CN105048109B - 基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵，包括多个天线单元、与天线单元对应设置的单刀三掷开关、开关控制电路、第一整数倍半波长传输线网络、第二整数倍半波长传输线网络、第一相位共轭混频器、第二相位共轭混频器、第一本振源和第二本振源。本发明基于时间调制技术用一个天线阵实现方向回溯天线阵和自调零天线阵两个天线阵的功能，即通过控制天线阵列中每个天线单元的工作时间序列来同时实现自跟踪波束扫描和自跟踪零陷扫描；利用本发明中的方向回溯天线阵和自调零天线阵接收用户来波询问信号，然后同时发射数据和干扰虚假数据，其回溯信号的数据将不会被其他方向上的用户窃取，实现了安全可靠的回溯通信链路。

Description

基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别是一种基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径阵列天线。
背景技术
随着通信技术的迅速发展，方向回溯天线作为一种新型智能天线得到了高度重视。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。具有抗干扰能力的方向回溯天线系统通过建立安全可靠的回溯通信链路实现传输数据不被其他用户窃取，这一特征使其在现代移动通信系统中具有广泛的应用价值。
然而，目前具有抗干扰能力的方向回溯天线系统需要两个镶嵌的天线子阵，一个天线子阵用于实现自跟踪波束扫描功能，另一个天线子阵用于实现自跟踪零陷扫描功能，增加了系统成本和复杂度，而且天线子阵间存在相互干扰和互耦影响。此外，现有的方向回溯天线系统硬件需求比较高，比如需要与阵元个数一样多的相位共轭混频器(见文献1：R.Y.Miyamoto,W.A.Shiroma,G.S.Shiroma,B.T.Murakami,A.Ohta,and M.Tamamoto,“Microwave self-phasing antenna arrays for secure data transmission andsatellite network crosslinks,”U.S.Patent 7 304 607 B2,Dec.4,2007)、需要与阵元个数一样多的移相器和相位检测器(见文献2：T.F.Chun,A.Zamora,B.J.Lei,R.T.Iwami,and W.A.Shiroma,“An interleaved,interelement phase-detecting/phase-shiftingretrodirective antenna array for interference reduction,”IEEE AntennasWirel.Propag.Lett.,2011,vol.10,pp.919-922,2011.)、需要一个Butler矩阵接收机和多个移相器(见文献3：D.S.Goshi,K.M.K.H.Leong,and T.Itoh,“Interleavedretrodirective sub-arrays for null-steering interference rejection,”IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.,Honolulu,HI,June2007,pp.1719-1722)、需要复杂的混合数字波束形成网络(见文献4：D.S.Goshi,K.M.K.H.Leong,and T.Itoh,“A secure high-speedretrodirective communication link,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2005,vol.53,no.11,pp.3548–3556,Nov.2005)。
由上可知，现有的方向回溯天线系统存在成本高、结构复杂、相互干扰等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵，包括多个天线单元、与天线单元一一对应设置的单刀三掷开关、开关控制电路、第一整数倍半波长传输线网络、第二整数倍半波长传输线网络、第一相位共轭混频器、第二相位共轭混频器、第一本振源和第二本振源；
单刀三掷开关包括第一导通通道、第二导通提到和断开通道，每个天线单元与一个对应的单刀三掷开关相连，单刀三掷开关的第一导通通道与第一整数倍半波长传输线网络相连，第一整数倍半波长传输线网络与第一相位共轭混频器相连，第一相位共轭混频器与第一本振源相连；单刀三掷开关的第二导通通道与第二整数倍半波长传输线网络相连，第二整数半波长传输线网络与第二相位共轭混频器相连，第二相位共轭混频器与第二本振源相连；
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。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明采用一个天线阵同时实现波束自跟踪扫描和自跟踪零陷扫描两种功能，极大的简化了天线阵的结构，降低了天线系统的成本和复杂度且节约了空间资源。
(2)本发明中的方向回溯和自调零共孔径天线阵只用了两个相位共轭混频器和本振源，进一步简化了天线系统的结构，减少了天线系统的硬件需求。
(3)本发明中的方向回溯和自调零共孔径天线阵消除了由单个方向回溯天线子阵和单个自调零天线子阵工作时带来的阵列间的干扰影响和互耦影响。
附图说明
图1为基于时间调制技术的方向回溯和自调零共孔径天线阵的结构图。
图2为实施例中的基于时间调制技术的方向回溯和自调零共孔径天线阵结构图。
图3为实施例中的两种开关时序图(时间序列I和时间序列II)。
图4为实施例中基于时间系列I的双站方向图。
图5为实施例中基于时间系列II的双站方向图。
图6为实施例中基于时间序列I和时间序列II的信噪比结果图。
具体实施方式
结合图1，一种基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵，包括多个天线单元1、与天线单元对应设置的单刀三掷开关2、开关控制电路3、第一整数倍半波长传输线网络、第二整数倍半波长传输线网络4、第一相位共轭混频器、第二相位共轭混频器5、第一本振源和第二本振源6；
单刀三掷开关2包括第一导通通道on1、第二导通提到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相连，单刀三掷开关2的第一导通通道on1与第一整数倍半波长传输线网络相连，第一整数倍半波长传输线网络与第一相位共轭混频器相连，第一相位共轭混频器与第一本振源相连；单刀三掷开关2的第二导通通道on2与第二整数倍半波长传输线网络4相连，第二整数半波长传输线网络4与第二相位共轭混频器5相连，第二相位共轭混频器5与第二本振源6相连；
所述开关控制电路3与所有单刀三掷开关2相连，控制单刀三掷开关2的周期性通断。
所述整数倍半波长传输线网络每个支路的特征阻抗均相同。
所述第一相位共轭混频器和第二相位共轭混频器均由混频器和环形器组成。
所述开关控制电路3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；所述第一本振源的本振频率为fLO1＝2fRF，第二本振源的本振频率为fLO2＝2fRF+fp。
所述开关控制电路3为CPLD电路或FPGA电路。
在调制周期内，每一时刻选择导通两个单刀三掷开关的两个不同导通通道，使所连接的两个天线单元接收用户来波询问信号，来波询问信号通过两个整数倍半波长传输线网络在两个相位共轭混频器中分别与各自本征信号混频，并同时加载数据和干扰虚假数据，然后再经由各自天线单元重新发射给用户。最终，该方向上的用户将接收到所需数据信号，而其他方向上的用户将接收到干扰虚假数据信号，从而实现了安全可靠的回溯通信链路。
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2，一种基于时间调制技术的方向回溯和自调零共孔径天线阵，包括四个天线单元、四个单刀三掷开关、一个开关控制电路、两个整数倍半波长传输线网络、两个相位共轭混频器和两个本振源等器件。
天线单元1为工作在中心频率fRF＝2.48GHz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。当一来波询问信号(其中VRF和分别为第n个天线单元1接收到的询问信号的幅度和相位，n＝1,2,3,4)入射到该阵列天线时，则在调制周期内，每个天线单元1的反射信号包含两部分：
和分别为携带数据的回溯信号和携带干扰虚假数据的自调零信号。其中VLO1和VLO2表示两个本振源产生的信号幅相，本实施例中两个本征信号的幅度相位大小相等即VLO1＝VLO2。和分别为第n个天线单元1关于“on1-off”和“on2-off”的开关控制函数，
和为相应的归一化导通时刻和归一化导通持续时间，必须满足如下条件：
两个本振源产生的本征信号频率为fLO1＝2fRF和fLO2＝2fRF+fp，其中fp＝1/Tp为时间调制频率，则每个天线单元1的回溯信号为：
图3给出了该方向回溯和自调零共孔径天线阵的两种开关时序图：时间序列I和时间序列II。时间序列I表示所有单元1在两个导通通道中的导通持续时间均相同(0.25个周期)，图4给出了该阵列天线在一来波询问信号(2.48GHz,18°)下基于时间序列I的双站方向图。由图4可见，在角度范围[45°,90°]之间的干扰自调零信号功率小于回溯信号功率，这将导致回溯信号的数据被在这个方向范围内的用户窃取。为了实现完全安全的回溯通信链路，利用优化算法优化相应的适应度函数得出最佳时间序列，采用的适应度函数为：
其中为优化参量，S/N＝P方向回溯/P自调零为优化过程中得到的信噪比，(SN)d为基于时间序列I计算得到的信噪比。时间序列II为优化后得到的最佳开关时序如图3所示。图5为基于时间序列II计算得到的双站方向图，结合对应的信噪比图如图6所示，可见优化后的回溯信号信噪比已被改善，其回溯信号的数据将不会被其他方向上的用户窃取，实现了安全可靠的回溯通信链路。
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 (4)

1.一种基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵，其特征在于，包括多个天线单元(1)、与天线单元(1)一一对应设置的单刀三掷开关(2)、开关控制电路(3)、第一整数倍半波长传输线网络、第二整数倍半波长传输线网络(4)、第一相位共轭混频器、第二相位共轭混频器(5)、第一本振源和第二本振源(6)；
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相连，单刀三掷开关(2)的第一导通通道(on1)与第一整数倍半波长传输线网络相连，第一整数倍半波长传输线网络与第一相位共轭混频器相连，第一相位共轭混频器与第一本振源相连；单刀三掷开关(2)的第二导通通道(on2)与第二整数倍半波长传输线网络(4)相连，第二整数半波长传输线网络(4)与第二相位共轭混频器(5)相连，第二相位共轭混频器(5)与第二本振源(6)相连；
所述开关控制电路(3)与所有的单刀三掷开关(2)相连，控制单刀三掷开关(2)的周期性通断。
2.根据权利要求1所述的基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵，其特征在于，所述开关控制电路(3)的时间调制周期为Tp，fp＝1/Tp，满足fp＜＜fRF，fRF为天线单元(1)的中心频率。
3.根据权利要求1或2所述的基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵，其特征在于，所述第一整数倍半波长传输线网络、第二整数倍半波长传输线网络(4)每个支路的特征阻抗均相同。
4.根据权利要求2所述的基于时间调制的方向回溯和自调零共孔径天线阵，其特征在于，所述第一本振源的本振频率为fLO1＝2fRF，第二本振源的本振频率为fLO2＝2fRF+fp。
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