CN103490177B - 基于频率预编码的单通道阵列接收天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率预编码的单通道阵列接收天线，主要解决现有常规阵列接收天线结构复杂、功率高、尺寸大、价格高以及多通道引起的幅相不一致问题。其包括：天线振子(1)、频率调制器(2)、低噪放大器(3)、下变频器(4)、模数转换器(5)和频率跟踪器(6)。天线振子(1)接收的信号通过频率调制器(2)产生的子载波调制聚合处理，多通道信号转换成单通道信号，该信号依次经过低噪放大器(3)放大、下变频器(4)混频、模数转换器(5)量化编码，得到数字基带信号，该信号通过频率跟踪器(6)产生的子载频正交解调和滤波处理，将单通道信号恢复成多通道信号。本发明具有结构简单、尺寸小、代价低，天线幅相一致的优点，并能达到与常规阵列接收天线相同的性能指标。

Description

基于频率预编码的单通道阵列接收天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及单通道阵列接收天线，特别是一种通过正交频率调制聚合和解调恢复实现多通道信号的单通道阵列发射天线，可用于通信及雷达信号处理。

背景技术

天线在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中被广泛的应用，起到传播无线电波的作用，是有效地辐射和接收无线电波必不可少的装置。随着目前天线通信知识和技术的迅速发展，以及国际上对天线的诸多研究方向的提出，促使了新型天线的诞生，阵列天线就是研究的一种方向，所谓阵列天线是将多个传感器设置在空间的不同位置组成传感器阵列，并利用这一阵列对空间信号场进行接收，即多点并行采样和处理，其主要特点是多通道处理。多通道是阵列接收天线区别于常规天线的主要特点，它是基于每个通道接收的回波信号与参考通道接收信号之间的相位差，探测包含场景的空间信息，因此，阵列接收天线是通过空域滤波处理实现目标来波方向的测量。由于阵列接收天线接收具有多通道的回波信号，使得它不仅具有在时域或频域可检测信号的特点外，还可测量目标的来波方向，并可实现空域滤波的功能。

阵列接收天线根据不同的应用功能要求，使其研发设计有着不同的侧重点，这些侧重点的要求也伴随着阵列接收天线技术应用的前沿性越来越高。首先，观测能力要求是基础；再者，各种应用对高精度的要求随着硬件设施的发展不断增加，例如移动通信系统，多目标识别等；其次，功能的多元化，所谓多元化包括例如通信应用、雷达天线应用等；最后，降低成本，低成本是推广应用阵列接收天线的重要条件。上述所提到的各个侧重点对阵列接收天线的发展指明了方向，也就是说，低成本、小尺寸、高精度的阵列接收天线是实际应用研发设计的重点。然而，现有常规阵列接收天线利用多通道处理技术所带来的器件多、尺寸大、幅相不一致、信噪比高的问题已成为其发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于频率预编码的单通道阵列接收天线，以减小天线受限于尺寸和代价的影响、提高通道幅相一致性及信噪比。

为实现上述目的，本发明包括：天线振子、低噪放大器、下变频器、模数转换器，其特征在于：

天线振子与低噪放大器之间连接有M个频率调制器，用于产生正交子载波，将天线振子输出的信号进行频率调制，并对调制后的信号进行正交聚合处理，其中，M为天线振子数目；

所述模数转换器，其输出端连接有M个频率跟踪器，用于产生正交子载波，将模数转换器输出的单通道信号进行解调处理，恢复得到多路数字基带信号。

作为优选，上述基于频率预编码的单通道阵列接收天线的每个频率调制器，包括一级振荡器、一级混频器和聚合传输模块；

所述一级振荡器，用于产生子载波F_cM，通过该子载波对天线振子的输出信号频率调制，该载波 $F_{\mathrm{cM}}=\left\{\begin{array}{cccccc}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}& ...& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{m}t}& ...& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{M-1}t}\end{array}\right\},$ 其中，f_m为子载波频率，f_m＝f_c+m·Δf，m＝0,1,2…M-2,M-1，M为天线振子数目，f_c为参考载频，Δf为子载频步进长度；

所述一级混频器，用于对天线振子的输出信号进行调制，得到调制后的信号为：

$\begin{array}{cc}S=\{{\mathrm{F\ω}}_0{(t-\mathrm{\τ})e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+f_v)t}& {\mathrm{\Γ\ω}}_1(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+\mathrm{\Δf}+f_v)t}...\\ {\mathrm{\Γ\ω}}_m(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+m\·\mathrm{\Δf}+f_v)t}...& {\mathrm{\Γ\ω}}_{M-1}(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+(M-1)\mathrm{\Δf}+f_v)t}\},\end{array}$

其中，f_v为天线振子输出信号的载频，Γ为信号幅度值，τ为信号传播时延，ω_m(t-τ)为信号时延后的波形，m＝0,1,2…M-2,M-1；

所述聚合传输模块，用于对一级混频器的输出信号进行聚合，得到聚合信号S_aggr为： $S_{\mathrm{aggr}}=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ\ω}}_m(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_m+f_v)t}.$

作为优选，上述基于频率预编码的单通道阵列接收天线的每个频率跟踪器，包括二级振荡器，二级混频器和带通滤波器；

所述二级振荡生器，用于产生子载波F_cdeM，通过该子载波对模数转换器的输出信号频率调制，该F_cdeM＝F_cM，其中，F_cM为一级振荡器21产生的子载波。

所述二级混频器，用于将二级振荡器输出的子载波分别与模数转换器的输出信号进行混频，得到混频后的多路基带信号S_c为：

$S_c=\left[\begin{array}{ccccc}{S}_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}& ...& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{M-2}t}& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{M-1}t}\end{array}\right],$

其中，S_a为模数转换器的输出信号，m＝0,1,2…M-2,M-1。

所述带通滤波器，用于对二级混频器的输出信号进行带通滤波处理，从每个通道信号的多个载频信号波形中取出载频为零的信号波形，滤除掉载频不为零的信号波形，得到多路数字基带信号Y＝[β₁,…β_m,…,β_M-1]，其中，β_m为二级混频器的m通道输出信号经过带通滤波器处理得到的信号波形。

作为优选，上述基于频率预编码的单通道阵列接收天线的天线振子，采用M个大小相同的杆状金属管平行排列的结构，每个金属管的长度L＝k·λ，等间距固定在支撑架上，其中，λ为信号波长，k为系数，k＝1/4或k＝1/2。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明由于设有频率调制器，利用频率调制器对回波信号聚合单通道处理，极大地减少了多通道处理所需的电子器件，能够实现低成本/低剖面/低功率的阵列接收天线。

2、本发明由于设有频率跟踪器，利用频率跟踪器的正交解调处理，使得恢复出的各路接收信号之间互扰和互耦小、信噪比高，很好的解决了幅相一致性问题。

3、本发明由于设有频率调制器和频率跟踪器，利用频率调制器调制、频率跟踪器解调处理，提高了对宽带干扰、窄带干扰或多径干扰的抑制能力，能够较好的减少干扰对目标信号的影响。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中的天线振子结构图；

图3是本发明中三个天线天线振子的接收信号实部示意图；

图4是本发明中的频率调制器结构示意图；

图5是本发明中的频率跟踪器结构示意图；

图6是本发明频率调制器的输出信号示意图；

图7是本发明频率跟踪器的输出信号示意图；

图8是本发明仿真阵列天线布局及目标信息图；

图9是本发明与常规阵列天线回波信号的目标角度频谱对比示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明包括：天线振子1、频率调制器2、低噪放大器3、下变频器4、模数转换器5和频率跟踪器6。其中：M个频率调制器2连接在天线振子1的输出端与低噪放大器3的输入端之间，低噪放大器3的输出端与下变频器4的输入端连接，模数转换器5连接在下变频器4的输出端与M个频率跟踪器6的输入端之间，其中，M为天线振子数目。各部件的结构如下：

参照图2，所述天线振子1，由M个大小相同的杆状空心金属管组成，其中，M≥2，本实例取M＝10。这些金属管平行等间距排列，固定在丁字形支撑杆上；每个金属管的长度L＝k·λ，其中，λ为信号波长，k为系数，k＝1/4或k＝1/2，每个金属管的腔体内均连接有传感器单元，每个传感器单元的输出端与一个频率调制器2连接。整个天线振子1放置在无有遮挡的开阔的空间，其每个金属管的端口接收空域电磁波信号，该信号通过金属管传送到传感器单元，传感器单元将电磁波信号转换成电信号，电信号波形如图3所示，其中图3(a)与图3(c)为阵列天线两个边缘传感器输出的信号波形，图3(b)为阵列天线中心传感器输出的信号波形。

参照图4，每个频率调制器2，包括一级振荡器21、一级混频器22和聚合传输模块23；

该一级振荡器21，由第一晶体管G1、第一正反馈网络电路C1和第一选频网络电路S1组成，其中，第一正反馈网络电路C1和第一选频网络电路S1均采用电阻、电容、电抗搭建而成，第一正反馈网络电路C1的输出端与第一晶体管G1的输入端连接，通过第一正反馈网络电路C1输出的信号控制第一晶体管G1进行信号输出，第一晶体管G1的输出端与第一选频网络S1的输入端连接，通过第一选频电路S1对第一晶体管G1的输出信号进行子载波选取，并输出子载波F_cM到一级混频器22进行混频处理，该子载波F_cM为： $F_{\mathrm{cM}}=\left\{\begin{array}{cccccc}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}& ...& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{m}t}& ...& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{M-1}t}\end{array}\right\},$ 其中，f_m为子载波频率，f_m＝f_c+m·Δf，m＝0,1,2…M-2,M-1，M为天线振子数目，f_c为参考载频，Δf为子载频步进长度；

该一级混频器22，由第一电桥、电容、电阻、电抗构建而成，其输入端连接在一级振荡器21的输出端，通过一级振荡器21产生的子载波，使第一电桥处于导通或断开状态，用于对天线振子1的输出信号进行调制，得到调制后的信号为：

$\begin{array}{cc}S=\{{\mathrm{F\ω}}_0{(t-\mathrm{\τ})e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+f_v)t}& {\mathrm{\Γ\ω}}_0(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+\mathrm{\Δf}+f_v)t}...\\ {\mathrm{\Γ\ω}}_{m-1}(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+m\·\mathrm{\Δf}+f_v)t}...& {\mathrm{\Γ\ω}}_{M-1}(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+(M-1)\mathrm{\Δf}+f_v)t}\},\end{array}$

其中，f_v为天线振子输出信号的载频，Γ为信号幅度值，τ为信号传播时延，ω_m(t-τ)为信号时延后的波形，m＝0,1,2…M-2,M-1；

该聚合传输模块23，其输出端与低噪放大器3连接，该模块由逻辑电路B1和第二晶体管G2组成，其中逻辑电路B1采用电阻、电容、电抗搭建而成，通过控制逻辑电路B1输出的电流和电压，使第二晶体管G2处于导通或断开状态，以实现多路信号的选通聚合，聚合信号S_aggr为：其中，M≥2，本实例取M＝10，聚合信号波形如图6所示。

所述低噪放大器3，采用但不限于LMP7711型号的器件，频率调制器2输出的信号通过该低噪放大器3的放大处理，得到增益放大信号，该信号输出到下变频器4。

所述下变频器4，采用但不限于LTC5544型号的器件，低噪放大器3的输出信号通过下变频器4的混频处理，得到下变频信号，该信号输出到模数转换器5。

所述模数转换器5，采用但不限于AD10465型号的器件，下变频器的输出信号通过模数转换器5的量化编码处理，得到数字信号，该信号输出到频率跟踪器6。

参照图5，每个频率跟踪器6，包括二级振荡器、二级混频器62和带通滤波器；

该二级振荡器61，由第三晶体管G3、第二正反馈网络电路C2和第二选频网络电路S2组成，其中，第二正反馈网络电路C2和第二选频网络电路S2均采用电阻、电容、电抗搭建而成，第二正反馈网络电路C2的输出端与第三晶体管G3的输入端连接，通过第二正反馈网络电路C2输出的信号控制第三晶体管G3进行信号输出，第三晶体管G3的输出端与第二选频网络S2的输入端连接，通过第二选频电路S2对第三晶体管G3的输出信号进行子载波选取，并将子载波F_cdeM输出给二级混频器62进行混频处理，该子载波F_cdeM与一级振荡器21产生的子载波F_cM相同，即F_cdeM＝F_cM；

该二级混频器62，由第二电桥、电容、电阻、电抗构建而成，其输入端连接在二级振荡器61的输出端，通过二级振荡器产生的子载波，使第二电桥处于导通或断开状态，用于对模数转换器5的输出信号进行解调，得到解调后的信号为： $S_c=\left[\begin{array}{ccccc}{S}_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}& ...& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{M-2}t}& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{M-1}t}\end{array}\right],$ 其中，S_a为模数转换器5的输出信号，m＝0,1,2…M-2,M-1，M为天线振子数目。

带通滤波器，由电阻、电容、第四晶体管构建而成，其输入端连接在二级混频器62的输出端，用于对二级混频器62的输出信号进行带通滤波处理，从每个通道信号的多个载频信号波形中取出载频为零的信号波形，滤除掉载频不为零的信号波形，得到多路数字基带信号Y＝[β₁,…β_m,…,β_M-1]，其中，β_m为二级混频器62的m通道输出信号经过带通滤波器63处理得到的信号波形。本实例取M＝10，该多路基带信号波形如图7所示，其中图7(a)与图7(c)为两个边缘通道的输出信号波形，图7(b)为中心通道输出信号波形。

本发明的效果可通过以下仿真进一步验证。

1.实验场景：

本发明天线和常规阵列接收天线的位置坐标均设置为(0,0)km，阵列天线设有10个天线振子；仿真场景中共有2个目标，其中，目标1的角度信息设为-45°，目标2的角度信息设为+40°仿真阵列天线布局及目标信息图如图8所示。

2.实验内容及结果：

通过天线扫描范围为-90°～+90°的空域接收两个目标的反射信号。分别用常规阵列接收天线和本发明这两种天线的回波信号进行波束形成，得到目标角度功率谱图，如图9所示，其中图9中的虚线为常规阵列天线的目标角度功率谱，图9的实线为本发明的目标角度功率谱。

图9表明：本发明在结构简化、体积变小、器件减少、成本降低的情形下，对目标的角度测量能达到与常规阵列天线同样的精准，并能达到同样的测量分辨率。

Claims (3)

1.一种基于频率预编码的单通道阵列接收天线，包括：天线振子(1)、低噪放大器(3)、下变频器(4)、模数转换器(5)，其特征在于：

天线振子(1)与低噪放大器(3)之间连接有M个频率调制器(2)，用于产生正交子载波，将天线振子(1)输出的信号进行频率调制，并对调制后的信号进行正交聚合处理，其中，M为天线振子数目；

模数转换器(5)，其输出端连接有M个频率跟踪器(6)，用于产生正交子载波，对模数转换器(5)输出的单通道信号进行解调处理，恢复得到多路数字基带信号；

每个频率调制器(2)，包括一级振荡器(21)、一级混频器(22)和聚合传输模块(23)；

所述一级振荡器(21)，用于产生子载波F_cM，通过该子载波对天线振子(1)的输出信号频率调制，该载波 $F_{\mathrm{cM}}=\left\{\begin{array}{cccccc}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}& \·\·\·& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{m}t}& \·\·\·& e^{j2\mathrm{\π}{f}_{M-1}t}\end{array}\right\},$ 其中，f_m为子载波频率，f_m＝f_c+m·Δf，m＝0,1,2…M-2,M-1，M为天线振子数目，f_c为参考载频，Δf为子载频步进长度，F_cM为一级振荡器(21)产生的子载波；

所述一级混频器(22)，用于对天线振子(1)的输出信号进行调制，得到调制后的信号S为：

$\begin{array}{cc}S=\{{\mathrm{\Γ\ω}}_0(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+f_v)t}& {\mathrm{\Γ\ω}}_0(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+\mathrm{\Δf}+f_v)t}\·\·\·\\ {\mathrm{\Γ\ω}}_{m-1}(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+m\·\mathrm{\Δf}+f_v)t}\·\·\·& {\mathrm{\Γ\ω}}_{M-1}(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_c+(M-1)\mathrm{\Δf}+f_v)t}\},\end{array}$

其中，f_v为天线振子(1)输出信号的载频，Γ为信号幅度值，τ为信号传播时延，ω_m(t-τ)为信号时延后的波形，m＝0,1,2…M-2,M-1；

所述聚合传输模块(23)，用于对一级混频器(22)的输出信号进行聚合，得到聚合信号S_aggr为： $S_{\mathrm{agger}}=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ\ω}}_m(t-\mathrm{\τ})e^{j2\mathrm{\π}(f_m+f_v)t}.$

2.根据权利要求1所述的基于频率预编码的单通道阵列接收天线，其特征在于，每个频率跟踪器(6)，包括二级振荡器(61)，二级混频器(62)和带通滤波器(63)；

所述二级振荡生器(61)，用于产生子载波F_cdeM，通过该子载波对模数转换器(5)的输出信号频率调制，该F_cdeM＝F_cM，其中，F_cM为一级振荡器21产生的子载波；

所述二级混频器(62)，用于将二级振荡器(61)输出的子载波分别与模数转换器(5)的输出信号进行混频，得到混频后的多路基带信号S_c为：

$S_c=\left[\begin{array}{ccccc}{S}_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}& \·\·\·& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{M-2}t}& S_a{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_{M-1}t}\end{array}\right],$

其中，S_a为模数转换器(5)的输出信号，m＝0,1,2…M-2,M-1；

所述带通滤波器(63)，用于对二级混频器(62)的输出信号进行带通滤波处理，从每个通道信号的多个载频信号波形中取出载频为零的信号波形，滤除掉载频不为零的信号波形，得到多路数字基带信号Y＝[β₁,…β_m,…,β_M-1]，其中，β_m为二级混频器(62)的m通道输出信号经过带通滤波器(63)处理得到的信号波形。

3.根据权利要求1所述的基于频率预编码的单通道阵列接收天线，其特征在于，所述的天线振子(1)，采用M个大小相同的杆状金属管平行排列的结构，每个金属管的长度L＝k·λ，等间距固定在支撑架上，其中，λ为信号波长，k为系数，k＝1/4或k＝1/2。