CN113922015A - 频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，由一个扫描相位连续可调的可重构滤波差分移相器和一对宽带差分移相器进行级联构成；所述的可重构滤波差分移相器，其由一个同相功分滤波器、反相功分滤波器与一宽带小型化分支线电桥级联构成；同相功分滤波器和反相功分滤波器均由三个分别加载电容二极管的阶梯阻抗谐振器串联组成；所述的宽带差分移相器B，其由一宽带威尔金森功分器和与该功分器输出端口连接的一对小型化反射式移相器构成。本发明通过两种差分移相器输出相差的配合实现了连续的输出信号扫描相位，同时利用电长度可控谐振器，实现了波束形成网络工作频率的连续调节以及滤波响应。

Description

频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络
技术领域
本发明属于无线通信系统领域，尤其涉及一种频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络。
背景技术
随着通信技术的发展，波束形成技术在无线通信系统中地位越发重要。波束形成通过控制天线阵元之间接收信号的相位差与幅度改变天线的辐射方式，从而接收和发送特定方向的信号，并减少来自其他方向的信号噪声，为提高空间复用率、信号传输可靠性、信号传输范围以及降低通信点对点传输功耗提供了一种有效的解决方案。
波束形成系统由波束形成网络和天线阵列组成，其中波束形成网络是其核心部件，起到调节天线阵元接收信号相位与幅度的作用。波束形成主要分为可重构波束形成(或称自适应波束形成)和固定波束形成。相比于固定波束形成仅能实现固定的波束扫描角度，可重构波束形成拥有更加灵活的辐射方向图调节能力。波束形成网络可以通过模拟或数字方式实现，在模拟实现方式中，以波束形成矩阵为代表的无源解决方案是一种最经济有效的波束形成实现方案。传统波束形成矩阵主要包括巴特勒矩阵(Butler matrix)，诺伦矩阵(Nolen matrix)和巴拉斯矩阵(Blass matrix)，这些波束形成矩阵主要由分支线电桥，移相器以及交叉耦合器组成，其波束扫描角度通过选择不同的矩阵激励端口进行调节。然而，这些传统方案波束扫描角度的变化范围有限，为了在不增加矩阵端口数目与尺寸的前提下，最常用的增加扫描方向的方法是增加激励端口的数目，然而，由于输入端口个数的限制，扫描角度的增加也被限制。因此，如何获得连续的波束扫描角度，即实现具有连续扫描角度的波束形成网络，成了国内外学者研究的热点。
现有的具有连续扫描相位的无源波束形成矩阵全部基于传统巴特勒矩阵进行设计，不可避免的存在巴特勒矩阵输入端口多，设计复杂，尺寸大以及输出信号幅度一致性不佳的问题。另外，尚无关于集成滤波功能的可重构无源波束形成网络的研究报道，为了满足现代通信系统对多频、多模的发展需求，集成可重构滤波功能的频率、扫描相位均可连续调节的多功能可重构滤波波束形成网络具有十分重要的研究价值。
发明内容
针对如何设计实现集成可重构滤波功能的频率、扫描相位均可连续调节的多功能可重构滤波波束形成网络，本发明公开了一种频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，提出了一种全新的无源馈电网络(1×4滤波波束形成网络)设计方法，在不切换激励端口的前提下实现了宽扫描角度与连续波束扫描，除此之外，为了适应现代通信系统多频、多模的应用需求，电路同时集成了频率可重构的滤波响应。
本发明公开了一种频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，由一个扫描相位连续可调的可重构滤波差分移相器A(RFPD)和一对宽带差分移相器B(RWPD)进行级联构成。
所述的可重构滤波差分移相器A，其由一个同相功分滤波器、反相功分滤波器与一宽带小型化分支线电桥级联构成。同相功分滤波器和反相功分滤波器均由三个分别加载电容二极管C1、C2和C3的阶梯阻抗谐振器串联组成，电容二极管C1、C2和C3用于调节滤波频率。两个相互连接的变容二极管Cc1和Cc2加载于相邻的阶梯阻抗谐振器之间，用于调节阶梯阻抗谐振器级间耦合系数大小与耦合性质。耦合性质包括容性耦合和感性耦合。
通过调节相邻阶梯阻抗谐振器之间的变容二极管的电容，切换同相功分滤波器和反相功分滤波器的同相与反相输出状态以及输出功分比。
所述的宽带差分移相器B，其由一宽带威尔金森功分器和与该功分器输出端口连接的一对小型化反射式移相器构成。一对小型化反射式移相器包括小型化反射式移相器一和小型化反射式移相器二，该宽带威尔金森功分器采用两个四分之一波长威尔金森功分器级联的方式构成，隔离电阻安装在两个四分之一波长威尔金森功分器的传输路径之间，隔离电阻包括一个120欧姆固定电阻和一个220欧姆的固定电阻。小型化反射式移相器由一个小型化分支线电桥端接负载电路构成，负载电路由一个集总电感L0和电容C0串联组成。利用两个小型化反射式移相器的相移值计算得到宽带差分移相器输出信号间的相差为：
Figure BDA0003302058120000031
其中，
Figure BDA0003302058120000032
为小型化反射式移相器一中负载电路产生的移相，
Figure BDA0003302058120000033
为小型化反射式移相器二中负载电路产生的移相。
本发明的有益效果为：
本发明采用可重构滤波差分移相器和宽带差分移相器级联的电路拓扑，通过两种差分移相器输出相差的配合实现了连续的输出信号扫描相位，避免了额外加载开关带来的电路损耗以及扫描相位无法连续调节的问题，显著增强了系统灵活性。此外，该拓扑同样适用于不需要滤波功能的宽带电路设计。本发明利用电长度可控谐振器，实现了波束形成网络工作频率的连续调节以及滤波响应，大幅度提升了单一电路的功能集成度。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑结构图。
图2为本发明的电路组成示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
本发明公开了一种频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，整体结构方案如图1所示，由一个扫描相位连续可调的可重构滤波差分移相器A(RFPD)和一对宽带差分移相器B(RWPD)进行级联构成。由于没有采用2N×2N的输入输出端口结构，新的方案不需要在电路激励端加载额外的单刀多掷开关，降低了电路的尺寸与制造成本。与此同时，采用谐振器代替传统馈电网络中的传输线，实现了滤波响应。图2为本发明的电路组成示意图。
所述的可重构滤波差分移相器A，其由一个同相功分滤波器、反相功分滤波器与一宽带小型化分支线电桥级联构成。同相功分滤波器和反相功分滤波器均由三个分别加载电容二极管C1、C2和C3的阶梯阻抗谐振器串联组成，电容二极管C1、C2和C3用于调节滤波频率。两对背靠背连接的变容二极管Cc1和Cc2加载于相邻的阶梯阻抗谐振器之间，用于调节阶梯阻抗谐振器级间耦合系数大小与耦合性质。耦合性质包括容性耦合和感性耦合。
通过调节相邻阶梯阻抗谐振器之间的变容二极管的电容，切换同相功分滤波器和反相功分滤波器的同相与反相输出状态以及输出功分比。由于使用了电长度可控的谐振器，可重构滤波差分移相器可以实现输出信号频率可调。同时，通过控制电路左侧功分滤波器的输出功分比，输出信号之间的相位差Dj_RPFD可以在0到2p之间连续调节。
所述的宽带差分移相器B，其由一宽带威尔金森功分器和与该功分器输出端口连接的一对小型化反射式移相器构成。一对小型化反射式移相器包括小型化反射式移相器一和小型化反射式移相器二，该宽带威尔金森功分器采用两个四分之一波长威尔金森功分器级联的方式构成，以拓宽带宽，隔离电阻安装在两个四分之一波长威尔金森功分器的传输路径之间，隔离电阻包括一个120欧姆固定电阻和一个220欧姆的固定电阻。小型化反射式移相器由一个小型化分支线电桥端接负载电路构成，负载电路由一个集总电感L0和电容C0串联组成。利用两个小型化反射式移相器的相移值计算得到宽带差分移相器输出信号间的相差为：
Figure BDA0003302058120000051
其中，
Figure BDA0003302058120000052
为小型化反射式移相器一中负载电路产生的移相，
Figure BDA0003302058120000053
为小型化反射式移相器二中负载电路产生的移相。
综上，可重构滤波差分移相器可以提供连续调节的输出相差Dj_RPFD，小型化宽带差分移相器可以提供连续调节的输出相差Dj_RWPD。如果可重构滤波差分移相器和宽带差分移相器的输出相差Dj_RPFD和Dj_RWPD满足
Figure BDA0003302058120000054
那么，整体电路将产生等幅的输出信号，并且输出信号之间拥有统一的扫描相差
Figure BDA0003302058120000055
由于可重构滤波差分移相器与宽带差分移相器的输出相差Dj_RPFD和Dj_RWPD可以实现0°到360°的连续调节，因此，整体电路的输出扫描相位也可以实现连续调节。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，其特征在于，由一个扫描相位连续可调的可重构滤波差分移相器A和一对宽带差分移相器B进行级联构成；
所述的可重构滤波差分移相器A，其由一个同相功分滤波器、反相功分滤波器与一宽带小型化分支线电桥级联构成；同相功分滤波器和反相功分滤波器均由三个分别加载电容二极管C1、C2和C3的阶梯阻抗谐振器串联组成，电容二极管C1、C2和C3用于调节滤波频率；
所述的宽带差分移相器B，其由一宽带威尔金森功分器和与该功分器输出端口连接的一对小型化反射式移相器构成；一对小型化反射式移相器包括小型化反射式移相器一和小型化反射式移相器二，该宽带威尔金森功分器采用两个四分之一波长威尔金森功分器级联的方式构成，隔离电阻安装在两个四分之一波长威尔金森功分器的传输路径之间，隔离电阻包括一个120欧姆固定电阻和一个220欧姆固定电阻。
2.如权利要求1所述的频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，其特征在于，所述的耦合性质包括容性耦合和感性耦合。
3.如权利要求1所述的频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，其特征在于，
两个相互连接的变容二极管Cc1和Cc2加载于相邻的阶梯阻抗谐振器之间，用于调节阶梯阻抗谐振器级间耦合系数大小与耦合性质；通过调节相邻阶梯阻抗谐振器之间的变容二极管的电容，切换同相功分滤波器和反相功分滤波器的同相与反相输出状态以及输出功分比。
4.如权利要求1所述的频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，其特征在于，
所述的小型化反射式移相器由一个小型化分支线电桥端接负载电路构成，负载电路由一个集总电感L0和电容C0串联组成。
5.如权利要求1所述的频率和扫描角连续可调的滤波可重构波束形成网络，其特征在于，
利用两个小型化反射式移相器的相移值计算得到宽带差分移相器输出信号间的相差为：
Figure FDA0003302058110000021
其中，
Figure FDA0003302058110000022
为小型化反射式移相器一中负载电路产生的移相，
Figure FDA0003302058110000023
为小型化反射式移相器二中负载电路产生的移相。
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