CN112003016B - 基于功率对消的时间调制幅相控制系统、方法及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于功率对消的时间调制幅相控制系统、方法及其控制方法，包括：多路功率分配网络、射频开关、射频移相模块和数字控制模块；多个所述射频开关与所述功率分配网络连接；所述多个射频开关分别与多个所述射频移相模块连接；多个所述射频移相模块与所述功率分配网络连接；多个所述射频开关与所述数字控制模块连接。本发明所述的幅相控制方法可以实现对通道内射频信号实现连续、高精度的幅相控制，从而拓宽时间调制幅相控技术对于射频信号的使用带宽范围。

Description

基于功率对消的时间调制幅相控制系统、方法及其控制方法

技术领域

本发明涉及天线工程技术领域，具体地，涉及一种基于功率对消的时间调制幅相控制系统、方法及其控制方法，更为具体地，涉及基于时间调制天线阵系统，实现对宽带射频信号的高精度幅度和相位控制功能。

背景技术

传统的相控阵天线大都使用高精度的幅度衰减器和移相器来实现窄波束、低零陷和超低副瓣等各种高难度性能指标，但在实际加工和测试中，为了满足这些性能指标，通常需要对阵列的结构精度，馈电网络精度，移相器精度和各通道之间动态激励范围和一致性有着极其严格的要求。为了达到这些极端的要求，通常会大幅增加馈电网络复杂度和加工难度。同时，为了合成理想的方向图和实现精确的波束扫描，相控阵天线需要使用大量的移相器和衰减器，急剧的增加了系统的成本，最终这些问题将会给相控阵天线应用带来极大的阻碍。

时间调制技术是一种在射频前端加入周期性调制的射频开关的新型天线阵列技术。其通过调节不同射频通道中开关的占空比比例与传统天线阵列中幅度加权比例相一致来实现方向图综合。由于将时间因素作为一个独立的维度引入天线阵列的设计，相对应于传统天线阵列在空间的三个维度，其也被称为四维天线阵列。时间调制阵列的优势在于通过控制开关在单位周期内闭合状态下的占空比，将部分幅度激励的能量转移到时间激励上，并通过在时间上进行累积达到相同加权的效果。同时，谐波中所含有的相位加权项使其可以进一步实现传统移相器的功能。因此，其作为一种低成本、低复杂度、高精度的幅相控制技术对于相控阵天线的推广具有重要的意义。

现有的通过时间调制技术实现幅相控制的模块(申请号：201910621333.9)(申请号：CN201910876639.9)中，存在幅相调控时系统无混叠传输带宽严重降低的问题。由于上述两个专利中幅度和相位加权脉冲的起始和终止点位置都是通过对射频开关的开和关状态的控制来实现的。而开关的最快切换周期是由其物理特性决定的固定值，若对单位周期内的信号进行较低的幅度加权，必须以延长调制周期的长度的代价，这极大地降低了系统可以传输信号的带宽。以开关的最快切换周期为T_p＝10ns为例，无幅度加权需求时，调制频率可以达到F_p＝1/T_p＝100MHz，系统无混叠传输带宽为100MHz。当有幅度加权需求时，假设幅度加权时占空比最小通道与占空比最大通道的比值为1/10，则幅相控制的调制周期将提高到10T_p，而调制频率的最大值只能达到F_p＝0.1/T_p＝10MHz，此时系统无混叠传输带宽则降低为10MHz。

为保证时间调制幅相控制时，系统无混叠传输带宽不受较大的影响，本发明公开了一种基于时间调制和功率对消的宽带射频信号幅度相位控制方法。该系统利用射频开关进行周期性时间调制和固定相位延迟线对输入射频信号的部分功率对消以实现对射频通道内信号的幅度和相位的控制，可以提供脉冲长度小于射频开关最短切换周期的时域脉冲，从而对通道内射频信号实现连续、高精度的幅相控制，从而拓宽了时间调制幅相控技术对于射频信号的使用带宽范围。

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功率对消的时间调制幅相控制系统、方法及其控制方法。

根据本发明提供的一种基于功率对消的时间调制幅相控制系统，包括：多路功率分配网络、射频开关、射频移相模块和数字控制模块；

多个所述射频开关与所述功率分配网络连接；所述多个射频开关分别与多个所述射频移相模块连接；多个所述射频移相模块与所述功率分配网络连接；多个所述射频开关与所述数字控制模块连接。

优选地，所述射频开关包括单刀多掷射频开关或单刀单掷射频开关。

优选地，所述射频移相模块包括数字移相器或固定相位延迟线。

优选地，所述射频移相模块包括2个，所述2个射频移相模块相位差为预设值。

优选地，还包括采用可重构功率分配网络替代多路功率分配网络和射频开关。

优选地，所述数字控制模块周期性控制射频开关，利用射频移相模块对输入射频信号进行功率对消处理，实现对射频通道内信号的幅度和相位的控制；

所述数字控制模块通过周期性时间调制函数控制射频开关，当2个射频开关处于不同状态时，则不对输入射频信号做功率对消处理；当2个射频开关同时处于开状态时，则输入射频信号经由2个所述射频移相模块移相和合路后实现功率对消。

优选地，所述数字控制模块产生的周期性时间调制函数等效为矩形脉冲函数。

优选地，所述功率对消包括在调制周期T_p内，当脉冲占空比τ<1/2时，则启动功率对消，两个射频开关处于打开状态，功率对消时间为(1-τ)T_p；当脉冲占空比τ>1/2时，不启动功率对消。

根据本发明提供的一种基于功率对消的时间调制幅相控制方法，运用上述所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统执行如下步骤：

步骤M1：功率分配网络将输入信号功率等分并传输至不同射频通道；

步骤M2：数字控制模块通过预设的时序控制不同射频通道中射频开关的状态，实现对输入信号的周期性调制；

步骤M3：不同射频通道的信号经过射频开关调制后经过不同的射频移相模块实现相位平移，得到相移后的信号；

步骤M4：相移后的信号经过功率分配网络对不同射频通道信号进行合路。

根据本发明提供的一种基于功率对消的时间调制幅相控制系统的控制方法，运用上述所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统执行如下步骤：

步骤S1：根据幅度衰减目标计算调制时序和通道内脉冲占空比；

步骤S2：根据调制时序和通道内脉冲占空比选择基于功率对消的时间调制幅相控制系统的工作状态；

步骤S3：将最终确定的调制时序和脉冲占空比的控制信号写入数字控制模块并对基于功率对消的时间调制幅相控制系统实施周期性调制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过功率对消技术，可以提供脉冲长度小于射频开关最短切换周期的时域脉冲，从而对通道内射频信号实现连续、高精度的幅相控制，从而拓宽时间调制幅相控技术对于射频信号的使用带宽范围；

2、本发明有两种工作状态，可以任意调节不同的工作状态和射频通道，保证系统可以融合在不同的时间调制系统中工作并具有最优的使用带宽范围。

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为基于功率对消的时间调制幅相控制系统框架图；

图2为基于功率对消的时间调制幅相控制系统组成的类单边带时间调制模块框架图；

图3为基于类单边带时间调制模块组成的阵列天线幅相调控系统；

图4为基于阵列天线幅相调控系统基波合成低副瓣方向图的调制时序；

图5为调制时序下法相方向的频谱；

图6为调制时序下的基波方向图。

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。

实施例1

根据本发明提供的一种基于功率对消的时间调制幅相控制系统，包括：两路功率分配网络、射频开关、射频移相模块和数字控制模块；

2个所述射频开关与所述功率分配网络连接；所述2个射频开关分别与2个所述射频移相模块连接；2个所述射频移相模块与所述功率分配网络连接；2个所述射频开关与所述数字控制模块连接。

具体地，所述射频开关包括单刀多掷射频开关或单刀单掷射频开关。

具体地，所述射频移相模块包括数字移相器或固定相位延迟线。

具体地，所述固定相位延迟线包括2个，所述2个固定相位延迟线相位差为预设值。

具体地，还包括采用可重构功率分配网络替代多路功率分配网络和射频开关。

具体地，所述数字控制模块周期性控制射频开关，利用射频移相模块对输入射频信号进行功率对消处理，实现对射频通道内信号的幅度和相位的高精度控制；

所述数字控制模块通过周期性时间调制函数控制射频开关，当2个射频开关处于不同状态时，则不对输入射频信号做功率对消处理；此时等效于传统射频开关该种状态下开关可以选择打开两个相差为预设值的任一通道；当2个射频开关同时处于开状态时，则输入射频信号经由2个所述射频移相模块移相和合路后实现功率对消。不同状态下的幅度和相位加权值都取决于数字控制模块的控制时序。

具体地，所述数字控制模块产生的周期性时间调制函数等效为矩形脉冲函数。

具体地，所述功率对消包括在调制周期T_p内，当脉冲占空比τ<1/2时，则启动功率对消，两个射频开关处于打开状态，功率对消时间为(1-τ)T_p；当脉冲占空比τ>1/2时，不启动功率对消。所述的幅相控制方法的调制周期最低可以达到开关最快切换周期的两倍。

根据本发明提供的一种基于功率对消的时间调制幅相控制方法，运用上述所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统执行如下步骤：

步骤M1：功率分配网络将输入信号功率等分并传输至不同射频通道；

步骤M2：数字控制模块通过预设的时序控制不同射频通道中射频开关的状态，实现对输入信号的周期性调制；

步骤M3：不同射频通道的信号经过射频开关调制后经过不同的射频移相模块实现相位平移，得到相移后的信号；

步骤M4：相移后的信号经过功率分配网络对不同射频通道信号进行合路。

根据本发明提供的一种基于功率对消的时间调制幅相控制系统的控制方法，运用上述所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统执行如下步骤：为了保证系统具有最优的使用带宽范围，应在不同的条件下使用幅相控制方法的不同状态：

步骤S1：根据幅度衰减目标计算调制时序和通道内脉冲占空比；

步骤S2：根据调制时序和通道内脉冲占空比选择基于功率对消的时间调制幅相控制系统的工作状态；

步骤S3：将最终确定的调制时序和脉冲占空比的控制信号写入数字控制模块并对基于功率对消的时间调制幅相控制系统实施周期性调制。

实施例2

实施例2是实施例1的变化例

如图1所示，在实施实例中，所述基于功率对消的时间调制幅相控制模块由包括2个两路功率分配网络(1-1)，2个单刀单掷射频开关(1-2)，2个相位差为180°(π)的固定相位延迟线(1-3)，1个数字控制模块(1-4)组成，所述第一个两路功率分配网络连接在2个单刀单掷射频开关(1-2)之前。所述2个单刀单掷射频开关(1-2)分别独立连接2个固定相位延迟线(1-3)。所述2个相位延迟线(1-3)连接在第二个两路功率分配网络之前。所述2个单刀单掷射频开关(1-2)由数字控制模块(1-4)进行周期性控制。该模块简化为基于功率对消的幅相控制模块。

图2所示为使用图1中幅相控制模块组成的类单边带时间调制模块及其简化符号，其中包括：2个单刀多掷射频开关(2-1)，2个相位差为90°(π/2)的固定相位延迟线(2-2),2个基于功率对消的幅相控制模块(2-3)，1个数字控制模块(2-4)。所述第一个单刀多掷射频开关连接在2个相位差为90°(π/2)的固定相位延迟线(2-2)之前，所述2个固定相位延迟线(2-2)分别独立连接2个基于功率对消的幅相控制模块(2-3)。所述2个基于功率对消的幅相控制模块(2-3)连接在第二个单刀多掷射频开关之前。所述2个单刀多掷射频开关(2-1)和2个基于功率对消的幅相控制模块(2-3)由数字控制模块(2-4)进行周期性控制。

图3所示为使用图2中类单边带时间调制模块组成的阵列天线幅相调控系统，其中包括：1套N单元均匀直线阵列天线(3-1)，N个类单边带时间调制模块(3-2)，1个N路等分功率分配网络(3-3)。所述N路等分功率分配网络(3-3)将输入的射频信号等分为N路后分别输入所述N个类单边带时间调制模块(3-2)，所述N个类单边带时间调制模块(3-2)根据数字控制模块的控制时序调制各模块中射频信号并将其输入至1套N单元均匀直线阵列天线(3-1)，所述1套N单元均匀直线阵列天线(3-1)将射频信号辐射。图3中的阵列天线幅相调控系统既可以在基波中实现波束方向图综合也可以在谐波中实现波束方向图综合并实现谐波波束扫描功能。

例1：基波波束方向图综合

假设阵列单元数为N＝16，射频信号的载频为f₀＝2GHz，开关的极限切换周期为T_c＝50ns，数字控制模块晶振的时间分辨率为T_Δ＝5ns。基波方向图综合方式为旁瓣为-40dB的切比雪夫加权，其中不同通道中最大加权比为ρ＝1/0.11。按照传统幅相控制的方法，由于开关的极限切换时间受到其物理特性的限制，所以为保证不同通道合理的加权比，最大加权通道的时长应为T_p＝ρT_c≈455ns，此时系统的调制频率为f_p＝1/T_p≈2.2MHz，对于该系统，其传输带宽也限制在B＝2.2MHz。而使用基于功率对消的时间调制幅相控制模块可以有效提升系统的传输带宽。

图4所示为使用图3中的阵列天线幅相调控系统基波合成低副瓣方向图的调制时序。其工作方式如下所示：对于不同加权值的通道，首先在此加权方式下，设定调制周期T_p＝2T_c，在调制周期T_p内当调制时序占空τ<1/2时，启动功率对消，两个单刀单掷射频开关部分时刻内同时处于开状态时长，功率对消时间为(1-τ)T_p。当调制时序占空τ>1/2时，不启动功率对消。因此，所述的幅相控制方法的调制周期最低可以达到开关最快切换周期的两倍，而系统传输带宽可以达到f_p＝1/T_p＝10MHz。

图5所示为图4调制时序下法相方向的频谱。可以看到在开关的极限切换周期为T_c＝50ns，数字控制模块晶振的时间分辨率为T_Δ＝5ns，其中不同通道中最大加权比为ρ＝1/0.11的条件下，通过对不同通道中的射频信号进行功率对消依然可以使调制频率达到f_p＝10MHz，相比于传统的幅相控制方法，基于功率对消的时间调制幅相控制方法可以有效提升系统的传输带宽。

图6为图4调制时序下的基波方向图。图中可见，当使用功率对消后，基波的方向图实现了方向图综合方式为旁瓣为-40dB的切比雪夫加权的预期目标，在保证系统传输带宽的条件下有效降低了旁瓣电平。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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 (7)

1.一种基于功率对消的时间调制幅相控制系统，其特征在于，包括：两路功率分配网络、射频开关、射频移相模块和数字控制模块；

两个所述射频开关与一个所述功率分配网络连接；所述两个射频开关分别与一个所述射频移相模块连接；两个所述射频移相模块与另一所述功率分配网络连接；两个所述射频开关与所述数字控制模块连接；

所述数字控制模块周期性控制射频开关，利用射频移相模块对输入射频信号进行功率对消处理，实现对射频通道内信号的幅度和相位的控制；

其中，所述数字控制模块通过周期性时间调制函数控制射频开关，当两个射频开关处于不同状态时，则不对输入射频信号做功率对消处理；当两个射频开关同时处于开状态时，则输入射频信号经过所述功率分配网络被分为幅度和相位相等的两路信号，经由两个所述射频移相模块移相和合路后实现功率对消，所述射频移相模块的相位差为π；

所述功率对消包括在调制周期T_p内，当脉冲占空比τ<1/2时，则启动功率对消，两个射频开关处于打开状态，功率对消时间为(1-τ)T_p；当脉冲占空比τ>1/2时，不启动功率对消。

2.根据权利要求1所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统，其特征在于，所述射频开关包括单刀单掷射频开关。

3.根据权利要求1所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统，其特征在于，所述射频移相模块包括数字移相器或固定相位延迟线。

4.根据权利要求1所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统，其特征在于，还包括采用可重构功率分配网络替代多路功率分配网络和射频开关。

5.根据权利要求1所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统，其特征在于，所述数字控制模块产生的周期性时间调制函数等效为矩形脉冲函数。

6.一种基于功率对消的时间调制幅相控制方法，其特征在于，运用权利要求1-5中任一权利要求所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统执行如下步骤：

步骤M1：输入射频信号经过所述功率分配网络功率等分为幅度和相位相等的两路信号，并传输至不同射频通道；

步骤M2：数字控制模块通过预设的时序控制不同射频通道中射频开关的状态，实现对输入信号的周期性调制；

步骤M3：不同射频通道的信号经过射频开关调制后经过不同的射频移相模块实现相位平移，得到相移后的信号；

步骤M4：相移后的信号经过功率分配网络对不同射频通道信号进行合路。

7.一种基于功率对消的时间调制幅相控制系统的控制方法，其特征在于，运用权利要求1-5中任一权利要求所述的基于功率对消的时间调制幅相控制系统执行如下步骤：

步骤S1：根据幅度衰减目标计算调制时序和通道内脉冲占空比；

步骤S2：根据调制时序和通道内脉冲占空比选择基于功率对消的时间调制幅相控制系统的工作状态；

步骤S3：将最终确定的调制时序和脉冲占空比的控制信号写入数字控制模块并对基于功率对消的时间调制幅相控制系统实施周期性调制。

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