CN110635248B - 基于周期相位调制的相控阵测向天线及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于周期相位调制的相控阵测向天线及其使用方法，包括：天线单元1和数字移相器2，数字移相器2与天线单元1一一相连，对天线单元1收发的射频信号的相位进行周期性的调制。本发明对相控阵天线的移相器进行周期性相位调制，通过对接收信号的频谱特征进行分析来获得信号的入射方向，能对无线电来波方向进行快速高精度估计，测向速度快，尤其适用于需要对目标方向进行测定的相控阵雷达、通信和电子对抗系统中。

Description

基于周期相位调制的相控阵测向天线及其使用方法
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种基于周期相位调制的相控阵测向天线及其使用方法。
背景技术
相控阵天线具有波束指向灵活、方向图可控制等优点，并已大量应用于通信系统中。随着WiFi 6技术以及5G移动通信技术的普及，毫米波相控阵将越来越多地应用于室内短距移动通信系统中，需要实时的测量和跟踪移动用户的方向。在现有利用相控阵天线进行通信的系统中，常采用锥形波束扫描或者和差波束方法确定通信系统之间的相对位置。虽然相控阵具有波束捷变特性，但完成一次锥形波束扫描仍需要相当的时间，影响通信系统的传输效率。对于和差波束方法，虽然其具有瞬时测向的能力，但要求待测信号为窄带甚至是单频信号，另一方面，其对和差波束的相位中心的稳定性要求很高。
综上，现有的相控阵测向方法存在测向时间长、对相控阵硬件要求高等问题，需要进一步探索快速、高精度的相控阵测向技术。
专利文献CN109782268A公开了一种基于相控阵和差波束测角的目标跟踪捕获方法及装置，所述方法包括：对跟踪目标进行捕获；若判断获知捕获成功，则对所述跟踪目标进行跟踪；若判断获知捕获失败，则按照预设的波位排列形式调整波束指向，继续对来波方向进行捕获。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于周期相位调制的相控阵测向天线及其使用方法。
根据本发明提供的一种基于周期相位调制的相控阵测向天线，包括：天线单元1和数字移相器2，数字移相器2与天线单元1一一相连，对天线单元1收发的射频信号的相位进行周期性的调制。
优选地，还包括数字衰减器3，数字衰减器3与数字移相器2一一相连，对射频信号进行幅度控制。
优选地，还包括合路器4、混频器5、射频本振6、低通滤波器7和模数转换器8；
所有数字衰减器3与所述合路器4连接，混频器5、低通滤波器7和模数转换器8依次连接，射频本振6与混频器5连接。
优选地，还包括FPGA器件9，FPGA器件9与模数转换器8以及数字移相器2连接，通过FPGA器件9对数字移相器2进行控制。
优选地，FPGA器件9在一个相位调制周期内，使数字移相器2产生的每个相位状态的持续时间相等。
优选地，对于第n个天线单元1的数字移相器2，在一个调制周期Tp内，仅在[(n-1)/Tp,n/Tp]的时间段内，数字移相器2的状态置为0°，在其余的时间段内，数字移相器2的状态置为180°。
根据本发明提供的一种基于周期相位调制的相控阵测向天线的使用方法，采用上述的基于周期相位调制的相控阵测向天线，对天线单元1收发的射频信号的相位进行周期性的调制，通过分析周期相位调制后产生的谐波的特征来估计射频信号的入射方向。
优选地，将多次得到的射频信号的入射方向的估计值取算术平均作为最终估计值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明对相控阵天线的移相器进行周期性相位调制，通过对接收信号的频谱特征进行分析来获得信号的入射方向，能对无线电来波方向进行快速高精度估计，测向速度快，尤其适用于需要对目标方向进行测定的相控阵雷达、通信和电子对抗系统中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中8个单元通道上的移相器的调制时序；
图3为本发明实施例中基波分量与前7次谐波分量的方向图；
图4为本发明实施例中信号入射方向为-25°时，接收信号的归一化频谱；
图5为本发明实施例中信号入射方向为-25°时，利用式(13)计算得到的信号入射角度的估计值；
图6为本发明实施例中信号入射方向为+40°时，接收信号的归一化频谱；
图7为本发明实施例中信号入射方向为+40°时，利用式(13)计算得到的信号入射角度的估计值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种基于周期相位调制的相控阵测向天线，包括：天线单元1、数字移相器2、数字衰减器3、合路器4、混频器5、射频本振6、低通滤波器7、模数转换器8和FPGA器件9。
数字移相器2与天线单元1一一相连，对天线单元1收发的射频信号的相位进行周期性的调制。数字衰减器3与数字移相器2一一相连，对射频信号进行幅度控制。所有数字衰减器3与所述合路器4连接，混频器5、低通滤波器7和模数转换器8依次连接，射频本振6与混频器5连接。FPGA器件9与模数转换器8以及数字移相器2连接，通过FPGA器件9对数字移相器2进行控制。FPGA器件9在一个相位调制周期内，使数字移相器2产生的每个相位状态的持续时间相等。对于第n个天线单元1的数字移相器2，在一个调制周期Tp内，仅在[(n-1)/Tp,n/Tp]的时间段内，数字移相器2的状态置为0°，在其余的时间段内，数字移相器2的状态置为180°。
其实现测向的过程如下：首先，假定载频为Fc的单频信号从远场入射到N单元一维均匀排布的相控阵上，信号的入射方向为θ。对相控阵各单元上的数字移相器进行周期性相位调制，其调制周期为Tp。对于第n个单元通道，在一个调制周期Tp内，从τn,on到τn,off时刻，通过数字移相器设置其相移量为0°。在其他时间内，通过数字移相器设置其相移量为180°。假定第n个通道上的天线单元接收到的信号的幅度和相位分别为An和
Figure GDA0002973432100000032
经过周期性相位调制后，第n个单元上收到的信号为：
Figure GDA0002973432100000031
其中，K为对应载频Fc的波数，D为阵元间距。Un(t)为周期函数，表示如下：
Figure GDA0002973432100000041
根据傅里叶级数的性质，周期函数Un(t)可展开如下：
Figure GDA0002973432100000042
其中，αn,k为第n个单元上第k次谐波的傅里叶系数，可用下式计算：
Figure GDA0002973432100000043
经过合路器后，接收到的信号可表示为：
Figure GDA0002973432100000044
对合路后的信号进行FFT变换，可得到基波分量γ0和谐波分量γk(k＝1,2,...,N-1)。由于合路后的信号中的第k次谐波分量等于各单元上接收到的第k次谐波分量之和，可得：
Figure GDA0002973432100000045
Figure GDA0002973432100000046
将式(6)和式(7)写成线性方程组形式如下：
Figure GDA0002973432100000047
设：
Figure GDA0002973432100000048
Figure GDA0002973432100000051
则阵列流形矢量可通过矩阵求逆计算为：
Figure GDA0002973432100000052
设[·]m表示向量的第m个元素，则由式(11)可得
Figure GDA0002973432100000053
由式(12)可估计信号的入射方向：
Figure GDA0002973432100000054
并将N-1次估计的平均值作为最终的测向结果，即：
Figure GDA0002973432100000055
与现有相控阵测向技术相比，本发明的优点是1)精度高，2)测向速度快。
实施例：基于周期相位调制的8单元相控阵测向
假定8单元均匀排布的相控阵处于接收状态。相控阵的工作频率为1GHz，阵元间距为半波长。对相控阵的8个单元上的移相器进行周期性相位调制，调制周期Tp为100ns。对于第n个单元上的移相器，在一个调制周期Tp内，仅在[(n-1)/Tp,n/Tp]的时间段内，将数字移相器的状态置为0°，在其余的时间段内，将数字移相器的状态置为180°。8个单元通道上的移相器的状态时序参考图2。
在上述的调制时序下，当单频信号入射到相控阵上时，会产生各次谐波分量，且谐波分量之间的间隔等于调制频率(10MHz)。其中基波分量与前7次谐波分量的方向图如图3所示。
如前所述，本发明利用周期性相位调制后产生的谐波分量与调制时序的数学关系来估计信号的入射方向。当信号从-25°方向入射时，采集20个调制周期的信号进行FFT变换来计算接收信号的频谱(信噪比为20dB)，得到的接收信号的归一化频谱如图4所示。
利用式(13)估计信号的入射方向，得到7次估计结果如图5所示。将7次估计的结果取算术平均作为最终的估计值，即利用本发明的方法测得的信号入射角度为-25.018°。类似的，设置信号的入射角为+40°，信噪比为20dB，同样采集20个调制周期的信号进行FFT变换来计算接收信号的频谱，得到的接收信号的归一化频谱如图6所示。
利用式(13)估计信号的入射方向，得到7次估计结果如图7所示。将7次估计的结果取算术平均作为最终的估计值，即利用本发明的方法测得的信号入射角度为39.94°。
本发明还提供的一种基于周期相位调制的相控阵测向天线的使用方法，采用上述的基于周期相位调制的相控阵测向天线，对天线单元1收发的射频信号的相位进行周期性的调制，通过分析周期相位调制后产生的谐波的特征来估计射频信号的入射方向。
将多次得到的射频信号的入射方向的估计值取算术平均作为最终估计值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种基于周期相位调制的相控阵测向天线，其特征在于，包括：天线单元(1)和数字移相器(2)，数字移相器(2)与天线单元(1)一一相连，对天线单元(1)收发的射频信号的相位进行周期性的调制；
还包括数字衰减器(3)，数字衰减器(3)与数字移相器(2)一一相连，对射频信号进行幅度控制；
还包括合路器(4)、混频器(5)、射频本振(6)、低通滤波器(7)和模数转换器(8)；
所有数字衰减器(3)与所述合路器(4)连接，混频器(5)、低通滤波器(7)和模数转换器(8)依次连接，射频本振(6)与混频器(5)连接；
还包括FPGA器件(9)，FPGA器件(9)与模数转换器(8)以及数字移相器(2)连接，通过FPGA器件(9)对数字移相器(2)进行控制；
FPGA器件(9)在一个相位调制周期内，使数字移相器(2)产生的每个相位状态的持续时间相等；
对于第n个天线单元(1)的数字移相器(2)，在一个调制周期Tp内，仅在[(n-1)/Tp,n/Tp]的时间段内，数字移相器(2)的状态置为0°，在其余的时间段内，数字移相器(2)的状态置为180°。
2.一种基于周期相位调制的相控阵测向天线的使用方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于周期相位调制的相控阵测向天线，对天线单元(1)收发的射频信号的相位进行周期性的调制，通过分析周期相位调制后产生的谐波的特征来估计射频信号的入射方向。
3.根据权利要求2所述的基于周期相位调制的相控阵测向天线的使用方法，其特征在于，将多次得到的射频信号的入射方向的估计值取算术平均作为最终估计值。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111427006A (zh) * 2020-04-27 2020-07-17 北京交通大学 一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法
CN111537947A (zh) * 2020-05-12 2020-08-14 上海交通大学 单射频通道空间谱估计测向系统与方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5257030A (en) * 1987-09-22 1993-10-26 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Antenna system
WO2006110026A1 (en) * 2005-04-14 2006-10-19 Stichting Astron Antenna system and method for changing a resulting polarisation of an antenna beam
CN105206934A (zh) * 2015-09-08 2015-12-30 安徽华东光电技术研究所 一种相控阵接收天线系统及其运行方法
CN106526532A (zh) * 2016-10-31 2017-03-22 电子科技大学 一种基于四维天线阵的多普勒测向装置
CN109471064A (zh) * 2018-09-18 2019-03-15 上海交通大学 基于脉冲压缩技术的时间调制阵列测向系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2039325C3 (de) * 1970-08-07 1981-05-27 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Einrichtung zur selbsttätigen Korrektur von frequenzabhängigen Pfeilfehlern infolge Beeinflussung des antennensystems bei Zweikanalsichtfunkpeilern
JPS62241404A (ja) * 1986-04-14 1987-10-22 Mitsubishi Electric Corp アダプテイブアンテナ
US6535180B1 (en) * 2002-01-08 2003-03-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Antenna receiving system and method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5257030A (en) * 1987-09-22 1993-10-26 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Antenna system
WO2006110026A1 (en) * 2005-04-14 2006-10-19 Stichting Astron Antenna system and method for changing a resulting polarisation of an antenna beam
CN105206934A (zh) * 2015-09-08 2015-12-30 安徽华东光电技术研究所 一种相控阵接收天线系统及其运行方法
CN106526532A (zh) * 2016-10-31 2017-03-22 电子科技大学 一种基于四维天线阵的多普勒测向装置
CN109471064A (zh) * 2018-09-18 2019-03-15 上海交通大学 基于脉冲压缩技术的时间调制阵列测向系统

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