基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法。阵列天线幅相调控系统，包括：均匀直线阵列天线，p支路矢量调控模块，功率分配网络，功率放大器，现场可编程门阵列，标准喇叭天线。阵列天线幅相调控系统的实现方法，包括：16单元X波段维瓦尔第直线阵、4支路矢量调控模块的设计，阵列天线幅相调控系统的搭建，时间调制函数的优化设计等步骤。一方面，本发明专利技术所述的阵列天线幅相调控系统在射频通道内抑制大量无用谐波分量，以保证系统的单波束辐射效果。另一方面，本发明专利技术所述的阵列天线幅相调控系统对射频信号实现连续、高精度的幅相调控，取代离散、低精度的数字移相器和数字衰减器，实现低副瓣和低边带电平的扫描波束。

Amplitude and phase control system of array antenna based on time modulation and its implementation

【技术实现步骤摘要】
基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法
本专利技术涉及天线工程
，尤其涉及一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法。
技术介绍
现代相控阵天线大都使用数字移相器控制馈电相位差，而由数字衰减器控制阵列天线口面幅度分布。数字移相器和数字衰减器作为相控阵天线T/R通道的关键部件，直接决定了相控阵天线的成本、系统复杂度和电性能。为了提高天线的波束扫描精度，常常使用高位数和高精度的数字移相器和数字衰减器，而高精度/高位数移相器和衰减器也导致其控制模块复杂、控制数据量大，进一步抬高了相控阵天线的成本和系统复杂度。因此工程上常常采用子阵化幅相控制技术来减少T/R通道数量，通过串并转换降低控制线数等，从而降低相控阵天线的成本和系统复杂度，但这是以牺牲扫描精度、波束更新速度等电性能为代价。因此，研究相控阵天线幅相控制新理论、新体制，并进一步研制低成本、低复杂度、高精度的幅相控制器件，不仅是为了解决相控阵天线目前面临的T/R组件成本高、控制复杂、高精度扫描能力不足等瓶颈问题，也为研制新体制相控阵雷达、低成本相扫通信天线等新一代装备奠定理论基础和提供技术支撑。时间调制阵列作为在传统的天线阵列的射频前端增加了时间调制单元的新型天线阵列，其一种实现方式是在传统的天线阵列的射频前端增加高速射频开关，对各射频开关的打开/关断进行周期性控制。又称四维天线阵。时间调制阵起源于休斯公司的X波段八单元波导裂缝时间调制阵。此后，A.Massa教授团队、A.Tennant教授团队，以及J.C.Brégains教授团队等都在研究间调制天线，尝试将谐波用于波束赋形，提出了一种基于二元时间调制阵的测向方法。Y.Wang博士、J.Euzière、L.Poli和P.Rocca等在时间调制天线阵的方向图综合、边带抑制等方面做了广泛而深入的研究。国内杨仕文教授团队、金荣洪教授团队等提出非均匀时间调制频率，用于抑制边带辐射电平、测向、多普勒效应抑制、DOA估计、自适应波束形成等实验验证。得益于目前纳秒级别的射频切换开关，时间调制天线阵的波束调控也比传统相控阵更加快速、精确。然而，在大多数公开文献中，时间调制阵列的研究侧重于阵列天线的辐射机理，缺少电路层面的模块化设计。针对现代无线通信及雷达系统中的幅相控制器件成本高昂，链路损耗大，波束切换较慢等问题，作为有源相控阵的一种新幅相控制体制，使用时间调制的矢量调控方法，通过引入时间维度的调制，可以替代传统的数字移相器和数字衰减器，并且增加了系统的自由度。首先，具有成本低和系统复杂度低的优势，可以大大简化原先的体系架构，降低其开销和控制成本，可以进一步强化现有的有源相控阵应用并且拓展其在新领域的应用。其次，实现连续的高精度的幅相变化，可以保证空间覆盖能力和切换速度。
技术实现思路
本专利技术基于上述技术背景，提出了基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法，具体由p支路矢量调控模块等构成的阵列天线幅相调控系统，以及4支路矢量调控模块应用于16单元X波段(8.0GHz-12.0GHz)维瓦尔第直线阵的阵列天线幅相调控系统的实现方法。本专利技术提出基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，包括：1套M单元均匀直线阵列天线，M个p支路矢量调控模块，1个M路功率分配网络，1个功率放大器，1个现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)，1个标准喇叭天线，其中，p＝2q，M＝2n,q、n为任意自然数。所述均匀直线阵列天线的各天线单元要求接1个p支路矢量调控模块。所述M路功率分配网络接在M个p支路矢量调控模块之前。所述功率放大器接在M路功率分配网络之前。所述现场可编辑门阵列产生周期性时间调制函数，控制M个p支路矢量调控模块。所述标准喇叭天线用于接收由所述均匀直线阵列天线产生的辐射方向图。p支路矢量调控模块包括p个矢量调控基本模块，2个p路等功率分配网络，(p-1)个固定相位延迟线。所述矢量调控基本模块包括1个单刀三掷射频开关，1个180°(π)相位延迟线，1个匹配负载。所述p支路矢量调控模块的第i条支路(i≤p)，固定相位延迟线的相对相移量为(i-1)π/p，周期性时间调制函数为U(t-Tp(i-1)/2p)，其中U(t)为第1条支路的时间调制函数，Tp为时间调制函数的最小重复周期。所述p支路矢量调控模块内部含有切换速度为纳秒级的单刀三掷射频开关，对射频信号实现连续、高精度的幅相调制。射频信号经所述幅相调控系统产生丰富的谐波分量，其中第+1次谐波定义为有用谐波分量，其余谐波定义为无用谐波分量。所述p支路矢量调控模块，其输出频谱的最小间隔为2pfp，其中，fp＝1/Tp为时间调制频率。若定义输入p支路矢量调控模块之前的射频信号载波频率为fc，则有用第+1次谐波分量的载波频率为fc+fp，无用谐波分量的载波频率为fc+fp±2wpfp，其中w为正整数。根据傅里叶级数理论可知，离fc+fp越远的谐波能量越小。因此，如果wp的数值很大，则载波频率为fc+fp±2wpfp的能量可以忽略。换句话说，p的取值越大，射频通道内抑制的无用谐波分量越多，输出频谱间隔越大，阵列天线的边带辐射越小。所述现场可编辑门阵列产生的周期性时间调制函数等效为矩形脉冲函数，其1个周期内的波形可由脉冲起始时刻ts和脉冲导通时间τs惟一确定。本专利技术提出基于时间调制的阵列天线幅相调控系统的实现方法。以m＝16，p＝4为实施例，包括以下步骤：第一步：设计16单元X波段维瓦尔第直线阵，4支路矢量调控模块；第二步：搭建具有1套16单元X波段维瓦尔第直线阵，4支路矢量调控模块，1个功率放大器，1个现场可编程门阵列和1个标准喇叭天线的幅相调控系统；第三步：设计现场可编程门阵列的时间调制函数；设置辐射方向图在波束宽度、波束指向、副瓣电平、边带电平的优化目标值；根据优化目标，利用多目标差分进化算法获得16个4支路矢量调控模块的时间调制函数；将优化得到的时间调制函数写入现场可编程门阵列；第四步：测量标准喇叭接收天线在有用谐波分量和无用谐波分量对应的频点上的辐射方向图。所述的阵列天线幅相调控系统的实现方法，在不使用数字衰减器和数字移相器的前提下，通过现场可编程门阵列产生的时间调制函数对16个4支路矢量调控模块的周期性调制，产生了边带电平-25.0dB、副瓣电平-20.0dB的低副瓣、扫描波束的辐射方向图，证明了本专利技术的有效性。本专利技术的实施例中包括以下创新点：本专利技术的实施例提供的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统及其实现方法中，p支路矢量调控模块内含有切换速度为纳秒级的单刀三掷射频开关，对射频信号的实现连续的、高精度的幅相变化，取代传统离散、低精度的数字移相器和数字衰减器；所述的阵列天线幅相调控系统对时间调制效应产生的大部分无用谐波进行抑制，降低了时间调制阵列中的边带辐射；所述的阵列天线幅相调控系统有规律地抑制频谱上的无用谐波分量，扩展了p支路矢量调控模块的输出频谱间隔，削弱了传统时间调制阵列中传输信号瞬时带宽与周期性时间调制频率之间的严苛条件。本专利技术的特点是在不使用数字移相器和数字衰减器的情况下，利用时间调制技术对射频信号实现连续、高精度的幅度和相位变化，使阵列天线产生具有低副瓣和低边带电平的扫描波束。附图说明为了更清楚地说明本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，其特征在于，包括1套M单元均匀直线阵列天线，M个p支路矢量调控模块，1个M路功率分配网络，1个功率放大器，1个现场可编程门阵列，1个标准喇叭天线，其中，p＝2

【技术特征摘要】
1.一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，其特征在于，包括1套M单元均匀直线阵列天线，M个p支路矢量调控模块，1个M路功率分配网络，1个功率放大器，1个现场可编程门阵列，1个标准喇叭天线，其中，p＝2q，M＝2n,q、n为任意自然数；所述均匀直线阵列天线的各天线单元要求接1个p支路矢量调控模块，所述M路功率分配网络接在M个p支路矢量调控模块之前，所述功率放大器接在M路功率分配网络之前，所述现场可编辑门阵列产生周期性时间调制函数，控制M个p支路矢量调控模块，所述标准喇叭天线用于接收由所述均匀直线阵列天线产生的辐射方向图。2.根据权利要求1所述的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，其特征在于，所述p支路矢量调控模块包括p个矢量调控基本模块，2个p路等功率分配网络，(p-1)个附加相位延迟线，所述矢量调控基本模块包括1个单刀三掷射频开关，1个180°(π)相位延迟线，1个匹配负载。3.根据权利要求1所述的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，其特征在于，所述p支路矢量调控模块内部含有切换速度为纳秒级的单刀三掷射频开关。4.根据权利要求1所述的基于时间调制的阵列天线幅相调控系统，其特征在于，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈益凯，黎皓天，杨仕文，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51