CN115102584A - 一种实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置，属于通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域。利用移相器结合大步进的时延器，通过优化后的多波束方向图求和，实现目标方向的相干合成以及非目标方向的副瓣和栅瓣的抑制。本发明实现了阵列宽瞬时带宽大角度扫描状态下的低副瓣辐射方向图，能够有效提升阵列空域滤波和抗干扰能力，特别适合在通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域中的宽带模拟阵列和数字阵列中使用。

Description

一种实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置
技术领域
本发明涉及通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域，特别是指一种实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置。
背景技术
通信、雷达、电子对抗等相控阵系统都有对宽瞬时带宽或宽信号带宽的需求，相控阵本身基于窄带假设，直接用于宽带系统会产生波束倾斜、孔径渡越、副瓣抬高等宽带效应，要克服这些效应需要采用时延器代替移相器以实现波束合成。由于时延器无法跨周期使用，因此导致系统造价、复杂度和工程实现难度显著增加。
通常采用子阵划分和分级时延的方式来折衷系统性能和实现复杂度。并需要选择使用优化布阵、重叠子阵、干扰抵消器、随机化相位、虚拟填充等技术来实现副瓣及栅瓣的抑制。
发明内容
本发明提出的宽带低副瓣阵列波束合成方案，利用移相器结合大步进的时延器，通过优化后的多波束方向图求和，实现目标方向的相干合成以及非目标方向的副瓣和栅瓣的抑制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置，包括N个M通道大步进时延波控单元和一个波束合成单元；M通道大步进时延波控单元的每个波束通道包括衰减器、移相器和大步进时延器；其中M和N均为设定值；
M通道大步进时延波控单元用于从天线及前端接收信号，在内部分为M通道，每个通道的信号依次经衰减器、移相器和大步进时延器后输出，共输出M个波束至波束合成单元；
波束合成单元，用于将N个M通道大步进时延波控单元输出的对应通道波束合成，得到M路波束，再将M路波束进行合成，得到最终的合成波束输出。
其中，大步进时延器的最小步进τstep和最大延时量τmax的计算方式为：
Figure BDA0003701984080000021
τmax＝N d sinθmax/c
式中，c为光速，θB为波束指向角，d为无栅瓣单元间距，θmax为最大扫描角度，α为系数，fc为工作频段中心频率，IBW为工作频段瞬时带宽。
其中，M通道大步进时延波控单元的每个通道中移相器的相位和大步进时延器的时延，计算方式为：
Figure BDA0003701984080000022
Figure BDA0003701984080000023
式中，pm(n,θB)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的相位，τm(n,θB)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的时延，Km为第m个波束的虚拟子阵单元数，rm为第m个波束的虚拟位移，lm表示当前n所属于的第lm个虚拟子阵，ps为移相步进，fix代表取整。
其中，波束合成单元的合成方式具体为：
Figure BDA0003701984080000031
Figure BDA0003701984080000032
式中，Fm(θ)为对应第m波束通道波束合成结果，F(θ)为最终的合成波束,am(n)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的衰减器幅度。
本发明相较现有的宽带低副瓣波束合成主要有以下优点：
(1)可以应用于模拟阵列和数字阵列，不需要物理上的子阵划分；
(2)通过多波束合成，只需要采用大步进的时延，降低了时延部分的实现难度；
(3)工作模式可以切换，可以满足小角度扫描或低性能大角度扫描的多波束，也可以通过多波束合成满足大角度扫描高性能的单波束。
附图说明
图1是本发明的阵列波束合成方案原理图。
图2是本发明实施例采用的3波束合成方案原理图。
图3是本发明实施例变频20GHz扫描-65°独立波束与和波束对比图。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图，对本发明进行详细阐述。
如图1所示，一种实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置，包括N个M通道大步进时延波控单元A和一个波束合成单元B；M通道大步进时延波控单元的每个波束通道包括衰减器、移相器和大步进时延器；其中M和N均为设定值；
M通道大步进时延波控单元用于从天线及前端接收信号，在内部分为M通道，每个通道的信号依次经衰减器、移相器和大步进时延器后输出，共输出M个波束至波束合成单元；
其中，大步进时延器的最小步进τstep和最大延时量τmax的计算方式为：
Figure BDA0003701984080000041
τmax＝Nd sinθmax/c
式中，c为光速，θB为波束指向角，d为无栅瓣单元间距，θmax为最大扫描角度，α为系数，fc为工作频段中心频率，IBW为工作频段瞬时带宽。
M通道大步进时延波控单元的每个通道中移相器的相位和大步进时延器的时延，计算方式为：
Figure BDA0003701984080000042
Figure BDA0003701984080000043
式中，pm(n,θB)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的相位，τm(n,θB)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的时延，Km为第m个波束的虚拟子阵单元数，rm为第m个波束的虚拟位移，lm表示当前n所属于的第lm个虚拟子阵，ps为移相步进，fix代表取整。
波束合成单元，用于将N个M通道大步进时延波控单元输出的对应通道波束合成，得到M路波束，再将M路波束进行合成，得到最终的合成波束输出。
波束合成单元的合成方式具体为：
Figure BDA0003701984080000051
Figure BDA0003701984080000052
式中，Fm(θ)为对应第m波束通道波束合成结果，F(θ)为最终的合成波束,am(n)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的衰减器幅度。
本实施例依据图2所示，针对射频工作频率为18GHz～20GHz的均匀线阵ULA采用3波束，所需的最大扫描角度为70°，系统参数如表1所示。
表1
Figure BDA0003701984080000053
Figure BDA0003701984080000061
需要对K(θB)＝[K1,K2,K3]和r(θB)＝[r1,r2,r3]进行优化，需要波束合成单元输出的带内最差副瓣抑制度＞23dBc和宽带边频增益恶化＜1dB边频。
优化结果为K(-65°)＝[5,7,9]，r(-65°)＝[2.75,0.72,4.27]，三个独立波束20GHz边频扫描-65°时的归一化方向图对比如图3所示，副瓣电平抑制度整体改善了6dB～10dB。
总之，本发明实现了阵列宽瞬时带宽大角度扫描状态下的低副瓣辐射方向图，能够有效提升阵列空域滤波和抗干扰能力，特别适合在通信、雷达、电子对抗及综合射频技术领域中的宽带模拟阵列和数字阵列中使用。

Claims (4)

1.一种实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置，其特征在于，包括N个M通道大步进时延波控单元和一个波束合成单元；M通道大步进时延波控单元的每个波束通道包括衰减器、移相器和大步进时延器；其中M和N均为设定值；
M通道大步进时延波控单元用于从天线及前端接收信号，在内部分为M通道，每个通道的信号依次经衰减器、移相器和大步进时延器后输出，共输出M个波束至波束合成单元；
波束合成单元，用于将N个M通道大步进时延波控单元输出的对应通道波束合成，得到M路波束，再将M路波束进行合成，得到最终的合成波束输出。
2.根据权利要求1所述的实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置，其特征在于，大步进时延器的最小步进τstep和最大延时量τmax的计算方式为：
Figure FDA0003701984070000011
τmax＝Ndsinθmax/c
式中，c为光速，θB为波束指向角，d为无栅瓣单元间距，θmax为最大扫描角度，α为系数，fc为工作频段中心频率，IBW为工作频段瞬时带宽。
3.根据权利要求2所述的实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置，其特征在于，M通道大步进时延波控单元的每个通道中移相器的相位和大步进时延器的时延，计算方式为：
Figure FDA0003701984070000021
Figure FDA0003701984070000022
式中，pm(n,θB)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的相位，τm(n,θB)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的时延，Km为第m个波束的虚拟子阵单元数，rm为第m个波束的虚拟位移，lm表示当前n所属于的第lm个虚拟子阵，ps为移相步进，fix代表取整。
4.根据权利要求3所述的实现宽带低副瓣的阵列波束合成装置，其特征在于，波束合成单元的合成方式具体为：
Figure FDA0003701984070000023
Figure FDA0003701984070000024
式中，Fm(θ)为对应第m波束通道波束合成结果，F(θ)为最终的合成波束,am(n)为第n个M通道大步进时延波控单元第m波束通道的衰减器幅度。
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