CN106935975A - 一种大口径宽带接收相控阵天线 - Google Patents

Abstract

一种大口径宽带接收相控阵天线，其特征为：(1)接收相控阵天线采用子阵结构，将N个阵元划分为L个子阵，每个子阵是一个独立的模拟窄带相控阵天线，子阵输出信号为x_l(t)，l＝1,2,...,L。(2)第l个子阵输出信号通过ADC，转化为数字信号y_l(k)，y_l(k)经过一个数字延时滤波器，滤波器系数矢量为c_l＝[c_l1 ... c_lJ]，J是滤波器阶数；第l个数字延时滤波器实现的功能是把输入信号进行时间长度为τ_l的延时，输出信号为z_l(k)。(3)每个子阵对应的数字延时滤波器采用Farrow滤波器结构，即系数常数ξ_lj,m采用频域加权法计算。(4)相控阵天线最后输出p(k)为所有数字延时滤波器输出之和，即本发明克服了相控阵天线“空间色散”和“时间色散”问题，可以应用于雷达、通信的大口径宽带相控阵天线领域。

Description

一种大口径宽带接收相控阵天线

技术领域

本发明涉及到相控阵天线领域，具体涉及到一种大口径宽带接收相控阵天线。

背景技术

阵列天线每个阵元接收的信号是远场平面波，由于波程差导致阵元接收的信号间延时不同，即相位存在差异。相控阵天线通过对每个阵元接收到的信号进行相位加权，调整接收信号的相位，从而校正这些相位差，完成波束合成，这就等效于使天线波束主瓣指向信号入射方向。由于“空间色散”和“时间色散”的原因，这种传统相控阵天线的工作方式，仅仅适合小口径窄带系统。具体而言，一方面，权矢量是根据信号中心频率计算得到，对于频率偏离中心频率越多的信号，天线波束主瓣指向偏差越大，这称为“空间色散”。小口径窄带系统时，“空间色散”影响并不突出。另一方面，当阵列天线孔径增大时，不同阵元接收信号间的时间差增大，这也称为阵列的“孔径渡越时间”增大。此时，仅仅依靠相位加权，无法弥补不同阵元间大延时造成的信号“时间色散”。同样，小口径窄带系统时，“时间色散”影响并不突出。但是，对于大口径宽带系统，“空间色散”和“时间色散”影响都不能忽略，采用传统窄带相控阵工作方式，会导致相控阵天线增益大大降低。

为了克服大口径宽带相控阵天线的“空间色散”和“时间色散”问题，通过子阵结构设计，并对每个子阵输出信号进行时间延时，而不是相位校正，就能够保证整个工作带宽内阵列的波束指向始终对准信号来向，即保证天线增益不受带宽和口径影响。已有大口径宽带相控阵实现延时的方法是采用延时线构成的模拟延时器，但由于延时线提供的延时值是有限的几个固定值，所以无法满足相控阵任意指向角度要求的延时精度。所以，本发明提供一种数字延时滤波器实现的大口径宽带相控阵天线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在大口径宽带相控阵天线中，传统的窄带相控阵天线加权方法无法克服“空间色散”和“时间色散”，同时，采用模拟延时器的大口径宽带相控阵天线又存在延时控制精度低问题，这些原因导致大口径宽带相控阵天线的波束指向出现偏差，天线增益下降。

解决上述问题的方法是一种大口径宽带接收相控阵天线，其特征为：

(1)接收相控阵天线是一个阵元数为N的均匀线阵，阵元间距d为载波频率对应波长一半，其中N是大于2的自然数；相控阵天线采用子阵结构，将N个阵元划分为L个子阵，每个子阵的阵元数为N/L，L是一个可以被N整除的自然数；每个子阵构成一个独立的模拟相控阵天线，采用模拟移相器和功分器实现波束合成，其中，第l个子阵输出信号为x_l(t)，l＝1,2,...,L；

(2)第l个子阵输出信号通过ADC，转化为数字信号y_l(k)＝x_l(kT_s)，k为采样序号，T_s为采样周期；第l个子阵输出数字信号y_l(k)经过一个数字延时滤波器，滤波器系数矢量为c_l＝[c_l1 ... c_lJ]，J是滤波器阶数；第l个数字延时滤波器实现的功能是把输入信号y_l(k)进行时间长度为τ_l的延时，延时τ_l表示入射信号到达第l个子阵几何中心位置与到达阵列坐标原点位置的时间差，由入射信号俯仰角θ、阵列几何结构，以及阵元间距d决定；第l个数字延时滤波器的输入信号为y_l(k)，控制信号为延时参数τ_l，输出信号则为z_l(k)，其中

(3)每个子阵对应的数字延时滤波器采用Farrow滤波器结构，第l个数字延时滤波器的第j个系数c_lj，用M维常数矢量ξ_lj＝[ξ_lj,1 ... ξ_lj,M]、延时值τ_l和采样周期T_s的多项式表示，即其中，j＝1,2,...,J；常数矢量ξ_lj采用频域加权法计算；

(4)相控阵天线最后输出p(k)为所有数字延时滤波器输出之和，即

本发明的有益效果是：针对大口径宽带相控阵天线，本发明克服了“空间色散”和“时间色散”，保证了天线波束主瓣指向的正确性，保证了天线增益不损失。本发明可以应用到雷达、通信的大口径宽带相控阵天线领域。

附图说明

图1是大口径宽带相控阵天线系统结构框图；

图2是均匀线阵布局和信号入射关系示意图；

图3是单个子阵模拟波束合成结构示意图；

图4是单个子阵对应的Farrow滤波器结构框图；

具体实施方式

参考图1。大口径宽带相控阵天线包括三个主要部分，无源阵面模块、模拟子阵波束合成模块、子阵间数字波束合成模块。其中，无源阵面被划分为多个子阵，每个子阵接收信号都采用窄带相控阵天线方式，即用模拟移相器和功分器实现波束合成。而子阵输出结果，通过数字延时滤波器进行延时校正，并把每个校正后的子阵信号合成输出，作为相控阵天线最后输出。

参考图2。接收相控阵天线无源阵面是一个阵元数为N的均匀线阵，阵元间距d为载波频率对应波长一半，其中N是大于2的自然数。相控阵天线采用子阵结构，将N个阵元划分为L个子阵，每个子阵的阵元数为I＝N/L，L是一个可以被N整除的自然数。定义系统坐标原点在第1个子阵的几何中心，阵列分布在X上，则信号入射阵列的俯仰角为θ。

参考图3。以第l个子阵为例，每个子阵是一个独立的模拟窄带相控阵天线，采用模拟移相器和功分器实现波束合成，子阵输出信号为x_l(t)，其中，l＝1,2,...,L。

参考图1。第l个子阵输出信号通过ADC，转化为数字信号y_l(k)＝x_l(kT_s)，k为采样序号，T_s为采样周期。第l个子阵输出数字信号y_l(k)经过一个数字延时滤波器，滤波器系数矢量为c_l＝[c_l1 ... c_lJ]，l＝1,2,...,L，J是滤波器阶数。第l个数字延时滤波器实现的功能是把输入信号y_l(k)进行时间长度为τ_l的延时，延时τ_l表示入射信号到达第l个子阵几何中心位置与到达阵列坐标原点位置的时间差，由入射信号俯仰角θ、阵列几何结构，以及阵元间距d决定；第l个数字延时滤波器的输入信号为y_l(k)，控制信号为延时参数τ_l，输出信号则为z_l(k)，其中

参考图4。每个子阵对应的数字延时滤波器采用Farrow滤波器结构，第l个数字延时滤波器的第j个系数c_lj，用M维系数矢量ξ_lj＝[ξ_lj,1 ... ξ_lj,M]和延时值τ_l的多项式函数表示，即其中，j＝1,2,...,J；常数矢量ξ_lj采用频域加权法计算，具体如文献“An Improved Weighted Least-Squares Design for Variable Fractional DelayFIR Filters”，IEEE Transactions on Circuits and System—II，1999,46(8)。

参考图1。相控阵天线最后输出p(k)为所有数字延时滤波器输出之和，即

本发明特征在于采用子阵结构实现大口径宽带相控阵天线，子阵采用模拟窄带相控阵方式，子阵间采用Farrow结构的数字延时滤波器实现波束合成。本发明解决了相控阵天线面临的“空间色散”和“时间色散”问题，可以应用于雷达、通信的大口径宽带相控阵天线中。

Claims (1)

1.一种大口径宽带接收相控阵天线，其特征为：

(1)接收相控阵天线是一个阵元数为N的均匀线阵，阵元间距d为载波频率对应波长一半，其中N是大于2的自然数；相控阵天线采用子阵结构，将N个阵元划分为L个子阵，每个子阵的阵元数为N/L，L是一个可以被N整除的自然数；每个子阵构成一个独立的模拟相控阵天线，采用模拟移相器和功分器实现波束合成，其中，第l个子阵输出信号为x_l(t)，l＝1,2,...,L；

(2)第l个子阵输出信号通过ADC，转化为数字信号y_l(k)＝x_l(kT_s)，k为采样序号，T_s为采样周期；第l个子阵输出数字信号y_l(k)经过一个数字延时滤波器，滤波器系数矢量为c_l＝[c_l1 ... c_lJ]，J是滤波器阶数；第l个数字延时滤波器实现的功能是把输入信号y_l(k)进行时间长度为τ_l的延时，延时τ_l表示入射信号到达第l个子阵几何中心位置与到达阵列坐标原点位置的时间差，由入射信号俯仰角θ、阵列几何结构，以及阵元间距d决定；第l个数字延时滤波器的输入信号为y_l(k)，控制信号为延时参数τ_l，输出信号则为z_l(k)，其中

(3)每个子阵对应的数字延时滤波器采用Farrow滤波器结构，第l个数字延时滤波器的第j个系数c_lj，用M维常数矢量ξ_lj＝[ξ_lj,1 ... ξ_lj,M]、延时值τ_l和采样周期T_s的多项式表示，即其中，j＝1,2,...,J；常数矢量ξ_lj采用频域加权法计算；

(4)相控阵天线最后输出p(k)为所有数字延时滤波器输出之和，即