CN113253210A - 一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵及方法，它包括阵列天线单元、T/R组件、数字式移相器、变频组件和移频移相器；移频移相器用于计算所需的发射/接收信号初始相位和频率的补偿值，完成对信号的补偿，保证每一路信号等幅等相位输出；变频组件用于对补偿后的发射/接收信号进行频率搬移，将输出信号搬移到视频频段进行传输；数字式移相器用于对每一路发射信号进行相位再一次补偿，或者对每一路接收信号进行相位第一次补偿；T/R组件用于与阵列天线单元连接，进行信号的收发。本发明极大扩展了雷达的瞬时宽带，与传统延时线技术相比具有体积小、延时精度高、效率高以及成本可控等优势。

Description

一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵及方法

技术领域

本发明涉及通信雷达技术领域，尤其涉及一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵及方法。

背景技术

随着航空、航天技术的高速发展，现代雷达面临这电子电磁干扰、反辐射导弹威胁、超低空突防以及目标飞行器高超音速隐性技术等四大关键威胁；这就对现代雷达的抗干扰能力提出了较强的要求，因此，大瞬时宽带相控阵雷达就应运而生，其具有探测距离远、更高的测距测角精度和分辨率等优势；但是，大瞬时宽带相控阵雷达由于存在孔径效应以及波束空间色散等问题，目前采用传统常规技术实现大瞬时宽带设计，需要引入时延技术进行宽带扩展，而常用的时延技术包括有真时延（TTD）技术、模拟延时线技术、光纤延时技术以及采用聚酰亚胺波导光学延时线技术等；但是，这些时延技术普遍存在延时效率低下、延时精度有限、体积大以及成本高等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵及方法，解决了相控阵雷达孔径渡越时间以及波束空间色散等问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵，其特征在于：它包括阵列天线单元以及与阵列天线单元连接的多个子阵；每个子阵包括多个通道，每个通道包括依次连接的T/R组件、数字式移相器、变频组件和移频移相器；

所述移频移相器用于计算所需的发射/接收信号初始相位和频率的补偿值，完成对信号的补偿，保证每一路信号等幅等相位输出；

所述变频组件用于对补偿后的发射/接收信号进行频率搬移，将输出信号搬移到视频频段进行传输；

所述数字式移相器用于对每一路发射信号进行相位再一次补偿，或者对每一路接收信号进行相位第一次补偿；

所述T/R组件用于接收阵列天线单元的信号到所述数字式移相器进行相位第一次补偿，或者发射经过所述数字式移相器进行相位再一次补偿后的信号到阵列天线单元。

所述移频移相器包括控制字单元，以及依次连接的频率累加器、相位寄存器、相位累加器、ROM查找表、数模转换器和低通滤波器；

所述控制字单元分别连接频率累加器、相位累加器和数模转换器，用于完成对输出信号频率、相位以及幅度的控制；

参考时钟分别连接驱动所述相位寄存器、ROM查找表和数模转换器。

所述控制字单元包括频率控制字、相位控制字和幅度控制字；所述频率控制字用于对完成频率控制的输出信号传输到频率累加器进行累加；所述相位控制字用于对完成相位控制的输出信号传输到相位累加器进行累加；所述幅度控制字用于对完成幅度控制的输出信号传输到数模转换器。

在参考时钟的驱动下，相位累加器和频率累加器按照设置好的相位控制字和频率控制字进行线性累加，其输出作为正弦查找表地址，对ROM查找表进行寻址，将相位信息转换成幅度信息，然后通过数模转换器将数字信号转换成模拟信号后，通过低通滤波器平滑处理输出正弦波信号。

一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵的控制方法，所述控制方法包括正常发射模式和正常接收模式，所述正常发射模式包括：

S1、调取暗室发射校准模式下预先校准存储的数据，通过移频移相器计算出所需要的发射信号初始相位和频率的补偿值，完成对信号的补偿，保证每一路信号为等幅等相位输出；

S2、对补偿后的信号进行频率搬移，将输出信号搬移到射频频段进行传输；

S3、通过数字式移相器对每一路发射信号进行相位再一次补偿，以消除器件不一致性以及通道间不一致性带来的相位误差；

S4、通过T/R组件里面的衰减器对幅度进行调整，保证幅度一致性，通过放大器进行信号放大后将信号馈电给阵列天线单元将信号辐射出去；

所述正常接收模式为正常发射模式的信号逆向传输。

所述计算出所需要的发射信号初始相位和频率的补偿值包括：

所述控制方法还包括步骤S0：暗室发射校准模式和暗室接收校准模式；所述暗室发射校准模式和暗室接收校准模式包括：对不同频点不同扫描角度下频率和相位偏移量预先进行校准，并将相应的偏移量提前存储在FLASH里面，作为正常发射模式和正常接收模式下补偿的基准值进行调用和补偿。

根据参考时钟

、频率控制字FTW和移频移相器的频率控制字位宽M，计算的输出信号频率

；

根据相位控制字POW和移频移相器的相位控制字位宽P，计算初始信号相位

；

将存储在FLASH里面的补偿基准值和计算得到额定输出信号频率与相位进行求和运算，进而得到发射信号初始相位跟频率的补偿值。

本发明具有以下优点：一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵及方法，采用移频移相技术，可有效解决相控阵雷达孔径渡越时间以及波束空间色散等问题，极大扩展了雷达的瞬时宽带，与传统延时线技术相比具有体积小、延时精度高、效率高以及成本可控等优势。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为移频移相器结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

大瞬时宽带相控阵雷达在进行大范围角度电扫描时，由于存在孔径效应以及波束空间色散等问题，使得在不同频率下波束在空间合成不一致，无法实现宽带信号发射波束的空间合成，且存在波束指向偏移等问题。波束空间色散现象指天线波束指向随扫描频率的改变而在空间摆动，天线波束指向偏移角度

可表述为：

（1）

式中，

为雷达信号中心频率，

为信号瞬时宽带，

为天线波束扫描角度。

相控阵天线中由于大口径原因，使得目标回波信号到达天线端射阵两端信号存在时间差，称为孔径渡越时间

。

（2）

式中，N为相控阵天线阵元数，d为天线单元间距，c为电磁波传播速度，L为相控阵天线有效口径。

当孔径渡越时间大于信号宽带的倒数时，发射时，阵列天线两端辐射信号不能同时到达目标方向，接收时，信号不能进行有效合成，使得进行脉冲压缩后主瓣宽度展宽，距离分辨率降低，如不采取有效措施，很难实现大扫描角度下的大瞬时宽度性能。

孔径渡越时间对瞬时宽带

限制为

（3）

如图1所示，本发明包括天线罩、阵列天线单元、T/R组件、数字式移相器（DPS）、变频组件以及移频移相器等。通过分组融合将n（n≥1）个子通道组成一个子阵，然后再由M个子阵组成整个宽带系统，如此采用模块化设计，可以便于后期模块故障检测、故障模块快速定位和替换，在进行故障模块替换和查找时由于每个模块具有唯一识别的ID号，因此能够很方便快速的定位故障模块，大大提高了后期设备维护效率等。

其中，每个通道包括T/R组件、数字式移相器、变频组件和移频移相器；由于发射和接收工作原理类似，此处只解释发射模式工作原理。通过数字式移频移相器里面的数字式DDS根据公式（4）~（6）计算出所需要的发射信号初始相位和频率的补偿值，完成对信号补偿，保证每一路信号是等幅等相位输出，以此来弥补由于孔径效应造成的瞬时宽带限制问题。然后补偿后的信号通过变频组件进行频率搬移，将输出信号搬移到射频频段进行传输，接着再通过T/R组件里面的数字式移相器（DPS）对每一路输出信号进行相位再一次补偿，此处相位误差主要是由于器件不一致性以及通道间不一致性带来的，DPS主要是完成一个波长内相位误差的补偿。然后再通过T/R组件里面的衰减器保证幅度一致性，放大器进行信号放大，最后通过收发开关选择，使通道工作在发射模式下，然后将信号馈电给阵列天线单元，最后通过天线单元辐射出去。

在进行发射波束合成时，首先通过移频移相器调取在暗室发射校准模式下对初始相位和频率进行设置的初始控制字，其主要是完成对输出信号频率、相位以及幅度的控制，此处指的是频率、相位以及幅度所对应的二进制编码信息；此控制字存储在系统FLASH里面，可以便于外界随时进行读写操作，以此来完成对每个子阵里的移频移相器的初始相位和频率的补偿，如此一来可以有效解决由于孔径渡越引起的问题，保证雷达系统在不同频率以及不同扫描角度下完成对发射信号的有效空间合成。

本发明的核心在于移频移相器的工作，传统实现方式采用延时线实现，造成系统体积庞大且延时效率低下，不能有效控制延时精度等问题。创造性提出采用移频移相器基于全数字DDS技术来实现，可以有效解决延时精度问题，且延时效率高。具体来说就是DDS输出幅度可以根据需要设计和控制，其具有相应的幅度控制字ASF，保证信号输出幅度足够大，可以根据设计需求灵活控制幅度输出，不存在像延时线一样具有很大的幅度衰减，如此一来可以大大提升延时效率。

如图2所示，移频移相器包括频率控制字、相位控制字和幅度控制字，以及依次连接的频率累加器、相位寄存器、相位累加器、ROM查找表、数模转换器和低通滤波器；频率控制字、相位控制字、幅度控制字分别用于存储信号频率、相位以及幅度信息。两个加法器用于对频率和相位累加。ROM查找表用于相位-幅度转换，每一个对应的幅度值，其值作为二进制存储在该ROM表里面。DAC完成数字到模拟信号转换。低通滤波器LPF完成对转换后信号的平滑处理和滤波等。

其输出信号频率、相位和幅度计算公式分别如下：

（4）

（5）

（6）

式中，

为数字DDS输出频率，

为输出信号相位，

为DDS输出信号幅度，FTW为频率控制字，M为DDS频率控制字位宽，POW为相位控制字，P为DDS相位控制字位宽，ASF为幅度控制字，A为幅度控制字位宽，

为系统参考时钟。由公式（4）和（5）可知，其延时精度主要与M和P有关，而M、P采用数字方式实现二进制存储，因此可以做的很大，以此来满足精度要求；DDS输出幅度大小可以根据公式（6）进行控制和计算。基于以上公式，可以根据系统需求对输出信号进行频率和相位补偿，从而通过移频移相方式完成对雷达瞬时宽带的扩展，有效解决其孔径效应和空间色散等问题。

由于数字DDS位宽M和P可以做的很大，通常M≥32，P≥16，因此其能够实现的延时精度能够轻松达到ps级以下要求，远优于模拟延时线精度。

在进行接收波束合成时，当接收目标回波信号进入移频移相器时，要先经过数字下变频，此过程中启动调用暗室接收校准模式下对初始相位和频率进行设置的初始控制字，然后操作数字控制振荡器（NCO）对其内部的数字DDS进行相应的初始相位和频率补偿配置，保证系统输出信号频率相位的一致性，如此来完成对接收信号的宽带数字波束合成。通过移频移相器处理后，系统瞬时宽带限制扩展为如下。

（7）

式中，

为移频移相器进行延时后对应的有效孔径长度。对比公式（3）和（7）可知，极大的展宽了相控阵系统的瞬时宽带。

本发明的工作原理为：首先本方案具有多种工作模式，包括暗室发射校准模式、暗室接收校准模式以及正常收发模式等。暗室模式下是为了对不同频点不同扫描角度下频率和相位偏移量预先进行校准，将相应的偏移量提前存在系统FLASH里面，然后作为正常收发模式下补偿的基准值进行调用和补偿。正常收发模式即为系统正常进行收发信号模式。首先，工作在发射状态时，使整个系统处于正常收发模式下，然后通过调取暗室发射校准模式下预先校准存储的数据，通过数字式移频移相器里面的数字式DDS根据公式（4）~（6）和暗室模式的补偿基准值计算出所需要的发射信号初始相位和频率的补偿值，完成对信号补偿，保证每一路信号是等幅等相位输出，以此来弥补由于孔径效应造成的瞬时宽带限制问题。然后补偿后的信号通过变频组件进行频率搬移，将输出信号搬移到射频频段进行传输，接着再通过T/R组件里面的数字式移相器（DPS）对每一路输出信号进行相位再一次补偿，此处相位误差主要是由于器件不一致性以及通道间不一致性带来的，DPS主要是完成一个波长内相位误差的补偿。然后再通过T/R组件里面的衰减器保证幅度一致性，放大器进行信号放大，最后通过收发开关选择，使通道工作在发射模式下，然后将信号馈电给阵列天线单元，最后通过天线单元辐射出去。由于接收信号是发射信号的逆向传输，原理类似此处不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵，其特征在于：它包括阵列天线单元以及与阵列天线单元连接的多个子阵；每个子阵包括多个通道，每个通道包括依次连接的T/R组件、数字式移相器、变频组件和移频移相器；

所述移频移相器用于计算所需的发射/接收信号初始相位和频率的补偿值，完成对信号的补偿，保证每一路信号等幅等相位输出；

所述变频组件用于对补偿后的发射/接收信号进行频率搬移，将输出信号搬移到视频频段进行传输；

所述数字式移相器用于对每一路发射信号进行相位再一次补偿，或者对每一路接收信号进行相位第一次补偿；

所述T/R组件用于接收阵列天线单元的信号到所述数字式移相器进行相位第一次补偿，或者发射经过所述数字式移相器进行相位再一次补偿后的信号到阵列天线单元。

2.根据权利要求1所述的一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵，其特征在于：所述移频移相器包括控制字单元，以及依次连接的频率累加器、相位寄存器、相位累加器、ROM查找表、数模转换器和低通滤波器；

所述控制字单元分别连接频率累加器、相位累加器和数模转换器，用于完成对输出信号频率、相位以及幅度的控制；

参考时钟分别连接驱动所述相位寄存器、ROM查找表和数模转换器。

3.根据权利要求2所述的一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵，其特征在于：所述控制字单元包括频率控制字、相位控制字和幅度控制字；所述频率控制字用于对完成频率控制的输出信号传输到频率累加器进行累加；所述相位控制字用于对完成相位控制的输出信号传输到相位累加器进行累加；所述幅度控制字用于对完成幅度控制的输出信号传输到数模转换器。

4.根据权利要求3所述的一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵，其特征在于：在参考时钟的驱动下，相位累加器和频率累加器按照设置好的相位控制字和频率控制字进行线性累加，累加结果输出作为正弦查找表地址，对ROM查找表进行寻址，将相位信息转换成幅度信息，然后通过数模转换器将数字信号转换成模拟信号后，通过低通滤波器平滑处理输出正弦波信号。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括正常发射模式和正常接收模式，所述正常发射模式包括：

S1、调取暗室发射校准模式下预先校准存储的数据，通过移频移相器计算出所需要的发射信号初始相位和频率的补偿值，完成对信号的补偿，保证每一路信号为等幅等相位输出；

S2、对补偿后的信号进行频率搬移，将输出信号搬移到射频频段进行传输；

S3、通过数字式移相器对每一路发射信号进行相位再一次补偿，以消除器件不一致性以及通道间不一致性带来的相位误差；

S4、通过T/R组件里面的衰减器对幅度进行调整，保证幅度一致性，通过放大器进行信号放大后将信号馈电给阵列天线单元将信号辐射出去；

所述正常接收模式为正常发射模式的信号逆向传输。

6.根据权利要求5所述的一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括步骤S0：暗室发射校准模式和暗室接收校准模式；所述暗室发射校准模式和暗室接收校准模式包括：对不同频点不同扫描角度下频率和相位偏移量预先进行校准，并将相应的偏移量提前存储在FLASH里面，作为正常发射模式和正常接收模式下补偿的基准值进行调用和补偿。

7.根据权利要求6所述的一种全数字式移频移相的大瞬时宽带相控阵的控制方法，其特征在于：所述计算出所需要的发射信号初始相位和频率的补偿值包括：

根据参考时钟

、频率控制字FTW和移频移相器的频率控制字位宽M，计算的输出信号频率

；

根据相位控制字POW和移频移相器的相位控制字位宽P，计算初始信号相位

；

将存储在FLASH里面的补偿基准值和计算得到额定输出信号频率与相位进行求和运算，进而得到发射信号初始相位跟频率的补偿值。

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