CN108306115A - 一种空时调制阵列天线系统及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空时调制阵列天线系统及其生产方法,所述系统包括天线单元与延时网络两者之间由同轴电缆相连接。其中延时网络提供系统所需的延迟时间来实现频率偏移,天线单元作为辐射单元辐射相应的信号能量。天线单元采用均匀的线性天线阵列实现空间调制,延时网络利用线性调频信号的频率特性实现时间调制,从而构成了空时调制阵列天线。本发明具有良好的信号频谱纯度,成本较低,易于实现,并且能较好的验证频控阵的扫描特性。本发明提供了一种新的频控阵实现方式,对于以后宽带、超宽带频控阵天线的实现奠定了良好的基础。

Description

一种空时调制阵列天线系统及其生产方法
技术领域
本发明属于频控阵雷达技术领域,具体涉及一种空时调制阵列天线系统及其生产方法的设计。
背景技术
阵列天线技术在雷达、无线通信、声呐及导航等领域有着广泛的应用,根据实际应用的需求天线可以有不同的排列方式,最基本的可以分为线阵和面阵。与单个天线相比,阵列天线可以实现波束扫描、波束赋形以及多波束等功能。国内外科研工作者往往按照阵列天线的功能分类来进行性能和应用的研究,比如相控阵天线、频率扫描天线、自适应天线以及多入多出(MIMO)天线等。近些年来,在相控阵和MIMO基础上衍生的新型阵列吸引了广泛关注,比如相控阵-MIMO以及差分阵列等。这些新型阵列带来了更多的自由度和广泛的应用前景,也带来了许多需要探索和解决的问题。
相控阵雷达区别于传统机械扫描雷达,其优势之一在于可自由地实现波束的空间扫描,因而广泛地应用于雷达目标检测与成像应用。通常相控阵雷达每个阵元发射(或接收)的是同一信号,通过在每个阵元的输出端接入移相器进行波束方向控制,调整移相器的相移量便可实现波束的空域扫描。此外,还可以通过改变雷达系统的工作频率来实现波束扫描,即频率扫描天线。然而,相控阵、频率扫描天线和MIMO雷达都存在一个缺点:在每一扫描快拍内,波束指向在距离上是恒定的,也就是说波束指向与距离是无关的,不能利用线性相控阵雷达实现目标距离和方位角二维联合估计。但是在某些应用中,常常又期望阵列波束在同一快拍内能够以相同的角度指向不同的距离,这就需要波束的指向能够随距离的变化而变化。
频控阵雷达是近年来提出的一种新体制阵列雷达技术,与传统相控阵不同的是,频控阵通过在不同通道附加很小的频偏,使其波束图在远场成为随位置、角度和时间变化的函数。频控阵这种新波束的特征产生许多新的功能,它能够形成具有距离依赖性的发射波束,克服了传统相控阵雷达不能有效控制发射波束的距离指向问题,并具有很多独特的应用优势和广阔的发展应用前景。目前有很多关于频控阵雷达的实现方式,但不同的实现方式具有不同的系统性能特点。基于混频器步进频的实现方法,其镜像频率和射频与本振频率的交调影响将导致阵列信号的频谱纯度较差,容易导致后续的信号处理出现目标模糊问题。采用独立本振源的实现方式,需要考虑时钟抖动和相位噪声的影响问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种空时调制阵列天线系统及其生产方法,利用线性调频(LFM)信号特性与天线阵元之间的延迟关系,实现频控阵阵元间的微小频偏,利用空间与时间调制技术,实现频控阵的扫描特性。
本发明的技术方案为:一种空时调制阵列天线系统,包括天线单元与延时网络,其中延时网络包括1个输入端口和8个输出端口,其输入端口与线性调频信号源连接。
延时网络还包括内部时延微带线结构,内部时延微带线结构包括一根输入微带线,输入微带线的一端作为延时网络的输入端口,其另一端分别与2根次级微带线的一端连接;每根次级微带线的另一端分别与2根三级微带线的一端连接;每根三级微带线的另一端分别与2根输出微带线的一端连接;每根输出微带线的另一端作为延时网络的一个输出端口。每相邻两根输出微带线之间的延迟时间为td,每相邻两根三级微带线之间的延迟时间为2td,两根次级微带线之间的延迟时间为4td,td=0.4ns。
天线单元包括8个平行排列的同轴馈电天线阵元,每个同轴馈电天线阵元分别通过同轴电缆与延时网络的一个输出端口连接。每相邻两个同轴馈电天线阵元之间的间距为λ为同轴馈电天线阵元发射的时域信号在空间中的波长。
本发明还提供了一种空时调制阵列天线系统的生产方法,包括以下步骤:
S1、根据频控阵的基础理论,采用MATLAB仿真软件对基于线性调频信号的空时调制阵列天线进行仿真,得到其距离-角度特性和时间-角度特性。
S2、根据空时调制阵列天线的距离-角度特性,采用HFSS射频仿真软件对天线单元进行建模仿真,得到天线单元模型。
S3、根据天线单元模型,将8个同轴馈电天线阵元平行排列,构建天线单元。
其中每相邻两个同轴馈电天线阵元之间的间距为λ为同轴馈电天线阵元发射的时域信号在空间中的波长。
S4、根据空时调制阵列天线的时间-角度特性,采用HFSS射频仿真软件对延时网络进行建模仿真,得到延时网络模型。
S5、根据延时网络模型,在PCB板上印制内部时延微带线结构,并设置1个输入端口和8个输出端口,构建延时网络。
其中内部时延微带线结构包括一根输入微带线,输入微带线的一端作为延时网络的输入端口,其另一端分别与2根次级微带线的一端连接;每根次级微带线的另一端分别与2根三级微带线的一端连接;每根三级微带线的另一端分别与2根输出微带线的一端连接;每根输出微带线的另一端作为延时网络的一个输出端口。每相邻两根输出微带线之间的延迟时间为td,每相邻两根三级微带线之间的延迟时间为2td,两根次级微带线之间的延迟时间为4td,td=0.4ns。
S6、将天线单元与延时网络进行加工焊接,并通过同轴电缆将每个同轴馈电天线阵元和延时网络的输出端口一一对应连接,得到空时调制阵列天线系统。
本发明的有益效果是:本发明利用线性调频连续波的信号特性,采用空时调制阵列天线实现频控阵,解决了现有的频控阵实现方式产生的信号频谱纯度差,成本过高等缺点。本发明提供的空时调制阵列天线系统具有良好的信号频谱纯度,成本较低,易于实现,并且能较好的验证频控阵的扫描特性。同时本发明还提供了空时调制阵列天线系统的生产方法,提供了一种新的频控阵实现方式,对于以后宽带、超宽带频控阵天线的实现奠定了良好的基础。
附图说明
图1所示为本发明实施例一提供的一种空时调制阵列天线系统结构示意图。
图2所示为本发明实施例一提供的均匀线性频控阵列结构示意图。
图3所示为本发明实施例二提供的一种空时调制阵列天线系统的生产方法流程图。
图4所示为本发明实施例二提供的距离固定时的角度-时间辐射图。
图5所示为本发明实施例二提供的时间固定时的角度-距离辐射图。
图6所示为本发明实施例二提供的空时调制阵列天线测试结果图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解,附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的,意在阐释本发明的原理和精神,而并非限制本发明的范围。
实施例一:
本发明实施例提供了一种空时调制阵列天线系统,如图1所示,包括天线单元与延时网络,其中延时网络包括1个输入端口和8个输出端口,其输入端口与线性调频信号源连接。
延时网络还包括内部时延微带线结构,内部时延微带线结构包括一根输入微带线,输入微带线的一端作为延时网络的输入端口,其另一端分别与2根次级微带线的一端连接;每根次级微带线的另一端分别与2根三级微带线的一端连接;每根三级微带线的另一端分别与2根输出微带线的一端连接;每根输出微带线的另一端作为延时网络的一个输出端口。每相邻两根输出微带线之间的延迟时间为td,每相邻两根三级微带线之间的延迟时间为2td,两根次级微带线之间的延迟时间为4td,本发明实施例中td=0.4ns。
天线单元包括8个平行排列的同轴馈电天线阵元,每个同轴馈电天线阵元分别通过同轴电缆与延时网络的一个输出端口连接。每相邻两个同轴馈电天线阵元之间的间距为λ为同轴馈电天线阵元发射的时域信号在空间中的波长。
本发明实施例中,延时网络提供系统所需的延迟时间来实现频率偏移,天线单元作为辐射单元辐射相应的信号能量。天线单元采用均匀的线性天线阵列实现空间调制,延时网络利用线性调频信号的频率特性实现时间调制,从而构成了空时调制阵列天线。
本发明的创新点在于基于传统频控阵在相邻阵元的载波频率之间存在一个较小的频率增量,使其波束具有距离和角度相关性的特点,利用线性调频(LFM)信号特性与天线阵元之间的延迟关系,实现频控阵阵元间的微小频偏,利用空间与时间调制技术,实现频控阵的扫描特性。线性调频信号的频率是随时间线性变化的,由于各阵元与信号源之间有不同的传播延迟,同一线性调频信号源的信号到达各个天线阵元时的频率就会呈现出线性递增的变化。
如图2所示,假设发射的线性调频信号的时域表达式为s(t)=exp{j(2πf0t+πkt2)},其中f0为载波频率,k为调频率,设脉冲持续时间为T,调频带宽为B,则调频率本发明实施例中设置f0=5GHz,脉冲持续时间T为10us,调频带宽B为100MHZ。
由于每相邻两根输出微带线之间的延迟时间为td,则每相邻两个同轴馈电天线阵元之间的延迟时间也为td,那么第m个天线阵元发射信号表达式为:
对于远场一个位置的目标各天线阵元的电磁波传输到达目标的波程差会带来相应的相位差,发射波束辐射图可近似推导为:
其中r表示天线阵元到目标的距离,θ表示天线阵元与目标之间的角度,表示目标的角度位置,φ表示天线阵元摆放的角度位置,ζ(θ,φ|f0)是归一化函数,说明天线阵元电场强度具有角度-频率依赖性,M表示天线阵元个数,rm表示第m个阵元到目标的距离,c表示光速,d表示天线阵元间的间距,t0=r/c,Ψ=(td-dsinθ/c)(k(t-t0))。
由此可以看出基于线性调频信号的频控阵雷达的电场辐射强度不仅是与距离r和角度θ有关的函数,而且与延迟时间td相关。与传统的频控阵相比,没有频率增量Δf,而是通过线性调频信号的瞬时频率特性与时间延迟线来实现频率的偏移,从而实现频控阵的自动扫描特性,而且仍然具有距离和角度依赖性。在某个特定的时刻,当距离固定时,其波束指向随td变化而变化,当延迟时间td固定时,其波束指向随距离化而变化。
实施例二:
本发明实施例提供了一种空时调制阵列天线系统的生产方法,如图3所示,包括以下步骤:
S1、根据频控阵的基础理论,采用MATLAB仿真软件对基于线性调频信号的空时调制阵列天线进行仿真,得到其距离-角度特性和时间-角度特性。
在传统频控阵的理论基础上,采用MATLAB仿真软件对线性调频信号仿真空时调制阵列天线的特性,如图4和图5所示,由此可以看出空时调制阵列天线方式在某个特定的时刻,当距离固定时,其波束指向随时间变化而变化,当时间固定时,其波束指向随距离变化而变化,因此可实现频控阵的特性。
S2、根据空时调制阵列天线的距离-角度特性,采用HFSS射频仿真软件对天线单元进行建模仿真,得到天线单元模型。
S3、根据天线单元模型,将8个同轴馈电天线阵元平行排列,构建天线单元。
本发明实施例中,每相邻两个同轴馈电天线阵元之间的间距为λ为同轴馈电天线阵元发射的时域信号在空间中的波长。在天线单元中设置扫频信号的求解频率为5GHz,扫描频率范围为4GHZ~6GHz,信号功率为1W,得到相应的增益及辐射特性,实现阵列天线的空间调制。
S4、根据空时调制阵列天线的时间-角度特性,采用HFSS射频仿真软件对延时网络进行建模仿真,得到延时网络模型。
S5、根据延时网络模型,在PCB板上印制内部时延微带线结构,并设置1个输入端口和8个输出端口,构建延时网络。
其中内部时延微带线结构包括一根输入微带线,输入微带线的一端作为延时网络的输入端口,其另一端分别与2根次级微带线的一端连接;每根次级微带线的另一端分别与2根三级微带线的一端连接;每根三级微带线的另一端分别与2根输出微带线的一端连接;每根输出微带线的另一端作为延时网络的一个输出端口。每相邻两根输出微带线之间的延迟时间为td,每相邻两根三级微带线之间的延迟时间为2td,两根次级微带线之间的延迟时间为4td,本发明实施例中td=0.4ns,在4.5GHz~5.5GHz的频段内,延时网络的延迟时间td具有平坦的延迟特性,从而实现阵列天线的时间调制。
S6、将天线单元与延时网络进行加工焊接,并通过同轴电缆将每个同轴馈电天线阵元和延时网络的输出端口一一对应连接,得到空时调制阵列天线系统。
将步骤S6得到的空时调制阵列天线系统在微波暗室中进行测试,获得相应辐射方向图,如图6所示,将测试结果进行详细的分析后可以验证空时调制阵列天线具有频控阵的特性,进一步说明空时调制阵列天线是频控阵的一个可行的实现方式。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种空时调制阵列天线系统,其特征在于,包括天线单元与延时网络;所述延时网络包括1个输入端口和8个输出端口,所述输入端口与线性调频信号源连接;
所述延时网络还包括内部时延微带线结构,所述内部时延微带线结构包括一根输入微带线,所述输入微带线的一端作为延时网络的输入端口,其另一端分别与2根次级微带线的一端连接;每根所述次级微带线的另一端分别与2根三级微带线的一端连接;每根所述三级微带线的另一端分别与2根输出微带线的一端连接;每根所述输出微带线的另一端作为延时网络的一个输出端口;
所述天线单元包括8个平行排列的同轴馈电天线阵元,每个所述同轴馈电天线阵元分别通过同轴电缆与延时网络的一个输出端口连接。
2.根据权利要求1所述的空时调制阵列天线系统,其特征在于,每相邻两根所述输出微带线之间的延迟时间为td,每相邻两根所述三级微带线之间的延迟时间为2td,两根所述次级微带线之间的延迟时间为4td,td=0.4ns。
3.根据权利要求1所述的空时调制阵列天线系统,其特征在于,每相邻两个所述同轴馈电天线阵元之间的间距为λ为同轴馈电天线阵元发射的时域信号在空间中的波长。
4.一种空时调制阵列天线系统的生产方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、根据频控阵的基础理论,采用MATLAB仿真软件对基于线性调频信号的空时调制阵列天线进行仿真,得到其距离-角度特性和时间-角度特性;
S2、根据空时调制阵列天线的距离-角度特性,采用HFSS射频仿真软件对天线单元进行建模仿真,得到天线单元模型;
S3、根据天线单元模型,将8个同轴馈电天线阵元平行排列,构建天线单元;
S4、根据空时调制阵列天线的时间-角度特性,采用HFSS射频仿真软件对延时网络进行建模仿真,得到延时网络模型;
S5、根据延时网络模型,在PCB板上印制内部时延微带线结构,并设置1个输入端口和8个输出端口,构建延时网络;
S6、将天线单元与延时网络进行加工焊接,并通过同轴电缆将每个同轴馈电天线阵元和延时网络的输出端口一一对应连接,得到空时调制阵列天线系统。
5.根据权利要求4所述的空时调制阵列天线系统的生产方法,其特征在于,所述步骤S3中每相邻两个同轴馈电天线阵元之间的间距为λ为同轴馈电天线阵元发射的时域信号在空间中的波长。
6.根据权利要求4所述的空时调制阵列天线系统的生产方法,其特征在于,所述步骤S5中的内部时延微带线结构包括一根输入微带线,所述输入微带线的一端作为延时网络的输入端口,其另一端分别与2根次级微带线的一端连接;每根所述次级微带线的另一端分别与2根三级微带线的一端连接;每根所述三级微带线的另一端分别与2根输出微带线的一端连接;每根所述输出微带线的另一端作为延时网络的一个输出端口。
7.根据权利要求6所述的空时调制阵列天线系统的生产方法,其特征在于,每相邻两根所述输出微带线之间的延迟时间为td,每相邻两根所述三级微带线之间的延迟时间为2td,两根所述次级微带线之间的延迟时间为4td,td=0.4ns。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180720

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