CN114639957B - 一种数模混合的多波束赋形车载装置及其移相波控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线电阵列技术领域，公开了一种数模混合的多波束赋形车载装置及其移相波控方法，该数模混合的多波束赋形车载装置，包括依次电相连的模拟移相合成单元组、模拟短延时合成单元组、模拟长延时合成单元组、数字加权合成单元组。本发明解决了现有技术存在的扫描角较大时设计与控制复杂度的提升、对数控延时线的长度要求较高、子阵规模很大时工作量较大等问题。

Description

一种数模混合的多波束赋形车载装置及其移相波控方法
技术领域
本发明涉及无线电阵列技术领域，具体是一种数模混合的多波束赋形车载装置及其移相波控方法。
背景技术
相控阵天线在调整波束指向时，需要按照工作频点f0和波束指向角θ0来设定移相器的相移量φ。而当相移量φ一定时，若信号频率变化至f0+Δf，将会导致波束指向角变化至f0+Δf。频率偏移造成波束指向在空间出现摆动，这称为相控阵天线波束在空间的色散现象，又称为相控阵天线的“孔径效应”。这导致了宽带相控阵天线波束“指不准”或者在指定方向上存在增益损失。
对于高频段宽带波束形成而言，全移相器波束形成并不适用于宽带波束形成。因此，宽带波束形成常常采用实时延时线(TTD,true time delay)代替移相器完成波束形成的加权处理，其本质是对孔径渡越的真实补偿，消除了不同频率下相位补偿方法引入的差异性，更适合宽带波束形成。《基于最优宽带性能的相控阵设计研究》综述了：“实时延时器与传统移相器相比的大体积及高成本等因素也导致在每个阵元均采用TTD是无法实现的为了降低成本，现有技术往往采用部分因此，多采用划分子阵的方式，在子阵级使用TTD，阵元级使用移相器进行阵列的波束控制”。《相控阵天线瞬时带宽扩展方法研究》提出“分级TTD方法在适当增加馈电系统复杂度的条件下，降低了系统成本并可实现更大的瞬时带宽。”。
在面向高频段的大规模车载共型相控阵中，由于孔径渡越长度达到了米级，分级TTD方法若仍采用数控延时线会存以下问题：一、扫描角较大时数控延时线所在支路的电平大幅度衰减，设计与控制复杂度的提升；二、车载共型相控阵在波束扫描过程中需要稳定的相位中心，对数控延时线的长度又进一步提高了要求；三、数控延时线本身的延时精度有限，当子阵规模很大时，对相位校准方法与工作量也提出了较高的要求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种数模混合的多波束赋形车载装置及其移相波控方法，解决现有技术存在的扫描角较大时设计与控制复杂度的提升、对数控延时线的长度要求较高、子阵规模很大时工作量较大等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种数模混合的多波束赋形车载装置，包括依次电相连的模拟移相合成单元组、模拟短延时合成单元组、模拟长延时合成单元组、数字加权合成单元组。
作为一种优选的技术方案，模拟移相合成单元组包括依次电相连的低噪放、滤波器、移相合成网络，移相合成网络与模拟短延时合成单元组电相连。
作为一种优选的技术方案，移相合成网络包括依次电相连的功分器、移相器、可调衰减器、第一合路器，第一合路器与模拟短延时合成单元组电相连。
作为一种优选的技术方案，模拟短延时合成单元组包括依次电相连的短延时器、第二合路器，短延时器与第一合路器电相连，第二合路器与模拟长延时合成单元电相连。
作为一种优选的技术方案，模拟长延时合成单元组包括依次电相连的延时合成模块、下变频器，下变频器与数字加权合成单元组电相连。
作为一种优选的技术方案，延时合成模块包括依次电相连的第一级数字加权合成单元组、中间数字加权合成单元组、最后一级数字加权合成单元组，第一级数字加权合成单元组完成采样、延时、均衡、移相和调幅运算，中间数字加权合成单元组完成合并，最后一级数字加权合成单元组完成和波束与差波束形成。
作为一种优选的技术方案，第一级数字加权合成单元组包括依次电相连的AD采样模块、延时模块、信道均衡模块、移相模块、调幅模块、第一级合并模块，AD采样模块与下变频器电相连，第一级合并模块与中间数字加权合成单元组电相连。
作为一种优选的技术方案，延时模块包括整数倍时钟延时滤波器、分数倍延时滤波器。
一种数模混合的多波束赋形车载装置的移相波控方法，采用所述的一种数模混合的多波束赋形车载装置，包括以下步骤：
S1，将1个模拟移相合成单元以及所对应的N个天线单元作为1个初级子阵；将1个模拟短延时合成单元以及对应的M个初级子阵作为1个次级子阵；整个系统即包含有P*Q个模拟长延时子阵；其中，M、N、P、Q均＞2且均为整数,(q,p,n,m)构成了天线单元的编号组,(q,p)构成了次级子阵的编号组,q∈[1,Q],p∈[1,P],n∈[1,N],m∈[1,M]；
S2，在每个次级子阵上设计并计算出1个次级子阵参考中心坐标；
S3，记次级子阵参考中心坐标为
S4，将所有天线单元的坐标减去对应次级子阵参考中心坐标得到全阵参考坐标根据波束指向矢量[xr,yr,zr]计算每个阵元的的波程距离：
其中，r表示波束指向矢量的下标字母。
S5，取每个初级子阵的波程距离的平均值，并向设定的波长精度定点，得到模拟短延时合成单元的波控值d(q,p,n)；
S6，计算每个次级子阵对应模拟移相合成单元中移相器的相位差θ(q,p,n,m)＝{[d(q,p,n,m)-d(q,p,n)]/λ0}×360°+θ标校(q,p,n,m)；其中，λ0表示中心频点波长，是θ标校(q,p,n,m)表示通道标校结果；
S7：根据次级参考中心坐标，计算次级子阵参考中心的波程距离取一个大于d(q,p)中最大值的数作为恒定延时的基准值D；
S8：根据D和d(q,p)，对模拟长延时合成单元组和数字加权合成单元组的加权值进行分解，将每P个次级子阵中最小的波程距离min{d(q,p)|p∈[1,P]}作为第q个数字加权合成单元所需的加权值，并进一步通过系统时钟周期Tclk求余得到整数倍时钟延时与分数倍延时；
S9：计算d(q,p)-min{d(q,p)|p∈[1,P]}，得到模拟长延时合成单元所需的加权值{d(q,p)-min(d(q,p),q)-[d(q,p)-min(d(q,p),q)]λ}/λ0*360°，其中，[d(q,p)-min(d(q,p),q)]λ为延迟芯片的总延迟长度。
作为一种优选的技术方案，步骤S5中，取每个初级子阵的波程距离的平均值，并向1/4的波长精度定点，得到模拟短延时合成单元的波控值
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明减小了大规模车载共型相控阵对数控延时线长度的要求，并且使车载相控阵规模可任意扩展，不再受限于数控延时线的长度影响。
(2)本发明可实现足够长度的数字延时线，并且达到足够精度的时间延时与相位偏移。
(3)本发明可以有效保障多波束赋形车载装置的天线相位中心稳定性。
附图说明
图1为本发明数模混合的多波束赋形车载装置的结构示意图；
图2为本发明模拟移相合成单元的结构示意图；
图3为本发明模拟短延时合成单元的结构示意图；
图4为本发明模拟长延时合成单元的结构示意图；
图5为本发明延时合成模块的结构示意图；
图6为本发明数字加权合成单元的结构示意图；
图7为本发明模拟长延时子阵参考中心示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图7所示，本发明公开了一种数模混合的多波束赋形车载装置。旨在提供面向高频段的大规模车载共型相控阵的低复杂度多波束形成装置。本发明通过以下技术方案予以实现：从模拟信号接收到数字采样依次分为四个单元组，第一是模拟移相合成单元组；第二是模拟短延时合成单元组；第三是模拟长延时合成单元组；第四是数字加权合成单元组。在上述架构基础上，结合移相波控算法与加权系数分发单元，实现多波束形成。本发明针对高频段的大规模车载共型相控阵在高设计复杂度、高测试复杂度以及高稳相位中心等问题，将模拟手段、数字手段与波控手段相结合，给出了多波束形成的解决方案。
数模混合的多波束赋形车载装置，包括：包含低噪放、滤波器、移相合成网络的模拟移相合成单元；包含短延时器、第二合路器的模拟短延时合成单元；包含延时合成模块和下变频器的模拟长延时合成单元；包含AD采样，数字波束形成的数字加权合成单元。1个模拟移相合成单元包含N个天线单元；模拟短延时合成单元接入了M个模拟移相合成单元；模拟长延时合成单元接入了P个模拟长延时合成单元；数字加权合成单元接入了Q个模拟长延时合成单元；数字加权合成单元可以进一步通过树状结构进行合并；多个相同单元构成单元组，实现了相控阵天线的规模扩展。
模拟移相合成单元包含了低噪放、滤波器、移相合成网络。其中，移相合成网络又包含了功分器、6位移相器、可调衰减器和合路器；6位移相器的控制范围是0～360°，精度是5.625°；可调衰减器的控制范围是0～30dB，精度是1dB，作用分别是根据系数计算实现幅度加权和利用配置成最大衰减实现本支路的通断。
模拟短延时合成单元包含了包含短延时器、合成网络与电光转化模块；其中短延时器由多级延时芯片组成，总控制范围是7.75λ，精度是0.25λ，λ是波长；合成网络将模拟移相合成单元组输出同一波束的路径进行两两合成。
模拟长延时合成单元包含了延时合成模块和下变频器；其中延时合成模块又包含了低噪放、6位移相器、隔离器、延迟芯片、低噪放、延迟芯片与隔离器。总控制范围是34λ，精度是λ,6位移相器的控制范围是0～360°以内，精度是5.625°。
数字加权合成单元组可由多级数字加权合成单元构建树状结构组成，第一级数字加权合成单元组需完成采样、延时、均衡、移相和调幅运算，中间数字加权合成单元组完成合并，最后一级数字加权合成单元组完成和波束与差波束形成，即实现了多波束赋形接收。其中，第一级数字加权合成单元的延时模块分为两部分，包含整数倍时钟延时与分数倍延时滤波器。
多级数模混合的多波束赋形车载装置的移相波控算法：
S1，将1个模拟移相合成单元以及所对应的N个天线单元作为1个初级子阵；将1个模拟短延时合成单元以及对应的M个初级子阵作为1个次级子阵；整个系统即包含有P*Q个次级子阵；其中，M、N、P、Q均＞2且均为整数,(q,p,n,m)构成了天线单元的编号组,(q,p)构成了次级子阵的编号组,q∈[1,Q],p∈[1,P],n∈[1,N],m∈[1,M]；
S2，在每个次级子阵上设计并计算出1个次级子阵参考中心坐标；
S3，记次级子阵参考中心坐标为
S4，将所有天线单元的坐标减去对应次级子阵参考中心坐标得到全阵参考坐标根据波束指向矢量[xr,yr,zr]计算每个阵元的的波程距离：
其中，r表示波束指向矢量的下标字母。
S5，取每个初级子阵的波程距离的平均值，并向1/4的波长精度定点，得到模拟短延时合成单元的波控值
S6，计算每个次级子阵对应模拟移相合成单元中移相器的相位差θ(q,p,n,m)＝{[d(q,p,n,m)-d(q,p,n)]/λ0}×360°+θ标校(q,p,n,m)；其中，λ0表示中心频点波长，是θ标校(q,p,n,m)表示通道标校结果；
S7：根据次级参考中心坐标，计算次级子阵参考中心的波程距离取一个大于d(q,p)中最大值的数作为恒定延迟的基准值D；
S8：根据D和d(q,p)，对模拟长延时合成单元组和数字加权合成单元组的加权值进行分解，将每P个次级子阵中最小的波程距离min{d(q,p)|p∈[1,P]}作为第q个数字加权合成单元所需的加权值，并进一步通过系统时钟周期Tclk求余得到整数倍时钟延时与分数倍延时；
S9：计算d(q,p)-min{d(q,p)|p∈[1,P]}，得到模拟长延时合成单元所需的加权值。模拟长延时合成单元所需的加权值又分解为延迟值和移相值，延迟值计算方法为round{[d(q,p)-min{d(q,p)|p∈[1,P]}]/λ0}，移相值计算方法为{d(q,p)/λ0-min{d(q,p)|p∈[1,P]}/λ0-round{{d(q,p)-min{d(q,p)|p∈[1,P]}}/λ0}}×360°。
本发明提供了一种模拟数控延时线与数字加权合成单元组合的多级TTD波束赋形方法，减小了大规模车载共型相控阵对数控延时线长度的要求，并且使车载相控阵规模可任意扩展，不再受限于数控延时线的长度影响。
本发明提供了一种数字加权合成单元的设计方法，可实现足够长度的数字延时线，并且达到足够精度的时间延时与相位偏移。
本发明为多级TTD波束赋形架构提出了一套波控计算方法，可以有效保障多波束赋形车载装置的天线相位中心稳定性。
实施例2
如图1至图7所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
参阅图1。在以下描述的实施例中，数模混合的多波束赋形车载装置，包括：包含低噪放、滤波器、移相合成网络的模拟移相合成单元；包含短延时器、合成网络与电光转化模块的模拟短延时合成单元；包含光电转换模块、延时合成模块和下变频器的模拟长延时合成单元；包含AD采样，数字波束形成的数字加权合成单元。1个模拟移相合成单元包含N个天线单元；模拟短延时合成单元接入了M个模拟移相合成单元；模拟长延时合成单元接入了P个模拟长延时合成单元；数字加权合成单元接入了Q个模拟长延时合成单元；数字加权合成单元可以进一步通过树状结构进行合并；多个相同单元构成单元组，实现了相控阵天线的规模扩展。
参阅图2。模拟移相合成单元包含了低噪放、滤波器、移相合成网络。其中，移相合成网络又包含了功分器、6位移相器、可调衰减器和合路器；6位移相器的控制范围是0～360°，精度是5.625°；可调衰减器的控制范围是0～30dB，精度是1dB，作用分别是根据系数计算实现幅度加权和利用配置成最大衰减实现本支路的通断。
参阅图3。模拟短延时合成单元包含了包含短延时器、合成网络；其中短延时器由多级延时芯片组成，总控制范围是7.75λ，精度是0.25λ，λ是波长；合成网络将模拟移相合成单元组输出同一波束的路径进行两两合成。
参阅图4、图5。模拟长延时合成单元包含了延时合成模块和下变频器；其中延时合成模块又包含了低噪放、6位移相器、隔离器、延迟芯片、低噪放、延迟芯片与隔离器。总控制范围是34λ，精度是λ,6位移相器的控制范围是0～360°以内，精度是5.625°。
参阅图6。数字加权合成单元组可由多级数字加权合成单元构建树状结构组成，第一级数字加权合成单元组需完成采样、延时、均衡、移相和调幅运算，中间数字加权合成单元组完成合并，最后一级数字加权合成单元组完成和波束与差波束形成，即实现了多波束赋形接收。其中，第一级数字加权合成单元的延时模块分为两部分，包含整数倍时钟延时与分数倍延时滤波器。
参阅图7并结合图1，给出多级数模混合的多波束赋形车载装置的移相波控算法：
步骤一：将1个模拟移相合成单元以及所对应的N个天线单元作为1个初级子阵；将1个模拟短延时合成单元以及对应的M个初级子阵作为1个次级子阵；整个系统即包含有P*Q个次级子阵；
步骤二：需要在每个子阵上设计并计算出1个子阵参考中心坐标，如图7所示，当M＝4时，即4个初级子阵构成了1个次级子阵，可以方便取该子阵对应的子阵中心；
步骤三：参考中心与子阵中心的连线与子阵垂直，且与子阵的法线距离为d，d一般可取为子阵的边长(若子阵为正方形)或者直径(若子阵为准圆形)，记子阵参考中心坐标为
步骤四：将所有天线单元的坐标减去对应次级子阵参考中心坐标得到全阵参考坐标根据波束指向矢量[xr,yr,zr]计算每个阵元的的波程距离：
其中，r表示波束指向矢量的下标字母；
步骤五：取每个小阵的波程距离的平均值，并向1/4的波长精度定点，得到由于步骤三d的选取，d(q,p,n)的值不会小于0，该值即为模拟短延时合成单元的波控值；
步骤六：计算每个次级子阵对应模拟移相合成单元中移相器的相位差θ(q,p,n,m)＝{[d(q,p,n,m)-d(q,p,n)]/λ0}×360°+θ标校(q,p,n,m)；其中，λ0表示中心频点波长，是θ标校(q,p,n,m)表示通道标校结果，该相位差再对移相精度5.625°进行定点即可得到模拟移相合成单元的波控值；
步骤七：根据次级参考中心坐标，计算次级子阵参考中心的波程距离取一个大于d(q,p)中最大值的数作为恒定延迟的基准值D；
步骤八：根据D和d(q,p)，对模拟长延时合成单元组和数字加权合成单元组的加权值进行分解，将每P个次级子阵中最小的波程距离min{d(q,p)|p∈[1,P]}作为第q个数字加权合成单元所需的加权值，并进一步通过系统时钟周期Tclk求余得到整数倍时钟延时与分数倍延时；
步骤九：计算d(q,p)-min{d(q,p)|p∈[1,P]}，得到模拟长延时合成单元所需的加权值。模拟长延时合成单元所需的加权值又分解为延迟值和移相值，延迟值计算方法为round{[d(q,p)-min{d(q,p)|p∈[1,P]}]/λ0}，移相值计算方法为{d(q,p)/λ0-min{d(q,p)|p∈[1,P]}/λ0-round{{d(q,p)-min{d(q,p)|p∈[1,P]}}/λ0}}×360°。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种数模混合的多波束赋形车载装置，其特征在于，包括依次电相连的模拟移相合成单元组、模拟短延时合成单元组、模拟长延时合成单元组、数字加权合成单元组；
模拟移相合成单元组包括依次电相连的低噪放、滤波器、移相合成网络，移相合成网络与模拟短延时合成单元组电相连；
移相合成网络包括依次电相连的功分器、移相器、可调衰减器、第一合路器，第一合路器与模拟短延时合成单元组电相连；
模拟短延时合成单元组包括依次电相连的短延时器、第二合路器，短延时器与第一合路器电相连，第二合路器与模拟长延时合成单元电相连；
模拟长延时合成单元组包括依次电相连的延时合成模块、下变频器，下变频器与数字加权合成单元组电相连；其中，延时合成模块包括依次电相连的低噪放、6位移相器、第一隔离器、第一延迟芯片、低噪放、第二延迟芯片、第二隔离器，低噪放与模拟短延时合成单元组电相连，第二隔离器与下变频器电相连；
数字加权合成单元组包括依次电相连的第一级数字加权合成单元组、中间数字加权合成单元组、最后一级数字加权合成单元组，第一级数字加权合成单元组完成采样、延时、均衡、移相和调幅运算，中间数字加权合成单元组完成合并，最后一级数字加权合成单元组完成和波束与差波束形成。
2.根据权利要求1所述的一种数模混合的多波束赋形车载装置，其特征在于，第一级数字加权合成单元组包括依次电相连的AD采样模块、延时模块、信道均衡模块、移相模块、调幅模块、第一级合并模块，AD采样模块与下变频器电相连，第一级合并模块与中间数字加权合成单元组电相连。
3.根据权利要求2所述的一种数模混合的多波束赋形车载装置，其特征在于，延时模块包括整数倍时钟延时滤波器、分数倍延时滤波器。
4.一种数模混合的多波束赋形车载装置的移相波控方法，其特征在于，采用权利要求1至3任一项所述的一种数模混合的多波束赋形车载装置，包括以下步骤：
S1，将1个模拟移相合成单元以及所对应的N个天线单元作为1个初级子阵；将1个模拟短延时合成单元以及对应的M个初级子阵作为1个次级子阵；整个系统即包含有P*Q个模拟长延时子阵；其中，M、N、P、Q均＞2且均为整数,(q,p,n,m)构成了天线单元的编号组,(q,p)构成了次级子阵的编号组,q∈[1,Q],p∈[1,P],n∈[1,N],m∈[1,M]；
S2，在每个次级子阵上设计并计算出1个次级子阵参考中心坐标；
S3，记次级子阵参考中心坐标为
S4，将所有天线单元的坐标减去对应次级子阵参考中心坐标得到全阵参考坐标根据波束指向矢量[xr,yr,zr]计算每个阵元的波程距离：
其中，r表示波束指向矢量的下标字母；
S5，取每个初级子阵的波程距离的平均值，并向设定的波长精度定点，得到模拟短延时合成单元的波控值d(q,p,n)；
S6，计算每个次级子阵对应模拟移相合成单元中移相器的相位差θ(q,p,n,m)＝{[d(q,p,n,m)-d(q,p,n)]/λ0}×360°+θ标校(q,p,n,m)；其中，λ0表示中心频点波长，是θ标校(q,p,n,m)表示通道标校结果；
S7：根据次级参考中心坐标，计算次级子阵参考中心的波程距离取一个大于d(q,p)中最大值的数作为恒定延时的基准值D；
S8：根据D和d(q,p)，对模拟长延时合成单元组和数字加权合成单元组的加权值进行分解，将每P个次级子阵中最小的波程距离min{d(q,p)|p∈[1,P]}作为第q个数字加权合成单元所需的加权值，并通过系统时钟周期Tclk求余得到整数倍时钟延时与分数倍延时；
S9：计算d(q,p)-min{d(q,p)|p∈[1,P]}，得到模拟长延时合成单元所需的加权值{d(q,p)-min(d(q,p),q)-[d(q,p)-min(d(q,p),q)]λ}/λ0*360°，其中，λ为波长,[d(q,p)-min(d(q,p),q)]λ为延迟芯片的总延迟长度。
5.根据权利要求4所述的一种数模混合的多波束赋形车载装置的移相波控方法，其特征在于，步骤S5中，取每个初级子阵的波程距离的平均值，并向1/4的波长精度定点，得到模拟短延时合成单元的波控值
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