一种方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法

摘要

一种应用于方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法，包括：将系统确定的导引信息调制到频率可实时调整的载频上，生成逆向导引信号；将该信号发射给方向回溯阵列；方向回溯阵列对接收到的信号进行解调，获得导引信息并解算导引信息的共轭相位；依据解算得到的共轭相位合成共轭相位信号；对“共轭相位信号”进行功率放大并经由方向回溯阵列发射出去。该方法使处于离散状态，彼此独立的非相干本地振荡器，生成相位相干且相位与导引信息相位共轭的微波信号，实现了微波波束指向沿导引信号入射方向回溯的逆向波束控制，即能保护系统核心频率秘密的安全，又可以通过跳频来规避恶意干扰，提高系统的抗干扰能力。

说明书

技术领域

本发明属于能量无线传输领域，具体地，涉及一种用于微波无线能量传输和自动跟踪通信系统的方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法。

背景技术

目前，实现能量无线传输的主要方式有：激光、超声波、电磁耦合和微波。它们有各自的适用范围。近距离情况下，可以选择超声波和电磁耦合；远距离的情况下，可以选择激光或者微波。激光技术实现中远距离的能量传输，其优点是波束窄，缺点是转换效率低、功率容量有限。现在激光无线能量传输的一个目标是提高转换效率，达到或者接近微波无线能量传输系统的转换效率。相对激光能量无线传输，微波无线能量传输技术具有转换效率高，功率容量高的优点，是现阶段最有发展优势的能量无线传输技术。

微波无线能量传输技术是将其他形式的能量转换为微波，通过空间传输再由接收天线接收，经过整流电路转换为直流能量。微波无线能量传输，通常应用在传输距离较远的工况，因此需要相对较大的发射与接收天线，通常以天线阵列的形态存在。为了尽量减小接收天线的尺寸和占地面积，需要使用较窄的波束，让能量集中在接收天线阵列的范围内。

对比现行的可再生能源，来自太空的太阳能拥有光明的前景。作为一种新的能源系统，空间太阳能可以24小时供应，不排放CO2，可保证人类社会的可持续发展。太阳能发电卫星在几十年前就曾作为能满足可持续发展和不排放CO2的清洁能源供应的基础可行的候选方案之一提出。太阳能发电卫星被设计为一颗在地球静止轨道(GEO)上运行的、作为发电站的巨大卫星，将太阳能转化为电能，再将电能转化为微波能，通过微波无线能量传输系统和地面的无线能量接收系统传输到地面。

即便是地球同步轨道上的卫星，其星下点和卫星姿态都不能保证完全静止，总有相对于地面接收天线阵列的运动与漂移。另外，卫星的姿态还要随着卫星与太阳相对位置在四季的变化而调整。在卫星漂移与姿态调整的过程中，必须始终保持用于能量传输的微波波束精确指向地面接收站，这就对微波波束的指向控制与调整的精度和相应速度提出了很高的要求。以如下粗略估计为例：地球同步轨道典型高度为三万六千公里，如果地面接收天线直径按照5公里记，用于能量传输的微波波束中心偏差按5％记，则微波波束控制精度需要达到0.0004度。

波束控制与调整主要有机械指向、基于相控阵天线阵列的主动波束指向控制和基于方向回溯阵列的逆向波束控制等方法。因为用于微波无线能量传输的发射天线尺寸巨大，机械指向不适用与太阳能发电卫星的波束指向控制。基于相控阵天线的主动波束控制，其波束控制精度，受移相器相位控制精度的制约，工程上成熟的移相器移相精度在1度左右，对应的波束控制精度在0.23度左右。远远不能满足太阳能发电卫星的波束指向精度要求。另外，基于相控阵天线的主动波束控制，首先要完成对地面导引信号的波达方向估计，这必然要引起额外的响应延迟。

相比之下，基于方向回溯阵列的逆向波束控制法最适合太阳能发电卫星的波束指向控制。逆向波束控制又名“方向回溯”，采用逆向波束控制体制的天线阵列能够自动跟踪来波方向，而不需要预先验证来波的方向。逆向波束控制可以在移动平台间、移动平台与基站、卫星与卫星、卫星与地面之间建立可靠的连接，同时，通信链路的增益由于天线阵的功率合成效应而得到显著提高。

太阳能发电卫星采用逆向波束控制，可以实现微波发射天线波束的完全自动控制，可以适应太阳能发电卫星的动态变化。该系统只需要从地面发射一个导向信号，发射天线的波束就可以精确地指向地面。空间微波发射天线的每个组元的相位按照地面导向信号的相位的共轭进行控制，从而合成一个反向传输的微波波束。

逆向波束导引技术源于反向天线阵，反向天线阵源于LC.Van Atta博士设计的Van Atta阵。Van Atta阵的结构是用等长的传输线连接成对的天线单元，成对的天线单元必须呈中心对称分布，单元天线接收到的信号传输到对应的阵元上去发射，发射波束自动指向入射波方向。

Van Atta反向阵列天线是逆向波束控制的雏形，不易与微波射频前端子系统进行一体化设计。因此，反向天线阵又发展出“共轭相位混频”体制的反向阵列天线。

“共轭相位混频”体制的反向阵列天线基于如下假定：当引导信号辐射源距离天线阵列很远时，到达天线阵列的波前为平面波。设引导信号电磁波抵达天线阵面的相位为0、-Ф、-2Ф、-3Ф，为使天线阵列的辐射方向图主瓣指向引导信号方向，则需要天线的各个基本辐射单元的相差为0、Ф、2Ф、3Ф。由此可见，在各个基本辐射单元，对接收信号进行相位共轭后，再发射出去，就可以使天线方向图主瓣指向来波方向，从而实现逆向波束控制的目的。

外差混频器是获得相位共轭的一个简单有效的方法，当本地振荡器(LO)的频率是引导信号频率的两位时，引导信号和本振信号混频后的低边带信号具有与引导信号相同的频率和共轭的相位。把共轭相位混频技术应用于反向阵列天线，通过两倍本振与每个基本辐射单元接收到的引导信号混频，获得共轭相位信息，利用这一共轭相位，就可以实现天线阵列对来波的自动方向回溯。

在共轭相位混频体制的波束逆向控制系统中，空间微波发射天线的控制系统采用共轭混频器，所有的共轭相位混频器都以“有线”(微波电缆或者微带传输线)的方式从同一本地振荡器获取相干的参考相位,从引导信号中提取方位信息，生成与地面导向信号的相位共轭的发射信号，该发射信号经微波放大器放大后，由空间微波发射天线发射出去，从而合成一个反向传输的微波波束。“共轭相位混频体制”逆向波束控制的优点是，响应时间短，速度快。该体制的缺点是，统一的相干参考相位需要被精确的分配到每一个相位控制单元上，只适用于规模较小且阵元间具有物理连接的阵列，相位分配误差会逐级累积。

对于空间太阳能电站，其位于轨道空间的发射天线尺寸巨大，达到公里级别。不能一次发射入轨，只能一次发射一部分天线模块，再进行在轨组装，拼接成公里级别尺度的发射天线。本质上来说，每次发射的天线模块之间是离散的，无法再以“有线”(微波电缆或者微带传输线)连接的方式，将统一的参考本振相位分配到每一个辐射单元。因此，有必要开发一种能支持离散阵列进行波束方向回溯的逆向波束控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法，以解决方向回溯阵列和反向天线普遍采用的“共轭相位混频”体制必须将本地振荡器产生的统一参考相位通过复杂的分配网络逐个分配到每个阵元，以及导引信号频率信息处于公开状态，容易被恶意干扰的问题。通过本发明的方法，将导引信息频率与导引信号频率分开，将导引信息频率隐藏在导引信号之中，不依赖参考相位分配网络的逆向波束控制方法。因为该方法不需要参考相位分配网络，所以应用该方法的方向回溯阵列可以是连续的，也可以是离散的。而现有的“共轭相位混频”体制无法支持离散阵列。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

一种方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法，包括以下步骤：

S1.根据用户需求和系统的限定，确定逆向导引信息的工作频率，生成逆向导引信息g(t)；

S2.将步骤S1生成的逆向导引信息g(t)调制到载频f(t)上，得到导引信号g(t)·f(t)；

S3.经由地面控制中心，将步骤S2得到的导引信号g(t)·f(t)发射到方向回溯离散阵列；

S4.方向回溯离散阵列对接收到的导引信号g(t)·f(t)进行解调，恢复初始的逆向导引信息g(t)；

S5.求解步骤S4恢复的逆向导引信息g(t)的共轭相位

S6.使用步骤S5解算出的共轭相位合成导引信息的共轭相位信号

S7.对步骤S6输出的共轭相位信号进行功率放大得到信号然后将该信号经由方向回溯离散阵列中相应的天线发射出去。

与现有技术相比，根据本发明的方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法具有有益的技术效果，包括：

1、由于本发明将导引信息频率与导引信号频率分开，将导引信息频率隐藏在导引信号之中，导引信息受到调制及编码方式的保护，因此提高了导引信息的安全性，可以对抗“伪导引”方式的方向偷引。

2、由于本发明将导引信息频率与导引信号频率分开，将导引信息频率隐藏在导引信号之中，在改变导引信号频率的同时可以保持导引信息的频率特征不变，因此，可以通过跳频的方式对抗干扰。

3、由于本发明采用直接从导引信号中提取解调所需要的载波，完成载波同步，因此，不需要参考相位分配网络(即本振分配网络)，解调所需的本振信号由载波恢复技术直接从导引信号中获得。

4、不需要以有线方式精确分配唯一的本地振荡器的参考相位，不要求发射天线阵列连续分布。支持天线阵列离散分布，可使用从不相干的离散本地振荡器从导引信号中生成相干的共轭相位信号。因为不再需要将唯一的本地振荡器的相位分配到数千万个共轭相位产生电路，不再需要为保证相位同步而引入的校准回路，从而节省了成本和开销。

5、抗干扰能力强

传统的基于“共轭相位混频”体制的逆向波束控制方法的引导信号为频率信息公开的单频连续波，面对频率阻塞型干扰，没有对抗干扰的手段。因为其频率信息和调制信息公开，也无法应对角度偷引型干扰，从而导致高能波束偏离预期的照射目标。本发明采用的引导信号不再是相位共扼混频体制中的单频连续波，而是携带有导引信息的调制信号。因为“引导信息”可以被调制到任意频率的载波上，所以，反向导引信号具有充分的备份频率，在某个频点遭受阻塞干扰时，可以方便的切换到备份频率去。

6、温度自适应能力强

微波无线能量传输系统的工作温度在1公里口径的范围内，不可能是均匀的。在传统的基于“共轭相位混频”体制的逆向波束控制方法中，这就将引起统一参考相位在传递过程中，因为传递路径的温度不同而产生不一致的相位误差。虽然校准回路可以部分解决该问题，但是成本和计算开销将急剧增加。共轭相位合成体制没有统一参考相位传递问题，各个模块各自独立，从而具有温度自调节能力。

附图说明

图1为本发明方法的实施流程图；

图2为导引信号处理及逆向信号产生流程图；

图3为本发明中成对使用的直接数字频率合成器(DDS)的离散分布图；

图4为本发明的实施方式总图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法做进一步详细的说明。

本发明涉及一种使用处于离散状态、彼此独立的非相干本地振荡器，生成相位相干且相位与导引信号共轭的微波信号，实现微波波束指向沿导引信号入射方向回溯的逆向波束控制方法。

在根据本发明的方法中：1、将导引信息频率与导引信号频率分开，使用导引信息调制载波，再在已调信号中，插入用作导频的正弦波，将导引信息频率隐藏在导引信号之中；2、作为导引信号接收端的“方向回溯离散阵列”直接从导引信号中提取解调所需要的载波，完成载波同步。载波同步的方式含有但不限于“自同步法”和“插入导频法”。3、作为导引信号接收端的“方向回溯离散阵列”从导引信号中解调出导引信息后，采用如图2所示的流程，完成对导引信息的跟踪、锁相及共轭相位合。图2中采用了一对使用同一晶体振荡器的直接数字频率合成器(DDS)，使用共同的晶体振荡器，保证两个DDS的随机初相同步。其中DDS-A完成对导引信号的跟踪锁相，对解调得到的“引导信息”进行相位锁定，获得导引信息的相位信息。星上计算机解算引导信号的相位信息和相位信息控制码，求取控制码的补码。该补码经由星载计算机注入DDS-B，由DDS-B生成与导引信息具有共轭相位的信号。该“相位共轭信号”经由功率放大器放大后，馈入天线模块辐射至自由空间，完成反向波束导引控制。因此能够实现在不同的DDS对采用彼此独立的非相干晶体振荡器的情况下，生成相位相干且相位与导引信息相位共轭的信号的目的。由于成对使用的直接数字频率合成器(DDS)彼此独立，因此没有统一参考相位传递问题，不要求发射天线阵列连续分布。支持天线阵列离散分布。成对使用的直接数字频率合成器(DDS)彼此独立且自动补偿晶体振荡器初相温度漂移问题，因此，应用本发明的方向回溯离散阵列具有温度自调节能力。

该方法解决了传统逆向波束控制方法中，必须使用一个唯一的“本地振荡器”的技术约束，及由此技术约束引起的工程复杂性和实施难度。应用本发明所描述的方法，方向回溯天线阵列不再需要通过“有线”(微波电缆或者微带传输线)方式将唯一的本地振荡器的相位分配到每个发射天线上，从而显著降低了工程复杂性和实施难度，使大规模(公里级别)方向回溯离线阵列天线能够在工程上得以实现。

图1为根据本发明的方法的流程示意图，如图1所示，根据本发明的方法包括以下步骤：

S1.根据用户需求和系统的限定，确定逆向导引信息的工作频率，生成逆向导引信息g(t)；

S2.将步骤S1生成的逆向导引信息g(t)调制到载频f(t)上，得到导引信号g(t)·f(t)；

S3.经由地面控制中心，将步骤S2得到的导引信号g(t)·f(t)发射到方向回溯离散阵列；

S4.方向回溯离散阵列对步骤S4接收到的导引信号g(t)·f(t)进行解调，恢复初始的逆向导引信息g(t)；

S5.求解步骤S4恢复的逆向导引信息g(t)的共轭相位

S6.使用步骤S5解算出的共轭相位合成导引信息的共轭相位信号

S7.对步骤S6输出的共轭相位信号进行功率放大得到信号该信号经由方向回溯离散阵列中相应的天线发射出去。

本发明所采用的导引信号不再是相位共扼混频体制中的单频连续波，而是将导引信息调制到频率可以任意选取的载波上，再插入导频信号形成导引信号，导引信号接收电路从接收到的携带有导引信息的导引信号中的恢复载波、完成相位同步，实现对“引导信息”的解调。

流程图中第4、5、6、7步由在轨飞行器实现，具体实施方式如图2所示，其中，“跟踪锁相”与“共轭相位合成”电路使用双“直接数字频率合成器(DDS)”，DDS-A和DDS-B。DDS-A用于跟踪锁相导引信号，对解调得到的“引导信息”进行相位锁定，获得导引信息的初始相位信息。星上计算机解算引导信号的相位信息和相位信息控制码，求取控制码的补码。该补码经由星载计算机注入DDS-B，有DDS-B生成与导引信息具有共轭相位的信号。该“相位共轭信号”经由功率放大器放大后，馈入天线模块辐射至自由空间，完成反向波束导引控制。

本发明的方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法可以支持彼此没有物理连接、离散分布的天线阵列构成方向回溯离散阵列，如图4所示，对于太阳能发电卫星而言，就是若干颗携带有应用本发明方法的方向回溯阵列的太阳能发电卫星可以组成卫星编队，共同从空间完成微波无线能量传输到同一个地面接收站。

面向太阳能发电卫星的“方向回溯离散阵列的逆向波束控制方法”需要使用一个地面控制中心，向空间太阳能电站发射调制好的“导引信号”。如图3所示。地面控制中心位于地面接收站的几何中心。

位于轨道空间的微波无线能量传输系统，在接收到地面控制中心发射的“导引信号”后，按照图2所示流程和图4所示的实施方式，完成导引信号的接收、导引信息的解调和共轭信号的产生。其中，“跟踪锁相”与“共轭相位合成”电路使用双“直接数字频率合成器(DDS)”，即DDS-A和DDS-B。DDS-A用于跟踪锁相导引信号，对解调得到的“引导信息”进行相位锁定，获得导引信息的初始相位信息。DDS-B生成与导引信息具有共轭相位的信号，该共轭信号经由功率放大器进行功率放大后，馈入发射后天线，经由发射天线辐射到自由空间，完成反向波束导引控制。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。