CN117375682A - 子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法 - Google Patents

子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法 Download PDF

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Abstract

提供一种子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法包括：多个有方向性高增益子阵构成单行阵列，多行阵列交错排布形成子阵结构二维阵列；二维阵列在水平面排布，定义阵列方向和交错阵列方向，阵列方向和交错阵列方向垂直；设置各子阵的发射信号为周期脉冲串信号，结合电磁波多普勒效应、拟产生低频信号的频率和方向参数，计算各子阵发射信号的脉冲初始相位和延时，设置大带宽和高占空比子阵发射信号；通过计算机生成和存储各子阵发射信号的数据，并将数据导入信号产生设备；信号产生设备根据导入的数据生成各子阵发射信号，并通过功分器对子阵中每个辐射单元馈电；通过二维阵列近端至远端的子阵顺序发射信号，在空间指定方向形成低频信号。

Description

子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法
技术领域
本公开涉及阵列天线、信号与信息处理技术领域，尤其涉及一种子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法。
背景技术
相比于高频电磁波信号，低频电磁波信号具有波长大、穿透能力强等特点，因此其在地质探测等方面具有重要应用价值。传统天线的辐射单元尺寸需达到发射信号的四分之一波长，否则不能高效辐射电磁波，这使低频电磁波信号应用受到限制，研究基于适当尺寸高频天线的低频电磁波信号产生方法具有重要意义。
以长波通信为例，目前国内外一般采用大规模陆基低频发射系统，这种方案占地面积大，均为固定站，对地质结构、地理环境和供电能力提出了较高要求，不能根据特定应用需求形成移动站。若能用高频阵列结构在空间合成产生低频信号，则有可能使用小规模天线阵列结构实现多波段通信，这对大幅改善现有移动平台的无线通信性能具有重要意义。
声波激励或机械运动式的机械天线是目前国内外使用小尺寸天线实现低频产生和发射的另一种体制，但是该体制的天线受到体积、驱动结构、材料等因素的影响，其产生低频信号的频率产生灵活性和辐射强度有限。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，以解决现有基于阵列结构形成低频信号方法辐射方向性差、有效功率利用率低、峰值旁瓣高、谐波分量大等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，包括：步骤A-步骤F。其中，步骤A，多个有方向性高增益子阵构成单行阵列，多行阵列交错排布形成子阵结构二维阵列，实现有方向性高增益低频信号辐射；步骤B，二维阵列在水平面排布，定义二维阵列的两个方向为阵列方向和交错阵列方向，阵列方向和交错阵列方向垂直；步骤C，设置各子阵的发射信号为周期脉冲串信号，结合电磁波多普勒效应、拟产生低频信号的频率和方向参数，计算各子阵发射信号的脉冲初始相位和延时，为使得子阵结构二维阵列在空间中产生高性能低频信号，设置大带宽和高占空比子阵发射信号；步骤D，通过计算机生成和存储各子阵发射信号的数据，并将数据导入信号产生设备；步骤E，信号产生设备根据导入的数据生成各子阵发射信号，并通过功分器对子阵中每个辐射单元馈电；以及步骤F，通过二维阵列近端至远端的子阵顺序发射信号，在空间指定方向形成低频信号。
根据本公开实施例，子阵的辐射单元在交错阵列方向排布，子阵中辐射单元的相位中心间距为发射信号载波半波长，增加辐射单元数量，可减小方位向波束宽度，提高子阵和阵列的方向性和辐射增益。
根据本公开实施例，二维阵列在阵列方向布设子阵用于形成低频信号，在交错阵列方向布设的子阵用于等效减小阵列方向子阵相位中心间距，使得子阵在阵列方向的等效相位中心间距小于发射信号载波八分之一波长，在步进方式下更精确产生高速运动多普勒信号，抑制在空间形成的低频信号谐波。
根据本公开实施例，步骤C中所述高性能低频信号的性能参数包括峰值旁瓣比、积分旁瓣比有效功率利用率；有效功率利用率定义为接收设备处的低频信号主瓣功率与发射信号总功率比值。
根据本公开实施例，辐射单元选用宽带辐射单元，包括对数周期天线。
根据本公开实施例，步骤D中所述信号产生设备包括高速数模转换器和功率放大器。
根据本公开实施例，步骤F中所述近端和远端指二维阵列距离接收设备的最近端和最远端。
根据本公开实施例，根据多普勒效应，通过对子阵发射信号相位、时序参数的设置可等效雷达以近光速远离目标运动的过程，在空间实现低频信号的产生。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)基于子阵结构二维阵列产生低频信号，可能减少低频天线尺寸；
(2)基于子阵结构，可提高天线阵列产生低频信号的方向性和增益
(3)通过对子阵发射信号脉宽和占空比的设计，可提高天线阵列产生低频信号的有效功率利用率。
附图说明
图1为本公开实施例子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法的示意图。
图2为本公开实施例子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法中子阵结构二维阵列示意图。
图3a为子阵发射信号相位根据多普勒效应设置时子阵结构二维阵列产生低频信号的波形仿真图。
图3b为子阵发射信号相位根据多普勒效应设置时子阵结构二维阵列产生低频信号的频谱仿真图。
图3c为子阵发射信号相位根据多普勒效应设置时子阵结构二维阵列产生低频信号的频谱仿真局部放大图。
图3d为子阵发射信号相位根据多普勒效应设置时天线阵列产生低频信号的频谱、子阵发射信号设置随机相位时天线阵列产生信号的频谱和子阵发射信号频谱对比仿真图。
具体实施方式
本公开提供了一种子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，其基于子阵结构二维阵列产生低频信号，可减少低频天线尺寸，同时可提高天线阵列产生低频信号的方向性和增益；通过对子阵发射信号脉宽和占空比的设计，可提高天线阵列产生低频信号的有效功率利用率。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开实施例中，提供了一种子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法。图1为本公开实施例子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法的示意图。如图1所示，本公开子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法包括：
步骤A，多个有方向性高增益子阵构成单行阵列，多行阵列交错排布形成子阵结构二维阵列，实现有方向性高增益低频信号辐射；
步骤B，二维阵列在水平面排布，定义二维阵列的两个方向为阵列方向和交错阵列方向，阵列方向和交错阵列方向垂直；
步骤C，设置各子阵的发射信号为周期脉冲串信号，结合电磁波多普勒效应、拟产生低频信号的频率和方向参数，计算各子阵发射信号的脉冲初始相位和延时，为使得子阵结构二维阵列在空间中产生高性能低频信号，设置大带宽和高占空比子阵发射信号；
步骤D，通过计算机生成和存储各子阵发射信号的数据，并将数据导入信号产生设备；
步骤E，信号产生设备根据导入的数据生成各子阵发射信号，并通过功分器对子阵中每个辐射单元馈电；以及
步骤F，通过二维阵列近端至远端的子阵顺序发射信号，在空间指定方向形成低频信号。
在本公开实施例中，二维阵列在水平面排布，定义其两个方向为阵列方向和交错阵列方向，阵列方向和交错阵列方向垂直；子阵辐射单元在交错阵列方向排布，其相位中心间距为发射信号载波半波长，增加辐射单元数量，可减小方位向波束宽度，提高子阵和阵列的方向性和辐射增益；二维阵列在阵列方向和交错阵列方向排布子阵的相位中心间距均等于发射信号载波半波长；二维阵列在阵列方向布设子阵用于形成低频信号，在交错阵列方向布设的子阵用于等效减小阵列方向子阵相位中心间距，在步进方式下更精确产生高速运动多普勒信号，抑制在空间形成的低频信号谐波。
在本公开实施例中，高性能低频信号的性能参数包括峰值旁瓣比、积分旁瓣比有效功率利用率；有效功率利用率定义为接收设备处的低频信号主瓣功率与发射信号总功率比值；射单元选用宽带辐射单元，典型如对数周期天线。
在本公开实施例中，信号产生设备为高速数模转换器和功率放大器。
在本公开实施例中，近端和远端指二维阵列距离接收设备的最近和最远端。
在本公开实施例中，根据多普勒效应，通过对子阵发射信号相位、时序等参数的设置可等效雷达以近光速远离目标运动的过程，在空间实现低频信号的产生。
图2为本公开实施例子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法中子阵结构二维阵列示意图。如图2所示，子阵结构由K个辐射单元(h1、h2、h3…hK)构成，子阵中各辐射单元通过功分器馈电；N个相位中心间距等于发射信号载频波长d0＝λ/2的子阵(C1、C2…CN)构成单行阵列(平行单行阵列的方向定义为阵列方向，垂直于阵列方向定义为交错阵列方向)，然后M行单行阵列(L1、L…LM)沿交错阵列方向交错排布，其中M行单行阵列的间距为d0，相邻单行阵列的辐射单元彼此交错的距离d＝d0/M。各子阵发射信号通过信号产生设备产生，经功分器处理后，实现各辐射单元的等功率馈电。
根据本公开实施例，图3a为子阵发射信号相位根据多普勒效应设置时子阵结构二维阵列产生低频信号的波形仿真图，图3b为子阵发射信号相位根据多普勒效应设置时子阵结构二维阵列产生低频信号的频谱仿真图，图3c为子阵发射信号相位根据多普勒效应设置时子阵结构二维阵列产生低频信号的频谱仿真局部放大图，图3d为子阵发射信号相位根据多普勒效应设置时天线阵列产生低频信号的频谱、子阵发射信号设置随机相位时天线阵列产生信号的频谱和子阵发射信号频谱对比仿真图。仿真中，例如设置子阵结构二维阵列由8行64元96m阵列交错排布构成，设置子阵发射信号载频为100MHz，带宽为20MHz，周期为0.065μs，占空比为80％，拟形成的低频信号频率为10kHz。如图3a所示，合成信号时长约300μs，周期数约为3，即合成信号频率约为10kHz，与合成信号频率设计值相符。如图3b所示，子阵结构二维阵列形成低频信号的峰值旁瓣比约为-20.74dB，积分旁瓣比约为-8.7486dB，即10kHz频率信号在合成信号中的功率占比约为88.23％。图3c为图3b所示合成信号频率在10kHz频率附近的频谱放大图，由图中标注可见，合成信号频率峰值频率约为10.0054kHz，即频率误差约5.4Hz。如图3d所示，当子阵发射信号设置随机相位时，合成信号频率集中正在载频附近，无法形成低频信号；由于子阵发射信号频谱等于单个子阵发射信号频谱与子阵数量的乘积，所以子阵发射信号频谱等效二维阵列发射信号总功率，由此可知子阵结构二维阵列合成信号的有效功率利用率约为55.15％。假定子阵由4个宽带对数周期辐射单元组成，原理上可将阵列辐射波束宽度减小4倍，同时将阵列辐射增益提高6dB。
根据本公开实施例，通过设置子阵结构二维阵列和子阵发射信号参数，在减少低频天线尺寸的同时，提高了阵列形成低频信号的方向性、增益和有效功率利用率，对提升现有移动平台的地质探测和通信性能具有重要意义。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法。方法提供的子阵结构二维阵列，以及子阵发射信号带宽和占空比等参数选择，不仅可提高天线阵列产生低频信号的方向性和增益，而且提升所形成低频信号的峰值旁瓣比、积分旁瓣比和有效功率利用率，可大幅改善现有移动平台的地质探测和通信性能。
还需要说明的是，以上为本公开提供的不同实施例。这些实施例是用于说明本公开的技术内容，而非用于限制本公开的权利保护范围。一实施例的一特征可通过合适的修饰、置换、组合、分离以应用于其他实施例。
应注意的是，在本文中，除了特别指明的之外，具备“一”元件不限于具备单一的该元件，而可具备一或更多的该元件。
此外，在本文中，除了特别指明的之外，“第一”、“第二”等序数，只是用于区别具有相同名称的多个元件，并不表示它们之间存在位阶、层级、执行顺序、或制程顺序。一“第一”元件与一“第二”元件可能一起出现在同一构件中，或分别出现在不同构件中。序数较大的一元件的存在不必然表示序数较小的另一元件的存在。
在本文中，除了特别指明的之外，所谓的特征甲“或”(or)或“及/或”(and/or)特征乙，是指甲单独存在、乙单独存在、或甲与乙同时存在；所谓的特征甲“及”(and)或“与”(and)或“且”(and)特征乙，是指甲与乙同时存在；所谓的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”，是指包括但不限于此。
此外，在本文中，所谓的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、或“之间”等用语，只是用于描述多个元件之间的相对位置，并在解释上可推广成包括平移、旋转、或镜像的情形。此外，在本文中，除了特别指明的之外，“一元件在另一元件上”或类似叙述不必然表示该元件接触该另一元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，包括：
步骤A，多个有方向性高增益子阵构成单行阵列，多行阵列交错排布形成子阵结构二维阵列，实现有方向性高增益低频信号辐射；
步骤B，二维阵列在水平面排布，定义二维阵列的两个方向为阵列方向和交错阵列方向，阵列方向和交错阵列方向垂直；
步骤C，设置各子阵的发射信号为周期脉冲串信号，结合电磁波多普勒效应、拟产生低频信号的频率和方向参数，计算各子阵发射信号的脉冲初始相位和延时，为使得子阵结构二维阵列在空间中产生高性能低频信号，设置大带宽和高占空比子阵发射信号；
步骤D，通过计算机生成和存储各子阵发射信号的数据，并将数据导入信号产生设备；
步骤E，信号产生设备根据导入的数据生成各子阵发射信号，并通过功分器对子阵中每个辐射单元馈电；以及
步骤F，通过二维阵列近端至远端的子阵顺序发射信号，在空间指定方向形成低频信号。
2.根据权利要求1所述的子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，其中，子阵的辐射单元在交错阵列方向排布，子阵中辐射单元的相位中心间距为发射信号载波半波长，增加辐射单元数量，可减小方位向波束宽度，提高子阵和阵列的方向性和辐射增益。
3.根据权利要求1所述的子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，其中，二维阵列在阵列方向布设子阵用于形成低频信号，在交错阵列方向布设的子阵用于等效减小阵列方向子阵相位中心间距，使得子阵在阵列方向的等效相位中心间距小于发射信号载波八分之一波长，在步进方式下更精确产生高速运动多普勒信号，抑制在空间形成的低频信号谐波。
4.根据权利要求1所述的子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，其中，所述步骤C中所述高性能低频信号的性能参数包括峰值旁瓣比、积分旁瓣比有效功率利用率；有效功率利用率定义为接收设备处的低频信号主瓣功率与发射信号总功率比值。
5.根据权利要求1所述的子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，其中，所述辐射单元选用宽带辐射单元，包括对数周期天线。
6.根据权利要求1所述的子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，其中，所述步骤D中所述信号产生设备包括高速数模转换器和功率放大器。
7.根据权利要求1所述的子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，其中，所述步骤F中所述近端和远端指二维阵列距离接收设备的最近端和最远端。
8.根据权利要求1所述的子阵结构二维阵列有向高增益低频信号产生方法，根据多普勒效应，通过对子阵发射信号相位、时序参数的设置可等效雷达以近光速远离目标运动的过程，在空间实现低频信号的产生。
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