CN109037972B - 一种基于二重时间调制的天线复权重馈电网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二重时间调制的天线复权重馈电网络，该网络包括N个二重时间调制复权重馈电单元，FPGA控制电路和1‑N功分器。所述二重时间调制复权重馈电单元，用于完成对网络的单边带幅度和相位加权；所述FPGA控制电路，用于发出周期时间序列来控制所述二重时间调制复权重馈电单元；所述1‑N功分器，用于对所述N个二重时间调制复权重馈电单元进行馈电。本发明基于时间调制技术，通过FPGA电路发出周期性的控制信号改变射频开关的状态，能使天线在无需可变增益放大器和移相器的情况下同时完成馈电网络的幅度和相位加权。

Description

一种基于二重时间调制的天线复权重馈电网络
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及一种基于二重时间调制的天线复权 重馈电网络。
背景技术
无论是军用领域还是民用领域，未来无线系统正朝着综合化、智能化的方向 高速发展。天线是决定无线系统功能与性能的关键器件，未来无线系统逐渐增长 的应用需求给天线带来了新的挑战与机遇。在应用需求的推动下，非常规天线阵 和多模天线单元成为天线技术中的研究热点。这类天线包括各种新型的有重要应 用前景的阵元级方向图分集天线阵、相位中心可电控天线阵、非常规结构相控阵、 单射频通道数字波束形成天线阵以及多模电扫天线单元等。这些天线一个共同的 关键技术是包括幅度和相位两个维度的可电控复权重馈电网络。
时间调制天线是一种基于时间调制技术的四维天线，通过对三维阵列天线引 入时间维，将接入阵元中的高速射频开关按照预定的工作时序去控制每一个天线 单元的工作状态，使天线阵的状态随时间变化，即具有时间调制特性，从而增加 天线阵设计的自由度，实现结构的简化和成本的降低。
时间调制天线阵将天线单元的幅度和相位加权改用时间调制的方式完成，从 而简化其馈电网络。然而当前的时间调制阵列能单独实现对幅度的调制，或者单 独实现对相位的调制，这导致时间调制技术在很多场合的应用中受到很大的限 制。相控阵是当前先进雷达和通信系统的主流研究方向，其馈电网络通常既需要 移相器构成的相位权重器，又需要通过馈电网络的功分器或可变增益放大器进行 幅度加权，整体复杂度高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二重时间调制的天线复权重馈电网络，在不 增加成本和复杂度的基础上实现馈电网络的幅度和相位同时加权。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于二重时间调制的天线复权重馈 电网络，包括N个二重时间调制复权重馈电单元，FPGA控制电路，1-N功分器； 其中，N为自然数。
所述二重时间调制复权重馈电单元，用于完成对网络的单边带幅度和相位加 权。
所述FPGA控制电路，用于发出周期时间序列来控制所述二重时间调制复权 重馈电单元。
所述1-N功分器，用于对所述N个二重时间调制复权重馈电单元进行馈电。
所述的N个二重时间调制复权重馈电单元的射频端口与1-N功分器相连， 所述N个二重时间调制复权重馈电单元的控制信号端口与FPGA控制电路相连。
进一步地，所述二重时间调制复权重馈电单元，包括单刀三掷射频开关、第 一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器、第一微带延迟线、第二微带延迟线、 第一单刀双掷射频开关阵列、第二单刀双掷射频开关阵列、第一0/180°移相器、 第二0/180°移相器、固定90°移相器、第一端口和第二端口；所述第一端口通过 所述单刀三掷射频开关的三个输出端口与所述第一威尔金森功分器、第一微带延 迟线、第二微带延迟线相连；所述第一威尔金森功分器、第一单刀双掷射频开关 阵列、第一0/180°移相器、第二单刀双掷射频开关阵列、固定90°移相器、第二 威尔金森功分器、第二端口依次相连；所述第一微带延迟线、第一单刀双掷射频 开关阵列、第一0/180°移相器、第二单刀双掷射频开关阵列、固定90°移相器、 第二威尔金森功分器、第二端口依次相连；所述第一威尔金森功分器、第一单刀 双掷射频开关阵列、第二0/180°移相器、第二单刀双掷射频开关阵列、固定90° 移相器、第二威尔金森功分器、第二端口依次相连；所述第二微带延迟线、第一 单刀双掷射频开关阵列、第二0/180°移相器、第二单刀双掷射频开关阵列、固定 90°移相器、第二威尔金森功分器、第二端口依次相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)本发明应用不同时间序列实 现二重时间调制复权重和单重时间调制相位权重或幅度权重；2)本发明采用二 重时间调制复权重简化了馈电网络，并降低了成本和功耗；3)本发明对边频的 抑制效果好；4)本发明作为幅度权重单独使用，具有低动态范围比的优点，且 可实现低SLL和低DRR的相控阵天线。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明二重时间调制的天线复权重馈电网络示意图。
图2为本发明二重时间调制复权重馈电单元硬件结构示意图。
图3为本发明实施例的二重时间调制的天线复权重相控阵示意图。
图4为本发明实施例的时间调制阵列中单个二重时间调制复权重馈电单元 的相位加权时间控制序列的示意图。
图5为本发明实施例的时间调制阵列中所有二重时间调制复权重馈电单元 的相位加权时间控制序列的示意图。
图6为本发明实施例的时间调制阵列中所有二重时间调制复权重馈电单元 的幅度加权时间控制序列的示意图。
图7为本发明实施例的工作+1次边带指向0°时的辐射方向图和其它主要边 带的辐射方向图。
图8为本发明实施例的工作+1次边带指向20°时的辐射方向图和其它主要 边带的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
结合图1，一种基于二重时间调制的天线复权重馈电网络，包括N个二重时 间调制复权重馈电单元，FPGA控制电路，1-N功分器；其中，N为自然数。
二重时间调制复权重馈电单元，用于完成对网络的单边带幅度和相位加权；
FPGA控制电路，用于发出周期时间序列来控制所述二重时间调制复权重馈 电单元；
1-N功分器，用于对N个二重时间调制复权重馈电单元进行馈电。
N个二重时间调制复权重馈电单元的射频端口与1-N功分器相连，N个二重 时间调制复权重馈电单元的控制信号端口与FPGA控制电路相连。
结合图2，二重时间调制复权重馈电单元，包括单刀三掷射频开关2、第一 威尔金森功分器3、第二威尔金森功分器11、第一微带延迟线4、第二微带延迟 线5、第一单刀双掷射频开关阵列6、第二单刀双掷射频开关阵列9、第一0/180° 移相器7、第二0/180°移相器8、固定90°移相器10、第一端口1和第二端口12。 其中第一端口1通过单刀三掷射频开关2的三个输出端口与第一威尔金森功分器 3、第一微带延迟线4、第二微带延迟线5相连；第一威尔金森功分器3、第一单 刀双掷射频开关阵列6、第一0/180°移相器7、第二单刀双掷射频开关阵列9、 固定90°移相器10、第二威尔金森功分器11、第二端口12依次相连；第一微带 延迟线4、第一单刀双掷射频开关阵列6、第一0/180°移相器7、第二单刀双掷 射频开关阵列9、固定90°移相器10、第二威尔金森功分器11、第二端口12依 次相连；第一威尔金森功分器3、第一单刀双掷射频开关阵列6、第二0/180°移 相器8、第二单刀双掷射频开关阵列9、固定90°移相器10、第二威尔金森功分 器11、第二端口12依次相连；第二微带延迟线5、第一单刀双掷射频开关阵列 6、第二0/180°移相器8、第二单刀双掷射频开关阵列9、固定90°移相器10、第 二威尔金森功分器11、第二端口12依次相连。
单刀三掷射频开关2、第一单刀双掷射频开关阵列6控制第一威尔金森功分 器3、第一微带延迟线4、第二微带延迟线5的连接状态；第一单刀双掷射频开 关阵列6、第二单刀双掷射频开关阵列9控制第一0/180°移相器7、第二0/180° 移相器8的连接状态。
FPGA控制电路，用于发出周期时间序列来控制所述二重时间调制复权重馈 电单元，具体为：FPGA控制电路对单刀三掷射频开关2、第一单刀双掷射频开 关阵列6以及第二单刀双掷射频开关阵列9的导通状态进行周期性控制。
实施例
本发明提出的二重时间调制馈电网络在很多应用场合具有应用价值，其中相 控阵是其中的一种重要应用。下面我们结合图3及其实施例，对该二重时间调制 馈电网络在相控阵中的应用做进一步详细说明。
结合图3，为本发明实施例的二重时间调制的复权重相控阵示意图。二重时 间调制的复权重相控阵由N个二重时间调制复权重馈电单元以及相连的N个天 线单元、FPGA控制电路、1-N功分器组成。二重时间调制复权重馈电单元受到 来自FPGA控制电路发出的周期时间序列的控制，能同时完成对网络的单边带幅 度和相位加权。
示例性的，本发明中由N个天线单元构成的整个时间调制天线阵的规模可 以是的任意一种需要的一维或二维阵列，例如本实施例中将N具体化为8，采用 一维8单元的天线阵列，并与8个二重时间调制复权重馈电单元对应相连。
结合图2，二重时间调制复权重馈电单元，包括单刀三掷射频开关2、第一 威尔金森功分器3、第二威尔金森功分器11、第一微带延迟线4、第二微带延迟 线5、第一单刀双掷射频开关阵列6、第二单刀双掷射频开关阵列9、第一0/180° 移相器7、第二0/180°移相器8、固定90°移相器10、第一端口1和第二端口12。 其中第一端口1通过单刀三掷射频开关2的三个输出端口与第一威尔金森功分器 3、第一微带延迟线4、第二微带延迟线5相连；第一威尔金森功分器3、第一单 刀双掷射频开关阵列6、第一0/180°移相器7、第二单刀双掷射频开关阵列9、 固定90°移相器10、第二威尔金森功分器11、第二端口12依次相连；第一微带 延迟线4、第一单刀双掷射频开关阵列6、第一0/180°移相器7、第二单刀双掷 射频开关阵列9、固定90°移相器10、第二威尔金森功分器11、第二端口12依 次相连；第一威尔金森功分器3、第一单刀双掷射频开关阵列6、第二0/180°移 相器8、第二单刀双掷射频开关阵列9、固定90°移相器10、第二威尔金森功分 器11、第二端口12依次相连；第二微带延迟线5、第一单刀双掷射频开关阵列 6、第二0/180°移相器8、第二单刀双掷射频开关阵列9、固定90°移相器10、第 二威尔金森功分器11、第二端口12依次相连。
单刀三掷射频开关2、第一单刀双掷射频开关阵列6控制第一威尔金森功分 器3、第一微带延迟线4、第二微带延迟线5的连接状态；第一单刀双掷射频开 关阵列6、第二单刀双掷射频开关阵列9控制第一0/180°移相器7、第二0/180° 移相器8的连接状态。
FPGA控制电路，用于发出周期时间序列来控制二重时间调制复权重馈电单 元，具体为：FPGA控制电路对单刀三掷射频开关2、第一单刀双掷射频开关阵 列6以及第二单刀双掷射频开关阵列9的导通状态进行周期性控制。
结合图4，本实施例的单个二重时间调制复权重馈电单元内部的单刀三掷射 频开关2(SW1)、第一单刀双掷射频开关阵列6(SW2，SW3，SW4，SW5)、 第二单刀双掷射频开关阵列9(SW6，SW7)的时间控制序列根据各开关连接端 口的不同，在一个周期中可分为A，B，C，D，E，F，G，H共8种状态。开关 的控制序列由FPGA控制电路产生并输入到单刀三掷射频开关2、第一单刀双掷 射频开关阵列6以及第二单刀双掷射频开关阵列9。
结合图5，本实施例中所有二重时间调制复权重馈电单元都具有参照图2相 同的开关时间控制序列和对应的A，B，C，D，E，F，G，H共8种状态。通过 FPGA控制电路的控制，相邻二重时间调制复权重馈电单元中的时间控制序列之 间产生Δt的时间差，其满足：
Figure BDA0001673616770000061
式中，
Figure BDA0001673616770000062
为相邻二重时间调制复权重馈电单元产生的相位差，即天线单元 之间的相位差；Tp为开关控制序列的周期，β为自由空间波束，d为天线单元间 距，θ0为天线阵列的波束指向。通过FPGA控制电路实现△t的高精度控制，可以 实现二重时间调制的复权重相控阵的高精度波束扫描。
结合图6，本实施例中二重时间调制复权重馈电单元通过周期性的通断实现 天线阵列的幅度加权，各二重时间调制复权重馈电单元导通时长占总时长的时间 之比就是对应天线单元的幅度加权值之比。各二重时间调制复权重馈电单元的时 间控制序列之间也存在经过优化算法得到的时间差，从而抑制边带辐射。本实施 例中，二重时间调制复权重馈电单元同时完成对网络的单边带幅度和相位加权， 所以依照图6的幅度加权时间控制序列，其导通时将参照图4中各开关时间控制 序列工作，其它时间则为断路。为了抑制其它边带确保单边带的性能，幅度加权 时间控制序列的周期Tm为相位加权时间控制序列的周期Tp的1/n，即Tm＝Tp/n.示 例性的，本实施例中Tm＝Tp/16。
示例性的，本实施例中的二重时间调制复权重馈电单元通过第一单刀双掷射 频开关阵列6和第二单刀双掷射频开关阵列9中的SW4，SW5，SW6，SW7分 别两组连接第一0/180°移相器7和第二0/180°移相器8的同一路(即分别连接l， h，n，j)或不同路(即分别连接l，i，n，k)，实现二重时间调制复权重馈电单 元的周期性地导通和断路，进而实现其幅度加权功能。
结合图7和图8，二重时间调制的复权重相控阵的工作边带+1次谐波的辐射 方向图在波束指向0°和20°的情况下，其副瓣增益约为-30dB，其它主要边带辐 射增益约为-16dB。
本发明基于时间调制技术，通过FPGA电路发出周期性的控制信号改变射频 开关的状态，能使天线在无需可变增益放大器和移相器的情况下同时完成馈电网 络的幅度和相位加权。

Claims (3)

1.一种基于二重时间调制的天线复权重馈电网络，其特征在于：包括N个二重时间调制复权重馈电单元，FPGA控制电路，1-N功分器；其中，N为自然数；
所述二重时间调制复权重馈电单元，用于完成对网络的单边带幅度和相位加权；包括单刀三掷射频开关(2)、第一威尔金森功分器(3)、第二威尔金森功分器(11)、第一微带延迟线(4)、第二微带延迟线(5)、第一单刀双掷射频开关阵列(6)、第二单刀双掷射频开关阵列(9)、第一0/180°移相器(7)、第二0/180°移相器(8)、固定90°移相器(10)、第一端口(1)和第二端口(12)；所述第一端口(1)通过所述单刀三掷射频开关(2)的三个输出端口与所述第一威尔金森功分器(3)、第一微带延迟线(4)、第二微带延迟线(5)相连；所述第一威尔金森功分器(3)、第一单刀双掷射频开关阵列(6)、第一0/180°移相器(7)、第二单刀双掷射频开关阵列(9)、固定90°移相器(10)、第二威尔金森功分器(11)、第二端口(12)依次相连；所述第一微带延迟线(4)、第一单刀双掷射频开关阵列(6)、第一0/180°移相器(7)、第二单刀双掷射频开关阵列(9)、固定90°移相器(10)、第二威尔金森功分器(11)、第二端口(12)依次相连；所述第一威尔金森功分器(3)、第一单刀双掷射频开关阵列(6)、第二0/180°移相器(8)、第二单刀双掷射频开关阵列(9)、固定90°移相器(10)、第二威尔金森功分器(11)、第二端口(12)依次相连；所述第二微带延迟线(5)、第一单刀双掷射频开关阵列(6)、第二0/180°移相器(8)、第二单刀双掷射频开关阵列(9)、固定90°移相器(10)、第二威尔金森功分器(11)、第二端口(12)依次相连；
所述FPGA控制电路，用于发出周期时间序列来控制所述二重时间调制复权重馈电单元；
所述1-N功分器，用于对所述N个二重时间调制复权重馈电单元进行馈电；
所述的N个二重时间调制复权重馈电单元的射频端口与1-N功分器相连，所述N个二重时间调制复权重馈电单元的控制信号端口与FPGA控制电路相连。
2.根据权利要求1所述的基于二重时间调制的天线复权重馈电网络，其特征在于，所述单刀三掷射频开关(2)、第一单刀双掷射频开关阵列(6)控制所述第一威尔金森功分器(3)、第一微带延迟线(4)、第二微带延迟线(5)的连接状态；所述第一单刀双掷射频开关阵列(6)、第二单刀双掷射频开关阵列(9)控制所述第一0/180°移相器(7)、第二0/180°移相器(8)的连接状态。
3.根据权利要求2所述的基于二重时间调制的天线复权重馈电网络，其特征在于，所述FPGA控制电路，用于发出周期时间序列来控制所述二重时间调制复权重馈电单元，具体为：FPGA控制电路对所述单刀三掷射频开关(2)、第一单刀双掷射频开关阵列(6)以及第二单刀双掷射频开关阵列(9)的导通状态进行周期性控制。
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