CN105048106B

CN105048106B - 双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵

Info

Publication number: CN105048106B
Application number: CN201510375242.3A
Authority: CN
Inventors: 姚阿敏; 吴文; 方大纲
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: CN105048106A

Abstract

本发明公开了一种双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，包括2N个天线单元、2N个单刀三掷开关、个三通道选择器、2N个移相器、2N个相位共轭混频器、一个2N路功率合成器、一个2N路功率分配器、接收机、本振源和开关控制电路，其中N为正整数；通过开关控制电路控制所有单刀三掷开关的周期性通断，实现双频时间调制、方向回溯和时间调制方向回溯三种天线阵模式。本发明具有高性能、高精度和低成本等特点，不但减小了多个阵列天线对天线空间的要求，而且满足了阵列天线双频工作的需求，实现了天线系统的双频化、多功能化、小型化和智能化。

Description

双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别是一种双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵。

背景技术

时间调制天线是一种基于时间调制技术的四维天线。时间调制阵列天线是指在常规三维阵列天线设计中引入时间变量，通过接入阵元中的高速射频开关按照预定的开关工作时序去控制每一个天线单元的工作状态，使天线阵的口径尺寸随时间变化，即具有时间调制特性，从而增加了天线阵设计的自由度。时间调制天线阵将空间阵元的幅度和相位加权通过时间加权的方式实现，简化了馈电网络结构以及降低了馈电复杂度，此外，对时间的控制更加简单方便且精确度高。近年来，国内外学者展开了对时间调制天线阵的广泛研究，一方面研究采用新颖的时间序列和改进的优化算法来抑制边带效应实现低副瓣方向图综合，另一方面研究利用时间调制天线阵的多边带特性实现波束扫描、自适应波束形成、以及单脉冲测向等功能。时间调制天线阵由于引入了新的设计自由度—时间维，使其在现代无线系统中有着广泛的应用前景。

方向回溯天线是一种具有自跟踪波束扫描特性的智能天线，它能够自动跟踪来波方向，而不需要来波方向的先验知识和复杂的数字信号处理算法。方向回溯阵列的两种主要实现方式为范阿塔(Van Atta)天线阵和相位共轭天线阵。范阿塔天线阵由成对的阵列单元组成，单元天线关于几何中心对称排列，天线单元对用等长的传输线连接。范阿塔天线阵是基于相位梯度反转思想而来的，即天线单元接收的信号是由其成对的天线单元重新发射出去，由于没有依赖频率的元件且连接的传输线等长，使得它可以在很宽的频带范围内达到方向回溯特性，其主要的带宽限制是天线单元带宽。范阿塔天线阵设计简单且经济成本低，但只适用于平面入射波和平面结构情况。相位共轭天线阵利用外差混频的技术来完成相位共轭从而实现方向回溯功能，其相位共轭技术是波前重构，每个天线单元单独实现相位共轭而不依赖于天线对，这一特点使其适用于非平面入射波和非平面结构情况。此外，这种天线阵由于混频器的引入，可以对来波信号进行调制。方向回溯阵列天线由于其高增益、自动波束跟踪、多径抑制、多目标跟踪等方面的优越性能以及优异的性价比，使其在现代无线系统中有着广泛的应用前景。

由上可知，现有天线系统只能实现时间调制或者方向回溯单一功能，无法在同一天线阵列中实现时间调制、方向回溯和时间调制方向回溯三功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，包括2N个天线单元、2N个单刀三掷开关、个三通道选择器、2N个移相器、2N个相位共轭混频器、一个2N路功率合成器、一个2N路功率分配器、接收机、本振源和开关控制电路，其中N为正整数；

每个天线单元与一个对应的单刀三掷开关相连，每个单刀三掷开关包括第一导通通道、第二导通通道和断开通道，所述开关控制电路与所有的单刀三掷开关相连，控制单刀三掷开关的周期性通断；每个单刀三掷开关的第一导通通道与一个对应的移相器相连，2N个移相器与一个2N路功率合成器相连，所述2N路功率合成器与接收机相连；

当N＝1，两个单刀三掷开关的第二导通通道与三通道选择器的两个输入端相连，三通道选择器的两个输出端分别与两个相位共轭混频器相连，两个相位共轭混频器均与二路功率分配器相连，所述二路功率分配器与本振源相连；

当N≥2，个三通道选择器为N层排列，第1～N层的三通道选择器数量分别为1～N个，相邻两层的较上一层三通道选择器的两个输出端分别与较下一层两个不同的三通道选择器的输入端相连，每层三通道选择器空出的两个输入端分别与两个单刀三掷开关的第二导通通道相连，第N层三通道选择器的2N个输出端分别与2N个相位共轭混频器相连，2N个相位共轭混频器均与2N路功率分配器相连，所述2N路功率分配器与本振源相连；

所述双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵为双频时间调制、双频方向回溯和双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵；当工作在双频时间调制天线阵模式时，所有单刀三掷开关的第一导通通道与断开通道处于周期性通断状态；当工作在双频方向回溯天线阵模式时，所有单刀三掷开关的第二导通通道处于导通状态；当工作在双频时间调制方向回溯天线阵模式时，所有单刀三掷开关的第二导通通道与断开通道处于周期性通断状态。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明用时间调制技术和方向回溯技术实现了一种双频三功能可重构共孔径天线阵，满足了双频工作的要求且减小了多个阵列天线对天线空间的要求，实现了天线系统的双频化、多功能化、小型化和智能化；

(2)本发明用一个天线阵实现了双频时间调制天线阵、双频方向回溯天线阵和双频时间调制方向回溯天线阵三种功能，通过控制时间序列实现阵列天线在这三种功能之间自由切换，具有重构简单、复杂度低和精确度高等优点；

(3)本发明中的双频时间调制方向回溯天线阵采用时间调制技术实现天线单元的幅度加权，得到了低副瓣回溯远场，具有高性能、高精度和低成本等特点。

附图说明

图1为本发明实施例的双频时间调制、方向回溯和时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵的结构图。

图2为实施例中三通道选择器在频率f_RF1和f_RF2的传输原理图。

图3为实施例中工作在频率f_RF1和f_RF2时间调制天线阵的原理图。

图4为实施例中工作在频率f_RF1时的相位关系图，其中(θ₁,θ₂,θ₃)表示相位补偿线段的不同电长度，k_MH＝f_RF1/f_RF2。

图5为实施例中工作在频率f_RF2时的相位关系图，其中(θ₁,θ₂,θ₃)表示相位补偿线段的不同电长度。

图6为实施例中的一种开关时序图，其中黑色阴影部分表示开关处于导通状态。

图7为实施例中工作在双频时间调制天线阵模式时的归一化方向图。

图8为实施例中工作在双频方向回溯天线阵模式时的双站方向图。

图9为实施例中工作在双频时间调制方向回溯天线阵模式时的双站方向图。

具体实施方式

本发明的一种双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，包括2N个天线单元、2N个单刀三掷开关、个三通道选择器、2N个移相器、2N个相位共轭混频器、一个2N路功率合成器、一个2N路功率分配器、接收机、本振源和开关控制电路，其中N为正整数；

每个天线单元与一个对应的单刀三掷开关相连，每个单刀三掷开关包括第一导通通道on1、第二导通通道on2和断开通道off，所述开关控制电路与所有的单刀三掷开关相连，控制单刀三掷开关的周期性通断，其中开关控制电路为CPLD电路或FPGA电路；每个单刀三掷开关的第一导通通道与一个对应的移相器相连，2N个移相器与一个2N路功率合成器相连，所述2N路功率合成器与接收机相连；

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

结合图1，一种双频时间调制、方向回溯和时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，由四个天线单元1、四个单刀三掷开关2、一个开关控制电路3、三个三通道选择器4、四个移相器5、四个相位共轭混频器6、一个四路功率合成器7、一个四路功率分配器8、一个接收机9和一个本振源10器件组成；

单刀三掷开关包含第一导通通道on1、第二导通通道on2和断开通道off；四个天线单元与四个单刀三掷开关相连；四个单刀三掷开关的第一导通通道on1与四个移相器相连，四个移相器与一个四路功率合成器相连，该四路功率合成器与接收机相连；阵列中间两个单刀三掷开关的第二导通通道与一个三通道选择器的两个输入端相连，该三通道选择器的两个输出端与两个三通道选择器的一个输入端相连，两个三通道选择器的另一个输入端与阵列外面两个单刀三掷开关的第二导通通道on2相连，两个三通道选择器的四个输出端与四个相位共轭混频器相连，四个相位共轭混频器与一个四路功率分配器相连，该四路功率分配器与本振源相连；开关控制电路控制所有单刀三掷开关的周期性通断。本实施工作在中心频率f_RF1＝3.55GHz和f_RF2＝1.85GHz，时间调制周期为T_p＝100KHz。天线单元1采用宽带八木天线。

如图2所示，三通道选择器4为一个四端口器件在中心频率f_RF1和f_RF2具有不同的传输特性(参见文献1：C.-H.Lai,C.-Y.Shiau,and T.-G.Ma,“Microwave three-channelselector using tri-mode synthesized transmission lines,”IEEETrans.Microw.Theory Techn.,vol.61,no.10,pp.3529-3540,Oct.2013)：当工作在中心频率f_RF1，它等同于一对串行的50Ω延迟线(电长度为θ_ΤΗ＝-21°)；当工作在中心频率f_RF2，它等同于一对并行的50Ω延迟线(电长度为θ_ΤΜ＝102.4°)。此外，三通道选择器4在中心频率0.7GHz等同于传统的交叉器，在本发明中并未用到该工作频率的传输特性。

图3给出了工作在双频时间调制天线阵的原理图，图4和图5分别给出了工作在中心频率f_RF1和f_RF2时的相位关系图，其中(θ₁,θ₂,θ₃)表示相位补偿线段的不同电长度，所用补偿线段在中心频率f_RF2时的特征阻抗为50Ω。下表为本实施例的工作原理：

t_n和τ_n为归一化导通时刻和归一化导通持续时间，因此，当工作在双频方向回溯天线阵时，回溯远场分别为

其中，β₁＝2πf_RF1/c，β₂＝2πf_RF2/c，c为光速，d天线单元1间的间距，θ_i和θ_r为来波信号方向和回溯信号方向。当工作在双频时间调制方向回溯天线阵模式时，回溯远场分别为

U_n(t)是周期时间调制信号函数，由傅里叶级数可知其存在一个直流分量τ_n，则回溯远场在中心频率f_RF1和f_RF2可表示为

此外，双频时间调制方向回溯天线阵产生的谐波场分量由滤波器滤除。图6给出了一种开关时序图，图7为本发明基于该时间序列工作在双频时间调制天线阵模式时计算得到的归一化方向图，副瓣电平为-24.57dB；图8为本发明在来波入射方向20°工作在双频方向回溯天线阵模式时计算得到的双站方向图，其副瓣电平为-11.17dB；图9为本发明在来波入射方向20°工作在双频时间调制方向回溯天线阵模式时基于图6中时间序列计算得到的双站方向图，其副瓣电平为-19.34dB。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制；工程技术人员可根据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以根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

1.一种双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，其特征在于，包括2N个天线单元、2N个单刀三掷开关、个三通道选择器、2N个移相器、2N个相位共轭混频器、一个2N路功率合成器、一个2N路功率分配器、接收机、本振源和开关控制电路，其中N为正整数；

2.根据权利要求1所述的双频时间调制方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，其特征在于，当工作在双频时间调制天线阵模式时，工作频率为f_RF1,f_RF2，所述天线单元的开关控制函数为其中，T_p为所述开关控制电路的时间调制周期，t_n和τ_n分别为所述第n个单刀三掷开关第一导通通道的归一化导通时刻和归一化导通持续时间，且t_n和τ_n满足0≤t_n≤1和0≤τ_n≤1；

当工作在双频方向回溯天线阵时，相位共轭天线阵的工作频率为f_RF1，范阿塔天线阵的工作频率为f_RF2，所述天线单元的开关控制函数为其中，T_p为所述开关控制电路的时间调制周期，t_n和τ_n分别为所述第n个单刀三掷开关第二导通通道的归一化导通时刻和归一化导通持续时间，且t_n和τ_n满足t_n＝0和τ_n＝1；

当工作在双频时间调制方向回溯天线阵时，时间调制相位共轭天线阵的工作频率为f_RF1，时间调制范阿塔天线阵的工作频率为f_RF2，所述天线单元的开关控制函数为其中，T_p为所述开关控制电路的时间调制周期，t_n和τ_n分别为所述第n个单刀三掷开关第二导通通道的归一化导通时刻和归一化导通持续时间，且t_n和τ_n满足t_n＝t_2N-n+1、0≤t_n≤1、τ_n＝τ_2N-n+1和0≤τ_n≤1。