0033] 图1为本发明组成框图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图对本发明天线做详细的说明，如图1所示，具体如下：
[0035] 一、天线结构介绍
[0036] 调零天线包括：N个辐射单元组成的天线阵面1、N个下变频器2、N个耦合器3、(N+1)×M开关矩阵4、信号正交化器5、A/D采集器6、处理器7、微波权值网络8、波束合成网络9、合成信号耦合器12、校准信号源11、校准天线10；上述N≥3，M≥3。处理器7控制调零天线的工作模式，包括调零工作模式、波达方向检测工作模式、波束在轨重构工作模式和校准工作模式；各个工作模式下的具体实现方式如下：
[0037] 1)调零工作模式下，由N个辐射单元组成的天线阵面1接收外来高频段的信号；N个下变频器2将高频段微波信号变换为较低频段（微波频段）的微波信号；N个耦合器3将下变频后的微波信号分为两部分，一部分输入微波权值网络8，另一部分输入给(N+1)×M开关矩阵4；(N+1)×M开关矩阵4从N个通道中选择出有干扰的M个通道的信号，将其送给信号正交化器5；信号正交化器5将M个通道的每一个通道的信号进行正交化，形成M对I/Q信号，并传输给A/D采集器6；A/D采集器6对I\Q信号进行采集后送给处理器7；处理器7利用多重信号分类方法(Multiple Signal Classification，MUSIC)实现对干扰信号波达方向(Direction of Arrival,DOA)的估计；再根据干扰方向利用保形的调零算法计算出调零波束形成权值，并将波束形成权值送给微波权值网络8；微波权值网络8将耦合器3送来的信号在微波频段进行幅相加权后送给波束合成网络9；波束合成网络9将加权后的微波信号在其输出口叠加形成期望的调零波束，并经合成信号耦合器12的直通口输出。
[0038] 2)波达方向检测工作模式下，由N个辐射单元组成的天线阵面1接收外来信号；N个下变频器2将高频段微波信号变换为较低频段的微波信号；N个耦合器3将变频后的微波信号输入给(N+1)×M开关矩阵4；(N+1)×M开关矩阵4从N个通道中选择出M个通道的信号，将其送给信号正交化器5；信号正交化器5将M个通道的每一个通道的信号进行正交化，形成M对I/Q信号，并传输给A/D采集器6；A/D采集器6对I\Q信号进行采集后送给处理器7；处理器7利用多重信号分类方法(Multiple Signal Classification，MUSIC)实现对信号波达方向(Direction of Arrival,DOA)的估计。
[0039] 3)波束在轨重构工作模式下，由N个辐射单元组成的天线阵面1接收外来信号；N个下变频器2将高频段微波信号变换为较低频段的微波信号；N个耦合器3将变频后的微波信号输入给微波权值网络8；处理器7将预先确定的波束在轨重构权值送给微波权值网络8；微波权值网络8将耦合器3送来的信号进行加权后送给波束合成网络9；波束合成网络9将加权后的信号在其输出口叠加形成期望的重构波束，并经合成信号耦合器12的直通口输出。
[0040] 4)校准工作模式下，校准信号源11通过校准天线10向辐射单元发送校准信号；由N个辐射单元组成的天线阵面1接收校准信号；N个下变频器2将高频段的校准信号变换为较低频段的微波信号；N个耦合器3将变频后的微波信号分为两部分，一部分输入给(N+1)×M开关矩阵4的第1～第N个输入口；另一部分输入给微波权值网络8，微波权值网络8将此部分信号送给波束合成网络9，波束合成网络9将微波信号输出给合成信号耦合器
12，合成信号耦合器12通过其耦合口将合成信号的一部分耦合输出给(N+1)×M开关矩阵
4的第(N+1)输入口；处理器7根据空间幅相补偿的外校正算法，将校准天线距离N个辐射单元的位置差异带来的幅度和相位误差，在1～N个通道的相对幅相分布中进行补偿并归一化，得到真实的通道幅相分布误差。
[0041] 二、算法介绍
[0042] 1、调零工作模式下的保形的调零算法如下：
[0043]
[0044] 其中，Wq是无干扰存在时的微波权值网络的权矢量，又称静态权矢量；β是干扰角H度形成的单位方向矩阵，W是待求的调零波束形成权值，即调零权矢量；W 是W的共轭转置矩阵，△ε是待求调零权矢量W与静态权矢量Wq之间误差的绝对值；在无干扰的情况下，通过改变静态权矢量，使阵列接收到的信号形成所需要的方向图；
[0045] 采用拉格朗日乘数法求解得到的W即为基于保形(保持Wq最小变化)设计所得到的调零权矢量，用Wnull表示，为：H -1 H
[0046] Wnull=(I-β(ββ) β)WqH
[0047] 式中，I是幺阵，β 是β的共轭转置矩阵。
[0048] 2、校准工作模式下的空间幅相补偿的外校准算法如下：
[0049] 校准天线与天线阵（即N个辐射单元组成的天线阵面）之间的距离不满足一般外校正算法所要求的不小于200个波长的条件；校准天线相位中心与辐射单元相位中心之间的物理距离是准确已知的，分别为dj(j=1～N)，其所带来的空间幅度与相位误差为：
[0050]
[0051]
[0052] 开启校准信号源，将第j个通道的微波权值网络的权值幅度与相位均置为0(即无衰减无移相)，其它通道的微波权值网络幅度置为最大衰减或关闭，利用(N+1)×M开关矩阵将第1个通道的耦合输出信号(作为参考信号)与合成信号耦合器输出的耦合信号送给信号正交化器，由A/D采集器得到第1个通道的耦合器输出信号的实、虚部 以及第j个通道信号的实、虚部 计算出第j个通道信号相对于第1个通道的耦合器输出信号的幅度与相位差：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] ΔBj=20log(Bj)-20log(B1) j=1～N
[0058]
[0059] 式中，B1、φ1、Bj、φj分别为第1个通道的耦合输出信号与合成波束耦合信号的幅度(单位为dB)与相位(单位为°)；ΔBj、Δφj分别为第j个通道信号相对于第1个通道的耦合输出信号的幅度与相位差。
[0060] 对校准天线相位中心与辐射单元相位中心之间的物理距离带来的空间幅相误差进行补偿，得到各个通道相对于第1个通道的归一化幅度与相位差，算法如下：
[0061] ΔBj—Nor=ΔBj-ΔAj j=1～N
[0062] 式中，ΔBj—Nor、Δφj—Nor、分别为第j个通道信号相对于第1个通道的归一化幅度与相位差。
[0063] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
