CN103779659B - 基于频率预编码的单通道阵列发射天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率预编码的单通道阵列发射天线，主要解决常规阵列发射天线结构复杂、尺寸大、价格高以及多通道引起的幅相不一致问题。其包括：波形发生器(1)、频率调制器(2)、数模转换器(3)、上变频器(4)、低噪放大器(5)、频率***(6)和天线振子(7)。波形发生器产生的多路信号通过频率调制器调制聚合成单通道信号，该信号依次经过数模转换器形式转换、上变频器混频、低噪放大器放大，得到模拟射频信号，该模拟射频信号通过频率***正交解调及滤波后输出多通道信号，该多通道信号通过天线振子信号形式转换后发射。本发明结构简单、尺寸小、代价低，天线幅相一致性好，能达到与常规阵列发射天线相同的性能指标。

Description

基于频率预编码的单通道阵列发射天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及单通道阵列发射天线，特别是一种通过正交频率调制聚合和解调恢复实现多通道信号的单通道阵列发射天线，可用于通信及雷达信号处理。

背景技术

天线广泛应用在通信、雷达、导航、广播、电视等无线电领域中，其通过无线电波有效地辐射和接收传递信息，是无线电技术设备中一个必不可少的装置。随着微波集成电路的发展，由高频电子器件构成的阵列天线越来越受到人们的重视，其主要特点是多通道处理，即利用多个并行电路对多路信号并行处理。多通道是阵列发射天线区别于机械发射天线的主要特点。阵列发射天线是利用各个通道的天线单元分别发射信号，实现功率在空间的合成。由于阵列发射天线发射多通道的信号，使得它具有比机械发射天线更高的波束形状及波束指向的控制能力。然而在实际工程应用中，由于组成各通道的高频器件存在不可避免的精度误差及器件之间的互扰，将引起信噪比低、幅相不一致、互耦的问题，导致实际的阵列流型往往会出现一定程度的偏差或扰动，此时，通常的信号处理算法性能会严重恶化，甚至失效。

阵列发射天线进行推广应用的另一个主要障碍是对成本、尺寸、重量和功率的要求。由于常规阵列发射天线的每个通道都包含有一个上变频器、DAC、存储器和放大器等器件，因此对于价格昂贵的高性能电子器件来说，大量的使用直接提高了阵列发射天线的成本，巨大的代价已成为其推广使用的瓶颈。再者，大量器件在各通道的使用，使得其体积、重量已成为常规阵列发射天线可扩展性的主要约束，尤其是可用于散热的区域是十分受限的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于频率预编码的单通道阵列发射天线，以通过单通道发射多路信号,从而实现对天线尺寸和代价的减小，提高通道幅相一致性及信噪比。

为实现上述目的，本发明包括：波形发生器、数模转换器、上变频器、低噪放大器、天线振子，其特征在于：

波形发生器与数模转换器之间连接有M个频率调制器，用于产生正交子载波，以对波形发生器输出的信号进行频率调制，并对调制后的信号进行正交聚合处理，其中，M为天线振子数目；

低噪放大器与天线振子之间连接有M个频率***，用于产生正交子载波，以对低噪放大器输出的单通道信号进行解调处理，得到多路模拟射频信号。

作为优选，上述基于频率预编码的单通道阵列发射天线的每个频率调制器包括一级振荡器、一级混频器和聚合传输模块；

所述一级振荡器，用于产生子载波F_cM，以对波形发生器的输出信号频率进行调制，该子载波的表示式为： $F_{cM}=\left\{\begin{array}{cccccc}{e}^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{1}t}& \mathrm{...}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{m}t}& \mathrm{...}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{M-1}t}\end{array}\right\},$ 其中，f_m为子载波频率，f_m＝f_c+m·Δf，m＝0,1,2…M-2,M-1，M为天线振子数目，f_c为参考载频，Δf为子载频步进长度；

所述一级混频器，用于对波形发生器的输出信号进行调制，得到调制后的信号为：

$\begin{array}{c}S=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Γ\ω}}_0{e}^{j2{\mathrm{\πf}}_{c}t}& {\mathrm{\Γ\ω}}_1{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+\mathrm{\Δ}f)t}& \mathrm{...}\end{array}\right.\\ \left.\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Γ\ω}}_m{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+m\·\mathrm{\Δ}f)t}& \mathrm{...}& {\mathrm{\Γ\ω}}_m{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+(M-1)\mathrm{\Δ}f)t}\end{array}\right\}\end{array},$

其中，Γ为信号幅度值，ω_m为波形发生器产生的基带信号波形，m＝0,1,2,…,M-1；

所述聚合传输模块，用于对一级混频器的输出信号进行聚合，得到聚合信号S_aggr为： $S_{aggr}=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{\mathrm{\Γ\ω}}_m{e}^{j2{\mathrm{\πf}}_{m}t}.$

作为优选，上述基于频率预编码的单通道阵列发射天线的每个频率***包括二级振荡器，二级混频器和带通滤波器；

所述二级振荡生器，用于产生子载波F_cdeM，以对低噪放大器的输出信号进行频率调制，该子载波F_cdeM与一级振荡器产生的子载波F_cM相同，即F_cdeM＝F_cM；

所述二级混频器，用于将二级振荡器输出的子载波分别与低噪放大器的输出信号进行混频，得到混频后的多路模拟信号S_c为：

$S_c=\left[\begin{array}{ccccc}{S}_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{1}t}& \mathrm{...}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{M-2}t}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{M-1}t}\end{array}\right],$

其中，S_a为数模转换器的输出信号，m＝0,1,2…M-2,M-1；

所述带通滤波器，用于对二级混频器的输出信号进行带通滤波处理，从每个通道信号的多个载频信号波形中取出载频为f_v的信号波形，滤除掉载频不为f_v的信号波形，得到多路模拟射频信号Y＝[β₁,…β_m,…,β_M-1]，其中，f_v为上变频器的本振载频，β_m为二级混频器的m通道输出信号经过带通滤波器处理得到的信号波形。

作为优选，上述基于频率预编码的单通道阵列发射天线的天线振子，采用M个大小相同的杆状金属管平行排列的结构，每个金属管的长度L＝k·λ，等间距固定在丁字形支撑架上，其中，λ为信号波长，k为系数，k＝1/4或k＝1/2。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明由于设有频率调制器，利用频率调制器产生的正交子载波对基带数字信号进行调制聚合，得到单通道信号，极大地减少了多通道处理所需的电子器件，从而减小了阵列发射天线的体积和成本。

2、本发明由于设有频率调制器和频率***，通过频率调制器产生的正交子载波将多通道信号调制聚合成单通道信号进行处理，并通过频率调制器解调恢复信号，能够很好的解决多通道之间存在的互耦和幅相不一致的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中波形发生器产生信号波形实部示意图；

图3是本发明中的频率调制器结构示意图；

图4是本发明中的频率***结构示意图；

图5是本发明频率调制器的输出信号示意图；

图6是本发明频率***的输出信号示意图；

图7是本发明中的天线振子结构图；

图8是本发明仿真阵列天线布局及发射角度信息图；

图9是本发明及常规阵列天线发射信号的角度频谱对比示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明包括：波形发生器1、频率调制器2、数模转换器3、上变频器4、低噪放大器5、频率***6和天线振子7。其中：M个频率调制器2连接在波形发生器1的输出端与数模转换器3的输入端之间，数模转换器3的输出端与上变频器4的输入端连接，低噪放大器5连接在上变频器4的输出端与M个频率***6的输入端之间，M个频率***6的输出端连接在天线振子7的输入端，其中，M为天线振子数目。各部件的结构及工作原理如下：

所述波形发生器1，采用但不限于33219A型号的器件，其输出的信号为多通道基带数字信号，本实例取通道数为10，该多通道基带数字信号输出给频率调制器2。基带数字信号波形如图2所示，其中图2(a)与图2(c)为两个边缘通道输出的信号波形，图2(b)为中心通道输出的信号波形。

参照图3，每个频率调制器2包括一级振荡器21、一级混频器22和聚合传输模块23；

该一级振荡器21，由第一晶体管G1、第一正反馈网络电路C1和第一选频网络电路S1组成，其中，第一正反馈网络电路C1和第一选频网络电路S1均采用电阻、电容、电抗搭建而成，第一正反馈网络电路C1的输出端与第一晶体管G1的输入端连接，通过第一正反馈网络电路C1输出的信号控制第一晶体管G1进行信号输出，第一晶体管G1的输出端与第一选频网络S1的输入端连接，通过第一选频电路S1对第一晶体管G1的输出信号进行子载波选取，并输出子载波F_cM到一级混频器22进行混频处理，该子载波F_cM为： $F_{cM}=\left\{\begin{array}{cccccc}{e}^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{1}t}& \mathrm{...}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{m}t}& \mathrm{...}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{M-1}t}\end{array}\right\},$ 其中，f_m为子载波频率，f_m＝f_c+m·Δf，m＝0,1,2…M-2,M-1，M为天线振子数目，f_c为参考载频，Δf为子载频步进长度；

该一级混频器22，由第一电桥、电容、电阻、电抗构建而成，其输入端连接在一级振荡器21的输出端，通过一级振荡器21产生的子载波，使第一电桥处于导通或断开状态，用于对波形发生器1的输出信号进行调制，得到调制后的信号为：

$\begin{array}{c}S=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Γ\ω}}_0{e}^{j2{\mathrm{\πf}}_{c}t}& {\mathrm{\Γ\ω}}_0{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+\mathrm{\Δ}f)t}& \mathrm{...}\end{array}\right.\\ \left.\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Γ\ω}}_{m-1}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+m\·\mathrm{\Δ}f)t}& \mathrm{...}& {\mathrm{\Γ\ω}}_{M-1}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+(M-1)\mathrm{\Δ}f)t}\end{array}\right\}\end{array},$

其中，Γ为信号幅度值，ω_m为基带发射信号波形，m＝0,1,2…M-2,M-1；

该聚合传输模块23，其输出端与数模转换器3连接，该模块由逻辑电路B1和第二晶体管G2组成，其中逻辑电路C1采用电阻、电容、电抗搭建而成，通过控制逻辑电路B1输出的电流和电压，使第二晶体管G2处于导通或断开状态，以实现多路信号的选通聚合，聚合信号S_aggr为：聚合信号波形如图5所示。

所述数模转换器3，采用但不限于AD5755型号的器件，频率调制器2的输出信号通过数模转换器3的解码求和处理后得到模拟信号，该模拟信号输出到上变频器4。

所述上变频器4，采用但不限于MAX2044型号的器件，数模转换器3输出的模拟信号通过上变频器4的混频处理，得到射频信号，该射频信号输出到低噪放大器5。

所述低噪放大器5，采用但不限于LMP7711型号的器件，上变频器4输出的信号通过该低噪放大器5的放大处理，得到增益放大信号，该放大信号输出到频率***6。

参照图4，每个频率***6包括二级振荡器61、二级混频器62和带通滤波器63；

该二级振荡器61，由第三晶体管G3、第二正反馈网络电路C2和第二选频网络电路S2组成，其中，第二正反馈网络电路C2和第二选频网络电路S2均采用电阻、电容、电抗搭建而成，第二正反馈网络电路C2的输出端与第三晶体管G3的输入端连接，通过第二正反馈网络电路C2输出的信号控制第三晶体管G3进行信号输出，第三晶体管G3的输出端与第二选频网络S2的输入端连接，通过第二选频电路S2对第三晶体管G3的输出信号进行子载波选取，并将子载波F_cdeM输出给二级混频器62进行混频处理，该子载波F_cdeM与一级振荡器21产生的子载波F_cM相同，即F_cdeM＝F_cM；

该二级混频器62，由第二电桥、电容、电阻、电抗构建而成，其输入端连接在二级振荡器61的输出端，通过二级振荡器61产生的子载波，控制第二电桥的状态，用于对数模转换器5的输出信号进行调制，得到调制后的信号为： $S_c=\left[\begin{array}{ccccc}{S}_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{1}t}& \mathrm{...}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{M-2}t}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{M-1}t}\end{array}\right],$ 其中，S_a为数模转换器5的输出信号，m＝0,1,2…M-2,M-1，M为天线振子数目。

所述带通滤波器，用于对二级混频器的输出信号进行带通滤波处理，从每个通道信号的多个载频信号波形中取出载频为f_v的信号波形，滤除掉载频不为f_v的信号波形，得到多路模拟射频信号Y＝[β₁,…β_m,…,β_M-1]输出给天线振子7，其中，f_v为上变频器4的本振载频，β_m为二级混频器的m通道输出信号经过带通滤波器处理得到的信号波形。本实例取M＝10，该多路模拟射频信号波形如图6所示，其中图6(a)与图6(c)为两个边缘通道的输出信号波形，图6(b)为中心通道输出信号波形。

参照图7，所述天线振子7，由M个大小相同的杆状空心金属管组成，其中，M≥2，本实例取M＝10。这些金属管平行等间距排列，固定在丁字形支撑杆上；每个金属管的长度L＝k·λ，其中，λ为信号波长，k为系数，k＝1/4或k＝1/2，每个金属管的腔体内均连接有传感器单元，传感器单元的输入端与一个频率***6的输出端连接。整个天线振子7放置在无有遮挡的开阔空间，频率***6输出的电信号经传感器单元转换为电磁波信号后输入到金属管的端口进行发射。

本发明的效果可通过以下仿真进一步验证。

1.实验场景：

如图8所示，它是本发明仿真阵列天线布局及发射角度信息图，本发明天线和常规阵列发射天线的位置坐标都为(0,0)km，阵列天线设有10个天线振子，仿真场景中发射波束指向角度设为+45°。

2.实验内容及结果：

通过天线扫描空域得到不同位置的发射信号，该扫描空域范围为-90°～+90°。分别用常规阵列发射天线和本发明这两种天线的发射信号进行波束形成，得到角度功率谱图，如图9所示，其中图9中的虚线为常规阵列天线的角度功率谱，图9的实线为本发明的角度功率谱。

通过图9虚线部分与图9实线部分的对比可以见：本发明在结构简化、体积变小、器件减少、成本降低的情形下，对发射指向的控制能达到与常规阵列天线同样的精准，并能达到同样的波束分辨率。

Claims (3)

1.一种基于频率预编码的单通道阵列发射天线，包括：波形发生器(1)、数模转换器(3)、上变频器(4)、低噪放大器(5)和天线振子(7)，其特征在于：

波形发生器(1)与数模转换器(3)之间连接有M个频率调制器(2)，用于产生正交子载波，以对波形发生器(1)输出的信号进行频率调制，并对调制后的信号进行正交聚合处理，其中，M为天线振子数目；

低噪放大器(5)与天线振子(7)之间连接有M个频率***(6)，用于产生正交子载波，以对低噪放大器(5)输出的单通道信号进行解调处理，得到多路模拟射频信号；

每个频率调制器(2)包括一级振荡器(21)、一级混频器(22)和聚合传输模块(23)；

所述一级振荡器(21)，用于产生子载波F_cM，以对波形发生器(1)的输出信号频率进行调制，该子载波的表示：

$F_{cM}=\left\{\begin{array}{cccccc}{e}^{j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{1}t}& \mathrm{...}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{m}t}& \mathrm{...}& e^{j2{\mathrm{\πf}}_{M-1}t}\end{array}\right\},$

其中，f_m为子载波频率，f_m＝f_c+m·Δf，m＝0,1,2…M-2,M-1，M为天线振子数目，f_c为参考载频，Δf为子载频步进长度；

所述一级混频器(22)，用于对波形发生器(1)的输出信号进行调制，得到调制后的信号为：

$\begin{array}{c}S=\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Γ\ω}}_0{e}^{j2{\mathrm{\πf}}_{c}t}& {\mathrm{\Γ\ω}}_1{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+\mathrm{\Δ}f)t}& \mathrm{...}\end{array}\\ \begin{array}{ccc}{\mathrm{\Γ\ω}}_m{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+m\·\mathrm{\Δ}f)t}& \mathrm{...}& {\mathrm{\Γ\ω}}_{M-1}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+(M-1\left)\mathrm{\Δ}f\right)t}\end{array}\},\end{array}$

其中，Γ为信号幅度值，ω_m为波形发生器(1)产生的基带信号波形，m＝0,1,2,…,M-1；

所述聚合传输模块(23)，用于对一级混频器(22)的输出信号进行聚合，得到聚合信号S_aggr为： $S_{aggr}=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{\mathrm{\Γ\ω}}_m{e}^{j2{\mathrm{\πf}}_{m}t}.$

2.根据权利要求1所述的基于频率预编码的单通道阵列发射天线，其特征在于，每个频率***(6)包括二级振荡器(61)，二级混频器(62)和带通滤波器(63)；

所述二级振荡生器(61)，用于产生子载波F_cdeM，以对低噪放大器(5)的输出信号进行频率调制，该子载波F_cdeM与一级振荡器(21)产生的子载波F_cM相同，即F_cdeM＝F_cM；

所述二级混频器(62)，用于将二级振荡器(61)输出的子载波分别与低噪放大器(5)的输出信号进行混频，得到混频后的多路模拟信号S_c为：

$S_c=\left[\begin{array}{ccccc}{S}_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{0}t}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{1}t}& \mathrm{...}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{M-2}t}& S_a{e}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{M-1}t}\end{array}\right],$

其中，S_a为低噪放大器(5)的输出信号，m＝0,1,2…M-2,M-1；

所述带通滤波器(63)，用于对二级混频器(62)的输出信号进行带通滤波处理，从每个通道信号的多个载频信号波形中取出载频为f_v的信号波形，滤除掉载频不为f_v的信号波形，得到多路模拟射频信号Y＝[β₁,…β_m,…,β_M-1]，其中，f_v为上变频器(4)的本振载频，β_m为二级混频器(62)的m通道输出信号经过带通滤波器(63)处理得到的信号波形。

3.根据权利要求1所述的基于频率预编码的单通道阵列发射天线，其特征在于，所述的天线振子(7)，采用M个大小相同的杆状金属管平行排列的结构，每个金属管的长度L＝k·λ，等间距固定在丁字形支撑杆上，其中，λ为信号波长，k为系数，k＝1/4或k＝1/2。