CN103401072A - 基于周期性幅度控制的相控阵天线系统及波束控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，包括多个相控阵天线单元通道、合路器、功分器、变频器单元以及中频带通滤波器单元，其中，每一个相控阵天线单元通道均包括：天线、第一射频带通滤波器、双工器、可变增益放大器单元、第二射频带通滤波器以及放大器控制单元，所述放大器控制单元对可变增益放大器单元的增益进行周期性控制。本发明还公开了其波束控制方法。本发明通过对发射/接收的射频信号的幅度进行周期性地控制，实现对相控阵天线系统的幅度和相位的联合控制，能在无需使用移相器件的条件下，实现相控阵天线阵列的方向图综合以及自适应波束形成，可广泛应用于相控阵雷达、电子对抗等需要进行灵活的波束控制的系统中。

Description

基于周期性幅度控制的相控阵天线系统及波束控制方法

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，具体是一种对信号的幅度和相位进行控制的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统。

背景技术

相控阵天线系统广泛应用于雷达、导航以及电子对抗等工程技术领域。相控阵天线系统的基本原理是对相控阵天线阵列的各个阵元上发射和接收信号的幅度和相位进行控制，使得在空间合成的波束指向特定的方向，或者在某些特定的方向形成零陷。具有波束指向灵活、方向图可综合性等优点。

目前对相控阵天线系统发射和接收的信号的幅值和相位的控制方法主要是使用可变增益放大器以及移相器，例如在美军F22战斗机上使用的AN/APG-77有源相控阵雷达系统。其基本工作原理是首先用方向图综合的方法得到各个阵列单元上信号的幅值和相位，然后利用可变增益放大器实现幅度控制，利用移相器实现相位控制，实现对天线阵列波束的控制。目前实现移相的器件主要有微波移相器和光纤延迟线，但均存在成本较高的问题，并且当系统工作频率较高（比如X波段，Ka波段），移相器件的移相精度难以提高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，该相控阵天线系统解决了目前的相控阵天线系统均使用高成本的移相器件的缺点，利用周期性的幅度调制技术，无需移相器件，并且能够灵活进行幅度和相位控制。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，包括多个相控阵天线单元通道、合路器、功分器、变频器单元以及中频带通滤波器单元，其中，每一个相控阵天线单元通道均包括：天线、第一射频带通滤波器、双工器、可变增益放大器单元、第二射频带通滤波器以及放大器控制单元，所述天线与第一射频带通滤波器相连接、所述第一射频带通滤波器与双工器相连接，所述双工器与可变增益放大器单元相连接；所述可变增益放大器单元包括可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器，所述可变增益低噪声放大器通过第二射频带通滤波器与合路器相连接，所述可变增益功率放大器与功分器相连接，所述可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器还分别与放大器控制单元相连接；所述变频器单元包括下变频器、上变频器以及与下变频器和上变频器相连接的本振，所述合路器与下变频器相连接，所述功分器与上变频器相连接，所述下变频器和上变频器分别与中频带通滤波器单元相连接；所述放大器控制单元通过模拟或数字的方式对可变增益放大器单元的增益进行周期性控制。

所述放大器控制单元包括：可编程逻辑器件（FPGA）、时钟、存储器以及数字频率合成器，其中，所述可编程逻辑器件（FPGA）分别与可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器相连接，所述时钟、存储器以及数字频率合成器分别与可编程逻辑器件（FPGA）相连接。

所述放大器控制单元还包括模数转换器，所述模数转换器设置在所述可编程逻辑器件（FPGA）的外围。

所述多个相控阵天线单元通道呈均匀线性排布，相邻的两个相控阵天线单元通道之间的阵列间距为半波长。

一种基于周期性幅度控制的相控阵天线系统的波束控制方法，包括以下步骤：

步骤1，利用方向图综合方法或自适应波束形成方法计算各相控阵天线单元通道的复数权值；

步骤2，将复数权值转换为各相控阵天线单元通道的幅度和相位信息；

步骤3，放大器控制单元根据幅度和相位信息产生周期性幅度调制信号；

步骤4，放大器控制单元利用周期性幅度调制信号对可变增益放大器单元进行调制，从而完成对相控阵天线的波束控制。

本发明提供了一种基于周期性幅度控制的相控阵天线系统及波束控制方法，在接收和发射射频信号时对信号的幅度进行周期性的调制；通过周期性的控制发射和接收通道的增益，来实现阵列的方向图控制以及自适应的波束形成；在其发射和接收的前端使用可变增益的放大器；利用可编程逻辑器件对射频前端的可变增益放大器进行周期性地控制。其中，相控阵天线系统仅使用可变增益放大器，通过周期性地改变各天线单元上的幅值，从而实现各单元通道的幅度和相位控制；波束控制方法利用可变增益放大器，通过对射频信号的周期性幅度调制，实现了相控阵天线系统中幅度和相位的联合控制。其相位控制不需要额外的移相器件实现，能够减少相控阵天线系统的成本，并提高系统的集成度。

本发明在实现幅度和相位控制的过程中，仅使用可变增益放大器而无需采用移相器，通过周期性地控制可变增益放大器的增益特性来实现波束的控制。

本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：

1、利用一种新的幅度相位联合控制方法，减少了相控阵系统的硬件复杂度，同时节约了成本；

2、在实现波束控制的过程中不使用较为昂贵的移相器器件，同时省去了对传统的相控阵天线系统中对移相器控制的控制系统，有助于减少相控阵系统的体积、成本等，同时提高了可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于周期性幅度调制的相控阵天线系统的结构框图；

图2为基于周期性幅度调制的相控阵天线系统的波束控制方法流程图；

图3为实施例1中的各相控阵天线单元通道上控制可变增益放大器单元的周期性控制信号的波形图；

图4为实施例1中波束指向控制的方向图；

图5为实施例2中的各相控阵天线单元通道上控制可变增益放大器单元的周期性控制信号的波形图；

图6为实施例2中的自适应波束的方向图；

图中：1为天线，2为第一射频带通滤波器，3为双工器，4为可变增益低噪声放大器，5为可变增益功率放大器，6为下变频器，7为上变频器，8为本振，9为中频带通滤波器单元，10为可编程逻辑器件（FPGA），11为时钟，12为存储器，13为数字频率合成器，14为合路器，15为功分器，16为第二射频带通滤波器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至6。

本实施例提供了一种基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，包括多个相控阵天线单元通道、合路器、功分器、变频器单元以及中频带通滤波器单元，其中，每一个相控阵天线单元通道均包括：天线、第一射频带通滤波器、双工器、可变增益放大器单元、第二射频带通滤波器以及放大器控制单元，所述天线与第一射频带通滤波器相连接、所述第一射频带通滤波器与双工器相连接，所述双工器与可变增益放大器单元相连接；所述可变增益放大器单元包括可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器，所述可变增益低噪声放大器通过第二射频带通滤波器与合路器相连接，所述可变增益功率放大器与功分器相连接，所述可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器还分别与放大器控制单元相连接；所述变频器单元包括下变频器、上变频器以及与下变频器和上变频器相连接的本振，所述合路器与下变频器相连接，所述功分器与上变频器相连接，所述下变频器和上变频器分别与中频带通滤波器单元相连接；所述放大器控制单元通过模拟或数字的方式对可变增益放大器单元的增益进行周期性控制。

进一步地，所述放大器控制单元包括：可编程逻辑器件（FPGA）、时钟、存储器以及数字频率合成器，其中，所述可编程逻辑器件（FPGA）分别与可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器相连接，所述时钟、存储器以及数字频率合成器分别与可编程逻辑器件（FPGA）相连接。

进一步地，所述放大器控制单元还包括模数转换器，所述模数转换器设置在所述可编程逻辑器件（FPGA）的外围。

进一步地，所述多个相控阵天线单元通道呈均匀线性排布，相邻的两个相控阵天线单元通道之间的阵列间距为半波长。

本实施例提供的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，其波束控制方法，包括以下步骤：

步骤1，利用方向图综合方法或自适应波束形成方法计算各相控阵天线单元通道的复数权值；

步骤2，将复数权值转换为各相控阵天线单元通道的幅度和相位信息；

步骤3，放大器控制单元根据幅度和相位信息产生周期性幅度调制信号；

步骤4，放大器控制单元利用周期性幅度调制信号对可变增益放大器单元进行调制，从而完成对相控阵天线的波束控制。

具体为：

本实施提供的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，通过阵列方向图综合或自适应波束形成算法，根据波束要求计算各个单元通道上的幅度和相位，再用该幅度和相位计算一个控制周期内的放大器增益控制的波形数据，最后以该波形数据为控制信号，通过可编程逻辑器件（FPGA）对各单元通道的放大器进行周期性的控制。

信号处理的流程是：对于接受通道，通过对低噪声放大器的增益进行周期性的控制来实现所需的波束。接收的射频信号进入天线单元后，经过射频带通滤波器以及双工器后，进入低噪声放大器进行放大。然后用射频带通滤波器抑制周期性放大过程中产生的不需要的谐波分量，再将射频信号用下变频器变换至中频。类似的，对于发射通道，通过上变频器将待发射的中频信号变换为射频信号，再通过功率放大器进行功率放大。同时通过周期性地控制功率放大器的增益来进行波束控制。经过功率放大后的射频信号经过双工器，再通过射频带通滤波器抑制周期性的功率放大后产生的不需要的谐波分量，最后通过天线阵列单元向空间辐射。

基本原理为：利用周期性信号对原射频信号进行幅度调制，则原射频信号的能量被分配到以原射频信号的载频F_c为中心，以周期性调制信号的频率F_p为间隔的各次谐波上，即经过周期性调制的可变增益放大器后，其频谱成分为F_c±kF_p，其中k为整数。然后选择谐波分量（比如F_c+F_p），再利用阵列的方向图综合方法或自适应波束形成方法，计算载频为选取的谐波分量时，实现波束控制的各单元通道的幅值和相位。控制中心（FPGA）根据计算得到的幅值和相位激励出相应的周期信号，对可变增益放大器进行控制，最终实现对阵列波束的控制。本发明提出的基于周期性幅度调制的相控阵天线实现波束控制的流程框图如图2所示。

针对特定的应用需求，并考虑应用环境等因素，可在基础方案上做一些改进，构成一种基于周期性幅度调制的相控阵天线系统的改进方案。

第一种改进方案，是将所述的收发共用的天线用两块独立的收发天线阵列取代。此改进方案应用于对收发系统隔离度要求较高的场合。

第二种改进方案，是在FPGA的外围增加模数转换器，通过模数转换器控制可变增益放大器。此改进方案应用于可变增益放大器的控制信号为模拟电压信号的情况。

在本实施例中使用到的技术术语含义如下：

相控阵天线：一种波束可控制天线阵列，通过改变发射或接受信号的幅值和相位进行波束调整；

阵列方向图：在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形；

天线阵列：由多个单元天线按一定规则排列起来组成的具有射频信号收/发功能的系统；

双工器：控制射频信号收发开关的装置；

可变增益低噪声放大器：将微弱信号进行放大的装置，同时其增益具有可控性；

可变增益功率放大器：将信号进行大功率线性或非线性放大的装置，同时其增益具有可控性；

复杂可编程逻辑器件：具有大量逻辑资源，并能进行重配置的大规模集成电路。包括复杂可编程逻辑（CPLD）以及现场可编程逻辑（FPGA）两种；

上变频器：将中频信号转换为射频信号的装置；

下变频器：将射频信号转换为中频信号的装置；

数字频率合成器：用数字的方法生成所需频率的周期信号的装置；

功分器：将射频信号按功率等分或不等分到多个支路；

合路器：将多个支路的信号合并到一条支路上。

以下通过两个具体案例对本发明进行描述。

实施例1

基于周期性的正弦波调制的波束指向控制

参照图1设计的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，在本实施例中，天线阵列为均匀线性阵列，阵列单元数N=10，阵列间距为半波长。发射信号的射频信号的载频F_c＝2GHz，可变增益放大器的控制周期T_p＝10^-8s，即控制频率F_p＝100MHz。由于周期性控制，发射的射频信号频谱成分将会以F_p为周期重复，即经过放大器后，载频将会被调制到频率F_c±kF_p上，其中k为整数。利用带通滤波器选题其中载频为F_c+F_p的分量。

设需要设计波束指向20°，其旁瓣电平小于-20dB。采用正弦波信号作为调制信号，设计各单元上控制信号的幅值以及正弦波形的初始相位图3所示。

采用图3所示的周期性的正弦信号控制功率放大器的增益，得到天线阵列的方向图如图4所示。从图3中可以看出，波束指向20°，旁瓣电平约-20dB。

实施例2

基于周期性正弦波调制的自适应波束形成

参照图1设计的基于周期性幅度控制的相控阵系统，在本实施例中，天线阵列为均匀线性阵列，阵列单元数N=10，阵列间距为半波长。发射信号的射频信号的载频F_c＝2GHz，可变增益放大器的控制周期T_p＝10^-8s，即控制频率F_p＝100MHz。利用带通滤波器选择频率为F_c+F_p的谐波分量。设阵列波束需要指向30°，同时抑制方向为-40°上的干扰信号，即在-40°方向上形成零陷。设信道的信噪比为-10dB，信号和干扰是不相关的。

根据自适应信号处理中的线性约束最小方差方法（LCMV）计算各单元通道的权值，将复数的权值转换为幅值和相位信息，通过FPGA产生对于该幅值和相位的周期性的正弦波。各单元通道上控制可变增益放大器的周期信号的幅值与初始相位如图5所示。

以上述过程中形成的正弦波控制可变增益放大器时，天线阵列的方向图如图6所示。天线的主波束指向30°，并在-40°方向上形成零陷。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，其特征在于，包括多个相控阵天线单元通道、合路器、功分器、变频器单元以及中频带通滤波器单元，其中，每一个相控阵天线单元通道均包括：天线、第一射频带通滤波器、双工器、可变增益放大器单元、第二射频带通滤波器以及放大器控制单元，所述天线与第一射频带通滤波器相连接、所述第一射频带通滤波器与双工器相连接，所述双工器与可变增益放大器单元相连接；所述可变增益放大器单元包括可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器，所述可变增益低噪声放大器通过第二射频带通滤波器与合路器相连接，所述可变增益功率放大器与功分器相连接，所述可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器还分别与放大器控制单元相连接；所述变频器单元包括下变频器、上变频器以及与下变频器和上变频器相连接的本振，所述合路器与下变频器相连接，所述功分器与上变频器相连接，所述下变频器和上变频器分别与中频带通滤波器单元相连接；所述放大器控制单元对可变增益放大器单元的增益进行周期性控制。

2.根据权利要求1所述的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，其特征在于，所述放大器控制单元包括：可编程逻辑器件、时钟、存储器以及数字频率合成器，其中，所述可编程逻辑器件分别与可变增益低噪声放大器和可变增益功率放大器相连接，所述时钟、存储器以及数字频率合成器分别与可编程逻辑器件相连接。

3.根据权利要求1所述的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，其特征在于，所述放大器控制单元还包括模数转换器，所述模数转换器设置在所述可编程逻辑器件的外围。

4.根据权利要求3所述的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，其特征在于，所述放大器控制单元通过模拟或数字的方式对可变增益放大器单元的增益进行周期性控制。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统，其特征在于，所述多个相控阵天线单元通道呈均匀线性排布，相邻的两个相控阵天线单元通道之间的阵列间距为半波长。

6.一种权利要求1至5中任一项所述的基于周期性幅度控制的相控阵天线系统的波束控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用方向图综合方法或自适应波束形成方法计算各相控阵天线单元通道的复数权值；

步骤2，将复数权值转换为各相控阵天线单元通道的幅度和相位信息；

步骤3，放大器控制单元根据幅度和相位信息产生周期性幅度调制信号；

步骤4，放大器控制单元利用周期性幅度调制信号对可变增益放大器单元进行调制，从而完成对相控阵天线的波束控制。

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