CN108511910B - 一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线及设计方法，该波束天线包括角度发生器、移相网络、幅度加权矩阵网络及馈源，其中相邻两个角度发生器之间通过移相网络相连，每一角度发生器通过与其一一对应的幅度加权矩阵网络和所述馈源相连；使得角度发生器输出的角度θ，经幅度加权矩阵网络后得到的角度为

其中a为设置的控制参数。本发明通过在每一角度发生器与馈源之间设置幅度加权矩阵网络，可以随意灵活配置的实现从宽波束天线压缩为窄波束天线；本发明既不增加天线有效孔径长度，也不改变射频发射机波长。

Description

一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线及设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线及设计方法，属于雷达通信技术领域。

背景技术

在通信、雷达等应用中，天线的性能指标对系统性能指标往往有着决定性的影响，在实波束雷达、合成孔径雷达等超分辨成像应用中，天线的波束越窄，对目标的成像分辨能力越强。但是天线波束越窄，设计难度也越高，窄波束天线设计不仅受制于材料、设计、工艺、成本、尺寸、重量等约束，而且还受到天线安装位置、安装空间有限等因素的限制，很难进一步改善天线波束宽度，比如在防撞雷达中广泛使用的实波束天线，一般是机械扫描天线，天线的角度超分辨力取决于天线口径和波长，这两个指标确定以后，天线的波束宽度就确定下来。为了获得窄波束天线的优异性能，目前广泛采用的方法是把幅度和相位特征完全相同的两两为一组的宽波束天线排成阵列组合方式，通过阵列天线流型特征，获得较窄的指向性，从而使阵列天线具备超分辨能力，比如在二维DOA估计中广泛使用的“L形”均匀线阵、均匀面阵，一些子空间类超分辨算法，像MUSIC，ESPRIT等可以获得远场点源的超分辨角度信息，在MIMO毫米波雷达中，也是通过多个收发天线获得较窄回波信号，一些波束赋形类方法被使用，实现对目标超分辨测向。另一方面，在实波束船舶避障雷达中，一般只能安装一个波束相对较宽的机械扫描天线，无法通过阵列组合方式获得窄波束回波信号，所以不能实现对目标超分辨。如何压缩宽波束天线成为窄波束天线是一个非常有意义的课题。

阵列天线广泛用于雷达、通信和定位有关的应用中，比如MIMO毫米波雷达，广泛用于汽车(无人驾驶汽车)安全领域，实现对周围目标高精度测角，这种阵列天线使用多个接收天线，使用波束成形技术获得目标的角度信息，角度分辨能力取决于接收单元个数，个数越多，尺寸越大，成本越高，可维护性越差，计算实时性越复杂。在被动2D-DOA估计领域，多个接收天线按照一定的几何关系排列，构成一定的阵列构型，实现对远距离辐射源回波信号接收和处理，利用天线阵列流型获得信号子空间，再通过超分辨算法，实现目标超分辨测向，阵列天线能够实现超分辨测向，付出的代价是使用多个宽波束接收单元，导致系统复杂度、成本等大幅攀升。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线及设计方法，在不需要布置大规模天线阵列条件下，通过在空间域压缩宽波束天线从而获得窄波束天线。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线，包括角度发生器、移相网络、幅度加权矩阵网络及馈源，其中相邻两个角度发生器之间通过移相网络相连，每一角度发生器通过与其一一对应的幅度加权矩阵网络和所述馈源相连；使得角度发生器输出的角度θ，经幅度加权矩阵网络后得到的角度为

其中a为设置的控制参数。

进一步地，本发明所述幅度加权矩阵网络由相互并联的n条支路及加法器构成，其中第一条支路上依次设有平方生器和两个乘法器，第二条支路上依次设有四次方发生器和两个乘法器…第n条支路上设有2n次方发生器和两个乘法器，n条支路的输出共同连接到加法器。

一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线设计方法，具体过程为：

在每一角度发生器与馈源之间设置幅度加权矩阵网络，所述幅度加权矩阵网络由相互并联的n条支路及加法器构成，其中第一条支路上依次设有平方发生器和两个乘法器，第二条支路上依次设有四次方发生器和两个乘法器…第n条支路上设有2n次方发生器和两个乘法器，n条支路的输出共同连接到加法器；

设置第一条支路上的两个乘法器的系数为：

和a²，第二条支路上的两个乘法器的系数为

和a⁴，并依次类推，完成n条支路上的乘法器系数的设置，其中a为设置的控制参数；

设置加法器的一个输入端输入的系数为1，使得经加法器后输出的角度为

有益效果

本发明通过在每一角度发生器与馈源之间设置幅度加权矩阵网络，可以随意灵活配置地实现从宽波束天线压缩到窄波束天线；本发明既不增加天线有效孔径长度，也不改变射频发射机波长。

本发明相对于传统的阵列组合配置方法，实现宽波束天线压缩为窄波束天线的过程中，既不增加传感器成本、功耗、尺寸、重量，也不增加系统计算代价、存储代价。

本发明不需要配置大规模天线阵列就可实现超分辨测向，这种系统配置灵活，非常适合于不同需求的工程化应用。

附图说明

图1：(a)3个点目标回波(方位)信息，(b)频谱图；

图2：(a)宽波束天线接收信号时域图，(b)对应的频谱图；

图3：(a)宽波束天线信号离散序列时域图，(b)对应的频谱图；

图4：对回波信号进行反卷积后重构的点源方位角信息(宽波束天线)；

图5：(a)窄波束天线接收信号时域图，(b)对应的频谱图；

图6：(a)窄波束天线信号离散序列时域图，(b)对应的频谱图；

图7：对回波信号进行反卷积后重构的点源方位角信息(窄波束天线)；

图8：辛克函数以及尺度变换后的天线方向图；

图9：传统的贴片辐射单元经过馈源合成一个较窄的辛克波形；

图10：本发明窄波束天线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

宽波束接收天线回波信号方位角信息获取方法

假设雷达接收信号为带限信号，以实波束机械扫描天线为例，在一个宽波束范围内假设存在3个幅度相等相互靠近的点目标回波信号，一个位于原点(方位角为零度)，另两个分别左右等距离分置，它们的时域(方位)波形和频谱如图1(a)，(b)所示，从频谱图上可以看出在一个波束宽度内多个点目标在频域上频谱展宽，而且随着频率增长，信号能量在衰减，信号的主要能量集中在主瓣波束和第一旁瓣波束内

宽波束天线接收到信号的时域(方位)波形图和频谱图分别为f_w(t)和F_w(ω)，如图2(a)，(b)所示，这个过程执行的是时域卷积频域乘积的结果，卷积的作用是平滑滤波，结果导致从f_w(t)中不能分辨出3个回波信号的方位信息，在频域上F_w(ω)对应的是一个截止频率较低的窄带滤波器(如图2(b)所示)，所以只保留了主瓣波束宽度内信号的能量，而旁瓣能量全部滤除，这样经过反卷积后，只能得到方位角为零度的目标方位信息，而另两个目标回波信号由于能量损失，无法重构。图3(a),(b)展示的是天线接收信号f_w(t)经过ADC采样后的离散序列f_s,w(t)和频域波形图F_s,w(ω)，图中ω_m,w是宽波束天线接收信号的频谱宽度。当采样频率满足ω_s＞2ω_m,w时，离散序列周期谱可以借助于低通滤波器，从F_s,w(ω)中恢复

(见图3(b)虚线所示)，再通过逆傅里叶变换后得到

经过反卷积滤波器并满足一定的信噪比条件后，即可从

中恢复出点目标回波信号较强的信号的方位角信息，如图4所示。注意：宽波束天线无法实现对主瓣波束范围内多个等幅度目标的高分辨分离和重构，只有在信噪比满足一定的条件下，才能重构一个方位角接近零的回波信号方位信息。

窄波束接收天线回波信号方位角信息获取方法

窄波束天线接收信号的时域波形图和频谱图分别如图5(a)，(b)所示，它的离散序列在时域的波形图为f_s,n(t)，经过低通滤波后恢复的频域波形图为

如图6(a),(b)所示。从图6(b)中可以看出，窄波束天线在频域对应的低通滤波器的截止频率较宽波束天线对应的截止频率更大，也就是ω_m,n＞ω_m,w，所以是宽带滤波器，这个滤波器通带内包括了多个点目标回波信号谱的大部分能量，所以

经过逆傅里叶变换和模数转换后，就可以重构出原来的信号

经过反卷积滤波并满足一定的信噪比条件后，即可从

中重构出多个点目标回波信号的方位角信息，如图7所示。注意：在满足一定的信噪比条件下，窄波束天线实现了对主瓣波束宽度内多个等幅点目标的高分辨(方位角)成像。

比较图4和图7可以看到，窄波束天线可以实现同一波束角范围内对多个点源目标的高分辨成像，而宽波束天线则只能分辨方位角接近零度的点源目标，其他目标被天线固有的低通滤波特性过滤，无法实现超分辨能力。

基于以上分析，本发明在不改变天线结构工艺参数的情况下，从尺度变换角度和幂级数展开原理提出了一种窄波束天线。

不改变天线固有的结构工艺参数情况下，本发明窄波束天线构建思路为：

尺度变换的主要特征是时域上压缩，对应频域上的展宽，即

当a＞1时，f(at)将在时域(空域)压缩，对应的频谱将展宽，在同一波束内从而可以实现超分辨成像能力，受此特性的启发，以实波束雷达天线常用到的辛克函数为例，其天线方向图和尺度变换后的天线方向图如图8所示。

需要找到sinc(θ)和sinc(aθ)(a＞1)的关系，以便于找到一种方法和物理实现装置把宽波束天线压缩成窄波束天线，从而实现超分辨成像能力，因此对这两个函数进行幂级数展开

可以发现，当θ较小时，随着项数的增多，后面的项数值依次递减，对函数影响越来越小。根据不同应用对精度的不同要求，只需要取前n项就可以逼近某一角度下的辛克波形幅度。另外，也可以发现，当辛克函数和它的尺度变换函数展开成无穷幂级数形式(1)和(2)时，它们之间级数形式一一对应，仅仅相差了一系列常数系数{1,a²,a⁴,a⁶,…}项。对于实波束机械扫描天线来说，天线馈元阵列是由多个小的贴片辐射单元构成，每一个单元看成一个点源，每一个点源会产生一个宽波束辛克波形，许多个小的贴片辐射单元在满足一定的相位条件下，在馈源处合成为一个较窄辛克波形并辐射出去，见图9所示。

基于上述分析，本发明一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线，包括角度发生器、移相网络、幅度加权矩阵网络及馈源，其中相邻两个角度发生器之间通过移相网络相连，每一角度发生器通过与其一一对应的幅度加权矩阵网络和所述馈源相连；

幅度加权矩阵网络由相互并联的n条支路及加法器构成，其中第一条支路上依次设有平方发生器和两个乘法器，第二条支路上依次设有四次方发生器和两个乘法器…第n条支路上设有2n次方发生器和两个乘法器，n条支路的输出共同连接到加法器；使得角度发生器输出的角度θ，经幅度加权矩阵网络后得到的角度为

其中a为控制参数。

在本发明中使用角度发生器，移相网络，通过一个有限维数的幅度加权矩阵网络逼近每一个小的贴片辐射单元的辛克波形，再经过馈源合成为一个波束更窄的辛克波形，从而实现窄波束天线能量的辐射和接收，这种方法的优点是由于可以控制参数a的值，所以根据应用需求的不同，可以灵活配置天线波束宽度，完全颠覆了传统的窄波束天线的设计思路，成为一种可灵活配置的贴片辐射单元，大幅度扩展了它的应用范围。

下面以取公式(1)(2)的前四项逼近一个角度较小的辛克波形为例，构建一个有限幅度加权矩阵网络，角度发生器产生角度模拟信号，移相网络用于保证产生的各个模拟角度之间满足一定的相位关系，这跟传统的贴片辐射单元之间要满足一定的相位关系相类似，有限幅度加权矩阵网络是由平方发生器、四次方发生器、六次方发生器、乘法器和加法器网络构成，完成幅度加权运算，最终经过有限幅度加权矩阵网络后，在数值上逼近小的贴片辐射单元辐射的辛克波形，这样就可以实现灵活配置任意波束宽度的辛克波形，最后通过馈源合成一个窄波束辛克波形，实现天线收发功能，如图10所示。

在图10中，第i个贴片辐射单元输入的是模拟信号θ_i(t)，同步接入平方发生器、四次方发生器和六次方发生器，经过加权系数为固定常数(可以用ROM查找表配置)的乘法器后对模拟信号θ_i(t)进行第一次加权，然后经过加权系数为控制参数a_i的乘法器后进行第二次加权，这样平方发生器、四次方发生器和六次方发生器分别经过两次加权后，根据符号的变化送入一个加法器，加法器的另一个输入端接入系数1，这样加法器的输出就逼近sinc(θ_i)。每个贴片辐射单元均包括了基本结构参数完全相同的平方发生器、四次方发生器、六次方发生器、乘法器和加法器。假设实波束天线总共由n个贴片辐射单元构成，总共有m种不同的应用工作模式，考虑到把校准误差包括在内，在不同应用环境下，不同的贴片辐射单元对应的输出波形由系数a_i,j控制，i＝1,…,nj＝1,…,m，所以可以在存储器ROM中建立一个总共由m×n个控制系数构成的输出波形系数查找表，根据应用需求不同，在上电时实现灵活配置。

本发明一是从尺度变换原理证实了宽波束天线和窄波束天线存在空域压缩，频域展宽的特性。二是对它们进行幂级数展开后，发现了级数系数的分布规律，从而为硬件实现奠定了基础。三是利用角度发生器、移相网络、幅度加权矩阵网络实现了对小的贴片辐射单元波形逼近，从而实现了传统贴片单元辐射的功能，具有配置灵活、可产生窄带波束等优点，在雷达、通信中可以广泛应用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线，其特征在于，包括角度发生器、移相网络、幅度加权矩阵网络及馈源，其中相邻两个角度发生器之间通过移相网络相连，每一角度发生器通过与其一一对应的幅度加权矩阵网络和所述馈源相连；使得角度发生器输出的角度θ，经幅度加权矩阵网络后得到的角度为

其中a为设置的控制参数；

所述幅度加权矩阵网络由相互并联的n条支路及加法器构成，其中第一条支路上依次设有平方发生器和两个乘法器，第二条支路上依次设有四次方发生器和两个乘法器…第n条支路上设有2n次方发生器和两个乘法器，n条支路的输出共同连接到加法器。

2.一种基于压缩宽波束天线获得的窄波束天线设计方法，其特征在于，具体过程为：

在每一角度发生器与馈源之间设置幅度加权矩阵网络，所述幅度加权矩阵网络由相互并联的n条支路及加法器构成，其中第一条支路上依次设有平方生器和两个乘法器，第二条支路上依次设有四次方发生器和两个乘法器…第n条支路上设有2n次方发生器和两个乘法器，n条支路的输出共同连接到加法器；

设置第一条支路上的两个乘法器的系数为：

和a²，第二条支路上的两个乘法器的系数为

和a⁴，并依次类推，完成n条支路上的乘法器系数的设置，其中a为设置的控制参数；

设置加法器的一个输入端输入的系数为1，使得经加法器后输出的角度为

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