一種電子波束掃描跟蹤接收機(jī)設(shè)計(jì)

趙　楠

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊　050081)

?

一種電子波束掃描跟蹤接收機(jī)設(shè)計(jì)

趙楠

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊050081)

本文設(shè)計(jì)了一種電子波束掃描跟蹤接收機(jī)，介紹了電子波束掃描跟蹤系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成，對(duì)自動(dòng)跟蹤涉及的信號(hào)處理算法進(jìn)行原理性分析，并構(gòu)建模型，進(jìn)行了Matlab仿真，對(duì)電子波束掃描跟蹤接收機(jī)進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)，最后給出了測(cè)試結(jié)論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種電子波束掃描跟蹤接收機(jī)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

電子波束;跟蹤接收機(jī);Matlab仿真

0　引言

自跟蹤設(shè)備是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，在移動(dòng)衛(wèi)星通信中，為了保持通信，要使天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，這就需要靈敏、快速的自跟蹤接收機(jī)。

本文研究的電子波束掃描跟蹤接收機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)是由相控陣技術(shù)延伸出來(lái)的，其跟蹤精度較高，優(yōu)于圓錐掃描跟蹤，稍遜于單脈沖跟蹤，饋源網(wǎng)絡(luò)及機(jī)械結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、不需要實(shí)時(shí)校相，適用于要求天線波束快速掃描并且跟蹤精度較高的的自跟蹤系統(tǒng)中。

1　工作原理

本文設(shè)計(jì)的電子波束掃描天線是利用跟蹤接收機(jī)控制移相組件改變天線陣元的相位，從而實(shí)現(xiàn)波束在空間掃描，即電子波束掃描或稱電子波束傾斜。電子波束掃描天線的天線形式是陣列天線，由多個(gè)陣元組成，各個(gè)陣元的接收幅值可以由數(shù)控衰減器控制，陣元相互之間的相位可以由數(shù)控移相器控制，分為有源和無(wú)源兩種。

圖1　一維電子波束掃描天線

下面以一維相控陣天線為例說(shuō)明電子波束掃描的原理。一維相控陣天線的原理如圖1，天線陣由N個(gè)小陣元組成，為直線陣，陣元之間的距離為d。為了簡(jiǎn)化分析，先假設(shè)線陣中每個(gè)陣元都是沒(méi)有方向性，且為點(diǎn)輻射源，陣元的所有饋線輸入端都是等幅、同相饋電，各數(shù)控移相器的移相量分別為：0，φ,2φ, …，(N-1)φ(如圖1所示)，即相鄰陣元之間的相位差為φ。

現(xiàn)在以0號(hào)陣元輻射場(chǎng)向量E0的相位為基準(zhǔn)，可以得到：

一位醫(yī)療行業(yè)的知情者告訴《中國(guó)新聞周刊》，吳湞在江西工作時(shí)，就因?yàn)椤笆稚斓锰L(zhǎng)”被舉報(bào)過(guò)?！俺良哦旰?，卻反常地越爬越高”。

2.3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以十八醇用量（A）、HPMC用量（B）、碳酸氫鈉用量（C）為考察因素，以8 h漂浮率、圓整度和收率的綜合評(píng)分（Q）[Q＝收率×100－圓整度－2×（100－8 h漂浮率×100）]為指標(biāo)，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，采用L9（34）正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)。因素與水平見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

(1)

衛(wèi)星通信天線的跟蹤系統(tǒng)主要是利用接收信號(hào)的電平來(lái)判斷天線對(duì)星情況，當(dāng)達(dá)到入鎖門(mén)限后，對(duì)誤差電壓進(jìn)行解調(diào)，再用解調(diào)后的差值調(diào)整天線姿態(tài)，直到誤差為零、對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果完全采用相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，雖然天線相應(yīng)速度較快，但實(shí)現(xiàn)成本比較高，而且波束的掃描范圍會(huì)受到一定限制。

由此可以得到，改變相鄰陣元之間的相位差φ值，就可改變天線波束的指向角θ0，從而形成波束掃描。

2　跟蹤系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)了一種電子波束掃描跟蹤接收機(jī)，它結(jié)合相控陣天線技術(shù)和傳統(tǒng)的伺服控制技術(shù)，組成框圖見(jiàn)圖2，該系統(tǒng)的組成部分包括：陣列形式天線及座架、接收射頻通道(包括極化及波束的調(diào)整單元)、伺服控制單元、波束掃描跟蹤接收機(jī)、GPS及慣性導(dǎo)航設(shè)備。

陣列天線按田字形式分為四個(gè)子陣，分布如圖3，分別為A、B、C、D。在接收陣列中，每個(gè)子陣對(duì)應(yīng)一個(gè)下行的極化調(diào)整子模塊，該模塊的作用是將接收信號(hào)先進(jìn)行幅度值和相位值的調(diào)整，然后通過(guò)合路器將四個(gè)子陣信號(hào)合成輸出。

圖2　跟蹤系統(tǒng)組成圖

圖3　四子陣分布圖

伺服控制單元即ACU，ACU通過(guò)主控處理器接收外部傳感器如軸角編碼器、慣導(dǎo)和接收機(jī)信息，控制電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、極化調(diào)整單元、限位開(kāi)關(guān)等，最后實(shí)現(xiàn)天線的對(duì)星閉環(huán)控制。

Matlab中的仿真模型是通過(guò)Simulink的數(shù)字信號(hào)處理模塊來(lái)搭建、設(shè)計(jì)的，包括中頻輸入信號(hào)產(chǎn)成、采樣、數(shù)字下變頻DDC、FFT頻率估計(jì)、鎖相環(huán)載波提取、誤差信號(hào)相干解調(diào)等部分，仿真框圖如圖5。

天線主瓣附近方向圖曲線可以用高斯曲線表示：

由于信標(biāo)信號(hào)為單載波信號(hào)，所以采用帶通采樣；FFT模塊由ISE提供的FFT/IFFT的IPCore實(shí)現(xiàn)；數(shù)字下變頻模塊采用了數(shù)字混頻和濾波的方法；鎖相環(huán)根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)計(jì)。由于波束掃描的頻率和順序可以通過(guò)跟蹤接收機(jī)同步信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，誤差信號(hào)的解調(diào)設(shè)計(jì)比較靈活，本文設(shè)計(jì)的是方位、俯仰同步信號(hào)為正交方波，掃描頻率25Hz至100Hz。

圖4　波束掃描的方向圖

跟蹤接收機(jī)的下變頻器分為兩級(jí)變頻，由Ku變頻至L波段，再由L波段變頻到70MHz中頻；中頻解算單元主要由A/D、FPGA、單片機(jī)組成，與ACU通過(guò)CAN總線通信。

中頻解算單元的具體工作流程如下：中頻70MHz信號(hào)經(jīng)AD采樣，進(jìn)入FPGA，實(shí)現(xiàn)單載波的快速傅里葉變換和鎖相環(huán)捕獲、跟蹤，計(jì)算出AGC電平；向波束控制單元發(fā)出波束偏轉(zhuǎn)控制信號(hào)，波束控制板通過(guò)控制組件中的移相器，產(chǎn)生掃描波束，與此同時(shí)，F(xiàn)PGA的同步解調(diào)單元通過(guò)相干解調(diào)，解調(diào)出方位誤差和俯仰誤差，送給ACU進(jìn)行角度調(diào)整。

3　Matlab仿真與實(shí)現(xiàn)

波束掃描天線需要進(jìn)行電子波束的控制，該控制單元主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是天線的初始標(biāo)校，在校準(zhǔn)狀態(tài)下，控制移相量和衰減量，讀取接收信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)TR組件進(jìn)行初始標(biāo)校；二是在工作狀態(tài)下，波束控制單元根據(jù)跟蹤接收機(jī)的波束偏移指令，查表計(jì)算各個(gè)單元移相量，進(jìn)行移相和衰減器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，控制波束偏轉(zhuǎn)。

圖5　仿真框圖

載波捕獲采用快速傅里葉變換FFT結(jié)合鎖頻、鎖相環(huán)的方法，其優(yōu)點(diǎn)是：首先可以通過(guò)FFT計(jì)算初始頻差，減小進(jìn)入鎖相環(huán)的頻差，快速進(jìn)入捕捉帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快鎖。由于通信系統(tǒng)下行信道存在的隨機(jī)噪聲，導(dǎo)致跟蹤接收機(jī)的鎖相環(huán)入鎖時(shí)間以及方位、俯仰誤差信號(hào)解調(diào)會(huì)受信噪比影響，因此設(shè)置載噪比C/N0為 45dB/Hz，仿真跟蹤接收機(jī)的性能，并進(jìn)行分析。如圖6所示，依次顯示鎖定標(biāo)志、信號(hào)頻率偏移、信號(hào)幅度、載噪比C/N0的值。

根據(jù)澆包澆口的大小來(lái)確定最下層澆注系統(tǒng)直澆道的直徑，與單層澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相似，堵截式澆注系統(tǒng)中的每層澆注系統(tǒng)單獨(dú)相對(duì)于澆包澆口都要確保有足夠大的開(kāi)放度，從而避免與該層澆注系統(tǒng)相鄰的上層澆注系統(tǒng)過(guò)早進(jìn)鋼。堵截式澆注系統(tǒng)磚管選用高鋁磚，依次為澆口杯、兩通磚管、變徑磚管及三通磚管，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上下兩層，上下層接口處用變徑磚管作為過(guò)渡連接，如圖1所示。

圖6　C/N0 45 dB/Hz的仿真結(jié)果

中頻解調(diào)單元主要由FPGA實(shí)現(xiàn)，能夠完成以下功能：A/D采樣、快速傅里葉變換FFT、DDC數(shù)字下變頻、數(shù)字AGC、PLL鎖相環(huán)、信號(hào)功率計(jì)算、誤鎖檢測(cè)、波束偏移同步、方位俯仰誤差信號(hào)解算、并口通信。

多年來(lái)，困擾選煤機(jī)械尤其是非標(biāo)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)者的一個(gè)重大問(wèn)題是磨損。如何根據(jù)煤炭物理及力學(xué)性能、煤炭的流動(dòng)特征合理選擇襯板，是煤礦機(jī)械機(jī)制設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)重要工作。

衛(wèi)星天線跟蹤系統(tǒng)需要在載體平臺(tái)搖擺的條件下，能夠始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，測(cè)試中使用搖擺臺(tái)來(lái)模擬載體姿態(tài)變化，測(cè)試天線的跟蹤精度。

阿花宣布景光廠倒閉的時(shí)候，幾個(gè)負(fù)責(zé)檢查的妹仔哭了。最后的晚餐上，阿花泣不成聲。我和十來(lái)個(gè)男孩，喝了個(gè)不醉不歸。

4　系統(tǒng)測(cè)試

在電子波束掃描跟蹤系統(tǒng)中，也存在跟蹤接收機(jī)輸出的方位、俯仰誤差信號(hào)有交叉耦合的情況，主要是由于移相器、射頻電纜等隨溫度、頻率變化會(huì)存在一定的相移，導(dǎo)致波束并不是僅向方位或俯仰方向偏轉(zhuǎn)。誤差電壓的耦合會(huì)使天線跟蹤時(shí)不平穩(wěn)，也影響跟蹤速度，此時(shí)可以調(diào)整同步信號(hào)的相位等，減小耦合到1:5以下。

在工作狀態(tài)下，波束控制單元收到跟蹤接收機(jī)的控制命令，對(duì)準(zhǔn)信源后的方向圖如圖4所示，線條2表示沒(méi)有掃描時(shí)波束方向圖，最大值方向即信源角度，標(biāo)為0度，線條1和3表示波束分別正偏和逆偏時(shí)的方向圖，可見(jiàn)波束向兩個(gè)方向偏時(shí)，接收機(jī)在0度方向收到的能量相同，說(shuō)明天線對(duì)準(zhǔn)信源。

G(Δθ)=exp[-2.773*(θ/θ0.5)2]

(2)

可以換算成公式：

G(Δθ)(dB)=12*(θ/θ0.5)2(dB)

此外，西班牙、意大利等歐洲國(guó)家的延遲退休年齡政策也具有彈性，延遲退休的主要手段是以提高國(guó)民繳納養(yǎng)老保險(xiǎn)的時(shí)間來(lái)延遲本國(guó)的退休年齡，主要的養(yǎng)老保險(xiǎn)繳納年限為35-37年不等[5]。

(3)

圖7　天線跟蹤精度測(cè)試方框圖

可以根據(jù)跟蹤精度要求，利用(3)式得到動(dòng)平臺(tái)天線跟蹤狀態(tài)下接收信號(hào)電平變化均方根差，與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，測(cè)試方法如圖7。

在電子波束掃描跟蹤系統(tǒng)中，跟蹤過(guò)程中誤差電壓值越小，變化越小，跟蹤效果越好。測(cè)試得到接收信號(hào)的均方根植約0.17dB，滿足天線系統(tǒng)跟蹤精度指標(biāo)要求。

首先計(jì)算出50個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)性，經(jīng)KMO檢驗(yàn)，KMO 檢驗(yàn)系數(shù)＞0.5，為 0.75，P 值小于 0.05，因此適合做主成分分析。其次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后進(jìn)行主成分分析，最終得到12個(gè)主成分指標(biāo)，貢獻(xiàn)率均＞70%，這說(shuō)明這12個(gè)主成分能很好的解釋原始指標(biāo)，下表1是選取過(guò)程中篩選出的部分指標(biāo):

⑧http：//jingji.cntv.cn/2015/10/15/VIDE1444918497162300.shtml?fromvsogou。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文用電子波束掃描的方法實(shí)現(xiàn)跟蹤接收機(jī)，利用FPGA做中頻數(shù)字信號(hào)處理，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高了性能。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，具有速度快，設(shè)備量小，精度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的工程實(shí)用價(jià)值 ，為進(jìn)一步研究天線跟蹤系統(tǒng)的改進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]RobertJ.M.PhasedArrayAntennaHandbook[M].ARTECHHOUSE2rdedition,2005.

[3]丁鷺飛.雷達(dá)原理[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1984.

Adesignofelectronicbeamscanningtrackingreceiver

ZHAONan

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Anelectronicbeamscanningtrackingreceiverisdesignedinthispaper.Theprincipleandimplementationofelectronicbeamscanningtrackingsystemisintroduced.Theprincipleanalysisofsignalprocessingalgorithmsforautomatictrackingiscarriedout.ThemodelisconstructedandsimulatedinMatlab.Itisrealizedinprojectandthetestingresultshowthatithashighapplicationvalue.

Electronicbeam;Trackingreceiver;Matlabsimulation

2016-03-15

趙楠(1983-),女，工程師,主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理.

1001-9383(2016)02-0043-05

TN911.7

A