專利名稱：基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及利用時(shí)間調(diào)制方式控制天線陣列的相位激勵(lì)， 實(shí)現(xiàn)天線陣列波束電掃描的技術(shù)方法及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
背景技術(shù)：
在空間和導(dǎo)彈技術(shù)不斷發(fā)展的今天，對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)和無線通信技術(shù)的要求也越來越高，這 就使相控陣天線成為眾目注視的焦點(diǎn)。相控陣天線具有多種特殊的功能(如同時(shí)對(duì)空搜索、 識(shí)別和跟蹤等)以及大功率、高數(shù)據(jù)率和抵抗有害環(huán)境條件的能力，其大大推動(dòng)了相控陣?yán)?達(dá)和天線的研究和應(yīng)用。
相控陣，就是由許多輻射單元排成陣列形式的天線，各單元之間的輻射能量和相位關(guān)系 是可以控制的。典型的相控陣是利用計(jì)算機(jī)控制移相器改變天線孔徑上的相位分布來實(shí)現(xiàn)波 束在空間掃描，即電子掃描，簡(jiǎn)稱電掃。
相控陣可分為兩大類，即全電掃相控陣和有限電掃相控陣。全電掃相控陣又可稱固定式 相控陣，即在方位上和仰角上都采用電掃，天線陣是固定不動(dòng)的。有限電掃相控陣是一種混 合設(shè)計(jì)的天線，即把兩種以上天線技術(shù)結(jié)合起來，以獲得所需要的效果。根據(jù)掃描情況可分 為相掃、頻掃、相/相掃、相/頻掃、機(jī)/相掃、m/頻掃、有限掃等多種體制。相掃系列是指利 用移相器改變相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)波束電掃。頻掃是指利用改變工作頻率的方法來實(shí)現(xiàn)波束電掃。 相/相掃是利用移相器控制平面陣兩個(gè)角坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)波束電掃。相/頻掃是利用移相器控制平面陣 一個(gè)坐標(biāo)而另一坐標(biāo)利用頻率變化控制來實(shí)現(xiàn)波束電掃。機(jī)/相掃是在方位上采用機(jī)掃、仰角 上采用相掃。機(jī)/頻掃是在方位上采用機(jī)掃、仰角上采用頻掃。
近年來，新型天線的研究也推動(dòng)了新型相控陣系統(tǒng)的不斷發(fā)展。時(shí)間調(diào)制技術(shù)在天線陣 列綜合低/超低副瓣方向圖方面體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)。區(qū)別于常規(guī)天線陣列，由于時(shí)間調(diào)制天線 陣列的接收信號(hào)有其獨(dú)特的性質(zhì)，這使得時(shí)間調(diào)制技術(shù)在實(shí)現(xiàn)天線陣列波束電掃描方面得到 了應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景實(shí)現(xiàn)，目的在于提供一種基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技 術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。其新穎性在于通過控制天線陣列每個(gè)輻射陣元的工作時(shí)間序列.(即起 始工作時(shí)刻和工作持續(xù)時(shí)間)來達(dá)到波束電掃描的目的，同時(shí)可以綜合滿足副瓣電平要求的輻射方向圖。由于僅僅使用高速射頻開關(guān)就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)波束電掃描控制以及方向圖綜合， 因此使天線陣列的饋電系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單化(不需要移相器和衰減器)，饋電控制更加容易和簡(jiǎn)便， 陣列方向圖的綜合更加方便，同時(shí)也有利于相控陣系統(tǒng)的小型化。 為了描述方便，現(xiàn)對(duì)所用術(shù)語(yǔ)作如下定義
天線陣元指用來組成天線陣列的單元，用于發(fā)射和接收電磁波信號(hào)。 環(huán)流器指用于將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行功率隔離的裝置。 低噪聲放大器指噪聲系數(shù)很低的功率放大裝置。 收發(fā)開關(guān)指用于將收發(fā)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換和隔離。
CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件)指用于產(chǎn)生二進(jìn)制控制信號(hào)，即"0"和"1"，用來控制 高速射頻開關(guān)的"通"和"斷"的數(shù)字邏輯電路。
高速射頻開關(guān)指按照CPLD產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行工作的單刀單擲射頻吸收性開關(guān)。 功分器指將一路射頻信號(hào)分為幾路輸出的裝置。 可變衰減器指可調(diào)節(jié)天線陣元饋電幅度衰減量的裝置。
自動(dòng)增益控制器使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的自動(dòng)控制的裝置。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器指用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的裝置。
本發(fā)明提供了一種基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。它包括以 下基本方案和改進(jìn)方案。 基本方案
本方案為基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，它包括由收發(fā)共用天線 陣元l所組成的天線陣列。如圖1所示，其中每個(gè)天線陣元1都接有環(huán)流器2和收發(fā)開關(guān)4。 當(dāng)收發(fā)開關(guān)4處于接收狀態(tài)時(shí)，由天線陣元1接收的射頻信號(hào)經(jīng)過環(huán)流器2后由低噪聲放大
器3進(jìn)行放大。每個(gè)天線陣元1還接有高速射頻開關(guān)5并且高速射頻開關(guān)5對(duì)每個(gè)天線陣元 1接收的射頻信號(hào)進(jìn)行周期性調(diào)制。高速射頻開關(guān)5的工作狀態(tài)受CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器 件)6控制。復(fù)雜可編程邏輯器件6則可以通過預(yù)先寫入的程序，產(chǎn)生二進(jìn)制控制信號(hào)"0" 和"1"來控制高速射頻開關(guān)的"通"和"斷"。
基于此基本方案，則圖1中的接收機(jī)7則應(yīng)該包括頻率為^+^-力的穩(wěn)定本振8，混頻器9， 帶通濾波器10 (其通帶應(yīng)位于力)，自動(dòng)增益控制器(AGC) 11，中頻放大器12，低通濾波 器13，模數(shù)轉(zhuǎn)換器14以及數(shù)字信號(hào)處理器15等。由天線陣列接收并由高速射頻開關(guān)調(diào)制的 射頻信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后首先與穩(wěn)定本振8產(chǎn)生的頻率為的本振信號(hào)通過混頻器9進(jìn)行 混頻處理，用于將時(shí)間調(diào)制后產(chǎn)生的正第一邊帶信號(hào)(頻率為下變頻得到頻率為//的 中頻信號(hào)，用帶通濾波器IO濾除中心頻率信號(hào)以及除正第一邊帶以外的其它邊帶信號(hào)后送入中頻放大器12進(jìn)行功率放大，中頻放大器12的放大增益受自動(dòng)增益控制器11進(jìn)行控制，放 大后的中頻信號(hào)經(jīng)正交本振混頻后變?yōu)镮/Q兩路正交零中頻信號(hào)，通過低通濾波器13和模數(shù) 轉(zhuǎn)換器14變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后則進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器15進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理。 所述的改進(jìn)方案有以下五種
第一種改進(jìn)方案它是通過在接收機(jī)7中添加功分器16，頻率為/0-乂-//的穩(wěn)定本振17、 頻率為/ —力的穩(wěn)定本振18、帶通濾波器IO、中頻放大器12、自動(dòng)增益控制器ll、正交本振、 低通濾波器13以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器14、負(fù)第一邊帶處理模塊19，中心頻率處理模塊20以及TH第 一邊帶處理模塊21，如圖3所示。利用中心頻率以及正負(fù)第一邊帶可實(shí)現(xiàn)空間三波束同時(shí)工 作，其中正負(fù)第一邊帶的輻射波束實(shí)現(xiàn)空間電掃描。
第二種改進(jìn)方案它是通過將自適應(yīng)算法應(yīng)用到數(shù)字信號(hào)處理器中，并利用數(shù)字信號(hào)處 理器的輸出控制信號(hào)控制高速射頻丌關(guān)的工作狀態(tài)，達(dá)到自適應(yīng)時(shí)間加權(quán)的目的，用以實(shí)現(xiàn) 自適應(yīng)波束形成，如圖4所示。
第三種改進(jìn)方案它是通過利用優(yōu)化算法(例如遺傳算法GA，差分進(jìn)化算法DES等) 優(yōu)化每個(gè)天線陣元的工作時(shí)序，提高方向圖的輻射性能。
第四種改進(jìn)方案它是通過對(duì)每個(gè)天線陣元添加可變衰減器，將幅度加權(quán)與時(shí)間加權(quán)相
結(jié)合，通過多一維的控制，更靈活和方便地實(shí)現(xiàn)天線陣列方向圖的綜合。
第五種改進(jìn)方案它是通過將基本方案中的天線安裝在可機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的天線座上，將天線
陣列的電掃描與機(jī)械掃描相結(jié)合。
利用時(shí)間調(diào)制實(shí)現(xiàn)波束空間電掃描的方法
當(dāng)一頻率為力的平面電磁波照射如圖1所示的具有W個(gè)天線陣元的直線陣并且高速射頻 開關(guān)的工作頻率為/p時(shí)，其陣因子的表達(dá)式為
其中A為第k個(gè)天線陣元的饋電幅度，f/^)表示第k個(gè)射頻開關(guān)的工作狀態(tài)，當(dāng)與第k個(gè)天 線陣元相連的高速射頻開關(guān)處于工作狀態(tài)時(shí)，14(/)=1，反之處于斷開狀態(tài)時(shí)，^^)=0。 為 自由空間中的波數(shù)，J為相鄰天線陣元之間的間距。由于F(《/)是時(shí)間f的周期函數(shù)，因此可 將上式展開為傅立葉級(jí)數(shù)的形式，即
其中
6當(dāng)11=0， 1和-1時(shí)將分別得到中心頻率，正第一邊帶和負(fù)第一邊帶的輻射方向圖，即
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中^和R為第k個(gè)天線陣元在一個(gè)高速射頻開關(guān)的工作周期l/^內(nèi)的起始接通時(shí)刻和 處于接通狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間?？梢钥闯?，在正負(fù)第一邊帶，通過合理設(shè)計(jì)ti則可以綜合出滿足 副瓣電平要求的方向圖，通過合理設(shè)置^則可以控制天線陣主波束的指向。另外從上面的式 子中也可以看出，若要使得歸一化饋電幅度在[O， l]之間變化，則/,4的取值范圍應(yīng)為
， 若要使得饋電的相位變化在[-7T，兀]之間變化，則_^戰(zhàn)的取值范圍應(yīng)為[-0.5，0.5]，而在中心頻率 上，方向圖的波束指向則與起始工作時(shí)刻％無關(guān)。
本發(fā)明提供的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在不需要移相 器的情況下，通過控制每個(gè)天線陣元的起始工作時(shí)刻和持續(xù)工作時(shí)間，在第一邊帶實(shí)現(xiàn)天線 陣列波束的空間電掃描。使得該系統(tǒng)僅僅需要一個(gè)高速射頻開關(guān)即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)波束電掃描控 制以及方向圖綜合。對(duì)設(shè)計(jì)滿足副瓣電平要求的方向圖以及實(shí)現(xiàn)波束電掃描可以達(dá)到一舉兩 得的目的。與常規(guī)相控陣天線相比，由于不需要使用移相器和衰減器，使得系統(tǒng)復(fù)雜度大大 降低。同時(shí)由于波束電掃描在正負(fù)第一邊帶上實(shí)現(xiàn)，因此，中心頻率處的波束可以用作與固 定目標(biāo)通信等用途，在僅僅添加相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理模塊而不需要在系統(tǒng)前端添加任何器件 的情況下，即可實(shí)現(xiàn)空間三個(gè)波束的同時(shí)工作，如下面的改進(jìn)方案所示。
在所述的基本方案中，如圖1和圖2所示，天線陣列波束的電掃描在正第一邊帶實(shí)現(xiàn)。 通過預(yù)先設(shè)計(jì)好的每個(gè)天線陣元的起始工作時(shí)刻和持續(xù)工作時(shí)間對(duì)復(fù)雜可編程邏輯器件6進(jìn) 行編程處理，由電纜下載到CPLD芯片。每個(gè)天線陣元1與環(huán)流器2和收發(fā)開關(guān)4相連。環(huán) 流器2與收發(fā)開關(guān)4起到通道隔離的目的，阻止發(fā)射機(jī)的大功率射頻信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)。由天 線陣列接收的射頻信號(hào)經(jīng)過每一路的高速射頻開關(guān)5的周期性調(diào)制之后進(jìn)入接收機(jī)7。如圖2 所示，在接收機(jī)7中，射頻信號(hào)(包含中心頻率以及所有的邊帶信號(hào))首先與頻率為力+^-//的本振信號(hào)進(jìn)行混頻處理，將正第一邊帶(/fl+yp信號(hào)下變頻至中頻/,，然后由帶通濾波器 IO濾掉中心頻率信號(hào)以及除正第一邊帶以外的其他邊帶信號(hào)。此時(shí)經(jīng)過帶通濾波器IO之后，
還需要對(duì)正第一邊帶信號(hào)進(jìn)行中頻放大，其放大增益受自動(dòng)增益控制器ll控制。經(jīng)過正交本
振變?yōu)閮陕稩/Q正交零中頻信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器14變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后即可進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器 15進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理。這里給出的接收機(jī)系統(tǒng)為零中頻數(shù)字接收機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中可 以根據(jù)實(shí)際用途以及需要等改變?cè)摻邮諜C(jī)系統(tǒng)。
此基本方案能夠?qū)崿F(xiàn)在不需要移相器的情況下的波束電掃描。并且利用時(shí)間加權(quán)可以同 時(shí)實(shí)現(xiàn)滿足副瓣電平要求的方向圖以及波束指向控制。
此基本方案是我們所提供的最基本的方案形式，在此基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)就構(gòu)成了如下的 基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)的改進(jìn)方案-
第一種改進(jìn)方案，它是在接收機(jī)7中添加功分器16，頻率為/ -/p-力的穩(wěn)定本振17,頻率 為_/^//的穩(wěn)定本振18，帶通濾波器7，中頻放大器12，自動(dòng)增益控制器ll，低通濾波器13 以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器I4,負(fù)第一邊帶處理模塊19，中心頻率處理模塊20以及正第一邊帶處理模 塊21，如圖3所示。利用中心頻率以及正負(fù)第一邊帶即可實(shí)現(xiàn)空間三波束同時(shí)工作，其中正 負(fù)第一邊帶的輻射波束實(shí)現(xiàn)空間電掃描。天線端接收的經(jīng)過高速射頻開關(guān)周期性調(diào)制的射頻 信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)7后由一分三的功分器16輸出三路含有相同頻率分量的信號(hào)。這三路信號(hào)都 包含中心頻率以及各個(gè)邊帶分量信號(hào)。為了得到中心頻率以及正負(fù)第一邊帶處的信號(hào)，三路 信號(hào)應(yīng)分別與頻率為/(r/p-力、/r力和/ +厶-//的本振信號(hào)進(jìn)行混頻處理，即將負(fù)第一邊帶信號(hào)， 中心頻率信號(hào)和正第一邊帶信號(hào)分別下變頻至中頻頻率力。然后每一路利用通帶位于//的帶 通濾波器10濾除不需要的頻率成分，即可分別得到負(fù)第一邊帶，中心頻率和正第一邊帶信號(hào)。 每一路信號(hào)分別經(jīng)過中頻放大器12后，經(jīng)由正交本振作I/Q雙通道處理后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器14 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其中中頻放大器12的放大增益受自動(dòng)增益控制器11的控制。在數(shù)字信號(hào) 處理器中可劃分三個(gè)處理模塊，即負(fù)第一邊帶處理模塊19，中心頻率處理模塊20和正第一 邊帶處理模塊21。每一個(gè)模塊分別獨(dú)自處理各自邊帶或中心頻率上的數(shù)字信號(hào)。利用這種改 進(jìn)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)空間三波束同時(shí)工作，其中正負(fù)第一邊帶上的波束可實(shí)現(xiàn)電掃描， 中心頻率上的波束則固定不變。此接收機(jī)主要分為三個(gè)通道，分別對(duì)中心頻率信號(hào)以及正負(fù) 第一邊帶信號(hào)進(jìn)行處理。每一個(gè)通道可看作是一個(gè)零中頻數(shù)字接收機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要 和要求可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改。
第二種改進(jìn)方案，它是通過將自適應(yīng)算法應(yīng)用到數(shù)字信號(hào)處理器中，并利用數(shù)字信號(hào)處
理器的輸出控制信號(hào)控制高速射頻開關(guān)的工作狀態(tài)，達(dá)到自適應(yīng)時(shí)間加權(quán)的目的，用以實(shí)現(xiàn)
自適應(yīng)波束形成，如圖4所示。此接收系統(tǒng)主要分為兩部分，第一部分經(jīng)天線接收的射頻信號(hào)被高速射頻開關(guān)進(jìn)行周期性調(diào)制(即時(shí)間加權(quán))之后進(jìn)入接收機(jī)；第二部分則是傳統(tǒng)的自 適應(yīng)權(quán)值計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)天線陣元接收的信號(hào)分別經(jīng)過下變頻，1/Q正交雙通 道處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器，利用現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟的自適應(yīng)算法計(jì)算每一個(gè) 天線陣元的最優(yōu)加權(quán)值。由該加權(quán)值產(chǎn)生控制信號(hào)，控制高速射頻開關(guān)的時(shí)間加權(quán)值，使天 線陣在第一邊帶上得到最優(yōu)波束(如自適應(yīng)置零等)。
第三種改進(jìn)方案它是利用優(yōu)化算法(如遺傳算法，差分進(jìn)化算法等)優(yōu)化每個(gè)天線陣 元的工作時(shí)間序列，來提高天線陣列方向圖性能，如副瓣電平，邊帶電平等。
第四種改進(jìn)方案它是通過對(duì)每個(gè)天線陣元添加可變衰減器，將幅度加權(quán)與時(shí)間加權(quán)相 結(jié)合。通過添加可變衰減器，使得在此系統(tǒng)中綜合方向圖時(shí)可以同時(shí)利用幅度加權(quán)和時(shí)間加 權(quán)，為方向圖的綜合提供多一維的控制。
第五種改進(jìn)方案；它是通過將基本方案中的天線安裝在可機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的天線座上，將天線 陣列的電掃描與機(jī)械掃描相結(jié)合。此方案可與第一種改進(jìn)方案相結(jié)合，使中心頻率的輻射波 束在機(jī)械控制下實(shí)現(xiàn)掃描，而正負(fù)第一邊帶的輻射波束指向通過時(shí)間加權(quán)和機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)共同控 制。
第三種、第四種和第五種改進(jìn)方案都應(yīng)至少包含以下兩個(gè)特征
(1) 所述的每個(gè)天線陣元1都與一個(gè)高速射頻開關(guān)5相連接，高速射頻開關(guān)的工作狀 態(tài)由邏輯電路控制，如圖1所示。
(2) 接收機(jī)應(yīng)包含一個(gè)或幾個(gè)頻率不同的本振源，用于將中心頻率和正負(fù)第一邊帶的 信號(hào)下變頻至同一頻率的中頻信號(hào)，如圖2和圖3所示。
因此，上述的基本方案和所有改進(jìn)方案分別具有各自對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，波束的空間電掃描在 正負(fù)第一邊帶上實(shí)現(xiàn)，通過控制每個(gè)天線陣元的工作時(shí)序來控制天線波束的空間掃描角度。 由于波束掃描在正負(fù)第一邊帶上實(shí)現(xiàn)，而中心頻率上主瓣位置則保持不變，因此可以實(shí)現(xiàn)空 間多波束處理。由于三個(gè)波束在不同的頻率上實(shí)現(xiàn)，因此也容易實(shí)現(xiàn)頻率分集信號(hào)的發(fā)射和 接收。與傳統(tǒng)的相控陣天線相比，由于引入了時(shí)間自由度，使得天線方向圖的綜合以及波束 控制更加靈活和容易。因此，該系統(tǒng)適用于那些需要波束掃描的無線系統(tǒng)。 本發(fā)明具有以下有益效果
(1) 由于通過時(shí)間加權(quán)即可實(shí)現(xiàn)方向圖綜合和波束掃描控制，節(jié)省了幅度加權(quán)器件以及移 相器件的使用，因此可以降低系統(tǒng)成本，減小系統(tǒng)的體積。
(2) 由于波束掃描在正負(fù)第一邊帶上實(shí)現(xiàn)，使中心頻率上的方向圖可作其他用途，實(shí)現(xiàn)空 間多波束的處理。
(3) 通過引入自適應(yīng)算法，僅用高速射頻開關(guān)就可以在第一邊帶上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成。(4)利用中心頻率以及第一邊帶發(fā)射和接收信號(hào)，可以提高系統(tǒng)的保密性以及抗干擾性能。


圖1是本發(fā)明的基于時(shí)間調(diào)制的無移相器相控陣系統(tǒng)的發(fā)射與接收前端。 其中，1是天線陣元，2是環(huán)流器，3是低噪聲放大器，4是收發(fā)開關(guān)，5是高速射頻開 關(guān)，6是復(fù)雜可編程邏輯器件，7是接收機(jī)。
圖2是正第一邊帶信號(hào)零中頻數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)框圖。
其中，8是頻率為^+《-力的穩(wěn)定本振，9是混頻器，IO是通帶位于力的帶通濾波器，11 是自動(dòng)增益控制器，12是中頻放大器，13是低通濾波器，14是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，15是數(shù)字信號(hào) 處理器。
圖3是基于改進(jìn)方案一的中心頻率和正負(fù)第一邊帶信號(hào)接收機(jī)系統(tǒng)框圖。 其中，16是一分三的功分器，17是頻率為力《-力的穩(wěn)定本振，18是頻率為々-力的穩(wěn)定本 振，19是負(fù)第一邊帶處理模塊，20是中心頻率處理模塊，21是正第一邊帶處理模塊。 圖4是基于改進(jìn)方案二的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成的系統(tǒng)框圖 圖5是實(shí)施例1和實(shí)施例2中每個(gè)天線陣元的歸一化起始工作時(shí)間 圖6是實(shí)施例1和實(shí)施例2中每個(gè)天線陣元的歸一化持續(xù)工作時(shí)間 圖7是實(shí)施例1和實(shí)施例2中中心頻率和正負(fù)第一邊帶上的方向圖 圖8是實(shí)施例3中每個(gè)天線陣元的歸一化起始工作時(shí)間 圖9是實(shí)施例3中每個(gè)天線陣元的歸一化持續(xù)工作時(shí)間 圖10是實(shí)施例3中中心頻率和第一邊帶上的方向圖
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:基于時(shí)間調(diào)制的無移相器情況下的正第一邊帶波束掃描控制
參照?qǐng)D1和圖2，本實(shí)施例采用#=8元全向性天線陣元構(gòu)成直線式天線陣列，陣元間距 為半個(gè)波長(zhǎng)。利用正第一邊帶以及時(shí)間加權(quán)實(shí)現(xiàn)波束的掃描控制，因此相應(yīng)的接收機(jī)為接收 正第一邊帶信號(hào)。中心頻率信號(hào)以及其他邊帶信號(hào)均被濾除。采用離散Taylor分布綜合-20dB 副瓣電平的方向圖，主波束偏離天線陣列法向20度。由此得到每個(gè)天線陣元在一個(gè)時(shí)間調(diào)制 周期內(nèi)的歸一化起始工作時(shí)刻以及歸一化的持續(xù)工作時(shí)間，分別如圖5和圖6所示。得到的 正第一邊帶方向圖如圖7中的虛線所示。結(jié)果表明，該方向圖的主瓣指向20度，副瓣電平為 -20dB，滿足設(shè)計(jì)要求，并且與中心頻率的輻射功率相比，正第一邊帶的輻射功率僅降低了 2.1犯。利用如圖2所示的接收機(jī)系統(tǒng)，將正第一邊帶信號(hào)下變頻至中頻頻率//，由帶通濾波 器濾除中心頻率以及其他所有不需要的邊帶信號(hào)，僅保留正第一邊帶信號(hào)后，經(jīng)正交本振變
10為兩路正交基帶信號(hào)，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字 信號(hào)處理。
本實(shí)施例是基于基本方案下的利用時(shí)間調(diào)制技術(shù)在正第一邊帶上實(shí)現(xiàn)方向圖綜合和無移
相器情況下的天線陣列波束掃描控制，并且給出了基于正第一邊帶波束掃描下接收機(jī)系統(tǒng)的
工作流程，實(shí)現(xiàn)了僅僅利用高速射頻開關(guān)就可以同時(shí)綜合滿足副瓣電平要求的方向圖以及波
束指向控制和正第一邊帶上的信號(hào)接收和處理。
實(shí)施例2:基于吋間調(diào)制的空間三波束形成以及正負(fù)第一邊帶波束掃描控制
參照?qǐng)D1和圖3，本實(shí)施例同樣采用A^8元全向性天線陣元構(gòu)成直線式天線陣列，陣元 間距為半個(gè)波長(zhǎng)。利用正負(fù)第一邊帶以及時(shí)間加權(quán)實(shí)現(xiàn)波束的掃描控制，中心頻率處的波束 指向不變。相應(yīng)的接收機(jī)系統(tǒng)分為三路接收，利用本振頻率不同的三個(gè)本振源分別將中心頻 率信號(hào)以及正負(fù)第一邊帶信號(hào)下變頻至中頻頻率力，每一路分別用帶通濾波器濾除不需要的 頻率成分，然后經(jīng)正交本振，模數(shù)轉(zhuǎn)換器等變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，分別進(jìn)入相應(yīng)的處理模塊進(jìn)行數(shù) 字信號(hào)處理。本實(shí)施例仍然采用離散Taylor分布在第一邊帶上綜合-20dB副瓣電平的方向圖， 正第一邊帶上主波束偏離天線陣列法向20度，相應(yīng)的負(fù)第一邊帶主波束偏離天線陣列法向-20 度。由此得到每個(gè)天線陣元在一個(gè)時(shí)間調(diào)制周期內(nèi)的歸一化起始工作時(shí)刻以及歸一化的持續(xù) 工作時(shí)間與實(shí)施例1中的相同，即如圖5和圖6所示。得到的中心頻率上的方向圖以及正負(fù) 第一邊帶上的方向圖如圖7所示。圖7中的實(shí)線為中心頻率上的方向圖，可以看出其主波束 指向天線陣列法向，郎^0、其副瓣電平為-18.3dB。圖7中的虛線和點(diǎn)線分別為正第一邊帶 和負(fù)第一邊帶方向圖，可以看出其主波束分別指向^20n和^=-20Q，并且各自方向圖的副瓣 電平均為-20dB。同時(shí)，正負(fù)第一邊帶的輻射功率與中心頻率相比僅僅下降了 2.1dB。利用如 圖3所示的接收機(jī)系統(tǒng)，分別將中心頻率和正負(fù)第一邊帶的信號(hào)與頻率分別為/『力， 和/^/W"/的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，利用帶通濾波器保留所需要的信號(hào)成分，之后經(jīng)正交本振下 變頻為I/Q兩路信號(hào)，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，最后進(jìn)入各自的處理模塊進(jìn)行 相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理。
本實(shí)施例是基于改進(jìn)方案一的利用時(shí)間調(diào)制技術(shù)在正負(fù)第一邊帶上實(shí)現(xiàn)方向圖綜合和無
移相器情況下的天線陣列波束掃描控制，并且給出了基于改進(jìn)方案一的接收機(jī)系統(tǒng)的工作流
程，實(shí)現(xiàn)了僅僅利用高速射頻開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)第一邊帶上綜合滿足副瓣電平要求的方向
圖以及天線陣列的波束掃描控制，并且在中心頻率上具有指向天線陣列法向的波束，實(shí)現(xiàn)了
利用中心頻率和正負(fù)第一邊帶在空間三波束同時(shí)工作的情況。利用此方案給出的接收機(jī)系統(tǒng)，
可以同時(shí)對(duì)中心頻率和正負(fù)第一邊帶上的信號(hào)進(jìn)行分路同時(shí)處理。 實(shí)施例3:基于時(shí)間調(diào)制的第一邊帶自適應(yīng)波束形成參照?qǐng)D4，本實(shí)施例中的接收系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，即最優(yōu)權(quán)值計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間加權(quán) 網(wǎng)絡(luò)。最優(yōu)權(quán)值計(jì)算網(wǎng)絡(luò)是利用目前己經(jīng)相當(dāng)成熟的自適應(yīng)算法以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì) 天線陣列接收的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)權(quán)值的計(jì)算，并將最優(yōu)權(quán)值轉(zhuǎn)化為控制高速射頻開關(guān)工作 狀態(tài)的控制信號(hào)。時(shí)間加權(quán)網(wǎng)絡(luò)類似實(shí)施例1和實(shí)施例2，即利用時(shí)間調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間 加權(quán)，并且利用第一邊帶的特殊性質(zhì)來自適應(yīng)地形成最優(yōu)波束。本實(shí)施例仍舊采用^=8元全 向性天線陣元構(gòu)成直線式天線陣列，陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)。相應(yīng)的接收機(jī)系統(tǒng)可采用如圖2 所示的結(jié)構(gòu)。令期望信號(hào)的來波方向?yàn)閊20 干擾信號(hào)的來波方向?yàn)閊-20 信噪比為-30dB， 干擾噪聲比為40dB，利用最大信干噪比準(zhǔn)則計(jì)算最優(yōu)權(quán)值并將其轉(zhuǎn)化為控制高速射頻開關(guān)的 控制信號(hào)，由此得到的每個(gè)天線陣元的歸一化起始工作時(shí)刻與歸一化工作持續(xù)時(shí)間分別如圖 8和圖9所示。在正第一邊帶上得到的方向圖如圖IO中的實(shí)線所示，可以看出方向圖主波束 指向^=20Q，同時(shí)在^20"產(chǎn)生了極深的零點(diǎn)，從而有利于接收期望信號(hào)抑制干擾信號(hào)。作 為對(duì)比，圖10中給出了在此最優(yōu)加權(quán)下的中心頻率處的輻射方向圖。與該輻射方向圖相比， 正第一邊帶的輻射功率僅僅下降了 2.3dB，因此利用時(shí)間調(diào)制技術(shù)可以很方便地在第一邊帶 實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成。利用如圖2所示的接收機(jī)系統(tǒng)，就可以對(duì)正第一邊帶所接收的信號(hào)進(jìn) 行后續(xù)的處理。
本實(shí)施例是基于改進(jìn)方案二的利用時(shí)間調(diào)制技術(shù)以及自適應(yīng)算法和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)， 在正第一邊帶上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成。對(duì)空間中同時(shí)存在期望信號(hào)和干擾源的情況下，能夠 自適應(yīng)地計(jì)算最優(yōu)權(quán)值，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂聘咚偕漕l開關(guān)的邏輯控制信號(hào)，控制每個(gè)天線陣 元的工作起始時(shí)刻和持續(xù)工作時(shí)間，由此在第一邊帶上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的波束形成，使主波束對(duì) 準(zhǔn)期望信號(hào)的來波方向，同時(shí)在干擾源方向上產(chǎn)生極深的零點(diǎn)。該實(shí)施例中的接收機(jī)系統(tǒng)采 用了基本方案中的接收機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體的應(yīng)用要求等改變?cè)?結(jié)構(gòu)。
以上，向熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員提供本發(fā)明的描述以使他們易于理解與運(yùn)用本發(fā)明。對(duì) 于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員，對(duì)這些實(shí)施例的各種變更是顯而易見的，而無需創(chuàng)造性的勞動(dòng)。 因此，本發(fā)明并不僅限定在這里所述的方案，而是與所述的權(quán)利要求一致的范圍。
權(quán)利要求
1.基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，它包括收發(fā)公用的天線陣元(1)所組成的天線陣列，其中每個(gè)天線陣元(1)都接有環(huán)流器(2)，低噪聲放大器(3)，收發(fā)開關(guān)(4)以及高速射頻開關(guān)(5)。低噪聲放大器(3)和高速射頻開關(guān)(5)則構(gòu)成了該收發(fā)公用天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)。所述的高速射頻開關(guān)(5)由CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)電路(6)控制。接收機(jī)(7)應(yīng)包含一個(gè)本振頻率為f0+fp-fI的穩(wěn)定本振源(8)，接收的射頻信號(hào)與本振源(8)產(chǎn)生的本振信號(hào)經(jīng)混頻器(9)進(jìn)行混頻處理，輸出的中頻信號(hào)送至帶通濾波器(10)后進(jìn)入中頻放大器(12)，中頻放大器(12)的放大增益由自動(dòng)增益控制器(11)進(jìn)行控制。放大后的中頻信號(hào)經(jīng)過正交本振混頻為I/Q兩路正交信號(hào)，經(jīng)低通濾波器(13)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最終進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器(15)進(jìn)行相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理。
2. 基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，它包括收發(fā)公用的天線陣元(1)所組 成的天線陣列，其中每個(gè)天線陣元(1)都接有環(huán)流器(2)，低噪聲放大器(3)，收發(fā)開 關(guān)(4)以及高速射頻開關(guān)(5)。低噪聲放大器(3)和高速射頻開關(guān)(5)則構(gòu)成了該收 發(fā)公用天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)。所述的高速射頻開關(guān)(5)由CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件) 電路(6)控制。接收機(jī)(7)應(yīng)包含一個(gè)一分三的功分器(16)，輸出的三路信號(hào)各自與 三個(gè)頻率不同的本振信號(hào)經(jīng)混頻器(9)下變頻為頻率為力的三路中頻信號(hào)，三路中頻信 號(hào)經(jīng)帶通濾波器(10)濾波處理后由中頻放大器(12)放大，中頻放大器(12)的放大 增益統(tǒng)一受自動(dòng)增益控制器(11)的控制。放大后的中頻信號(hào)經(jīng)過正交本振混頻為1/Q兩 路正交信號(hào)，經(jīng)低通濾波器(13)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，負(fù)第一邊帶 信號(hào)進(jìn)入負(fù)第一邊帶處理模塊(19)處理，中心頻率信號(hào)進(jìn)入中心頻率處理模塊(20) 處理，正第一邊帶信號(hào)進(jìn)入正第一邊帶處理模塊(21)處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在 于所述的天線陣元(1)都接有環(huán)流器(2)，低噪聲放大器(3)，收發(fā)開關(guān)(4)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其梧征在 于所述的天線陣元(1)接有高速射頻開關(guān)(5)，并且不需要其他移相器件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在 于高速射頻開關(guān)(5)受CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件)電路(6)控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在于它 包括一個(gè)頻率為力+^-//的穩(wěn)定本振源(8)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在于它 包括一個(gè)通帶位于力的帶通濾波器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在于它 包括一個(gè)一分三的功分器(16)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在于它 包括一個(gè)本振頻率為/。^-力的穩(wěn)定本振17。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在于它 包括一個(gè)本振頻率為力-力的穩(wěn)定本振18。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在 于它包括一個(gè)自動(dòng)增益控制器(11)以及受自動(dòng)增益控制器(11)控制的中頻放大器(12)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在 于它包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在 于它包括一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(15)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在于它 包括負(fù)第一邊帶處理模塊(17)，中心頻率處理模塊(18)和正第一邊帶處理模塊(19)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其特征在 于它通過控制天線陣元(1)的起始工作時(shí)刻和持續(xù)工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)波束掃描控制和方向 圖綜合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。采用該技術(shù)，天線陣列不需要使用移相器就可以實(shí)現(xiàn)波束空間電掃描。本發(fā)明的基本方案包括天線陣列，復(fù)雜可編程邏輯器件，高速射頻開關(guān)以及接收機(jī)等?；谠摲桨福ㄟ^合理地設(shè)計(jì)每個(gè)天線單元的工作時(shí)序，可以實(shí)現(xiàn)在不需要移相器對(duì)每個(gè)天線單元進(jìn)行移相情況下的天線陣列波束在空間的電掃描以及符合副瓣電平要求的方向圖。通過對(duì)接收機(jī)合理地添加混頻器、濾波器、放大器等，可以方便地實(shí)現(xiàn)三個(gè)波束并且雙波束同時(shí)電掃描。本發(fā)明由于不采用移相器，因此可以進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積，減小系統(tǒng)復(fù)雜度。由于其可以方便地實(shí)現(xiàn)天線陣列波束電掃描，因此可以廣泛用于雷達(dá)以及無線通信系統(tǒng)當(dāng)中。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK101609931SQ20081004475
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者鋼 李, 楊仕文, 聶在平, 陳益凱 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)