CN105048108B - 时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵 - Google Patents

时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时间调制范阿塔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、一个开关控制电路、N根等长传输线、2N个移相器、一个2N路功率合成器和一个接收机，其中N为正整数，开关控制电路控制所有单刀三掷开关的周期性通断。本发明采用时间调制技术实现天线单元的幅度加权降低了回溯远场的副瓣电平，具有精度高、成本低等优点；此外，本发明减小了多个阵列天线对天线空间的要求，实现了天线系统的多功能化、小型化和智能化。

Description

时间调制范阿塔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，特别是一种时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵。
背景技术
随着现代电子技术以及无线电子系统的迅速发展，多功能、高性能、低成本、小型化的天线系统成为人们关注和研究的热点。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中引入时间维，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，从而简化了馈电网络结构以及降低了馈电复杂度。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。
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。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，以实现相位共轭。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。方向回溯阵列天线具有较高的跟踪速度和较低的花费，对其研究主要集中在多功能方向回溯体系结构、相位共轭电路的实现、抗干扰、应用领域等。
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时间调制范阿塔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：
一种时间调制范阿塔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、一个开关控制电路、N根等长传输线、2N个移相器、一个2N路功率合成器和一个接收机，其中N为正整数；
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，每个天线单元与一个对应的单刀三掷开关相连，每个单刀三掷开关的第一导通通道与一个移相器相连，所有移相器与一个2N路功率合成器相连，该2N路功率合成器与接收机相连，关于阵列中心对称的两个单刀三掷开关的第二导通通道通过等长传输线相连；所述开关控制电路与单刀三掷开关相连，控制所有单刀三掷开关的周期性通断；
所述时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵为单频时间调制、单频范阿塔和单频时间调制范阿塔三功能可重构共孔径天线阵；当工作在单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；当工作在单频范阿塔天线阵模式时，所有单刀三掷开关的第二导通通道处于导通状态；当工作在单频时间调制范阿塔天线阵模式时，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，其所有互连天线单元对的工作时间序列一致
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范阿塔方向回溯技术实现单频三功能可重构共孔径天线阵，减小了多个阵列天线对天线空间的要求，实现了天线系统的多功能化、小型化和智能化；
(2)本发明用一个天线阵实现了单频时间调制天线阵、单频范阿塔天线阵和单频时间调制范阿塔天线阵三种功能，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的优点；
(3)本发明中的单频时间调制范阿塔天线阵采用时间调制技术实现天线单元幅度加权，降低了回溯远场方向图的副瓣电平，且具有精度高、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵结构图。
图2为本发明实施例中的单频时间调制、范阿塔和时间调制范阿塔三功能可重构共孔径天线阵结构图。
图3为图2所示实施例中的开关时序图。
图4为图2所示实施例中工作在时间调制天线阵模式时基于时间系列I的归一化方向图。
图5为图2所示实施例中分别工作在范阿塔天线阵模式时和时间调制范阿塔天线阵模式时的双站方向图。
具体实施方式
结合图1，一种时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，包括2N个天线单元1、2N个单刀三掷开关2、一个开关控制电路3、N根等长传输线4、2N个移相器5、一个2N路功率合成器6和一个接收机7，其中N为正整数；
单刀三掷开关2包括第一导通通道on1、第二导通通道on2和断开通道off，每个天线单元1与一个对应的单刀三掷开关2相连，每个单刀三掷开关2的第一导通通道on1与一个移相器5相连，所有移相器5与一个2N路功率合成器6相连，该2N路功率合成器6与接收机7相连，关于阵列中心对称的两个单刀三掷开关2的第二导通通道on2通过等长传输线4相连；所述开关控制电路3与单刀三掷开关2相连，控制所有单刀三掷开关2的周期性通断；
所述时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵为单频时间调制、单频范阿塔和单频时间调制范阿塔三功能可重构共孔径天线阵；当工作在单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；当工作在单频范阿塔天线阵模式时，所有单刀三掷开关的第二导通通道处于导通状态；当工作在单频时间调制范阿塔天线阵模式时，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，其所有互连天线单元对的工作时间序列一致。
所述开关控制电路的时间调制周期为Tp，fp＝1/Tp，满足fp<<fRF，fRF为天线单元的中心频率。
所述开关控制电路3为CPLD电路或FPGA电路。
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2，时间调制范阿塔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、两个等长传输线4、四个移相器5、一个四路功率合成器6、一个接收机7等器件组成。
天线单元1为工作在中心频率fRF＝5GHz的微带贴片，四个天线单元1间的间距为d＝0.5λ,其中λ＝c/fRF,c为光速，时间调制周期为Tp＝100KHz。下表为本实施例的工作原理
tn和τn为第n个天线单元的归一化导通时刻和归一化导通持续时间，因此，当工作在范阿塔天线阵模式时，回溯远场为
其中为等长传输线的相位延迟，β＝2π/λ为自由空间相位波数，θi和θr分别为来波信号方向和回溯信号方向；当工作在时间调制范阿塔天线阵模式时，回溯远场为
Un(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τn，则上式中的回溯远场在中心频率fRF为
此外，时间调制范阿塔天线阵产生的谐波场分量由滤波器滤除。图3给出了基于该阵列天线的一种开关时序图(时间序列I)。图4为工作在时间调制天线阵模式时基于时间序列I在中心频率fRF的归一化方向图，副瓣电平为-22.96dB。图5给出了在来波信号fRF＝5GHz、θi＝20°工作在范阿塔天线阵模式时的双站方向图，其副瓣电平为-11.06dB；而当工作在时间调制范阿塔天线阵模式时并采用时间序列I，得到的双站方向图的副瓣电平为-17.89dB如图5所示。因此，时间调制范阿塔天线阵通过采用时间加权的方式实现了比传统范阿塔天线阵更低的副瓣电平。
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 (3)

1.一种时间调制范阿塔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(1)、2N个单刀三掷开关(2)、一个开关控制电路(3)、N根等长传输线(4)、2N个移相器(5)、一个2N路功率合成器(6)和一个接收机(7)，其中N为正整数；
单刀三掷开关(2)包括第一导通通道(on1)、第二导通通道(on2)和断开通道(off)，每个天线单元(1)与一个对应的单刀三掷开关(2)相连，每个单刀三掷开关(2)的第一导通通道(on1)与一个移相器(5)相连，所有移相器(5)与一个2N路功率合成器(6)相连，该2N路功率合成器(6)与接收机(7)相连，关于阵列中心对称的两个单刀三掷开关(2)的第二导通通道(on2)通过等长传输线(4)相连；所述开关控制电路(3)与单刀三掷开关(2)相连，控制所有单刀三掷开关(2)的周期性通断；
所述时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵为单频时间调制、单频范阿塔和单频时间调制范阿塔三功能可重构共孔径天线阵；当工作在单频时间调制天线阵模式时，所有单刀三掷开关(2)的第一导通通道(on1)与断开通道(off)处于周期性通断状态；当工作在单频范阿塔天线阵模式时，所有单刀三掷开关(2)的第二导通通道(on2)处于导通状态；当工作在单频时间调制范阿塔天线阵模式时，所有单刀三掷开关(2)的第二导通通道(on2)与断开通道(off)处于周期性通断状态，其所有互连天线单元对的工作时间序列一致。
2.根据权利要求1所述的时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，其特征在于，当工作在单频时间调制天线阵模式时，所述天线单元(1)的开关控制函数为其中，Tp为所述开关控制电路(3)的时间调制周期，tn和τn分别为所述第n个单刀三掷开关(2)第一导通通道(on1)的归一化导通时刻和归一化导通持续时间，且tn和τn分别满足0≤tn≤1和0≤τn≤1；
当工作在单频范阿塔天线阵模式时，所述天线单元(1)的开关控制函数为其中，Tp为所述开关控制电路(3)的时间调制周期，tn和τn分别为所述第n个单刀三掷开关(2)第二导通通道(on2)的归一化导通时刻和归一化导通持续时间，且tn和τn分别满足tn＝0和τn＝1；
当工作在单频时间调制范阿塔天线阵模式时，所述天线单元(1)的开关控制函数为其中，Tp为所述开关控制电路(3)的时间调制周期，tn和τn分别为所述第n个单刀三掷开关(2)第二导通通道(on2)的归一化导通时刻和归一化导通持续时间，且tn和τn满足tn＝t2N-n+1、0≤tn≤1、τn＝τ2N-n+1和0≤τn≤1。
3.根据权利要求1所述的时间调制范阿塔方向回溯三功能可重构共孔径天线阵，其特征在于，所述开关控制电路(3)的时间调制周期为Tp，时间调制频率为fp＝1/Tp，满足fp＜＜fRF，fRF为天线单元的中心频率。
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