CN107947844B - 阵列天线的宽带信号生成方法及生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天线的宽带信号生成方法，该方法先建立一宽带信号，赋予选定的基准阵元，对宽带信号采样后进行离散傅里叶变换获得频谱；根据阵列天线发射方向和阵元在阵中的位置，以基准阵元的相位为参考零相位，计算出每个阵元在不同频率的发射相位；修改宽带信号频谱得到更改后的阵元发射信号的频谱；将更改后的频谱进行逆傅里叶变换，获得时间信号的复数量，取其实数部分，获得离散时间信号并存入ROM中；ROM中预先存储了阵元在所有扫描方向的时间波形数据，根据输入的波束方向，取出数据送入DAC，滤波后送入功放，经放大后输入天线，得到宽带信号。本发明能使宽带信号的阵列天线发射形成窄波束。

Description

阵列天线的宽带信号生成方法及生成装置

技术领域

本发明属于宽带信号的阵列天线发射机设计技术领域，具体涉及一种阵列天线的宽带信号生成方法及生成装置。

背景技术

天线阵列化是现代微波或射频系统发展的一个趋势。阵列化可以降低单个阵元发射机的发射功率，发射机易用固态电路实现；阵列化可以提升天线发射增益，降低波束宽度，形成高功率密度窄波束；阵列天线还可以形成快速电扫描波束，实现发射方向的快速切换。

发射信号的带宽是阵列天线发射机设计必须考虑的一个重要因素。阵列天线的窄带信号的发射机设计相对较简单；对窄带信号，通过移相器调整每个阵元的发射信号相位，从而实现空间同相叠加，提高了窄带信号的发射增益。对宽带信号，阵列天线的发射机设计很困难；传统窄带信号的调相机制失灵，需要探索阵列天线的宽带信号的调相方法，实现宽带信号的阵列发射的空间同相合成，形成宽带信号的空间窄波束。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阵列天线的宽带信号生成方法及生成装置，该方法和装置能使宽带信号的阵列天线发射形成窄波束。

本发明所采用的技术方案是：

一种阵列天线的宽带信号生成装置，其包括依次连接的控制器、ROM存储器、DAC数字模拟转换器、滤波器和功率放大器，ROM存储器中存储了发射信号的数字离散化数据，该数据是发射信号经采样形成的；当阵列天线发射方向不同时，ROM存储器输出的信号也不同，这些不同发射通道的不同信号在空间能形成较窄的高增益宽带波束。

本发明还提供一种阵列天线的宽带信号生成方法，包括如下步骤：

1)、建立一宽带信号g(t)，作为基准信号，其中t为时间；选择一基准阵元，其发射机的信号为基准信号，该基准信号即为宽带信号g(t)；

2)、对g(t)采样n个样本后进行离散傅里叶变换，获得其频谱G(f_i)，

j为虚数单位，..f_i为频率，其中i＝1,2,…,n；|G(f_i)|为频率f_i对应的频谱的幅度，φ(f_i)为频率f_i对应的频谱相位，频谱覆盖频率范围为[f₁,f_n]，f₁为开始频率，f_n为截止频率；

3)、当宽带阵列天线波束方向的方位角为α、俯仰角为β时，根据阵元在阵中的位置，以1)中的基准阵元为参考(取其相位为0相位)，计算出每个阵元在频率f_i对应的发射相位

4)、修改不同频率的频谱，具体为

H(f_i)为修改后的阵元发射信号的频谱，

为阵元修改后的发射信号在频率f_i的相位；修改频谱的过程是利用计算机预先根据基准信号和发射方向进行计算和修改，计算和修改完毕后存入发射通道中的ROM中，供发射时调用；

5)、对修改后的阵元发射信号的频谱H(f_i)进行逆傅里叶变换，获得时间信号的复数量；取其实数部分，获得离散时间信号h(t_i)，h(t_i)为在方位角α、俯仰角β波束方向下的时间信号；

6)、当阵元天线发射方向即方位角和俯仰角变化时，用1)-5)的步骤可求出另一组阵列天线发射方向映射的时间信号，并保存到ROM中，这样，在一个阵元的ROM中就可以保存所有方向的时间信号；

7)、根据输入的阵元天线方向，从阵元ROM中取出时间数据送入DAC，滤波后送入功放，经放大后输入阵元小天线，所有阵元小天线的辐射场空间合成，得到阵列天线的空间窄波束辐射。

本发明的有益效果在于：

建立了宽带信号的组阵实现方法，可实现阵列天线的宽带信号的高增益窄波束发射；

可实现阵列天线的宽带信号的空间最大能量合成；由于所有频率均为同相合成，因而可以获得最大能量密度；

可实现阵列天线的宽带信号的电扫描波束，快速切换宽带信号的波束。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是发射通道组成示意图；

图2是数字信号合成器的结构框图；

图3是14×14小面阵；

图4是基准时间脉冲信号；

图5是经计算得出的两个阵元的一定方向对应的时间信号；

图6是中心频率3GHz的方向图；

图7是带宽内不同频率的方向图；

图8是带宽外不同频率的方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

宽带阵列天线为平面结构，包括几十到几百或几千阵元，每个阵元能量由发射机激发，发射通道的发射机结构如图1所示。

发射通道的宽带信号由直接信号合成产生，结构如图2所示，输出信号为图1中的宽带信号源信号，经功放输入给天线，辐射进入空间，在图2中的ROM中存储了发射信号的数字离散化数据，该数据是发射信号经采样形成的。阵列天线发射方向不同时，ROM输出的数据不同，这些不同发射通道的不同信号在空间能形成较窄的高增益宽带波束。

图2中的ROM中数据生成原则是保证宽带信号中的所有不同频率信号在空间均为同方向(即波束发射的方向)。数据生成步骤如下：

1)、建立一宽带信号g(t)，作为基准信号，其中t为时间；选择一基准阵元，其发射机的信号为基准信号，该基准信号即为宽带信号g(t)；

2)、对g(t)采样n个样本后进行离散傅里叶变换，获得其频谱G(f_i)，

j为虚数单位，..f_i为频率，其中i＝1,2,…,n；|G(f_i)|为频率f_i对应的频谱的幅度，φ(f_i)为频率f_i对应的频谱相位，频谱覆盖频率范围为[f₁,f_n]，f₁为开始频率，f_n为截止频率；

3)、当宽带阵列天线波束方向的方位角为α、俯仰角为β时，根据阵元在阵中的位置，以1)中的基准阵元为参考(取其相位为0相位)，计算出每个阵元在频率f_i对应的发射相位

4)、修改不同频率的频谱，具体为

H(f_i)为修改后的阵元发射信号的频谱，

为阵元修改后的发射信号在频率f_i的相位；修改频谱的过程是利用计算机预先根据基准信号和发射方向进行计算和修改，计算和修改完毕后存入发射通道中的ROM中，供发射时调用；

5)、对更改后的频谱H(f_i)进行逆傅里叶变换，获得时间信号的复数量；取其实数部分，获得离散时间信号h(t_i)，h(t_i)为在方位角α、俯仰角β波束方向下的时间信号；

6)、当阵元天线发射方向即方位角和俯仰角变化时，用1)-5)的步骤可求出另一组阵列天线发射方向映射的时间信号，并保存到ROM中，这样，在一个阵元的ROM中就可以保存所有方向的时间信号；

7)、根据输入的阵元天线方向，从阵元ROM中取出时间数据送入DAC，滤波后送入功放，经放大后输入阵元小天线，所有阵元小天线的辐射场空间合成，得到阵列天线的空间窄波束辐射。

本发明建立了一种阵列天线的阵元发射机的宽带信号生成方法，使阵列天线不同阵元产生的宽带信号的所有频率成分可在空间进行宽带电磁场的同相合成，从而形成宽带信号的高增益波束，该波束能在空间快速扫描，形成快速切换方向的电扫描宽带信号波束，覆盖阵列天线的扫描空间。

本发明能控制宽带阵列天线的波束方向，提高阵列天线的宽带信号发射增益，可以用于宽带雷达的电扫描信号生成，也可用于电磁脉冲武器的电扫描信号生成。

下面通过小面阵的数值仿真证明本发明的有效性。

图3为14×14小面阵，为我们仿真的对象。

图4为基准时间脉冲信号。为3GHz正弦波被2ns矩形脉冲脉冲调制的结果，时间脉冲信号的频率带宽为2.7GHz-3.3GHz。

图5为某2个阵元根据赋予的相位分别新生成的时间信号，其脉冲的时间宽度、频率宽度均与基准信号一致，波形已发生了较大变化。

我们设定阵列天线的波束方向为方位角为π/4，俯仰角为π/4。

图6为中心频率3GHz的方向图。

图7为带宽内不同频率的方向图。其中，图7(a)为带宽内2.7GHz的方向图，图7(b)为带宽内2.8GHz的方向图，图7(c)为带宽内2.9GHz的方向图，图7(d)为带宽内3.2GHz的方向图，图7(e)为带宽内3.3GHz的方向图，可以看出带宽内的不同频率的方向均为方位角为π/4，俯仰角为π/4。

图8为带宽外不同频率的方向图。其中，图8(a)为带宽外2.2GHz的方向图，图8(b)为带宽外2.4GHz的方向图，图8(c)为带宽外2.6GHz的方向图，图8(d)为带宽外3.4GHz的方向图，图8(e)为带宽外3.5GHz的方向图，图8(f)为带宽外3.6GHz的方向图。可以看出带宽外的不同频率的方向同样均为方位角为π/4，俯仰角为π/4。

从图6-图8可看出空间合成脉冲的中心频率、带宽内的频率和带宽外的频率，其波束方向完全一致，实现了不同频率波束的空间同向合成，实现了最大能量密度。

本发明中，宽带信号的阵列天线发射，可应用于宽带雷达，也可用于发射电磁脉冲武器的宽带信号的电扫描发射。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种阵列天线的宽带信号生成方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、建立一宽带信号g(t)，作为基准信号，其中t为时间；选择一基准阵元，其发射机的信号为基准信号，该基准信号即为宽带信号g(t)；

2)、对g(t)采样n个样本后进行离散傅里叶变换，获得其频谱G(f_i)，

j为虚数单位，f_i为频率，其中i＝1,2,…,n；|G(f_i)|为频率f_i对应的频谱的幅度，φ(f_i)为频率f_i对应的频谱相位，频谱覆盖频率范围为[f₁,f_n]，f₁为开始频率，f_n为截止频率；

3)、当宽带阵列天线波束方向的方位角为α、俯仰角为β时，根据阵元在阵中的位置，以1)中的基准阵元为参考，取其相位为0相位，计算出每个阵元在频率f_i对应的发射相位

4)、修改不同频率的频谱，具体为

H(f_i)为修改后的阵元发射信号的频谱，

为阵元修改后的发射信号在频率f_i的相位；修改频谱的过程是利用计算机预先根据基准信号和发射方向进行计算和修改，计算和修改完毕后存入发射通道中的ROM中，供发射时调用；

5)、对修改后的阵元发射信号的频谱H(f_i)进行逆傅里叶变换，获得时间信号的复数量；取其实数部分，获得离散时间信号h(t_i)，h(t_i)为在方位角α、俯仰角β波束方向下的时间信号；

6)、当阵元天线发射方向即方位角和俯仰角变化时，用1)-5)的步骤可求出另一组阵列天线发射方向映射的时间信号，并保存到ROM中，这样，在一个阵元的ROM中就可以保存所有方向的时间信号；

7)、根据输入的阵元天线方向，从阵元ROM中取出时间数据送入DAC，滤波后送入功放，经放大后输入阵元小天线，所有阵元小天线的辐射场空间合成，得到阵列天线的空间窄波束辐射。

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