CN114124184B - 基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统，包括1个N单元均匀直线阵列天线、N个非周期时间调制T/R组件、1个现场可编程门阵列、1个非周期时间调制序列发生器、N根TTL信号控制线、1个N路等功率分配网络、1个基带调制模块、1个数字信号处理模块。其中，非周期时间调制序列发生器能够将N个幅度时间调制序列和N个相位时间调制序列通过特定的数学规则复合，从而产生N个非周期时间调制序列。本发明提出的系统架构和调制手段突破了波束扫描能力、低副瓣波束综合能力与边带电平抑制能力之间的相互制约关系，能够在实现低副瓣、高精度波束扫描的同时，达到优于‑40.0dB的边带电平抑制性能。

Description

基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，尤其涉及一种基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统。
背景技术
在现代相控阵系统中，波束形成被广泛应用于雷达、通信、电子对抗等领域。对于绝大多数的应用场景，阵列天线的波束扫描精度、波束切换速度以及副瓣电平已经成为衡量系统性能的关键指标，直接决定了现代电子系统的远距离探测性能、高速率数据传输性能以及抗干扰性能。为了提高阵列天线的波束调控能力，高位数和高精度的数字移相器和数字衰减器已成为现代相控阵系统中不可或缺的关键部件。然而，高精度/高位数移相器和衰减器也导致其控制模块复杂、控制数据量大，进一步抬高了相控阵天线的成本、损耗和系统复杂度。因此，亟待探索新体制下的阵列天线波束形成系统，以解决现代相控阵系统面临的成本、损耗和系统复杂度等瓶颈问题。
近年来，基于时间调制的阵列天线波束形成技术迅速发展，在未来雷达、通信等领域具有广阔的应用前景。不同于传统相控阵天线，基于时间调制的阵列天线通过引入“时间”维度的调控自由度，有望进一步提高阵列天线波束调控性能。早期基于时间调制的阵列天线波束形成技术主要研究的是幅度调控。其解决的主要难题是，在保证可接受的边带电平前提下，如何实现低副瓣的方向图综合。例如，在文献“Handling sideband radiationsin time-modulated arrays through particle swarm optimization”中，作者采用粒子群优化算法优化周期时间调制序列，实现了具有-20.0dB边带电平的-30.0dB低副瓣波束综合。然而，早期基于时间调制的阵列天线波束形成技术难以实现波束扫描。为了在低副瓣的应用需求下实现高精度波束扫描，基于时间调制的阵列天线波束形成技术逐渐从单一的幅度调控研究转变为相位调控研究和幅相一体化调控研究。例如，在发明专利CN201910621333中，作者提出一种由p支路矢量调控模块构成的阵列天线幅相调控系统，通过多目标优化算法对p支路矢量调控模块的周期性时间调制序列进行优化，实现了具有-25.0dB边带电平的-20.0dB低副瓣、扫描波束。然而，p支路矢量调控模块对于边带电平的抑制性能有限，往往需要利用指数级的电路复杂度增长换取更优的边带电平抑制，尚不适用在边带电平抑制指标要求较高的应用场景。
现有研究表明，基于时间调制的阵列天线在波束扫描能力、低副瓣波束综合能力与边带电平抑制能力之间存在相互制约关系，单纯依靠现存的系统架构和调制手段难以在实现低副瓣扫描波束的同时达到优越的边带电平抑制性能。该制约关系已严重阻碍了此类阵列天线的大规模工程化应用。不同于绝大多数研究采取的周期时间调制，本发明提出了一种基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统，突破了波束扫描能力、低副瓣波束综合能力与边带电平抑制能力之间的相互制约关系，实现了低副瓣、连续波束扫描，达到了优越的边带电平抑制性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统，包括1个N单元均匀直线阵列天线、N个非周期时间调制T/R组件、1个现场可编程门阵列、1个非周期时间调制序列发生器、N根TTL信号控制线、1个N路等功率分配网络、1个基带调制模块、1个数字信号处理模块，其中，N为正整数。
每个非周期时间调制T/R组件具有2个射频信号端口和1个控制信号端口；N路等功率分配网络的顶部具有N路射频信号功率分配支路；N路等功率分配网络的底部具有1路射频信号功率合成支路；现场可编程门阵列的顶部具有N个控制信号输入端口；现场可编程门阵列的底部具有N个控制信号输出端口；非周期时间调制序列发生器具有N个控制信号输出端口；基带调制模块的顶部具有1个射频信号端口；基带调制模块的底部具有1个数字信号端口；数字信号处理模块具有1个数字信号端口。
位于非周期时间调制T/R组件顶部的射频信号端口与N单元均匀直线阵列天线中的1个天线单元相连；位于非周期时间调制T/R组件底部的射频信号端口与N路等功率分配网络的1路射频信号功率分配支路相连；每根TTL信号控制线的一端与1个非周期时间调制T/R组件的控制信号端口相连，另一端与现场可编程门阵列的1个控制信号输出端口相连；现场可编程门阵列的N个控制信号输入端口与非周期时间调制序列发生器的N个控制信号输出端口一一对应，依次相连；N个非周期时间调制T/R组件自左向右依次排列；N路等功率分配网络的射频信号功率合成支路与基带调制模块的射频信号端口相连；数字信号处理模块的数字信号端口与基带调制模块的数字信号端口相连。
非周期时间调制T/R组件包含1个环形器、1个限幅器、1个低噪声放大器、1个高功率放大器、1个收发选通开关和1个非周期时间调制器；环形器和收发选通开关将非周期时间调制T/R组件分为接收支路、发射支路和收发公共支路；限幅器和低噪声放大器由上至下级联，位于接收支路；高功率放大器位于发射支路；非周期时间调制器位于收发公共支路。
非周期时间调制器包含1个高低通拓扑结构的90度相移电路单元和1个高低通拓扑结构的180度相移电路单元；其中，高低通拓扑结构的90度相移电路单元和高低通拓扑结构的180度相移电路单元相互级联，各包含2个单刀双掷射频开关、1个π型低通滤波电路和1个π型高通滤波电路；其中，π型低通滤波电路和π型高通滤波电路呈并联结构，通过单刀双掷射频开关实现工作状态切换。
非周期时间调制器具有2个幅度工作状态和4个相位工作状态；其中，2个幅度工作状态分别为“0”状态和“1”状态，4个相位工作状态分别为“0度”状态、“90度”状态、“180度”状态和“270度”状态。
非周期时间调制序列发生器产生N个非周期时间调制序列；N个非周期时间调制序列由N个幅度时间调制序列和N个相位时间调制序列通过以下表达式复合而成，
Figure BDA0003359320670000031
其中，Un(t)，
Figure BDA0003359320670000032
分别代表第n个非周期时间调制序列，第n个幅度时间调制序列和第n个相位时间调制序列；其中，n为正整数，且1≤n≤N；在任意时刻，
Figure BDA0003359320670000033
的可取值为“0”和“1”，与非周期时间调制器的“0”状态和“1”状态形成一一对应；在任意时刻，
Figure BDA0003359320670000034
的可取值为“0度”、“90度”、“180度”和“270度”，与非周期时间调制器的“0度”状态、“90度”状态、“180度”状态和“270度”状态形成一一对应；
所述现场可编程门阵列根据非周期时间调制序列生成TTL控制信号，使得非周期时间调制T/R组件的工作状态呈现与非周期时间调制序列一致的工作状态；
本发明与现有技术相比，其显著特点：
(1)本发明所提出的阵列天线波束形成系统包含一个非周期时间调制序列发生器，能够产生N个非周期时间调制序列。而且，N个非周期时间调制序列在非周期时间调制序列发生器内是由N个幅度时间调制序列和N个相位时间调制序列通过特定的数学规则复合而成的。
(2)不同于周期时间调制，本发明提出的幅度时间调制序列和相位时间调制序列在任意的观测时间段内都不具有周期性。
(3)在现有技术框架下，边带电平抑制能力的提升主要是通过增加射频通道硬件复杂度和优化算法两大途径。本发明提出了一种高效的非周期时间调制序列设计方法，使得边带电平抑制性能的提升不再需要增加射频通道硬件复杂度，也不再需要采用复杂的时序优化算法。
(4)基于本发明提出的系统架构和调制手段，阵列天线在实现低副瓣、连续波束扫描的同时，边带电平理论上总能抑制到-40.0dB以下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统基本结构框图。
图2为图1所示的非周期时间调制T/R组件的具体结构。
图3为图2所示的非周期时间调制器的具体结构。
图4为第n个通道的非周期时间调制序列的最小状态时间划分示意图。
图5为实施例中阵列天线在非周期时间调制下呈现的副瓣电平为-13.0dB辐射方向图。
图6为实施例中阵列天线在非周期时间调制下呈现的副瓣电平为-30.0dB辐射方向图。
具体实施方案
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
结合图1，本实施例提供了一种基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统，包括1个N单元均匀直线阵列天线(1)、N个非周期时间调制T/R组件(2)、1个现场可编程门阵列(3)、1个非周期时间调制序列发生器(4)、N根TTL信号控制线(5)、1个N路等功率分配网络(6)、1个基带调制模块(7)、1个数字信号处理模块(8)，其中，N为正整数。
每个非周期时间调制T/R组件(2)具有2个射频信号端口和1个控制信号端口；N路等功率分配网络(6)的顶部具有N路射频信号功率分配支路；N路等功率分配网络(6)的底部具有1路射频信号功率合成支路；现场可编程门阵列(3)的顶部具有N个控制信号输入端口；现场可编程门阵列(3)的底部具有N个控制信号输出端口；非周期时间调制序列发生器(4)具有N个控制信号输出端口；基带调制模块(7)的顶部具有1个射频信号端口；基带调制模块(7)的底部具有1个数字信号端口；数字信号处理模块(8)具有1个数字信号端口。
位于非周期时间调制T/R组件(2)顶部的射频信号端口与N单元均匀直线阵列天线(1)中的1个天线单元相连；位于非周期时间调制T/R组件(2)底部的射频信号端口与N路等功率分配网络(6)的1路射频信号功率分配支路相连；每根TTL信号控制线(5)的一端与1个非周期时间调制T/R组件(2)的控制信号端口相连，另一端与现场可编程门阵列(3)的1个控制信号输出端口相连；现场可编程门阵列(3)的N个控制信号输入端口与非周期时间调制序列发生器(4)的N个控制信号输出端口一一对应，依次相连；N个非周期时间调制T/R组件(2)自左向右依次排列；N路等功率分配网络(6)的射频信号功率合成支路与基带调制模块(7)的射频信号端口相连；数字信号处理模块(8)的数字信号端口与基带调制模块(7)的数字信号端口相连。
结合图2，非周期时间调制T/R组件(2)包含1个环形器(9)、1个限幅器(10)、1个低噪声放大器(11)、1个高功率放大器(12)、1个收发选通开关(13)和1个非周期时间调制器(14)；环形器(9)和收发选通开关(13)将非周期时间调制T/R组件(2)分为接收支路、发射支路和收发公共支路；限幅器(10)和低噪声放大器(11)由上至下级联，位于接收支路；高功率放大器(12)位于发射支路；非周期时间调制器(14)位于收发公共支路。
结合图3，非周期时间调制器(14)包含1个高低通拓扑结构的90度相移电路单元(15)和1个高低通拓扑结构的180度相移电路单元(16)；其中，高低通拓扑结构的90度相移电路单元(15)和高低通拓扑结构的180度相移电路单元(16)相互级联，各包含2个单刀双掷射频开关(17)、1个π型低通滤波电路(18)和1个π型高通滤波电路(19)；其中，π型低通滤波电路(18)和π型高通滤波电路(19)呈并联结构，通过单刀双掷射频开关(17)实现工作状态切换。
非周期时间调制器(14)具有2个幅度工作状态和4个相位工作状态；其中，2个幅度工作状态分别为“0”状态和“1”状态，4个相位工作状态分别为“0度”状态、“90度”状态、“180度”状态和“270度”状态。
非周期时间调制序列发生器(4)产生N个非周期时间调制序列；N个非周期时间调制序列由N个幅度时间调制序列和N个相位时间调制序列通过以下表达式复合而成，
Figure BDA0003359320670000061
其中，Un(t)，
Figure BDA0003359320670000062
分别代表第n个非周期时间调制序列，第n个幅度时间调制序列和第n个相位时间调制序列；其中，n为正整数，且1≤n≤N；在任意时刻，
Figure BDA0003359320670000063
的可取值为“0”和“1”，与非周期时间调制器(14)的“0”状态和“1”状态形成一一对应；在任意时刻，
Figure BDA0003359320670000064
的可取值为“0度”、“90度”、“180度”和“270度”，与非周期时间调制器(14)的“0度”状态、“90度”状态、“180度”状态和“270度”状态形成一一对应。
Figure BDA0003359320670000065
和
Figure BDA0003359320670000066
在任意观测时间段T内都不具有周期性；在任意观测时间段T内，
Figure BDA0003359320670000067
和
Figure BDA0003359320670000068
根据以下步骤获得，
第一步，根据波束指向、副瓣电平，求解理想状态下N单元均匀直线阵列天线(1)所需要的理想幅度加权向量α和理想相位加权向量β；其中，α和β都为N维向量；结合图3，将观测时间段T均匀分成K段最小状态时间；其中K为正整数，且K>100；每个最小状态时间设定为Tsw，且Tsw和T之间满足以下关系：T＝KTsw；
第二步，根据第n个通道的目标相位加权系数βn设计
Figure BDA0003359320670000069
其中βn＝β(n)；具体来说，首先根据βn从
Figure BDA00033593206700000610
的4个可取值中选取两个基准取值Φn,1和Φn,2，使得Φn,1≤βn＜Φn,2，且Φn,2＝Φn,1+90°；其次从K段最小状态时间中随机选取
Figure BDA00033593206700000611
段，使得
Figure BDA00033593206700000612
在上述时间段内的取值为Φn,1，在剩下的
Figure BDA00033593206700000613
段的取值为Φn,2；其中，
Figure BDA00033593206700000614
的选取遵循以下准则，
Figure BDA00033593206700000615
其中，[·]表示取整数部分；
第三步，根据第n个通道的目标幅度加权系数αn设计
Figure BDA00033593206700000616
其中αn＝α(n)；具体来说，首先应根据下式求解由
Figure BDA00033593206700000617
引起的寄生幅度加权αn'，
Figure BDA00033593206700000618
其次，应根据下式获得修正幅度加权向量α'，
Figure BDA00033593206700000619
再次，应根据下式获得第n个通道的归一化幅度加权系数αn"，
Figure BDA0003359320670000071
其中，||α'||∞表示为α'的无穷范数；
最后，从K段最小状态时间中随机选取
Figure BDA0003359320670000072
段，使得
Figure BDA0003359320670000073
在上述时间段内的取值为
“1”，在剩下的
Figure BDA0003359320670000074
段的取值为“1”；其中，
Figure BDA0003359320670000075
的选取遵循以下准则，
Figure BDA0003359320670000076
所述现场可编程门阵列(3)根据非周期时间调制序列生成TTL控制信号，使得非周期时间调制T/R组件(2)的工作状态呈现与非周期时间调制序列一致的工作状态。
不失一般性，本实施例考虑16单元均匀直线阵列天线(N＝16)。基于非周期时间调制的波束成形系统的射频信号中心频率为16GHz(fc＝16GHz)。16单元均匀直线阵列天线的单元间距为0.45λc，其中λc为自由空间中心频率fc对应的工作波长。
图5为图1实施例中阵列天线在非周期时间调制下呈现的副瓣电平为-13.0dB辐射方向图。图6为图1实施例中阵列天线在非周期时间调制下呈现的副瓣电平为-30.0dB辐射方向图。在图5和图6中，f1表示边带电平所对应的频率。值得注意的是，f1并非一个固定的频率，而是随着不同观测时间段内的非周期时间调制序列不断变化的。不失一般性，这里给出的f1是通过设计一个观测时间段T的非周期时间调制序列，再对这一序列进行周期延拓之后的数值分析结果。从图5和图6的仿真结果可以得出，本发明提出的基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统，突破了波束扫描能力、低副瓣波束综合能力与边带电平抑制能力之间的相互制约关系，实现了低副瓣、连续波束扫描，达到了优越的边带电平抑制性能(SBL<-40.0dB)。其中，SBL代表边带电平。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (2)

1.一种基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统，其特征在于，包括1个N单元均匀直线阵列天线(1)、N个非周期时间调制T/R组件(2)、1个现场可编程门阵列(3)、1个非周期时间调制序列发生器(4)、N根TTL信号控制线(5)、1个N路等功率分配网络(6)、1个基带调制模块(7)、1个数字信号处理模块(8)，其中，N为正整数；
位于非周期时间调制T/R组件(2)顶部的射频信号端口与N单元均匀直线阵列天线(1)中的1个天线单元相连；位于非周期时间调制T/R组件(2)底部的射频信号端口与N路等功率分配网络(6)的1路射频信号功率分配支路相连；每根TTL信号控制线(5)的一端与1个非周期时间调制T/R组件(2)的控制信号端口相连，另一端与现场可编程门阵列(3)的1个控制信号输出端口相连；现场可编程门阵列(3)的N个控制信号输入端口与非周期时间调制序列发生器(4)的N个控制信号输出端口一一对应，依次相连；N个非周期时间调制T/R组件(2)自左向右依次排列；N路等功率分配网络(6)的射频信号功率合成支路与基带调制模块(7)的射频信号端口相连；数字信号处理模块(8)的数字信号端口与基带调制模块(7)的数字信号端口相连；
所述非周期时间调制T/R组件(2)包含1个环形器(9)、1个限幅器(10)、1个低噪声放大器(11)、1个高功率放大器(12)、1个收发选通开关(13)和1个非周期时间调制器(14)；
所述环形器(9)和收发选通开关(13)将非周期时间调制T/R组件(2)分为接收支路、发射支路和收发公共支路；限幅器(10)和低噪声放大器(11)由上至下级联，位于接收支路；高功率放大器(12)位于发射支路；非周期时间调制器(14)位于收发公共支路；
所述非周期时间调制器(14)包含1个高低通拓扑结构的90度相移电路单元(15)和1个高低通拓扑结构的180度相移电路单元(16)；其中，高低通拓扑结构的90度相移电路单元(15)和高低通拓扑结构的180度相移电路单元(16)相互级联，各包含2个单刀双掷射频开关(17)、1个π型低通滤波电路(18)和1个π型高通滤波电路(19)；其中，π型低通滤波电路(18)和π型高通滤波电路(19)并联排列，通过单刀双掷射频开关(17)实现工作状态切换；
所述非周期时间调制器(14)具有2个幅度工作状态和4个相位工作状态；其中，2个幅度工作状态分别为“0”状态和“1”状态，4个相位工作状态分别为“0度”状态、“90度”状态、“180度”状态和“270度”状态；
所述非周期时间调制序列发生器(4)产生N个非周期时间调制序列；N个非周期时间调制序列由N个幅度时间调制序列和N个相位时间调制序列通过以下表达式复合而成，
Figure FDA0003880405000000021
其中，Un(t)，
Figure FDA0003880405000000022
分别代表第n个非周期时间调制序列，第n个幅度时间调制序列和第n个相位时间调制序列；n为正整数，且1≤n≤N；在任意时刻，
Figure FDA0003880405000000023
的可取值为“0”和“1”，与非周期时间调制器(14)的“0”状态和“1”状态形成一一对应；在任意时刻，
Figure FDA0003880405000000024
的可取值为“0度”、“90度”、“180度”和“270度”，与非周期时间调制器(14)的“0度”状态、“90度”状态、“180度”状态和“270度”状态形成一一对应；
所述
Figure FDA0003880405000000025
和
Figure FDA0003880405000000026
在任意观测时间段T内都不具有周期性；在任意观测时间段T内，
Figure FDA0003880405000000027
和
Figure FDA0003880405000000028
根据以下步骤获得，
第一步，根据波束指向、副瓣电平，求解理想状态下N单元均匀直线阵列天线(1)所需要的理想幅度加权向量α和理想相位加权向量β；其中，α和β都为N维向量；将观测时间段T均匀分成K段最小状态时间；其中K为正整数，且K>100；
第二步，根据第n个通道的目标相位加权系数βn设计
Figure FDA0003880405000000029
其中βn＝β(n)；具体来说，首先根据βn从
Figure FDA00038804050000000210
的4个可取值中选取两个基准取值Φn,1和Φn,2，使得Φn,1≤βn＜Φn,2，且Φn,2＝Φn,1+90°；其次从K段最小状态时间中随机选取
Figure FDA0003880405000000031
段，使得
Figure FDA0003880405000000032
在上述时间段内的取值为Φn,1，在剩下的
Figure FDA0003880405000000033
段的取值为Φn,2；其中，
Figure FDA0003880405000000034
的选取遵循以下准则：
Figure FDA0003880405000000035
[·]表示取整数部分；
第三步，根据第n个通道的目标幅度加权系数αn设计
Figure FDA0003880405000000036
其中αn＝α(n)；具体来说，首先应根据下式求解由
Figure FDA0003880405000000037
引起的寄生幅度加权系数αn'：
Figure FDA0003880405000000038
其次，应根据下式获得修正幅度加权向量α'：
Figure FDA0003880405000000039
再次，应根据下式获得第n个通道的归一化幅度加权系数αn"：
Figure FDA00038804050000000310
其中，||α'||∞表示为α'的无穷范数；最后，从K段最小状态时间中随机选取
Figure FDA00038804050000000311
段，使得
Figure FDA00038804050000000312
在上述时间段内的取值为“1”，在剩下的
Figure FDA00038804050000000313
段的取值为“0”；其中，
Figure FDA00038804050000000314
的选取遵循以下准则：
Figure FDA00038804050000000315
2.根据权利要求1所述的基于非周期时间调制的阵列天线波束形成系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列(3)根据非周期时间调制序列生成TTL控制信号，使得非周期时间调制T/R组件(2)随时间呈现与非周期时间调制序列一致的工作状态。
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