CN107024691A - 基于色散延迟线的相控阵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于色散延迟线的相控阵系统，包括第一功分器和多个结构相同的相控阵通道，每个相控阵通道包括第二功分器、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第一可调本振频率源、第二可调本振频率源、第一色散延迟线、第二色散延迟线、第一滤波器和第一天线；通过调节第一可调本振频率源和第二可调本振频率源可以调节射频信号的延迟时间，最终调节射频信号的输出相位。本发明实现了相控阵波束的任意指向，消除了由于频率偏移引起的孔径效应和色散引起的波形失真。

Description

基于色散延迟线的相控阵系统
技术领域
本发明属于雷达通信与近程探测技术领域，特别是一种基于色散延迟线的相控阵系统。
背景技术
相控阵雷达在军事上取得了非常广泛的应用，具有辐射功率大、波束指向灵活、自适应能力强、抗干扰性能好、可靠性高等优点。宽带、超宽带的相控阵雷达，不仅能大幅度提高相控阵雷达的抗干扰能力，有效地应对反辐射导弹，而且其相对带宽比较宽，能提高对监测目标的距离分辨率和识别能力，因此对其进行研究具有重要的作用。
相控阵雷达系统的关键部分是相移器件，目前相控阵中主要采用移相器实现相移功能，具有以下三个缺点：由频率偏移引起的波束偏转、工作带宽与波束宽度成反比以及脉冲畸变。
由于传统相控阵雷达存在固有的孔径效应，因此其只能工作在带宽相对较窄的情况下，这就限制了相控阵雷达在宽带和超宽带领域的应用。为了实现相控阵天线波束的宽带宽角扫描工作，可以使用实时延迟线(TTD，Ture Time Delay)来代替传统相控阵雷达中的移相器，通过控制相控阵单元间的延迟时间差，从而实现波束扫描，并且扫描角度与频率无关。因此，使用时延器件代替移相器，可以使波束指向仅与延迟时间差相关，消除移相器中由于频率偏移引起的孔径效应。但是，传统TTD由同轴电缆或波导构成，这种结构体积大、集成度低。
Hoang V.Nguyen等人在“Analog Dispersive Time Delayer for Beam-scanning PhasedArray Without Beam-Squinting”中利用色散延迟线代替TTD的方法设计了一个基于色散延迟线的相控阵系统，实现了波束扫描，并且消除了孔径效应。但是上述系统仍存在以下缺陷：(1)当射频信号为窄脉冲调制信号时，色散延迟线存在时域展宽，导致输出波形失真；(2)当射频信号不是点频或窄带信号时，由于色散延迟线的非线性度而导致的孔径效应仍然存在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于色散延迟线的相控阵系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于色散延迟线的相控阵系统，包括第一功分器和多个结构相同的相控阵通道，每个相控阵通道包括第二功分器、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第一可调本振频率源、第二可调本振频率源、第一色散延迟线、第二色散延迟线、第一滤波器和第一天线；
所述第一可调本振频率源的输出端与第二功分器的输入端连接，第二功分器的两路输出端口分别与第一混频器和第三混频器的第一输入端连接；所述第一功分器的其中一路输出端口与第一混频器的第二输入端连接，第一混频器的输出端与第一色散延迟线的输入端连接，第一色散延迟线的输出端与第二混频器的第一输入端连接，所述第二可调本振频率源的输出端与第二混频器的第二输入端连接，第二混频器的输出端与第二色散延迟线的输入端连接，第二色散延迟线的输出端与第三混频器的第二输入端连接，第三混频器的输出端与第一滤波器的输入端连接，第一滤波器的输出端与第一天线连接；
第一可调本振频率源产生的本振信号经过第二功分器功分得到本振信号A和本振信号B，射频信号经过第一功分器进行多路功分，功分后的一路射频信号与本振信号A经过第一混频器下变频得到中频信号，中频信号通过第一色散延迟线产生延迟时间，该中频信号与第二可调本振频率源产生的本振信号经过第二混频器下变频后得到频率不变的中频信号，该中频信号的调频特性与第一色散延迟线的延迟特性相反，中频信号通过第二色散延迟线，经延迟后的中频信号与本振信号B经第三混频器上变频得到射频信号，射频信号经过第一滤波器选频输出，最后经第一天线发射出去。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用色散延迟线代替实时延迟线，色散延迟线结构简单、易于集成、成本低廉、延迟特性性能好；(2)本发明可以应用于超宽带系统，可以消除相控阵系统中固有的由频率偏移引起的孔径效应；(3)采用色散延迟线与混频器构成的时延系统，可以实现360°的可控2^32的调节，实现任意波束指向；(4)除了可调本振频率源外，本发明其它的元件均为无源元件，稳定度高，集成度好。
下面结合附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1为本发明基于色散延迟线的相控阵系统的结构示意图。
图2为本发明实施例1中四通道相控阵系统的结构示意图。
图3为本发明实施例1中四通道相控阵系统可调本振频率源的结构示意图。
图4为本发明实施例1中色散延迟线的结构示意图。
图5为本发明实施例1中色散延迟线的延迟时间与频率的关系图。
图6为本发明实施例1中色散延迟线的群延迟与频率的关系图。
图7为本发明实施例2中单通道系统的具体结构示意图。
图8(a)为本发明实施例2中窄脉冲调制信号V1(t)通过系统后的波形图，图8(b)为V2(t)通过系统后的波形图，图8(c)为V3(t)通过系统后的波形图，图8(d)为V4(t)通过系统后的波形图，图8(e)为V5(t)通过系统后的波形图，图8(f)为V6(t)通过系统后的波形图。
图9(a)为本发明实施例3中带宽较宽的非点频信号V1(t)通过系统后延迟时间与频率的关系图，图9(b)为V2(t)通过系统后延迟时间与频率的关系图，图9(c)为V3(t)通过系统后延迟时间与频率的关系图，图9(d)为V4(t)通过系统后延迟时间与频率的关系图，图9(e)为V5(t)通过系统后延迟时间与频率的关系图，图9(f)为V6(t)通过系统后延迟时间与频率的关系图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种基于色散延迟线的相控阵系统，包括第一功分器和多个结构相同的相控阵通道，每个相控阵通道包括第二功分器、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第一可调本振频率源、第二可调本振频率源、第一色散延迟线、第二色散延迟线、第一滤波器和第一天线；
所述第一可调本振频率源的输出端与第二功分器的输入端连接，第二功分器的两路输出端口分别与第一混频器和第三混频器的第一输入端连接；所述第一功分器的其中一路输出端口与第一混频器的第二输入端连接，第一混频器的输出端与第一色散延迟线的输入端连接，第一色散延迟线的输出端与第二混频器的第一输入端连接，所述第二可调本振频率源的输出端与第二混频器的第二输入端连接，第二混频器的输出端与第二色散延迟线的输入端连接，第二色散延迟线的输出端与第三混频器的第二输入端连接，第三混频器的输出端与第一滤波器的输入端连接，第一滤波器的输出端与第一天线连接；
第一可调本振频率源产生的本振信号经过第二功分器功分得到本振信号A和本振信号B，射频信号经过第一功分器进行多路功分，功分后的一路射频信号与本振信号A经过第一混频器下变频得到中频信号，中频信号通过第一色散延迟线产生延迟时间，之后该中频信号与第二可调本振频率源产生的本振信号经过第二混频器下变频后得到频率不变的中频信号，该中频信号的调频特性与第一色散延迟线的延迟特性相反，中频信号通过第二色散延迟线，经延迟后的中频信号与本振信号B经第三混频器上变频得到射频信号，射频信号经过第一滤波器选频输出，最后经过第一天线发射出去。通过调节第一可调本振频率源4和第二可调本振频率源5，可以调节射频信号的延迟时间，最终调节射频信号的输出相位；第一可调本振频率源和第二可调本振频率源的本振信号频率不同，第一可调本振频率源的本振频率为第一功分器功分后的射频信号的频率减去第一混频器下变频得到中频信号的频率，第二可调本振频率源的频率为第一混频器下变频得到中频信号频率的两倍。
所述第一色散延迟线和第二色散延迟线结构和延迟时间特性均相同。
优选的，上述第一色散延迟线和第二色散延迟线采用复合左右手色散延迟线。
本发明的基于色散延迟线的相控阵系统，可以通过可调本振频率源产生频率可调的本振信号，在射频信号频率不变的情况下得到可调的中频信号，从而实现延迟时间的可调节，最终实现输出信号的相位可调节。若使中频信号保持不变，可调本振信号随射频频率的改变而改变，那么射频信号的延迟时间保持不变，此时相控阵天线的波束指向保持不变，消除了相控阵系统中固有的频率偏移而引起的孔径效应。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例以四单元的基于色散延迟线的相控阵系统为例，包括第一通道、第二通道、第三通道和第四通道。
结合图2，第一功分器1的四个输出端口分别与第一混频器2、第四混频器12、第七混频器22和第十混频器32相连，第一通道包括第二功分器6、第一混频器2、第二混频器7、第三混频器9、第一可调本振频率源4、第二可调本振频率源5、第一色散延迟线3、第二色散延迟线8、第一滤波器10和第一天线11，其中第二功分器6的两个输出端口分别与第一混频器2和第三混频器9相连；第二通道包括第三功分器16、第四混频器12、第五混频器17、第六混频器19、第三可调本振频率源14、第四可调本振频率源15、第三色散延迟线13、第四色散延迟线18、第二滤波器20和第二天线21，其中第三功分器16的两个端口分别与第四混频器12和第六混频器19相连；第三通道包括第四功分器26、第七混频器22、第八混频器27、第九混频器29、第五可调本振频率源24、第六可调本振频率源25、第五色散延迟线23、第六色散延迟线28、第三滤波器30和第三天线31，其中第四功分器26的两个端口分别与第七混频器22和第九混频器29相连；第四通道包括第五功分器36、第十混频器32、第十一混频器37、第十二混频器39、第七可调本振频率源34、第八可调本振频率源35、第七色散延迟线33、第八色散延迟线38、第四滤波器40和第四天线41，其中第五功分器36的两个端口分别与第十混频器32和第十二混频器39相连。
结合图3，可调本振频率源包括FPGA、第一DDS、第二DDS、第一锁相环、第二锁相环、第三锁相环、第四锁相环、第五锁相环、第六锁相环、第七锁相环和第八锁相环，FPGA控制输出端与第一DDS和第二DDS输入端相连，两个DDS均采用AD9959，其输出端作为参考信号与锁相环连接，采用DDS+PLL技术实现本振频率的可调节，即第一DDS输出端分别与第一锁相环、第二锁相环、第三锁相环和第四锁相环相连，第二输出端分别与第五锁相环、第六锁相环、第七锁相环和第八锁相环相连。第一锁相环用于产生第一可调本振频率源4，第二锁相环用于产生第三可调本振频率源14，第三锁相环用于产生第五可调本振频率源24，第四锁相环用于产生第七可调本振频率源34，第五锁相环用于产生第二可调本振频率源5，第六锁相环用于产生第四可调本振频率源15，第七锁相环用于产生第六可调本振频率源25，第八锁相环用于产生第八可调本振频率源35。其中，第一锁相环、第二锁相环、第三锁相环和第四锁相环相位一致，第五锁相环、第六锁相环、第七锁相环和第八锁相环相位一致。
第一通道中，第一可调本振频率源4产生的本振信号经过第二功分器6，功分得到本振信号A和本振信号B，射频信号经过第一功分器1进行多路功分，功分后的一路射频信号与本振信号A经过第一混频器2，下变频得到中频信号，中频信号通过第一色散延迟线3产生延迟时间，之后该中频信号与第二可调本振频率源5产生的本振信号经过第二混频器7，下变频后得到频率不变的中频信号，其调频特性与色散延迟线的延迟特性相反，信号通过第二色散延迟线8，中频信号与本振信号B经过第三混频器9，上变频得到射频信号，射频信号经过第一滤波器10选频输出，最后经过第一天线11发射出去。通过调节第一可调本振频率源4和第二可调本振频率源5，可以调节射频信号的延迟时间，最终调节射频信号的输出相位。
第二通道、第三通道和第四通道的实现过程与第一通道一致。
结合图4，第一色散延迟线3和第二色散延迟线8采用相同的结构，为4阶的复合左右手色散延迟线，其采用微带结构，结构简单，成本低廉，集成度高。
结合图5，第一色散延迟线3和第二色散延迟线8的延迟时间与频率的关系，在2GHz～2.4GHz成近似线性关系，线性度好，有利于可调本振频率源的调节。
结合图6，第一色散延迟线3和第二色散延迟线8的群延迟与频率保持比较陡峭的关系，使在较小的频率范围内实现较大的相位调节。
通过调节每一路的本振信号的本振频率，使每个通道的中频频率不相同，因此功分后的射频信号，进入四个通道后经过的延迟时间不相同，若使相邻单元间的延迟时间差相同，那么能确定相控阵天线的波束指向，从而实现相控阵天线的波束扫描。
实施例2
射频信号为窄脉冲调制信号，结合图7，第一可调本振频率源4产生的本振信号经过第二功分器6，功分得到本振信号A和本振信号B，射频信号经过第一功分器1进行多路功分，功分后的一路射频信号V1(t)与本振信号A经过第一混频器2，下变频得到中频信号V2(t)，V2(t)通过第一色散延迟线3产生一定的延迟时间，变为延迟后的中频信号V3(t)，V3(t)与第二可调本振频率源5产生的本振信号经过第二混频器7，下变频后得到频率不变的中频信号V4(t)，其调频特性与色散延迟线的延迟特性相反，V4(t)通过第二色散延迟线8，得到延迟后的中频信号V5(t)，V5(t)与本振信号B经过第三混频器9，上变频得到射频信号V6(t)，V6(t)经过第一滤波器10选频输出，最后经过第一天线11发射出去。通过调节第一可调本振频率源4和第二可调本振频率源5，可以调节射频信号的延迟时间，最终调节射频信号的输出相位。
窄脉冲调制信号V1(t)的频率为ω0，第一可调本振频率源4提供的本振信号频率为ωL，第二可调本振频率源5提供的本振信号频率为2(ω0-ωL)，中频信号V2(t)、V3(t)、V4(t)、V5(t)的频率为ω0-ωL。
结合图8(a)～8(f)，V1(t)是频率为ω0的窄脉冲调制信号，V2(t)是频率为ω0-ωL的窄脉冲调制信号，V3(t)是频率为ω0-ωL的调频信号，这是由于窄脉冲信号经过色散延迟线存在时域展宽现象，V4(t)是频率为ω0-ωL的调频信号，其调频特性与信号V3(t)相反，V5(t)是频率为ω0-ωL的窄脉冲调制信号，消除了时域展宽现象，消除了波形失真，V6(t)是频率为ω0的窄脉冲调制信号。由此可知，此改进的基于色散延迟线的相控阵系统可以消除窄脉冲信号的波形失真。
实施例3
射频信号为带宽较宽的非点频信号，结合图7，第一可调本振频率源4产生的本振信号经过第二功分器6，功分得到本振信号A和本振信号B，射频信号经过第一功分器1进行多路功分，功分后的一路射频信号V1(t)与本振信号A经过第一混频器2，下变频得到中频信号V2(t)，V2(t)通过第一色散延迟线3产生一定的延迟时间，变为延迟后的中频信号V3(t)，V3(t)与第二可调本振频率源5产生的本振信号经过第二混频器7，下变频后得到频率不变的中频信号V4(t)，其调频特性与色散延迟线的延迟特性相反，V4(t)通过第二色散延迟线8，得到进一步延迟后的中频信号V5(t)，V5(t)与本振信号B经过第三混频器9，上变频得到射频信号V6(t)，V6(t)经过第一滤波器10选频输出，最后经过第一天线11发射出去。通过调节第一可调本振频率源4和第二可调本振频率源5，可以调节射频信号的延迟时间，最终调节射频信号的输出相位。
V1(t)为带宽较宽的非点频信号，以在时刻τ0输入两个点频信号为例，假设其频率分别为ω1和ω2，ω1<ω2，并且ω1和ω2相距较远，第一可调本振频率源4提供的本振信号频率为ωL，第二可调本振频率源5提供的本振信号频率为ω1+ω2-2ωL，V2(t)、V3(t)、V4(t)、V5(t)的频率均包括ω1-ωL和ω2-ωL。
结合图9(a)～9(f)，V1(t)是频率为ω1和ω2的两个点频信号，V2(t)是频率为ω1-ωL和ω2-ωL的两个点频信号，此时其延迟时间均为τ0，V3(t)是频率为ω1-ωL和ω2-ωL的两个点频信号，由于色散延迟线的线性度不是非常理想，因此频率ω1-ωL对应的延迟时间为τ0+τ1，频率ω2-ωL对应的延迟时间为τ0+τ2，V4(t)是频率为ω1-ωL和ω2-ωL的两个点频信号，其调频特性与信号V3(t)相反，V5(t)是频率为ω1-ωL和ω2-ωL的两个点频信号，其延迟时间均为τ0+τ1+τ2，此时消除了两个点频信号的延迟时间的不同，消除了孔径效应，V6(t)是频率为ω1和ω2的两个点频信号，其延迟时间均为τ0+τ1+τ2。由此可知，此改进的基于色散延迟线的相控阵系统可以消除带宽较宽的非点频信号的孔径效应。

Claims (4)

1.一种基于色散延迟线的相控阵系统，其特征在于：包括第一功分器和多个结构相同的相控阵通道，每个相控阵通道包括第二功分器、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第一可调本振频率源、第二可调本振频率源、第一色散延迟线、第二色散延迟线、第一滤波器和第一天线；
所述第一可调本振频率源的输出端与第二功分器的输入端连接，第二功分器的两路输出端口分别与第一混频器和第三混频器的第一输入端连接；所述第一功分器的其中一路输出端口与第一混频器的第二输入端连接，第一混频器的输出端与第一色散延迟线的输入端连接，第一色散延迟线的输出端与第二混频器的第一输入端连接，所述第二可调本振频率源的输出端与第二混频器的第二输入端连接，第二混频器的输出端与第二色散延迟线的输入端连接，第二色散延迟线的输出端与第三混频器的第二输入端连接，第三混频器的输出端与第一滤波器的输入端连接，第一滤波器的输出端与第一天线连接；
第一可调本振频率源产生的本振信号经过第二功分器功分得到本振信号A和本振信号B，射频信号经过第一功分器进行多路功分，功分后的一路射频信号与本振信号A经过第一混频器下变频得到中频信号，中频信号通过第一色散延迟线产生延迟时间，该中频信号与第二可调本振频率源产生的本振信号经过第二混频器下变频后得到频率不变的中频信号，该中频信号的调频特性与第一色散延迟线的延迟特性相反，中频信号通过第二色散延迟线，经延迟后的中频信号与本振信号B经第三混频器上变频得到射频信号，射频信号经过第一滤波器选频输出，最后经第一天线发射出去。
2.根据权利要求1所述的基于色散延迟线的相控阵系统，其特征在于：所述第一色散延迟线和第二色散延迟线结构和延迟时间特性均相同。
3.根据权利要求1或2所述的基于色散延迟线的相控阵系统，其特征在于：所述第一色散延迟线和第二色散延迟线为复合左右手色散延迟线。
4.根据权利要求1所述的基于色散延迟线的相控阵系统，其特征在于：第一可调本振频率源的本振频率为第一功分器功分后的射频信号频率减去第一混频器下变频得到的中频信号频率，第二可调本振频率源的频率为第一混频器下变频得到的中频信号频率的两倍。
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