CN109586035A - 一种相控阵天线波束控制系统 - Google Patents

一种相控阵天线波束控制系统 Download PDF

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朱勤辉
张�林
赵星
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2682—Time delay steered arrays
    • H01Q3/2694—Time delay steered arrays using also variable phase-shifters

Abstract

一种相控阵天线波束控制系统，相控阵天线上设有移相器和延时器，相控阵天线的子阵级上两个移相器通道对应一个延时器。通过延时剩余法计算出移相器控制码，再利用中频随动法计算移相码。本发明在延时剩余法的基础上，提出了中频随动法，中频随动法能够在不改变延时器的硬件设计基础上，通过算法优化，改进天线宽带指向误差、增益、栅瓣等指标。这种算法不仅具有更好的适应性，而且能够改善天线宽带方向图性能。

Description

一种相控阵天线波束控制系统
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种相控阵天线波束控制系统。
背景技术
目前市场上的相控阵雷达瞬时带宽较宽的具有抗干扰、分辨率高、截获概率低等诸多优点。所以，在无源探测、目标识别、遥感测距，信号隐蔽等雷达领域具有广泛应用。但仅采用移相器调整波束指向的相控阵天线，其波束指向会出现色散现象，这严重制约了天线瞬时带宽性能。而且随着雷达功能的增加、性能的大幅提高，对天线系统的带宽都提出了更高的要求，多功能雷达试验系统的工作带宽已经达到了6GHz～18GHz。为保证更宽的带内性能，延时器的复杂度势必提高。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种相控阵天线波束控制系统。
相控阵天线上设有移相器和延时器，相控阵天线的子阵级上两个移相器通道对应一个延时器，通过延时剩余法计算出移相器控制码，再利用中频随动法计算移相码，体步骤如下：
步骤1：设相控阵天线的子阵级的延时器所对应的延时通道的数量为奇数，且所述延时通道采用关于阵列中心对称设计，即得相控阵天线的坐标规则；并将移相器坐标步进设置为2。
步骤2：推算波控码，设定相控阵天线的子阵级系统为坐标系，辐射法线方向为+Y，法线方向扫描角θ为0°，向+X方向扫描为正，向—X方向扫描为负；所述相控阵天线单元间距为△x。
步骤3：设延时器最低位波长步进数为Dstep，通过对中心频率f0进行设计；设延时器基态为不延迟，其他态为延迟；即时间为滞后。
步骤4：设延时器的位数为d，移相器的坐标为n，延时器的坐标为m，得出延时器所需要的理论延时量为
步骤5：通过延时器最低为波长步进以及延时坐标中心对称的设计，得到量化后的延时控制码为
步骤6：取延时控制码在[Dmin，Dmax]的取值范围，进一步推算延时控制码得
D′b(θ，m)＝max(Dmin，Db(θ，m))
D″b(θ，m)＝max(Dmin，D′b(θ，m))
D″b(θ，m)为最终的延时波波控控制码。
步骤7：将延时控制码量化，使得每个相控阵天线的子阵级都存在一个延时剩余量，该剩余量计算公式如下
所述延时剩余量由相控阵天线的子阵级内的移相器实现。
步骤8：移相器使用非频率相关的形式，设定移相器的基态为不移相，其他态为相位滞后式移相，移相器所需理论移相量为
且移相器最低位相位步进为
因此可得移相器控制码为
根据延时器与移相器的控制码，单个相控阵天线的通道最终在频率为fc时的传输相位为
步骤9：使用中频随动法计算瞬时信号带宽会在一个较大的工作频带内移动的情况，在控制码计算过程中，移相码计算根据瞬时信号中心频率fd进行随动，即
进一步地，步骤4中延时器最大的延时控制码为
Dmax＝2d-1
最小的延时控制码为
Dmin＝0。
进一步地，步骤4中C为自由空间电磁波传播速度；
为根据延时器位数、步进、中心频率计算的延时范围中心值。
更进一步地，步骤5中round为四舍五入函数。
有益效果：宽带相控阵天线在顺势宽带工作模式下，天线方向图的波束指向不可避免出现色散现象，可在相控阵天线的子阵级采用延时器以改善色散问题。针对延时器、移相器控制码的计算方法，本发明在延时剩余法的基础上，提出了中频随动法，中频随动法能够在不改变延时器的硬件设计基础上，通过算法优化，改进天线宽带指向误差、增益、栅瓣等指标。这种算法不仅具有更好的适应性，而且能够改善天线宽带方向图性能。
附图说明
图1为相控阵天线的子阵级系统原理图
图2为相控阵天线的坐标规则
图3为相控阵天线的子阵级系统的坐标系
具体实施方式
根据附图所得，相控阵天线上设有移相器和延时器，相控阵天线的子阵级上两个移相器通道对应一个延时器，通过延时剩余法计算出移相器控制码，再利用中频随动法计算移相码，体步骤如下：
步骤1：设相控阵天线的子阵级的延时器所对应的延时通道的数量为奇数，且所述延时通道采用关于阵列中心对称设计，即得相控阵天线的坐标规则；并将移相器坐标步进设置为2。
步骤2：推算波控码，设定相控阵天线的子阵级系统为坐标系，辐射法线方向为+Y，法线方向扫描角θ为0°，向+X方向扫描为正，向-X方向扫描为负；所述相控阵天线单元间距为Δx。
步骤3：设延时器最低位波长步进数为Dstep，通过对中心频率f0进行设计；设延时器基态为不延迟，其他态为延迟；即时间为滞后。
步骤4：设延时器的位数为d，移相器的坐标为n，延时器的坐标为m，得出延时器所需要的理论延时量为
步骤5：通过延时器最低为波长步进以及延时坐标中心对称的设计，得到量化后的延时控制码为
步骤6：取延时控制码在[Dmin，Dmax]的取值范围，进一步推算延时控制码得
D′b(θ，m)＝max(Dmin，Db(θ，m))
D″b(θ，m)＝max(Dmin，D′b(θ，m))
D″b(θ，m)为最终的延时波波控控制码。
步骤7：将延时控制码量化，使得每个相控阵天线的子阵级都存在一个延时剩余量，该剩余量计算公式如下
所述延时剩余量由相控阵天线的子阵级内的移相器实现。
步骤8：移相器使用非频率相关的形式，设定移相器的基态为不移相，其他态为相位滞后式移相，移相器所需理论移相量为
且移相器最低位相位步进为
因此可得移相器控制码为
根据延时器与移相器的控制码，单个相控阵天线的通道最终在频率为fc时的传输相位为
步骤9：使用中频随动法计算瞬时信号带宽会在一个较大的工作频带内移动的情况，在控制码计算过程中，移相码计算根据瞬时信号中心频率fd进行随动，即
在步骤4中延时器最大的延时控制码为
Dmax＝2d-1
最小的延时控制码为
Dmin＝0。
步骤4中C为自由空间电磁波传播速度。
为根据延时器位数、步进、中心频率计算的延时范围中心值。
步骤5中round为四舍五入函数。
中心频率修正后，子阵内移相器的中频扫描角会修正到sin－1(sinθfd/f0)，与阵因子一致，而且延时剩余针对频率fd重新计算剩余相位。该修正使移相器的移相状态更加匹配瞬时信号带宽的实际窗口，有效改善天线方向图的增益、指向精度、量化瓣等指标。
举例分析如下：
设定：fd/f0＝0.85，fc/f0＝0.8，Dstep＝1，Δx＝0.5C/f0，d＝4，p＝+∞。移相器位数设为正无穷大，用以排除移相器量化的影响。天线单元数为30，最大扫描角度为45°，仿真分析fc＝0.8f0，fd修正前后，波束分别从0°～45°扫描时的指误差以及增益变化。经统计，fd优化前后的指向误差均方根分别为0.320°和0.087°；fd优化前后的增益平均值分别为19.29dB和19.80dB。

Claims (4)

1.一种相控阵天线波束控制系统，其特征在于：相控阵天线上设有移相器和延时器；所述相控阵天线的子阵级上两个移相器通道对应一个延时器；通过延时剩余法计算出移相器控制码，再利用中频随动法计算移相码；
具体步骤如下：
步骤1：设相控阵天线的子阵级的延时器所对应的延时通道的数量为奇数，且所述延时通道采用关于阵列中心对称设计，即得相控阵天线的坐标规则；并将移相器坐标步进设置为2；
步骤2：推算波控码，设定相控阵天线的子阵级系统为坐标系，辐射法线方向为+Y，法线方向扫描角θ为0°，向+X方向扫描为正，向—X方向扫描为负；所述相控阵天线单元间距为△x；
步骤3：设延时器最低位波长步进数为Dstep，通过对中心频率f0进行设计；设延时器基态为不延迟，其他态为延迟；即时间为滞后；
步骤4：设延时器的位数为d，移相器的坐标为n，延时器的坐标为m，得出延时器所需要的理论延时量为
步骤5：通过延时器最低为波长步进以及延时坐标中心对称的设计，得到量化后的延时控制码为
步骤6：取延时控制码在[Dmin，Dmax]的取值范围，进一步推算延时控制码得
D′b(θ,m)＝max(Dmin，Db(θ,m))
D″b(θ,m)＝max(Dmin，D′b(θ,m))
D″b(θ,m)为最终的延时波波控控制码；
步骤7：将延时控制码量化，使得每个相控阵天线的子阵级都存在一个延时剩余量，该剩余量计算公式如下
所述延时剩余量由相控阵天线的子阵级内的移相器实现；
步骤8：移相器使用非频率相关的形式，设定移相器的基态为不移相，其他态为相位滞后式移相，移相器所需理论移相量为
且移相器最低位相位步进为
因此可得移相器控制码为
根据延时器与移相器的控制码，单个相控阵天线的通道最终在频率为fc时的传输相位为
步骤9：使用中频随动法计算瞬时信号带宽会在一个较大的工作频带内移动的情况，在控制码计算过程中，移相码计算根据瞬时信号中心频率fd进行随动，即
2.如权利要求1所述的一种相控阵天线波束控制系统，其特征在于：步骤4中延时器最大的延时控制码为
Dmax＝2d-1
最小的延时控制码为
Dmin＝0。
3.如权利要求2所述的一种相控阵天线波束控制系统，其特征在于：步骤4中C为自由空间电磁波传播速度；
为根据延时器位数、步进、中心频率计算的延时范围中心值。
4.如权利要求1所述的一种相控阵天线波束控制系统，其特征在于：步骤5中round为四舍五入函数。
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