CN116207521B - 基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，提供了一种基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，包括N个天线单元，N个矢量调控电路模块，N个各支路控制时序，一个N路功率分配器，多块现场可编程逻辑门阵列，一块信号控制板。其中在控制时序方面，通过引入实际射频开关和射频支路的非理想性因素，能够实现低成本、高精度的幅相联合调控，从而实现阵列天线的低副瓣和高精度的波束扫描。

Description

基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及一种基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，以及其波束扫描方法。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的不断发展，天线在无线通信和雷达等领域中扮演着重要的角色，并成为无线电子系统中不可或缺的组成部分。为了满足电子系统对于天线的宽频带、低副瓣、高增益、低交叉极化、多波束、波束扫描以及波束赋形等特定需求，阵列天线逐渐成为天线发展的必然方向。在传统的阵列天线设计中，单元设计、空间排布方式设计和单元幅相激励设计是关键任务之一，以产生符合特定需要的辐射方向图。在许多应用中，阵列天线需要具有非常低的副瓣电平，以抑制阵列天线产生的干扰信号，特别是在无线系统中面对复杂的电磁干扰环境时。传统的阵列天线综合方法如道尔夫-切比雪夫和离散泰勒分布综合方法，虽然可以实现等副瓣方向图的低副瓣电平，但这会导致阵列天线单元的激励幅度动态范围比越大，从而增加了阵列天线馈电系统的设计难度。因此，近些年来，遗传算法、模拟退火算法、差分进化算法、粒子群算法和蚁群算法等随机优化算法在阵列天线综合中得到广泛应用。这些方法可以满足一般副瓣电平的要求，并且可以得到全局最优解，但对于更低的副瓣电平要求，仅靠优化方法是不够的。此外，实际阵列中存在的各种因素也会对阵列天线的副瓣电平产生影响，例如单元间的互耦，系统误差，随机误差以及衰减器和移相器离散的衰减值和移相值。如果要综合超低副瓣方向图，则需要对阵列天线的结构精度、馈电网络的电特性精度和容差进行非常精确的控制。为了满足和克服这些苛刻的要求和巨大的挑战，二十世纪六十年代提出了时间调制天线阵的概念，即将时间调制技术应用于阵列天线中。
时间调制阵列中，每个天线单元都与一个高速的射频开关连接，从而每个天线的工作状态(导通或关闭)都可以通过与其相连高速射频开关控制。具体来说，即通过加入一组高速射频开关，将时间作为第四维设计变量，引入到具有空间三维变化的常规阵列天线中。通过天线单元所接射频开关的周期性的开通与关闭，等效的把时域的时间加权等效的转化为频域的幅度和相位加权，在原有阵列天线的设计自由度中额外的增加了时间这一维的设计自由度，从而增加了阵列天线的设计的自由度和灵活性，降低了性能对天线本身特性的依赖。这种做法改善了阵列天线的辐射特性，相对的简化了馈电网络的设计，增加了设计的灵活性。
虽然，时间调制阵列相较于传统相控阵天线有着馈网简单，设计灵活的优势，但在实现幅相控制的过程中存在诸多问题，包括其仍需要移相器来进行相位调控，而移相器等硬件成本高，无法实现幅度和相位联合调控等问题，为此需要建立基于矢量调控技术的幅相调控新理论，实现高精度的幅度和相位独立控制，并能够进行自由组合实现联合调控，降低硬件实现成本，实现无移相器的波束扫描。
基于以上分析，为了进一步满足相控阵天线发展中的低成本，高精度的控制系统的要求，需要基于传统的时间调制阵列进行改进，提出一种新的能够实现幅相联合控制的矢量调控方法。本发明公开了一种基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，并通过合理分析其系统架构，调控方法，突破了传统时间调制阵列无法实现无移相器下的高精度的波束扫描的技术难点，有望广泛应用于新一代的低成本无线通信系统中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，包括N个天线单元，N个矢量调控电路模块，N个各支路控制时序，一个N路功率分配器，多块现场可编程逻辑门阵列，一块信号控制板。
基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，其阵列部分主要由天线单元排列组成，每个单元都与一个矢量调控电路模块相连接，再与功率分配器的每个端口进行连接，并最终由功率分配器的一个端口与其他发射或接收系统相连。控制部分由矢量调控模块、信号控制板、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)以及各支路控制时序组成，其中FPGA通过与信号控制板相连，通过后者将加载控制时序的直流控制信号输入给矢量调控模块，以便其根据需求改变控制状态。
所述的矢量调控模块由90度移相单元，180度移相单元级联组成。对于每个单元，其射频部分基本结构为开关线型，由两个单刀双掷射频开关和微带移相线组成，直流部分由开关的驱动电路和供电电路组成，其中主要控制信号主要作用于开关的导通和关闭状态。
上述的N个各支路控制时序分别控制N个矢量调控电路模块的工作状态，其时序状态主要由各路电路模块的射频开关的导通时刻ts以及导通持续时间τs来描述，同时这里还引入了每个射频支路的幅度不平衡A1，2，3，4以及相位不平衡在一个周期内，描述单个支路的控制时序U(t)有如下的表达式：
综上所述，本发明的优点为：
(1)相较于传统阵列的衰减器和移相器控制系统，本发明的调制器件结构简单，设计灵活，控制参数清晰明了，能够实现低成本，高精度的天线阵列幅相联合控制。
(2)本发明所采用的控制时序，考虑到了实际电路以及开关的非理想因素，方便进行更加精确的调制信号的建模，消除这些非理想因素带来的幅相控制误差，天线副瓣水平抬升，扫描角度误差等问题，以便提高天线阵列实际的副瓣性能和波束扫描性能。
附图说明
图1是本发明一种基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列的结构框图。
图2是图1所示的矢量调控电路模块的基本结构。
图3是实施例中的天线阵列部分的仿真模型图。
图4是实施例中的阵列通道控制时序图。
图5是实施例中的天线阵列在14GHz工作状态下的辐射方向图。
图6是实施例中的天线阵列在16GHz工作状态下的辐射方向图。
图7是实施例中的天线阵列在18GHz工作状态下的辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述。
结合图1，本实施例提供了一种基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，包括N个天线单元1，N个矢量调控电路模块2，N个各支路控制时序3，一个N路功率分配器4，多块现场可编程逻辑门阵列5，一块信号控制板6。
硬件连接方面：每个天线单元1与每个矢量调控电路模块2通过同轴线缆或SMP插头对插进行连接；每个矢量调控电路模块2与N路功率分配器4的N个分端口分别通过同轴线缆进行连接；多块现场可编程逻辑门阵列5与控制信号板6通过杜邦线进行连接；控制信号板6与每个矢量调控电路模块2通过杜邦线进行连接。
结合图2，所述的矢量调控电路模块，由90度移相单元，180度移相单元级联组成。
不失一般性的，通过所需阵列天线副瓣电平和扫描角度的设计指标SLL和θ，结合矢量调控电路模块的实际性能，可以得到各支路控制时序U(t)，具体步骤如下：
第一步，根据设计指标SLL和θ，得到每个天线单元应该获得的激励幅度和相位，这个结果可以通过切比雪夫和离散泰勒分布综合方法得到。
第二步，通过矢量网络分析仪，测量得到在所需频段或频点，每个矢量调控电路模块的在每个离散调制状态的S21性能，其结果为幅度值和相位值/>其中1≤n≤N。对于单个模块来说，其幅度值/>可以归一化为单个支路的幅度不平衡A1，2，3，4；其相位值/>通过分别减去0度状态时的实际相位，可以得到单个支路的相位不平衡/>
第三步，根据单个支路的控制时序的表达式，结合傅里叶系数与周期性射频包络U(t)的数学关系，可以得出其在第h次谐波处的谐波分量uh，其表达式如下：
通过比较各个支路谐波分量uh的值，即可得到各个支路相对的幅度和相位。
第四步，根据各个支路所需的激励幅度和相位，结合第三步的uh的值，可以计算出各个支路的控制时序。通过FPGA程序，可以产生基于得到的控制时序的控制信号，并加载到矢量调控电路模块，从而得到需求的幅相激励，实现阵列的低副瓣和高精度波束扫描。
不失一般性，本实例中展示的是一个32单元天线阵列，工作频率为14Ghz-18GHz。调制信号频率为100KHz，所取的谐波分量为一次谐波(h＝1)。
图3中a和b分别为该实施例中的天线单元与矢量调控电路的仿真模型图。在该实施例中采用SMP对插的方式连接。图4为该实施例中16GHz工作频率下阵列通道的工作时序图。
图5、图6、图7分别为该实施例中在不同工作频率下的实测辐射方向图。容易得出，基于本发明的方法，能够在较低的成本下，实现天线阵列较低的副瓣电平以及较高精度的波束扫描。
所述内容旨在向熟悉本领域的工程技术人员提供有关本发明及其实施方案的说明，其描述仅具说明性，不应被视为限制性。工程技术人员可根据本发明权利要求书中的思想进行具体的实施操作，同时也可以基于上述描述对实施方案进行多方面的修改，这些修改也应视为本发明的涉及范围。

Claims (2)

1.一种基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，其特征在于，包括N个天线单元，N个矢量调控电路模块，N个各射频支路控制时序，一个N路功率分配器，多块现场可编程逻辑门阵列，一块控制信号板；
每个所述天线单元(1)分别与每个矢量调控电路模块(2)连接；每个所述矢量调控电路模块(2)分别与N路功率分配器(4)的N个分端口连接；多块所述现场可编程逻辑门阵列(5)与控制信号板(6)连接；所述控制信号板(6)与每个矢量调控电路模块(2)连接；所述矢量调控电路模块(2)，由90度移相单元，180度移相单元级联组成；
N个各射频支路控制时序分别控制N个矢量调控电路模块(2)的工作状态，其时序状态由各矢量调控电路模块(2)的射频开关的导通时刻ts以及导通持续时间τs来描述，同时引入每个射频支路的幅度不平衡A1，2，3，4以及相位不平衡在一个周期内，描述单个射频支路的控制时序U(t)有如下的表达式：
各个射频支路的控制时序根据各个射频支路所需的激励幅度和相位，结合uh的值得到，其表达式如下：
其中，Tp为时间调制周期，fp为时间调制频率。
2.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，其特征在于，每个所述天线单元(1)分别与每个所述矢量调控电路模块(2)通过同轴线缆或SMP插头对插进行连接；每个矢量调控电路模块(2)分别与N路功率分配器(4)的N个分端口通过同轴线缆进行连接；多块现场可编程逻辑门阵列(5)与控制信号板(6)通过杜邦线进行连接；控制信号板(6)与每个矢量调控电路模块(2)通过杜邦线进行连接。
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