CN108988914B - 一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置及方法 - Google Patents

一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置及方法，针对在星间链路中，由于卫星的高速相对移动，受时空条件约束，使得星间链路具有通信时间短，传输数据量大的特点，本发明的太赫兹波由于传输速率高在短时间中可以传递大量的信息，其对准过程不需要机械条件的物理对准，仅依靠导频波入射即可诱导发射波束反向传输，实现通信过程的实时对准，确保了通信的可持续性。采用本发明可以使太赫兹通信节点间接入变得相对容易，而且系统不必采用太赫兹频段旋转关节或快速数控移相器等获取困难的部组件，可以解决太赫兹波束跟踪困难的问题。

Description

一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置及方法
技术领域
本发明涉及一种通信方法和装置，特别涉及一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置及方法，属于数据通信技术领域。
背景技术
在星间链路中，由于卫星的高速相对移动，使得星间链路具有通信时间短，传输数据量大的特点。太赫兹波由于传输速率高在短时间中可以传递大量的信息因此非常适用于星间通信。
目前由于太赫兹功率器件匮乏，通常采用高增益天线或天线阵来补偿太赫兹发射和接收功率的不足，这样会使得太赫兹波束非常的窄，因此接收和发射天线的对准就成了一个较大的问题。现有的对准系统一般都是人工观测接收信号强度并调节机械对准装置来完成对准，但是机械调节只能针对距离较近的收发系统，同时对于移动的收发系统无能为力。后又有研究者提出了一种基于单脉冲闭环跟踪的方法的太赫兹空间对准方法，该系统跟踪精度较高，但是需要伺服器进行机械偏转对准因此对准速度较慢，同时该对准系统结构较复杂，需要两级对准；因此也不适用与星间链路的高速时时通信。
发明内容
本发明解决的技术问题为：针对现有太赫兹通信跟踪对准技术的不足，提出一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置及方法，有效的克服了现有太赫兹通信系统难以对准，不能对目标进行时时跟踪的缺陷。解决了太赫兹跟踪对准过程需要人参与交互的繁琐和长周期的问题，解决了传统跟踪需要机械伺服配合，使得波束扫描速度和精度之间矛盾的问题。降低了系统的复杂度，提升了系统可靠性。
本发明解决的技术方案为：一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，包括：太赫兹发射天线阵(1)、太赫兹接收天线阵(2)、多个太赫兹相位共轭单元(3)；
太赫兹接收天线阵(2)接收到外部的入射波束，太赫兹接收天线阵(2)中的每个阵元将入射波束送至对应的太赫兹相位共轭单元(3)；
太赫兹相位共轭单元(3)，对入射波束先通过共轭混频进行下变频，下变频后的信号分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；另一路对下变频后的信号先进行低噪声放大、再对放大后的信号进行相位补偿，将相位补偿后的信号作为一次本振信号，进行混频，同时将一次本振信号的相位信息传递到混频后的信号中，将一次本振信号的混频信号，再进行太赫兹上变频，太赫兹上变频后的信号通过对应的太赫兹发射天线阵(1)的天线单元发送至外部，太赫兹上变频后的信号携带一次本振信号的相位信息，太赫兹上变频后的信号的相位与入射波束的相位共轭，太赫兹接收天线阵(2)的每个天线单元入射波束的相位与太赫兹发射天线阵(1)对应的天线单元的相位共轭，实现了波束回溯。
太赫兹发射天线阵(1)中天线单元(11)的天线单元数量与太赫兹接收天线阵(2)的天线单元(21)数量相等。
太赫兹发射天线阵(1)选用喇叭天线阵。
每个太赫兹相位共轭单元(3)，包括：太赫兹共轭本振源(31)、共轭混频器(32)、中频相位移相器(34)、中频共轭混频本振源(35)、太赫兹上变频器(36)、上变频本振(37)、中频共轭混频器(38)、中频混频器(39)；太赫兹共轭本振源(31)产生第一路本振信号送至共轭混频器(32)，共轭混频器(32)将太赫兹共轭本振源(31)产生本振信号的谐波与太赫兹接收天线阵(2)的天线单元送来的入射波束进行共轭混频，实现下变频，得到中频信号，将该中频信号功分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；另一路中频信号送至中频相位移相器(34)，中频相位移相器(34)对中频信号进行相位补偿，使得太赫兹相位共轭单元(3)输出信号的相位与入射波束的相位共轭；将相位补偿后的中频信号送至中频混频器(39)；
中频共轭混频本振源(35)产生第二路本振信号送至中频共轭混频器(38)；中频共轭混频器(38)将外部的基带信号与第二路本振信号进行共轭混频，产生射频信号送至中频混频器(39)，中频混频器(39)将中频相位移相器(34)输出的信号与中频共轭混频器(38)输出的射频信号进行混频，产生的射频信号送至太赫兹上变频器(36)，上变频本振(37)产生第三路本振信号送至太赫兹上变频器(36)，太赫兹上变频器(36)将第三路本振信号与中频混频器(39)产生的射频信号混频(中频混频器(39)输出的射频信号接入(36)的中频输入)，输出射频信号，该射频信号的相位与共轭混频器(32)接收的太赫兹接收天线阵(2)的天线单元送来的入射波束的相位共轭，将太赫兹上变频器(36)输出的射频信号送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元。
每个太赫兹相位共轭单元(3)还包括：正交模耦合器(33)，当使用正交模耦合器(33)时，太赫兹发射天线阵(1)和太赫兹接收天线阵(2)共用一个天线阵；太赫兹接收天线阵(2)的天线单元接收的入射波束通过正交模耦合器(33)送至共轭混频器(32)；太赫兹上变频器(36)输出的射频信号通过正交模耦合器(33)送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元发射至外部，正交模耦合器(33)实现了收发的极化隔离。
另一路中频信号通过低噪声放大器进行功率放大后进入中频相位移相器(34)。(提高中频相位移相器(34)输出信号的频率，从而提高)
中频混频器(39)产生的射频信号为双边带信号，对中频混频器(39)产生的射频信号先进行低噪声放大后，再进行带通滤波，得到需要的射频频带，将带通滤波后的信号送至太赫兹上变频器(36)。
太赫兹上变频器(36)输出的射频信号为双边带信号，对太赫兹上变频器(36)输出的射频信号进行带通滤波后，送至送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元或通过正交模耦合器(33)送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元进行发射。
中频相位移相器(34)工作于中频频率，用于补偿通道相位误差.
一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯方法，步骤如下：
(1)太赫兹接收天线阵(2)接收到外部的入射波束，太赫兹接收天线阵(2)中的每个阵元将入射波束送至对应的太赫兹相位共轭单元(3)；
(2)太赫兹相位共轭单元(3)，对入射波束先通过共轭混频进行下变频；
(3)对步骤(2)下变频后的信号分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；
(4)在步骤(3)进行的同时，对步骤(2)下变频后的信号的另一路对下变频后的信号先进行低噪声放大、再对放大后的信号进行相位补偿，
(5)将相位补偿后的信号作为一次本振信号，进行混频，同时将一次本振信号的相位信息传递到混频后的信号中，将一次本振信号的混频信号，再进行太赫兹上变频，
(6)太赫兹上变频后的信号通过对应的太赫兹发射天线阵(1)的天线单元发送至外部，太赫兹上变频后的信号携带一次本振信号的相位信息，太赫兹上变频后的信号的相位与入射波束的相位共轭，太赫兹接收天线阵(2)的每个天线单元单元入射波束的相位与太赫兹发射天线阵(1)对应的天线单元的相位共轭，实现了波束回溯。
本发明的相比于现有技术的有益效果在于：
(1)本发明具有通信速率高的特点，相较于传统采用微波通信的星间链路；本发明采用太赫兹波通信因此具有极高的通信速率；可以在短时间内传输大量的信息。
(2)本发明具有太赫兹波实时对准的特优点，相较于采用机械对准和负载的数字处理对准，本发明采用模拟电路实现来波的相位共轭，并将共轭波同发射天线阵发射，由于相位共轭波可以自动在来波方向实现最大辐射，因此完成了太赫兹波自动对准。
(3)本发明由于采用纯模拟电路实现相位共轭，因此可以对多个目标同时进行波束对准和通信。
(4)本发明由于各单元采用了相位的共轭收发，所以本发明可以降低天线单元间以及天线单元与反射面的工艺精度的要求。
(5)本发明太赫兹波本身频率非常高，采用传统2倍频本振的共轭混频方案，将必须产生更高频率的信号作为本振，难度非常大。本发明共轭混频在太赫兹射频部分采用了高低本振方案，没有采用传统共轭混频的2倍频本振方案，有效降低了对本振的技术要求。
(6)本发明的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯方法及装置，具有在不知道到来波方位的情况下自动转发一束波对准来波方向，整个过程不需要机械对准结构，也不需要复杂的数字处理，仅仅依靠模拟电路就能完成波束的对准，且反应速度快，可以对多个目标进行对准。
(7)本发明将方向回溯阵列用于星间太赫兹对准具有天然的优势。采用本发明可以使的太赫兹通信节点间接入变得相对容易，而且摆脱了因太赫兹频段旋转关节和快速数控移相器缺乏，造成太赫兹波束跟踪困难的问题。
附图说明
图1本发明的总系统框图；
图2本发明的太赫兹相位共轭单元框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置及方法，针对在星间链路中，由于卫星的高速相对移动，受时空条件约束，使得星间链路具有通信时间短，传输数据量大的特点，本发明的太赫兹波由于传输速率高在短时间中可以传递大量的信息，其对准过程不需要机械条件的物理对准，仅依靠导频波入射即可诱导发射波束反向传输，实现通信过程的实时对准，确保了通信的可持续性。采用本发明可以使太赫兹通信节点间接入变得相对容易，而且系统不必采用太赫兹频段旋转关节或快速数控移相器等获取困难的部组件，可以解决太赫兹波束跟踪困难的问题。
在星间链路中，由于卫星的高速相对移动，受时空条件约束，使得星间链路具有通信时间短，传输数据量大的特点，对此需要一种传输速率高容量大的数据传输技术。太赫兹波由于传输速率高在短时间中可以传递大量的信息非常适用于此场景。然而由于太赫兹频段功率获得难度高，发射系统发射功率受限，远距离通信往往需要高增益天线配合提升等效辐射功率，高增益天线使得太赫兹辐射波束非常窄，通信节点间跟踪对准变得非常困难。
针对传统的跟踪对准普遍采用人工手动对准、机械伺服对准等物理条件的对准方案，不仅响应速度低，而且长时间通信中持续跟踪变得异常困难。为此本发明提出一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置及方法，其对准过程不需要机械条件的物理对准，仅依靠导频波入射即可诱导发射波束反向传输，实现通信过程的实时对准，确保了通信的可持续性。
一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，系统结构如图1所示，包括：太赫兹发射天线阵(1)、太赫兹接收天线阵(2)、多个太赫兹相位共轭单元(3)；太赫兹接收天线阵(2)接收到拟接收本系统发射信号的外部节点的入射波束，太赫兹接收天线阵(2)中的每个阵元将入射波束送至对应的太赫兹相位共轭单元(3)；太赫兹相位共轭单元(3)，对入射波束先通过共轭混频进行下变频，下变频后的信号分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；另一路对下变频后的信号先进行低噪声放大、再对放大后的信号进行相位补偿，将相位补偿后的信号作为一次本振信号，进行混频，同时将一次本振信号的相位信息传递到混频后的信号中，将一次本振信号的混频信号，再进行太赫兹上变频，太赫兹上变频后的信号通过对应的太赫兹发射天线阵(1)的天线单元发送出去，太赫兹上变频后的信号携带一次本振信号的相位信息，太赫兹上变频后的信号的相位与入射波束的相位共轭，太赫兹接收天线阵(2)的每个天线单元入射波束的相位与太赫兹发射天线阵(1)对应的天线单元的相位共轭，实现了波束回溯。
太赫兹发射天线阵(1)中天线单元(11)的天线单元数量与太赫兹接收天线阵(2)的天线单元(21)数量相等，形成一对一的收发组合。太赫兹发射天线阵(1)选用喇叭天线阵或平面天线阵均可。
每个太赫兹相位共轭单元(3)，如图2所示，包括：太赫兹共轭本振源(31)、共轭混频器(32)、中频相位移相器(34)、中频共轭混频本振源(35)、太赫兹上变频器(36)、上变频本振(37)、中频共轭混频器(38)、中频混频器(39)。
太赫兹共轭本振源(31)产生第一路本振信号送至共轭混频器(32)，令本振频率为ω+ωIF，其中ωIF表示共轭混频器(32)输出的中频信号频率，共轭混频器(32)将太赫兹共轭本振源(31)产生本振信号的谐波与太赫兹接收天线阵(2)的天线单元送来的入射波束进行共轭混频，入射波束太赫兹频率为ω，实现下变频，得到中频信号，将该中频信号功分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；另一路中频信号送至中频相位移相器(34)，中频相位移相器(34)对中频信号进行相位补偿，令相位补偿为Δφ，使得太赫兹相位共轭单元(3)输出信号的相位与入射波束的相位共轭；将相位补偿后的中频信号送至中频混频器(39)；中频共轭混频本振源(35)产生第二路本振信号送至中频共轭混频器(38)；中频共轭混频器(38)将外部携带用户信息的基带信号(可用高速DAC产生数字调制基带信号或直接将微波频段的射频信号作为基带信号)与第二路本振信号进行共轭混频，产生射频信号送至中频混频器(39)，中频混频器(39)将中频相位移相器(34)输出的信号与中频共轭混频器(38)输出的射频信号进行混频，产生的射频信号送至太赫兹上变频器(36)，上变频本振(37)产生第三路本振信号送至太赫兹上变频器(36)，第三路本振的频率为ω2，太赫兹上变频器(36)将第三路本振信号与中频混频器(39)产生的射频信号混频，输出射频信号，该射频信号的相位与共轭混频器(32)接收的太赫兹接收天线阵(2)的天线单元送来的入射波束的相位共轭，将太赫兹上变频器(36)输出的射频信号送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元。此处，中频混频器(39)输出的射频信号作为太赫兹上变频器(36)的中频信号输入。
每个太赫兹相位共轭单元(3)还包括：正交模耦合器(33)，当使用正交模耦合器(33)时，太赫兹发射天线阵(1)和太赫兹接收天线阵(2)共用一个天线阵；太赫兹接收天线阵(2)的天线单元接收的入射波束通过正交模耦合器(33)送至共轭混频器(32)；太赫兹上变频器(36)输出的射频信号通过正交模耦合器(33)送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元发射至外部，正交模耦合器(33)实现了收发的极化隔离。
因中频相位移相器(34)输出的信号将作为中频混频器(39)的本振信号工作，所以中频相位移相器(34)输入的“另一路中频信号”，需要经过低噪声放大器对信号功率进行放大，提高中频相位移相器(34)输出信号的频率，既补偿了中频相位移相器(34)的插入损耗，又可保证中频混频器(39)可靠工作。
太赫兹接收天线阵(2)的天线单元与太赫兹发射天线阵(1)的天线单元优选为交叉布置，一个太赫兹接收天线阵(2)的天线单元和一个太赫兹发射天线阵(1)的天线单元作为一组、依次排列，
太赫兹发射天线阵(1)的天线单元列与对应的一个太赫兹接收天线阵(2)的天线单元列平行放置；
太赫兹共轭本振源(31)、上变频本振(37)和中频共轭混频本振(35)为同源驱动信号源，确保各阶段变频过程中信号的相干性，减少附加相位的抖动性。
中频相位移相器(34)优选工作于中频频率，用于补偿通道相位误差；
其中，中频混频器(39)产生的射频信号为双边带信号，对中频混频器(39)产生的射频信号先进行低噪声放大后，再进行带通滤波，得到需要的射频频带，将带通滤波后的信号送至太赫兹上变频器(36)。太赫兹上变频器(36)输出的射频信号也为双边带信号，对太赫兹上变频器(36)输出的射频信号进行带通滤波后，送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元或通过正交模耦合器(33)送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元进行发射。
中频相位移相器(34)工作于中频频率，用于补偿通道相位误差，并且通过对中频相位移相器(34)的调整使得整个系统的相位传递关系满足系统发射信号与接到的信号相位成共轭关系。
一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯方法，具体实施方式如下：
(1)太赫兹接收天线阵(2)接收到外部的入射波束，太赫兹接收天线阵(2)中的每个阵元将入射波束送至对应的太赫兹相位共轭单元(3)；
(2)太赫兹相位共轭单元(3)，对入射波束先通过共轭混频进行下变频；
(3)对步骤(2)下变频后的信号分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；
(4)在步骤(3)进行的同时，对步骤(2)下变频后的信号的另一路对下变频后的信号先进行低噪声放大、再对放大后的信号进行相位补偿，
(5)将相位补偿后的信号作为一次本振信号，进行混频，同时将一次本振信号的相位信息传递到混频后的信号中，将一次本振信号的混频信号，再进行太赫兹上变频，
(6)太赫兹上变频后的信号通过对应的太赫兹发射天线阵(1)的天线单元发送至外部，太赫兹上变频后的信号携带一次本振信号的相位信息，太赫兹上变频后的信号的相位与入射波束的相位共轭，太赫兹接收天线阵(2)的每个天线单元入射波束的相位与太赫兹发射天线阵(1)对应的天线单元的相位共轭，实现了波束回溯。
(7)如本发明图2右下角时钟配置关系所示，发明涉及的系统全局需保持时钟的统一性，既所有混频器的本振信号需保持同源。
为了更好的对本发明中的技术方案做出详细说明，本申请结合实施例中的附图作进一步介绍。
优选方案为，参照附图1。第一步：当另一收发系统上的波束捷变发射天线的波束扫描到第二收发系统上的太赫兹接收天线阵后，如图1入射波束，太赫兹接收天线阵的每个阵元将接收到的信号送至多个太赫兹相位共轭单元。
第二步：如图2所示，每一路太赫兹相位共轭单元首先将接收到的信号通过共轭混频进行下变频，由本振谐波减去射频得到中频，在下变频的同时完成相位共轭；同时将携带信息的中频信号分两路：第一路用于信息解调，第二路用于后续中频信息加载的本振。此处共轭混频的过程将出现中频的频谱镜像，因此后续加载中频时需要在中频完成第二共轭混频过程：基带模块产生的中频矢量信号，经过中频共轭混频器实现频谱的镜像，到达另一端的接收端时，共轭混频的谱则为正常谱。然后再将中频通过调制解调并再上变频到太赫兹频段，最后信号经过放大后送至到太赫兹发射天线阵的每个阵元并辐射出去。
第三步：由于本发明所述收发系统转发的太赫兹信号和接收到的太赫兹信号是相位共轭关系，该转发信号会在来波方向形成高增益波束，因此会指向另一侧发射系统，从而完成整个通信过程。
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。
本发明具有通信速率高的特点，相较于传统采用微波通信的星间链路；本发明采用太赫兹波通信因此具有极高的通信速率；可以在短时间内传输大量的信息。
相较于采用机械对准和负载的数字处理对准本发明具有太赫兹波实时对准的特优点，本发明采用模拟电路实现来波的相位共轭，并将共轭波同发射天线阵发射，由于相位共轭波可以自动在来波方向实现最大辐射，因此完成了太赫兹波自动对准。
由于采用纯模拟电路实现相位共轭，因此可以对多个目标同时进行波束对准和通信。
由于各单元采用了相位的共轭收发，所以本发明可以降低天线单元间以及天线单元与反射面的工艺精度的要求。
太赫兹波本身频率非常高，采用传统2倍频本振的共轭混频方案，将必须产生更高频率的信号作为本振，难度非常大。本发明共轭混频在太赫兹射频部分采用了高低本振方案，没有采用传统共轭混频的2倍频本振方案，有效降低了对本振的技术要求。
本发明太赫兹频段共轭混频采用了高低本振的方案，避免了2倍频本振的共轭混频需要更高频率的问题，降低了对太赫兹本振技术的需求。
如上所述，入射波束的射频信号为：
Vrf1＝Arf1cos(ωt+φ)
其中，Arf1表示入射波束的射频信号幅度，t表示信号传播时间，φ表示入射波束的射频信号初相，φ为入射波束太赫兹信号到达共轭混频器(32)时的相位，共轭本振信号为：
Vlo1＝Alo1cos[(ω+ωIF)t]
其中，Alo1表示共轭本振信号的幅度，ωIF表示共轭混频器(32)输出的中频信号频率；
经过共轭混频器(32)混频后，产生两个信号：
Figure BDA0001782020660000111
和
Figure BDA0001782020660000112
显然第一个信号不能在中频条件下存活。此时中频信号的相位信息为射频信号的共轭。
经过一系列中频处理电路(一系列中频处理电路指中频相位移相器(34)、中频共轭混频本振源(35)、太赫兹上变频器(36)、上变频本振(37)、中频共轭混频器(38)、中频混频器(39)以及信号在各部件间传递的传输线)处理后，当信号到达太赫兹上变频器(36)时信号变为：
VIF＝Acos[cos(ωIF+ωbase)t-φ+φ']
其中，A表示经过一系列中频处理电路处理后，当信号到达太赫兹上变频器(36)时信号幅度。
其中φ'为一系列中频处理电路叠加的相位偏移(不包括中频相位移相器(34)对中频信号进行相位补偿)。上变频本振(37)产生第三路本振信号送至太赫兹上变频器(36)，第三路本振的频率为ω2，此时混频结果为：
VRF＝A'cos[cos(ω2+ωIF+ωbase)t-φ+φ'+φ”]
其中，ωbase表示中频混频器(39)输入的中频信号频率。
其中φ”为太赫兹上变频器(36)产生的相位偏移，A'为信号幅度，为保证收发同频且相位共轭，需要满足如下条件：
(1)上变频本振(37)产生第三路本振信号：
ω2＝ω-ωIF-ωbase
(2)中频相位移相器(34)对中频信号进行相位补偿，相位补偿Δφ：
Δφ＝-φ'-φ”
最终确保输出信号为：
Vrf1 tx＝Arf1 txcos(ωt-φ)
其中Vrf1 tx为太赫兹相位共轭单元(3)输出信号，Arf1 tx为太赫兹相位共轭单元(3)输出信号的幅度，ω太赫兹相位共轭单元(3)输出信号的频率，t太赫兹相位共轭单元(3)输出信号传播时间，φ太赫兹相位共轭单元(3)输出信号的初相。
针对本发明开展了相关验证实验，测试结果验证发明方案的正确性和可行性。在±10°范围将测试设备围绕发明涉及的装置进行滑轨实验，结果表明通信可以持续保持，且无速率下降的现象。
本发明具有通信速率高的特点，相较于传统采用微波通信的星间链路；本发明采用太赫兹波通信因此具有极高的通信速率；可以在短时间内传输大量的信息，本发明具有太赫兹波实时对准的特优点，相较于采用机械对准和负载的数字处理对准，本发明采用模拟电路实现来波的相位共轭，并将共轭波同发射天线阵发射，由于相位共轭波可以自动在来波方向实现最大辐射，因此完成了太赫兹波自动对准。
本发明由于采用纯模拟电路实现相位共轭，因此可以对多个目标同时进行波束对准和通信，本发明由于各单元采用了相位的共轭收发，所以本发明可以降低天线单元间以及天线单元与反射面的工艺精度的要求。本发明太赫兹波本身频率非常高，采用传统2倍频本振的共轭混频方案，将必须产生更高频率的信号作为本振，难度非常大。本发明共轭混频在太赫兹射频部分采用了高低本振方案，没有采用传统共轭混频的2倍频本振方案，有效降低了对本振的技术要求。
本发明的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯方法及装置，具有在不知道到来波方位的情况下自动转发一束波对准来波方向，整个过程不需要机械对准结构，也不需要复杂的数字处理，仅仅依靠模拟电路就能完成波束的对准，且反应速度快，可以对多个目标进行对准。本发明将方向回溯阵列用于星间太赫兹对准具有天然的优势。采用本发明可以使的太赫兹通信节点间接入变得相对容易，而且摆脱了因太赫兹频段旋转关节和快速数控移相器缺乏，造成太赫兹波束跟踪困难的问题。

Claims (10)

1.一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于包括：太赫兹发射天线阵(1)、太赫兹接收天线阵(2)、多个太赫兹相位共轭单元(3)；
太赫兹接收天线阵(2)接收到外部的入射波束，太赫兹接收天线阵(2)中的每个阵元将入射波束送至对应的太赫兹相位共轭单元(3)；
太赫兹相位共轭单元(3)，对入射波束先通过共轭混频进行下变频，下变频后的信号分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；另一路对下变频后的信号先进行低噪声放大、再对放大后的信号进行相位补偿，将相位补偿后的信号作为一次本振信号，进行混频，同时将一次本振信号的相位信息传递到混频后的信号中，将一次本振信号的混频信号，再进行太赫兹上变频，太赫兹上变频后的信号通过对应的太赫兹发射天线阵(1)的天线单元发送至外部，太赫兹上变频后的信号携带一次本振信号的相位信息，太赫兹上变频后的信号的相位与入射波束的相位共轭，太赫兹接收天线阵(2)的每个天线单元单元入射波束的相位与太赫兹发射天线阵(1)对应的天线单元的相位共轭，实现了波束回溯。
2.根据权利要求1所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于：太赫兹发射天线阵(1)中天线单元(11)的天线单元数量与太赫兹接收天线阵(2)的天线单元(21)数量相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于：太赫兹发射天线阵(1)选用喇叭天线阵。
4.根据权利要求1所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于：每个太赫兹相位共轭单元(3)，包括：太赫兹共轭本振源(31)、共轭混频器(32)、中频相位移相器(34)、中频共轭混频本振源(35)、太赫兹上变频器(36)、上变频本振(37)、中频共轭混频器(38)、中频混频器(39)；
太赫兹共轭本振源(31)产生第一路本振信号送至共轭混频器(32)，共轭混频器(32)将太赫兹共轭本振源(31)产生本振信号的谐波与太赫兹接收天线阵(2)的天线单元送来的入射波束进行共轭混频，实现下变频，得到中频信号，将该中频信号功分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；另一路中频信号送至中频相位移相器(34)，中频相位移相器(34)对中频信号进行相位补偿，使得太赫兹相位共轭单元(3)输出信号的相位与入射波束的相位共轭；将相位补偿后的中频信号送至中频混频器(39)；
中频共轭混频本振源(35)产生第二路本振信号送至中频共轭混频器(38)；中频共轭混频器(38)将外部的基带信号与第二路本振信号进行共轭混频，产生射频信号送至中频混频器(39)，中频混频器(39)将中频相位移相器(34)输出的信号与中频共轭混频器(38)输出的射频信号进行混频，产生的射频信号送至太赫兹上变频器(36)，上变频本振(37)产生第三路本振信号送至太赫兹上变频器(36)，太赫兹上变频器(36)将第三路本振信号与中频混频器(39)产生的射频信号混频，输出射频信号，该射频信号的相位与共轭混频器(32)接收的太赫兹接收天线阵(2)的天线单元送来的入射波束的相位共轭，将太赫兹上变频器(36)输出的射频信号送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元。
5.根据权利要求4所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于：每个太赫兹相位共轭单元(3)还包括：正交模耦合器(33)，当使用正交模耦合器(33)时，太赫兹发射天线阵(1)和太赫兹接收天线阵(2)共用一个天线阵；太赫兹接收天线阵(2)的天线单元接收的入射波束通过正交模耦合器(33)送至共轭混频器(32)；太赫兹上变频器(36)输出的射频信号通过正交模耦合器(33)送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元发射至外部，正交模耦合器(33)实现了收发的极化隔离。
6.根据权利要求4所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于：另一路中频信号通过低噪声放大器进行功率放大后进入中频相位移相器(34)。
7.根据权利要求4所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于：中频混频器(39)产生的射频信号为双边带信号，对中频混频器(39)产生的射频信号先进行低噪声放大后，再进行带通滤波，得到需要的射频频带，将带通滤波后的信号送至太赫兹上变频器(36)。
8.根据权利要求4所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于：太赫兹上变频器(36)输出的射频信号为双边带信号，对太赫兹上变频器(36)输出的射频信号进行带通滤波后，送至送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元或通过正交模耦合器(33)送至对应的太赫兹发射天线阵(1)中的天线单元进行发射。
9.根据权利要求4所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置，其特征在于：中频相位移相器(34)工作于中频频率，用于补偿通道相位误差。
10.根据权利要求1所述的一种基于双共轭混频的太赫兹通信波束回溯装置的波束回溯方法，其特征在于步骤如下：
(1)太赫兹接收天线阵(2)接收到外部的入射波束，太赫兹接收天线阵(2)中的每个阵元将入射波束送至对应的太赫兹相位共轭单元(3)；
(2)太赫兹相位共轭单元(3)，对入射波束先通过共轭混频进行下变频；
(3)对步骤(2)下变频后的信号分为两路，一路对下变频后的信号进行解调，解调出入射波束携带的信息；
(4)在步骤(3)进行的同时，对步骤(2)下变频后的信号的另一路对下变频后的信号先进行低噪声放大、再对放大后的信号进行相位补偿，
(5)将相位补偿后的信号作为一次本振信号，进行混频，同时将一次本振信号的相位信息传递到混频后的信号中，将一次本振信号的混频信号，再进行太赫兹上变频，
(6)太赫兹上变频后的信号通过对应的太赫兹发射天线阵(1)的天线单元发送至外部，太赫兹上变频后的信号携带一次本振信号的相位信息，太赫兹上变频后的信号的相位与入射波束的相位共轭，太赫兹接收天线阵(2)的每个天线单元单元入射波束的相位与太赫兹发射天线阵(1)对应的天线单元的相位共轭，实现了波束回溯。
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