CN104144008B - 一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射装置，其基本结构包括由8个天线单元组成的天线阵、8路0/180度相位选择开关、时钟及驱动电路、现场可编程门阵列FPGA单元和直接数字频率合成DDS电路。本发明利用四维天线阵和单一DDS支路，产生和发射频率等间距分布在中心频率附近的多载频信号。通过控制射频开关的切换，对每一天线单元信号进行时间调制，同时综合各个边带方向图，向特定方向发射多载频信号。选用0/180度相位选择开关代替传统四维天线阵中的吸收式开关，大大提高了阵列馈电网络效率。本发明采用单频信号源发射多载频信号，降低了系统复杂度,可以广泛用于多输入多输出雷达、隐蔽通信等领域。

Description

一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射装置

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，涉及阵列信号处理，具体来说是一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射方法，可用于雷达、通信领域要求向特定方向发射多载频信号的场合。

背景技术

1959年，美国休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)的Shanks和Bickmore等人在空间三维变化的常规天线阵上引入时间维，初次提出了四维天线阵。1963年，美国空军实验室的Kummer等人首次将时间调制技术应用一个八元开槽波导阵列中，实现了-39.5dB的超低副瓣电平。四维天线阵对发射信号进行时间调制，在中心频率之外产生谐波，称这一现象想为边带效应。近年来，欧洲、亚洲等地的学者展开了对四维天线阵的研究，除了发挥出其在低副瓣等性能优势外，还可以利用四维天线阵的不同边带信号实现同时多波束扫描、脉冲多普勒雷达、单脉冲测向等功能。四维天线阵作为一种新型阵列形式，在雷达和通信领域有着十分广阔的应用前景，挖掘其边带效应的应用潜力也是四维天线阵研究的重要发展方向。

2003年，美国林肯实验室(Lincoln Laboratory)提出了MIMO雷达的概念，其采用一系列正交波形进行发射，同时多波束接收，在弱目标和低速目标探测上具有巨大优势，国内外多家研究机构展开了对其各方面性能的研究。其特征是利用在阵列元件的信号之间的独立性，使得每个波形观测目标的不同方面特性。目前，我国正在开展MIMO雷达的理论研究和实验平台研究，为了实现波形正交捷变的MIMO雷达发射信号，正交波形的设计和优化成为MIMO雷达的重要研究课题。正交频分线性调频信号作为MIMO雷达应用最广泛的发射波形之一，设计产生它的硬件显得十分必要。传统产生多载频信号的方法是利用直接数字合成(DDS)，每一路通道需要一套DDS子系统，由于分离元件过多，存在系统复杂度高，发射信号一致性难以控制的问题。因此，寻求一种新的多载频信号发射方法具有重要意义。

本专利基于前人在四维天线阵方面和多载频信号发射方法方面的研究工作，提出了一种基于四维天线阵的多载频信号发射装置。本发明对四维天线阵开关结构做了相应改进，使用0度/180度相位选择开关大大降低了以往采用通断式开关造成的功率损失，提高了边带辐射功率。并且在发射多载频信号方法上进行了创新，与传统产生N个载频就需要N条DDS支路的多载频信号产生方法不同，根据时间调制在中心频带附近产生的等频率间隔谐波的性质，通过合理设计开关时序，将单一载频的线性调频信号频谱扩展成为正交多载频线性调频信号。本发明可以利用单一DDS支路结合四维天线阵，产生和发射频率等间距分布在中心频率附近的多载频信号。最大的创新在于利用四维天线阵的边带效应扩展原信号频谱，在中心频率附近产生等频率间隔的谐波，通过合理设计控制射频开关的时间序列对每一天线单元信号进行时间调制，同时综合各个边带方向图，朝特定方向发射多载频信号。所提出的方法利用四维天线阵边带效应和单一DDS子系统发射多载频信号，大大降低了系统复杂度，提高了发射信号一致性，实现了系统的一体化和小型化。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景，目的在于对现有技术在应用中存在的问题加以研究和解决，提出了一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射装置及其方法,利用单一载频信号源与四维天线阵列信号产生多载频线性调频信号，结合DDS产生线性调频信号和四维天线阵的优势解决了传统数字频率源在多载频情况下由于分离元件过多，一致性难以控制，每一载频信号需要一块芯片及其放大电路，造价高等问题。

本发明的基本技术方案是：

该装置主要包括8单元均匀直线阵列、功分器、射频开关电路、现场可编程门阵列FPGA单元和时间同步装置。其中FPGA单元包括：计算机接口通信模块、射频开关时序控制模块、DDS核心控制模块。FPGA电路板主要完成两项功能，一是控制所有的0度/180度相位选择开关；二是控制DDS芯片产生线性调频信号时序。每个0度/180度相位选择开关控制一个天线单元通道，在调制周期内，每一时刻选择导通或者断开。这种周期性的通断会对发射信号进行时间调制，在中心频率附近产生等频率间隔的载频。通过合理设计开关通断时间序列可以实现天线单元在各个载波频率上的幅度和相位加权，从而向特定方向发射多载频信号。DDS芯片能够方便地产生稳定的线性调频信号，通过合理设计线性调频信号的脉冲宽度满足四维天线阵的发射条件就可以利用单信号源发射多载频信号。

利用上述方法产生正交多载频线性调频信号的过程如下：

1)根据所需发射信号的要求，设置线性调频信号的波形参数和四维天线阵的时间调制频率，利用计算机优化并得到四维天线阵工作的最优时序；

2)将信号波形参数和四维天线阵时序经由计算机接口通信电路传送给FPGA单元进行保存和处理，并产生对DDS的线性调频信号控制时序，控制DDS输出线性调频信号；

3)射频开关控制电路按预设时序对输出的线性调频信号在每一天线单元进行时间调制，每一天线单元的发射信号在空间中叠加，形成多载频信号输出。

本发明的创新在于使用了四维天线阵的边带效应与直接数字频率合成相结合，采用单频信号源发射多载频信号。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)采用单个信号源，易同步，产生的多载频信号相位噪声从原理上与源信号具有相同的稳定性，一致性好；

2)控制开关通断时序进行等效幅度相位加权，在降低系统复杂度的前提下，天线性能并不会受到明显影响；

3)本多载频信号发射方法基于阵列天线技术，通过空间功率合成，可以增加阵元数量来提高发射功率。

本发明的特点是采用单个线性调频信号源作为馈源，有效地减少了DDS芯片及放大器的数量，进而降低了系统复杂度，达到多载频信号发射系统小型化的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射装置的结构图，其中1是0度/180度相位选择开关，2是天线单元。

图2为本发明中0度/180度相位选择开关结构图，其中11是0度相位延迟线，12是180度相位延迟线，13是开关控制线，14是单刀双掷开关。

图3为一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射装置流程图。

图4为一种8单元发射装置的四维天线阵列结构图。

图5为一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射装置的开关时序图，其中阴影部分表示开关导通时间，空白部分表示断开时间。

图6为本发明在中心频率和正负第一到第四边带方向图(正负边带方向图重合)。

具体实施方案

参照图3，本发明发射多载频信号的过程如下：

1)根据所需发射信号的要求，设置线性调频信号的波形参数和四维天线阵的时间调制频率。该波形参数包括线性调频信号的起始频率、初始相位、调频斜率、脉冲重复周期等。该时间调制频率是指四维天线阵开关周期性通断的重复频率。其中发射脉冲宽度为T，时间调制周期为Tp，则DDS产生信号可表示为：

其中f₀为载频，μ为调频斜率，为初始相位,U_k(t)为第k个单元的开关控制函数，

为第k个单元的归一化导通/断开时刻，调频带宽为B＝μT，工作频率为f₀-B/2到f₀+B/2；

2)优化四维天线阵时序，预先采用优化算法对时序进行优化，求得最佳值；

3)传送参数，即由计算机接口通信电路将波形和四维天线阵时序传送给FPGA；

4)接收、保存和处理参数，即由FPGA单元的计算及接口模块将其接收后保存；

5)FPGA产生控制时序，控制单个DDS单元产生线性调频信号，并经过差分放大，低通滤波和功率放大后输出到功分器；

6)功分器每一路信号连接射频开关，射频开关按预设时序控制该路的通断。通过时钟控制使开关通断的时刻与信号产生的时刻同步；

7)射频开关按预设时序对该路的线性调频信号进行时间调制，每一路信号经过时间调制扩展了频谱，并向天线单元输入；

8)天线单元将时间调制后的信号发射，每一天线单元的发射信号在空间中叠加，形成多载频信号输出，其发射信号如下：

实施例：基于8单元的四维天线阵多载频信号发射装置及其方法

参照图4，本实施例中采用8个半波长等间距分布的全向性阵列单元构成四维天线阵。该阵列天线主要包括8个天线单元、8路0度/180度相位选择开关、1分8功分器、FPGA电路板、同步器和信号源。所有的开关由FPGA电路板控制。

通过采用优化算法优化0度/180度相位选择开关的相位选择时序，可以在等幅同相馈电的情况下实现向侧射方向发射多载频信号，图5是采用优化算法优化得出的各个单元的控制时序，其中黑色阴影部分表示开关处于导通状态，空白部分表示开关处于断开状态。图6为工作在多载频信号发射状态的四维天线阵在一个时间调制周期内在中心频率和正负四个边带的方向图。可见，中心频带和正负第一边带的方向图重合，正负第二边带他们的峰值电平相差4dB，正负第三边带几更高阶的边带电平在-13dB以下。因此，在此状态下，可以利用8单元直线阵发射3个等幅等频率间隔的多载频信号(中心频带和正负第一边带共三个通道)或发射5个幅度相差4dB以内的等频率间隔载频的多载频信号(中心频带和正负两个边带共五个通道)。由于每个时刻每个天线单元都在工作，开关仅改变了发射信号的相位，该阵列天线的瞬态方向性系数为1，辐射效率大大提高。产生的信号可以应用在频率分集的多输入多输出雷达系统中，作为发射波形对弱目标和低速目标探测上的巨大潜力。以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (1)

1.一种基于四维天线阵的正交多载频信号发射装置，其基本结构包括由8个天线单元组成的天线阵列、8路0度/180度相位选择开关、时钟及驱动电路、现场可编程门阵列FPGA单元和直接数字频率合成DDS电路；该装置采用一片FPGA单元控制一个DDS单元和多个射频开关电路，该射频开关是指0度/180度相位选择开关；DDS单元用于产生线性调频信号，在经过放大和滤波后由功分器分为等幅同相的多路信号，多路信号的每一路接入射频开关，之后接入一个天线单元；多个射频开关按照预设的时间序列进行周期性通断；其特征在于利用单一DDS支路结合四维天线阵在中心频率附近等频率间隔分布谐波的边带特性，产生多载频信号；通过优化算法设计控制射频开关的时间序列，同时综合多个边带方向图，令这些边带指向同一方向，由此朝特定方向发射多载频信号。